O que são tubos de caldeira?
Em todas as caldeiras, o calor é transferido do interior dos tubos para o exterior (caldeiras de tubos de fogo), ou do exterior dos tubos para o interior (caldeiras de tubos de água). O número de tubos dentro de uma caldeira varia de centenas a milhares em uma única caldeira, dependendo do tamanho e design da caldeira. O principal objetivo dos tubos de caldeira é transferir o calor gerado pela combustão do combustível para a água ou vapor.
Tubos de Caldeira de Tubo de Fogo e Tubo de Água
Importante saber – ‘tubos de água’ também é escrito ‘tubos-de-água’, ou ‘tubos de água’, mas as diferentes variações significam a mesma coisa.
Importante saber – ‘tubos de fogo’ também é escrito ‘tubos-de-fogo’, ou ‘tubos de fogo’, mas as diferentes variações significam a mesma coisa.
Nota - para ajudar na compreensão e familiarização, este artigo usa uma mistura de grafias para caldeiras de tubos de fogo e tubos de água.
Tipos de Tubos de Caldeira
Uma caldeira pode ter diversos tipos de tubos para atender a diferentes requisitos de aquecimento. O tipo de tubo utilizado depende do design da caldeira e da posição do tubo dentro da caldeira.
- Tubos economizadores – para pré-aquecer a água de alimentação.
- Tubos superaquecedores – para superaquecer o vapor além do seu ponto de saturação.
- Tubos evaporadores – para a conversão de água em vapor (onde ocorre a evaporação).
- Tubos de sustentação – para transferência de calor e para adicionar resistência estrutural à caldeira.
- Tubos aletados – para aumentar a área de superfície de transferência de calor.
Importante saber – o termo ‘superaquecimento’ refere-se ao processo de transferência de calor sensível para vapor saturado a fim de aumentar sua temperatura e, assim, a quantidade de energia que o vapor contém.
Importante saber – tubos de sustentação são especialmente projetados para não apenas transferir calor, mas também para fortalecer a estrutura interna da caldeira. Tubos de sustentação são mais espessos que os tubos normais, proporcionando suporte estrutural adicional à caldeira.
Designações de Tubos de Caldeira de Tubo de Água
Design de Tubos de Caldeira
Tubos de caldeira são projetados para atender a rigorosos padrões de segurança e eficiência, necessitando de requisitos específicos de design e material. Ao contrário de tubos comuns, tubos de caldeira frequentemente têm paredes mais espessas e não possuem costuras longitudinais, aumentando sua resistência e integridade sob condições de alta pressão e alta temperatura. Tubos de caldeira são geralmente fabricados sem costuras para evitar pontos fracos que poderiam causar falhas sob estresse. Tubos de caldeira são fabricados em estrita conformidade com normas internacionais específicas. Por exemplo, ASTM A192 fornece especificações padrão para tubos de aço carbono de alta pressão.
Designs de Caldeira de Tubo de Água e Tubo de Fogo
Arranjo de Tubos de Caldeira
O arranjo dos tubos dentro de uma caldeira é escolhido com base em vários fatores, incluindo taxa de transferência de calor, queda de pressão, complexidade de fabricação e eficiência desejada.
Layout de Tubos de Caldeira de Tubo de Água
Listados abaixo estão alguns arranjos comuns de tubos de caldeira:
- Arranjo de Tubos Deslocados – esta configuração coloca os tubos em um padrão deslocado, aumentando a taxa de transferência de calor devido ao aumento da turbulência no fluxo de fluido.
- Arranjo em Linha ou Grade – os tubos são dispostos em um padrão de grade regular. Embora ofereça facilidade de fabricação e limpeza, pode resultar em menor eficiência de transferência de calor em comparação com arranjos deslocados.
- Arranjo de Quadrado Rotacionado – os tubos são colocados em um padrão quadrado, mas rotacionados em um ângulo. Este arranjo pode melhorar a transferência de calor ao perturbar o fluxo de fluido de forma mais eficaz do que um layout de grade padrão.
- Arranjo de Passo Triangular – os tubos são dispostos em um padrão triangular, o que maximiza o número de tubos em uma determinada área, levando a taxas de transferência de calor mais altas.
Exemplos de Passo de Tubos
Tubos de Caldeira e Tubos Comuns Comparados
Os tubos de caldeira diferem significativamente dos tubos comuns em vários aspectos:
- Espessura da Parede – os tubos de caldeira geralmente têm paredes mais espessas para suportar as grandes pressões internas às quais serão submetidos (caldeiras de usinas de energia geralmente operam a pressões superiores a 160 bar (2.400 psi) e temperaturas superiores a 540⁰C (1.000⁰F).
- Medição – ao contrário dos tubos, que são medidos pelo diâmetro interno, os tubos de caldeira são medidos pelo diâmetro externo.
Tubo com Solda Longitudinal
Causas de Falha em Tubos de Caldeira
Falhas em tubos de caldeira estão entre as principais causas de desligamentos de caldeiras, com várias razões subjacentes:
- Superaquecimento – a causa mais comum de falha em tubos. Pode ocorrer devido ao acúmulo de incrustações dentro dos tubos, atuando como uma camada isolante, ou devido ao fluxo inadequado de água ou vapor (resfriamento inadequado), ou por erros operacionais como superalimentação, onde o excesso de combustível eleva a temperatura da caldeira além dos limites seguros.
Incrustação Dentro de um Tubo de Caldeira
Importante saber – incrustações dentro de tubos de caldeira de tubos de água fazem com que o fluido de processo (água ou vapor) flua a uma velocidade aumentada, enquanto também reduz a taxa de transferência de calor do tubo. Uma redução na taxa de transferência de calor causa uma redução na eficiência e aumenta a probabilidade de superaquecimento localizado (tubos de caldeira de tubo de água e tubo de fogo são resfriados pelo fluido de processo).
- Corrosão – pode degradar o metal do tubo tanto interna quanto externamente, desencadeada por fatores como tratamento inadequado da água ou exposição ambiental a produtos químicos e gases.
- Erosão – desgasta o material do tubo pela exposição contínua a fluidos em movimento ou partículas, especialmente em caldeiras a carvão de alto teor de cinzas.
- Estresse Mecânico – causado por pressão, expansão térmica e vibração, que podem levar à fadiga e eventual falha dos tubos da caldeira.
- Defeitos de Material – falhas de fabricação ou inconsistências de material podem levar a falhas prematuras dos tubos da caldeira sob tensões operacionais normais.
Reparo e Manutenção de Tubos
O processo de reparo de tubos de caldeira geralmente envolve soldagem (uma técnica usada para fundir metal através de calor intenso). Dada a complexidade e alta habilidade exigida, a soldagem é geralmente realizada por soldadores certificados.
Vários Tipos de Solda
Tipos de Reparo de Tubos de Caldeira
As quatro maneiras mais comuns de reparar tubos de caldeira são:
- Revestimento – isso envolve a aplicação de uma camada de material de solda para engrossar e fortalecer áreas enfraquecidas.
- Fechamento de Ruptura – em casos de rupturas de tubos, a área danificada é frequentemente soldada após o realinhamento das bordas.
- Reparo de Janela – uma seção severamente danificada do tubo pode ser cortada e substituída por uma nova peça, garantindo continuidade e integridade.
- Tamponamento – realizado em casos onde o dano é impossível de reparar por outros meios. Com este método, tampões feitos de material adequado são inseridos em ambas as extremidades do tubo danificado, isolando-o hidraulicamente.
IMPORTANTE: Não é recomendado operar uma caldeira com mais de 10% de seus tubos tamponados.
Manutenção Preventiva de Tubos de Caldeira
Seguir o plano de manutenção preventiva recomendado pelo fabricante da caldeira é importante para manter a caldeira e suas partes internas em condições ótimas. Planos de manutenção preventiva geralmente incluem o seguinte:
- Controle de química da água e vapor (muito importante!)
- Inspeções visuais externas em intervalos programados, por exemplo, a cada 4 horas ou diariamente, etc.
- Inspeções visuais internas em intervalos programados, por exemplo, a cada 6 meses.
- Inspeções de tubos de caldeira e atualização de mapas de tubos de caldeira (estes listam a condição de cada tubo dentro da caldeira).
- Amostragem de combustível.
- Amostragem de gases de exaustão.
- Inspeções de termografia.
- Inspeções de refratários.
Observe que estas são apenas algumas das tarefas necessárias para manter uma caldeira industrial operando corretamente!