Folha de tubo do trocador de calor: detecção de falhas nas costuras 

Folha de tubo do trocador de calor: detecção de falhas na costura como uma etapa crítica do controle de qualidade

A detecção de falhas nas costuras que conectam os tubos à chapa tubular do trocador de calor é a única maneira confiável de evitar vazamentos de meios de processo de alta pressão. Em nossa prática, observamos casos em que a inspeção visual não detectou microfissuras com tamanho inferior a 0,1 mm, que após três meses de operação levaram à mistura dos circuitos e ao desligamento de toda a unidade de refino de petróleo. O artigo é dedicado a métodos detalhados de ensaios não destrutivos (END), às especificidades da preparação de zonas de laminação e soldagem, bem como à interpretação dos resultados de acordo com GOST e padrões internacionais. Se você estiver envolvido na aceitação de equipamentos ou na produção de trocadores de calor de casco e tubos, ignorar esses procedimentos acarreta riscos financeiros diretos.

Por que a área entre o tubo e a grelha é o ponto mais vulnerável?

O projeto da chapa tubular envolve centenas de furos nos quais os tubos de troca de calor são instalados. É no ponto onde o metal do tubo passa para o metal da grade que surgem as tensões térmicas e mecânicas máximas. Durante o aquecimento e resfriamento cíclicos, os coeficientes de expansão linear dos materiais do tubo e da grade podem diferir, o que cria cargas variáveis ​​na solda ou na zona de laminação. As estatísticas de falhas mostram que mais de 65% de todos os vazamentos em dispositivos de casco e tubo ocorrem nesta área.

Um de nossos clientes se deparou com uma situação em que um condensador de vapor falhou seis meses após a instalação. O motivo não estava na corrosão do material, mas na falta de penetração da raiz da costura ao soldar o tubo à grade. O defeito estava escondido sob uma camada de metal depositado e não foi detectado durante a inspeção de entrada. A consequência foi a entrada de vapor no circuito de água de resfriamento, o que causou golpe de aríete no sistema de tratamento de água e danos equivalentes a quatro vezes o custo do próprio trocador de calor. Este caso prova: economizar na detecção de falhas de alta qualidade em costuras de placas de tubos sempre custa mais.

A complexidade do controle é agravada pela geometria do nó. A folga entre o tubo e a parede da abertura da grelha é muitas vezes mínima e o acesso de digitalização é limitado aos tubos adjacentes. Os métodos tradicionais que funcionam em grandes aviões são muitas vezes inaplicáveis ​​aqui sem adaptação especial de sensores (transdutores) e equipamentos. Portanto, a abordagemdetecção de falhas de costurasdevem ser rigorosamente regulamentados por um mapa tecnológico, tendo em conta o diâmetro dos tubos, a espessura da parede da grelha e o tipo de ligação.

É importante compreender a diferença entre juntas feitas apenas por laminação, apenas por soldagem ou uma combinação de ambas. No caso de laminação limpa, o controle visa identificar vazamentos e tensão insuficiente. Na soldagem, a prioridade passa a ser a busca de trincas, poros e falta de fusão. O método combinado (laminação seguida de soldagem) requer um teste em duas etapas, pois o efeito térmico da soldagem pode atrapalhar a estanqueidade da laminação realizada anteriormente. A escolha da técnica de END depende dos requisitos do projeto e do ambiente de trabalho.

Estas questões tornam-se especialmente relevantes quando se trabalha com ligas complexas. Por exemplo, uma empresaWuxi Kaisheng LLC, especializada na produção de equipamentos de transferência de calor de alta pressão para as indústrias de petróleo, gás e energia, presta muita atenção à qualidade das conexões em dispositivos feitos de titânio, ligas de níquel (como N06625) e latão naval. Sua experiência mostra que, ao produzir feixes de tubos a partir de materiais altamente resistentes à corrosão, certificados de acordo com os padrões ASME e PED, até mesmo defeitos microscópicos na zona de laminação ou soldagem podem se tornar pontos quentes para corrosão sob tensão rápida. É por isso que os fabricantes deste nível integram o controle de vários estágios diretamente no ciclo do processo de montagem, usando métodos de diagnóstico avançados mesmo na fase de formação da chapa tubular.

Métodos para detecção de falhas em costuras de chapas tubulares: análise comparativa

A escolha do método de monitoramento é determinada pela sensibilidade necessária, acesso à área de monitoramento e orçamento do projeto. No atual estágio de desenvolvimento industrial, os métodos ultrassônicos são os mais procurados, mas os testes capilares e de radiação mantêm seus nichos. Abaixo está uma análise detalhada das principais tecnologias usadas para inspecionar conexões tubo-rede.

Teste ultrassônico (UT): eco de pulso e phased array

O teste ultrassônico continua sendo o padrão ouro para identificar defeitos internos em metal de solda e zonas afetadas pelo calor. O método clássico de eco de pulso usa um único transdutor que emite e recebe um sinal. Para chapas tubulares, são utilizados prismas especiais que permitem que a onda seja introduzida em um ângulo necessário para detectar trincas radiais e axiais. A vantagem do método é sua alta capacidade de penetração e capacidade de avaliar a profundidade do defeito.

No entanto, os testes ultrassônicos tradicionais têm uma limitação na forma de uma “zona morta” próxima à superfície, onde o sinal da onda superficial mascara pequenos defeitos. Em nossa prática, encontramos isso ao inspecionar tubos de aço inoxidável de paredes finas: rachaduras com 0,5 mm de profundidade na raiz da solda permaneceram invisíveis ao usar frequências padrão de 2,5 MHz. A solução exigiu uma transição para conversores de alta frequência (5-10 MHz) e o uso de fluidos de acoplamento de baixa viscosidade.

A tecnologia de teste ultrassônico Phased Array (PAUT) revolucionou a abordagem de inspeção de conjuntos de tubos. O uso de transdutores multielementares permite que o ângulo de entrada do feixe seja alterado eletronicamente sem mover mecanicamente o sensor. Isto é fundamental para feixes de tubos onde o acesso físico é limitado. Utilizando o PAUT é possível obter um scan setorial (S-scan), que visualiza a seção transversal da solda em tempo real. Registramos um aumento de 40% na velocidade de inspeção e uma redução no fator humano na interpretação de dados em comparação com testes ultrassônicos manuais.

Ao trabalhar com PAUT deve-se levar em consideração o material da grade. A estrutura de grãos grossos das grades de aço fundido pode causar forte dispersão de ultrassom, criando ruído estrutural. Nesses casos, é necessário ajuste cuidadoso dos filtros e utilização de baixas frequências, o que reduz a resolução. Realize sempre medições de teste em amostras testemunhas (blocos de calibração) com defeitos artificiais que simulem descontinuidades reais antes de iniciar o trabalho principal.

Teste de penetração (PC) e detecção de falhas de cor

O teste de penetração destina-se exclusivamente à identificação de defeitos superficiais: fissuras, poros, falta de fusão que se estendem à superfície. O método baseia-se na penetração de líquido indicador (penetrante) nas cavidades do defeito sob a ação de forças capilares. Para chapas tubulares, esta geralmente é a primeira etapa de inspeção após a limpeza das costuras. O processo inclui limpeza, aplicação de penetrante, remoção de excesso, aplicação de revelador e inspeção visual.

A principal vantagem de um PC é a simplicidade e o baixo custo do equipamento. Não são necessários componentes eletrônicos complexos ou fontes de alimentação, tornando o método ideal para aplicações de campo ou áreas de difícil acesso dentro da carcaça do trocador de calor. Contudo, o método tem uma desvantagem significativa: não fornece informações sobre a profundidade do defeito. Uma fissura de 0,1 mm de profundidade e uma fístula passante terão a mesma aparência - como uma linha brilhante em um fundo branco revelador. Além disso, o método não é útil para materiais porosos ou superfícies sujas.

Uma nuance importante que muitas vezes é esquecida: a sensibilidade do controle capilar depende diretamente da temperatura ambiente e da limpeza da superfície. Em temperaturas abaixo de +10°C, o tempo de retenção do penetrante deve ser aumentado, caso contrário o líquido não terá tempo de penetrar nas microfissuras. Um dos nossos engenheiros cometeu o erro de realizar testes no inverno, numa oficina sem aquecimento, sem ajustar o tempo de exposição. O resultado foi a passagem de uma rede de microfissuras que se abriu durante o primeiro teste hidráulico. Respeite sempre as condições de temperatura especificadas nas normas do kit de materiais utilizados.

Existem dois tipos principais de penetrantes: visíveis (coloridos, geralmente vermelhos) e luminescentes. Os materiais luminescentes requerem iluminação ultravioleta (UV-A) e proporcionam maior sensibilidade, permitindo a detecção de defeitos tão pequenos quanto 1 mícron de largura. Para unidades trocadoras de calor críticas operando com meios agressivos ou sob alta pressão, recomendamos o uso do método luminescente de classe de sensibilidade 2 ou 1 de acordo com GOST R 56512.

Monitoramento de radiação (RM) e detecção de falhas gama

O teste de radiação permite obter uma imagem objetiva da estrutura interna da costura no filme ou em um detector digital. Este é o único método que proporciona qualidade documentada na forma de uma imagem radiográfica que pode ser arquivada e verificada novamente anos depois. Para placas tubulares, o RK é usado com menos frequência devido à complexidade da geometria: muitos tubos criam sobreposições na imagem, dificultando a decifração.

A eficiência do RC cai drasticamente à medida que o número de fileiras de tubos aumenta. É quase impossível iluminar o feixe central de tubos através das fileiras periféricas sem o uso de colimadores especiais e fontes de alta energia. Porém, para fileiras externas de tubos ou conexões simples, o método é indispensável. Detecta perfeitamente defeitos volumétricos: inclusões de escória, poros, falta de fusão na seção transversal. A sensibilidade do método permite registrar alterações na espessura do metal na faixa de 1-2%.

A segurança ao realizar RK é um fator crítico. Trabalhar com fontes de radiação ionizante requer a organização de uma zona de proteção sanitária, a presença de monitoramento dosimétrico e de pessoal especialmente treinado. Nas condições da produção existente, interromper o trabalho relacionado durante a ovoscopia pode não ser economicamente lucrativo. Portanto, o RK para placas tubulares é mais utilizado na fase de produção da fábrica, quando o dispositivo ainda não está totalmente montado, ou para monitoramento seletivo de áreas críticas.

Preparação de superfície e tecnologia de inspeção

A qualidade da detecção de falhas depende 80% do correto preparo da área controlada. Mesmo o scanner PAUT mais moderno mostrará sinais falsos se a superfície do tubo ou grelha estiver coberta com incrustações, ferrugem ou resíduos de graxa do rolamento. As normas GOST R 56512 e ISO 17640 impõem requisitos rigorosos à rugosidade da superfície. Para testes ultrassônicos, o parâmetro Ra não deve exceder 6,3 μm, e para testes capilares, a superfície deve ficar quase espelhada após o ataque.

O processo de preparação começa com a limpeza mecânica. A utilização de discos abrasivos deve ser feita com cuidado para não manchar o defeito com aparas de metal ou superaquecer o metal, causando revenimento de cores que podem distorcer os resultados do teste de penetrante. Após a limpeza, é necessário desengordurar com solventes que não deixem película. Acetona ou produtos de limpeza especializados para END funcionam melhor. Recomendamos limpar a área de controle com um pano branco: se permanecerem vestígios de sujeira, repita o procedimento de limpeza.

Ao realizar testes ultrassônicos, o contato acústico é fundamental. Usar um fluido de acoplamento inadequado pode resultar na atenuação do sinal. Para superfícies verticais ou juntas de teto, são necessários meios de contato tipo gel com alta aderência. Em ambientes frios, os géis convencionais congelam, perdendo suas propriedades, por isso no inverno deve-se usar formulações anticongelantes à base de glicol ou álcool. Ignorar esta regra leva ao aparecimento de uma “trilha de ruído” na tela do detector de falhas, mascarando os refletores reais.

É dada especial atenção à calibração do equipamento. Antes do início de cada turno, o operador deve configurar o dispositivo usando amostras padrão (SOP). Para chapas tubulares, os POPs são usados ​​com simuladores de defeitos na forma de furos de fundo plano ou cortes localizados na zona de fusão do tubo e da chapa. O ganho (sensibilidade) é ajustado para que o sinal do defeito de referência ocupe uma determinada altura na tela (geralmente 80%). O registo das configurações no registo de controlo é obrigatório - esta é a primeira coisa que a supervisão técnica do cliente verifica.

Erros típicos na detecção de falhas em costuras

O primeiro erro comum é a escolha incorreta do ângulo de entrada da onda ultrassônica. Os operadores geralmente usam ângulos padrão (45°, 60°, 70°) sem considerar a geometria da junta específica. Se o ângulo for escolhido incorretamente, o feixe pode ser refletido na parede do tubo sem entrar na zona de risco - a raiz da costura. Vimos casos em que casamentos foram perdidos precisamente por causa disso. Solução: calcule o caminho do feixe em software especializado ou utilize o escaneamento setorial PAUT, que cobre toda a gama de ângulos.

O segundo erro diz respeito à interpretação dos sinais dos elementos estruturais. Uma transição de altura entre o tubo e a grelha, um filete de solda ou uma mudança na granulação do metal produzem ecos fortes que podem ser confundidos com uma rachadura por um operador inexperiente. Por outro lado, a orientação da fissura pode ser tal que não reflita a onda de volta ao transdutor. Para evitar conclusões falsas, é necessário escanear a área de diferentes lados e ângulos. Se o sinal não mudar quando o ângulo de entrada mudar, provavelmente é um refletor estrutural. Se o sinal “saltar” ou desaparecer, há uma grande probabilidade de defeito do avião.

O terceiro erro é a violação dos intervalos de tempo durante o controle capilar. O tempo de espera do penetrante e do revelador é indicado nas instruções por um motivo. A redução precipitada do tempo de exposição faz com que o penetrante não tenha tempo de escapar das fissuras estreitas para a superfície e o defeito permaneça invisível. Isto é especialmente crítico em baixas temperaturas. A regra é simples: na dúvida, espere mais. Mais 5 minutos não valem o risco de perder uma fístula.

Marco regulatório e critérios de rejeição

A avaliação dos resultados da detecção de falhas é realizada estritamente de acordo com a documentação regulamentar. Na Rússia e nos países da CEI, o documento principal é GOST R 56512-2015 "Ensaios não destrutivos. Juntas soldadas. Níveis de qualidade." Para equipamentos que operam sob pressão, também se aplicam as Regras para Projeto e Operação Segura de Vasos de Pressão (PB 03-576-03). No nível internacional, eles se concentram na ASME Seção VIII Div. 1 ou EN ISO 5817.

Os critérios de rejeição dependem da categoria da embarcação e das propriedades do ambiente de trabalho. Para trocadores de calor que operam com substâncias tóxicas ou explosivas, os requisitos são máximos. Normalmente, quaisquer fissuras são inaceitáveis, independentemente do seu tamanho e localização. A falta de penetração da raiz da solda também é totalmente proibida. São permitidos poros únicos de um determinado diâmetro, mas sua área total em uma determinada área não deve exceder uma determinada porcentagem da área da costura.

Com o teste ultrassônico, a avaliação é baseada na amplitude do sinal de eco e em seu comprimento. Os defeitos são classificados de acordo com seus tamanhos convencionais. Se a área de defeito equivalente exceder o limite aceitável para um determinado nível de qualidade (por exemplo, ISO 17640 Nível B), a conexão deverá ser reparada ou rejeitada. É importante ressaltar que as normas são atualizadas periodicamente. Por exemplo, a transição para novas edições do GOST pode tornar mais rígidos os requisitos para os tamanhos permitidos de descontinuidades. Utilize sempre as últimas versões dos documentos válidos no momento da entrega do objeto.

Documentar os resultados é parte integrante do processo. O protocolo de detecção de falhas deve conter um diagrama de layout de tubulação, um mapa de defeitos com coordenadas, configurações do dispositivo e uma conclusão sobre adequação. Na era da digitalização, cada vez mais empresas estão migrando para passaportes de equipamentos eletrônicos, onde os dados de END são baixados diretamente do dispositivo. Isso elimina o fator humano ao transcrever dados e permite acompanhar o desenvolvimento de defeitos ao longo do tempo durante exames subsequentes.

Recomendações práticas para clientes e fabricantes

Se você solicitar a fabricação de um trocador de calor, inclua nas especificações técnicas um requisito para fornecer protocolos de END para 100% das conexões tubo-rede, e não seletivamente. A inspeção seletiva (por exemplo, 10% dos tubos) só é permitida para dispositivos de baixa pressão e aplicações não críticas. Para equipamentos de geração de energia e petroquímicos, o controle total é essencial. Especifique o método de controle: para componentes altamente carregados, insista em usar PAUT ou uma combinação de teste ultrassônico e método capilar.

Os fabricantes são incentivados a implementar sistemas automatizados de digitalização para feixes de tubos. Monitorar manualmente milhares de conexões é um trabalho árduo, que leva à fadiga do operador e à diminuição do foco. Os scanners robóticos se movem ao longo de um padrão de grade para garantir uma pressão estável do sensor e uma velocidade de digitalização consistente. Os investimentos neste tipo de equipamento compensam, reduzindo as reclamações e aumentando o rendimento da oficina.

Não se esqueça das qualificações do pessoal. É necessário um certificado NAKS (Agência Nacional de Controle de Soldagem) ou certificado ISO 9712. Mas o papel não garante o domínio. Realize testes práticos do operador em amostras reais com defeitos conhecidos antes de poder trabalhar em seu local. Conhecemos casos em que um especialista certificado não conseguiu encontrar um corte artificial em um bloco de teste por falta de prática com um tipo específico de equipamento.

Considere o material da folha do tubo. Ao testar grades bimetálicas (por exemplo, aço com uma camada depositada de aço inoxidável), surge uma interface adicional que produz forte interferência. É necessária uma técnica especial que leve em consideração a velocidade do som na camada depositada. Ignorar esse fator resultará no monitoramento apenas do metal base, deixando a área de depósito de solda, onde ocorrem com mais frequência as trincas de corrosão, sem vigilância.

Perguntas frequentes

Qual é o método mais preciso para detecção de falhas em costuras de chapas tubulares?

Não existe um método único “mais preciso” para todas as situações. A imagem mais completa é fornecida por uma combinação de métodos. O teste ultrassônico de phased array (PAUT) fornece melhor profundidade de penetração e dimensionamento de defeitos internos. A inspeção penetrante é indispensável para encontrar as menores fissuras superficiais que podem não ser visíveis no ultrassom devido à orientação. Para máxima confiabilidade, recomendamos usar a combinação PAUT + PC. Isto cobre 99% dos possíveis tipos de descontinuidades.

É possível realizar a detecção de falhas em um trocador de calor já instalado?

Sim, é possível, mas com limitações. O acesso à placa tubular dentro do invólucro é muitas vezes difícil. Para um feixe de tubos interno, é impossível uma inspeção completa sem desmontar o aparelho. Normalmente, são verificadas fileiras periféricas de tubos acessíveis para entrada do sensor através de bueiros ou são usados ​​scanners longos e flexíveis especiais. Se o trocador de calor for desmontado, o controle é realizado totalmente pela lateral do espaço entre tubos. Planeje o acesso aos END na fase de projeto da instalação.

O que fazer se for encontrado algum defeito na solda?

Se for detectado um defeito inaceitável, é elaborado um plano de reparo. A costura deve ser cortada mecanicamente (fresagem, retificação) para obter metal sólido. Em seguida, a soldadura é realizada utilizando a tecnologia aprovada. Após o reparo, deverá ser realizada uma nova detecção do defeito na mesma área, utilizando o mesmo método pelo qual o defeito foi encontrado, acrescido de um método adicional de seguro. É importante não sobreaquecer os tubos adjacentes durante o corte, para não perturbar as suas ligações à rede.

Com que frequência a detecção repetida de falhas deve ser realizada durante a operação?

A frequência é determinada pelos regulamentos técnicos de diagnóstico do empreendimento e das condições de operação. Para dispositivos que operam em ambientes agressivos ou sob altas cargas cíclicas, o intervalo recomendado é a cada 2-4 anos ou durante grandes revisões planejadas. O controle extraordinário é indicado quando há suspeita de vazamento, após golpe de aríete ou paradas de emergência. O monitoramento da condição da chapa de tubo faz parte do sistema de gerenciamento de integridade do equipamento (RBI).

Conclusão e próximos passos

Alta qualidadedetecção de falhas de costurasA chapa tubular não é apenas uma conformidade formal com as normas, mas um verdadeiro investimento na segurança e continuidade da sua produção. Ignorar as microfissuras hoje pode resultar em um acidente grave amanhã. Técnicas modernas como o PAUT permitem ver o invisível e prevenir desastres antes que comecem. Pedimos que você não economize na etapa de controle de qualidade e exija relatórios de testes transparentes dos fornecedores.

Se você se deparar com a necessidade de realizar um exame em equipamentos de troca de calor, selecionar uma técnica de controle ou interpretar resultados complexos de detecção de falhas, nossa equipe está pronta para fornecer suporte profissional. Contamos com uma frota de equipamentos modernos e uma equipe de especialistas certificados pela norma ISO 9712 Nível III.Contate-nos hojepara discutir os detalhes do seu projeto e receber conselhos.

Para obter mais informações sobre padrões de ensaios não destrutivos, recomendamos que você leia os materiaisFonte: Associação "OKSNK", onde são apresentadas explicações atuais sobre a aplicação do GOST R 56512-2015.