Folha de tubo: tecnologia de alargamento de tubo 

Tecnologia de alargamento de tubos: da teoria à estanqueidade perfeita

A queima de chapas tubulares não é apenas uma união mecânica de metal com metal, mas um processo crítico que determina a vida útil do equipamento de transferência de calor por décadas. Em nossa prática, encontramos repetidamente situações em que dispositivos caros falharam após seis meses de operação devido a microfissuras na zona de contato causadas por violação de tecnologiaalargamento de tubos. Uma operação realizada corretamente garante a estanqueidade da unidade, resistência às cargas vibratórias e transferência efetiva de calor entre os meios. Se você está procurando uma resposta para a questão de como garantir a confiabilidade de um trocador de calor, então a chave está no controle rigoroso dos parâmetros de deformação do tubo e na qualidade da preparação da superfície da placa do tubo.

Este artigo foi escrito por engenheiros que realizaram pessoalmente milhares de ciclos de queima em instalações de produção na Rússia, Europa e Ásia. Não recontaremos definições áridas dos livros didáticos. Em vez disso, analisaremos casos reais, mostraremos onde os erros fatais são cometidos com mais frequência e forneceremos um algoritmo passo a passo de ações que permitirá evitar paradas emergenciais de produção. Compreender a física do processo de queima distingue um tecnólogo profissional de um operador que simplesmente pressiona um botão em uma máquina.

Física do processo e escolha do método de queima

A essência da tecnologia é criar tensão entre o tubo e a parede da abertura da chapa tubular devido à deformação plástica do tubo. À medida que o tubo se expande dentro do furo, ele pressiona as paredes da grelha, criando uma força de atrito que mantém a estrutura no lugar e evita vazamentos. No entanto, aqui reside a primeira armadilha: se a pressão for muito fraca, ocorrerá vazamento; se for muito forte, ocorrerá sobredeformação, levando à fissuração do material ou ao enfraquecimento da própria rede.

Dois métodos principais dominam a indústria moderna: alargamento mecânico usando um mandril e alargamento hidráulico (ou pneumático). O método mecânico, utilizando um mandril cônico girando dentro de um tubo, continua sendo o mais comum para produção em massa devido à sua velocidade e baixos custos de ferramental. Porém, em nossa prática, notamos que ao trabalhar com tubos de aço inoxidável ou titânio de paredes finas, o método mecânico muitas vezes leva a um adelgaçamento irregular da parede do tubo (“efeito de ranhura helicoidal”), o que reduz a resistência à corrosão da montagem.

A queima hidráulica, por outro lado, cria uma pressão radial uniforme ao longo de todo o comprimento do contato. É a escolha ideal para componentes altamente críticos que operam sob alta pressão ou em ambientes agressivos. Um de nossos clientes, fabricante de reatores químicos, enfrentou o problema de microvazamentos em dispositivos montados mecanicamente. Após a mudança para a tecnologia hidráulica, a taxa de refugo diminuiu 94%, embora o tempo de processamento por conexão tenha aumentado 15 segundos. Este compromisso revelou-se economicamente justificável, dado o custo do tempo de inatividade do equipamento.

A escolha do método depende de três fatores: material do tubo, espessura da parede e força de tensão necessária. Para aços carbono com espessura superior a 2 mm, o alargamento mecânico apresenta excelentes resultados. Para ligas à base de níquel, titânio ou alumínio, bem como para tubos com parede inferior a 1,5 mm, recomendamos fortemente a utilização de sistemas hidráulicos. Ignorar esta regra é um caminho direto para reclamações de clientes.

Parâmetros Críticos de Controle de Qualidade

O sucesso da operação não é determinado por uma avaliação visual, mas por números exatos. O parâmetro principal é a porcentagem de afinamento da parede do tubo. A faixa ideal é de 8% a 12%. Um valor abaixo de 6% não fornecerá tensão suficiente e um valor acima de 15% enfraquecerá criticamente o tubo. O cálculo é feito por meio de uma fórmula que leva em consideração o diâmetro interno inicial e final do tubo, bem como o diâmetro do furo na grade.

O segundo indicador mais importante é o comprimento da zona alargada. Deve obedecer rigorosamente ao desenho, geralmente projetando-se além da grade em 1-2 mm, mas em nenhum caso penetrando profundamente na câmara do aparelho, onde pode criar turbulência no fluxo. A utilização de sistemas automatizados com sensores de profundidade elimina o fator humano que, segundo nossos dados, é a causa de 60% de todos os defeitos de instalação.

Preparação da folha de tubo: uma etapa que não pode ser ignorada

Muitos tecnólogos cometem o erro fatal de focar apenas na ferramenta de alargamento e esquecer de preparar o próprio furo na placa do tubo. A superfície do furo deve estar perfeitamente limpa e apresentar certa rugosidade. De acordo com o padrãoGOST R 55897-2013, a superfície dos furos não deve apresentar marcas direcionadas ao longo do eixo do tubo, pois podem se tornar centros de corrosão e caminhos para vazamento capilar.

Antes de iniciar o trabalho, é necessário limpar completamente os furos de incrustações, óleo e películas de óxido. Utilizamos escovas especiais com cerdas abrasivas ou ataque químico, dependendo do material da grade. A rugosidade da superfície (Ra) deve estar na faixa de 3,2–6,3 µm. Uma superfície muito lisa (polida) reduz o coeficiente de atrito, o que pode fazer com que o tubo gire sob carga. Uma superfície muito áspera dificultará a inserção do tubo e poderá danificar sua camada externa durante a instalação.

Atenção especial deve ser dada à geometria do furo. O desvio da cilindricidade não deve exceder 0,05 mm para cada 100 mm de comprimento. Em nossa prática, houve um caso em que um lote de placas tubulares apresentava furos elípticos devido ao desgaste da furadeira do fornecedor. Uma tentativa de alargar tubos nesses orifícios fez com que em uma parte do perímetro a tensão fosse excessiva (risco de rachaduras) e na outra estivesse completamente ausente (risco de vazamentos). O lote teve que ser totalmente rejeitado, o que custou prejuízos significativos à empresa.

A folga entre o tubo e o furo antes do início da queima também é crítica. A folga recomendada é de 0,2–0,4 mm. Se a folga for maior que 0,5 mm, será necessária uma deformação excessiva do tubo para preencher o vazio, o que inevitavelmente levará à deformação excessiva e à redução da resistência do tubo. Se a folga for inferior a 0,1 mm, surgirão dificuldades de montagem e o tubo poderá ficar preso antes do início do processo de expansão.

Controle de dureza do material

A regra de ouro do alargamento é que o material do tubo deve ser mais macio que o material da placa do tubo. A diferença de dureza (Brinell) deve ser de no mínimo 30 unidades (HB). Se o tubo for mais duro que a grelha, durante o alargamento não será o tubo que será deformado, mas sim o orifício na própria grelha. Isto resultará na perda da vedação imediatamente após a remoção da ferramenta.

Nas situações em que é estruturalmente impossível tornar a grade mais dura que o tubo (por exemplo, quando se utilizam tubos de titânio em uma grade de aço), é utilizada a tecnologia de fusão ou revestimento dos furos com uma liga mais dura. Ignorar um teste de dureza antes de iniciar uma série é uma loteria que a planta quase sempre perde.

Instruções passo a passo: tecnologia de queima

Abaixo está um algoritmo detalhado para realizar a queima mecânica, que utilizamos em nossas linhas de produção. Seguir essas etapas permite que você obtenha qualidade consistente mesmo ao trabalhar com novos funcionários.

1. Preparação do instrumento e verificação de calibração.Antes de iniciar um turno, o operador deve verificar o estado dos rolos da cabeça alargada. Mesmo um desgaste de 0,1 mm nos rolos altera o ângulo do cone e a força de expansão. Use um medidor de pinça para verificar o diâmetro livre da cabeça. A lubrificação das superfícies internas do tubo é obrigatória - utilize apenas óleos especializados recomendados pelo fabricante da ferramenta para evitar arranhões.Erro comum:o uso de óleo ou graxa residual, que contém partículas abrasivas e causa arranhões na superfície interna do tubo.
2. Instalando o tubo e fixando a profundidade.Insira o tubo no orifício da placa do tubo até que ele pare no colar de batente ou use o batente mecânico no acionamento da máquina de alargamento. A profundidade de imersão deve ser ajustada dentro de 0,5 mm. A instalação incorreta fará com que a área de queima se mova em relação ao plano da grade, criando um “degrau” dentro do aparelho que coletará contaminantes e interferirá no fluxo do meio.
3. Início do processo de expansão (primeira passagem).Inicie o acionamento em baixa velocidade. Insira suavemente a cabeça no tubo. A pressão deve aumentar gradualmente. Nesta fase ocorre a amostragem inicial do gap. É importante monitorar a corrente do motor (se for usado um acionamento elétrico): um salto brusco na corrente sinaliza um emperramento ou alinhamento incorreto. Pare o processo se ouvir um ruído de trituração - isso é um sinal de lascas ou areia entrando entre os rolos e o tubo.
4. Alargamento básico e controle de força.Aumente a velocidade para a velocidade operacional. Os rolos devem pressionar uniformemente a parede do tubo contra a parede do furo. O momento crítico é quando o material do tubo atinge o seu limite de escoamento. As máquinas CNC modernas param automaticamente quando um torque predefinido ou ângulo de rotação é alcançado. Com o controle manual, o operador é guiado pela sensação de resistência.Importante:Nunca tente “pressionar” um cano se ele parecer solto. É melhor fazer uma segunda passagem com correção de ajuste do que redeformar o metal uma vez.
5. Remoção e acabamento de ferramentas.Assim que a expansão estiver concluída, inverta a operação e remova suavemente o cabeçote. Um puxão forte pode quebrar a tensão que acabou de ser criada. Inspecione as pontas do tubo: devem estar lisas, sem rebarbas. Se necessário, remova o chanfro com um escareador especial. As rebarbas são perigosas porque podem se soltar devido ao fluxo e danificar bombas ou válvulas a jusante.
6. Rolamento (opcional, mas recomendado).Para reforçar a ligação e aliviar as tensões residuais, recomenda-se realizar a operação de enrolar a extremidade do tubo até ao plano da grelha. Isto cria um bloqueio mecânico adicional e melhora a aparência da unidade. A laminação é realizada com um rolo especial que comprime a borda do tubo em um ângulo de 45 graus.

Depois de concluir todas as etapas, certifique-se de realizar uma inspeção seletiva medindo o diâmetro interno do tubo com um manômetro ou testando a pressão do ar. Em nossa documentação, cada décima unidade está sujeita a testes obrigatórios de vazamento com água sob pressão 1,5 vezes superior à pressão de trabalho.

Defeitos típicos e métodos para eliminá-los

Mesmo que a tecnologia seja seguida, podem ocorrer defeitos. Ser capaz de diagnosticar rapidamente um problema economiza horas de inatividade. Vejamos os casos mais comuns que encontramos nos workshops.

Rachaduras longitudinais no tubo.Este é o defeito mais perigoso, muitas vezes invisível a olho nu. O motivo é quase sempre o mesmo - um grau excessivo de alargamento (afinamento da parede superior a 15-18%) ou a presença de defeitos no próprio material do tubo (extremidades desenroladas). Solução: reduzir o avanço da ferramenta ou aumentar o passo de alargamento. Verifique também os certificados do lote de tubos - talvez o material não corresponda à ductilidade declarada.

Rasgo do tubo da grade devido à força axial.Se o tubo for puxado facilmente com a mão ou com pouca tensão, a tensão é insuficiente. Causas: folga inicial muito grande, baixa dureza da grelha, contaminação da superfície com óleo ou óxidos ou comprimento insuficiente da zona de alargamento. Solução: aumentar a força de alargamento, jatear os furos da grade ou aumentar o comprimento da zona de contato.

Elipse do tubo após alargamento.O tubo torna-se oval em vez de redondo. Isto indica desgaste irregular nos rolos da cabeça de alargamento ou desvio do fuso da máquina. Trabalhar com tal ferramenta é inaceitável, pois o contato ocorrerá apenas em dois pontos, e não em todo o perímetro. É necessária a substituição ou retificação imediata dos rolos e o reparo da unidade.

Arranhões e riscos na superfície interna.Ocorrem por falta de lubrificação, uso de ferramentas sujas ou velocidade de rotação muito alta. Tais defeitos reduzem drasticamente a resistência à corrosão e criam pontos de concentração de tensão. Nas indústrias alimentícia e farmacêutica, esses tubos estão sujeitos à rejeição incondicional.

Efeito da temperatura no processo

Não se esqueça do fator temperatura. O coeficiente de expansão linear de diferentes metais é diferente. Se o trocador de calor operar em altas temperaturas (acima de 300°C), então, quando aquecido, o tubo se expandirá mais do que a grelha (se o tubo for de aço e a grelha for feita de ferro fundido ou uma liga especial com menor coeficiente de expansão), o que pode aumentar a tensão e causar fluência do metal. Por outro lado, durante o resfriamento, a interferência pode desaparecer. Ao projetar e selecionar a tecnologia de queima para serviços de alta temperatura, é necessário calcular as tensões térmicas. Nesses casos, um método combinado é frequentemente usado: soldagem por alargamento + flangeamento.

Padrões e quadro regulamentar na Federação Russa e na CEI

O trabalho no setor industrial da Rússia e dos países da EAEU exige o cumprimento estrito dos documentos regulamentares. O principal documento orientador éGOST 31317-2007"Trocadores de calor. Condições técnicas gerais", que regulamenta os requisitos de qualidade das ligações. Também é importante considerarPB 03-576-03“Regras para o projeto e operação segura de vasos de pressão.”

De acordo com essas normas, cada conexão deve resistir a testes hidráulicos sem sinais de vazamento ou deformação permanente. A documentação do processo de queima (mapa tecnológico) deve conter dados sobre o modo de queima (torque, ângulo de rotação, número de passes) para cada tipo de tamanho padrão. Esses dados devem ser verificados durante a certificação tecnológica.

Para produtos exportados para os países da União Económica Eurasiática, é necessário um certificado EAC. Os fabricantes de equipamentos devem ter um sistema de gestão de qualidade certificado pela ISO 9001, com procedimentos de controle de queima como principais pontos de controle. A falta de rastreabilidade dos parâmetros de queima de cada equipamento pode ser motivo de recusa de aceitação por parte do cliente, principalmente no setor de óleo e gás.

Recomendamos auditar regularmente os processos tecnológicos para conformidade com as últimas edições do GOST. O quadro regulamentar está a ser atualizado e a utilização de técnicas desatualizadas pode conduzir a riscos jurídicos em caso de situações de emergência.

Experiência prática: da teoria à produção de equipamentos complexos

Um profundo conhecimento da tecnologia de queima é a base para a criação de equipamentos confiáveis de transferência de calor. Este é o princípio que fundamenta o trabalho da empresa.Wuxi Kaisheng Energia Elétrica e Equipamento Petroquímico Co., Ltd.. Especializada no projeto e fabricação de componentes de alta carga, a empresa aplicou com sucesso as técnicas descritas acima na fabricação de trocadores de calor de casco e tubos de titânio, vasos de pressão com certificação ASME e feixes de tubos corrugados de aço inoxidável 316.

A experiência dos especialistas da Wuxi Kaisheng confirma a importância da correta seleção de materiais e métodos de montagem. Ao produzir feixes de tubos de latão marítimo C46400, ligas de cobre-níquel ou ligas exóticas de níquel N06625, o menor desvio na tecnologia de queima pode levar a consequências catastróficas nos ambientes agressivos da petroquímica ou da dessalinização da água do mar. A empresa utiliza processos certificados PED e ASME para garantir alta resistência à corrosão e resistência a temperaturas e pressões extremas. Quer se trate de refrigeradores de ar, caldeiras de calor residual ou placas de tubos complexos feitos de aço 321 e ligas C70600, cada produto é rigorosamente inspecionado desde a seleção da folga até a crimpagem final. Essa abordagem nos permite oferecer aos clientes em todo o mundo soluções personalizadas que funcionam de forma confiável durante anos.

Comparação de tecnologia: queima mecânica versus hidráulica

Para ajudá-lo a tomar uma decisão informada na escolha dos equipamentos para sua produção, preparamos uma tabela comparativa das duas principais tecnologias. Os dados baseiam-se nas nossas estatísticas de serviço dos últimos 3 anos.

Como pode ser visto na tabela, não existe uma solução universal. Para uma fábrica que produza 500 aparelhos de ar condicionado domésticos por dia, a hidráulica seria um suicídio económico. Mas para um único pedido de reator de alta pressão Hastelloy, o método mecânico não é aceitável por razões de segurança. Escolha uma ferramenta para a tarefa, não para a moda.

Perguntas frequentes (FAQ)

Qual é a distância mínima permitida entre o tubo e a grelha?

A folga ideal é de 0,2–0,4 mm. Uma folga inferior a 0,1 mm dificultará a montagem e poderá resultar em arranhões quando inserido. Uma folga superior a 0,5 mm exigirá deformação excessiva do tubo para selecioná-lo, o que levará à deformação excessiva e à diminuição da vida útil da unidade. Se as tolerâncias do furo e do tubo estiverem fora desses limites, talvez seja necessário reconsiderar sua técnica de usinagem ou usar espaçadores.

É possível alargar o tubo novamente se a primeira tentativa não tiver êxito?

O alargamento repetido é permitido somente se a primeira tentativa não atingir o torque de aperto necessário (subdeformação). Você pode fazer outra passagem com força aumentada. No entanto, se o tubo já estiver deformado (o desbaste da parede ultrapassou a norma ou surgiram fissuras), é estritamente proibido alargar novamente. Esse tubo só pode ser perfurado e substituído por um novo. Uma tentativa de “consertar” um tubo deformado certamente levará à destruição da conexão durante a operação.

É necessário lubrificar o tubo antes do alargamento?

Sim, é necessária lubrificação. Reduz o atrito entre os rolos do mandril e a superfície interna do tubo, evita arranhões e garante uma superfície limpa após o processamento. Use apenas lubrificantes que não contenham partículas abrasivas sólidas e sejam fáceis de lavar (se for necessária a limpeza do sistema). A falta de lubrificação aumenta a força de alargamento em 20-30% e acelera o desgaste da ferramenta.

Como controlar a qualidade sem testes destrutivos?

O principal método não destrutivo é medir o diâmetro interno do tubo após a queima usando um medidor de furo e compará-lo com o valor calculado. O método de crimpagem com ar ou água também é amplamente utilizado. A inspeção visual das extremidades e a verificação da força de extração (em amostras testemunhadas) também estão incluídas no pacote de controle padrão. Para componentes críticos, é possível utilizar testes ultrassônicos da zona de contato.

Opinião e recomendações de especialistas

Tecnologiaalargamento de tubosem uma placa de tubo continua sendo um processo fundamental na engenharia de energia térmica e na engenharia química. Apesar do advento de novos métodos de soldagem e juntas adesivas, a expansão mecânica proporciona uma combinação única de confiabilidade, facilidade de manutenção e economia. No entanto, o preço de um erro aqui é extremamente alto: um tubo com vazamento pode danificar todo o aparelho de várias toneladas.

Nossos muitos anos de experiência nos dizem que 80% dos problemas não surgem de equipamentos deficientes, mas de uma disciplina de processo deficiente: furos sujos, dureza não medida, fadiga do operador. A introdução de sistemas automatizados de controle de torque e profundidade, treinamento regular de pessoal e adesão estrita aos mapas de processo são os três pilares sobre os quais se baseia a qualidade de seus trocadores de calor.

Se você está pensando em atualizar uma linha de produção ou está enfrentando problemas recorrentes de vazamento, não confie em sua intuição. Faça uma auditoria de sua tecnologia atual. Talvez simplesmente mudar o tipo de lubrificante ou ajustar o ângulo do cone do mandril resolva o problema que o incomoda há meses.

Estamos prontos para compartilhar nossa experiência e aconselhar sobre a seleção do modo de queima ideal para suas condições específicas. A confiabilidade do seu equipamento é o resultado da atenção aos detalhes.

Contate-nos hojepara discutir suas tarefas e receber suporte profissional na área de montagem de equipamentos trocadores de calor. Visite nossa seçãoTrocadores de calor tubularespara ver toda a gama de nossas soluções.