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Falha operacional pode também contribuir para a ocorrência de choques térmicos.

Isso pode acontecer quando após uma redução excessiva do nível de água, por um motivo qualquer e com parte da superfície de aquecimento sem refrigeração, o operador faz injetar água na tentativa de restabelecer o nível normal. Em situações como esta, deve-se adotar como medida correta a cessação imediata do abastecimento de combustível aos queimadores.

3.3. Defeito de mandrilagem

A mandrilagem é a operação de expansão dos tubos junto aos furos dos espelhos da caldeira. A expansão é feita, portanto, nas extremidades dos tubos por meio de um dispositivo cônico chamado mandril e que gira em torno de seu eixo axial. Através da mandrilagem os tubos ficam ancorados, com a estanqueidade devida, nos espelhos das caldeiras fumotubulares ou nas paredes do tubulão das caldeiras aquotubulares. A estanqueidade pode ficar comprometida, se no momento da mandrilagem houverem corpos estranhos na superfície externa da extremidade dos tubos ou nas paredes dos furos. Problemas podem também ocorrer se o processo de mandrilagem não for bem controlado, promovendo o aparecimento de trincas nos espelhos (entre furos) e/ou nos tubos.

Para melhorar a estanqueidade no processo de mandrilagem é necessário empregar chapas com espessura mínima de 3/4 de polegada e a execução de grooves, que são sulcos circulares nos furos. Esses sulcos são inteiramente ocupados pelo tubo após a mandrilagem. Em espessuras superiores a 2 polegadas são geralmente executados 2 grooves. Os sulcos devem ser executados de modo que não apresentem arestas cortantes, pois podem cisalhar as paredes do tubo, trazendo riscos adicionais. A figura 27 ilustra o processo de mandrilagem em tubos de caldeiras.

3.4. Falhas em juntas soldadas

O processo de soldagem é muito aplicado na fabricação de caldeiras: solda de tubos, solda de espelhos, solda de tubulões, de reforços, de estais, etc. Portanto, falhas em juntas soldadas aumentam os riscos de acidentes nas caldeiras, pois representam regiões de menor resistência do metal.

De modo geral, o Instituto Internacional de Solda classifica os defeitos em grupos:

• Grupo 1 – Fissuras ou trincas.

• Grupo 2 – Cavidades

• Grupo 3 – Inclusão de escória

• Grupo 4 – Falta de fusão e de penetração

• Grupo 5 – Defeitos de forma

Hoje, a maior parte dos fabricantes de caldeiras empregam processos automatizados de soldagem, sendo o processo a arco submerso o que tem apresentado melhores resultados, especialmente na soldagem de chapas de grande espessura. Nesse processo é eliminada a necessidade de execução de vários passes, como também as descontinuidades de soldagem manual. Proporciona cordões de solda limpos, alta eficiência, menor incidência de falhas e, do ponto de vista de segurança do trabalho, é pouco nocivo ao trabalhador, pois não emite radiações e o arco elétrico fica submerso em um pó, chamado fluxo de soldagem, durante todo o tempo de execução da solda.

Sem dúvidas, qualquer que seja o processo de soldagem, esse deve ser executado por soldadores qualificados e segundo processos reconhecidos por normas técnicas específicas. Após as operações de soldagem, as caldeiras deveriam passar por tratamentos térmicos de alívio de tensões ou de normalização, para minimizar as tensões resultantes do processo de solda.

Para garantir segurança à caldeira desde sua construção, é fundamental que suas juntas soldadas sejam controladas por ensaios não destrutivos, tal como o exame radiográfico.

3.5. Alterações na estrutura metalográfica do aço

Devido à alta capacidade de produção de vapor, ocorre nas caldeiras que operam a pressões elevadas, a decomposição da água, com o conseqüente desprendimento de oxigênio e de hidrogênio. O H2, difundindo-se na estrutura do aço, atua sobre a cementita (Fe3C – confere dureza e resistência ao aço carbono), decompondo-a em ferrita e carbono, o que reduz a resistência do aço. O H2 pode ainda reagir com o carbono, produzindo CH4 (gás metano), que provoca o empolamento do aço, ou seja, a formação de protuberâncias superficiais.

3.6. Corrosão

Um dos principais responsáveis pela degradação das caldeiras é a corrosão, que age como fator de redução da espessura das superfícies submetidas a pressão. A corrosão não é sentida pelos instrumentos de operação da caldeira, ou seja, os pressostatos e as válvulas de segurança não detectam sua evolução por que não é acompanhada por elevação de pressão de trabalho. A corrosão avançada das partes da caldeira, pode ser causa de explosões até mesmo em pressões inferiores à PMTA – Pressão Máxima de Trabalho Admissível. Portanto, o avanço da corrosão em caldeiras só pode ser detectado por meio de inspeções minuciosas do equipamento (obrigatórias por lei).

A corrosão nas caldeiras podem ocorrer tanto nas partes em contato com a água (corrosão interna), como nas partes em contato com os gases (corrosão externa):

• Corrosão interna. Esse tipo de corrosão se processa sob várias maneiras, segundo vários mecanismos, entretanto, é sempre conseqüência direta da presença de água (características, impurezas presentes e comportamento), quando em contato com o ferro, nas diversas faixas de temperaturas.

• Oxidação generalizada do ferro. O aço dos tubos e chapas antes da colocação em marcha das caldeiras, apresenta uma fina camada (da ordem de 50 mícrons) protetora contra a corrosão, chamada magnetita (Fe3O4), que apresenta uma coloração escura, densa e aderente. No funcionamento da caldeira, essa camada protetora está constantemente sendo quebrada e reconstruída e é muito resistente à alguns agentes químicos (ácido nítrico). Entretanto, quando sofre a ação de agentes físicos, tais como choques térmicos e dilatações e/ou a ação de agentes químicos, tal como a soda cáustica, oxigênio, quelantes de tratamentos de água, etc., a magnetita deixa de existir e inicia-se o oxidação do ferro, resultando na formação de outros óxidos não protetores do aço.

• Corrosão galvânica. Ocorre quando dois metais diferentes estão em presença de um eletrólito, gerando uma diferença de potencial e, de conseqüência, um fluxo de elétrons. Nas caldeiras, o par galvânico pode ser originado quando partes metálicas de cobre ou de níquel ou outro metal, se desprendem pela erosão, cavitação de tubulações ou de rotores de bombas e se alojam em ranhuras ou pequenas folgas entre as partes da caldeira. O aço, atuando como anodo, é o elemento mais prejudicado quanto à corrosão.

• Corrosão por aeração diferencial. Isso ocorre em geral, nas caldeiras fumotubulares em que o oxigênio dissolvido na água provoca corrosão dos tubos superiores. Os tubos submersos estão submetidos a menores concentrações de O2, comparados à região acima da superfície da água (daí o nome aeração diferencial). Essa diferença de concentração de O2, forma uma pilha em que o anodo é formado pela parte menos aerada. Como na pilha galvânica, o anodo, nesse caso, é também a região que apresenta corrosão mais severa, e, sendo localizada, viabilizará o aparecimento de pites (cavidade na superfície metálica com fundo angular e profundidade maior que o seu diâmetro) ou alvéolos (cavidade na superfície metálica com fundo arredondado e profundidade menor que seu diâmetro). Nas caldeiras aquotubulares a aeração diferencial ocorre no tubulão superior e nos purificadores de vapor.

• Corrosão salina. Acontece quando existem concentrações elevadas de cloretos que migram para ranhuras ou regiões sem proteção da magnetita. Os cloretos podem também se alojar sob camadas porosas que se formam sobre os tubos. Em particular, o cloreto de magnésio se hidrolisa formando ácido clorídrico, atacando quimicamente o ferro da caldeira. Em geral, os cloretos na presença de O2 catalizam a reação da magnetita com o O2 resultando o Fe2O3, que é um óxido não protetor.

• Fragilidade cáustica. Esse é um modo de corrosão em que o hidróxido de sódio (soda cáustica), em concentrações acima de 5%, migra para fendas ou outras partes em que não exista a camada protetora de magnetita e reage diretamente com o ferro.

• Corrosão por gases dissolvidos. A água da caldeira pode se contaminar com gases, especialmente com o gás sulfídrico (H2S), decorrentes da poluição atmosférica ou pelo seu tratamento com sulfito de sódio. O H2S reage com o ferro dando origem a sulfeto de ferro (FeS), que se apresenta sob a forma de manchas pretas. O gás carbônico

(CO2) torna a água ligeiramente acidificada, viabilizando a formação de pites.

Outro fator que também age na redução da espessura é a erosão. Esse fenômeno pode acontecer de diversas maneiras nas caldeiras. Nas caldeiras fumotubulares pode ocorrer, por exemplo, na alimentação da água pela bomba em que o jato de entrada, podendo conter partículas pesadas (areia, partes metálicas, etc.), incide sobre a parede externa da fornalha, causando seu desgaste. A erosão pelo vapor pode acontecer em sedes de vedação de válvulas de segurança. Essas válvulas são normalmente fabricadas para resistir à ação abrasiva da passagem do vapor em regime de solicitações normais, ou seja, quando a válvula é aberta apenas em situações de emergência e de testes. Entretanto, quando outros controles de pressão não estão presentes ou não funcionam, a válvula de segurança deixa de ser um acessório de emergência e passa a funcionar com maior freqüência, desgastando de modo excessivo e reduzindo muito a vida útil do disco de assentamento. Nas caldeiras aquotubulares a erosão é freqüentemente ocasionada por sopradores de fuligem desalinhados, que direcionam o jato de

2 vapor sobre os tubos, em vez de entre eles.

A cavitação é também uma forma de degeneração dos materiais, podendo ser responsável pela redução de espessuras. Seu mecanismo é caracterizado pela ação dinâmica resultante da contínua formação e colapso de bolhas de gases ou vapores do meio líquido sobre uma superfície. Sua ocorrência é muito comum em bombas centrífugas (com pressão de sucção deficiente), dobras, cotovelos e derivações de tubulações, válvulas, etc.

Logicamente, a ação combinada dos dois últimos fenômenos com a corrosão, é muito mais maléfica para as caldeiras, que o efeito isolado de cada um deles.

• Corrosão externa. Esse tipo de corrosão acontece nas superfícies expostas aos gases de combustão e é função do combustível utilizado e das temperaturas. Nas caldeiras aquotubulares, as superfícies de aquecimento mais quente são aquelas do superaquecedor e do reaquecedor, podendo ocorrer corrosão tanto nas caldeiras que queimam óleo como carvão. Outro problema de corrosão ocorre nas caldeiras que operam com cinzas fundidas, que permitem o ataque do O2, destruindo a camada protetora de magnetita. A corrosão nas regiões de baixa temperatura é conseqüência direta da presença de enxofre nos combustíveis, na forma de sulfatos, de compostos orgânicos ou na forma elementar. A decomposição dos sulfatos produz SO3, já o enxofre elementar e os compostos orgânicos produzem no processo de combustão o SO2 e o SO3 (em menor quantidade). O SO2 por sua vez pode oxidar-se em SO3 por ação direta do O2 ou por oxidação direta catalítica ao contato dos depósitos existentes sobre as superfícies de aquecimento. Para os combustíveis contendo enxofre na ordem de 3%, o teor de SO3 nos gases de combustão varia entre 20 a 80 ppm (partes por milhão) em massa.

Os gases de combustão contento vapor dágua, pode haver a condensação de gotas de ácido sulfúrico quando a temperatura reduz muito e atinge o ponto de orvalho. Esse depende das pressões parciais do H2O e do SO3 nos gases de combustão, porém pode variar de 90 a 160°C. A condensação das gotas de H2SO4 pode, desta forma, acontecer nas partes finais das caldeiras aquotubulares, ou seja, no economizador, no pré-aquecedor de ar e na chaminé. Outro fator que contribui para a corrosão externa é o ar atmosférico. Caldeiras instaladas em regiões muito úmidas, locais próximos ao mar e em atmosferas fortemente poluídas, apresentam corrosão externa, de modo generalizado, em todas as suas partes (chaparias, colunas, escadas, plataformas, etc.).

23 3.7. Explosões causadas por aumento da pressão

A pressão do vapor em uma caldeira é função direta da quantidade de energia disponível na fornalha pela queima do combustível e que é transmitida à água. Sendo assim, a pressão interna na caldeira depende fundamentalmente da atuação do queimador. Entretanto, o queimador não é o único responsável pelo aumento de pressão na caldeira, pois a bomba de alimentação injeta água com pressão superior àquela de trabalho. Se a vazão com que a bomba alimenta a caldeira for maior que aquela de saída do vapor, o nível de água sobe e a pressão de trabalho aumenta. Durante a operação normal da caldeira, a pressão é mantida dentro de seus limites pelos seguintes sistemas:

• Sistema de modulação de chama. Sistema constituído por um pressostato modulador de chama, um servo-motor e um conjunto de registros (dampers). O pressostato possui um diafragma ou fole que se estende com o aumento da pressão e que aciona os contatos que emitem o sinal elétrico para o acionamento do servomotor. Esse transmite movimento à alavancas, que acionam os dampers, alterando a vazão de combustível e a vazão de ar. Com isso, a alimentação do queimador fica modificada e obtêm-se a modulação de chama, ou seja, sua redução nos momentos de pressões elevadas e sua intensificação nos momentos de pressões baixas.

• Sistema de pressão máxima. Esse é composto por um pressostato e uma válvula solenóide (figura 28). Quando a pressão se eleva além de um certo limite, o pressostato é acionado e corta a alimentação elétrica da válvula solenóide. Conseqüência direta disso, é o corte completo de combustível ao queimador. Quando a pressão normal de trabalho se restabelece, o pressostato faz abrir totalmente a passagem do combustível ao queimador.

• Válvula de segurança. Como já comentado anteriormente, essas válvulas têm a função de deixar sair o vapor quando a pressão ultrapassa a PMTA, fazendo diminuir a pressão interna. As figuras 29 e 30, ilustram as válvulas de segurança de contrapeso e as de ação por molas.

• Sistema manual. Conforme for a indicação de pressão no manômetro da caldeira, o operador tem condições de acionar os vários dispositivos para intervir, onde for necessário, para manter a pressão interna da caldeira: queimador, bomba de alimentação ou mesmo na válvula de segurança. Por meio dessa última, o vapor pode ser liberado à atmosfera manualmente (acionamento da alavanca da válvula, por exemplo).

Com todas essas possibilidades, conjugadas ou não, é de se esperar que as caldeiras tenham grande chance de ser operadas com segurança, porém, mesmo assim, há inúmeros casos de explosões, causadas por falhas. A possibilidade de falhas em pressostatos pode ser de natureza mecânica, como o bloqueio de sua comunicação com a caldeira ou a deterioração do diafragma ou de natureza elétrica, pelo colagem dos contatos. Falhas nas válvulas solenóides oferecem riscos quando impedem o bloqueio do combustível, ou seja, quando operam na posição aberta. Há possibilidades da ocorrência desse defeito por falha mecânica de fabricação ou pela instalação incorreta, fora da vertical, ou de cabeça para baixo.

As válvulas de segurança, para funcionarem adequadamente, devem ser fabricadas em processo de rigoroso controle de qualidade, com molas testadas, dimensões calibradas, concentricidade dos elementos e vedações perfeitas, do contrário não fecham após o alívio da pressão, ou, o que é mais grave, não abrem no momento em que necessita sua abertura. É importante observar que, normalmente, a válvula de segurança opera após o sistema de pressão máxima não ter funcionado. Ou seja, se a válvula de segurança não funcionar, a segurança do sistema estará bastante comprometida, restando apenas o sistema manual como possível controle da situação.

Falhas no sistema manual são decorrentes de defeitos em instrumentos de indicação de pressão (manômetros) e de nível, ou nos dispositivos de controle, ou, ainda, de procedimentos inadequados por parte do operador.

3.8. Explosões no lado dos gases

As explosões no lado dos gases são originadas por uma reação química, ou seja, pelo processo de combustão. Esse processo além de ocorrer exotermicamente, acontece em um tempo muito pequeno, cuja conseqüência é o aumento rápido e violento da pressão em um espaço restrito. As explosões dessa natureza acontecem com freqüência nas caldeiras que operam com combustíveis líquidos e gasosos. As névoas de líquidos inflamáveis ou de óleos combustíveis aquecidos apresentam comportamento similar às dispersões gasosas inflamáveis. Quando entram em contato com o ar, formam uma mistura que entra em combustão instantânea, se a relação ar/combustível estiver dentro do limite de inflamabilidade do combustível e se houver uma pequena fonte de calor para a ignição. As caldeiras aquotubulares, em face da complexa disposição do circuito dos gases, favorecem a existência de zonas mortas, onde pode ocorrer acúmulo de gases não queimados.

As explosões no lado dos gases acontecem com freqüência na recolocação manual em marcha da caldeira, quando é promovida a ignição com retardo, ou sem purga prévia, condição em que a fornalha se encontra inundada com a mistura combustível-comburente. Ocorre casos também de explosões durante o funcionamento da caldeira: falta de limpeza dos queimadores ou presença de água no combustível ou, ainda, carbonização do óleo no queimador podem levar à interrupção da alimentação do combustível. Essa falha, associada ou não a falhas no sistema de alimentação de ar, pode causar perda momentânea da chama. Com isso, o interior da fornalha ficará enriquecida com a mistura e a explosão ocorrerá, deflagrada pelo sistema de ignição, ou por partes incandescentes da fornalha, ou ainda, por outro queimador, no caso de a perda da chama ocorrer em um queimador, enquanto outros funcionam.

Algumas caldeiras fumotubulares possuem válvulas de alívio instaladas nos espelhos dianteiros. Essas válvulas são mantidas fechadas por ação de molas durante o funcionamento normal da caldeira e, se abrem para fora, quando a pressão da fornalha supera a pressão exercida pelas molas, ou seja, no momento de uma explosão. Porém, o alívio da pressão nem sempre é obtida, dada a violência com que as explosões acontecem, fazendo voar até os espelhos, nos casos mais extremos. Pode haver também casos de pequenas explosões em que essas válvulas são lançadas fora, e, como se localizam próximas à altura da cabeça do operador, podem criar riscos adicionais.

3.9. Outros riscos de acidentes

Outras condições determinam situações de risco de acidentes no ambiente das caldeiras, em particular, para o operadores. Uma das situações é o risco de queimaduras na sala de caldeiras por água quente, vapor, óleo aquecido, tubulações e depósitos desprotegidos, etc. Deve-se considerar ainda, o risco de queimaduras por contato com produtos cáusticos, normalmente empregados para a neutralizar o pH da água da caldeira, como o hidróxido de sódio e outros produtos químicos.

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