rt-0030-2012 - análise de falha dos permutadores do compressor de ar atlas copco da p-57

UO-ES/ENGP/EMI

Relatório Técnico

Paulo Rogério Tavares da Silva

RT-0030/2012

E&P-SSE/UO-ES/ENGP/EMI Engenharia de Manutenção e Inspeção

Análise de Falha em Permutadores do Compressor de Ar Comprimido Atlas Copco da P-57

30/04/2012

UO-ES/ENGP/EMI RT-0030/2012 2/7

1. Objetivo Análise das prováveis causas das falhas observadas nos trocadores de calor A-V1810, A-V1820 e A-V1830, do compressor de ar Atlas Copco da P-57. 2. Histórico Os trocadores de calor fazem parte do compressor de ar da Atlas Copco instalado na P-57. O compressor lubrificado modelo GA 160 P 150W usa água do mar para resfriar o ar e o óleo lubrificante.

Figura 1 – Instalação dos permutadores na P-57 com dois trocadores óleo/água (direita e central) e

um trocador ar/água (direita). Fonte: Relatório IE-001-MPC-2012. Em inspeção dos trocadores realizada pela Inspeção da P-57 em 16/01/2012, foram identificados os seguintes problemas: - Folga excessiva entre as extremidades da chapa de divisão do passe de entrada/saída e as bordas. - Perda de material do espelho de entrada/saída; O primeiro problema permitiu a comunicação dos passes de entrada e saída de água dentro do cabeçote, enquanto que o segundo provocou a contaminação cruzada dos fluidos que trocam calor. 3. Materiais de fabricação dos trocadores Os materiais dos componentes dos trocadores estão especificados nos desenhos do fabricante SERCK de números 45317-3451 (air cooler) e 45317-3461 (oil cooler). As Figuras 2 e 3 mostram detalhes dos desenhos onde são indicados os componentes cujos materiais de fabricação são mostrados na Tabela 1. Foram realizadas análises para identificação dos materiais em dois trocadores colocados à disposição no TIMS pela SBM (P/N 1610288800 e 1610174500). A identificação foi executada com o analisador portátil INNOV-X que utiliza a técnica de fluorescência de raios-x, a qual não identifica os elementos mais leves. Os resultados das análises estão relacionados na Tabela 2.


Figura 2 - Vista lateral do air cooler em corte (desenho n° 45317-3451 do fabricante SERCK).

Figura 3 - Vista lateral do oil cooler em corte (desenho n° 45317-3461 do fabricante SERCK).

Tabela 1 – Componentes e materiais de fabricação especificados para os trocadores da AtlasCopco

segundo os desenhos n° 45317-3451 e 45317-3461 do fabricante SERCK.


Tabela 2 – Componentes e materiais dos trocadores da AtlasCopco identificados pela técnica de fluorescência de raios-x.

Composição Química Componente Material Al Mn Fe Ni Cu Zn Sn Pb

Cabeçotes de E/S e de retorno

Latão vermelho modificado - - - 0,39 0,63

87,7 91,8

2,9 6,9

0,70 2,50

3,2 4,0

Casco Alumínio (6061) 98 0,26 0,69 0,51 0,13 0,02 Espelhos de E/S e de retorno

Latão de usinagem fácil (C36000) - - -

0,07 0,17

60,2 62,6

34,0 35,8 -

2,6 4,0

Tubo Cu/Ni 70/30 (C71500) - 0,46 0,49 29,83 69,23 - - - Aletas dos tubos Cobre - - - - 100 - - -

4. Discussão 4.1 Material do espelho Os materiais dos cascos e dos tubos estão conforme a especificação do desenho. O material das aletas não é especificado nos desenhos, porém o cobre eletrolítico é um material comumente utilizado no aletamento pela sua alta taxa de transferência de calor sendo, portanto, um material adequado para a função e os meios (ar ou óleo). O material dos cabeçotes de entrada/saída e de retorno é especificado pelo fabricante como “gun metal”. Esta denominação é referida na literatura como sendo uma família de materiais que inclui várias ligas cobre, estanho, zinco e chumbo, sendo geralmente baixa a quantidade de zinco (<5%). Portanto, considera-se atendida a especificação. O componente crítico dos trocadores, o qual sofreu perda de material, é o espelho, cujo material está especificado no desenho como sendo a liga Cu-Ni 70-30 (item 2 da lista de componentes), enquanto a análise mostrou que trata-se de um latão C36000. Este latão é conhecido como “free-cutting brass”, ou latão de usinagem fácil. A aplicação deste material em trocadores de calor industriais utilizando água do mar é desconhecida. A literatura especializada mostra que, em ensaios de corrosão acelerada por fluxo realizados em latões e bronzes utilizados em aplicações muito mais brandas (torneiras domésticas), este material apresenta um dos piores desempenhos, como mostrado nas Figuras 4 e 5. Nestas Figuras o material JIS C3604BD equivale ao UNS C36000, como mostrado na Tabela 3.


Figura 4 – Perda cumulativa de massa para diversas ligas de cobre utilizadas em torneiras

domésticas no Japão, em ensaio especial de impingimento – “Jet-in-slit test” (Ref. 7.4).

Figura 5 – Taxa de corrosão em função da velocidade fluxo para algumas ligas de cobre utilizadas em torneiras domésticas no Japão, em ensaio especial de impingimento – “Jet-in-slit test” (Ref. 7.4).

Tabela 3 – Composição química da liga C3604BD utilizada em torneiras domésticas (Ref. 7.4).


4.2. Desenho da chapa de divisão As dimensões da chapa de divisão dos passes de entrada e saída de água no cabeçote foi concebida de forma que foram deixadas folgas nas duas extremidades entre a chapa de poliacetato e a borda do espelho. Esta comunicação promove a formação de zonas localizadas de alta turbulência. O Relatório da Inspeção da P-57 mostrou que nestes pontos ocorreram as maiores perdas, como exemplificado na Figura 5 (Foto 9 do Relatório IE-001-MPC-2012).

Figura 5 – Espelho do permutador de óleo. Observa-se grande perda de material do espelho na região da folga entre chapa divisória e a borda do espelho. (Fonte: Relatório IE-001-MPC-2012).

5. CONCLUSÕES As causas mais prováveis da falha dos trocadores de calor ar/água e óleo/água Atlas Copco da P-57 são as seguintes: 5.1. Aumento da turbulência no interior do cabeçote de entrada/saída devido às folgas existentes entre a chapa divisória dos passes de entrada e saída de água e as bordas internas do espelho criando condição erosiva. 5.2. Uso de material inadequado para a fabricação do espelho. O material utilizado para o espelho (C36000) é tradicionalmente indicado para componentes cuja fabricação demande facilidade de corte (usinagem) e cuja aplicação não exija elevada resistência à corrosão, não sendo conhecido o uso do mesmo em trocadores de calor com água do mar. 6. RECOMENDAÇÕES 6.1. Recomendamos a revisão do projeto da chapa divisória de passes de entrada e saída quanto ao padrão de escoamento com o objetivo de minimizar a condição erosiva. A eliminação das folgas entre a chapa divisória e as paredes do espelho e do cabeçote deverá ser considerada na revisão. 6.2. Recomendamos a substituição do latão C36000 pela liga Cu-Ni 70-30 (C71500) na fabricação dos espelhos dos trocadores, conforme a especificação do próprio fabricante dos trocadores de calor (SERCK Heat Transfer).


7. BIBLIOGRAFIA 7.1. Relatório de Inspeção IE-001-MPC-2012, 16/01/2012. 7.2. Desenho 45317-3451 rev. 6 (15/03/2007), AIR COOLER AM30J24-1/2, SERCK Heat Transfer. 7.3. Desenho 45317-3161,rev. 7 (16/03/2007), OIL COOLER AM20J24-7/2, SERCK Heat Transfer. 7.4. M. Matsumura, K. Noishiki, and A. Sakamoto, "Jet-in-Slit Test for Reproducing Flow-Induced Localized Corrosion on Copper Alloys", CORROSION–Vol. 54, No. 1, p. 79, 1998. 7.5. Materials for Seawater Pipeline Systems, CDA Publication TN38, Copper Development Association, 1986. 7.6. Brian Todd, "Materials Selection for High Reliability Copper Alloy Seawater System". Visualizado em http://www.copper.org/applications/cuni/txt_materials_selection.html em abril de 2012. 7.7. Arthur H. Tuthill, "Guidelines For the Use of Copper Alloys In Seawater", Visualizado em http://www.copper.org/applications/marine/seawater/seawater_corrosion.html em abril de 2012. 7.8. "Gunmetal – Uses and Variants", METDAQ - Metallurgy & Metalworking, Visualizado em http://www.metdaq.com/en/press-centre/articles/gunmetal-uses-and-variants.html em abril de 2012.

_________________________ Paulo Rogério Tavares da Silva Engenheiro de Equipamentos

CREA-RS 111.464

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