2-Apostila de Caldeiras (CAD-1)

MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO

CALDEIRAS (CAD-1)

1ª edição Belém-PA 2011

© 2011 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas

Autor:

Msc. Paulo Vitor de Matos Zigmantas

Revisão Pedagógica:

Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana

Revisão Gramatical:

Esmaelino Neves de Farias

Designer Gráfico:

Fernando David de Oliveira

Coordenação Geral:

CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza

____________ exemplares Diretoria de Portos e Costas Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br [email protected]

Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto n o 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

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SUMÁRIO INTRODUÇÃO..............................................................................................................5 1 GENERALIDADES....................................................................................................7 1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira................................................................7 1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios..........7 1.3 Análise da pressão interna de um vaso..................................................................8 1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento de uma caldeira................................................................................................................16 1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações...................................................................20 1.6 Partes principais de uma caldeira.........................................................................25 1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da caldeira de recuperação..............................................................................................33 1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças...................37 2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS...............................................49 2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras.....................................................49 2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira marítima. 49 2.3 Instrumentos empregados para medição de nível................................................54 2.4 Funcionamento do sistema de controle de nível..................................................57 2.5 Funcionamento do aquecedor de água de alimentação.......................................60 2.6 Tiragem natural e tiragem forçada em uma caldeira............................................62 2.7 Registro de ar e damper utilizados em caldeiras..................................................66 2.8 Sistema de óleo combustível para caldeiras marítimas de alta pressão.............68 2.10 Funcionamento do aquecedor de óleo combustível...........................................77 2.11 Sistema de óleo combustível de caldeira............................................................79 2.12 Funcionamento dos sopradores de fuligem utilizados em caldeiras marítimas. 81 2.13 Funcionamento dos sistemas de controle de emissão de gases de combustão empregados em caldeiras...........................................................................................83 2.14 Tubulão de vapor.................................................................................................88 2.15 Sistema de distribuição de vapor empregado em um navio petroleiro e seu esquema......................................................................................................................90 2.16 Instrumentos indicadores e sensores de pressão..............................................95 2.17 Funcionamento dos dispositivos de segurança e dos dispositivos auxiliares das caldeiras....................................................................................................................101 2.18 Características das válvulas e acessórios das tubulações de vapor...............104 2.19 Funcionamento do superaquecedor, dessuperaquecedor e economizador das caldeiras de alta pressão...........................................................................................110 3 CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO..........................................................................115 3.1 Ciclo de produção de vapor aproveitando os gases de descarga do motor propulsor (MCP)........................................................................................................119 3.2 Esquema de distribuição de vapor a bordo de um navio a motor......................119 3.3 Comunicação da caldeira de recuperação com a caldeira auxiliar....................120 3

4 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS................................................127 4.1 Operações de preparação, acendimento e comunicação de uma caldeira de alta pressão......................................................................................................................127 4.2 Importância do monitoramento das temperaturas e das pressões de uma.......136 caldeira......................................................................................................................136 4.3 Causas e consequências de projeção e arrastamento.......................................136 4.4 Resistências térmicas como fator de queda de rendimento nas caldeiras........139 4.5 Procedimentos em situações de emergência.....................................................140 4.6 Riscos de acidentes e riscos à saúde durante uma operação...........................145 4.7 Operação de um sistema com o mínimo de duas caldeiras...............................147 4.8 Principais falhas de operação, suas causas e providências a serem tomadas. 156 4.9 Principais tipos de manutenção aplicados nas caldeiras de alta pressão.........161 4.10 Possíveis defeitos, suas causas e respectivas soluções.................................176 4.11 Principais testes realizados durante uma inspeção na caldeira de alta pressão ...................................................................................................................................179 4.12 Operação de bujonamento de tubos furados...................................................183 4.13 Procedimentos para a substituição e o mandrilamento de tubos nas caldeiras ...................................................................................................................................186 4.14 Propósitos das extrações de superfície e de fundo..........................................189 4.15 Cuidados utilizados na observação antes e durante as extrações de superfície e de fundo em uma caldeira.........................................................................................189 4.16 Retirada de serviço de uma caldeira de alta pressão com queimador a óleo combustível...............................................................................................................190 4.17 Cuidados com a caldeira fora de serviço..........................................................191 5 LEGISLAÇÃO E NORMALIZAÇÃO......................................................................193 5.1 Importância das normas regulamentadoras.......................................................193 5.2 Elementos poluentes decorrentes da operação da caldeira..............................193 5.3 Norma regulamentadora 13 (NR-13)..................................................................194 5.4 Aplicação da NR-13.............................................................................................206 6 PRÁTICA DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS.........................213 6.1 Procedimentos necessários para acender a caldeira, observando as normas de segurança..................................................................................................................213 6.2 Controle do nível de água da caldeira................................................................238 6.3 Extrações de superfície e de fundo em caldeira.................................................240 6.4 Manutenção de queimadores..............................................................................241 6.5 Inspeções nas caldeiras......................................................................................243 6.6 Operações inerentes ao bom funcionamento da caldeira..................................253 REFERÊNCIAS.........................................................................................................255

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INTRODUÇÃO Os geradores de vapor são equipamentos marítimos auxiliares e de propulsão necessários em muitos navios da Marinha Mercante Brasileira e mundial,que têm, como objetivo principal, a produção do vapor d’água para diversas utilidades a bordo dos navios. Atualmente, nos navios mercantes nacionais, as caldeiras de propulsão caíram em desuso, em face de economia de combustível proporcionada pelos modernos MCPS equipados com reguladores de velocidade bastante precisos para a finalidade a que se destinam. Apesar disso, o assunto referente às caldeiras de alta pressão na unidade 4, será abordado da forma usual, sem perder o enfoque necessário à formação naval do Segundo Oficial de Máquinas,levando em conta a existência de inúmeras caldeiras de alta pressão na indústria. Este volume está constituído de seis unidades de ensino, todas direcionadas para a formação básica e fundamental do segundo oficial de máquinas da Marinha Mercante Brasileira, mostrando os princípios básicos fundamentais para a aplicação nas caldeiras navais atualmente em uso. Na unidade 1, iremos estudar as definições fundamentais empregadas em caldeiras, os tipos e suas utilizações e o processo de transmissão de calor que nelas ocorrem. Na 2, serão estudados os sistemas e componentes das caldeiras. Na 3, as caldeiras de recuperação de gases. Na 4,serão lecionadas a operação e manutenção de caldeiras, enfocando os cuidados e os procedimentos necessários para a sua indispensável e

devida

condução. Na 5, serão vistos os assuntos referentes à legislação e à normalização vigentes no Brasil, segundo a NR-13, que trata da documentação necessária para a devida utilização dessa Norma. Na 6, serão enfocadas a prática de operação e manutenção de caldeiras para mostrar, ao futuro Oficial de Máquinas, os procedimentos necessários para a sua execução. Os assuntos desta publicação serão vistos de forma clara e concisa sem que, em nenhum momento, seja tirada do professor da disciplina a sua experiência sobre eles, deixando-lhe a flexibilidade necessária para desenvolvê-los,em sala de

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aula ou laboratórios, da melhor maneira possível, todavia obediente às diretrizes específicas do sumário em estudo. Foi feito um esforço considerável para que este volume seja facilmente entendido tanto pelos alunos quanto pelos professores, ambos em busca de um desempenho científico cada vez melhor para operar profissionalmente em um mundo cada vez mais complexo e aberto a discussões. “A discussão exige espírito aberto e pronto para ousar no imaginar do amanhã” (Revista Marítima Brasileira, V.130 n.04/06-abr./jun.2010,p.61).

Paulo Vitor de Matos Zigmantas Mestre em Ciências Térmicas e Fluidos Encarregado da Divisão de Ensino de Máquinas do CIABA.

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1 GENERALIDADES As caldeiras são construídas para executarem uma determinada tarefa a bordo dos navios, porém, satisfazendo determinados critérios técnicos e operacionais considerados satisfatórios para a sua operação: peso e dimensões adequadas, rendimento térmico aceitável para a finalidade a que se destina, distribuição correta do calor no interior da fornalha e a capacidade de manter a produção do vapor na temperatura e pressão prevista em todos os regimes de operação, além de proporcionar um funcionamento seguro com os respectivos controles dos sistemas de água de alimentação, combustão, temperatura, pressão, e vazão do vapor durante a operação e o funcionamento da caldeira. 1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira Segundo PERA (Geradores de vapor d’água. USP, 1966), o gerador de vapor pode ser definido como um trocador de calor que produz vapor a partir da energia térmica do combustível, ar e fluido vaporizante, constituído de diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, com a finalidade de obter-se o maior rendimento térmico possível. Esta definição é bastante abrangente, pois compreende todos os tipos de geradores de vapor. Para navios de óleo térmico, no lugar de gerador de vapor usa-se o termo aquecedor de óleo térmico, pois o mesmo não vaporiza, sendo aproveitado na fase líquida com temperatura elevada. Nos navios, quando o fluido vaporizado é a água, o gerador de vapor é comumente definido como CALDEIRA. 1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios As caldeiras e os aquecedores de óleo térmico são empregados a bordo dos navios para atender a finalidades específicas, dentre as quais podemos citar: a) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para a cozinha; b) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para diversos aquecedores do navio; c) fornecimento de vapor auxiliar para o apito; d) fornecimento de vapor auxiliar para o convés; 7

e) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para o sistema de calefação do ar condicionado; f) fornecimento de vapor principal para os turbos geradores; g) fornecimento de vapor principal para as turbinas de propulsão (caldeiras de alta pressão); h) fornecimento de vapor auxiliar para a atomização dos queimadores da caldeira de alta pressão; e i) redução do consumo elétrico do navio, a qual permite aos geradores de bordo operarem dentro das condições operacionais estabelecidas para os mesmos sem a ocorrência excessiva de falhas e avarias por sobrecarga. Justifica-se ainda o emprego das caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo dos navios, principalmente devido aos fatores: a) nos navios petroleiros, a caldeira auxiliar produz o vapor necessário para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior; e b) caso o navio use óleo térmico, o aquecedor mantém a temperatura necessária no óleo térmico para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior. 1.3 Análise da pressão interna de um vaso Sobre este item, tratado com profundidade na disciplina Termodinâmica, faremos uma breve descrição sem perder o objetivo prático do conteúdo disciplinar. Existem inúmeras situações práticas a bordo dos navios em que duas fases de uma substância pura existem em equilíbrio. Nas caldeiras auxiliares ou de propulsão, a água existe como uma mistura de líquido e vapor (vapor úmido). Na prática do cotidiano, todas as substâncias puras exibem o mesmo comportamento; assim, podemos evidenciar as seguintes fases de uma substância pura de bastante aplicação no dia a dia. Define-se “pressão e temperatura de saturação” de uma substância pura a pressão e a temperatura em que a substância começa a “mudar de fase”. Assim, a água líquida começa a se transformar em vapor a 100 ºC na pressão ambiente de 1 bar, sofrendo variação neste valor se a pressão a qual a 8

substância está submetida variar. “Estes valores são determinados por equações matemáticas bastante complexas e tabeladas para melhor utilização”. No apêndice I, são colocadas as tabelas de propriedades do vapor d’água. As fases de uma substância pura comumente utilizada são as seguintes: a) líquido comprimido ou sub resfriado e líquido saturado; b) vapor úmido ou saturado úmido; c) vapor seco ou saturado; e d) vapor superaquecido. Estas fases não dependem da forma e do volume do recipiente que as contém e nem da respectiva massa da substância. 1.3.1 Líquido comprimido e líquido saturado Define-se líquido comprimido ou sub resfriado como a substância na fase líquida que se encontra em uma temperatura abaixo da de saturação, para uma determinada pressão. Já o líquido saturado é a substância na fase líquida que se encontra na pressão e temperatura de saturação. Para ilustrar o que foi dito, considere as figuras 1-a e 1-b, onde temos água líquida a 40 ºC e a 100 ºC, sob pressão de uma atmosfera(atm).

Figura 1 - Substância pura.

A 100 ºC, a pressão de saturação da água é de 1atm; assim, enquanto a temperatura da água for inferior a 100 ºC para a pressão de 1 atm, a água não muda para vapor, permanecendo na fase de líquido comprimido ou sub resfriado.

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Quando a temperatura da água atinge 100 ºC e mantida a pressão de 1atm, a água está pronta para iniciar a evaporação sendo denominada neste instante de líquido saturado. 1.3.2 Vapor úmido ou saturado úmido Quando o líquido inicia a evaporação, e mantida a pressão e a temperatura de saturação, a substância fica como uma mistura bifásica líquido-vapor, até que todo o líquido se evapore. Define-se o vapor úmido como a mistura bifásica líquido-vapor na pressão e temperatura de saturação. A figura 2 ilustra o conceito de mistura bifásica.

Figura 2 - Substância pura na fase líquido vapor (vapor úmido).

Na fase de vapor úmido, as propriedades da substância são determinadas pelas equações (1.1) a (1.7). Define-se título do vapor x relação entre a massa de vapor mv e a massa total m presente no recipiente. x

mv mv  m mL  m v

(1.1)

O termo 1-x é denominado taxa de umidade. Da definição de volume específico, os volumes de líquido VL e vapor Vv podem ser determinados. VL  mL .v L Vv  m v , v v

(1.2)

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O volume V do recipiente é a soma dos volumes de líquido e vapor. V  VL  Vv

(1.3)

O volume específico vu do vapor úmido é agora determinado em função dos volumes específicos das fases líquida vL e vapor vv. vu 

V VL  Vv  m mL  m v

m v m v mv mL v u  L. L v v  vL  vv mL  m v mL  mv mL  m v v u  (1  x)v L  xv v

v u  v L  x(v v  v L )

(1.4) A análise para o volume específico

pode ser estendida para a entalpia, a energia interna e a entropia específica da substância na fase de vapor úmido. hu  hL  x(h v  hL ) su  sL  x(s v  sL ) uu  uL  x(u v  uL )

(1.5) (1.6) (1.7)

É bom lembrar que a entalpia e a energia interna podem ser relacionadas pela equação geral h  u  pv . Nos navios, as caldeiras serão tanto mais eficientes quanto maior for o título do vapor na sua saída; assim, as caldeiras navais geralmente são dotadas de separadores de vapor no tubulão superior. As caldeiras auxiliares e de propulsão de navios deverão sempre conter mistura bifásica no tubulão superior. Em nenhuma condição de funcionamento as caldeiras poderão trabalhar com água baixa ou alta no seu interior. A água baixa provoca a queima dos tubos geradores da caldeira e a água alta produz arraste de água pelas tubulações de vapor provocando avarias nos equipamentos que utilizam o vapor. Qualquer que seja o tipo de caldeira utilizada no navio, o Chefe de Máquinas deverá obedecer rigorosamente aos procedimentos operacionais estabelecidos para a caldeira. O título tem significado apenas para as misturas saturadas, não se aplicando para líquidos (x=0) nem para vapor superaquecido.

1.3.3 Vapor seco ou saturado e superaquecido Define-se vapor seco ou saturado como a substância na fase vapor que se encontra na pressão e temperatura de saturação. Quando o estado de vapor seco 11

é atingido, o título X da substância é igual a um (1). As figuras 3-a e 3-b ilustram a passagem da mistura bifásica para vapor seco ou saturado.

Figura 3 - Vapor seco ou saturado de uma substância.

Após a conclusão da mudança de fase, a substância se encontra agora na fase de vapor saturado ou seco, e qualquer adição de calor para o vapor resulta em um aumento tanto da temperatura como do volume específico. Segundo YUNUS (Termodinâmica, 5 ed. 2006, McGraw Hill, p. 93), define-se vapor superaquecido de uma substância como o vapor que não está pronto para se condensar. Na prática da vida de bordo, o vapor superaquecido é definido como a substância na fase vapor na temperatura acima da de saturação para a respectiva pressão de saturação da substância. Para ilustrar o que foi dito, as figuras 4-a e 4-b ilustram o vapor seco e o superaquecido para a água na pressão de saturação de uma atmosfera.

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Figura 4 - Vapor seco (a) e superaquecido (b) de uma substância pura.

1.3.4 Diagrama de fases de uma substância pura A figura 5 ilustra as fases e os estados de pressão e temperatura de uma substância pura mostrando o líquido comprimido ou subresfriado (Lsr), o líquido saturado (Ls), o vapor úmido (Vu), o vapor seco ou saturado (Vs) e o vapor superaquecido (Vsa), para a água na pressão e temperatura de saturação de 1 bar e 100 ºC. Qualquer substância, que se comporte como a água, terá comportamento semelhante.

Figura 5 - Diagrama de fases para a água e substâncias de igual comportamento. Fonte: YUNUS, CENGEL. Termodinâmica. 5 ed. McGrawHill,2006.

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Considerando várias pressões e temperaturas de saturação, obtemos um diagrama geral temperatura versus volume específico ou pressão versus volume específico para uma substância pura, o qual pode ser generalizado para temperatura versus entropia, entalpia e energia interna. Nas figuras 6 e 7 são ilustrados os diagramas T x v e P x v.

Figura 6 - Diagrama TxV de uma substância pura. Fonte: YUNUS, CENGEL. Termodinâmica. 5 ed. McGrawHill,2006.

Figura 7 - Diagrama PxV de uma substância pura. Fonte: Yunus, Cengel (termodinâmica, 5 ed,2006, McGrawHill).

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Os estados de líquido saturado podem ser ligados por uma linha denominada linha de líquido saturado, e os estados de vapor saturado por outra linha denominada vapor saturado. O encontro destas duas linhas é denominado de ponto crítico. A temperatura crítica Tc de uma substância pura corresponde à temperatura máxima na qual as fases líquidas e vapor podem coexistir em equilíbrio. A pressão e o volume neste ponto são denominados pressão crítica e volume específico crítico respectivamente. Esses dados são tabelados para várias substâncias puras e se encontram em qualquer literatura especializada sobre o assunto. Para o caso da água, reproduzimos a figura 8, da página 97 do livro Termodinâmica, com alguns valores típicos das propriedades termodinâmicas, mostrando o valor do ponto crítico.

Figura 8 - Ponto crítico para a água. Fonte: YUNUS, CENGEL. Termodinâmica. 5 ed. McGrawHill,2006.

Neste trabalho, não utilizaremos as curvas tridimensionais e nem a fase sólida das substâncias por não serem de uso cotidiano a bordo dos navios.

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1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento de uma caldeira Os processos usuais de transmissão de calor em uma caldeira são respectivamente a condução, a convecção e a irradiação. No processo de transmissão de calor por condução, o calor se propaga através do corpo através da vibração molecular, onde a sua temperatura varia de uma extremidade a outra do corpo. Este processo se realiza nos corpos sólidos, líquidos e gasosos, sendo bastante acentuado nos corpos sólidos e entre corpos em contato entre si. As figuras 9 e 10 ilustram o processo de transmissão de calor(q) por condução em paredes planas e cilíndricas cujas temperaturas das extremidades são T1, T2, com espessura de parede L, coeficiente de condutibilidade térmica k, raios internos e externos dos tubos r1 e r2.

Figura 9 - Propagação do calor por condução em parede plana.

Figura 10 - Propagação do calor em cilindro oco com fluxo de calor radial.

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No processo de transmissão de calor por convecção, o mesmo ocorre com predominância nos meios fluidos sejam líquidos ou gasosos. Este processo ocorre devido à diferença de densidade do fluido. Se o fluido é aquecido, ele se expande e, por conseguinte, a sua densidade diminui. A porção mais fria, por ser mais densa, desloca a porção mais quente que tende a subir. Em outras palavras, provoca-se uma corrente ascensional de fluido quente e uma corrente descendente de fluido frio conhecidas como correntes de convecção, podendo ser natural ou forçada. A figura 11 ilustra um processo típico de convecção de um fluido em contato com uma superfície metálica aquecida, onde se observa que a ocorrência da transferência de calor por convecção através do fluido deve-se a um gradiente de temperatura (camada limite térmica).

Figura 11 - Camada limite térmica de convecção.

No processo de transmissão de calor por irradiação, a transmissão de calor se processa através da propagação do calor na forma de ondas luminosas, sendo que a quantidade de calor irradiante transmitida entre dois corpos é expressa pela lei de Stefan-Boltmanz. 1.4.1 Processos de transmissão de calor aplicados às caldeiras A transmissão do calor aplicado às caldeiras, envolve os três processos já descritos anteriormente. Quando o combustível é queimado na caldeira, a fornalha fica cheia de gases quentes de combustão. Os gases têm uma tríplice ação, a saber: a) irradiação do calor, onde os gases provenientes da combustão emitem ondas de calor que se projetam em todas as direções sendo absorvidas por todas as 17

superfícies a elas expostas, como as paredes e pisos da fornalha que irradiam o calor na direção das superfícies da caldeira que contém água e vapor que são denominadas de superfície de aquecimento. A superfície de aquecimento também recebe calor diretamente dos gases quentes na forma de irradiação. A figura 12 ilustra a transmissão de calor por irradiação na superfície de aquecimento de uma caldeira;

Figura 12 - Transmissão de calor por irradiação de gases nas caldeiras.

b) a transmissão de calor por convecção oriunda dos gases quentes provenientes da combustão origina as correntes de convecção, e os gases aquecidos dirigem-se para as partes superiores da caldeira, e daí para a tubulação de gases de descarga em direção à chaminé da caldeira; e c) a transmissão de calor por condução manifesta-se através do contato dos gases quentes com a superfície de aquecimento e com o invólucro da caldeira onde o calor se propaga por condução pelas paredes das tubulações de água e do invólucro, o qual deve ser isolado termicamente para evitar o contato externo com as altas temperaturas dos gases provenientes da combustão dos gases aquecidos. A figura 13 ilustra esquematicamente a transmissão do calor de uma tubulação de caldeira onde a água a ser vaporizada circula no interior dos tubos e os gases aquecidos por fora dos tubos. Observa-se que os gases quentes irradiam o calor para os tubos e entram em contato com a superfície externa sólida dos mesmos, ocorrendo um turbilhonamentos dos gases,ocasionando a transmissão do calor por convecção. O turbilhonamento associado com impurezas na fornalha origina a deposição de uma película ou incrustração externa acima da parede de aço dos tubos da caldeira, fazendo com que o calor se propague na película e 18

tubos por condução. No interior dos tubos, as impurezas da água que escoam no mesmo origina uma película ou incrustração interna onde o calor continua se propagando por condução, até que atinge a água escoando nos tubos, ocasionando um turbilhonamento interno propagando-se para a água no interior dos tubos por convecção.

Figura 13 - Transmissão de calor nos tubos das caldeiras com água circulando em seu interior.

O calor que se propaga nos tubos da caldeira é dado pela seguinte equação:

q 

 ΔT total ,onde R Rt

t

 R condução  R convecção

(1.8) Os termos Rcondução e Rconvecção são as resistências térmicas ( 0C/W) oferecidas à  (W) pelos tubos por convecção e condução. Observe propagação do fluxo de calor q

que o aumento da espessura da película ocasiona uma diminuição na transmissão do calor pelos tubos da caldeira, o que ocasionará um aumento de combustível e perda de eficiência térmica da caldeira, sendo necessária a remoção dessas incrustações até onde possa ser permitido, a qual é feita de acordo com o tipo e capacidade de produção de vapor da caldeira. 19

1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações Existem vários tipos de caldeiras que são classificadas sob numerosos aspectos. Neste trabalho, estudaremos os tipos usuais classificados quanto à posição relativa das câmaras de combustão e água, e as caldeiras elétricas 1.5.1 Classificação quanto à posição relativa das câmaras de combustão e água Quanto à posição relativa das câmaras de combustão e água, as caldeiras podem ser de dois tipos: a) caldeiras flamatubulares; e b) caldeiras aquatubulares. Nas caldeiras flamatubulares, os gases quentes passam por dentro de tubos imersos em um invólucro cilíndrico contendo água no seu interior, onde a mesma é aquecida evaporada, formando a mistura água- vapor no interior do invólucro. Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo. Na figura 14, podemos ver em corte uma caldeira horizontal deste tipo.

Figura 14 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular de 3 passes de gases. Fonte: Thermal Energy Equipment, 2003.

As caldeiras flamatubulares podem ser do tipo vertical e horizontal.

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As caldeiras flamatubulares na maioria das vezes têm produção de vapor na faixa de 15 a 16 kg por cada metro quadrado de superfície de aquecimento. A figura 15 mostra um esquema típico de uma caldeira flamatubular do tipo vertical.

Figura 15 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular de passe único e vertical.

As caldeiras flamatubulares horizontais geralmente são construídas para produção máxima de vapor de até 10.000 kg/h, a uma pressão máxima de vapor de 18 bar, com vaporização específica de 30 a 34 kg por metro quadrado de superfície de aquecimento, possuindo facilidade de manutenção e operação. Um tipo usual é a caldeira escocesa, ilustrada na figura 16.

Figura 16 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular horizontal, escocesa. Fonte: Disponível em: www.meiofiltrante.com.br.

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Nas caldeiras aquatubulares (water tube boilers), a água circula por dentro dos tubos que constituem o trocador de calor necessário a produção do vapor, enquanto os gases oriundos da combustão na fornalha passam por fora destes tubos. A figura 17 ilustra uma caldeira aquatubular de dois tubulões de alta pressão (pressão entre 45 a 65 bar) utilizada para a propulsão dos navios mercantes a vapor (praticamente em desuso no Brasil). Observe que os tubos geradores estão mais próximos dos queimadores que os tubos de retorno da água não evaporada no tubulão de vapor.

Figura 17 - Esquema básico de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.

A figura 18 ilustra uma caldeira típica aquatubular para a propulsão de navios de capacidade de produção de vapor de 15.000 kg/h até 100.000 kg/h.

Figura 18 - Esquema básico de uma caldeira aquatubular de dois tubulões. Fonte: Mitsubishi Heavy Industries, 2010.

Para navios mercantes do tipo VLCCS de propulsão de vapor, para a faixa de potência de 36000 HP a 40000 SHP, a pressão de geração do vapor se situa entre 60 a 65 bar, com vapor superaquecido na faixa de 510 ºC a 515 ºC, obtendose uma vazão na saída da caldeira entre 60.000 kg/h a 70.000 kg/h. 22

1.5.2 Caldeiras combinadas aquatubular e flamatubular para navios mercantes Em determinados navios mercantes de propulsão a motor, por economia de espaço na praça de máquinas, são utilizadas as caldeiras combinadas para a geração de vapor para as máquinas auxiliares e demais consumidores de vapor do navio. A figura 19 ilustra uma caldeira típica combinada (oil fired and exhaust gas boiler) para aplicação de navios mercantes de propulsão de motor.

Figura 19 - Esquema básico de uma caldeira combinada para geração de vapor.

Na operação de porto, com os MCPS parados, o queimador mantém a combustão na fornalha e os gases produzidos aquecem a água no interior do feixe tubular, onde a mesma evapora e o vapor produzido é comunicado para as auxiliares e demais consumidores do navio. Nesta situação, a caldeira opera como aquatubular. Em viagem, o queimador é desligado e os gases oriundos da combustão dos MCPS aquecem á água no interior da câmara de armazenamento (mistura água/vapor) e o vapor produzido é comunicado para os consumidores do navio. Pelo fato de os gases de descarga produzirem a evaporação da água, esta caldeira, quando funcionando nesta situação, é denominada 23

caldeira de recuperação de gases de descarga ou recuperador de calor. 1.5.3 Caldeiras elétricas São equipamentos de concepção bastante simples, basicamente compostas de um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências elétricas. Nas caldeiras com resistências elétricas, a água é aquecida através de resistências elétricas blindadas imersas diretamente no líquido. Nas caldeiras com eletrodos, o aquecimento da água é obtido pela passagem de corrente elétrica diretamente através da água, que se aquece por efeito Joule. As caldeiras elétricas, fáceis de usar e de automatizar, com eficiência da ordem de 95%, possuem as seguintes vantagens: a) ausência de poluição ambiental; b) manutenção simples; c) não há necessidade de área para estocagem de combustível;e d) resposta rápida a variações no consumo de vapor. Como desvantagem, podemos citar o elevado custo de operação de uma caldeira elétrica em razão dos custos da energia elétrica, ou seja, precisam de corrente elétrica elevada, o que implica em geradores mais potentes e de maior tamanho para os navios, ocupando maior espaço na praça de máquinas dos navios. As figuras 20 e 21 ilustram uma caldeira elétrica típica de eletrodos.

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Figura 20 - Caldeira elétrica típica de geração de vapor. Fonte: Disponível em: www.potuguese.alibaba.com.

Figura 21 - Caldeira elétrica típica de geração de vapor.

1.6 Partes principais de uma caldeira Qualquer que seja o tipo de caldeira empregada para determinada utilidade, a mesma possui diversos componentes e acessórios dispostos da melhor maneira possível para a geração do vapor.

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Neste trabalho, abordaremos este item de uma forma didática, enfocando basicamente as partes comuns aos diversos tipos de caldeiras. De modo geral, uma caldeira é constituída pelas seguintes partes: a) fornalha, na qual é realizada a combustão do combustível permitindo a propagação do calor para o interior da caldeira para a geração do vapor d’água; b) caldeira propriamente dita, constituída de reservatório fechado que contém a água da qual o vapor é gerado. Este reservatório para as caldeiras flamatubulares (figura 16) é o invólucro cilíndrico, o qual armazena a água a ser evaporada. Para as caldeiras aquatubulares, este reservatório geralmente é constituído de um ou uma combinação de tubulões, ligados por tubos (feixe tubular), ao redor dos quais circulam os gases da combustão para a transmissão e propagação do calor neste feixe, evaporando a água em seu interior (figura 17); c) superfície de aquecimento, que inclui a área de troca de calor necessária para a geração do vapor d’água; d) acessórios adicionais para aumentar o rendimento da unidade geradora do vapor, tais como os economizadores, aquecedores de água de alimentação e preaquecedores de ar, que aumentam a temperatura da água e do ar a um valor pre estabelecido, antes de adentrarem a caldeira para a melhoria da eficiência térmica; e) acessórios adicionais para controle ou regulagem da combustão do combustível e do superaquecimento e dessuperaquecimento do vapor produzido; f) canalizações internas e conexões externas para a água de alimentação que adentra a caldeira e para o vapor que é retirado da caldeira; e g) diversos acessórios e instalações, cujas finalidades são controlar o funcionamento da caldeira e salvaguardar a caldeira de avarias produzidas por várias causas, como excesso de pressão de vapor, água baixa, água alta, falha de chama, falta de combustível, fornalha suja etecétera. 26

As fornalhas das caldeiras são o principal equipamento para a queima do combustível. Entre as suas funções estão incluídas: a mistura ar-combustível,

a

atomização

e

vaporização

do

combustível

e

a

conservação de uma queima contínua da mistura, que devem satisfazer aos seguintes requisitos: a) ter um volume apropriado ao tipo e à quantidade de combustível que se deseja queimar: o volume deve ser suficiente para garantir uma combustão eficiente; volumes pequenos podem implicar em combustão parcial com presença de material ainda combustível nos gases que deixam a fornalha; e volumes grandes (maiores superfícies de troca de calor - irradiação) podem implicar em menores temperaturas na câmara, a ponto de dificultar o processo de ignição das partículas de combustível; b) altura compatível com a circulação de água nos tubos e tempo efetivamente gasto para queimar o combustível no interior da câmara. A altura deve ser definida de modo a não prejudicar a circulação natural da água no interior dos tubos. Se a circulação for deficiente haverá risco de superaquecimento localizado. Se a altura for insuficiente poderá ocorrer queima de gases combustíveis no topo da fornalha ou temperatura muito elevadas, não recomendáveis aos tubos dos superaquecedores. No caso das caldeiras aquatubulares, existem as paredes d’água que são um conjunto de tubos colocados perto das paredes de refratário da caldeira para o arrefecimento dos mesmos. As paredes d’água constam de vários tubos dispostos verticalmente, um ao lado do outro, circundando lateralmente toda a fornalha e pelos quais a água absorvendo o calor da queima do combustível transforma-se em vapor, resultando então uma mistura de água e vapor que, em caldeiras de circulação natural, faz com que o vapor, de menor densidade que a coluna proveniente do(s) tubo(s) de descida, suba e alcance o tambor, o que, em caldeiras de circulação forçada, é conseguido através de bombas de circulação, as quais promovem este mesmo deslocamento Estes tubos são colocados entre os tubulões de vapor e água da caldeira para aumentar a superfície de troca de calor produzindo mais vapor. Os tubos são normalmente espaçados numa parede de tijolos refratários, e por trás dos tubos das paredes d’água ou dos tijolos refratários, varias camadas de 27

isolante são colocadas. Tem como desvantagem a dificuldade de manutenção. Para algumas caldeiras, as paredes d’água são membranadas, nas quais os tubos são geralmente aliados e/ou soldados uns aos outros, formando uma parede estanque. Quando os tubos são aliados, os mesmos absorvem maior quantidade de calor e garantem a estanqueidade, possibilitando uma operação em pressão positiva na região de queima. Isto evita a perda de calor e a passagem de gases tóxicos para o ambiente externo e a penetração de ar frio caso a pressão interna fique menor que a atmosfera. As figuras 22 e 23 ilustram a parede d’água das caldeiras aquatubulares.

Figura 22 - Disposição usual das paredes d’água nas caldeiras aquatubulares.

28

Figura 23 - Vista frontal das paredes d’água das caldeiras aquatubulares. Fonte: Caldeiras, T5831, automação e controle industrial, 2010.

Para as caldeiras aquatubulares, podemos citar como principais componentes os seguintes elementos constitutivos: a) superaquecedor, o qual consiste de um ou mais feixes tubulares, destinados a aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira; b) economizador, que utiliza o calor residual dos gases, aquece a água de alimentação e a já existente no tambor. É normalmente instalado após os superaquecedores. Além de melhorar o rendimento da unidade, sua instalação minimiza o choque térmico entre a água de alimentação. Os economizadores podem ser classificados como: simples e duplos; c) grelhas, as quais são utilizadas para amparar o material dentro da fornalha, podendo ser fixas, rotativas e inclinadas; d) pré-aquecedor de ar, o qual aproveita o calor residual dos gases de combustão pré-aquecendo o ar utilizado na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e 300 ºC, dependendo do tipo de instalação e do tipo de combustível queimado. São basicamente trocadores de calor que permitem a transferência de calor entre os produtos da combustão e o ar que será utilizado posteriormente na combustão; e) reaquecedor, que tem função equivalente a dos superaquecedores. A sua presença torna-se necessária quando se deseja elevar a temperatura do vapor proveniente de estágios intermediários de uma turbina (caldeiras de terra); f) cinzeiro ou local de deposição das cinzas e restos de combustível que caem da fornalha (caldeira de terra); e g) retentor de fuligem, que tem como função separar a fuligem resultante da queima não estequiométrica do combustível, dos gases; antes de os mesmos saírem pela chaminé. Para ambas as caldeiras, aquatubular e flamatubular, os seguintes acessórios são comuns às mesmas: a) visor de nível: é um tubo de vidro colocado no tambor de vapor, que tem por finalidade dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da caldeira; b) controlador de nível: são equipamentos que controlam o nível de água na caldeira; podem ser constituídos de várias formas, sendo os mais usados os de eletrodos e o sistema de boia; 29

c) alarme de falta d’água: sinal sonoro e luminoso que dispara quando o nível de água na caldeira está muito baixo; d) indicadores de pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para medir a pressão de líquidos, gases e vapores; e) pressóstatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de trabalho das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor; f) válvulas de segurança: têm como função promover o escape do excesso do vapor caso a pressão de trabalho venha a ser ultrapassada e os outros dispositivos não atuem; e g) válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido. Podem ser: de retenção; de extração de fundo; solenóide; de alívio; e de escape de ar. A figura 24 ilustra os principais componentes de uma caldeira aquatubular industrial de alta pressão.

Figura 24 - Caldeira aquatubular de alta pressão industrial. Fonte: Martinelli. Geradores de vapor, UERGS, 2010.

30

A figura 25 ilustra os componentes básicos de uma caldeira flamatubular.

Figura 25 - Componentes de uma caldeira flamatubular de geração de vapor. Fonte: Disponível em: www.m.albernaz.retos.uol.com.br.

1

As caldeiras flamatubulares têm aplicações em pequenas e médias unidades

industriais, aquecimento de edifícios públicos e particulares, e em alguns navios. 2

Pressão máxima:

12 a 13 bar com 1 tubo de fogo; 26 a 27 bar com 2 tubos de fogo; e aproximadamente 30 bar com 3 tubos de fogo. 1

As caldeiras flamatubulares possuem, na sua utilização, vantagens e

desvantagens inframencionadas. Vantagens: a) aceita grandes variações de carga rapidamente (3,5 vezes mais rápido que caldeira aquatubular similar em capacidade); b) simplicidade operacional; e c) manutenção mais fácil.

31

Desvantagens: a) apresentam sérios problemas de incrustação, depósito no lado dos gases; b) necessitam de manutenção frequente; c) dificuldade de acesso para manutenção e inspeção; d) não podem trabalhar intermitentemente, pois podem surgir problemas na zona de fixação dos tubos (mandrilamento), devido a dilatações diferentes; e) em geral, não geram vapor superaquecido; f) custam mais a produzir vapor devido à grande capacidade de água;e g) devido à simplicidade operacional e por não contar com muitos instrumentos para monitorizarão de sua operação, multas vezes sua operação é um tanto negligenciada. 1

As caldeiras aquatubulares têm aplicação em unidades industriais de grande

capacidade de produção de vapor, como centrais termoelétricas, propulsão de navios e também como caldeiras auxiliares. Gama de pressão: a) até o máximo de 120 bar com circulação natural;e b) acima de 120 bar com circulação forçada com 1 ou 2 bombas. As caldeiras aquatubulares possuem, na sua utilização, as seguintes vantagens e desvantagens: Vantagens: a) grandes pressões (30 -165 bar); b) grande capacidade de produção de vapor (40 a 100 t/h); c) rapidez de funcionamento; e d) boa adaptação a diferentes tipos de combustível. Desvantagens: a) grandes dimensões; b) sensíveis a variações bruscas de carga; c) grandes exigências com a água de alimentação devido à alta pressão e vapor; d) custo elevado; e e) manutenção complexa.

32

1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da caldeira de recuperação 1.7.1 Funcionamento da caldeira aquatubular de circulação natural de dois ou mais tubulões As caldeiras aquatubulares podem ser de circulação natural ou forçada, sendo as de circulação natural as mais utilizadas na indústria e em navios. Neste trabalho, nos deteremos nas caldeiras aquatubulares de circulação natural. Nas caldeiras aquatubulares de circulação natural, o vapor é produzido por diferença de densidade da água que circula nos tubos que interligam os tubulões, onde a mais fria, de densidade maior, flui nos circuitos descendentes (downcomers), e a mais aquecida, de menor densidade, já na fase de vapor úmido devido ao calor recebido dos gases da combustão, circula nos circuitos ascendentes (risers). A circulação natural da água nos circuitos da caldeira pode ocorrer de forma livre devido à ação da gravidade ou acelerada, quando a água de alimentação entra pelos tubulões superiores e desce para os inferiores, acelerando o processo de circulação da água no feixe tubular da caldeira. A maioria das caldeiras aquatubulares de dois tubulões para navios mercantes são de circulação acelerada. A figura 26 mostra o esquema típico de funcionamento de uma caldeira aquatubular de dois

tubulões

para navios

mercantes. Observe que a água de

alimentação entra no tubulão superior na forma de líquido sub resfriado (água em temperatura inferior à de saturação para a pressão de entrada), e desce para o tubulão inferior de forma acelerada através dos tubos mais frios, ou seja, os mais afastados da fornalha, estando protegidos pelos tubos geradores, os quais estão mais próximos da fornalha. A água quente e o vapor (mistura água-vapor) sobem para o tubulão superior pelos tubos geradores, os quais são mais expostos ao calor irradiado pela fornalha. Os tubos de retorno asseguram o suplemento de água mais densa ao tubulão inferior, relativamente fria, com a 33

finalidade de substituir a água e o vapor que se deslocam para cima, através dos tubos geradores.

Figura 26 - Funcionamento de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.

1.7.2 Funcionamento das caldeiras flamatubulares As caldeiras flamatubulares ou de tubos de fumaça funcionam através da troca de calor dos gases quentes oriundos da combustão na fornalha, os quais circulam no interior dos tubos imersos em um tubulão cilíndrico que contém a água a ser evaporada. A fornalha é localizada apenas de um lado, sendo o outro fechado por uma chapa plana. A figura 27 ilustra o funcionamento de uma caldeira flamatubular típica para uso comum industrial.

Figura 27 - Funcionamento de uma caldeira flamatubular de dois passes.

34

1.7.3 Funcionamento da caldeira de recuperação de gases A caldeira de recuperação de gases é bastante utilizada em navios para o fornecimento das máquinas auxiliares e consumidores quando o navio está navegando. A energia necessária à produção do vapor é fornecida pelos gases de descarga dos MCPS que atravessam a caldeira aquecendo a água para a sua evaporação. A figura 28 ilustra um modelo típico usado abordo de navios do tipo flamatubular.

Figura 28 - Funcionamento de uma caldeira de recuperação flamatubular.

A caldeira de recuperação de gases também pode trabalhar como economizador nos navios, conforme ilustrado na figura 29, após a parada da caldeira auxiliar, onde o vapor é produzido como saturado para as auxiliares no evaporador ou superaquecido no superaquecedor para os turbo-geradores, após o preaquecimento da água da caldeira no economizador. Este tipo de sistema é bastante usual em navios petroleiros.

35

Figura 29 - Funcionamento de uma caldeira de recuperação marítima com economizador.

1.7.4 Funcionamento da caldeira elétrica A figura 30 ilustra um esquema básico de funcionamento de uma caldeira elétrica, onde se observa que o aquecimento da água para a produção do vapor é feito por eletrodos, ou resistências elétricas blindadas, devidamente colocados no interior da caldeira e em contato com a água, fornecendo o calor por efeito Joule (resistências elétricas) ou passagem de corrente elétrica diretamente pela água (eletrodos).

Figura 30 - Funcionamento de uma caldeira elétrica.

36

1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças. 1.8.1 Caldeiras a combustíveis sólidos Diversos são os combustíveis sólidos que podem ser aplicados para a queima em caldeiras, podendo ser utilizados os combustíveis naturais ou derivados. Os seguintes combustíveis sólidos são usualmente encontrados para a combustão em caldeiras: 1) Combustíveis sólidos naturais a) madeira; b) turfa; c) carvão mineral; e d) bagaço de cana. 2) Combustíveis sólidos derivados a) carvão vegetal; b) coque de carvão; e c) coque de petróleo. Nas caldeiras termoelétricas, o carvão mineral é largamente utilizado, por ser encontrado facilmente na natureza. Nas caldeiras que utilizam este combustível, o carvão pode ser britado ou pulverizado, sendo lançado em grelhas móveis que estão colocadas na parte inferior das fornalhas, abaixo das quais é insuflado ar para a combustão. O poder calorífico dos carvões minerais é bastante inferior ao dos combustíveis derivados de petróleo e contém diversas impurezas inertes ao processo de combustão. Os constituintes inertes (que não participam da combustão) frequentemente encontrados nos carvões, são as cinzas, o enxofre, e a umidade. As dimensões das fornalhas, dutos de circulação dos gases, e os espaçamentos entre os tubos dos feixes de troca de calor das caldeiras de carvão mineral, são maiores que as de óleo combustível, em decorrência do grande volume de gases produzidos somados às cinzas contidas no carvão, permitindo um tempo de permanência suficiente da mistura até a queima total. As caldeiras a carvão requerem,

além

dos

equipamentos

já

citados,

um

sistema

de

correias

transportadoras, sistema de armazenamento de carvão, tanque de captação de cinzas, sopradores de fuligem para eliminar de forma contínua os depósitos sobre os tubos, sistema de proteção de incidência direta de cinzas nos feixes tubulares para 37

evitar a erosão do feixe, e um sistema de captação de cinzas leves (coletores e precipitadores) levadas com os gases em direção à chaminé. A figura 31 ilustra uma caldeira típica de combustível sólido.

Figura 31 - Caldeira aquatubular de combustível sólido. Fonte: Bizzo, Geração e utilização de vapor, notas de aula, 2010.

1.8.2 Caldeiras a combustíveis líquidos Os combustíveis líquidos frequentemente utilizados nas caldeiras marítimas são os seguintes: a) óleo combustível; e b) óleo diesel. 1.8.2.1 Óleo combustível O óleo combustível é obtido a partir da mistura de um derivado de petróleo pesado, resíduo de vácuo ou resíduo asfáltico. Derivados mais leves são adicionados com a finalidade de se obter a viscosidade necessária para a queima. Os derivados mais utilizados para esta diluição são: óleo decantado, óleo pesado de reciclo de FCC, óleo leve de reciclo, resíduo aromático, diesel e querosene. Os valores das viscosidades máximas dos óleos combustíveis comercializados no Brasil são fornecidas pelo Departamento Nacional de Combustíveis (DNC) agrupadas na tabela 1 em nove faixas nas classes A e B. Para cada viscosidade, são especificadas duas faixas de teor de enxofre, sendo de até 5 % para óleo A, e até 1 % para o óleo B. A especificação do DNC prevê, para cada viscosidade, duas 38

faixas de teor de enxofre, sendo o máximo de 5 % para o óleo 1A e o máximo de 5,5 % para os óleos 2A a 9A. Para o óleo B, todos eles têm valor máximo de 1 % de teor de enxofre. Desta forma, um óleo combustível com viscosidade de 15.000 SSF a 50 ºC e 3 % de enxofre é classificado para faturamento como óleo 5A. Um óleo A, da mesma faixa de viscosidade que o óleo B, é mais barato por possuir maior teor de enxofre, e assim, quanto maior a faixa de viscosidade em que o óleo for enquadrado mais barato ele fica. O teor máximo de água e sedimentos limitados pelo DNC é de 2,0 % em volume. Ao receber óleo combustível para as caldeiras de um navio, o teor de enxofre e água devem estar de acordo com as instruções do fabricante, pois estes componentes afetarão a viscosidade com a ocorrência de sérios problemas na combustão . Tabela 1 - Viscosidade recomendada para óleos combustíveis. Fonte: Departamento Nacional de Combustíveis. Tipos de óleos combustível 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8B 9B

Ponto de Fulgor ºC 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66

Teor de enxofre

Viscosidade

Sedimentos

% (max) 5,0 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

SSF a 50ºC 600 900 2.400 10.000 30.000 80.000 300.000 1.000.000 sem limite 600 900 2.400 10.000 30.000 80.000 300.000 1.000.000 sem limite

%(max) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 5,0

1.8.2.2 Óleo diesel O óleo diesel é utilizado atualmente nas caldeiras dos navios, para início de acendimento e limpeza das redes de óleo combustível. Após o acendimento, o oficial de quarto comunica óleo combustível para as caldeiras de propulsão ou auxiliares. A substituição do óleo diesel pelos óleos combustíveis deve-se principalmente ao consumo elevado face ao óleo combustível.

39

1.8.2.3 Recomendações para caldeiras de óleos combustíveis Uma caldeira para queima de óleo combustível, principalmente os mais viscosos, deve ser equipada com componentes auxiliares que facilitem este processo. Assim, para estas instalações, são recomendados os seguintes requisitos: a) instalações adequadas para recebimento e manuseio do combustível, incluindo tanques para armazenamento e serviço de óleo combustível; b) aquecedores de óleo combustível, com a finalidade de aumentar a temperatura do combustível na entrada da caldeira, mantendo uma viscosidade adequada à atomização e queima na fornalha, obtendo desta forma, a devida eficiência recomendada para a caldeira, já que a entrada de óleo combustível frio na fornalha proporciona uma queima incompleta, cedendo parte do seu calor para levar às moléculas a temperatura da reação de combustão com a consequente redução na eficiência do processo; e c) pelos motivos relatados no item anterior, sempre que possível, as caldeiras de óleo combustível devem possuir sistemas para aquecimento prévio do ar destinados a combustão, denominados de pré aquecedores de ar, onde se obtém uma redução considerável na temperatura de saída dos gases da chaminé. O pré aquecedor de ar do tipo regenerativo é constituído basicamente de um motor e um rotor, com pás recobertas de material adequado para absorção do calor dos gases oriundos da combustão. Este conjunto, gira à baixa velocidade (2 a 3 rpm). Os gases da combustão, ao fluírem pelo equipamento, cedem calor às pás do rotor em rotação e, ao ocupar o compartimento no qual se tem o fluxo de ar, as referidas pás, aquecidas pelos gases da combustão, promovem a elevação da temperatura do fluxo de ar.

A figura 32 ilustra um pré aquecedor de ar regenerativo.

40

Figura 32 - Pré aquecedor de ar regenerativo. Fonte: Formação de operadores de refinaria. Petrobrás, 2002.

1.8.3 Caldeiras a gás As caldeiras projetadas para a queima de gás são em geral mais compactas que as utilizadas para os demais combustíveis. Isto se deve ao fato de o gás não precisar de nenhum aquecimento prévio para ser queimado nas fornalhas e nem de reservatórios de capacidade volumétrica elevada para sua estocagem, sendo um combustível de alto rendimento e contendo poucas impurezas. No entanto, por serem extremamente voláteis, a operação e a manutenção destas caldeiras devem seguir rigorosamente as instruções estabelecidas pelos fabricantes, para evitar o risco de explosão. Entre os combustíveis mais utilizados para estas caldeiras, estão o gás natural e os GLPS. Ressaltamos que o gás natural que é basicamente o metano (CH4), tem menor poder calorífico que o GLP constituído de propano (C3H8) e butano (C4H10). Para os consumidores, com exceção da Petrobrás, que utilizam o gás natural, o Departamento Nacional de Combustível recomenda as seguintes especificações dispostas na tabela 2. 41

Tabela 2 - Especificações técnicas recomendadas para gás natural. Fonte: Departamento Nacional de Combustíveis. Valores

Gás Natural

recomendados 0,60 a 0,81

Densidade relativa ao ar, a 20 Enxofre total, mg/m3 Gás sulfídrico, mg/m

110 (máx.) 3

29 (máx.)

Nitrogênio + Dióxido de carbono, % Vol.

6 (máx.)

Poder calorífico, a 20 ºC e 1 atm Inferior ( Kcal/m3) 3

Superior ( Kcal/m )

7.600 a 11.500 8.500 a 12.500

OBS.: o produto deve ser isento de hidrocarbonetos condensados, óleos e partículas sólidas.

Atualmente, muitas caldeiras inicialmente projetadas para queima de óleo têm sido modificadas, para passarem a atuar alternativamente ou simultaneamente com queima de gás, e são as denominadas caldeiras de queima mista. Para as caldeiras de gás, a quantidade (em massa) de combustível dentro da fornalha é muito pequena, tornando a combustão muito sensível à variação de consumo de ar e combustível, permitindo em caso de necessidade, modificar a carga da fornalha instantaneamente. Ao mesmo tempo torna-se crítico o controle da combustão, pois uma interrupção da alimentação provocará a extinção da chama, o que está vinculado ao perigo de explosão ao recomeçar a alimentação. Por isso, nessas fornalhas normalmente são instalados vários queimadores. A figura 33 mostra uma instalação típica de uma caldeira a gás.

42

Figura 33 - Instalação típica de uma caldeira a gás. Fonte: Goulart et al. Conversão de caldeiras a óleo combustível para gás, 2003.

A injeção de ar é normalmente feita por um ventilador através de registros (dampers) e difusores que controlam e dividem o ar de combustão. Em queimadores industriais de maior porte existem usualmente “dois ares”, ou seja, o ar primário com cerca de 80 % da quantidade estequiométrica, injetado próximo as lanças e o ar secundário, com cerca de 30 a 40 % do ar estequiométrico. Os difusores imprimem ainda aos fluxos de ar um movimento de rotação com o objetivo de aumentar a turbulência e a mistura com o combustível. A figura 34 ilustra o esquema típico de uma caldeira mista ar-óleo combustível.

43

Figura 34 - Instalação típica de uma caldeira mista gás-óleo. Fonte: Goulart et AL. Conversão de caldeiras a óleo combustível para gás, 2003.

Uma grande vantagem do GLP e do gás natural em relação aos óleos combustíveis, decorrente da limpeza dos produtos da combustão, é a possibilidade de queimar esses gases em contato direto com o produto a aquecer, nos casos onde isto não seja possível de ser feito com óleo. Por exemplo, quando os produtos são gêneros alimentícios, é necessário confinar os gases da queima de óleo dentro de tubos radiantes ou muflas para evitar a contaminação do aumento ou de sua embalagem. Assim, a conversão de óleos combustível por GLP e GN permite a eliminação das superfícies de troca térmica, aumentando significativamente a eficiência energética do processo e reduzindo o consumo específico de combustível na faixa de 20 a 30 %. Consequentemente haverá também redução das emissões de CO 2, contribuindo para a redução do efeito estufa. Essa otimização da eficiência energética frequentemente possibilita o aumento da produtividade do equipamento térmico. 44

A figura 1.34 ilustra uma caldeira mista com os respectivos dados técnicos.

Figura 35 - Caldeira mista gás - óleo para a produção de vapor. Fonte: Domel. Caldeira flamatubular vertical para óleo ou gás, 2010.

1.8.4 Aquecedores de óleo térmico Os aquecedores de óleo térmico são utilizados em alguns navios petroleiros, onde o vapor é substituído por este fluido, o qual geralmente é mantido na forma líquida em temperaturas elevadas. O fluido de aquecimento é um óleo especial chamado “óleo térmico” que pode transferir calor até 200 ºC, não precisando de alta pressão como o sistema de aquecimento a vapor e geralmente não muda de fase, permanecendo como líquido. O sistema de óleo térmico é um sistema 45

fechado onde circula o fluido de aquecimento, utilizando-se uma bomba de circulação de óleo térmico. A figura 36 ilustra um aquecedor de óleo térmico típico para navios petroleiros.

Figura 36 - Aquecedor de óleo térmico para navios petroleiros. Fonte:Thermal Energy Equipments, Boilers & Thermic Fluids Heater, 2010.

Atualmente, são projetados para uma capacidade térmica de 1000 a 10000 kW. A figura 37 ilustra um esquema típico usado para navios de óleo térmico.

46

Figura 37 - Sistema típico de óleo térmico para navios.

O aquecedor é o equipamento que fornece a energia térmica para o fluido térmico. Em navios, este aquecimento pode ser feito através da queima de óleos combustíveis ou gases de descarga dos MCPs. A chaminé é o equipamento responsável pela exaustão dos gases de combustão para atmosfera. O queimador é o equipamento responsável pela perfeita combustão e fornecimento de energia ao aquecedor . O sistema possui ainda os seguintes equipamentos: a) tanque de dreno e enchimento, o qual é um reservatório que tem a função drenar total ou parcialmente o sistema no caso de manutenção. Normalmente é através deste tanque que se faz o enchimento de fluido térmico no sistema; b) bomba de dreno e enchimento, a qual é utilizada para o enchimento e drenagem do sistema; c) bomba de circulação de fluido, a qual é responsável pela circulação do fluido térmico entre o aquecedor e os diversos pontos de utilização;

47

c) separador de gás, o qual auxilia na eliminação de gases e umidade do sistema, principalmente durante o “startup” do mesmo; d) selo térmico, que é um tanque que tem como principal objetivo a selagem térmica entre o sistema e o tanque de expansão, evitando com isto que o tanque de expansão trabalhe com uma temperatura muito alta; e) tanque de expansão, o qual funciona armazenando a expansão volumétrica do fluido térmico quando do seu aquecimento e também da contração volumétrica, quando do seu resfriamento; e f) consumidor de calor, que são os diversos utilizadores de óleo térmico que necessitam ser aquecidos para um determinado fim. O óleo térmico utilizado a bordo dos navios deve possuir as seguintes características: a) estabilidade térmica; b) calor específico para absorção de calor; c) alta condutividade térmica; d) baixa viscosidade; e e) vida útil elevada.

48

2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS 2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras Todas as caldeiras, sejam marítimas ou terrestres, possuem um sistema de água de alimentação, o qual é necessário para a admissão da água na caldeira através de bombas, até um determinado nível. Todos os sistemas de água de alimentação de caldeiras possuem, além das bombas d’água, diversos componentes os quais dependem do tipo e da aplicação ao qual se destina a caldeira. 2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira marítima As caldeiras marítimas podem ser utilizadas em navios tanto para a propulsão como para as máquinas auxiliares, sendo denominadas de caldeiras de alta pressão e caldeiras auxiliares. No presente trabalho, faremos a descrição dos sistemas para ambas as caldeiras. A figura 38 ilustra o esquema de água de alimentação para uma caldeira marítima de alta pressão. Neste sistema, as bombas de condensado principal (BCD) e auxiliar (BCDA), aspiram o condensado do condensador principal e do tanque de dreno, descarregando-o no sistema. A descarga da bomba de condensado principal, passa pelo ejetor de ar principal (EARP), adquirindo um pequeno gradiente de temperatura, e junta-se com a descarga da bomba de condensado auxiliar, tendo esta passado anteriormente pela válvula de controle de nível(CN) do tanque de dreno atmosférico e extrator de graxa, indo ao tanque desarejador (TD), após passar por dois estágios de aquecimento,o condensador do vapor de selagem das turbinas propulsoras(CDV) e o aquecedor de água de alimentação do primeiro estágio (AA1). Parte desta água é descarregada nos grupos destilatórios do navio. O condensador principal (CD) e o tanque desarejador (TD), possuem um controle de nível constituído pelas seguintes válvulas: a) válvula de recirculação (VRC); b) válvula de suplementação (VSCD); e c) válvula de alívio (VATD).

49

Figura 38 - Sistema de água de alimentação de caldeiras marítimas de alta pressão.

A válvula de recirculação atua no sentido de proporcionar sempre um nível compatível à aspiração das bombas de condensado principal, sendo comandada pelo controlador de nível do condensador principal. A válvula de suplementação atua no sentido de enviar água dos tanques de água destilada (TA1 e TA2) ao condensador principal, quando o controlador do nível do desarejador detectar nível abaixo do normal. A válvula de alívio funcionará em caso contrário, desviando o fluxo de água bombeado ao desarejador para o tanque de água destilada, sendo também comandada pelo controlador de nível do desarejador. Saindo do desarejador, o condensado, em temperatura adequada, vai à aspiração das bombas d’água de alimentação (TBA1, TB2, TB3) e da bomba d’água de início de acendimento ou emergência(B). Dependendo do tipo de caldeira, estas 50

bombas recalcam a água com pressões manométricas na faixa de 78 a 90 bar, para o tubulão superior da caldeira (aquatubular de circulação acelerada) pela rede de alimentação principal, passando antes pelos aquecedores do terceiro (AA3) e quarto (AA4) estágio com a finalidade de aumentar a eficiência da caldeira. Na descarga das bombas, existe uma ramificação que envia água para dois dessuperaquecedores externos de 5 t/h (DSE5) e de 80 t/h (DSE80), com o objetivo de controlar a temperatura do vapor que passa nestes equipamentos.A água é borrifada diretamente nos dessuperaquecedores, através das válvulas de controle de temperatura (VCT) comandadas a ar de controle, sendo o vapor enviado aos dessuperaquecedores, proveniente de válvulas redutoras da rede de vapor auxiliar produzido na caldeira com pressão na faixa de 4 a 9 bar. A alimentação da caldeira será controlada por um controlador de nível, que comandará a válvula de controle de alimentação para abertura ou fechamento, de acordo com a variação de nível detectada pelo controlador. A bomba de alimentação de emergência (B) serve também para encher a caldeira até o nível de trabalho, economizando o trabalho das bombas de alimentação principal. Esta bomba é forçosamente acionada por motor elétrico, sendo as bombas de alimentação principal geralmente acionadas com o próprio vapor das caldeiras, após as mesmas já estarem na linha. O sistema possui também dois tanques de produtos químicos (TPQ) com as suas respectivas bombas (BPQ) para a injeção de produtos químicos nas caldeiras para evitar a corrosão e a erosão do feixe tubular, paredes d’água, e dos tubulões de vapor e água da caldeira. O tanque de hidrazina (TH) recebe água do tanque de água destilada a qual diluirá a hidrazina dosada, com a finalidade de remover o oxigênio dissolvido no sistema, evitando a corrosão interna de todo o sistema de tubulação e a formação de óxido de ferro e cobre na caldeira. A hidrazina diluída é injetada, então, no tanque de dreno atmosférico, onde se mistura ao condensado. A figura 2.2 ilustra um sistema típico de água de alimentação frequentemente empregado em navios mercantes de propulsão a motor com uma caldeira combinada gás tubular (recuperação) e auxiliar (aquatubular).

51

Figura 39 - Condensador atmosférico. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

As bombas d’água de alimentação succionam a água do tanque de inspeção e dreno, o qual é geralmente suplementado pelo hidróforo de água doce. O sistema possui ainda um salinômetro para a verificação da salinidade da água, e um tanque de produtos químicos para o tratamento da água de alimentação. Neste sistema, é provido um condensador para o excesso de vapor gerado pela caldeira, onde este excesso é enviado para o tanque de alimentação e dreno, provocando o aquecimento da água de alimentação. As figuras 40 a 43 ilustram os principais componentes do sistema.

Figura 40 - Bomba d’água de alimentação. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

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Figura 41 - Condensador atmosférico. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

Figura 42 -Tanque de dreno e inspeção. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

Figura 43 - Válvulas de água de alimentação. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

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2.3 Instrumentos empregados para medição de nível Os medidores de nível usualmente encontrados para a medição de nível são os seguintes: a) indicadores de nível com visor de vidro; b) medidor de nível por eletrodo; c) indicador de nível de boia; e d) célula diferencial de pressão. 2.3.1 Indicador de nível com visor de vidro Esse tipo de medidor de nível deve ser utilizado quando não há necessidade de se transmitir a distância as indicações de nível, o mesmo pode ser medido com bastante exatidão e segurança por meio de tubos transparentes (visores de vidro) lisos ou com escala graduada, conforme mostrado na figura 44.

Figura 44 - Medição de nível com visor de vidro.

2.3.2 Medidor de nível por eletrodo Esse tipo de medidor de nível é utilizado na medição de líquidos condutivos, não corrosivos e livres de partículas em suspensão. O elemento de detecção é formado por um, dois e até três eletrodos cilíndricos que são montados dentro do tanque. Podem-se instalar os eletrodos nas partes superior ou lateral do tanque. O sistema é alimentado com tensão alternada de baixo valor (10 VAC) ou com tensão contínua (10 a 24 V DC), conforme mostra o esquema da figura 45.

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Figura 45 - Medição de nível por eletrodo.

As medições podem ser contínuas ou discretas. Em medições contínuas, como

as

utilizadas

em

caldeiras,

os

eletrodos

devem

ser

instalados

verticalmente para dentro do tanque na sua parte superior. Para medições discretas, a sonda deve ser instalada para dentro do tanque em sua parte lateral e o comprimento do eletrodo é reduzido. Se o tanque possuir paredes metálicas, a sonda pode possuir somente um eletrodo. Também se utiliza sonda de um eletrodo quando se realiza medições discretas. Quando instalados em caldeiras, indicam o nível normal, água baixa e água alta, conforme ilustrado na figura 46.

Figura 46 - Medição de nível por eletrodo com indicação de alarmes de água baixa e água alta na caldeira.

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2.3.3 Medidor de nível tipo boia Uma das técnicas mais comuns para medidas de nível, particularmente para líquidos, é a técnica que utiliza bóia como elemento de detecção. Esta se move para cima ou para baixo com a mudança do nível do líquido, podendo indicá-lo através de uma escala graduada montada externamente ao tanque. Também é possível utilizar a bóia para acionar mecanicamente um contato elétrico (NA ou NF) o qual pode ser utilizado para transmitir um sinal elétrico para indicação ou controle de nível de mínimo ou máximo, por exemplo. A figura 47 ilustra um medidor de nível do tipo boia.

Figura 47 - Medidor de nível do tipo boia.

A boia pode ainda ser acoplada a um tubo metálico fechado em sua extremidade inferior. Em locais específicos dentro desse tubo, pode ser instalado 1(uma), 2(duas) ou mais chaves magnéticas do tipo reed-switch (contato elétrico NA ou NF instalado dentro de uma pequena ampola de vidro acionado através de campo magnético). A boia deve possuir um imã interno (boia magnética). Quando a boia estiver na mesma posição onde a chave magnética foi instalada esta, então, será acionada pela ação do campo magnético da boia. Através desse acionamento, pode-se transmitir um sinal elétrico para indicar ou controlar o nível. 2.3.4 Célula diferencial de pressão Neste tipo de sistema, a tomada de baixa pressão do instrumento é conectada na parte superior do tubulão de vapor e a de alta pressão na parte inferior, onde a variação de nível é transmitida na forma de sinal elétrico (4 a 20 mA ou de o a 10 V) ou pneumático( 3 a 15 psi) para acionar a válvula de alimentação de

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água, através de um motor elétrico ou de ar de controle. A figura 48 ilustra um controle típico para uma caldeira aquatubular.

Figura 48 - Medidor de nível do tipo Dpcell.

2.4 Funcionamento do sistema de controle de nível A figura 49 ilustra um controle de nível típico de uma caldeira auxiliar de um navio de propulsão a motor.

Figura 49 - Controle de nível de caldeira auxiliar de navio e propulsão amotor.

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O controle automático de nível é efetuado através do transmissor de nível (eletrodo, boia, capacitivo ou outro usual) que informa a faixa de nível a ser controlada, emitindo sinais de entrada (E) para o controlador elétricos (4 a 20 mA)ou pneumáticos (3 a 15 psi). O controlador recebe este sinal e o envia para as válvulas de alimentação de água para a caldeira (elemento final de controle) na forma de sinal de saída (S), que atuará nas respectivas válvulas, fechando-as ou abrindo-as de forma gradual e modulada, mantendo o nível dágua na caldeira nos valores estipulados para o seu funcionamento. Havendo falha no controlador ou no transmissor, um sensor de alarme de nível baixo atuará chamando a atenção do oficial do quarto de serviço, que fará a parada da caldeira, caso o nível não se restabeleça. As válvulas de alimentação de água, geralmente são comandadas por sinal de saída pneumático do controlador, e sendo este eletrônico, um transdutor de sinal do tipo I/P faz-se necessário para a atuação da válvula. O controlador, dependendo do projeto da caldeira, poderá partir e parar as bombas dágua quando no modo automático; porém, por segurança do sistema, a partida e parada das bombas deverão ser feitas preferencialmente no modo manual, onde o oficial de quarto observa o nível e transfere o modo de controle para automático, após ter certeza que o nível se encontra no valor desejado de operação (set point). A válvula de controle da água de alimentação possui um dispositivo mecânico de atuação caso o controle não atue, sendo este geralmente um volante, o qual é acionado manualmente. No início de acendimento, em paralelo com esta válvula, existe uma válvula de alimentação manual, que será fechada após o controlador operar no modo automático. Alguns cuidados são necessários com esta válvula: a) não efetue nenhuma regulagem sem antes consultar o manual do fabricante; b) ao longo do tempo de funcionamento, a sede da válvula poderá obstruir a passagem da água por corrosão e deterioração, sendo necessária a sua remoção; e c) ao desmontar a válvula, observe cuidadosamente a posição dos seus elementos para evitar erro na montagem. A figura 50 ilustra uma válvula típica de controle de água de alimentação.

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Figura 50 - Válvula de controle de água de alimentação de caldeiras.

Outro controle de nível bastante utilizado em caldeiras marítimas é o controle de três elementos, conforme ilustrado na figura 51. O controle a três elementos considera o nível no tubulão, a vazão de vapor e a vazão de água. Este controle permite uma antecipação no controle de nível.

Figura 51 - Controle de nível a três elementos.

Neste controle, o relé recebe os sinais da vazão de vapor e do nível do tubulão, faz a linearização dos mesmos e atua no elemento final de controle (FIC) que atua na válvula de água de alimentação aumentando ou diminuindo a vazão desta, mantendo o nível dágua no tubulão de vapor nos valores ajustados de operação. 59

2.5 Funcionamento do aquecedor de água de alimentação O aquecedor de água de alimentação pode ser utilizado para aquecer a água que adentra a caldeira, para aumentar a eficiência da mesma ou para produzir água quente para diversas utilizações a bordo dos navios. Nos navios de propulsão de vapor, são geralmente em número de quatro, recebendo vapor das sangrias das turbinas, através de válvulas controladas pneumaticamente que regulam a vazão de vapor para os aquecedores dependendo da potência desenvolvida nas turbinas. Estes aquecedores podem ser de contato direto ou de mistura, quando o vapor se mistura com a água no seu interior, ou de superfície (contato indireto),quando a água passa no interior do feixe tubular do aquecedor, recebendo o calor do vapor de forma indireta, através da condução e convecção pelo feixe tubular. Muitas caldeiras têm basicamente como aquecedor de água de alimentação, o economizador (do tipo de superfície), que será estudado mais adiante. A figura 52 ilustra um esquema típico de navios de propulsão a vapor desenvolvendo uma potência de 23882 KW, com os respectivos aquecedores de água de alimentação.

Figura 52 - Aquecedor de água de alimentação de navio de propulsão a vapor. Fonte: Birnie, Marine Steam Engines and Turbines, BUTTERWORTH’S. London: 1980.

60

O tanque desarejador têm dupla função: aquecer a água e remover gases dissolvidos (Co2 e O2). O funcionamento do tanque desarejador baseia-se no princípio da pulverização da água para quebrar sua tensão superficial, e aquecê-la através da passagem de vapor em contracorrente, liberando os gases dissolvidos que são arrastados para a atmosfera pelo vapor. A figura 53 ilustra o funcionamento do tanque desarejador.

Figura 53 - Tanque desarejador empregado em sistemas de água de alimentação.

Em navios de propulsão a motor, o aquecimento da água de alimentação geralmente é feito no tanque de dreno e inspeção, onde o retorno do condensado se mistura à água no seu interior, aquecendo-a até a desejada temperatura para a alimentação da caldeira. A figura 54, aqui repetida, ilustra o tanque de dreno e aquecimento da água de alimentação.

Figura 54 - Tanque de dreno e inspeção. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler. 2004.

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Boilers de água quente, ou aquecedores de água, são comumente empregados para fornecer água aquecida para diversos consumidores em navios. A figura 55 ilustra o esquema típico de um boiler de água quente.

Figura 55 - Boiler de água quente.

Em muitos navios modernos, o aquecimento da água de alimentação é feito exclusivamente por aquecedores elétricos, dispensando-se o uso de vapor ou óleo térmico como fluido de aquecimento. 2.6 Tiragem natural e tiragem forçada em uma caldeira Tiragem de uma caldeira é o processo que garante a introdução do ar na fornalha e a circulação dos gases da combustão através de todo o gerador de vapor, até a saída dos gases pela chaminé. Em outras palavras, a tiragem tem como finalidade suprir a quantidade de ar necessária para queima do combustível e forçar a circulação dos gases por todas as superfícies de troca de calor até serem exauridos pela chaminé. A tiragem de uma caldeira pode ser classificada em quatro tipos: a) tiragem natural; b) tiragem forçada; c) tiragem induzida; e d) tiragem balanceada. A tiragem natural é criada por efeito exclusivo da chaminé, suficiente para garantir suprimento de ar e remover os gases de exaustão. A tiragem natural é típica 62

de caldeiras antigas, de pequena capacidade, e com pouca superfície convectiva; têm como desvantagem a influência das condições climáticas e da pressão atmosférica. A tiragem forçada é exercida por sopradores de ar (ventiladores) na entrada da fornalha, fornecendo ar sob pressão para combustão e facilitando a remoção dos gases pela chaminé; a potência necessária para operar tais sopradores varia entre 4 a 6% da capacidade da caldeira. A tiragem induzida é garantida por ventiladores de exaustão, que geram uma pressão ligeiramente negativa no interior da fornalha. A tiragem balanceada é o resultado da combinação da tiragem forçada com a tiragem induzida, O ventilador de tiragem induzida normalmente é de maior capacidade do que o de tiragem forçada, devido ao volume de gases de exaustão ser maior do que o volume de ar. A tiragem forçada é utilizada quando as perdas de pressão do ar ao longo dos dutos que o levam a fornalha são elevadas daí serem asseguradas pelos ventiladores, que vencem estas perdas e injetam o ar na fornalha. Praticamente, todas as caldeiras recorrem ao emprego de ventiladores, devido ao aumento da velocidade dos gases, para a obtenção de maiores coeficientes de troca de calor. O aumento da velocidade dos gases permite perdas de carga de 100 até 300 mmca. A tiragem induzida, induz uma pressão negativa no circuito total dos gases de combustão, sendo o exaustor geralmente dimensionado para a vazão total dos gases de combustão,com uma reserva de carga de 20 % na capacidade do exaustor, para compensar os aumentos de perda de carga. O circuito de circulação dos gases deve ter perfeita vedação para impedir qualquer fuga dos gases da combustão. Em relação à chaminé, as mesmas podem ser construídas com tijolos comuns ou com chapas de aço, como as utilizadas nas chaminés das caldeiras marítimas. Todas as chaminés devem ser estanques o máximo possível, para evitar a entrada de ar falso, que prejudica a tiragem. As figuras 56 a 58 ilustram os tipos usuais de tiragem utilizadas na maioria das caldeiras industriais.

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Figura 56 - Tiragem forçada.

64

Figura 57 - Tiragem induzida.

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Figura 58 - Tiragem balanceada.

2.7 Registro de ar e damper utilizados em caldeiras O registro de ar do queimador, que tem a função de proporcionar uma mistura homogênea do óleo pulverizado na fornalha pelo maçarico com o ar, o qual contém o oxigênio necessário, para a combustão desta mistura. A função básica do registro de ar é permitir a entrada do ar para a fornalha e distribuí-lo de modo que ele forme uma mistura homogênea com o combustível. Além desta função, ele permite, de certa forma, um controle numa extensão muito limitada da velocidade do ar que adentra a fornalha. Os registros de ar modernos possuem portas de ar axiais e radiais, as quais permitem a entrada de ar pela parte posterior do registro, ocasionando uma menor pressão de ar para a queima de uma determinada quantidade de combustível. Os conjuntos de portas são acionados por um mesmo manípulo de manobras. 66

Basicamente, os registros de ar são formados por: a) caixa de ar com suas portas (dampers), que tem a finalidade de controlar o ar para a fornalha; b) manga, que possui a função de alojar e ajustar o maçarico; c) cone de palhetas, o qual provoca o movimento de rotação do ar antes de sua entrada na fornalha, aumentando a sua velocidade e melhorando a homogeneização com o combustível; e d) difusor, o qual divide o ar em 2 (duas) correntes, que são: - corrente primária, a qual é feita pelos rasgos existentes no difusor que permite a primeira mistura e homogeneização do ar com o combustível, evitando que a chama seja jogada para longe do bico do maçarico, pela corrente de ar secundária. - corrente secundária, a qual envolve completamente a chama, garantindo que as partículas de óleo não queimadas se misturem da melhor forma possível com o ar e queimem completamente. A figura 59 ilustra um registro típico de ar utilizado a bordo de caldeiras marítimas aquatubulares.

Figura 59 - Queimador de caldeira.

A caixa de ar do queimador é uma câmara pressurizada ao redor do queimador, onde o ar é mantido a uma pressão adequada para assegurar à distribuição e vazão do ar apropriados a combustão. O difusor é um dispositivo 67

usado para distribuir o ar no interior do queimador,melhorando a mistura arcombustível. Nas caldeiras com controle automatizado da combustão, o damper de ar é acionado através do sensor que indica a concentração do oxigênio nos gases da combustão, regulando a vazão do ar no registro, e o enviando a fornalha, de modo a manter a razão ar combustível da caldeira em valores que otimizem a combustão, evitando a poluição ambiental.A figura 60 ilustra um moderno sistema de controle da combustão, mostrando o acionamento automático do damper de ar.

Figura 60 - Acionamento automático do damper de ar.

2.8 Sistema de óleo combustível para caldeiras marítimas de alta pressão A figura 61 ilustra um sistema de óleo combustível para caldeiras de alta pressão. Para o acendimento inicial da caldeira, existe uma rede de óleo diesel cujo funcionamento é o seguinte: O óleo diesel é aspirado do tanque de serviço, não sendo necessário o aquecimento deste óleo. Ao entrar nas caldeiras, na linha que conduz aos queimadores, existe uma válvula solenoide (magnética) para cada queimador (maçarico), a qual possui um comando manual (volante) para a abertura caso falhe o controle elétrico de abertura. Esta solenoide deve fechar no caso de parada do soprador (ventilador) de ar de tiragem forçada, para evitar excesso de combustível na fornalha, e assim evitar a explosão da caldeira; e fecha também em água baixa ou falha de chama na fornalha. Das válvulas magnéticas, o óleo diesel dirige-se aos queimadores, para a combustão na fornalha.

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Quando o óleo pesado é utilizado, o mesmo é aspirado pelas bombas de serviço dos tanques aos queimadores, numa pressão e temperatura que depende do óleo a ser utilizado na combustão.

Figura 61 - Rede de queima de uma caldeira marítima de 62 bar de pressão de vapor.

Nos tanques de serviço, observamos que temos dois níveis: um alto e outro baixo. Se água ou borras grosseiras se encontram no fundo do tanque, a bomba de transferência de óleo deve ser conectada à linha de sucção no nível baixo, aspirando as impurezas e descarregando-as para o tanque de borra. Na entrada da bombas (BOC1 e BOC2) de óleo combustível pesado, encontra-se um ralo duplex (filtro frio), o qual retira do óleo pesado sedimentos e borras. Do filtro, o óleo pesado vai à aspiração das bombas, as quais são interligadas de modo que ambas aspirem dos dois tanques de serviço. Na descarga de cada bomba, é colocada uma válvula de alívio de pressão, a qual alivia o excesso de pressão de descarga para a linha de sucção. Uma válvula reguladora de pressão automática é instalada com uma de suas extremidades entre a descarga da bomba e os queimadores, e a outra na linha de sucção. 69

Esta válvula mantém, então, uma pressão constante na rede de descarga, pela recirculação do óleo, regulando desta forma a pressão desta rede. Esta válvula, em caso de avaria, possui um by-pass manual, e as referidas bombas são equipadas com dispositivos de parada de emergência e instaladas em lugar acessível para, no caso de incêndio, serem paradas automaticamente. Na saída das bombas, existe uma válvula de retenção que evita o retorno do óleo quando a bomba para. Saindo das bombas, o óleo pesado vai aos aquecedores, cada qual capaz de fornecer a desejada quantidade de óleo pesado que as caldeiras necessitam na temperatura ideal para a queima,sendo permitido o intercâmbio entre si. Estes aquecedores são supridos por vapor, o qual é fornecido ao mesmo por uma válvula reguladora de pressão e fluxo, controlada por um termostato que mantém a temperatura

do óleo no aquecedor para que a viscosidade (lida no

viscosímetro) esteja na faixa permitida para a atomização do óleo no queimador. No aquecedor, existe uma válvula de segurança, que alivia o excesso de pressão do mesmo. Dos aquecedores, o óleo pesado passa por outro ralo duplex ou filtro quente e vai às caldeiras. Na linha para a caldeira, observamos um conjunto de acessórios que regulam a vazão do óleo para o queimador, constituídos de transmissor de fluxo de óleo que regula a vazão de óleo para o queimador, uma válvula de controle, que abre a passagem de óleo em condições normais de carga, a de pressão mínima que regula o fluxo de óleo em baixa condição de carga da caldeira (baixa pressão de vapor) e uma microválvula de agulha, usada com by-pass manual. Saindo destas válvulas, o óleo pesado vai aos coletores e daí para as solenoides que injetarão o óleo pesado nos queimadores (maçaricos). Estas solenóides são de três vias, sendo uma entrada e duas saídas. Uma saída leva o óleo pesado ao queimador, e a outra a rede de recirculação,quando o queimador é retirado de uso para troca de bico, limpeza e manutenção, ou falha de chama. A rede de recirculação serve para coletar o óleo não queimado nos queimadores e o óleo dos maçaricos que não estão em operação.

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2.9 Funcionamento dos queimadores mais utilizados, conforme os métodos de atomização mecânica, a ar e a vapor Os queimadores utilizados nas caldeiras podem ser classificados em três tipos básicos, os quais são respectivamente: a) queimador de atomização mecânica; b) queimador de atomização a ar; e c) queimador de atomização a vapor. A atomização é necessária para se obter o maior contato possível do combustível com o oxigênio do ar de combustão. Devido a isto, quando se usa um combustível líquido, é preciso aumentar sua superfície específica, o qual é realizado na fase de atomização, ou seja, quando o combustível é transformado em gotículas, obtendo-se desta forma uma combustão equilibrada e eficiente. Todos os queimadores são compostos basicamente de: a) registro de ar que, conforme já visto, regula a quantidade de ar dando forma à chama. O registro de ar pode receber o ar primário ou ar secundário para a combustão na fornalha. b) maçarico, que tem por finalidade receber o combustível e atomizá-lo; e c) difusor, para a formação da turbulência do ar para facilitar a mistura arcombustível. A figura 62 ilustra um queimador com o ar primário e secundário no queimador.

Figura 62 - Queimador com ar primário e secundário para a combustão na fornalha.

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2.9.1 Maçaricos de atomização mecânica Na atomização mecânica, a mesma se dá por fornecimento de óleo sob alta pressão e baixa viscosidade no bico do maçarico, ou por ação centrífuga (copo rotativo). O queimador que utiliza a atomização por óleo sob pressão é normalmente empregado em instalações de grande porte; por exemplo, nas caldeiras marítimas de navios, devido não só ao menor consumo de energia e, principalmente, devido à economia de água. A pulverização de óleo combustível é conseguida pela passagem do óleo sob pressão, através de um orifício instalado no maçarico. As figuras 63 e 64 ilustram um queimador com maçarico de atomização de óleo sob pressão (atomização mecânica) típica de uma caldeira auxiliar de um navio mercante.

Figura 63 - Queimador de caldeira auxiliar de navio de atomização mecânica. Fonte: AALBORG Industries Corporation, boiler type AQ-16, 2004.

Figura 64 - Queimador de caldeira auxiliar de navio de atomização mecânica. Fonte: AALBORG Industries Corporation, boiler type AQ-16, 2004.

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O funcionamento do maçarico deste queimador, pelo painel de controle automático da caldeira, é explicado conforme ilustrado nas figuras 65 a 67.

Figura 65 - Período de pré-purga.

Na figura 65, quando o óleo combustível está com temperatura mínima permitida para a queima, a solenoide 5 estando energizada,

o controle de

temperatura do pré-aquecedor aciona a resistência elétrica no seu interior e o óleo flui da bomba para o bico1 do maçarico, através da solenoide 5 ,do préaquecedor, e da válvula solenoide 3(desenergizada),que permite a passagem do óleo, retornando pela solenoide 6 (energizada). A válvula solenoide 2 está desenergizada e fechada. Nesta situação, a pressão do óleo combustível é menor que a da válvula de fechamento do bico 1 e não há pulverização de combustível na fornalha.Após um determinado período de tempo denominado pré-purga ou seja, o tempo necessário para a expulsão

dos gases residuais remanescentes da combustão

anterior pelo ventilador do queimador, a válvula solenoide 3 energiza e fecha . Isto resulta no aumento da pressão do óleo combustível no interior do bico 1, o qual provoca a abertura da válvula de fechamento deste bico, pulverizando o óleo combustível na fornalha para a devida combustão, conforme ilustrado na figura 66.

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Figura 66 - Atomização mecânica do bico 1 do maçarico.

Após determinado intervalo de tempo, a válvula solenóide 2 energiza e abre a passagem de óleo para a válvula de fechamento do bico 2, vencendo a sua pressão de abertura e pulverizando o óleo combustível na fornalha, conforme ilustrado na figura 67.

Figura 67 - Atomização mecânica do bico 2.

A caldeira encontra-se agora com os dois bicos pulverizadores em funcionamento. No modo manual, é possível o acionamento das solenoides por meio de botões elétricos ou chaves de acionamento manual, que permite a energização das solenóides individualmente, podendo a caldeira operar com somente um queimador. 74

Nos bicos dos maçaricos, existe uma resistência elétrica de aquecimento comandada por termostato (11), que permite a manutenção da temperatura do óleo combustível em 80 °C ou 130 °C, ajustada através do controlador de temperatura (10). Para que a mistura ar combustível inicie a ignição, nos queimadores das caldeiras auxiliares marítimas, são instalados eletrodos de ignição que funcionam em alta voltagem, centelhando uma faísca elétrica na mistura ar combustível para o início da combustão. Iniciada a combustão, os eletrodos são desligados, permanecendo a combustão da mistura pelo calor produzido na fornalha. As figuras 68 e 69 ilustram um eletrodo de ignição para o queimador com maçarico de dois bicos.

Figura 68 - Eletrodo de ignição do queimador.

Figura 69 - Eletrodo de ignição do queimador. Fonte: AALBORG Industries Corporation, boiler type AQ-16, 2004.

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2.9.2 Maçarico de atomização a ar Os maçaricos com atomização de ar a alta pressão, possuem um compressor, que faz a geração de ar primário. Quanto maior a pressão do ar primário, menor sua quantidade na porcentagem total de ar necessário; a qual é complementada com ar secundário, facilitando o controle da combustão. Se o combustível for o óleo diesel ou pesado, o mesmo é fornecido ao maçarico sob baixa pressão. A pulverização é obtida por meio de um jato de ar sob alta pressão. Os compressores e as ampolas para o armazenamento de ar ocupam um espaço considerável e aumentam em muito o peso da instalação. Este método de pulverização é inadequado para o emprego naval. A figura 70 ilustra um queimador com maçarico de atomização a ar.

Figura 70 - Queimador de atomização a ar comprimido.

2.9.3 Maçarico de atomização a vapor A atomização a vapor é semelhante à do ar, na qual o vapor passa por um estreitamento arrastando consigo o combustível em forma de gotículas. Um valor típico da razão massa de vapor/massa de óleo combustível é de 0,15 a 0,40 kg de vapor por kg de óleo combustível. A figura 71 ilustra um maçarico de atomização a vapor. O maçarico recebe o óleo sob baixa pressão e, por meio de um jato de vapor, fraciona o óleo em diminutas partículas. O óleo combustível e o vapor são conjuntamente descarregados na fornalha. Não é adequado para emprego naval, pois aumenta o consumo de combustível, em relação aos de atomização mecânica.

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Figura 71 - Maçarico de atomização a vapor.

2.10 Funcionamento do aquecedor de óleo combustível O óleo diesel e o pesado podem ser utilizados para a combustão na fornalha de caldeiras marítimas. O óleo diesel possui maior poder de calor calorífico que o óleo pesado e não deixa resíduos nas redes do sistema. O óleo pesado possui poder calorífico ligeiramente inferior e deixa resíduos nas redes do sistema, porém, por ser mais barato que o óleo diesel, é frequentemente utilizado nos navios. Quando o navio possui os dois sistemas, o óleo diesel geralmente é utilizado para o acendimento da caldeira e limpeza de redes. Estando a caldeira acesa, e o vapor comunicado, é feita a cambagem para o óleo pesado. Em procedimento normal, antes da caldeira ser apagada, o sistema é novamente cambado para óleo diesel para a limpeza das redes. Os aquecedores de óleo pesado podem trabalhar com vapor auxiliar ou resistência elétrica de aquecimento, já bastante utilizadas em diversos navios mercantes. Quando utilizando óleo pesado para a combustão da caldeira, o mesmo deve ser aquecido por um ou mais aquecedores, para manter a viscosidade (garantir o escoamento fluido) do referido óleo nos valores necessários à pulverização no queimador. A figura 72 ilustra um esquema típico de um aquecedor de óleo combustível pesado a vapor ou óleo térmico.

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Figura 72 - Aquecedor a vapor ou óleo térmico para o óleo pesado.

Neste tipo de aquecedor, o viscosímetro recebe a informação da viscosidade do óleo combustível pesado, na saída do aquecedor. Esta informação é convertida em sinal padronizado de automação de 4 a 20 mA ou 0 a 10 V, sendo enviada para a entrada (E) do controlador da temperatura do óleo na saída do aquecedor. O controlador envia o sinal de saída (S) para uma válvula moduladora de fluxo de vapor ou óleo térmico, a qual aumenta ou diminui o fluxo de vapor ou óleo térmico para o aquecedor, mantendo a temperatura e, consequentemente, a viscosidade do óleo combustível, dentro da faixa recomendada para a atomização no maçarico do queimador. Quando o aquecedor é elétrico, resistências elétricas situadas no interior do aquecedor transmitem o calor ao óleo combustível por efeito Joule, mantendo a temperatura do óleo combustível e, consequentemente, a viscosidade na faixa recomendada para a atomização no maçarico do queimador.

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2.11 Sistema de óleo combustível de caldeira No item 2.8, descrevemos um sistema típico de combustível para caldeiras marítimas de alta pressão, empregadas na propulsão do navio por turbinas a vapor. Neste item, descreveremos um sistema típico de combustível utilizado nas caldeiras auxiliares de navios a motor, conforme ilustrado na figura 73. O acendimento inicial é feito com óleo diesel proveniente do tanque de óleo diesel (2), onde abrem-se as válvulas de saída e retorno do tanque, que por gravidade passa pelo filtro duplo (12), entra na aspiração da bomba de engrenagem (18) pela conexão de engate rápido (13), atingindo o queimador (15) que está com o ventilador acionado, forçando o ar para a fornalha da

caldeira

auxiliar (23). Na bomba (18) de óleo do queimador, existe um manômetro (17) que indica a pressão do óleo no queimador. Da bomba de óleo do queimador (18), o óleo diesel vai ao maçarico (16) sob pressão (atomização mecânica), sendo pulverizado na fornalha da caldeira. A combustão inicial é feita pelo eletrodo de ignição,sendo o mesmo desligado quando a combustão tiver se estabelecido na fornalha. O óleo diesel não pulverizado retorna ao tanque (2) pela linha de engate rápido (14) do queimador (15) e linha de retorno de combustível. Estando a caldeira acesa,quando a produção do vapor for suficiente para aquecer os tanques de serviço de óleo pesado (1), através de serpentinas colocadas no seu interior, camba-se de óleo diesel para óleo pesado, manobrando as válvulas na saída dos tanques, ou seja, fechando-se a saída e retorno de óleo diesel e abrindo-se a saída e o retorno de óleo pesado. O aquecimento do óleo pesado, em muitos navios, é feito por aquecedores externos, em vez de serpentinas no interior dos tanques de serviço.

79

Figura 73 - Sistema típico de combustível de navio de propulsão a motor.

O óleo pesado desce por gravidade, passa pelo filtro quente centrífugo (3), até o corpo da bomba de recalque (5). A bomba de recalque é dotada de um manovacuômetro (4) na sucção, e um manômetro na descarga (6), que possibilitam a leitura local das pressões na entrada e na saída da bomba. A bomba de recalque (7) descarrega o óleo pesado, passando pelo termostato (7) de controle de temperatura, pressóstato (10), manômetro (11), separador de gases e ar (8), filtro duplo (12), tubulação de admissão de engate rápido (13), bomba de engrenagem (18), pré-aquecedor elétrico (19) e maçarico (16), sendo pulverizado na fornalha da caldeira para a devida mistura com o ar forçado pelo ventilador do queimador, ocorrendo a combustão na fornalha da caldeira. O óleo pesado não queimado retorna pela linha de engate rápido (14) do queimador (15), pelo separador de gases e ar (8), válvula de contrapressão(9), até a entrada do tanque (1) de óleo pesado. A válvula de contrapressão (9) tem por objetivo manter uma pressão adequada no sistema, podendo ser acionada manual ou pneumaticamente, por 80

meio de ar de controle. O painel de controle (24) coleta as informações de pressão, temperatura e vazão de vapor, e do nível da água da caldeira. Estas informações são processadas eletronicamente, e ajustam a razão arcombustível da caldeira, propiciando a combustão para a devida produção de vapor. Antes da parada da caldeira, camba-se de óleo pesado para óleo diesel, para a limpeza das redes do queimador. 2.12 Funcionamento dos sopradores de fuligem utilizados em caldeiras marítimas Os sopradores de fuligem são utilizados em caldeiras aquatubulares para eliminar resíduos externos de incrustrações e crostas que aderem na superfície externa dos tubos da caldeira expostos aos gases da combustão. Os depósitos de fuligem sobre os tubos agem como isoladores térmicos,prejudicando seriamente a produção de vapor, por aumentar excessivamente o consumo de combustível com risco de explosão na fornalha. O soprador de fuligem (aparelho de ramonagem) consta essencialmente de um tubo (lança) com pequenos expansores distribuídos pelo mesmo, de tal forma que quando o vapor auxiliar for admitido neste tubo, os expansores emitam jatos de vapor de alta velocidade, em uma direção tal que removam a fuligem acumulada nos tubos devido aos gases da combustão. Se a velocidade do ventilador de tiragem forçada for aumentada enquanto estiver sendo efetuada a ramonagem, a fuligem desagregada será expelida da caldeira através da chaminé. As caldeiras possuem diversos aparelhos de ramonagem que, quando em utilização na ordem prescrita, a limpeza se fará progressivamente dos tubos da caldeira para as partes mais externas, em direção à chaminé. Os aparelhos de ramonagem possuem dispositivos mecânicos de acionamento e podem girar de 3600, sendo a admissão e o corte de vapor controlados de tal forma que eles expelem vapor pelos expansores, apenas durante uma parte da sua rotação. Os expansores são de tal modo colocados que o vapor descarregado de qualquer um deles não incidirá diretamente sobre um tubo adjacente da caldeira, evitando a erosão do metal do tubo, devido à alta velocidade do jato de vapor. Os aparelhos de 81

ramonagem podem ser dos seguintes tipos: fixos com movimento de rotação e retráteis, com rotação e deslocamento longitudinal. A figura 74, ilustra um aparelho de ramonagem típico.

Figura 74 - Tipos de sopradores de fuligem (aparelhos de ramonagem).

Os sopradores de fuligem estacionários e rotativos são montados nas zonas de convecção e em outras zonas de troca de calor com menor temperatura, sendo acionados por motores pneumáticos ou manualmente pelo operador, através de rodas dentadas acionadas a correntes. Os sopradores de fuligem retráteis são montados nas zonas de alta temperatura, ou seja, na região dos superaquecedores e tubos de geração do vapor. O acionamento da lança é motorizado. Toda

operação

de

ramonagem

deve

atender

a

uma

programação

sequenciada, aumentando primeiramente a velocidade dos gases no interior da fornalha (aumento da rotação do ventilador de tiragem forçada), com a finalidade de remover mais facilmente a fuligem. A caldeira deverá estar operando com carga elevada, para evitar qualquer distúrbio no percurso dos gases, como falha de chama ou ignição de mistura rica nos gases em qualquer ponto no interior da fornalha.

82

2.13 Funcionamento dos sistemas de controle de emissão de gases de combustão empregados em caldeiras 2.13.1 Principais componentes gasosos emitidos na combustão das caldeiras Os gases emitidos na chaminé das caldeiras são o resultado da combustão do ar com o combustível que adentra a fornalha. Esta mistura gasosa, comumente denominada gases da combustão, é composta de CO 2, CO, H2, O2, NOx,SO2 e cinzas(carbono não queimado oriundo do combustível).A formação de NO x ocorre devido à combustão de gás natural e outros combustíveis gasosos que contêm nitrogênio e oxigênio em sua composição química, expressa pelas seguintes equações: O + N2 → NO + N N + O2 → NO + O N2 + O2 → 2NO A formação de SO2, CO2, CO, e H2O é originária da combustão do enxofre, carbono, e hidrogênio contido nos combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos, com o oxigênio do ar insuflado pelo ventilador de tiragem forçada, de acordo com as seguintes equações: S+O2 → SO2 C+O2 → CO2 C+ O2 → CO CO+ O2 → CO2 2H2+O2 → 2H2O A formação de NOx é principalmente afetada pela alta temperatura da chama e pela concentração de oxigênio, conforme ilustrado na figura 75.

83

Figura 75 - Concentração de NOX em função da temperatura da chama. Fonte: Webster, Technology for NOx emissions in Boilers Applications, 2001.

O monóxido de carbono (CO) é um gás inodoro e sem cor, formado na combustão incompleta de qualquer combustível contendo carbono. Altamente tóxico, ocorre principalmente da alta temperatura dos gases, da deficiência de ar na combustão, e do desprendimento de resíduos da câmara de combustão (fornalha). Os

óxidos

de

nitrogênio

NOx

(NO

e

NO2),

em

quantidades

excessivas,originam a formação de acido nítrico (HNO3) e consequente formação de chuva ácida e a destruição da camada de ozônio.Podem ser formados através do nitrogênio do combustível (pouco significativo), e do nitrogênio do ar. Os óxidos de enxofre SO2, na presença de pentóxido de vanádio (catalisador) são convertidos em SO3. Este SO3 em presença de água (vapor), forma acido sulfúrico (zona fria). O SO3 em presença de sulfatos alcalinos, formam escorias (zona quente). O

combustível

para as caldeiras deve, então, possuir

baixo teor de enxofre. Quando existe baixo excesso de ar na combustão, a temperatura dos gases fica acima do ponto de orvalho. 2.13.2 Normas reguladoras de emissões de gases de combustão das caldeiras As emissões gasosas originárias da combustão na fornalha das caldeiras precisam estar em concentrações gasosas que estejam dentro das normas ambientais existentes, como por exemplo, a NAAQS (National Ambient Air Quality Standards), criada para a proteção do meio ambiente (Boiler emissions, Division of Aqua-Chem, Inc, 2010), contra a poluição originada dos diversos 84

poluentes existentes no ar, como o CO, NO 2, SO2, e diversas partículas com diâmetro menor que 10 mícrons(PM10). No Brasil, a Resolução nº 8 do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) fixa, como limite máximo de partículas totais, 350 gramas por milhão de quilocalorias (para óleo combustível) e 1500 gramas por milhão de quilocalorias (para carvão mineral). O CONAMA fixa para o SO2, o valor máximo de 5000 gramas por milhão de quilocalorias. A Secretaria Estadual de Meio Ambiente (RJ) fixa limites para os casos de queima incompleta (Monóxido de Carbono - CO) em 9 ppm de concentração média em intervalo de 8 horas. A Resolução do CONAMA Nº 8, de 06/12/90, estabelece limites máximos para emissão de poluentes no ar. É importante lembrar que as legislações estaduais e municipais podem ser mais restritivas, porém, nunca mais brandas que a federal. O Banco Mundial estabelece seus próprios padrões a serem respeitados para fins de obtenção de financiamento. 2.13.3 Controle das emissões gasosas expelidas pelas caldeiras O controle e a otimização da combustão são fatores importantes na economia de combustíveis e preservação do meio ambiente. Quanto melhor for a eficiência da combustão, menos poluição ambiental é obtida pelas emissões gasosas de CO, CO2, NO2, NO e NO2. A otimização da combustão é obtida,observando-se o uso do queimador adequado, a nebulização perfeita, porcentagem correta de ar, manutenção periódica no equipamento, análise contínua dos gases, e outras. Para otimizar o processo de combustão, podem-se utilizar os seguintes meios: a) pré-aquecimento do ar de combustão; b) pré-aquecimento do combustível; c) controle de tiragem; e d) análise e controle da combustão por instrumentos.

85

As caldeiras modernas possuem um analisador eletrônico de gases, denominado aparelho de Orsat, o qual fornece os teores expelidos das emissões gasosas. Para uma caldeira que queima óleo pesado, a análise deste aparelho indica que se o teor de CO 2 não estiver nos padrões exigidos, haverá necessidade de se diminuir a quantidade de óleo injetado no maçarico, ou aumentar a velocidade de tiragem,para que se chegue ao valor correto da concentração desta emissão.Se o teor de O2 for maior do que 1 % ou 2 %,a temperatura dos gases da queima é alta, havendo necessidade de se reduzir a tiragem.Quanto ao teor de CO+H 2, ele só existirá numa combustão incompleta, com muita fuligem(fumaça negra na chaminé) e grande desperdício de combustível. O sistema de controle de combustão das caldeiras é bastante complexo, sendo projetado para adequar a combustão na fornalha, as condições exigidas de consumo e pressão de vapor, mantendo a relação ar-combustível e as concentrações das emissões gasosas em valores adequados para a obtenção da melhor eficiência, mantendo as condições de operação e segurança da caldeira. A figura 76 ilustra um controle típico de combustão para caldeiras com grandes variações no consumo de vapor. O sistema responde adequadamente, às variações das velocidades de resposta da válvula reguladora de combustível e do damper de ar.

Figura 76 - Controle da combustão e emissão gasosa. Fonte: Combustion control, Honeywell, 2010.

86

O sistema previne o alto consumo de combustível, e mantém as concentrações das emissões gasosas em valores aceitáveis, evitando a poluição do ar atmosférico. Com o sistema estabilizado, os sinais para os seletores de velocidade alto e baixo devido à demanda dos fluxos de vapor, óleo combustível e ar são iguais e não há atuação do controle nos transmissores de fluxo (FT) e nos controladores (PID) do damper de ar e da válvula reguladora de combustível, mantendo uma relação ar-combustível adequada para a operação da caldeira. Quando a demanda de vapor aumenta, o seletor de velocidade alta passa o sinal da demanda de vapor para o controlador (PID) que atua no damper de ar, aumentando o fluxo de ar aspirado pelo ventilador de tiragem forçada. Após o aumento do fluxo de ar, o sinal do seletor de velocidade alta atua no controlador da válvula reguladora de combustível ,adequando-a para um fluxo de combustível necessário à nova demanda de vapor, mantendo a razão ar-combustível adequada às novas condições de carga, com a concentração das emissões gasosas em valores permitidos para evitar a poluição do ar atmosférico. Quando a demanda de vapor diminui, o seletor de velocidade baixa passa o sinal da demanda de vapor para o controlador (PID) que atua na válvula reguladora diminuindo o fluxo de combustível. Após a diminuição do fluxo de combustível,o seletor de velocidade baixa atua no controlador do damper de ar do ventilador de tiragem forçada, adequando-o para um fluxo de ar necessário à nova demanda de vapor, mantendo a razão ar-combustível adequada às novas condições de carga,com a concentração das emissões gasosas em valores permitidos para evitar a poluição do ar atmosférico. O sinal dos transmissores de fluxo (FT) são linearizados pelos extratores de raiz quadrada (SQRT) e devolvidos às malhas 1 e 2, para a estabilização da nova situação. A atuação do controle é melhorada pela introdução do sensor de O2 dos gases de combustão, conforme ilustrado na figura 77. O sistema trabalha com um analisador de oxigênio instalado na saída dos gases da combustão, transmitindo estes dados para o controlador (CT O 2), que ajusta a razão ar-combustível, até atingir o setpoint necessário, atuando nos controles de ar e combustível, para uma determinada vazão de vapor, que determina a passagem da referida demanda de vapor para os controladores de ar e 87

combustível, de maneira similar ao controle anterior, melhorando sensivelmente a combustão na fornalha, mantendo as emissões de NO X, CO2, SO2, e CO nos valores permitidos, para evitar a poluição ambiental.

Figura 77 - Melhoramento do controle da combustão com o sensor de O 2. Fonte: Combustion control, Honeywell, 2010.

2.14 Tubulão de vapor O tubulão de vapor de uma caldeira fica localizado na extremidade superior do sistema de circulação de água da caldeira, onde o vapor produzido é separado da água e descarregado em uma posição acima do nível normal da água. Neste tubulão, a água se encontra em estado de equilíbrio com o vapor saturado na pressão de saturação do sistema bifásico. Conforme é aumentada a pressão de trabalho da caldeira, são aumentadas as exigências para a qualidade do vapor gerado. As contaminações por água ou sólidos arrastados ou dissolvidos não podem ocorrer; assim, tornam-se necessários acessórios internos ao tubulão que permitam a separação da água existente no vapor, para que o mesmo saia do 88

tubulão com a menor taxa de umidade possível (alto título de vapor na mistura bifásica). Para tal finalidade, na área naval, estes acessórios podem ser classificados em: a) mecanismos primários de separação, baseados na ação da gravidade, mudança brusca de direção, ou forças centrífugas. Este mecanismo de separação da água do vapor ocorre devido à diferença de densidade da água e do vapor, podendo ser utilizados, para tal finalidade, chicanas, placas separadoras, labirintos ou hidrociclones; e b) scrubers, que são um conjunto de placas corrugadas ou grelhas lado a lado,que empregam a separação por um meio similar à filtragem. A eficiência da separação é função da velocidade do vapor, da sinuosidade das passagens, e do tempo de contato com as placas. É frequentemente utilizado em caldeiras de alta pressão. A figura 78 ilustra o tubulão de vapor e os acessórios básicos de separação de vapor.

Figura 78 - Separadores de vapor do tubulão de vapor.

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As chapas orientadoras revestem a parte inferior do tubulão de vapor a uma determinada altura acima das extremidades da tubulação e na sua parte superior é ligada ao tubulão, formando uma junta estanque. O vapor procedente do feixe tubular é então orientado para os separadores ciclones. Entrando nos separadores ciclones, a mistura de vapor e água é submetida a um intenso movimento de rotação, que ocasiona uma força centrífuga de valor elevado. Em virtude da grande massa de água existente no vapor, ela é expelida para a periferia do separador, retornando ao tubulão, enquanto o vapor, sendo mais leve, se mantém aproximadamente no centro. Do separador ciclone o vapor, ainda com pouca umidade, passa através das placas corrugadas (scrubers), que o obrigam a mudar constantemente de direção, fazendo com que o mesmo perca mais água, saindo para o tubo secador praticamente seco, e daí para as válvulas de comunicação de vapor. O tubo de alimentação é ligado ao sistema de água de alimentação, por onde a caldeira é suprida de água. enquanto que o tubo de extração de superfície permite a extração contínua de impurezas e sólidos dissolvidos no tubulão de vapor, permitindo a extração contínua dos mesmos.Este tubo é ligado a uma válvula denominada válvula de extração de superfície. O tubulão ainda possui chapas verticais no seu interior, dispostas perpendicularmente aos mesmos, denominadas

anteparas, cuja finalidade é

evitar que a água se desloque de uma à outra extremidade no tubulão de vapor, quando o navio joga. 2.15 Sistema de distribuição de vapor empregado em um navio petroleiro e seu esquema O sistema de distribuição de vapor de um navio petroleiro tem por finalidade disponibilizar o vapor para os seus diversos utilizadores, como cozinha, calefação, aquecimentos de tanques de óleo combustível pesado, aparelhos de convés e outros. A figura 79 ilustra um esquema típico deste sistema, para navios petroleiros de propulsão a motor, sem economizador.

90

Figura 79 - Diagrama de distribuição de vapor de navio petroleiro de propulsão a vapor.

O vapor é gerado tanto pela caldeira auxiliar quanto pela caldeira de recuperação de gases de descarga dos MCPS. A caldeira auxiliar geralmente é utilizada em manobra de porto, podendo ser em número de uma ou duas caldeiras, dependendo da instalação. A caldeira de recuperação de gases de descarga do MCP é utilizada no regime de viagem. Para a operação de uma ou outra caldeira, os cuidados e procedimentos de segurança, segundo o manual dos fabricantes, e a rotina de condução estabelecida para o quarto de máquinas devem ser obedecidos rigorosamente. A figura 80 ilustra os consumidores típicos de vapor de um navio petroleiro que opera segundo o esquema da figura 79.

91

Figura 80 - Consumidores típicos de um navio petroleiro de propulsão a motor.

O vapor gerado pelas caldeiras (service steam), passa no piano de válvulas indo para o aquecimento dos tanques de sedimentação (FO settling tank) e serviço do óleo pesado (FO service tank), purificador de óleo lubrifcante (LO separator heater), purificadores de óleo pesado para a queima da caldeira (FO separator heater), tanques laterais de boreste e bombordo de óleo pesado (side FO tank portside and side FO tank starboard), tanques principais de boreste e bombordo de óleo combustível (FO tank portside and FO tank starboard), tanque profundo de óleo pesado (deep FO tank), tanque de borras (sludge tank), preaqueimento dos cilindros do MCP (ME cil preheater), para suprimento dos aquecedores de óleo pesado do MCP (ME FO supply module steam heater), tanques de óleo lubrificante do MCP (ME LO tank), tanque de limpeza de produtos químicos (Chem clean tank), tanque de transbordo de óleo pesado (FO overflow tank), tanque de recolhimento de drenos de óleo pesado (FO drain tank), tanque de água de esgoto da praça de máquinas (bilge water tank), tanque de restos (waste oil), aquecimento de água salgada (emerg sea chest), e tanque hidróforo (hidrofore tank).

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Os navios petroleiros também podem utilizar turbos geradores, turbos bombas de carga, e turbos bombas de lastro, utilizando duas caldeiras auxiliares e uma caldeira de recuperação de gases de descarga, denominada economizador. A figura 81 ilustra o sistema de uma forma simplificada.

Figura 81 - Distribuição de vapor nos navios petroleiros com o economizador.

Considerando-se o funcionamento inicial do sistema, a bomba d’água de alimentação auxiliar aspira do tanque de drenos e descarrega para as caldeiras. Geralmente, uma caldeira auxiliar é selecionada para entrar em operação. Após o acendimento da caldeira,é então realizada a cambagem das bombas, passando a caldeira a operar com as bombas dágua de alimentação principal. A água que sai destas bombas passa agora pelo aquecedor de água de alimentação, e daí para a caldeira auxiliar. Se o navio estiver atracado ou fundeado, a caldeira auxiliar distribui o vapor para o navio. Com o navio em viagem, o economizador entrará em operação, aproveitando o calor fornecido pelos gases de descarga do MCP.

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O economizador se divide basicamente em três partes: a) seção de preaquecimento; b) seção de evaporação; e c) seção de superaquecimento. A alimentação de água para o economizador é feita pelas bombas de circulação de água das caldeiras auxiliares, que aspiram a água do tubulão inferior da caldeira e a envia para a seção de preaquecimento do economizador, passando pela seção de evaporação, e daí para a caldeira auxiliar. À medida que aumenta a taxa de vaporização do vapor produzido no economizador, a razão de queima da caldeira auxiliar é diminuída até que a mesma possa ser apagada pelo seu painel de controle no modo automático ou manual. Observe que o vapor produzido no evaporador do economizador retorna ao tubulão de vapor da caldeira auxiliar, utilizando o mesmo piano de válvulas da caldeira auxiliar para a distribuição do vapor. O vapor produzido tomará dois caminhos: um, com a pressão de 17 bar, irá acionar as bombas de carga (1, 2, 3,4). Nesta mesma rede, existe uma válvula redutora de 17 bar para 13 bar, que irá acionar a bomba de sobras (restos), máquinas de convés, aquecimento do BUTTERWORTH (lavagem de tanques), e do tanque de slop (tanque sujo). A descarga do vapor que acionar máquinas auxiliares descarrega para o condensador atmosférico, e deste, já na forma de condensado, para o tanque de dreno atmosférico. O vapor que faz o aquecimento dos tanques condensa e passa pelo tanque de inspeção, onde se observa a contaminação deste condensado, provocada por alguma avaria nas serpentinas destes tanques. A outra ramificação é reduzida para a pressão de 7bar, indo uma parte para o aquecimento dos tanques de óleo combustível pesado e óleo lubrificante. A outra ramificação deste vapor passa pela seção de superaquecimento do economizador, onde os gases de descarga do MCP cedem o calor necessário para o superaquecimento do vapor. O vapor superaquecido aciona o turbo gerador, e é descarregado para o condensador a vácuo. Parte deste vapor, antes de entrar no turbo gerador, se bifurca e vai ao grupo ejeto, provocando uma rarefação que, devido a estar ligado ao condensador a vácuo, retira todo o ar do mesmo,descarregando no condensador do grupo ejeto. As bombas de extração de condensado aspiram o condensado do 94

condensador a vácuo e descarregam pelo condensador do grupo ejeto, fazendo a condensação do vapor que passou pelo grupo ejeto. Todas as drenagens de condensado vão para o tanque de drenos e inspeção, e assim, o mesmo está com uma temperatura na faixa recomendada para a água de alimentação da caldeira. Nestas condições, quem aspira a água deste tanque é uma das bombas principais de água de alimentação, que a envia para as caldeiras auxiliares, passando ou não pelo aquecedor de água de alimentação, dependendo da sua temperatura, e o ciclo se repete. O tanque de produtos químicos serve para o tratamento da água de alimentação, evitando a corrosão dos tubos das caldeiras. 2.16 Instrumentos indicadores e sensores de pressão Para medir e transmitir a pressão do vapor na caldeira são necessários instrumentos adequados para esta finalidade. A medição local da pressão do vapor é geralmente fornecida por manômetros instalados em locais adequados na linha de vapor ou tubulão superior, quando a caldeira é do tipo aquatubular. 2.16.1 Manômetros usuais para medição da pressão de vapor das caldeiras Os manômetros frequentemente utilizados para a medição da pressão de vapor podem ser dos tipos: tubo de Bourdon, fole e membrana. No manômetro do tipo Bourdon, a pressão exercida deforma um elemento elástico (tubo de Bourdon), que transmite esta informação para um mecanismo de leitura através de um ponteiro indicativo do valor da pressão. Nos manômetros de fole e de diafragma,um fole elástico ou um diafragma recebe a informação da pressão e transmite a informação para um ponteiro indicativo do valor da pressão. As figuras 82 a 84 ilustram o funcionamento dos três tipos de manômetros.

Figura 82 - Manômetro de Bourdon.

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Figura 83 - Manômetro tipo fole.

Figura 84 - Manômetro de diafragma.

Nas caldeiras, o manômetro mais empregado é o do tipo Bourdon. É imprescindível o uso de manômetros nas caldeiras, os quais devem ser ligados diretamente ao espaço ocupado pelo vapor. Devem ser graduados nas unidades apropriadas com aproximadamente duas vezes a pressão de trabalho e, em nenhum caso, inferior a 1,5 vezes. Cada caldeira deverá dispor de uma ligação para um manômetro aferidor. A NR-13 não permite a operação sem instrumento que indique a pressão de operação. A figura 85 ilustra um manômetro para 10 bar de pressão de trabalho, com a caldeira parada em teste hidrostático na pressão de 15 bar.

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Figura 85 - Manômetro do tipo Bourdon indicando a pressão de teste hidrostático da caldeira. Fonte: Arquivo do autor, aulas EFOMM, 2010.

Os manômetros para a leitura de pressão do vapor da caldeira possuem os seguintes acessórios: a) sifões, que são utilizados, além de selo, para "isolar" o calor das linhas de vapor d'água ou líquidos muito quentes, cuja temperatura supera o limite previsto para o instrumento de pressão. O líquido que fica retido na curva do tubo-sifão esfria e é essa porção de líquido que irá ter contato com o sensor elástico do instrumento, não permitindo que a alta temperatura do processo atinja diretamente o mesmo; e b) amortecedores de pulsação, que têm por finalidade restringir a passagem do fluido do processo até um ponto ideal em que a freqüência de pulsação se torne nula ou quase nula. Esse acessório é instalado em conjunto com o manômetro com objetivo de estabilizar ou diminuir as oscilações do ponteiro em função do sinal pulsante. Esta estabilização do ponteiro possibilita a leitura da pressão e também aumenta a vida útil do instrumento.

Figura 86 - Acessórios do manômetro.

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2.16.2 Sensores de pressão Os sensores de pressão são transdutores eletrônicos ou pneumáticos que enviam o sinal da pressão a um controlador de processo ou somente indicação de leitura nos displays. Nas caldeiras, estes sensores informam as pressões do vapor, água, óleo, e do ar de combustão. Estes sensores nos navios modernos podem ser dos tipo piezelétrico, capacitivo, e de strain-gauge. As figuras 87 a 89 ilustram estes sensores. Os transdutores de pressão piezelétricos, utilizam como princípio de funcionamento o efeito piezelétrico que é observado em vários cristais (como o Quartzo – Óxido de Silício – SiO2). Esse efeito tem a seguinte característica: quando o cristal é submetido a uma deformação causada pela ação de uma força (ou pressão) o mesmo gera cargas eletrostáticas opostas (cargas elétricas positivas e negativas) as quais produzem um campo elétrico que, por sua vez, produzem uma diferença de potencial (d.d.p.) proporcional à deformação produzida. Porém, quando uma d.d.p. ou carga eletrostática for aplicada ao cristal, observa-se o efeito inverso, ou seja, observa-se uma deformação mecânica no cristal.

Figura 87 - Funcionamento do medidor de pressão piezelétrico.

O transdutor de pressão por capacitância é formado pelos seguintes componentes: a) armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido (diafragma isolador); b) dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou material similar); c) armadura móvel (diafragma sensor); e d) superfície metalizada. 98

Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) pressão produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, alterando, assim, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixa e móvel. Esta alteração é medida por um circuito eletrônico que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva.

Figura 88 - Componentes típicos do medidor de pressão capacitivo.

Os medidores do tipo strain-gauge utilizam a variação de resistência elétrica em função da variação do comprimento ou da área da secção transversal do condutor elétrico para indicar a pressão. São também denominados células extensométricas, pois o elemento de detecção de pressão é construído de tal forma que quando for submetido a uma pressão, sofrerá um estiramento o qual produzirá uma variação de resistência diretamente proporcional à pressão aplicada. Quando a célula extensométrica é submetida a um estiramento por pressão (força ou aceleração), ocorre uma mudança no valor de sua resistência elétrica proporcional ao estiramento sofrido, pois comprimento e área de seção transversal do condutor serão alterados. A indicação de pressão por células extensométricas é realizada através de circuitos em ponte de Wheatstone conforme mostra a figura a seguir. Na situação de equilíbrio, ou seja, sem ação da pressão, todas as quatro resistências possuem valor idêntico e, então, a corrente através do amperímetro é nula. Por outro lado, quando a célula extensométrica é submetida à ação da pressão, então a mesma sofre uma variação de resistência que provoca o surgimento de corrente elétrica através do amperímetro diretamente proporcional à pressão aplicada. 99

Figura 89 - Transdutores de pressão do tipo strain-gauge.

Conforme foi lecionado neste item, os transdutores de pressão podem ser de vários tipos. Cada um tem sua aplicação recomendada. A evolução tecnológica permitiu o desenvolvimento de medidores de pressão mais eficientes e com recursos técnicos interessantes. Podem ter elemento de detecção do tipo elástico, piezorresistivo (strain-gauge), piezelétrico ou capacitivo, podendo ser analógicos ou digitais e, ainda, possuir contato elétrico. Podem medir pressões absolutas, relativas, diferenciais etecétera. A figura 90 ilustra alguns transdutores usuais. As amplitudes dos sinais gerados pelos transdutores são bastante reduzidas e, por essa razão, são amplificados e adaptados às faixas padrões de transmissão elétrica (por exemplo: 4 a 20 mA ou 0 a 10 V) para poderem finalmente ser utilizados na indicação de pressão.

100

Figura 90 - Modelos de manômetros especiais. Fonte: Arquivos do autor, aulas EFOMM, 2010.

2.17 Funcionamento dos dispositivos de segurança e dos dispositivos auxiliares das caldeiras Os dispositivos de segurança de uma caldeira têm por finalidade evitar danos no equipamento por mau funcionamento. Os principais dispositivos de segurança citados neste trabalho são a válvula de segurança do tubulão de vapor, as válvulas de alívio de pressão das tubulações, válvulas contra explosão da fornalha, e os dispositivos de intertravamento da caldeira. A válvula de segurança é um dispositivo capaz de descarregar todo o vapor gerado pela caldeira para a atmosfera, sem que a pressão interna da caldeira ultrapasse a P.M.T.A. (Pressão Máxima de Trabalho Admissível), com a válvula totalmente aberta. As válvulas de alívio têm por finalidade a proteção pessoal e a proteção de linhas e equipamentos. É uma válvula de auto-operação, usando a energia do próprio fluido para a sua operação de abertura ou fechamento. A figura 91 ilustra uma válvula de segurança típica de uma caldeira aquatubular.

101

Figura 91 - Válvula de segurança da caldeira aquatubular.

As válvulas contra explosão são dispositivos que aliviam a pressão dos gases de descarga dentro da fornalha, caso alguma anormalidade excessiva ocorra durante a combustão na fornalha, e ponha em risco o invólucro da caldeira.

Figura 92 - Válvula contra explosão. Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

O Intertravamento é constituído de dispositivos destinados a proteger a caldeira e o sistema em caso de alguma anormalidade. Atuam normalmente apagando a caldeira. Utilizam elementos sensores (pressostatos, termostatos, fotocélulas, etc...) e relés. O elemento final de proteção são as válvulas de combustível e o queimador. 102

As válvulas operadas por intertravamento são mantidas abertas ou fechadas quando determinadas condições de operação são satisfeitas. Os sistemas de proteção contra falhas de chama compostos por fotorresistores ou fotocélulas, são aplicáveis em caldeira que queimam líquidos, gases ou sólidos pulverizados, e devem ser mantidos sob supervisão contínua, para evitar o procedimento incorreto de partida e a falta de chama por qualquer motivo. São dispositivos sensibilizados pela luz da chama emitida pela combustão, fechando automaticamente a válvula de combustível para o queimador, em caso de falha de chama na combustão.

Figura 93 - Detector de chama.

Os dispositivos auxiliares mais importantes na caldeira são: a) pressóstato de vapor, que tem por finalidade o controle da pressão da caldeira, de modo a impedir que ela ultrapasse um certo valor preestabelecido; b) programador de combustão em caldeiras automatizadas, que tem por finalidade promover um ciclo com a sequência de acendimento: - acionamento do ventilador; - purga da fornalha; - acionamento dos eletrodos do queimador; - abertura da válvula de combustível; - desligamento dos eletrodos do queimador; - término da seqüência do acendimento, ficando disponível para novo ciclo; e - modulação de fogo baixo para fogo alto. c) os ventiladores de tiragem forçada, que são equipamentos necessários para a purga de gases da fornalha e o insuflamento de ar para combustão; d) quadro de comando, onde estão os dispositivos que permitem todas as operações necessárias ao seu funcionamento; e) instrumentos de medição e controle da pressão do vapor dágua de alimentação, e combustível; 103

f) instrumentos de medição e controle da vazão de vapor, combustível e água de alimentação; g) instrumentos de medição e controle do nível da água de alimentação; h) visor de chama, que permite a visualização da coloração da chama da caldeira; e i) periscópio de fumaça, que permite a observação da cor dos gases na chaminé da caldeira. 2.18 Características das válvulas e acessórios das tubulações de vapor 2.18.1 Características das válvulas Numa caldeira encontram-se os mais diversos tipos de válvulas e tubulações, cujas especificações vão depender das classes de pressão e temperatura, e do fluido empregado. Por definição, uma válvula é um acessório destinado a bloquear, restabelecer, controlar ou interromper o fluxo de uma tubulação. As válvulas de hoje podem, além de controlar o fluxo, controlar o nível, o volume, a pressão, a temperatura e a direção dos líquidos e gases nas tubulações. Essas válvulas, por meio de controle automático, podem ligar e desligar, regular, modular ou isolar. Seu diâmetro pode variar de menos de uma polegada até maiores que 72 polegadas. Podem ser fabricadas em linhas de produção, em bronze fundido, muito simples e disponível em qualquer loja de ferramentas ou até ser o produto de um projeto de precisão, com um sistema de controle altamente sofisticado, fabricada de uma liga exótica de metal para serviços especializados. As válvulas podem controlar fluidos de todos os tipos, do gás mais fino a produtos químicos altamente corrosivos, vapores superaquecidos, abrasivos, gases tóxicos e materiais radioativos. Podem suportar temperaturas criogênicas à de moldagem de metais, e pressões desde altos vácuos até pressões altíssimas. As principais válvulas numa caldeira são as válvulas de: - comunicação principal de saída de vapor; - equalização de pressão de vapor (equalizadora); - proteção do superaquecedor (caldeira de alta pressão); - alimentação de água; - retenção e de alívio; - descarga (drenagem de redes e equipamentos); 104

- serviço; - vapor para os consumidores; - respiro (extração de ar do tubulão de vapor); - injeção de produtos químicos; - descarga contínua (remoção de impurezas e sólidos dissolvidos na superfície da água do tubulão de vapor); e - extração de fundo (remoção de incrustrações sólidas depositadas nas partes nas partes mais quentes da caldeira, ou seja, no interior dos tubos mais próximos da fornalha das caldeiras aquatubulares). Estas válvulas podem ser divididas em: Válvulas de bloqueio, que estabelecem ou interrompem o fluxo dos líquidos ou do vapor, como por exemplo, a válvula de comunicação principal e equalizadora de vapor, que isolam ou permitem a passagem do vapor para os consumidores, e as válvulas de retenção, que só permitem a passagem do fluido em um só sentido de fluxo.

Figura 94 - Válvulas de bloqueio.

Válvulas de controle, com acionamento pneumático ou motorizado, com comando da sala de controle, com as seguintes finalidades: - controle da água de alimentação; - controle da temperatura do vapor; - controle da vazão de combustível; - controle do vapor de atomização (vapor para os massaricos); e - controle de ar pra combustão (dampers). 105

2.18.2 Características das tubulações Tubo é definido um conduto fechado, oco, geralmente circular destinado ao transporte de fluidos. A tubulação é um conjunto de tubos, conexões, válvulas e acessórios formando uma linha para a condução de fluidos. As linhas de tubulação devem ser: a) de materiais e diâmetros diferentes; conforme material transportado (inox para produtos químicos); b) isoladas para evitar perda de calor (vapor, água de alimentação, óleo combustível, condensado); c) aquecidas para manter temperatura (óleo pesado); d) com curvas de dilatação e purgadores, para evitar golpes de aríete (vapor); e e) identificadas. As principais tubulações de uma caldeira são de : - água; - óleo (combustível); - vapor; - gás combustível; - condensado; e - produtos químicos. Os tubos sem costura são tubos que não apresentam emendas em sua seção transversal, sendo obtidos de tarugos por meio de laminação. Os tubos com costura são tubos que apresentam emendas (solda/costura) em sua seção transversal. Essa emenda pode ser longitudinal para tubos obtidos através de chapas ou helicoidal para tubos obtidos através de bobinas. A limpeza interna nas tubulações deve ser feita antes da montagem para a remoção de qualquer incrustração. Essa limpeza é geralmente realizada com água e todas as bombas, válvulas com anéis de vedação resilientes, medidores e outros equipamentos sujeitos a danos com materiais sólidos, deverão ser protegidos por meio de filtros provisórios. As válvulas de retenção, as de controle, as de segurança e alívio e as placas de orifício deverão ser retiradas para se realizar a limpeza.

106

As tubulações destinadas à condução de água potável devem, além da limpeza, serem desinfetadas com uma solução de água e cloro. Pressão de teste de tubulações O teste de pressão é chamado de “teste hidrostático” porque é normalmente realizado com água. O teste com ar comprimido só deverá ser realizado em tubulações de grandes diâmetros para a condução de gases onde o peso da água poderia causar danos na tubulação e nos suportes que sustentam a tubulação. A pressão de teste com ar comprimido deverá ser de apenas 10 % acima da pressão de projeto e deverá ser realizada em etapas: a primeira com 25 % da pressão de trabalho, a segunda com 50 %, a terceira com 75 % e, por fim, com 100 % da pressão de teste. Em cada uma das etapas deverá ser verificada a existência de vazamentos nas juntas, por meio de espuma. Entre as etapas, a pressão deve subir vagarosamente até a pressão da etapa seguinte. 2.18.3 Acessórios comuns às tubulações Dentre os diversos acessórios existentes nas tubulações das caldeiras, podemos destacar os seguintes: Absorvedores de efeitos térmicos e mecânicos, que têm por finalidade a absorção das tensões térmicas e de vibrações mecânicas, constituídos de juntas de dilatação térmica e molas de sustentação das tubulações. Purgadores, que têm a finalidade de eliminar o condensado das linhas de vapor. O não funcionamento do purgador provoca acúmulo de condensado e martelo hidráulico. Havendo passagem direta de condensado na tubulação, haverá perda de rendimento (maior troca térmica ocorre quando há mudança de estado).

107

Figura 95 - Purgador bimetálico.

Filtros, que têm a finalidade de reter impurezas. São usados Principalmente em linhas de óleo e condensado. Juntas de expansão, que têm a finalidade de absorver total ou parcialmente as dilatações térmicas das tubulações. 2.18.4 Isolamento térmico O isolamento térmico em tubulações e invólucro das caldeiras, e equipamentos que utilizam o vapor, tem por principal finalidade evitar a transmissão de calor para a superfície externa dos mesmos, mantendo nestas superfícies uma temperatura que não ocasione danos aos operadores da caldeira.

Figura 96 - Isolamento térmico de caldeiras marítimas aquatubulares. Fonte: Arquivos do autor, aulas EFOMM, 2010.

2.18.5 Materiais comumente empregados em redes de condensado e água de alimentação de caldeiras marítimas Para as tubulações de condensado e água de alimentação: 108

a) tubos - aço carbono com costura ASTM A-53, com Schedule 40 ou 80; - aço inoxidável sem costura JIS, SUS, 316 LTP, Schedule 80; e - aço carbono sem costura JIS STPT-385, Schedule 120 ou 160. b) válvulas - aço forjado ou fundido; - ferro fundido ASTM A-48; - bronze; - aço forjado ASTM A-105; e - aço inoxidável. c) união dos tubos com acessórios de mesmo material dos tubos - união soldada e flange de pescoço; - flange sobreposto; - solda de encaixe; e - conexão do tipo mordente. d) união das válvulas - flange; - extremidade soldada; - solda de encaixe; - rosqueada. e) juntas - amianto resistente ao calor; e - enroladas em espiral com anel interno e externo. f) parafusos e porcas - hexagonais ASTM-36 ou SAE 1020; e - estojos de aço Cr-Mo e porcas AISI 1045. Para as tubulações, válvulas e acessórios das redes de vapor superaquecido: a) tubos - aço Cr-Mo sem costura Schedule 120 a 160. b) válvulas - aço forjado, fundido e Cr-Mo. c) isolamento térmico 109

- material apropriado para alta temperatura, sem contaminação do meio ambiente. d) juntas - flexitálicas de metal resistente a altas temperaturas, com anel interno e externo. e) parafusos e porcas - estojo de aço e porca, Cr-Mo. Todas as tubulações de vapor superaquecido deverão ser testadas com radiografias e alívio de tensões térmicas e mecânicas. 2.19 Funcionamento do superaquecedor, dessuperaquecedor e economizador das caldeiras de alta pressão. A figura 97 ilustra um esquema típico de uma caldeira de alta pressão.

Figura 97 - Caldeira aquatubular de alta pressão.

Superaquecedor, dessuperaquecedor e economizador, são aparelhos de troca

de

calor

responsáveis

pelo

fornecimento

de

vapor

superaquecido,

dessuperaquecido e água de alimentação em temperatura adequada para a admissão no tubulão superior da caldeira. Os superaquecedores de caldeiras de alta pressão têm quatro passagens ou estágios de superaquecimento do vapor extraído do tubulão de vapor. A finalidade do superaquecedor é então fornecer vapor superaquecido para o navio, como por exemplo, os turbos geradores e as turbinas de propulsão, quando a caldeira é utilizada para navios de propulsão a turbina. Nos 110

VLCCS, geralmente este vapor é extraído a 515 OC e 62 bar de pressão, entrando no superaquecedor a 279 OC. Saindo do superaquecedor, o vapor vai a uma serpentina mergulhada na água existente no interior do tubulão de vapor denominada dessuper interno, resfriando o mesmo para uma temperatura adequada para diversos equipamentos auxiliares. Para que haja um aumento da eficiência da caldeira e a consequente redução do consumo de combustível da caldeira, algumas caldeiras possuem instalados no duto de descarga próximo à fornalha, um trocador de calor, denominado economizador, que absorve o valor dos gases da combustão na fornalha, e aquece a água até a desejada temperatura de entrada no tubulão. Os dessuperaquecedores também podem ser externos, conforme ilustrado na figura 98, onde água fria é injetada e pulverizada na corrente de vapor,reduzindo a sua temperatura até o valor desejado para a sua utilização.

Figura 98 - Dessuperaquecedor externo com borrifo de água fria.

A figura 99 ilustra um dessuperaquecedor interno de uma caldeira marítima de alta pressão.

111

Figura 99 - Dessuperaquecedor interno de uma caldeira marítima de alta pressão .

2.19.1 Determinação da eficiência de uma caldeira de alta pressão A eficiência de uma caldeira de alta pressão similar à mostrada é calculada a partir da planta de balanço térmico da instalação de vapor. Seja uma planta de balanço térmico, de um navio de propulsão a vapor, onde temos os seguintes dados conforme o esquema da figura 100, que simboliza as duas caldeiras do navio.

Figura 100 - Esquema para a realização do balanço térmico.

Ponto 1: água de alimentação na vazão de 85000 kg/h a 85 bar e 205 0C (líquido sub-resfriado), h1=878,16 kJ/kg; Ponto 2: vapor gerado na caldeira na vazão de 62000 kg/h a 62 bar saturado(279 0C), h2=2784,6 kJ/kg; 112

Ponto 3: vapor superaquecido a 61 bar e 515 0C na vazão de 62000 kg/h; h3=3425 kJ/kg; Ponto 4: vapor principal para as máquinas de propulsão e turbo geradores na vazão de 59000 kg/h a 61 bar e 515 0C; h4=3425 kJ/kg; e Ponto 5: vapor na saída do dessuperaquecedor a 320 0C e 60 bar, h5=3020 kJ/kg. Determine: a) o calor necessário da combustão para gerar o vapor saturado; b) o calor necessário da combustão para superaquecer o vapor; c) o calor retirado do vapor para dessuperaquecer o vapor; d) calor total necessário para a produção de vapor; e) o calor necessário do combustível (duas caldeiras), se o consumo do óleo pesado das caldeiras de poder calorífico de 42971 kJ/kg é de 145 ton/dia; e e) a eficiência da caldeira se nestas condições, o consumo do óleo pesado da caldeira de poder calorífico de 42971 kJ/kg é de 98 ton/dia. Solução: a) calor necessário para a geração do vapor

b) calor necessário para superaquecer o vapor

c) calor necessário para dessuperaquecer o vapor

.

d) calor total necessário para a produção do vapor 113

e) calor necessário do combustível

41510kW.

f) eficiência da caldeira .

Observe que a eficiência da caldeira depende do poder calorífico do combustível. A figura 101 ilustra uma caldeira marítima de alta pressão (45 a 62 bar).

Figura 101 - Caldeira marítima de alta pressão. Fonte: Arquivos do autor, aulas Efomm, 2010.

114

3 CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO As caldeiras de recuperação, ou caldeiras de exaustão de gases de descarga, geralmente são instaladas nos navios para o regime de viagem, produzindo o vapor necessário aos consumidores do navio, quando o mesmo está navegando. A produção de vapor nestas caldeiras é realizada através da absorção do calor dos gases de descarga do MCP, que aquece a água da caldeira, produzindo a sua evaporação. As figuras 102-a e 102-b, ilustram o princípio de funcionamento de uma caldeira de recuperação de um navio mercante de propulsão a vapor com os gases de descarga passando externamente e internamente no feixe tubular,cedendo o calor necessário à evaporação da água.

Figura 102 - Funcionamento da caldeira de gases de descarga.

115

3.1 Ciclo de produção de vapor aproveitando os gases de descarga do motor propulsor (MCP) A figura 103 ilustra, de forma simplificada, o ciclo de vapor, do condensado e da água de alimentação de um navio de propulsão a motor, com a utilização dos gases de descarga.

Figura 103 - Ciclo de produção de vapor de um navio de propulsão a motor. Fonte: Man Diesel, Soot Deposits in Exhaust Gas Boilers, 2010.

A caldeira de recuperação neste esquema é comumente denominada de “economizador”, o qual é um trocador de calor operando em contracorrente, composto por três seções: a) preaquecedor; b) evaporador; e c) economizador. Estas seções são montadas geometricamente em sequência desde a entrada do gás até a sua saída, visando maximizar a recuperação de calor dos gases e a geração de vapor. 116

Com o navio em viagem, e a caldeira auxiliar ainda acesa, uma bomba de recirculação succiona a água do tubulão inferior da caldeira auxiliar e a envia para o preaquecedor da caldeira de recuperação, aumentando a sua temperatura. Do preaquecedor, a água é devolvida a caldeira e vai para o evaporador da caldeira de recuperação, onde se evapora e retorna ao piano de distribuição para os serviços de aquecimento (óleo pesado etc), e para o superaquecedor, caso seja necessário a utilização do turbo gerador. O vapor superaquecido é condensado no condensador do turbo gerador, o vapor saturado de aquecimento é condensado em parte no condensador atmosférico, e a outra parte na troca de calor dos aquecedores de óleo pesado etc. Todo o condensado é recolhido no tanque de inspeção e dreno, sendo aspirado pela bomba dágua de alimentação principal ou auxiliar, passando pelo aquecedor, e daí, para a caldeira. À medida que a taxa de produção do vapor aumenta no evaporador, a caldeira auxiliar é desligada, ficando a produção do vapor por conta da caldeira de recuperação. Este assunto será melhor descrito no próximo item. Alguns navios, trabalham em sistemas de cogeração, conforme ilustrado na figura 104.

117

Figura 104 - Sistema de cogeração empregado em navios mercantes. Fonte: Marine Steam Turbines,Brotherhood Process & Energy,2010.

118

3.2 Esquema de distribuição de vapor a bordo de um navio a motor A distribuição de vapor a bordo dos navios de propulsão a motor, tem diversas utilizações. Nos item 2.15, mostramos um diagrama típico utilizado em navios petroleiros. Muitos navios mercantes de transporte de carga (cargueiro ou contaneiro), quando não utilizam o óleo térmico, têm um sistema de distribuição de vapor similar ao mostrado na figura 105.

Figura 105 - Distribuição típica de vapor para navios de propulsão a motor de transporte de carga.

Considerando um funcionamento inicial do sistema, a água necessária para a alimentação da caldeira auxiliar (1A) e de gases de descarga (1B), é armazenada no tanque de armazenamento ou destilado (18). Uma das bombas de água de alimentação (19) aspira água deste tanque e a descarrega para as caldeiras. As válvulas de comunicação de vapor (2A e 2B) comunicam o vapor para os utilizadores, dependendo de qual delas está em operação. Dentre os diversos utilizadores do vapor, podemos citar: 119

a) aquecimento de água doce dos êmbolos do MCP (3); b) aquecimento de água doce do injetor do MCP (4); c) aquecimento de água doce para a selagem das separadoras (5); d) aquecimento de água doce para o navio (6); e) aquecimento dos tanques de armazenamento de óleo pesado (7); f) aquecimento dos tanques de sedimentação e serviço do óleo pesado (8); g) aquecimento do poceto de óleo lubrificante do MCP (9); h) aquecimento do tanque de sedimentação de óleo lubrificante (10); i) sistema de calefação do ar condicionado (11); j) aquecedor do separador água óleo (12); e k) aquecedor do desumidificador dos porões de carga. O vapor, dependendo do aquecimento realizado, poderá passar pelo condensador auxiliar (14) ou ir direto para o tanque de inspeção (15), onde é observado se existe ou não alguma contaminação provocado por avarias em algum equipamento que o vapor trabalhou. Do tanque de inspeção, o condensado vai a cisterna(tanque de drenos, onde é aspirado pela bomba de água de alimentação e o ciclo se repete. No tanque de produtos químicos (17), são colocados os produtos recomendados pela rotina de operação do navio, para o tratamento da água de alimentação. 3.3 Comunicação da caldeira de recuperação com a caldeira auxiliar. Devido aos diversos sistemas existentes para a distribuição do vapor nos navios de propulsão a vapor, descreveremos uma operação típica de comunicação da caldeira de recuperação com a caldeira auxiliar, considerando uma caldeira de recuperação

com

as

três

fases

de

preaquecimento,

evaporação

e

superaquecimento. O sistema ilustrado na figura 106 é um esquema simplificado de um navio petroleiro, cujas caldeiras produzem o vapor a 17 bar, passando por válvulas redutoras de pressão, e daí, para os diversos consumidores.

120

Figura 106 - Diagrama simplificado da distribuição de vapor para a operação do economizador.

3.3.1 Condições preliminares Supõe-se que: a) o MCP esteja na máxima de potência de serviço; b) uma caldeira auxiliar esteja parada e a outra em serviço; c) uma bomba de alimentação principal esteja em operação; d) o turbo alternador esteja fornecendo energia elétrica ao navio, alimentado pelo vapor da caldeira auxiliar(válvula de desvio de vapor aberta); e) o superaquecedor do economizador esteja isolado(válvulas fechadas); f) o ventilador do ar de selagem/purgação dos aparelhos de ramonagem está ligado na posição local; e g) o seletor da bomba de circulação da caldeira, situado no console da CCM, esteja em MANUAL LOCAL, e os disjuntores existentes nos painéis de partida das bombas estejam em ON (ligados). 3.3.2 Operações 3.3.2.1 Bomba de recirculação e o economizador 121

1- Abrir gradualmente a válvula de saída de água da caldeira auxiliar em funcionamento para a respectiva bomba auxiliar, para evitar martelo hidráulico nesta bomba. 2- Abrir a válvula de entrada e saída de água para o preaquecedor do economizador. 3- Abrir ligeiramente a válvula de descarga da bomba de recirculação 1, para pressurizar lentamente o economizador. 4- Abrir todas as válvulas de purga de ar e drenagens (não mostradas) existentes, no circuito da bomba de recirculação ao economizador, para retirar o ar das redes, fechando-as após a saída do ar. 5- Verificar o nível da água de alimentação da caldeira auxiliar em funcionamento, mantendo o mesmo em valores normais na caldeira. Isto é necessário, devido ao grande volume de água enviado desta caldeira ao economizador. 5.1- Se o nível d’água ficar próximo do ponto em que ocorre o desarme do queimador da caldeira auxiliar, por baixo nível dágua, deve-se parar a operação, fechar a válvula de descarga da bomba de recirculação e parar a bomba. 5.2- Após restabelecido o nível da caldeira auxiliar, continuar a manobra de enchimento dágua no economizador. 6- Abrir gradualmente a válvula de admissão do vapor procedente do evaporador no tubulão de vapor da caldeira. O vapor procedente do evaporador do economizador,adentra o tubulão de vapor e daí para o piano de válvulas

de

distribuição do vapor saturado. 7- Abrir totalmente a válvula de descarga da bomba de circulação 1 da caldeira auxiliar em funcionamento. 8- Abrir a válvula de descarga da bomba de circulação 2 de reserva da que está em funcionamento. 9- Mudar no console da CCM, o seletor indicativo para a posição de bomba de circulação 1 em funcionamento, bomba de circulação 2 em stand-by. 3.3.2.2 Teste de operação automática das bombas

122

1- Com a bomba de circulação 1 em funcionamento, e a 2 na reserva, apertar o botão de parada da bomba de circulação 1, a qual desliga-se e a bomba 2 entra em funcionamento. 2- Parar a bomba de circulação 2 apertando o seu botão de desliga. 2.1- Colocar o seletor de bombas na posição relativa à bomba 2 em funcionamento, e a bomba de recirculação 1 em stand-by. A bomba 2 liga-se automaticamente controlada por um pressóstato na sua descarga, ficando a bomba 1 em stand-by. 2.2- Parar a bomba 2 apertando seu botão de desliga. A bomba 1 é acionada automaticamente controlada por um pressóstato na sua descarga. 3.3.2.3 Comunicação do superaquecedor da caldeira de gases 1- Abra as válvulas de drenagens e extração de ar do superaquecedor do economizador. 2- Abra gradualmente a válvula de admissão de vapor na entrada do superaquecedor do economizador. 3- Quando não existir mais água e ar, fechar as válvulas de drenagem e ar do superaquecedor do economizador. 4- Abra ligeiramente a válvula de saída de vapor superaquecido do superaquecedor para o turbo alternador do navio. 5- Continue abrindo a válvula devagar, até ela estar completamente aberta. 5.1- Na maioria dos navios, esta válvula estará completamente aberta, no tempo médio de 10 minutos. 6- Quando a válvula estiver completamente aberta, feche a válvula de desvio de vapor da caldeira auxiliar para o turbo alternador. 6.1- Obedeça rigorosamente a rotina do quarto de máquinas, para o turbogerador.

3.3.2.4 Parada do sistema de combustão da caldeira auxiliar 123

À medida que aumenta a taxa de evaporação do evaporador na caldeira de exaustão de gases de descarga do MCP, a razão de queima da caldeira auxiliar deve ser diminuída, até que cesse a combustão na caldeira auxiliar. Se o controle da caldeira auxiliar estiver em automático, esta operação será feita automaticamente. Geralmente, esta operação é realizada pelo quarto de máquinas, da maneira a seguir: 1- Colocar o interruptor de AUTO/MANUAL situado no painel da caldeira em MANUAL. 2- Apertar o botão de parada do queimador base (o mais próximo da fornalha). 3- Fechar as válvulas de combustível para o queimador e abrir as válvulas de recirculação de combustível no local onde está instalado o queimador. 4- Fechar as válvulas do vapor de atomização da caldeira (maçarico com atomização a vapor) e realizar as demais manobras de rotina de quarto para a rede de vapor de atomização. 5- Esperar o tempo de purga (retirada dos gases residuais da combustão na fornalha) e parar o ventilador de ar do queimador. 6- Fechar as válvulas de admissão e saída do vapor do aquecedor de óleo combustível da caldeira auxiliar. 7- Parar as bombas de serviço de óleo combustível. 8 - Fechar a válvula de saída do óleo combustível do tanque de sedimentação (para evitar a contaminação do óleo combustível no seu interior). 9- No painel de controle da caldeira, colocar os reguladores de circulação de ar e combustível dos queimadores em MANUAL. 10- Manter o controle do nível de água da caldeira (bomba P1 ou P2)e descarga do vapor em AUTO. Observação: a produção do vapor do economizador é maior do que a necessidade

de

vapor

dos

consumidores,

sendo

o

excesso

lançado

automaticamente no condensador atmosférico.

3.3.2.5 Mudança para o uso da bomba de alimentação auxiliar 124

Quando a caldeira auxiliar tiver sido paralisada com o economizador em operação e o único vapor exigido se destinar ao turbo alternador e para a praça de máquinas, deve-se fornecer a água de alimentação à caldeira auxiliar pela bomba auxiliar de alimentação, fazendo a cambagem das bombas de alimentação principal para a auxiliar, sempre mantendo o stand-by da principal. 3.3.2.6 Parada do economizador Para a parada do economizador, supõe-se que: a) a caldeira auxiliar está no modo automático; b) o MCP está a uma velocidade e potência de serviço; c) a condição de atenção seguida pela redução na velocidade da máquina está prevista; d) o macho de drenagem do turbo gerador está na posição de superaquecido; e e) a bomba da caldeira auxiliar 1 está em uso e a 2 de reserva. 3.3.2.7 Parada do preaquecedor e evaporador 1- Aumentar o nível da caldeira auxiliar até 10 cm acima do nível normal. 2- Quando a ordem dispensar a máquina é recebida, apertar os botões de parada das bombas de recirculação 1 e 2. 3- Fechar as válvulas de aspiração e descarga das bombas de recirculação. 4- Fechar a válvula de saída do preaquecedor e do evaporador. 5- Abrir suavemente os suspiros do preaquecedor e do evaporador. Situação da caldeira auxiliar a) à medida que a rotação do MCP é reduzida, o nível d’água da caldeira auxiliar tenderá a cair; e portanto, tomar as providências devidas para manter o nível; b) com a redução da rotação do MCP, os queimadores da caldeira auxiliar entrarão automaticamente, dependendo da demanda de vapor produzido.

3.3.2.8 Parada do superaquecedor 125

Quando o telégrafo indica a condição “atenção”, pronto para a realização de manobras, o superaquecedor deverá ser parado da seguinte forma: 1- Colocar o macho de drenagem do superaquecedor na posição saturado. 2- Abrir gradualmente a válvula de by-pass do superaquecedor fechando, ao mesmo tempo e gradualmente, a válvula de admissão de vapor ao superaquecedor. 3- Fechar a válvula de saída do superaquecedor. 4- Abrir a válvula de respiro do superquecedor. 4.1- A produção de vapor para o navio, agora é feita pela caldeira auxiliar. 3.3.3 Ramonagem e lavagem da caldeira de gases de descarga. As caldeiras de recuperação de gases de descarga do MCP também possuem lanças de injeção de vapor (ramonagem) para a retirada de incrustrações de fuligem externa ao feixe tubular. Geralmente são seis lanças, duas para cada seção do economizador. Constitui boa prática de bordo ramonar os tubos antes de entrar no porto e após sair dele, mantendo a ramonagem em alto-mar a cada 24 horas. A ramonagem deve ser efetuada no sentido do superaquecedor para o preaquecedor, ou seja, de baixo para cima. Antes de se efetuar a ramonagem, devem ser respeitadas as normas de poluição ambiental, bem como observar a direção da velocidade do vento, para que não caia fuligem da chaminé nos tanques do convés do navio. Quando o economizador está parado, a superfície externa dos tubos também pode ser lavada com água, sendo a água drenada para um tanque apropriado para o seu tratamento.

4 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS

126

4.1 Operações de preparação, acendimento e comunicação de uma caldeira de alta pressão Neste item, descreveremos de uma forma prática e concisa, os procedimentos necessários para a preparação, acendimento e comunicação de uma caldeira marítima de alta pressão na condição fria e apagada, com óleo combustível de um navio mercante com duas caldeiras de alta pressão. Em todas estas fases. o CHEMAQ do navio deverá estar presente (STCW/95). Os sistemas elétricos, de automação e controle de nível, pressão e vazão de vapor, automação e controle da combustão, estão funcionando corretamente, com a devida transferência para o modo manual, atuando adequadamente. O controle deverá estar no modo manual, até a comunicação da caldeira, quando será transferido para AUTO. 4.1.1 Preparação para entrar em funcionamento O controle deverá estar no modo manual. 4.1.1.1 Caldeira 1- Abra as portas de inspeção e verifique se os tubos estão limpos e as paredes da fornalha estão em bom estado. Observação: seguir as normas de segurança implantadas no navio sobre a inspeção interna da caldeira. 1.1- Fechar as portas de inspeção após a inspeção. 2- Retirar e limpar qualquer resíduo de óleo acumulado no piso da fornalha ou no invólucro de ar abaixo dos queimadores (portinholas de passagem de ar). 3- Obedecendo às normas de segurança implantadas para o quarto de máquinas pelo CHEMAQ e pela empresa armadora do navio, inspecione a caldeira, certificando-se que qualquer reparo efetuado tenha sido completado, portas de visita corretamente colocadas, e que todas as portas de acesso e secções do invólucro tenham sido recolocadas e apertadas corretamente. 4- Inspecionar as válvulas de segurança verificando se as garras foram retiradas e os lifting levels recolocados (para permitir o acionamento das válvulas). 5- Inspecionar o indicador de nível, verificando a abertura e o fechamento de suas válvulas, o estado do vidro VISOR, das gachetas e se a escala é visível para a

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leitura do nível d’água. Mantenha as válvulas de comunicação do indicador com o tubulão de vapor abertas. 6- Examinar as redes dos manômetros, verificando se suas válvulas de comunicação e isolamento das redes estão abertas. Se fechadas, abra-as. 7- Abrir a torneira de ar do tubulão de vapor (para extração do ar durante o início do acendimento). 8- Inspecionar e fechar as válvulas de extração e drenagem da caldeira. 9- Através da rede auxiliar de água de alimentação, levar o nível da água até cerca de duas polegadas do vidro inferior (nível de acendimento, para evitar o arraste da água no tubulão de vapor). 10- Se a caldeira estiver atestada com água (caldeiras que estão fora de serviço), arriar a água até que o nível d’água esteja na parte inferior do indicador de nível do tubulão de vapor. 10.1- por meio da rede de alimentação auxiliar, elevar o nível d’água cerca de 1 pol no indicador inferior; e 10.2- em seguida, por meio da rede de alimentação principal, elevar o nível d’água a duas polegadas no indicador inferior. 11- Se a caldeira estiver vazia, a água deve ser admitida até que a mesma apareça no indicador, utilizando-se a rede de alimentação auxiliar. Em seguida, elevar o nível d’água de 2 pol, através da rede de alimentação principal. 12- Quando a caldeira estiver cheia, inspecione as válvulas de extração de fundo e de superfície, verificando se estão fechadas e não mostram vazamentos. Este procedimento serve para testar se as duas redes de alimentação estão prontas para o serviço. 4.1.1.2 Superaquecedor 1- O superaquecedor deve ser protegido durante o acendimento. Assim, antes do acendimento, abra a válvula de proteção do superaquecedor (ligada entre a saída do superaquecedor e a válvula de comunicação principal). Isto evita a queima do superaquecedor, por falta de escoamento de vapor no seu interior, durante o acendimento da caldeira. Esta válvula será fechada, em determinada pressão do vapor obtida durante o acendimento. O valor desta pressão consta do manual da caldeira. 128

1.1- A rotina de abertura e fechamento desta válvula, depende do tipo e da produção de vapor da caldeira, porém, em qualquer caso, o superaquecedor nunca deverá ficar sem vapor escoando no seu interior. 1.2- O superaquecedor deve ser completamente drenado durante o acendimento e as suas drenagens devem estar abertas, o tempo suficiente para que não se tenha certeza de que não há mais condensado algum dentro do superaquecedor, quando então deverão ser fechadas. 1.3- Nunca acender um queimador do lado do superaquecedor antes de se ter estabelecido um fluxo adequado de vapor, pois poderá haver a queima do superaquecedor. 4.1.1.3 Preaquecedor de ar 1- Abrir a portinhola de contorno do superaquecedor durante o acendimento, a fim de evitar o acúmulo de fuligem no mesmo. Isto garante que o ar não passa pelos tubos do preaquecedor, sendo levado diretamente à fornalha. 2- À medida que a pressão da caldeira for aumentando, durante o acendimento, a portinhola de contorno é isolada e o ar passará normalmente pelo preaquecedor. 4.1.1.4 Sistema de óleo combustível e queimadores 1- Verificar a correta operação das válvulas das bombas, tanques e aquecedores de óleo combustível. 2- Contornar o oleômetro até o início do acendimento. 3- Verificar os filtros de combustível quanto ao entupimento. 4- Ter certeza de que os invólucros de ar dos queimadores não possuem óleo escorrido no espaço abaixo dos mesmos. 5- Verificar se os registros de ar trabalham livremente (sem bloquear o ar do ventilador de tiragem forçada). 6- Caso uma caldeira já esteja acessa, utilizar o vapor auxiliar da mesma para o aquecimento dos tanques de sedimentação e serviço de óleo combustível na praça de máquinas. 7- Preparar os bicos dos maçaricos para acendimento, observando a curva de elevação de pressão de vapor da caldeira. Os bicos são projetados para determinada faixa de pressão da caldeira. Os quais vão sendo substituídos 129

gradualmente, até a caldeira atingir a pressão de trabalho. A figura 107 ilustra alguns tipos de pulverizadores (bicos) dos maçaricos de caldeiras navais para caldeiras de alta pressão com óleo combustível no queimador.

Figura 107 - Tipos de pulverizadores para maçaricos de caldeiras de alta pressão. Fonte: Caldeiras, Boiteux, Escola Naval, biblioteca Amazônia Azul, 1957.

7.1- Colocar o maçarico base (o mais próximo da fornalha), após a sua limpeza e inspeção, com o bico adequado para o acendimento e elevação da pressão. 7.2- Testar a colocação e a retirada do queimador na caldeira, manual e automático, se a caldeira possuir este sistema. 7.2.1- Geralmente, o acionamento automático do queimador é feito de forma pneumática. 8- Verifique se o visor de chama está e limpo e se a célula fotoelétrica do queimador está atuando. 4.1.2 Acendimento e elevação da pressão 1- Teste o indicador de nível quanto a entupimentos. 1.1- O nível d’água deverá cair quando forem abertas as válvulas de drenagem do indicador, voltando ao nível original quando a válvula for fechada. 1.2- Ter cuidado nesta manobra, pois quase não se percebe a diferença entre um vidro cheio e um vazio. 1.3- Trocar o vidro do indicador se estiver muito sujo ou avariado. 1.3.1- Ter certeza que o vidro substituto seja o recomendado pelo fabricante, para evitar acidentes durante a operação da caldeira. 2- Parta o ventilador de tiragem forçada, abra as portinholas e os dampers do registro de ar dos queimadores, ventile a fornalha pelo menos cinco minutos para 130

expulsar gases da combustão anterior, evitando a explosão da caldeira e outros acidentes de trabalho. 4.1.2.1 Acendimento com óleo pesado 1- Parta a bomba de óleo combustível pesado. 2- Considerando que uma caldeira já está acesa, e que o vapor auxiliar produzido pela mesma está disponível nos aquecedores e tanques de sedimentação e serviço na praça de máquinas, abra o piano de válvulas de recirculação dos queimadores, circule o óleo pesado pelo aquecedor e válvulas de recirculação, até que o mesmo atinja a temperatura necessária para a pulverização e queima. 3- Prepare a rotina de acendimento. 3.1.1- O CHEMAQ do navio deverá preparar uma rotina de acendimento constando o tempo que a caldeira ficará acessa e apagada durante o acendimento da caldeira, obedecendo à curva de elevação da pressão. 3.2.2- Iniciar o acendimento com poucos minutos acesa e mais tempo apagada, para acamar os refratários e a superfície dos tubos, evitando furos nos tubos e avarias na fornalha. Suponha que a caldeira será acesa numa sequência inicial de 3X30, 5X 25, 10X20 até uma determinada pressão de vapor. Isto significa que a caldeira ficará 3 minutos acesa e 30 minutos apagada, acende por mais 5 minutos e permanece apagada por mais 25 minutos, acende por mais 10 minutos e permanece apagada por mais 20 minutos, até a determinada pressão a ser obtida para a caldeira dentro da curva de elevação da pressão. 3.3.3- A rotina continua até a obtenção da pressão de trabalho da caldeira. O tempo para o acendimento e a elevação da pressão geralmente varia de duas a oito horas, dependendo da pressão e da vazão de vapor produzido. 3.3.4- Nunca acenda uma caldeira de alta pressão na pressa e correria, pois isto danificará o feixe tubular, com a perda irreparável da caldeira. 4- Quando o óleo pesado atingir a temperatura desejada para a queima, e estando o queimador base já instalado com o devido bico de acendimento, feche os registros de ar dos queimadores não em uso. 5- Feche as válvulas de recirculação do queimador base, e abra a válvula de pulverização do referido queimador, permitindo o combustível adentrar a fornalha. O excesso de óleo não pulverizado retorna a aspiração da bomba. 131

6- Regule o damper de ar do queimador, de modo que forneça somente o ar necessário para a combustão na caldeira. 7- Imediatamente acione o ignitor ou coloque a tocha de acendimento para iniciar a combustão. Observe: o uso da tocha requer a prática necessária para a devida localização dela no interior da caldeira e ignição imediata da mistura ar-combustível, evitando excessivo acúmulo de óleo no interior da fornalha, o que poderá causar retrocesso de chama no condutor de serviço ou explosão da caldeira. Em vista disso, nas modernas caldeiras de alta pressão, a ignição sempre será feita por eletrodo de ignição. 8- Após a combustão na fornalha, ajuste a pressão do óleo pesado na válvula reguladora de pressão existente no queimador para a obtenção de uma chama firme, observando: é importante que nenhuma quantidade de óleo não queimado seja espalhado na fornalha, e que se evite o aparecimento da fumaça negra na chaminé. 9- Obedecer à rotina de acendimento implantada para a caldeira, tomado as devidas precauções com a válvula de proteção do superaquecedor, de modo que nunca o mesmo fique sem circulação de vapor. 10- Quando a pressão do vapor se elevar a uma atmosfera, feche parcialmente a torneira de ar, a qual permanecerá nesta posição até que a caldeira atinja a sua pressão de trabalho e seja comunicada. 11- Observar a rotina de acendimento, trocando e limpando os queimadores toda vez que a caldeira apagar na fase de acendimento. 12 - Ao atingir uma determinada pressão de vapor, depois que a caldeira já está em funcionamento normal e a fornalha já está bastante aquecida, é possível acender mais queimadores com segurança para a obtenção da pressão final, usando o queimador adjacente, desde que eles estejam colocados próximos uns dos outros. Para que isto ocorra, abra os dampers de ar destes queimadores, feche as suas válvulas de recirculação de óleo, e abra as suas válvulas de pulverização. Haverá o estabelecimento imediato da chama (combustão), pela absorção do calor da fornalha, aumentando assim a pressão no tubulão de vapor. Ademais, observe:

132

a) o diâmetro do bico do maçarico dos queimadores é determinado de acordo com a produção de vapor, e o seu uso durante o acendimento é determinado pelo fabricante; e b) se todos os queimadores tiverem sidos apagados temporariamente, não tente reacender usando o refratário incandescente para provocar a ignição da mistura ar combustível,

pois

isto

pode

causar

sérios

acidentes,

inclusive

com

o

comprometimento da vida humana. 13- A partir de uma determinada pressão de vapor determinada pelo manual do fabricante, a caldeira ficará acesa até se obter a pressão de trabalho para a comunicação com a linha de vapor do navio. Por exemplo, se a pressão de trabalho de uma caldeira for de 62 bar, a partir de 35 bar, a caldeira já poderá ficar acesa, para a obtenção da referida pressão de 62 bar. 14- Dependendo do local onde se encontra o navio, e da velocidade e da direção do vento, dar ramonagem no préaquecedor de ar da caldeira quando a mesma estiver em uma pressão igual à metade da pressão de trabalho, para limpeza das fuligens sobre o mesmo. Quando a pressão de vapor estiver próxima da pressão de trabalho, reduza a queima ao mínimo e cheque manualmente as válvulas de segurança. Em seguida, volte à queima para as devidas condições. 15- Ao atingir a pressão de trabalho, o número de queimadores e o diâmetro dos bicos dos maçaricos, são estabelecidos pela rotina de bordo, sendo trocados dependendo da produção de vapor (consumo) da caldeira. Feche totalmente a válvula de extração de ar. A caldeira agora está pronta para ser comunicada à linha de vapor.

4.1.2.2 Acendimento com óleo diesel Se houver necessidade de acender uma caldeira de alta pressão com o navio apagado e com energia de terra, este acendimento deve ser feito com óleo diesel. Proceda de acordo com os itens 4.1.1 a 4.1.2 e, em seguida: 1- abra a aspiração e dê partida na bomba de óleo diesel; 2- abra a válvula de pulverização do queimador base; 133

3- feche os registros de ar dos queimadores não em uso; 4- inicie a ignição da combustão com a tocha ou ignitor, seguindo os mesmos procedimentos já vistos para o óleo pesado; 5- manter aberta a torneira de ar, até a pressão de vapor da caldeira atingir 2bar, quando então será fechada parcialmente até a comunicação da caldeira a linha de vapor, quando será fechada totalmente; 6- tão logo a pressão de vapor atinja 4bar, é possível iniciar o aquecimento dos tanque de sedimentação e serviço, e dos aquecedores de óleo combustível pesado; 7- obedeça às instruções recomendadas pelo fabricante, sob o uso das portinholas do préaquecedor de ar; 8- quando o óleo combustível estiver suficientemente aquecido para ser bombeado, abra a válvula de recirculação de um queimador que estiver apagado, e comece a bombear o referido óleo através do aquecedor, até que seja atingida a viscosidade, na temperatura adequada para a pulverização no queimador; 9- feche as válvulas de recirculação do queimador e abra a válvula de admissão ao pulverizador. O excesso de óleo não pulverizado retorna à aspiração da bomba; 9.1- a mistura ar-óleo combustível entra em combustão devido ao calor da fornalha; 10- quando a chama estiver firme, apague o queimador de óleo diesel e pare a sua bomba; 11- cambe para óleo pesado e proceda como no item 4.1.2.1, itens 3,6, 7, 8, 9,10. 11, 12, 13,14 e 15.

4.1.3 Comunicação da caldeira de alta pressão à linha de vapor Uma vez atingida a pressão de regime, para que se possa corretamente comunicar uma caldeira de alta pressão à linha deve-se, obrigatoriamente, cumprir a seguinte sequência:

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1- drenar e aquecer as redes de vapor, para expulsar o vapor que porventura se tenha condensado no seu interior, fechando-as após ter certeza que não há mais condensado na rede; 2- abrir as válvulas de contorno das válvulas de comunicação de vapor principal e interceptação; 3- Fechar as equalizadoras e abrir as válvulas de comunicação principal da caldeira que entra, quando sua pressão for ligeiramente superior à da linha de vapor. Atentar para a rotina do quarto de serviço sobre o controle da temperatura do superquecedor e se o mesmo está em condições de ser comunicado. Observação: abrir lentamente as válvulas equalizadoras de pressão (contorno) da rede de vapor principal. As válvulas equalizadoras de pressão são válvulas de manobra que ficam em paralelo com a principal, cuja finalidade é aquecer e igualar a pressão na rede de vapor. Se não houver estas válvulas abra, parcial e lentamente, a válvula de comunicação principal de vapor.

Figura 108 - Válvula de comunicação principal e equalizadora de pressão.

4- passar o controle da caldeira para o automático. A

caldeira

agora

está

pronta

e

operando,

sendo

monitorada

continuamente durante qualquer quarto de serviço. 4.2 Importância do monitoramento das temperaturas e das pressões de uma caldeira As leituras dos instrumentos de medição das pressões e temperaturas do vapor água de alimentação, condensado, ar e óleo combustível são os indicadores estabelecidos para o quarto de serviço de máquinas, para saber as condições de 135

funcionamento das caldeiras. Geralmente, são instalados medidores locais e remotos (transdutores eletrônicos) para a obtenção destes valores. A leitura dos transdutores vai direto para a CCM, enquanto a local, é obtida no próprio local em que se encontra o instrumento. Cabe aqui outra observação: em virtude de possíveis panes nos transdutores eletrônicos, em qualquer quarto de serviço de máquinas, o oficial encarregado deverá sempre realizar as medições locais dos instrumentos e comparar com as informadas pelos transdutores a CCM. Havendo acentuada discrepância, informar o CHEMAQ para as devidas providências. Recomenda-se a realização das leituras locais de hora em hora. Lembrar que as leituras dos instrumentos têm importância fundamental para a verificação das condições de funcionamento da caldeira, e que um oficial de máquinas, experiente na condução do quarto, pode afirmar em um simples golpe de vista, se a caldeira está ou não funcionando de maneira adequada. O oficial de máquinas deverá saber de cor quais as pressões e temperaturas das caldeiras do navio, e em que valores poderão ocorrer problemas na condução e operação das caldeiras. 4.3 Causas e consequências de projeção e arrastamento A água de alimentação das caldeiras sofre tratamento químico para manter a concentração dos sais e das impurezas existentes na água, dentro dos valores aceitáveis para a utilização da água na caldeira. Apesar do tratamento mais rigoroso que possa ser adotado para a caldeira, é impossível eliminar da água todos os sais em solução. A caldeira, à medida que vai produzindo o vapor, vai acumulando os sais, que ingressam com a água de alimentação. Os produtos da corrosão entram na caldeira sob a forma de óxidos de ferro, permanecendo em suspensão na água no tubulão de vapor, ocasionando a projeção e espuma. A espuma e a projeção provocam o arrastamento de umidade pelo vapor, do tubulão para o superaquecedor quando este está em uso, ou diretamente para as máquinas auxiliares que trabalham com vapor saturado. A espuma é consequência da matéria sólida dissolvida na água (em sua maioria sais) 136

Quanto maior a concentração destes sólidos dissolvidos na água, maior será a tendência de formação de espuma, quando a água for vaporizada violentamente.Quando concentrações de sólidos dissolvidos e em suspensão ou óleo crescem na água, as bolhas de vapor tornam-se estabilizadas e mais difíceis de romper, ou seja, se estiver presente uma concentração considerável de sólidos dissolvidos em suspensão ou óleo na água do tubulão de vapor, qualquer espuma que se forme é estabilizada pelas pequenas partículas dos sólidos dissolvidos, aumentando a espessura das películas das bolhas de vapor. A área do tubulão de vapor acima superfície da água da caldeira, em um dado momento, fica repleta de bolhas estabilizadas; então, uma quantidade de água da caldeira é carregada, junto com o vapor saturado, pela tubulação. Ao chegar ao superaquecedor, as bolhas se rompem devido à alta temperatura e a água evapora. Partículas de materiais que estavam em suspensão e dissolvidos na água da caldeira são carregados na velocidade do vapor a diferentes regiões do superaquecedor, depositando-se em sua superfície interna, principalmente no primeiro passe. O acumulo destes depósitos gera uma série de defeitos, como restrição à troca de calor, fluência do material do tubo “blistering” e, no caso do cloreto de sódio, corrosão no aço inoxidável. Este tipo de arrastamento da água de caldeira é chamado de foaming na literatura técnica. Em outras palavras, na prática do dia a dia, diz-se que houve o arrastamento da água em bolhas pelo vapor, ou seja, água da caldeira arrastada pelo vapor saturado, devido à concentração excessiva de sólidos dissolvidos, alcalinidade elevada e óleo ou matérias orgânicas presentes na água de alimentação. Como consequência do arrastamento em bolhas, teremos a formação de incrustação interna nos tubos do superaquecedor. Sob condições extremamente severas de formação do vapor, haverá um grande arraste de água no interior do espaço de vapor do tubulão superior, para o interior do tubo secador. Este fenômeno na prática é conhecido como projeção, tem como consequência a excessiva umidade no vapor para a utilização nas máquinas principais e auxiliares do navio, podendo danificá-las. É uma fonte de grande perigo para a condução segura de qualquer instalação de vapor. O arraste também pode ser ocasionado por causas mecânicas, como a flutuação repentina e excessiva da carga (demanda de 137

vapor), e operação em níveis superiores ao projetado. Outra forma de arrastamento é chamada de priming, o qual é ocasionado por nível alto de água no tubulão de vapor conjugado com o balanço do navio, ou falha dos separadores de vapor e água ou de órgãos internos. O priming consiste no arrastamento de volumes de água carregadas através da tubulação. Estes volumes podem inclusive alcançar as rodas de palhetas da turbina de vapor e, neste caso, provocar sérias avarias. Em outras palavras, um nível muito alto na caldeira pode causar arraste de água por meio do vapor. Quando a bolha de vapor formada se rompe, arrasta consigo parte da água e as impurezas nela contidas. Um superaquecimento da água ou a abertura brusca de uma válvula com retirada de grande quantidade de vapor provoca uma queda de pressão acima da água, ocorrendo em decorrência uma ebulição violenta e tumultuosa, com arraste de água e suas impurezas, responsáveis pela formação de depósitos nas linhas de vapor. O arrastamento de água pelo vapor é de grande gravidade, principalmente quando o vapor gerado é destinado à

produção

de energia, devido aos

choques térmicos

nos

aquecedores e choques mecânicos nas turbinas de vapor. A tabela 3 resume o que foi dito. Tabela 3 - Causas mecânicas e químicas do arraste da água de alimentação. Mecânicas nível de água alto condições de carga excessiva falhas no projeto da caldeira

Químicas excesso de sólidos em suspensão excesso de sólidos totais dissolvidos excesso de alcalinidade total presença de contaminações oleosas excesso de sílica

As principais consequências do arraste ou projeção são respectivamente: a) danos nas turbinas principais do navio (navio de propulsão a vapor); b) manutenção cara; c) formação de depósitos nos separadores e válvulas de redução; d) formação de depósitos no aparelho separador de vapor; e) formação de depósitos na seção pós-caldeira (redes, válvulas etc); 138

f) incrustração no superaquecedor; e g) parada do turboalternador. A espuma, ou sólidos leves dissolvidos na superfície d’água do tubulão de vapor, pode ser removida por extração de superfície. Já as impurezas mais densas que a água, as quais se acumulam nas partes mais baixas do espaço de água, e a redução da quantidade excessiva de sais, que ocasionam a formação de incrustações sobre a superfície interna dos tubos das caldeiras aquatubulares, podem ser removidas por extração de fundo, conforme será visto no item 4.15. 4.4 Resistências térmicas como fator de queda de rendimento nas caldeiras As incrustações externas e internas que ocorrem nos tubos das caldeiras aquatubulares reduzem a eficiência térmica da caldeira, pois dificultam a troca de calor dos gases da combustão com os tubos geradores, de retorno e do superaquecedor, diminuindo o coeficiente global de transmissão de calor e assim, o calor necessário à produção do vapor. O mesmo ocorre nas caldeiras flamatubulares. As incrustações devida à água de alimentação nas caldeiras são devidas aos excessos da concentração dos seguintes sais: a) cloreto de sódio, que provoca o arrastamento da água, trazendo como conseqüência a formação de uma espessa incrustração no feixe tubular do superaquecedor da caldeira aquatubular, podendo provocar a queima dos tubos; b) sulfatos de cálcio e magnésio, que se precipitam no interior da caldeira, formando uma camada endurecida nas partes mais quentes da caldeira, ou seja, no interior dos tubos mais próximos da fornalha das caldeiras aquatubulares. A condutibilidade térmica desta camada é aproximadamente 0,02 da condutibilidade térmica do aço. Se esta camada alcança uma determinada espessura perigosa para a transmissão de calor através dos tubos da caldeira, a água no interior dos tubos não pode receber e transmitir o calor da superfície metálica, com uma taxa suficientemente rápida para manter a temperatura abaixo da de fusão dos tubos, resultando na queima dos mesmos. c) óleo presente na água de alimentação, que causa espuma e projeção, formando uma película fina (aumento da resistência térmica) resistente ao calor, nas 139

superfícies

dos

tubos,

podendo

provocar

avarias

nos

tubos

pelo

seu

superaquecimento. As incrustações devidas aos gases da combustão são ocasionadas pela formação de depósitos de fuligem nos tubos das caldeiras. Resumindo, podemos dizer: o aumento da espessura das incrustações do lado dos gases e da água de alimentação aumenta a resistência térmica à transmissão do calor, diminui o fluxo de calor pelos tubos e, consequentemente, o rendimento térmico da caldeira. 4.5 Procedimentos em situações de emergência As seguintes situações serão consideradas neste trabalho como situações de emergência: a) água baixa; b) água alta; c) falta de óleo combustível; d) vazamento de tubos na caldeira; e) avaria no ventilador de tiragem forçada; e f) retrocesso de chama. Alertamos que em todas estas avarias o chefe de máquinas do navio deverá estar ciente pelo quarto de serviço. 4.5.1 Água baixa A água baixa é uma das causas mais frequentes de problemas operacionais nas caldeiras; e, se não for corrigida, haverá sérios danos nos tubos das caldeiras, podendo ocasionar o superaquecimento dos mesmos com a consequente indisponibilidade da caldeira para o serviço. É resultado frequentemente da falta de atenção do quarto de serviço de máquinas; falha das bombas d’água de alimentação; dos vazamentos no sistema; válvula de alimentação e retenção defeituosa; defeito no sistema de controle automático de nível; e falha nos alarmes de água baixa. Quando o nível d’água cai o bastante para deixar a descoberto parte dos tubos, a superfície de aquecimento (que está imersa) diminui Isto ocasionará a queda de pressão de vapor e o aumento do grau de combustão, provocando o 140

superaquecimento dos tubos da caldeira. É prática, no quarto de serviço de máquinas, a observação da pressão do vapor, e sempre que esta sofrer uma queda pronunciada poderá estar ocorrendo falta de alimentação d’água para a caldeira. Normalmente, a queda da pressão do vapor é consequência de um maior consumo de vapor, e a tendência é compensar o efeito acendendo mais queimadores, o que estaria correto se a queda da pressão de vapor fosse decorrente deste fato. Assim, antes de tentar acender novos queimadores (se já não estiverem todos em serviço), verifique imediatamente o nível d’água na caldeira. Se não houver água em quantidade suficiente para absorver o calor da fornalha, as partes expostas ao calor serão danificadas, podendo resultar, além do superaquecimento dos tubos, o empeno do invólucro, a destruição das paredes refratárias, vazamentos perigosos de água e vapor e, provavelmente, a mais séria avaria: a explosão da caldeira! Quando a água desaparecer do indicador de nível, exceto durante as flutuações

momentâneas

devido

à

variação

da

carga,

os

seguintes

procedimentos devem ser tomados imediatamente: 1- apague a caldeira, realizando o corte do suprimento de óleo usando a válvula de fechamento rápido para os queimadores; 2- feche as válvulas de alimentação; 3- feche as válvulas de comunicação principal e auxiliar; 4- abra as válvulas de segurança cuidadosamente, e reduza a pressão de vapor da caldeira; 5- feche todos os registros de ar; e 6- se possível, pare o ventilador de tiragem forçada. A caldeira esfriará vagarosamente e as partes superaquecidas serão sujeitas a um processo de recozimento térmico, o que reduzirá a possibilidade de avarias das partes sob pressão. Observação: em hipótese alguma dever-se-á tentar restabelecer o nível d’água, intensificando a alimentação. A caldeira ficará fora de serviço e só deverá ser acesa após inspeção e solução do problema, com o restabelecimento do nível d’água no indicador de nível.

141

4.5.2 Água alta Se o nível d’água ficar muito alto, irá ocorrer arrastamento, especialmente se a demanda de vapor é muito grande ou flutua rapidamente. O nível d’água deve ser mantido na faixa de operação, para que ao mesmo tempo em que se impede o arrastamento, manter a demanda necessária de vapor. Uma situação momentânea de água alta pode ser corrigida sem maiores problemas, especialmente se a caldeira possui os separadores ciclones no tubulão de vapor. Se por qualquer que seja a causa, o nível alto for mais que uma situação de momento, ou se há alguma dúvida quanto à localização do nível d’água, o desaparecimento do nível deve ser encarado como uma avaria e precisa ser corrigida imediatamente. Os procedimentos são os mesmos para a água baixa e, em seguida, reduz-se o nível dando extrações de superfície e, se necessário, drenar o superaquecedor. Em seguida, a caldeira é novamente acesa. 4.5.3 Falta de óleo combustível Havendo falta de óleo combustível, os seguintes procedimentos deverão ser realizados: 1- feche imediatamente as válvulas de óleo combustível para os queimadores; 2- reduza a pressão de ar para os queimadores; 3- verifique a causa do vazamento e providencie o reparo; 4- realizado o reparo, a caldeira deverá ser novamente acesa; 5- antes de reacender qualquer queimador, fazer com que a fornalha esteja livre dos gases combustíveis provenientes de qualquer óleo não queimado; 5.1- não reacenda a caldeira aproveitando o calor da fornalha; use o ignitor ou a tocha para tal finalidade. 4.5.4 Vazamento de tubos na caldeira Havendo vazamento dos tubos na caldeira, detectado pelo nível d’água e pela pressão do vapor produzido pela caldeira, os seguintes procedimentos deverão ser realizados: 1- apague imediatamente a caldeira, cortando o suprimento de óleo para os queimadores; 2- se o vazamento dos tubos foi devido à água baixa (superaquecimento), fechar as válvulas de alimentação e comunicação principal do vapor, e proceder como nas instruções de água baixa; 142

3- se o vazamento foi dos tubos do superaquecedor, apagar os queimadores e continuar alimentando a caldeira; 4- manter visível o nível d’água, se possível, até a caldeira esfriar; 5- manter a ventilação e ajustar as portinholas de ar (através dos dampers de ar), de tal forma que haja um fluxo de ar suficiente para levar à chaminé o vapor proveniente do vazamento. Uma vez resolvido o problema (bujonamento ou substituição dos tubos), a

caldeira

deverá

novamente

ser

acesa,

obedecendo

às

instruções

determinadas pelo quarto de serviço de máquinas. 4.5.5 Avaria no ventilador de tiragem forçada Havendo avaria no ventilador de tiragem forçada, os seguintes procedimentos deverão ser realizados: 1 - feche as válvulas de suprimento de combustível para os queimadores; 2 - apague todos os queimadores e feche os registros de ar; 3 - solucionado o problema, dar partida novamente no ventilador e acender os queimadores, um de cada vez com o auxílio da tocha ou ignitor; e 4 - se possível, dar ramonagem no preaquecedor de ar. 4.5.6 Retrocesso de chama O retrocesso de chama ocorre quando a pressão na fornalha é momentaneamente maior que a da praça de máquinas, ou do invólucro duplo onde se fixa o queimador, podendo afetar o ambiente na sala e área das caldeiras, com risco de graves acidentes. Geralmente é causado pela explosão da mistura de vapores de óleo e ar, na fornalha, ou ainda pela queda da pressão do ar na praça de máquinas. Os retrocessos podem ser causados por: a) vazamento do sistema de alimentação de óleo, com acúmulo de resíduos de combustível no interior da fornalha; b) falhas no sistema de ignição; c) defeito ou falha no sistema de tiragem da caldeira; d) tentativas de acender o queimador a partir de uma parede incandescente; e) procedimento incorreto no acendimento da caldeira; e f) abertura da boca de visita da fornalha de forma indevida. 143

Para evitar esses problemas, deve-se: a) evitar o acúmulo de óleo ou gás no interior da fornalha. Todo óleo que eventualmente se acumulou no piso da fornalha deve ser retirado e a fornalha deve ser completamente ventilada antes de ser acesa; b) manter as válvulas dos queimadores sempre em boas condições de vedação; c) nunca tentar reacender um queimador através do calor das paredes incandescentes; d) não fazer mais de duas tentativas de acendimento depois de concluída a purga; e e) nunca abrir a boca da fornalha de forma brusca. Os seguintes procedimentos deverão ser realizados em caso de retrocesso de chama: 1234-

corte o suprimento de óleo para os queimadores apagando a caldeira; pare as bombas de serviço de óleo combustível; mantenha fechadas as portas e escotilhas da praça de máquinas; e mantenha em funcionamento os ventiladores da praça de máquinas.

Após estas providências, o problema deve ser sanado e a caldeira colocada novamente em operação. 4.6 Riscos de acidentes e riscos à saúde durante uma operação Os riscos de acidentes e danos à saúde durante a operação das caldeiras são basicamente decorrentes da falta de conhecimento do equipamento e de sua operação. Por isso deve ser lembrado que: a) as operações de acender, apagar e conduzir as caldeiras, são estabelecidas obedecendo às normas regulamentadoras e rotinas implantadas pelo chefe de máquinas do navio, sendo o objetivo da rotina permitir ao quarto de serviço de máquinas, a segurança operacional do equipamento e do operador, evitando avarias, acidentes riscos à saúde dos executores do quarto; b) todas as manobras efetuadas seguindo a rotina de operação implantada para o quarto de máquinas são imparciais, não cabendo comentários impróprios e nem seu descumprimento sem ordem expressa do chefe de máquinas; e c) em caso da modificação da rotina operacional do equipamento, todos os oficiais de máquinas do navio e guarnição subordinada ao CHEMAQ, deverão participar

144

para que se obtenha a melhor rotina de operação possível, para evitar acidentes e riscos à saúde; d) uma vez implantada a rotina, todos os oficiais de máquinas e respectiva guarnição deverão cumpri-la fielmente; e) uma vez cumprida a rotina de operação das caldeiras, ter certeza que ninguém se esqueceu de seguir um detalhe importante; e f) saber que uma pessoa grava 10% do que ouve, 20% do que lê, 50% do que vê, e 90% do que faz. Dentre os diversos riscos de acidentes e a saúde numa operação de caldeiras, neste trabalho citamos os fatores causativos a seguir. 1- Distração no serviço. 2- Negligência durante a operação da caldeira, o que poderá ocasionar queimaduras de vapor. 3- Banho de óleo combustível, resultado da forma errônea que se opera o queimador, por esquecimento de se fechar as válvulas do queimador durante a sua retirada para troca ou manutenção, ocasionando sérias queimaduras no operador, podendo inutilizá-lo para o trabalho. 4- Artrite nas mãos, ocasionada pela execução errada da limpeza dos queimadores, sem o uso de luvas adequadas para a operação. 5- Recusa no uso do protetor auricular durante o acendimento e operação da caldeira, o que poderá ocasionar a perda da audição. 6- Recusa no uso do macacão, luvas e botas de serviço, ou uso de macacão inadequado, que deixará o operador exposto a diversas queimaduras, se houver vazamentos de vapor. 7- Ao entrar na fornalha para inspeção, ter certeza que a máscara contra gases está atuando corretamente, evitando que se respirem gases tóxicos e poeira de sílica da parede refratária. 8- Nunca acenda uma caldeira com excesso de óleo no piso da fornalha, ou óleo em volta dos compartimentos dos queimadores, pois isto poderá levar a explosão da caldeira, com a possibilidade de queimaduras gravíssimas e a morte do operador. 9- Não exponha a vista muito próxima de um indicador de nível local, pois o mesmo poderá arrebentar, danificando a visão do operador. 145

10- Ter certeza que as válvulas, tubos e acessórios das redes de vapor superaquecido estão em bom estado e sem riscos de rutura. Assim, não se aproxime de redes suspeitas de vapor, pois se as mesmas romperem devido a vazamentos por fadiga do próprio matéria, as conseqüências serão danosas para o operador da caldeira, e no caso de redes de vapor superaquecido, causar a morte do operador.Lembrar ainda que,todo risco de acidente e à saúde durante a operação da caldeira pode e deve ser evitado, bastando para isso o conhecimento sólido dos procedimentos operacionais estabelecidos pelo fabricante da caldeira e da rotina implantada pelo CHEMAQ do navio para a operação da caldeira. Cumpra a sua obrigação de forma correta e com responsabilidade durante o seu serviço. Este é o melhor caminho.

4.7 Operação de um sistema com o mínimo de duas caldeiras Um sistema operacional onde existem várias caldeiras em operação paralela possui algumas particularidades de segurança que devem ser atendidas. Por isso, o operador deverá conhecer: a) a rede de distribuição de vapor e seus consumidores; b) os pontos mais críticos de bloqueio e interligação dos sistemas; e c) a flexibilidade operacional em função da disponibilidade de vapor. Em um sistema com várias caldeiras é necessário que cada uma delas possa ser isolada das demais. Para isso, é necessária a instalação de uma válvula de retenção após a válvula principal de saída de vapor. Quando se opera com mais de uma caldeira, as mesmas devem trabalhar adequadamente, fornecendo a demanda de vapor necessária aos diversos consumidores. A melhor forma de se conseguir uma boa operação com mais de uma caldeira na linha, é o controle do sistema de combustão das caldeiras, que serve para aumentar ou diminuir o fluxo de óleo combustível e a quantidade de ar, detectando a diferença entre a pressão de vapor principal gerada pela variação da carga, e o seu valor subjetivo, fazendo que esta diferença ou desvio seja nulo. Assim, todas as caldeiras suportam a demanda de carga exigida na operação as quais estão submetidas. As variações na carga do sistema de caldeiras em operação podem ser controladas variando-se a pressão do combustível ou do número de queimadores em uso. Qualquer que seja o sistema de 146

controle usado, a queima deve ser tal que a fumaça produzida tenha uma leve névoa de coloração cinza clara a azulada, com a cor da chama variando de amarelo-claro a laranja amarelada.O controle da quantidade de ar para a combustão, pode ser feito pelo número de registros abertos, pelo grau de abertura de cada registro e pela variação da pressão do ar no invólucro. Em um sistema típico de operação com mais de uma caldeira na linha, o sistema de controle da combustão se divide em sistema mestre de vapor, sistema de controle do fluxo de óleo combustível, e sistema de controle do fluxo de ar. O sistema mestre de vapor, regula automaticamente a operação das caldeiras, atuando nos sistemas de controle de ar e de combustível das caldeiras, mantendo a desejada carga ou demanda de vapor exigida pelos consumidores de vapor das caldeiras. 4.7.1 Sistema mestre de vapor A figura 109 ilustra um esquema típico deste controle, que permite duas caldeiras marítimas operarem em paralelo. Este controle é baseado no sistema da pressão mestre de vapor,onde se utilizam dois elementos, a pressão e a vazão do vapor. A pressão do vapor é medida pelo transmissor de pressão S4, e um sinal pneumático proporcional é transmitido ao controlador mestre S6, onde se regula o valor desejado da pressão de vapor. A saída do controlador alimenta a unidade de computação S7, onde ele compensa o sinal da vazão de vapor recebido pelo seletor de altos sinais S3.

147

Figura 109 - Operação de duas caldeiras marítimas com controle mestre da pressão e vazão de vapor. Fonte: Arquivos do autor, aulas Efomm, CIABA, 2010.

O sinal da vazão de vapor passa pelo extrator de raiz quadrada S2, para o relé de seletor alto S3, para dentro do qual o sinal da vazão de vapor das outras caldeiras é alimentado. Os dois sinais são selecionados pelo relé de seleção alto S3, que envia o sinal da demanda de vapor principal para a unidade computacional S7. O sinal de saída proveniente da unidade de computação é o sinal com o valor mestre desejado tanto para o sistema de óleo combustível como para o de fluxo de ar. Com este sistema, uma rápida mudança na carga é primeiramente detectada pelo transmissor de vapor S1, que por meio da unidade de computação S7, altera o sinal mestre e proporciona uma mudança rápida no combustível e ar das caldeiras, para atender a rápida mudança de carga. Uma vez estabilizada a carga, o controlador da pressão do vapor S6, também através da unidade de computação S7, compensa o sinal mestre, para manter o valor da pressão de vapor das caldeiras no valor desejado. Geralmente, a medição da vazão de vapor é feita por uma placa de orifício, sendo esta medição inexata em baixas vazões, usando-se então a saída do controlador de pressão do vapor, através da unidade de computação S7, para compensar o sinal mestre. O sinal mestre emitido pela unidade de computação S7 resulta em uma demanda de combustível para uma caldeira, onde a outra caldeira é munida de um regulador de distribuição de carga S9. Quando ambas as caldeiras estão comunicadas e trabalhando normalmente, o regulador de distribuição de carga S9 permite o controle do coeficiente de distribuição de carga que altera a carga de uma caldeira com a outra. A figura 110 ilustra o controle da razão ar combustível das caldeiras.

148

Figura 110 - Operação de duas caldeiras marítimas com controle da razão ar combustível. Fonte: Arquivos do autor, aulas Efomm, CIABA, 2010.

4.7.1.1 Controle da razão ar-combustível Na figura 110, qualquer mudança na pressão do fluxo de óleo combustível ocasiona um sinal para o seletor de sinal alto F5, sendo este sinal transmitido através do distribuidor F2 e do gerador de função F4. O outro sinal que entra no F5 é produzido pelo transmissor de pressão diferencial A1, que transmite a pressão existente na tiragem forçada e na fornalha. O sinal é passado para um extrator de raiz quadrada A2 (linearização do sinal) e da unidade computacional de polarização A4. O sinal selecionado é transmitido à unidade computacional A7 para o seletor de sinais altos F6. O outro sinal que entra em F7 é o sinal da demanda de fluxo de óleo combustível, de passagem pela unidade de ação derivativa F9 que acelera o sinal, e pelo amplificador F8. Os dois sinais são comparados na unidade computacional F7, que produz um sinal corrigido para o seletor de sinal alto F6. O sinal que sai de F6 é transmitido ao controlador do fluxo de ar A5, onde é comparado com sinal variável medido fornecido pelo transmissor de pressão diferencial A1, através do conversor de raiz quadrada A2. 149

O sinal que sai do controlador A5 é transmitido, por meio do conversor pneumático elétrico (transdutor) A6, de modo a acionar as aletas do ventilador de tiragem forçada. A válvula de controle do fluxo de óleo combustível é controlada pelo posicionador pneumático, que recebe o seu sinal do sistema mestre de pressão e vazão de vapor. O sinal mestre proveniente da unidade de computação S8 passa através da estação seletora (AUTO/MAN) F10 de óleo combustível e do conversor pneumático elétrico F12, para o posicionador da válvula do fluxo de óleo combustível. Para garantir que o fogo dos queimadores não se apague, em condições sem carga (por exemplo, parando as bombas de carga do navio), existe numa linha de desvio para a válvula de controle principal,a válvula de controle de fluxo mínimo, a qual se abre quando a pressão do óleo combustível, depois da válvula de controle,cai para um nível mínimo.

4.7.1.3 Controle da água de alimentação Para o controle da água de alimentação, utilizam-se dois elementos, o fluxo de vapor proveniente da caldeira e o nível d’água existente no tubulão de vapor. O elemento de controle primário é iniciado pelo fluxo de controle do vapor, gerando desta medição um sinal de controle para posicionar a válvula reguladora de água de alimentação, de tal forma que o fluxo de entrada da água de alimentação seja igual ao fluxo de vapor que sai da caldeira. Este sistema em si não é satisfatório para manter o nível d’água na caldeira em um valor desejado, já que durante o tempo entre a mudança no fluxo de vapor e o reposicionamento da válvula d’água de alimentação, com o objetivo de igualar o fluxo de entrada da água de alimentação com o fluxo de saída de vapor, o nível d’água na caldeira poderia mudar para qualquer posição. Para resolver o problema, introduz-se o segundo elemento de controle, ou seja, o nível d’água de alimentação na caldeira. A figura 111 ilustra o controle de nível das caldeiras.

150

A medição do fluxo de vapor é feita por uma placa de orifício existente na rede de vapor principal proveniente da caldeira, usando-se o transmissor da pressão diferencial S1. O sinal é conduzido pelo extrator de raiz quadrada S2 (linearização do sinal proporcional ao fluxo de vapor), para a unidade de computação L5. O nível d’água contida na caldeira é designado como uma altura de carga constante, sendo o diferencial resultante aplicado ao transmissor diferencial L1, o qual converte a medição em sinal pneumático proporcional. O sinal é conduzido ao controlador do nível d’água L3, por meio do distribuidor L2, na forma de sinal variável medido, no qual é comparado com o valor desejado, e qualquer diferença entre os dois, leva a uma mudança no sinal de saída para a unidade de computação L5. O sinal do nível d’água é usado para compensar o sinal do fluxo de vapor, na unidade de computação L5, de onde o sinal de saída é transmitido através de um conversor pneumático elétrico (E/P), ao posicionador da válvula de controle de alimentação.

Figura 111 - Controle da água de alimentação das caldeiras. Fonte: Arquivos do autor, aulas Efomm, CIABA.

151

Portanto, qualquer mudança no fluxo de vapor, leva a uma ação corretora e imediata na válvula de alimentação, por intermédio da unidade de computação L5, usando-se o sinal do controlador de nível L3, como aparelho compensador, o que garante que o nível d’água na caldeira volte ao normal em condições estáveis. Se houver falha no ar de controle, a válvula de controle d’água de alimentação será mantida na posição que estava quando ocorreu a falha do ar. Para que isto seja possível, uma válvula de trava está posicionada entre o posicionador da válvula e o diafragma.

4.7.1.4 Vapor de demarragem Para evitar a purgação de qualquer vapor de excesso sob pressão, através das válvulas de segurança da caldeira, a rede de vapor principal consta com um sistema de descarga de vapor, o qual é controlado somente pela pressão do vapor. A figura 112 ilustra o controle do vapor de demarragem.

152

Figura 112 - Controle do vapor de demarragem. Fonte: Arquivos do autor, aulas CIABA, 2010.

A pressão de vapor é medida por um transmissor S4 e um sinal pneumático proporcional é transmitido, por meio do distribuidor de pressão S5, ao controlador da pressão de vapor S14 como a variável medida. O interruptor seletor 60, no painel de controle da caldeira (vide figura 113), permite ao operador selecionar a condição de operação das caldeiras. Quaisquer que sejam as condições de operação das caldeiras, o ponto de regulagem do controlador S14 pode ser mudado, para que a válvula de descarga de vapor funcione na devida pressão para a condição de operação que as caldeiras se encontram. Isto se consegue colocando-se o interruptor seletor S10 (60 no esquema do painel de controle) no painel de controle das caldeiras, na posição desejada. Selecionado o ponto de regulagem da pressão da válvula de descarga do vapor, através do regulador de pressão S11, o sinal é passado, por meio da unidade integral S12 e do amplificador S13, ao controlador S14. O sinal variável medido, proveniente do sistema de pressão de vapor, é comparado com o sinal da pressão desejada no controlador S14, e qualquer 153

diferença entre os dois leva o controlador a produzir uma mudança no sinal proporcional à diferença. O sinal é alimentado ao posicionador da válvula de descarga, por intermédio do conversor pneumático elétrico (P/E). Um interruptor contactor situado na rede de alimentação, que vai do controlador S14 ao conversor P/E, se abrirá se não houver óleo combustível circulando para as caldeiras. Isto visa a assegurar que, se ocorrer um “escurecimento total” quando se está usando as caldeiras, a válvula de descarga de vapor não funcione, conservando o vapor. 4.7.2 Posições de controle O painel de controle das caldeiras, mostrado na figura 113, permite a operação dos sistemas já descritos. Tanto o fluxo de ar como o de combustível podem ser controlados através dos seguintes procedimentos operacionais: a) controle remoto automático (painel de controle das caldeiras); b) controle remoto manual (painel de controle das caldeiras); e c) controle manual local. 4.7.2.1 Controle remoto automático do sistema de combustão Com as estações de MAN/AUT 81 e 78 nas posições AUT, a pressão desejada de óleo combustível é mantida automaticamente. Com os controles do fluxo de ar 82 e 77 na posição auto, a pressão do ar é mantida automaticamente.

Figura 113 - Painel de controle das caldeiras.

154

Fonte: Arquivos do autor, aulas Efomm, CIABA, 2010.

4.7.2.2 Controle remoto manual do sistema de combustão Com as estações de MAN/AUT 81 e 78 nas posições MAN, a pressão desejada de óleo combustível pode ser regulada manualmente. Com os controles do fluxo de ar 82 e 77 na posição MAN, a pressão do ar pode ser regulada manualmente. 4.7.2.3 Controle manual local do sistema de combustão O controle do óleo combustível é feito colocando na posição de desvio, o dispositivo mecânico de acionamento existente no posicionador da válvula de controle e acioná-la manualmente. Para o ar, colocar em MANUAL o botão de controle do ventilador de tiragem forçada, e mexer na posição das aletas do ventilador de tiragem forçada com o dispositivo existente de regulagem MANUAL,o qual é geralmente uma alavanca de manobra. A regulagem pode ser travada na posição necessária, colocando o dispositivo local na posição “LOCK” (travar).

4.7.2.4 Controle remoto automático do sistema de nível Controladores 83 e 76 nas posições AUTO, mantendo o nível no automático. 4.7.2.5 Controle remoto manual do sistema de nível Controladores 83 e 76 nas posições MANUAIS, permitindo o ajuste do nível d’água na caldeira. Quando a válvula do controle d’água de alimentação está sendo controlada no controle remoto manual, deve-se observar atentamente o nível d’água nas caldeiras, para assegurar que o desvio com relação ao nível normal seja mínimo. 4.7.2.5 Controle manual do sistema de nível Colocar o dispositivo mecânico existente no posicionador da válvula de alimentação na posição de desvio, e acionar a válvula manualmente. 155

4.8 Principais falhas de operação, suas causas e providências a serem tomadas Neste trabalho, trataremos das seguintes falhas operacionais frequentes na maioria das caldeiras: a) parada da bomba d’água de alimentação; b) contaminação por água no óleo combustível; c) falha dos queimadores por entupimento dos maçaricos; d) falha da bomba de combustível por perda da aspiração; e) falha no sistema de alimentação d’água por vazamento de óleo; f) falha na produção da caldeira por rompimento de tubos e grandes vazamentos de vapor; g) falha de operação devida a incêndios; e h) falha no sistema de controle automático de pressão, nível e combustão.

A tabela 4 ilustra as principais falhas,as causas e as providências a serem tomadas. Tabela 4 - Falhas, causas e providências a executar durante a operação de caldeiras. Falha

Causa Pane na rede de alimentação

Providências Isolar a bomba e colocar a bomba de

dágua. Selo mecânico

“by-pass” na linha. da

bomba

estourado. Parada da bomba d’água de alimentação

Falha no sistema elétrico ou de vapor(turbo bombas). Válvulas

de

descarga

ou

Isolar a bomba e trocar o selo. Tentar restabelecer, e não obtendo sucesso, isolar e colocar a de “stand by” na linha. Abrir as válvulas.

admissão fechadas. Quebra bomba.

de

componentes da

Isolar a bomba, analisar o ocorrido, providenciar o reparo e colocar a de “stand by” na linha.

156

Contaminação por água no óleo combustível, que provocará o apagamento da caldeira.

Falta da análise quimica do

Só receber a bordo óleo de qualidade e

óleo. Sujeira

com certificado de teste. Inspecionar tanques,limpar

nos

tanques

de

combustível.

se

necessário.

Falha do sitema de purificação de óleo.

Isolar o purificador, abrir e Inspecionar. Mudar a aspiração da bomba para outro

Água no óleo combustível Maçaricos entupidos ou espirrando.

tanque,

quarto de serviço. Manga do maçarico

com

Falta de atenção na manobra de válvulas da bomba de óleo combustível.

verificar

a

causa

da

contaminação. Falta de limpeza durante o

rachaduras

Perda da aspiração

e

da

rede

de

óleo

combustível.

Executar a rotina de limpeza. Isolar

o

maçarico

da

queima,

inspecionar e providenciar o reparo. Colocar a bomba de “stand by”,e verificar, no plano de redes, as posições das válvulas. Inspecionar, limpar ou trocar.

Filtros e ralos entupidos por depósitos de borra. Falta de treinamento no quarto de serviço.

Inspecionar, limpar ou trocar. Correr rede e verificar as manobras das válvulas.

Tabela 4 - Falhas, causas e providências a executar durante a operação de caldeiras. (Continuação) Falha

Causa

Vazamento Perda da aspiração

pelo

Providências Tentar substituir o selo ou as gachetas. selo

ou

engachetamento da bomba.

combustível. Avaria elétrica ou mecânica na bomba.

para o sistema de

reparo. Isolar a bomba, colocar a bomba de “standby”, inspecionar e providenciar o reparo. Isolar o aquecedor e sanar o defeito,

Vazamento no aquecedor de

pois o óleo passará imediatamente ao

óleo combustível.

sistema

alimentação e condensado.

avariada, isolar a bomba, colocar a bomba de “standby” e providenciar o

da bomba de óleo

Vazamento de óleo

Se a sede do mesmo estiver gasta ou

Serpentinas

de

tanques

de

aquecimento furadas.

de

alimentação,

e

daí,

à

caldeira. Drenar os tanques, reparar a serpentina, fazer

teste

de

estanqueidade

nas

Rompimento de tubos

Fadiga do material ou falta de

mesmas, e se OK, recolocá-las no lugar. Se o vazamento puder ser controlado,

e grandes vazamentos

experiência

cortar o suprimento de óleo para os

de vapor.

caldeira.

na

operação

da

queimadores, transferir o controle para manual,

fechar

as

válvulas

de

157

comunicação da caldeira e ao mesmo instante tempo abrir gradualmente as válvulas de segurança e o vapor da descarga

das

auxiliares

superaquecedor,

para

para

evitar

o sua

queima, e feche as portas dos registros de ar. Se a avaria não foi ocasionada por água baixa, continuar a alimentar até que a caldeira

esteja

totalmente

apagada,

impedindo a queima dos tubos da caldeira. Quando

a

suficientemente

pressão baixa

e

estiver a

caldeira

apagada,pare os ventiladores, feche todas as entradas de ar para a fornalha e deixe a caldeira esfriar devagar.

Tabela 4 - Falhas, causas e providências a executar durante a operação de caldeiras. (Continuação) Falha

Causa Identificar

Providências e isolar o

avariado,retirar

o

trecho

isolante,

izar

providenciar reparo por solda elétrica, Rompimento de tubos

Fadiga do material ou falta de

e grandes vazamentos

experiência

de vapor.

na

operação

da

caldeira.

ou substituir o trecho. Refazer o isolamento do trecho. Se o vazamento for tão sério que

não

permita a permanência do quarto na praça de máquinas para as providências acima, aperte o botão de emergência

Acúmulo de óleo no invólucro duplo,devido às gotas que caem dos pulverizadores entupidos, Incêndios leves na caldeira.

se isolados e não retirados do lugar.

para evitar acidentes com o operador. Após apagar o fogo com o extintor, isolar o queimador, verificar a rede de óleo combustível e se a rotina de limpeza dos maçaricos está sendo obedecida.

Limpar

o

invólucro

do

queimador.

Combustão dos depósitos de carbono Disparos constantes das válvulas de

nos

registros

dos

Isolar e limpar o queimador.

queimadores. Porca de regulagem frouxa ou

Verificar a regulagem e reapertar e

mal apertada. Válvula presa por depósitos de

travar a porca. Apagar a caldeira,esperar esfriar, e

158

retirar a válvula para reparos,verificando sede, segurança.

fuligem.

alavancas

de

acionamento

manual. Após o reparo,montar a válvula em posição vertical e reacender a

Falha nos sistemas de controle.

Verificar sensores e manobras

caldeira. Inspecionar;trocar,

no CCM.

verificar chaves AUTO/MAN.

se

avariados

e

Observação: quando em controle automático, os sistemas de controle de pressão, nível e combustão das caldeiras estão interlocados com os queimadores, e qualquer uma das condições provoca o desarme da caldeira por retirada automática dos queimadorers de serviço( o interloque atua nas solenóides de óleo combustível): a) nível d’água muito baixo; b) falha do ventilador de tiragem forçada; c) pressão baixa de óleo combustível; d) chave de emergência de corte de óleo combustível acionada; e) falha de chama; f) alta ou baixa pressão de vapor; g) falha de chama; e h) falta de energia a bordo (navio apagado). Estas são as principais avarias relacionadas pelo autor neste trabalho, existindo muitas outras que somente a experiência de quarto de serviço proporcionará ao oficial de máquinas, ao longo dos anos de embarque, reconhecê-las imediatamente e safá-las correta e prontamente. Lembre-se: “Qualquer avaria ocorrida no quarto com as caldeiras, deverá ser imediatamente investigada, e relatada no livro de registro de máquinas, com a respectiva

assinatura

do

oficial

de

máquinas

encarregado

do

quarto,

prontificando o CHEMAQ do navio”.

159

4.9 Principais tipos de manutenção aplicados nas caldeiras de alta pressão Os principais tipos de manutenção realizadas nas caldeiras de alta pressão são respectivamente: a) manutenção estrutural; b) manutenção das partes principais do lado do fogo; c) Inspeção e manutenção dos tubulões; d) manutenção do lado da água e vapor; e) manutenção do refratário; e f) conservação da caldeira fora de serviço. Neste trabalho, faremos uma descrição sucinta dessas manutenções. A manutenção estrutural compreende, basicamente, a inspeção das caldeiras; exames dos pés deslizantes e partes sujeitas a movimento; reparo dos vazamento de ar nas praças de caldeiras; reparos dos vazamentos e ajustagens nos tampões de portas de visita; e inspeções. A manutenção das partes principais do lado do fogo compreende a limpeza da câmara de combustão, dos tubos da caldeira expostos à chama; reparo nos queimadores, lavagem com água da superfície externa do feixe tubular, superaquecedor, economizador; e aplicação de compostos de conservação metálica nas superfícies do lado do fogo. A manutenção dos tubulões compreende a inspeção e troca dos seus acessórios externos e internos; e o reparo da chapa do invólucro e do isolamento térmico, caso haja alguma corrosão no chapeamento do tubulão. A manutenção do lado da água e vapor consiste na limpeza mecânica do interior dos tubos da caldeira; limpeza química no interior dos tubos (barrela); 160

inspeção e tratamento das bexigas após a barrela; detecção de rachaduras nos tubulões e coletores, inspeção do tubo de extração de superfície, da placa divisória, separadores ciclones e defletores no tubulão de vapor, e o tratamento da água da caldeira. A manutenção do refratário consiste em inspeção, assentamento de tijolos refratários nas paredes e pisos fornalha, e aplicação de plástico refratário nos queimadores. A conservação da caldeira fora de serviço tem por objetivo reduzir ao mínimo qualquer tendência à corrosão das partes sujeitas à pressão. Dentre

as

manutenções

citadas,

descreveremos

os

procedimentos

operacionais da manutenção do refratário; a limpeza mecânica e química (barrela) no interior dos tubos; o tratamento da água de alimentação; a lavagem da caldeira com água. 4.9.1 Manutenção do refratário Assentamento dos tijolos refratários Devido às altas temperaturas reinantes nas fornalhas das caldeiras a óleo, somente devem ser usados tijolos e argamassa refratária da melhor qualidade. Os tijolos refratários do piso e das paredes laterais da fornalha devem ser assentados com uma junta, podendo ser utilizados os cimentos secantes a ar ou ao calor. O cimento secante a ar não necessita calor para adquirir resistência; já o secante ao calor não adquire uma boa liga se não for aquecido à temperatura de cerca de 10000C. Geralmente os tijolos são de 4 ½ X 9X 2 ½ pol. 1- Observe se os tijolos possuem rachaduras e padronização nas dimensões, verificando a face em melhor condição para ficar voltada para a fornalha. 2- Depois de testada a consistência da massa para a aderência dos tijolos, colocar rapidamente o tijolo em posição na parede, empurrá-lo com um macete de madeira para a posição correta, até que se observe que a argamassa deixe de sair das juntas dos tijolos. A espessura das juntas dependerá da uniformidade da superfície e dimensões dos tijolos, porém, nunca devem exceder a 1/16 da polegada. 3- Na montagem das paredes, o excesso de argamassa que sair das juntas deve ser alisado com uma pá de pedreiro, de modo a proteger os cantos de tijolos, 161

fazendo com que a argamassa fique quase que revés com a parede. O excesso de argamassa é raspado da superfície do tijolo. 4- Deixar a parede secar durante cerca de 12 horas,abrindo as portas dos registros de ar, e retirando também a capa da chaminé , para permitir a circulação de ar. Com isto, parte da água contida na argamassa é evaporada. Em seguida, acenda um queimador e leve a fornalha vagarosamente a uma temperatura tão alta quanto permitirem as condições de operação. Com este procedimento,aglutina-se a argamassa aos tijolos adjacentes, e evita-se avarias nos tijolos durante a combustão na fornalha. Aplicação de plástico refratário nos cones dos queimadores Utiliza-se o barro refratário plástico em remendos de emergência e para fazer cones de queimadores. É constituído de uma mistura de grogue, argila bruta e água em quantidade suficiente de modo a tornar a massa plástica com consistência de lama meio dura. O grogue é composto principal, inteiramente de argila calcinada, e a argila bruta, é de uma categoria plástica utilizada para suprir as propriedades de manipulação e aglutinação. Sua aplicabilidade particular reside no fato de ela poder ser socada em pedaços, devido à sua natureza plástica, onde, de outro modo, seria necessário um tijolo refratário de formato especial. Moldes de madeira ou metal devem ser utilizados na fabricação dos cones refratários e aberturas de janelas de inspeção. São requeridos moldes para os cones refratários com ângulo menor do que o necessário, para adequar o corte do cone de refratário até atingir as dimensões requeridas.Desta forma, obtêm-se uma superfície de cone bem sólida e concêntrica com o maçarico. Os moldes para os orifícios de tocha de acendimento, janelas de inspeção e drenagem têm as dimensões e formas exatamente desejadas. Os cones de refratário, não devem receber a aplicação de nenhum reboco antes de acender a caldeira. Para que o plástico refratário possa alcançar a necessária aglutinação de cerâmica (rigidez),o mesmo deve ser recozido a uma temperatura elevada, de 1371 a 1650 oC.O acendimento da caldeira deve ser feito em 24 horas do término da colocação do plástico.Caso contrário, manter o plástico refratário umedecido, cobrindo-o com panos molhados até o instante de acender a caldeira. Acender um queimador com o menor pulverizador da dotação do navio, durante 15 minutos. Este queimador deve então ser apagado e um segundo aceso 162

durante o mesmo período de tempo. Usar cada queimador em rotação deste modo durante um período de 6 horas. Caso não se esteja retirando vapor da caldeira, os períodos de acender e apagar maçaricos serão determinados pela pressão do vapor. Depois da queima inicial, a temperatura da fornalha deve ser elevada gradativamente em um período de 6 horas, até a máxima conseguida possível sob as condições de vaporização em que a caldeira está sendo usada. A queima final a plena potência é desejável, se permitida pelas condições existentes. No porto, é de boa norma comunicar a caldeira à rede de vapor auxiliar. A queima na máxima temperatura obtida deve ser continuada durante um período de 6 horas. Isto é desejável, pois a máxima aglutinação do plástico refratário não pode ser obtida sem que a máxima temperatura persista, no mínimo, por quatro horas. Se houver tempo disponível, depois de terminado o recozimento acima descrito, e quando o refratário tenha esfriado suficientemente, é aconselhável abrir a fornalha e inspecionar o revestimento refratário. A concentricidade das aberturas dos queimadores deve ser verificada e quaisquer rachaduras de tamanho excessivo devem ser cheias com barro plástico. Devem ser seguidos os procedimentos estabelecidos para o superaquecedor da caldeira durante esta operação. 4.9.2 Limpeza mecânica e química no interior dos tubos de caldeiras aquatubulares Limpeza mecânica Os equipamentos aprovados para uso naval comumente encontrados para a limpeza mecânica das caldeiras a bordo, de caldeiras marítimas de alta pressão aquatubulares, podem ser de acionamento por motor elétrico e turbina pneumática. No tipo acionado a motor elétrico, o mesmo é constituído de eixo e portaescova flexível e uma escova expansível de cerdas metálicas. É fornecido para uso geral incluindo a limpeza do economizador e superaquecedor No tipo acionado a turbina pneumática, o mesmo é constituído de um motor pneumático com mangueira de ar e porta-escova flexível, e uma escova expansível de cerdas metálicas. É utilizado em caldeiras com tubos de até 4 polegadas de diâmetro externo.

163

Quando

utilizando

estes

equipamentos,

insira

o

equipamento

sem

acionamento no tubo e aguarde a extremidade da escova alcançar a outra boca do tubo,sem, contudo, projetar-se fora dela. Com este procedimento, têm-se a medição do comprimento do tubo. Inserir a escova na extremidade do tubo, ligue o acionador e passe a escova vagarosamente ao longo do tubo até que todo o comprimento do tubo seja atravessado. Em seguida, inverta o movimento através do tubo, puxando a escova na direção da extremidade de entrada. Execute tantos passes quanto necessários para limpar completamente o tubo.Não interrompa o movimento da escova em nenhum ponto do tubo, pois a escova em revolução ou a turbina podem danificá-lo,mesmo por um pequeno intervalo de tempo. Quando utilizando o equipamento de acionamento elétrico,ter cuidado para que o eixo flexível não saia pela boca do tubo afora, o qual resultará na avaria do equipamento. Geralmente, os tubos possuidores de curvaturas de pequeno raio podem ser limpos mais eficientemente utilizando o tipo acionado a turbina pneumática, embora a utilização da escova expansível com o tipo acionado a motor elétrico faça-o adaptável para este fim. Limpeza química da caldeira A limpeza química comumente denominada de barrela é efetuada após a montagem de uma caldeira nova, reparos nos tubos, ou existir contaminação da água de alimentação por óleo lubrificante ou combustível. A barrela é também um método rápido e eficiente de se retirar alguns tipos de incrustração . Durante a inspeção da caldeira para verificação da contaminação por óleo, para que se obtenha a melhor indicação da extensão e do grau de contaminação ,o exame do tubulão de vapor é feito enquanto ele ainda está parcialmente cheio, e outras partes da caldeira enquanto elas ainda estão umedecidas.Havendo dúvidas quanto ao grau de contaminação, retirar amostras de água dos coletores do economizador pelas portas de inspeção (removendo os bujões de inspeção) e pela porta de visita do tubulão de vapor parcialmente cheio. Se não for detectado nenhum sinal de película de óleo nas amostras de água, isto indicará que a contaminação não atingiu estas partes, ou que o contaminante foi precipitado ou removido por destilação . Havendo necessidade de se efetuar a barrela, os produtos químicos utilizados e a força da solução dependem do tipo de incrustração.

164

Uma maneira de se efetuar a barrela para a remoção de óleo é preparar uma solução cáustica convenientemente forte composta de 3 kg de soda cáustica, 1 kg de nitrato de sódio, e 3 kg de trisódio por tonelada de água, além de outros produtos químicos que poderão ser utilizados se recomendados pelo manual do fabricante. Caso seja recomendado pelo fabricante um determinado produto químico, utilizar somente este produto. Procedimentos realizados para efetuar a barrela nas caldeiras de alta pressão são mencionados a seguir. 1- Dissolver em água quente os produtos químicos necessários e os introduzir no tubulão de vapor pela porta de visita. 2- Encher a caldeira até o nível normal de funcionamento com água de alimentação utilizando a rede normal de modo a misturar e distribuir adequadamente os agentes. 3- Abrir a válvula de proteção do superaquecedor durante todo o período da barrela. 4- Acender um queimador e eleve a pressão vagarosamente até cerca de 10 bar, procurando mantê-la com o uso intermitente do queimador. 5- Tirar amostras de água a intervalos regulares para verificar a existência de depósitos de sílica. A barrela continuará até não haver mais sílica. 5.1- Se o nível d’água no tubulão de vapor chegar a 3 polegadas acima do nível normal de funcionamento, dar uma extração de superfície até reduzir o nível a cerca de 1 polegada abaixo do nível normal. 5.2- Geralmente, a água fica preta durante a barrela. Continue a barrela por oito horas sem tirar amostras,apague o queimador e quando a pressão da caldeira atingir 3 bar, dê extrações de fundo. 6- Antes de a caldeira ter tido tempo para secar, lavar os tubos e coletores com jato de alta pressão de água de alimentação e comece novamente a barrela, tirando amostras regulares da água da caldeira. 7- Ao fim da barrela, isolar o suprimento de vapor, purgar a caldeira pelas torneiras de ar para aliviar a pressão e esgotar a solução para o mar utilizando a tomada para mangote da válvula de extração de fundo. Abra a caldeira e baldeie o tubulão de vapor,coletores e tubos por meio de mangueiras. 8- Verifique as partes sujeitas a pressão quanto à existência de graxas; se continuar a aparecer a graxa, continue a barrela. 165

9- Para determinar a eficácia da barrela, verificar diversos tubos com um pedaço de pano seco limpo, ter certeza que nenhum pedaço de trapo foi deixado dentro de qualquer tubo. Inspecionar o interior do tubulão do vapor, coletores e o tubo interno de alimentação. Permanecendo traços de óleo no tubulão de vapor, somente limpá-lo com pano. 10- Se houver necessidade de barrela de 48 horas (devido a presença de óleo, preservador de ferrugem e depósitos de lama macia), limpar mecanicamente todos os tubos, para ter certeza que todos os traços de óleo forem removidos. 11- Ao terminar a barrela e subsequente limpeza, inspecionar cuidadosamente a caldeira para vestígios de bexigas, em atenção especial na boca dos niplos e tubos. Inspecionar também os tubos quanto a deformações . Todas as bexigas nos tubulões, tubos ou niplos devem ser escrupulosamente limpos até a exposição do metal nu. 12- Feita a barrela e tratamento da bexiga,toda vez que uma caldeira for aberta para limpeza e reparo, os tubulões e coletores deve ser cuidadosamente inspecionados para evidência de rachaduras, sendo dada particular atenção às arestas da porta de visita, costura nas extremidades das cabeças do tubulões e coletores. 13- Sanadas as rachaduras, a caldeira estará pronta para acendimento e elevação da pressão. 4.9.3 Tratamento da água de alimentação das caldeiras Consequências da falta de tratamento da água de alimentação A utilização da água de alimentação em condições impróprias resulta em falhas na caldeira. Estas falhas, além de indisponibilizarem os equipamentos, acarretam em elevados custos operacionais e de manutenção.As avarias são caracterizadas por depósitos indesejáveis no lado da água,

corrosão e

arrastamento. Os depósitos restringem a transferência de calor através dos tubos da caldeira e eventualmente conduzem a falhas. A formação de lama em excesso na caldeira, oriunda de extrações inadequadas e as escamações nos tubos devido ao tratamento químico incorreto irão resultar em depósitos do lado da água. A corrosão e a perda de espessura dos metais são causadas de diversas maneiras, entre as quais: tratamento químico insuficiente ou tratamento químico além do 166

necessário da água de alimentação e a presença de oxigênio. A figura 114 ilustra o ataque corrosivo no interior de um tubo de uma caldeira aquatubular,resultado da ação do oxigênio e do efeito do pH fora dos padrões recomendados na água de alimentação das caldeiras.

Figura 114 - Ataque corrosivo em tubos de caldeiras aquatubulares. Fonte: Garcia, AMRJ. Influência da qualidade da água de alimentação.

Outro problema frequentemente encontrado no interior tubos das caldeiras é o acumulo de depósitos ou incrustações, que reduzem de forma significativa a transmissão de calor nas caldeiras, afetando seriamente o seu rendimento, e podendo ocasionar sérias avarias, como arraste e projeção, além de colocar a caldeira fora de serviço.O cálcio e magnésio são as principais fontes de origem de depósitos em caldeiras e em sistemas de alimentação e trocadores de calor. Na água da caldeira, os depósitos de sulfato de cálcio (CaSO4) também são formados devido à presença do sulfato de cálcio, tanto na água do mar, como na água doce do cais. Este composto se torna menos solúvel conforme a temperatura da água aumenta. Quando a solubilidade limite é alcançada, sulfato de cálcio sólido se precipita como depósitos na superfície dos tubos da caldeira. Depósitos encontrados no sistema de alimentação são usualmente compostos por carbonato de cálcio e sulfato de cálcio, resultantes de vazamentos de água potável no sistema de drenagem, que contamina a caldeira. Todos os depósitos atuam como isolantes térmicos, e reduzem significativamente a transferência de calor na caldeira. Este efeito faz a temperatura do tubo metálico aumentar até acontecer um sobreaquecimento e o amolecimento do metal, posteriormente, acontecerá o crescimento da superfície, em forma de ovo, e o rompimento do tubo, provocando

167

vazamentos. A figura 115 mostra um tubo com acentuados depósitos em seu interior.

Figura 115 - Acentuados depósitos no interior dos tubos das caldeiras. Fonte: Garcia, AMRJ. Influência da qualidade da água de alimentação.

Objetivo do tratamento químico da água das caldeiras O tratamento de água de caldeiras é realizado com o intuito de impedir as seguintes anormalidades: a) corrosão do lado de vapor e água do gerador; b) formação de incrustações e depósitos nas paredes dos tubos e tubulões; e c) arrastamento de materiais contaminantes da água da caldeira para as demais partes do sistema de vapor, como redes, válvulas e outros. Principais testes químicos realizados na água das caldeiras marítimas A água da caldeira é a água contida na caldeira, depois que a maior parte da água de alimentação já foi convertida em vapor, contendo todos os sólidos que estavam originalmente presentes na água de alimentação. Condensado é a água que é formada pela condensação do vapor. Água de compensação é a água usada para compensar a diferença entre a quantidade de água necessária para a alimentação e a quantidade obtida na condensação. Na maior parte dos navios, usa-se a água destilada como água de compensação. São os sais minerais e os gases dissolvidos na água de compensação, que tornam necessário o tratamento químico da água da caldeira. O tratamento químico é efetuado adicionando-se no tanque de produtos químicos da caldeira, uma mistura de produtos químicos apropriado para manter a 168

água da caldeira em condições de ser utilizada para a produção do vapor. Nas caldeiras marítimas, usa-se frequentemente o “boiler compound” ou fosfato de sódio (ameroid adjunct B) , hidróxido de sódio (ameriod GC), ameroid hidrazine,e ameroid liquid coagulant,cujas finalidades são: a) neutralizar os sais que formam ácidos na água da caldeira, ou seja, torná-la ligeiramente alcalina; b) assegurar a remoção de incrustações; c) precipitar as impurezas internas na forma de lama; e d) evitar a corrosão pela oxidação. Os principais tratamentos químicos realizados na água da caldeira são: a) fosfatos; b) alcalinidade; c) dureza; d) cloretos; e) oxigênio dissolvido; e f) PH do condensado. É importante que a quantidade de produtos químicos adicionados à água da caldeira seja medida e controlada cuidadosamente. No correto tratamento químico da água da caldeira, a mesma conterá, em solução, pequenas quantidades de fosfato de sódio e hidróxidos de sódio, introduzidos propositalmente na água da caldeira em excesso para que se combinem com o cálcio e o magnésio. A lama é proveniente da reação química entre o fosfato e material em suspensão, sendo retirada posteriormente por extrações de fundo. O teor de fosfato é determinado somente pelo radical fosfato (PO 4) e pode ser controlado pela adição de adjunct B, e se em concentração excessiva, será retirado por extração de fundo. A alcalinidade representa a capacidade que um sistema aquoso tem de neutralizar (tamponar) ácidos a ele adicionados. Esta capacidade depende de alguns compostos, principalmente bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos. A alcalinidade é determinada através da titulação. A alcalinidade pode ser expressa das seguintes maneiras: Alcalinidade parcial (Alcalinidade P). É determinada por titulação com ácido forte em presença de fenolftaleína (v. alcalinidade total). É geralmente composta por 169

íons carbonato (CO ) e bicarbonato (HCO ), agindo como um estabilizador do valor 3

2-

3

de pH. A alcalinidade total da água representa a concentração total de bases, dependendo da presença de sais de ácidos fracos, carbonatos, em especial dos bicarbonatos em solução e hidróxidos, ocasionalmente dos silicatos e fosfatos, indicando na verdade a presença maior ou menor de sais dissolvidos ou não. Pode-se dizer, simplesmente, que a alcalinidade indica a presença de sais minerais dissolvidos na água, em microgramas por litro (mg/l). A alcalinidade parcial e total pode ser controlada adicionando-se ameroid GC (hidróxido de sódio) ou dando-se extrações no caso de a concentração do carbonato de cálcio estiver acima do permitido. Havendo uma grande variedade de compostos alcalinos na água da caldeira, a alcalinidade parcial será expressa em termos do carbonato de cálcio (CaCO 3) e a alcalinidade total deve ter concentração menor que duas vezes à da alcalinidade parcial. O teste de dureza é empregado para determinar a quantidade total dos sais mais

comuns formadores

de

incrustações.

É complemento

do

teste

de

alcalinidade,pois indica se a reserva de elementos químicos normalmente fornecidos pelo tratamento da água de alimentação,tem sido ou não suficientes para neutralizar todos os sais formadores de incrustração. Os principais sais ocasionadores de incrustações são o sulfato de magnésio (MgSO 4) e o sulfato de cálcio (CaSO4). O teste de cloretos detecta a concentração dos íons cloretos na água da caldeira que ocasiona a dissolução da camada protetora de magnetita do metal da caldeira e inibe a sua formação. O cloreto também provoca a formação de pittings devido à corrosão. O cloreto é danoso a instalação por causar corrosão em componentes de aço inoxidável do sistema de propulsão. O aço inoxidável sob tensões, estando sujeito ao cloreto e ao oxigênio, sofre uma ruptura de seus cristais. Havendo a contaminação da água da caldeira pela água do mar, a concentração de cloretos aumenta. Este íon pode ser conduzido pelo vapor saturado do tubulão superior em direção ao superaquecedor da caldeira, onde se depositará nas superfícies dos tubos. Se o superaquecedor for composto de tubos de aço inoxidável, como ocorre frequentemente, o processo corrosivo tem inicio ocasionando a falha dos tubos.

170

O cloreto de sódio (NaCl) causa projeção, e o cloreto de magnésio (MgCL 2) ocasiona a corrosão ácida e incrustações. O controle dos cloretos é feito através de extrações. O oxigênio dissolvido, ao entrar na água da caldeira, ocasiona inicialmente uma corrosão localizada e a formação de “pitting” no metal do feixe tubular. O oxigênio (O2) dissolvido na água da caldeira reagirá com o ferro (Fe) existente nas partes metálicas do lado da água da caldeira em pontos da superfície que funcionam como anodos. O ferro se dissolverá e formará o hidróxido de ferro [Fe (OH) 2]. Parte do hidróxido de ferro é transformado em óxido de ferro hidratado (Fe 2O3H2O). A reação do óxido de ferro com o óxido de ferro hidratado forma o óxido de ferro (Fe 3 O4), de coloração escura, conhecida como magnetita (Fe3O4). A magnetita reage com o oxigênio (O2), resultando em um óxido de ferro de coloração avermelhada (Fe 2O3). O ataque do oxigênio continua por um período de tempo, e o ferro existente no metal base é dissolvido,formando uma crosta de oxigênio ativo em vários pontos da superfície metálica. O aparecimento de diversas protuberâncias na superfície do metal é característico do ataque do oxigênio ativo. A protuberância possui uma casca dura de coloração marrom-avermelhada. E cria a atmosfera necessária para o surgimento de “pitting” no metal da caldeira. As figuras 116-a; b; c e d ilustram o que foi dito.

171

Figura 116 - Ação do oxigênio dissolvido nos tubos da caldeira aquatubular. Fonte: Garcia, AMRJ. Influência da qualidade da água de alimentação.

A eliminação do oxigênio dissolvido é feita pela adição de hidrazina (N 2H4) ou sulfito de sódio (Na2SO3). O sulfito de sódio é utilizado em geradores de baixa e média pressão. A hidrazina reduz a corrosão das superfícies de ferro, tornando-as menos suscetíveis a corrosão, devendo ser alimentada continuamente na caldeira. Um produto químico frequentemente utilizado é a amerzine. Finalmente, deve ser feita uma dosagem de líquido coagulante para condicionar sólidos em suspensão (lodo e lama) para remoção por extrações. A dosagem dos produtos químicos deve ser feita de acordo com o resultado dos testes da amostra da água da caldeira. O pH do condensado é importante para evitar a corrosão das linhas de condensado, pois o metal que é dissolvido por condensados corrosivos, será circulado até o tanque de inspeção e drenos, e voltará à caldeira, ocasionando depósitos de lama. O pH recomendado para o condensado é de 8.3 a 8.5, podendo ser controlado com dosagens adequadas de ameroid SLCC-A. A título de ilustração, mostramos uma tabela recomendada pela Drew produtos químicos, para caldeiras marítimas operando de 32 até 60bar. 172

Tabela 5 - Testes e limites aceitáveis para a água da caldeira. Testes de controle Fosfato

Limites (ppm) 20-40 Acima de 20-40 32 a 42 bar

Alcalinidade parcial

130-180 Acima de 180 42 a 60 bar

(fenolftaleína)

90 a 120 Acima de 120 Alcalinidade total(T)

< 2x(Alcalinidade parcial) 0.10-0.15 Acima de 0.15 Máximo de 36

Hidrazina Cloretos

Meios de ajuste AdjuntcB Extrações G.C Extrações G.C Extrações G.C Extrações Amerzine Reduzir em 25% Extração

Tabela 5 - Testes e limites aceitáveis para a água da caldeira. (Continuação) Testes de controle

pH do condensado

Óleo e lama

Limites (ppm) 1-2gotas de ácido sulfúricoN/10 sulfúrico Não aparecimento da cor rosada Aparecimento da cor rosada a mais de 2 gotas de ácido Dosagem diária de 0,25 litros por caldeira

Meios de ajuste Manter a dosagem de SLCC-A Aumentar a dosagem em 25%

Reduzir a dosagem em 25% Extrações

4.9.4 Lavagem e secagem da caldeira Em geral existem dois procedimentos aprovados para lavagem com água: a) utilização de uma lança d’água; e b) utilização de injetor d’água a vapor. Preparação para a lavagem 1- Abrir ou remover as portas de acesso e painéis para ter acesso ao lado do fogo e drenagens das áreas em tornos das tubulações e coletores. A fornalha deverá ser drenada por meio de um furo de drenagem no piso. Acionar a bomba de esgoto e incêndio para esgotar para o separador água óleo a água da lavagem. 2- Instalar proteções de lonas ou calhas, onde possível, para reduzir o encharcamento do refratário e da própria caldeira. Para a lavagem do economizador, 173

a caldeira pode ser protegida com a lonagem sob o economizador, e direcionando a água pelo invólucro lateral. Proteger as fiadas de refratários ao longo dos tubulões de água, para evitar que a água adentre entre o refratário e o tubulão. 3- A mangueira utilizada para água quente deve ser mangueira metálica reforçada para vapor, segundo as especificações do fabricante da caldeira. Ligar a devida mangueira entre a fonte de água quente e uma das bombas de alimentação de emergência ou de porto.O pessoal que estiver manuseando lanças d’água ou de vapor ou injetores de água devem estar equipados com luvas, óculos roupa impermeável, máscara respiratória contra poeira tóxicas e outros equipamentos que se fizerem necessários para evitar queimaduras por água quente e quaisquer efeitos de toxicidade da água da lavagem.Dispor de papel de tornassol para testar a acidez da água que escorre da lavagem: o papel de tornassol torna vermelho o ácido proveniente das incrustações e da fuligem. 4- Proteger com lona o equipamento e a maquinaria capaz de ser respingada durante a lavagem. Ter em mãos uma lança de ar comprimido para utilizar na retirada das incrustações desagregadas pela lavagem. Se a caldeira não estiver adequadamente protegida, tudo que estiver abaixo do ponto de lavagem inicial deve também ser cuidadosamente lavado para evitar a possibilidade de corrosão ácida. Processo de lavagem Começar a lavagem na parte de cima e progressivamente ir descendo ao longo das fiadas dos tubos. A água que escorrer do aquecedor do economizador, pela bancada dos tubos geradores, ajudará a amolecer os depósitos de escórias nas partes inferiores. Na lavagem dos economizadores, manter o jato d’água a uma pressão de 150 a 200 psi, na parte superior dos tubos até que as superfícies do economizador estejam limpas. Repita o jateamento até que uma limpeza adequada tenha sido obtida em todo o economizador. Na lavagem dos superaquecedores, utilizar a lança d’água nas diversas partes do superaquecedor, pela fornalha ou pelos invólucros (desde que os painéis de acesso estejam retirados). Na lavagem dos tubos geradores, utilizar as lanças d’água nas diversas partes da bancada. O acesso pode ser conseguido por dentro da fornalha, pelos

174

invólucros da frente e do fundo (com as retiradas dos painéis do invólucro) ou pelo lado extremo lateral das bancadas. Os tubos da parede d’água lateral e do fundo não devem ser lavados. Ao término da lavagem, verificar, com papel de tornassol, a acidez da água drenada. Enxaguar as áreas dos invólucros e porões que estiveram em contato com a água de lavagem a fim de evitar a corrosão. Secagem da caldeira 1- Logo após o término da lavagem, drene todo excesso de água da caldeira e remova o depósito de incrustações dos tubulões, cantos do invólucro e refratário. Refaça as ligações das redes dos aparelhos de ramonagens. 2- Fechar a caldeira totalmente, prepará-la para acendimento utilizando o pulverizador base, de pulverização mecânica. 3- Após quinze minutos acesa. apague o queimador por um tempo de vinte minutos,a fim de permitir a evaporação lenta da umidade do refratário. Utilize os queimadores em sequência observando os períodos alternados de acender e apagar, durante 5 horas. 4- Mantenha a caldeira inativa durante uma hora para secagem ao ar, e então acender até a pressão de trabalho, quando então já estará vaporizando e pronta para entrar na linha. 5- Durante o período de secagem, os superaquecedores devem ser protegidos de maneira usual, ou seja, pela válvula de proteção do superaquecedor. 6- Durante o período de secagem, é boa norma isolar a caldeira e abrir a fornalha para a inspeção do refratário. Observar cuidadosamente as fiadas do refratário ao longo dos tubulões de água, e ainda a qualquer alerta de contração excessiva ou avaria causada por evaporação violenta da água estranha no refratário. Quando houver utilização da caldeira em viagem, manter rigorosa vigilância até certificar-se de que o refratário não sofreu nenhum dano. 4.10 Possíveis defeitos, suas causas e respectivas soluções Neste trabalho, estudaremos os seguintes defeitos usuais em operação de caldeiras: a) fumaça branca na chaminé, chama de coloração branca e brilhante; b) fumaça negra na chaminé com a coloração da chama avermelhada; 175

c) disparos constantes das válvulas de segurança; c) falta de chama; d) alta temperatura no superaquecedor; e) baixa temperatura no superaquecedor; f) baixa pressão do vapor; g) alta temperatura na chaminé; h) baixa temperatura na chaminé; i) gases de combustão invadindo o compartimento das caldeiras; j) falsa indicação da pressão e temperatura de pressão no CCM; e k) avaria na parede da fornalha.

A tabela 4.4 iustra os defeitos, suas causas e soluções apontadas Tabela 6 - Defeitos, causas e soluções em operação de caldeiras. Defeito

Causa

Soluções gradativamente

Reduzir

a

admissão do ar, observando a mudança

na

coloração

da

chama. Ao reduzir-se a quantidade de ar,

Chama de coloração branca e brilhante, com tamanho relativamente curto e fumaça na

observar

os

gases

na

Combustão com excesso de ar

chaminé. Quando se observar o ínício de

além do normal.

fumaça negra na chaminé,parar

chaminé de coloração branca.

a redução e voltar a aumentar gradativamente

a quantidade

de ar, até que a fumaça se torne levemente uma névoa de coloração Fumaça

negra

incandescentes com

chama

e

fagulhas

na

chaminé, coloração

de

de

periscópio

de

fumaça, conforme ilustrado na figura 117)

a

azulada, quase invisível. Aumentar gradativamente

a

Combustão com insuficiência de

quantidade

a

ar.

coloração negra atingir a cor

avermelhada. (Nota: observado através

cinza–claro

de

ar,até

óleo

normal(cinza clara a azulada). Verificar e reparar o sistema de

combustível,impedindo a correta

aquecimento e o aquecedor de

pulverização

óleo combustível.Em seguida,

Baixa

temperatura

do

devido

à

viscosidade do óleo não estar

efetuar

a

regulagem

da

176

adequada. Fuga de ar através de um registro fora de serviço. Alta temperatura no superaquecedor.

quantidade de ar. Reparar a vedação.

Excesso de ar acima do permitido. Temperatura da água de

Regular o registro. Verificar sistema de aquecimento

alimentação muito baixa. Feixe tubular da caldeira com muita

da água.

fuligem.

Dar ramonagem na caldeira.

Tabela 6 - Defeitos, causas e soluções em operação de caldeiras. (Continuação) Defeito

Causa Pouco excesso de ar. Temperatura da

Soluções Regular o registro de ar. água

de

alimentação da caldeira acima da normal. Umidade excessiva arrastada do tubulão

de

vapor

através

de

projeção. Tubos Baixa temperatura no superaquecedor.

do

Verificar sistema de aquecimento da água. Verificar tratamento da água de alimentação, e

o

controle das

extrações de fundo e superfície. Verificar tratamento da água de superaquecedor

com

alimentação, e

o

controle das

muitas incrustrações internas e

extrações de fundo e de superfície,

Externas.

e, ainda, efetuar ramonagem na caldeira.

Pressão do vapor abaixo do

Alta temperatura na chaminé. Baixa temperatura na chaminé.

normal, devido à grande quantidade

Verificar tratamento da água de

de sólidos ou alcalinidade excessiva

alimentação e o controle das

da água da caldeira. A queda de

extrações de fundo e superfície e,

temperatura

se

também, verificar se os bicos do

aumentar a quantidade de sólidos

maçarico têm o orifício correto para

dissolvidos e a alcalinidade da

a pulverização.

caldeira. Elevado excesso de ar,fuligem na

Reduzir a quantidade de ar,dar

aumentará,

fornalha e preaquecedor de ar. Excesso de ar muito baixo.

ramonagem na caldeira. Reduzir a quantidade de ar,dar

Gases de combustão invadindo o

Selo do aparelho de ramonagem

ramonagem na caldeira. Verificar o ocorrido e substituir o

compartimento das caldeiras. Falsa indicação da pressão e

avariado. Verificar os sensores e seu sinal de

selo. Regular ou trocar os sensores.

temperatura de pressão no CCM.

regualgem. Calor excessivo da combustão no

Verifique se os queimadores estão

Avaria na parede refratária da fornalha.

local da parede refratária. Mal

assentamento

refratários.

dos

tijolos

centrados com a caldeira. Refazer o assentamento, com junta térmica ou cimentos secantes a ar ou ao calor.

177

Estes são os principais defeitos e soluções relacionados pelo autor neste trabalho, existindo muitos outros que, somente a experiência de quarto de serviço, proporcionará ao oficial de máquinas, ao longo dos anos de embarque, a faculdade de reconhecê-las imediatamente e “safá-los” correta e prontamente. A figura 117 ilustra um periscópio de fumaça utilizado para verificação da cor da chama de caldeiras de alta pressão.

Figura 117 - Periscópio de fumaça para verificar a cor da fumaça da chaminé.

4.11 Principais testes realizados durante uma inspeção na caldeira de alta pressão Neste trabalho, descreveremos os seguintes testes aplicados às caldeiras: a) teste hidrostático; b) teste das válvulas de segurança; 178

c) medição da espessura dos tubos; d) testes clássicos para evidenciar descontinuidades em partes pressurizadas e estruturais; e) testes de alarmes das caldeiras; e e) testes metalográficos de tubos em laboratório. 4.11.1 Teste hidrostático (NR-13) O teste de pressão hidrostática (com valor normalizado de sobrepressão, e seguindo procedimentos de teste também padronizados no código de projeto da caldeira) permite verificar a existência de vazamentos e/ou insuficiência de resistência da unidade. Embora somente exigível pelas normas genéricas para caldeiras, na inspeção inicial e após execução de reparos e/ou vazamentos em partes pressurizadas, o teste hidrostático é imprescindível por ocasião das inspeções periódicas, no caso de caldeiras de recuperação. A pressão de teste hidrostático recomendada é de 1,5 vezes superiores à máxima admissível de trabalho, e feita em navios a cada 5 anos ou em casos de avarias de reparos de tubos. Recomenda-se o procedimento a seguir 1- Travar as válvulas de segurança. 2- Fechar todas as válvulas da caldeira, exceto a torneira de ar, as dos indicadores de nível, e dos manômetros e a da rede através da qual vai ser aplicada a pressão hidráulica. 3- Encher a caldeira com água doce (pressurizar por meio das bombas de alimentação) utilizando água desmineralizada, fria (15 a 40 °C). 4- Utilizar manômetro-padrão aferido, instalado no balão de vapor. 5- Elevar a pressão até o valor da pressão de regime, e manter esta pressão até que a caldeira e seus acessórios tenham sido inspecionados. Se a caldeira estiver vedada, a queda de pressão não pode ser superior a 10 % em 24 horas. 5.1- Se o vazamento é pela cravação de um tubo, e as gotas d’água se formam vagarosamente, não é necessário refazer a cravação. Esses vazamentos reduzirão quando vaporizados. 6- Encher completamente a caldeira, deixando sair todo o ar, e aumente a pressão vagarosamente até uma vez e meia a pressão de regime. Mantenha esta 179

pressão por cerca de 30 minutos, e examine a caldeira a procura de possíveis deformação em suas partes. 6.1- Se for observada qualquer deformação, pare a prova. 6.2- Se os necessários reparos não forem possíveis, deve ser feito nova prova com aumentos progressivos de 1,5 bar até a pressão que demonstrou a deformação. 6.3- Se esta prova der bom resultado, a nova pressão de trabalho deverá ser de 2/3 da pressão hidráulica aplicada, e as válvulas de segurança devem ser calibradas para essa nova pressão. 7- Recomenda-se que, após o reparo, seja feita uma nova prova com 1,25 vezes a pressão de trabalho. 8- Havendo vazamento em algum componente, providenciar o reparo da avaria e realizar novo teste. 4.11.2 Teste das válvulas de segurança Válvulas de segurança da caldeira são dispositivos de proteção que atuam em determinada pressão acima da pressão de trabalho da caldeira. Embora recebam adequada manutenção, e sejam suficientes em termos de vazão, as válvulas de segurança devem ainda ser testadas anualmente, com foco na sua calibração e funcionamento adequado. A pressão de abertura e o diferencial de alívio devem estar em estrita conformidade com as especificações do fabricante, com o código de projeto da caldeira e com a legislação vigente. A abertura das válvulas deve ser em disparo único, sem apresentar batimento ou trepidação. Além de estarem isentas de vazamentos perceptíveis quando da operação normal da caldeira. O teste das válvulas de segurança, assim como sua desmontagem e revisão anuais, são mandatórios pela legislação vigente (NR-13). As seguintes recomendações gerais para teste convencional de válvulas de segurança devem ser seguidas: a) iniciar o teste pela válvula de segurança de ajuste mais alto; b) a cada válvula testada, as demais deverão estar travadas; c) se necessários ajustes, disparar a válvula em questão no máximo 5 vezes seguidas. 180

Nesta situação, nova tentativa deverá ser feita somente após 6 horas; d) quando abrir uma válvula de segurança, o operador deverá apagar um queimador e liberar vapor pela válvula de alívio; e) todos os manômetros devem estar aferidos; f) aceita-se uma tolerância de ± 1 kgf/cm2 no valor de abertura da válvula de segurança; g) testes de acumulação não devem ser executados em caldeiras providas dessuperaquecedores. 4.11.3 Medição da espessura de tubos Medições ultrassônicas de espessura periódicas são essenciais para controlar a vida útil dos tubos, detectar desgastes anormais e confirmar a Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) da unidade. O plano de medição de espessura deve ser individualizado para cada caldeira, levando-se em conta sua concepção, idade, histórico de corrosão, etc. As medições de espessura devem ser sempre seguidas de uma cuidadosa inspeção visual quanto a perdas de material dos tubos, por exemplo, com o uso de uma lanterna em ângulo. As medições são feitas em um arranjo lógico de localizações (exemplo: a cada 6 metros, de 5 em 5 tubos), resultando em uma densidade de medições adequada a cada caso, e para cada parte da caldeira. Vários milhares de pontos podem ser necessários em uma inspeção, para proporcionar uma adequada avaliação da unidade. O arranjo de medições deve ser feito de tal forma que permita boa repetição dos ensaios em inspeções subseqüentes. Geralmente, as medições de espessura são feitas a cada ano. 4.11.4

Testes

clássicos

para

evidenciar

descontinuidades

em

partes

pressurizadas e estruturais Os

ensaios

não-destrutivos

clássicos

são

usados

para

evidenciar

descontinuidades em partes pressurizadas e estruturais. Dentre os ensaios não destrutivos usados em caldeiras, ressaltamos os seguintes: a) líquidos penetrantes nos tubos da fornalha e nas portas de ar de combustão, e demais aberturas da fornalha baixa, onde a experiência tenha mostrado uma incidência apreciável de trincas. Os tubos podem sofrer trincas, tanto de corrosão 181

sob tensão fraturante (SCC) como de fadiga térmica. É portanto, importante executar o ensaio por líquidos penetrantes em todos os locais de maior concentração de tensões. b) radiografia para controle da qualidade de soldas de manutenção em partes pressurizadas. É necessário radiografar 100% das soldas executadas em tubos de água na região da fornalha, assim como em quaisquer outras localizações que teoricamente possam originar vazamentos para a fornalha. 4.11.5 Testes de alarmes das caldeiras Os testes a bordo de alarme de nível baixo e alto, baixa pressão de óleo combustível, baixa pressão de ar da fornalha, pressão de vapor de corte da combustão, e falha do ventilador de tiragem forçada, deverão ser executados semanalmente pelo CHEMAQ, para providências e reparo. 4.11.6 Teste metalográfico de tubos da caldeira Uma amostra dos tubos deve ser retirada e levada para laboratório especializado, para confirmar se houve falha estrutural na estrutura metelográfica do metal do tubo. 4.12 Operação de bujonamento de tubos furados Os tampões para tubos são incluídos nas ferramentas do navio para permitirem o tamponamento de tubos avariados, até que possa ser feita a substituição dos mesmos. Uma caldeira pode funcionar com segurança, com vários tubos tamponados.Os tampões são furados e roscados de acordo com o parafuso usado pelo diâmetro interno do extrator do tampão. Um tubo tamponado da parede d’água, ou um tubo de 2 polegadas da caldeira, que tem acesso razoável, deve ser substituído na primeira oportunidade, enquanto que um tubo de 1 ¼ polegadas deve ser deixado tamponado indefinidamente. As figuras 118 a 120 ilustram os tampões comumente utilizados em tubos de caldeiras aquatubulares.

182

Figura 118 - Dimensão típica de um bujão para tubo de caldeira.

Figura 119 - Bujão de diversos diâmetros para tubos de caldeiras. Fonte:ES GROUP INC,Expansion Seal Technologies,2010.

Figura 120 - Bujão de expansão com anel de vedação. Fonte:Powerfect.com,Mechanical Seal plugs,2010.

O bujonamento de tubos furados de uma caldeira aquatubular é realizado da seguinte maneira: 1- Isole a caldeira da linha de vapor; 2- Apague a caldeira; 3- Espere a caldeira esfriar até a temperatura ambiente; 4- Abra as portas de visita da fornalha e procure uma área de tubos por onde existem vazamentos; 5- Localizada a área de tubos com vazamentos, se o vazamento for nos tubos geradores e paredes d’água, drene a caldeira e abra as portas de visita dos tubulões superior e inferior, desmontando todos os seus acessórios e as chapas aparafusadas longitudinais; 183

6- Insira os plugs nas extremidades do tubo com vazamento;

Figura 121 - Início do bujonamento do tubo da caldeira.

6.1- Após a inserção do bujão nas extremidades do tubo, aperte a porca do parafuso para permitir a expansão do bujão no tubo;

Figura 122 - Início do aperto da porca do parafuso do bujão.

6.2- Efetuar o aperto final até que o bujão faceie e vede a extremidade do tubo; e

Figura 123 -Término do aperto da porca do parafuso do bujão.

7- Após o bujonamento, recoloque todos os componentes dos tubulões de água e vapor, encha a caldeira até o nível de trabalho, faça a inspeção de vazamentos, e estando tudo ok, acenda a caldeira novamente. Observação: o bujonamento de tubos de uma caldeira é um trabalho demorado e requer muita atenção do seu executor; este tem de ser profissional com bastante experiência neste tipo de serviço. 184

4.13 Procedimentos para a substituição e o mandrilamento de tubos nas caldeiras 4.13.1 Preparação da manobra 1- Isole a caldeira da linha de vapor. 2- Apague a caldeira. 3- Espere a caldeira esfriar até a temperatura ambiente. 4- Abra as portas de visita da fornalha e procure uma área de tubos por onde existem vazamentos. 5- Abra as portas de visita dos tubulões superior e inferior, desmontando todos os seus acessórios e as chapas aparafusadas longitudinais. 4.13.2 Retirada dos tubos 1- Trabalhando no interior dos tubulões corte e amolde as extremidades dos tubos até que os mesmos possam ser retirados pelo orifício do tubo; limpe cuidadosamente os orifícios dos tubos. 1.1- Tubos facilmente acessíveis podem ser cortados a 5 cm do tubulão, sendo que o restante pode ser retirado pela parte interna ou externa do tubulão. 4.13.3 Colocação de tubos novos Os tubos sobressalentes devem estar colocados em um local onde não possam ser atingidos e danificados. Cada tubo deverá ser inspecionado pelo menos uma vez por ano ou mais frequentemente, se as condições de armazenamento não forem das mais satisfatórias, para verificar se existe ou não corrosão.O exterior eo interior dos tubos das caldeiras sobressalentes devem ser protegidos por uma camada antióxido, podendo ser aplicada exteriormente, através de borrifos ou pintura. O seguinte procedimento é utilizado para a substituição de tubos: 185

1- limpe as extremidades do novo tubo com lixa, limpando também a parte interna para a retirada da camada de proteção, utilizando uma vara cilíndrica sólida revestida na extremidade com pano molhado em querosene, seguida de jato de vapor por meio de mangueira. 2- Passe os tubos pelos orifícios, prendendo-os na posição correta. 2.1- As extremidades dos tubos devem se projetar do tubulão 10±3 mm, para permitir a expansão através dos expansores de tubos. Mandrilamento dos tubos Para cravar os tubos já passados nos orifícios dos tubulões, usam-se os mandris. Esta ferramenta consta essencialmente de roletes,do corpo, e do alargador. Os roletes são alojados em ranhuras existentes no corpo e podem girar livremente,sendo dispostos de modo a tomarem a posição conveniente quando o mandril é inserido. A figura 4.16 ilustra um mandril típico de caldeira. O alargador é cônico e quando introduzido no corpo e girado, expande os roletes. Na escolha do mandril apropriado para expandir os tubos, é importante considerar a espessura do tubulão.Uma regra prática pode ser utilizada, considerando os roletes de comprimento 3/8 polegadas maior que a espessura do tubulão ou espelho onde se localizam os orifícios, para assegurar uma cravação eficiente.

Figura 124 - Mandril para colocação de tubos de caldeiras. Fonte: Bhartiya Industries, Boiler tube expander, 2010.

Para o mandrilamento dos tubos, o seguinte procedimento é utilizado: 1- Assente o tubo de maneira a obter uma projeção adequada da superfície dos espelhos ou dos tubulões, mantendo-o firmemente no local, até que a extremidade do tubo esteja bem firme no seu orifício.

186

2- Com uma chave manual apropriada, ou acionamento elétrico, pneumático ou hidráulico (dependendo do tipo de mandril), gire o mandril tomando o cuidado de não expandir mais do que o necessário. 2.1- Ter atenção especial em relação aos rodetes, pois se o expansor começar muito afastado do tubo, ele fará uma boca muito grande antes da fixação do tubo. 3- Pare o rolamento (giro), quando o tubo tiver uma boca suficiente e ainda não está fixado, retirando um pouco o expansor antes de completar o rolamento. 3.1- Os tubos podem ser expandidos o bastante de modo a obter vedação durante o teste hidrostático. 3.2- Um rolamento excessivo causa uma redução na espessura dos tubos e produz uma junção fraca. A figura 4.17 ilustra o processo de mandrilamento dos tubos. 4- Complete a cravação observando o tipo de fixação dos tubos da caldeira conforme ilustrado na figura 4.18. 5- Após a substituição, a caldeira deverá ser submetida a um teste hidrostático

e,

se

aprovada,

colocada

novamente

em

funcionamento;

se

desaprovada e apresentar vazamentos nas cravações ou nos tubos, refazer o processo.

Figura 125 - Processo de mandrilamento dos tubos. Fonte:Kohan, Boiler Operator’s Guide,McGraw-Hill,Fourth Edition,1998.

187

Figura 126 - Formas permitidas de cravação nos tubulões ou espelhos. Fonte:Parthiban,Literature on Boiler Tube Fit Up By Expanding,2006.

4.14 Propósitos das extrações de superfície e de fundo Determinadas impurezas encontradas na água da caldeira devem ser retiradas por extrações. As extrações de uma caldeira marítima podem ser de superfície e de fundo. A extração de superfície é para eliminar a concentração excessiva de impurezas de sólidos dissolvidos na superfície da água do tubulão de vapor, sendo retiradas pelo tubo e respectiva válvula de extração de superfície. O objetivo da extração de fundo é dar extração na caldeira, para a remoção de incrustrações ou outros depósitos sólidos, que possam nela penetrar com a água de alimentação. Estes depósitos se acumulam na parte mais baixa da caldeira, podendo ser removidos por extração de fundo. 4.15 Cuidados utilizados na observação antes e durante as extrações de superfície e de fundo em uma caldeira Antes de realizar-se a extração de superfície, deve ser tomado cuidado em manter a pressão dentro da caldeira no mínimo, cerca de 2 bar acima da pressão da água do mar na válvula do costado. Se isto não for feito, pode ocorrer refluxo de água do mar para dentro da caldeira. Durante a extração de superfície, abrir a válvula vagarosamente para evitar arraste da massa d’água, e observar o nível d’água no tubulão de vapor. Na rede de extração de fundo, existem válvulas de proteção da válvula de descarga para o mar. Portanto, antes de se realizar a extração de superfície, 188

verificar se a válvula protetora está vedando, para evitar fugas de vapor provenientes da caldeira para o interior da rede de extração, e para o interior de uma caldeira apagada, cuja válvula de extração de fundo não esteja vedando carga do mar para a caldeira. Antes de dar a extração de fundo, verifique se a válvula está vedando. Não efetuar extração de fundo com a caldeira fria e sem vapor. Durante a extração de fundo, observar a pressão de vapor no tubulão de vapor, abrindo primeiramente a válvula do costado para o mar, a de proteção e finalmente a de extração de fundo. Nas paredes d’água, nunca dar extração de fundo, enquanto a caldeira está em atividade, por causa da circulação da água no interior dos tubos, que pode ser temporariamente interrompida, podendo avariar os tubos. Estas válvulas têm seus volantes removidos e só utilizados por ordem do Chefe de Máquinas do navio. 4.16 Retirada de serviço de uma caldeira de alta pressão com queimador a óleo combustível Os seguintes procedimentos são recomendados para a retirada de uma caldeira de alta pressão de operação. 1- Dar ramonagem se as condições o permitirem. 2- Apagar os queimadores um por vez, obedecendo à rotina de serviço implantada para as caldeiras. 3- Manter o ventilador de tiragem forçada, até que todo o vapor de óleo combustível e os gases da combustão sejam expelidos da fornalha. 4- Fechar os registros de ar, pare o ventilador, e feche as portinholas. 5- Manter o nível d’água no valor recomendado. 6- Se necessário for, a caldeira pode ser mantida de prontidão, acendendo-se ocasionalmente um queimador para manter a pressão entre 3 a 7bar abaixo da de regime. 6.1- Lembrar de abrir a válvula de proteção do superaquecedor antes de acender o queimador. 7- No caso das duas caldeiras serem retiradas de serviço, será necessário encher toda a rede com óleo diesel.

189

7.1- Uma bomba de óleo pesado deve ser mudada para óleo diesel, antes de a última caldeira ser retirada da linha. 8- Isolar os queimadores de óleo pesado, e o óleo diesel pode contornar o aquecedor de óleo pesado para os queimadores. 9- Quando os queimadores estiverem queimando óleo diesel, a rede de óleo pesado deve ser isolada. 10- Fechar as válvulas de comunicação principal, auxiliar, e as do dessuperaquecedor interno. 11- Abrir somente um pouco a válvula de extração de ar, para que a pressão não caia rapidamente. 12- Encher a caldeira com água até 12 cm acima do nível normal. 13- Quando a pressão de vapor se reduzir à pressão atmosférica, abrir totalmente a válvula de extração de ar. 14- Quatro a cinco horas que os queimadores foram apagados, acionar o ventilador para ajudar o resfriamento da fornalha. 14.1- Não drene nem alimente a caldeira com água fria para resfriá-la. 15- Colocar os avisos de segurança de CALDEIRA ISOLADA E FORA DE SERVIÇO. 4.17 Cuidados com a caldeira fora de serviço. As caldeiras que irão ficar fora de serviço devem ser cuidadosamente tratadas e observadas de modo a reduzir ao mínimo qualquer tendência à corrosão das partes sujeitas a pressão. A caldeira que ficar fora de serviço por mais de uma semana, deverá ficar cheia dágua ou vazia, devendo ficar com o lado do fogo inteiramente limpo, já que a fuligem na superfície do lado do fogo absorverá a umidade e provocará corrosão externa. A conservação da caldeira fora de serviço pode ser feita de duas maneiras: a) método da caldeira cheia dágua; e b) método da caldeira seca. 4.17.1 Método da caldeira cheia O método da caldeira cheia é preferível, pois requer menos preparativos, podendo a caldeira retornar ao serviço rapidamente. Neste método, quando a 190

caldeira estiver esfriando, deve-se injetar uma quantidade adicional de produtos químicos adequados, caso seja necessário elevar a alcalinidade da água da caldeira a um mínimo recomendado pelo fabricante. A água da caldeira deve estar alcalina para dar a proteção adequada à corrosão,

devendo-se

drenar

todo

o

condensado

do

superaquecedor

e

dessuperaquecedor. As válvulas de drenagem devem ser abertas com a caldeira esfriando na pressão recomendada pelo fabricante. Quando a pressão se tornar igual à da caldeira, fechar as drenagens do superaquecedor, deixando as válvulas de suspiro abertas. Em seguida, encha a caldeira com água até que a mesma saia pelo suspiro do superaquecedor; feche, então, estas válvulas. Continuar enchendo a caldeira, até que a pressão atinja 4 a 5 bar (ou outra recomendada pelo manual). Verifique com atenção esta pressão até que a caldeira tenha se esfriado à temperatura da praça de máquinas, purgando a água pelos suspiros da caldeira e superaquecedor, até que a pressão na caldeira esteja a 3 bar(mantendo a caldeira cheia sob pressão). 4.17.2 Método da caldeira seca Logo após a caldeira ter sido retirada de serviço, esgote a caldeira enquanto ela está ligeiramente aquecida. Abra a caldeira ventilando-a, até secá-la completamente. Abra as portas de visita do tubulão dágua, dos coletores da parede dágua, e inferior do superaquecedor para certificar-se que não existe água. Uma boa prática em caldeiras aquatubulares é fazer um pequeno fogo com carvão na fornalha, para retirar toda a umidade da caldeira. Quando a caldeira estiver completamente seca, coloque nos tubulões cal virgem, recoloque as portas de visita, feche todas as entradas de ar para a fornalha, e recoloque a capa de chaminé.

191

5 LEGISLAÇÃO E NORMALIZAÇÃO 5.1 Importância das normas regulamentadoras A importância das normas regulamentadoras refere-se ao fato de se estabelecer os procedimentos obrigatórios nos locais onde se localizam os vasos de pressão e caldeiras de qualquer tipo, além de fixar as condições exigidas para o acompanhamento de operação, manutenção, inspeção, e supervisão de vasos de pressão em conformidade com a regulamentação profissional vigente no País. 5.2 Elementos poluentes decorrentes da operação da caldeira Este item foi tratado detalhadamente no parágrafo 2.13, e aqui enfatizado para reforço da aprendizagem e estudo da norma regulamentadora NR-13. Conforme já visto, os gases emitidos na chaminé das caldeiras são o resultado da combustão do ar com o combustível que adentra a fornalha. Esta mistura gasosa, comumente denominada gases da combustão, é composta de CO 2, CO, H2, O2, NOx, SO2 e cinzas (carbono não queimado oriundo do combustível). A formação de NOx ocorre devido à combustão de gás natural e outros combustíveis gasosos que contêm nitrogênio e oxigênio em sua composição química. O monóxido de carbono (CO), altamente tóxico, ocorre principalmente da alta temperatura dos gases, deficiência de ar na combustão, e do desprendimento de resíduos da câmara de combustão (fornalha). Os óxidos de nitrogênio NOx (NO e NO2), quando em quantidades excessivas, provocam a formação de acido nítrico (HNO3), causando a formação de chuva ácida com a destruição da camada de ozônio. Podem ser formados através do nitrogênio do combustível (pouco significativo), e do nitrogênio do ar. Os óxidos de enxofre SO2, quando na presença de pentóxido de vanádio (catalisador) é transformado em SO3. Este SO3, quando em presença de água (vapor) forma acido sulfúrico (zona fria). O SO3, em presença de sulfatos alcalinos, forma escorias (zona quente). O combustível para as caldeiras deve então possuir baixo teor de enxofre.

192

5.3 Norma regulamentadora 13 (NR-13) Na CLT, encontramos os seguintes artigos, inframencionados. Art.187.: As caldeiras, equipamentos e recipientes em geral que operam sob pressão, deverão dispor de válvulas e outros dispositivos de segurança, que evitem seja ultrapassada a pressão interna de trabalho compatível com sua resistência. Art.188.: As caldeiras serão periodicamente submetidas a inspeções de segurança, por engenheiro ou empresa especializada, inscritos no Ministério do Trabalho (...). Parágrafo 1º.: Toda caldeira será acompanhada de “Prontuário, com documentação original do fabricante, abrangendo, no mínimo: especificação técnica, desenhos,detalhes, provas e testes realizados durante a fabricação e a montagem,características funcionais e a pressão de trabalho permitida (PMTP), (...) indicada, em local visível, na própria caldeira. Parágrafo 2º.: O proprietário da caldeira deverá organizar, manter atualizado e apresentar,quando exigido pela autoridade competente, o Registro de Segurança, no qual serão anotadas, sistematicamente, as indicações das provas efetuadas, inspeções, reparos e quaisquer outras ocorrências. Parágrafo 3º.: Os projetos de instalação de caldeiras, fornos e recipientes sob pressão deverão ser submetidos à aprovação prévia do órgão regional competente em matéria de segurança do trabalho. Nos itens 13.1 a 13.1.3, a NR-13 define caldeira a vapor e dá algumas disposições gerais, como o conceito de profissional habilitado para projeto de construção, acompanhamento, operação e manutenção, inspeção e supervisão de inspeção de caldeiras e vasos de pressão. 13.1 Caldeiras a vapor - disposições gerais. 13.1.1 Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. 13.1.2 Para efeito desta NR, considera-se "profissional habilitado" aquele que tem competência legal para o exercício da profissão de engenheiro nas atividades referentes a projeto de construção, acompanhamento, operação e manutenção,

193

inspeção e supervisão de inspeção de caldeiras e vasos de pressão, em conformidade com a regulamentação profissional vigente no País. 13.1.3 Pressão Máxima de Trabalho Permitida - PMTP ou Pressão Máxima de Trabalho Admissível - PMTA é o maior valor de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. Nos itens de 13.1.4 a 13.1.9 são normalizados a segurança na operação das caldeiras, informações da placa de identificação, a categoria, e a documentação da caldeira. 13.1.4 Constitui risco grave e iminente a falta de qualquer um dos seguintes itens: a) válvula de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior a PMTA; b) instrumento que indique a pressão do vapor acumulado; c) injetor ou outro meio de alimentação de água, independente do sistema principal, em caldeiras de combustível sólido; d) sistema de drenagem rápida de água, em caldeiras de recuperação de álcalis; e e) sistema de indicação para controle do nível de água ou outro sistema que evite o superaquecimento por alimentação deficiente. 13.1.5 Toda caldeira deve ter afixada em seu corpo, em local de fácil acesso e bem visível, placa de identificação indelével com, no mínimo, as seguintes informações: a) fabricante; b) número de ordem dado pelo fabricante da caldeira; c) ano de fabricação; d) pressão máxima de trabalho admissível; e) pressão de teste hidrostático; f) capacidade de produção de vapor; g) área de superfície de aquecimento; e h) código de projeto e ano de edição.

194

13.1.5.1 Além da placa de identificação, deve constar, em local visível, a categoria da caldeira, conforme definida no subitem 13.1.9 desta NR, e seu número ou código de identificação. 13.1.6 Toda caldeira deve possuir, no estabelecimento onde estive instalada, a seguinte documentação, devidamente atualizada: a) "Prontuário da Caldeira", contendo as seguintes informações: - código de projeto e ano de edição; - especificação dos materiais; - procedimentos utilizados na fabricação, montagem, inspeção final e determinação da PMTA; - conjunto de desenhos e demais dados necessários para o monitoramento da vida útil da caldeira; - características funcionais; - dados dos dispositivos de segurança; - ano de fabricação; e - categoria da caldeira; b) "Registro de Segurança", em conformidade com o subitem 13.1.7; c) "Projeto de Instalação", em conformidade com o item 13.2; d) "Projetos de Alteração ou Reparo", em conformidade com os subitens 13.4.2 e 13.4.3; e e) "Relatórios de Inspeção", em conformidade com os subitens 13.5.11, 13.5.12 e 13.5.13. 13.1.6.1 Quando inexistente ou extraviado, o "Prontuário da Caldeira" deve ser reconstituído pelo proprietário, com responsabilidade técnica do fabricante ou de "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2, sendo imprescindível a reconstituição das características funcionais, dos dados dos dispositivos de segurança e dos procedimentos para determinação da PMTA. 13.1.6.2 Quando a caldeira for vendida ou transferida de estabelecimento, os documentos mencionados nas alíneas "a", "d", e "e" do subitem 13.1.6 devem acompanhá-la. 13.1.6.3 O proprietário da caldeira deverá apresentar, quando exigido pela autoridade competente do órgão regional do Ministério do Trabalho, a documentação mencionada no subitem 13.1.6. 195

13.1.7 O "Registro de Segurança" deve ser constituído de livro próprio, com páginas numeradas, ou outro sistema equivalente onde serão registradas: a) todas as ocorrências importantes capazes de influir nas condições de segurança da caldeira;e b) as ocorrências de inspeções de segurança periódicas e extraordinárias, devendo constar o nome legível e assinatura de "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2, e de operador de caldeira presente na ocasião da inspeção. 13.1.7.1. Caso a caldeira venha a ser considerada inadequada para uso, o "Registro de Segurança" deve conter tal informação e receber encerramento formal. 13.1.8 A documentação referida no subitem 13.1.6 deve estar sempre à disposição para consulta dos operadores, do pessoal de manutenção, de inspeção e das representações dos trabalhadores e do empregador na Comissão Interna de Prevenção de Acidentes - CIPA, devendo o proprietário assegurar pleno acesso a essa documentação. 13.1.9 Para os propósitos desta NR, as caldeiras são classificadas em 3 (três) categorias, conforme segue: a) caldeiras da categoria A são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior a 1960 kPa (19.98 kgf/cm2); b) caldeiras da categoria C são aquelas cuja pressão de operação é igual ou inferior a 588 kPa (5.99 kgf/cm2) e o volume interno é igual ou inferior a 100 (cem) litros; c) caldeiras da categoria B são todas as caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. Nos itens 13.2 a 13.2.7, é regulamentada a instalação das caldeiras a vapor, desde o projeto da instalação, sistema de captação e lançamento de gases, construção de prédio resistente ao fogo, e normas de painéis de instrumentos para a categoria A. 13.2 Instalação de caldeiras a vapor. 13.2.1 A autoria do "Projeto de Instalação" de caldeiras a vapor, no que concerne ao atendimento desta NR, é de responsabilidade de "Profissional Habilitado", conforme citado no subitem 13.1.2, e deve obedecer aos aspectos de segurança, saúde e meio ambiente previstos nas Normas Regulamentados, convenções e disposições legais aplicáveis.

196

13.2.2 As caldeiras de qualquer estabelecimento devem ser instaladas em "Casa de Caldeiras" ou em local específico para tal fim, denominado "Área de Caldeiras". 13.2.3 Quando a caldeira for instalada em ambiente aberto, a "Área de Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos: a) estar afastada de, no mínimo, 3,00m (três metros) de: - outras instalações do estabelecimento; - de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para partida com até 2000 (dois mil) litros de capacidade; - do limite de propriedade de terceiros; - do limite com as vias públicas; b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente desobstruídas e dispostas em direções distintas; c) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas; d) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material particulado, provenientes da combustão, para fora da área de operação atendendo às normas ambientais vigentes; e) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes;e f) ter sistema de iluminação de emergência caso vá operar à noite. 13.2.4 Quando a caldeira estiver instalada em ambiente fechado, a "Casa de Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos: (Alterado pela Portaria SIT n.º 57, de 19 de junho de 2008). a) constituir prédio separado, construído de material resistente ao fogo, podendo ter apenas uma parede adjacente a outras instalações do estabelecimento, porém com as outras paredes afastadas de, no mínimo, 3,00m (três metros) de outras instalações, do limite de propriedade de terceiros, do limite com as vias públicas e de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para partida com até 2 (dois) mil litros de capacidade; b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente desobstruídas e dispostas em direções distintas;

197

c) dispor de ventilação permanente com entradas de ar que não possam ser bloqueadas; d) dispor de sensor para detecção de vazamento de gás quando se tratar de caldeira a combustível gasoso; e) não ser utilizada para qualquer outra finalidade; f) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas; g) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material particulado, provenientes da combustão para fora da área de operação, atendendo às normas ambientais vigentes; e h) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes e ter sistema de iluminação de emergência. 13.2.5 Constitui risco grave e iminente o não-atendimento aos seguintes requisitos: a) para todas as caldeiras instaladas em ambiente aberto, as alíneas "b" “b”, "d" e "f" do subitem 13.2.3 desta NR; b) para as caldeiras da categoria “A” instaladas em ambientes fechados, as alíneas "a", "b", "c", "d", "e", "g" e "h" do subitem 13.2.4 desta NR; e (Alterado pela Portaria SIT n.º 57, de 19 de junho de 2008) c) para as caldeiras das categorias “B” e “C” instaladas em ambientes fechados, as alíneas "b", "c", "d", "e", "g" e "h" do subitem 13.2.4 desta NR. (Alterado pela Portaria SIT n.º 57, de 19 de junho de 2008) 13.2.6 Quando o estabelecimento não puder atender ao disposto nos subitens 13.2.3 ou 13.2.4, deverá ser elaborado "Projeto Alternativo de Instalação", com medidas complementares de segurança que permitam a atenuação dos riscos. 13.2.6.1 O "Projeto Alternativo de Instalação" deve ser apresentado pelo proprietário da caldeira para obtenção de acordo com a representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento. 13.2.6.2 Quando não houver acordo, conforme previsto no subitem 13.2.6.1, a intermediação do órgão regional do MT poderá ser solicitada por qualquer uma das partes, e, persistindo o impasse, a decisão caberá a esse órgão.

198

13.2.7 As caldeiras classificadas na categoria A deverão possuir painel de instrumentos instalados em sala de controle, construída segundo o que estabelecem as Normas Regulamentadoras aplicáveis. Nos itens 13.3 a 13.3.12, são regulamentados os procedimentos exigidos para a segurança na operação das caldeiras. 13.3 Segurança na operação de caldeiras. 13.3.1 Toda caldeira deve possuir "Manual de Operação" atualizado, em língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores, contendo no mínimo: a) procedimentos de partidas e paradas; b) procedimentos e parâmetros operacionais de rotina; c) procedimentos para situações de emergência; e d) procedimentos gerais de segurança, saúde e de preservação do meio ambiente. 13.3.2 Os instrumentos e controles de caldeiras devem ser mantidos calibrados e em boas condições operacionais, constituindo condição de risco grave e iminente o emprego de artifícios que neutralizem sistemas de controle e segurança da caldeira. 13.3.3 A qualidade da água deve ser controlada e tratamentos devem ser implementados, quando necessários para compatibilizar suas propriedades físicoquímicas com os parâmetros de operação da caldeira. 13.3.4 Toda caldeira a vapor deve estar obrigatoriamente sob operação e controle de operador de caldeira, sendo que o não - atendimento a esta exigência caracteriza condição de risco grave e iminente. 13.3.5 Para efeito desta NR, será considerado operador de caldeira aquele que satisfizer pelo menos uma das seguintes condições: a) possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" e comprovação de estágio prático; b) conforme subitem 13.3.11; b.1) possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" previsto na NR 13 aprovada pela Portaria n° 02, de 08.05.84;e c) possuir comprovação de pelo menos 3 (três) anos de experiência nessa atividade, até 08 de maio de 1984; 13.3.6 O pré-requisito mínimo para participação como aluno, no "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" é o atestado de conclusão do 1° grau. 199

13.3.7 O "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" deve, obrigatoriamente: a) ser supervisionado tecnicamente por "Profissional Habilitado" citado no subitem 13.1.2; b) ser ministrado por profissionais capacitados para esse fim; e c) obedecer, no mínimo, ao currículo proposto no Anexo I-A desta NR. 13.3.8 Os responsáveis pela promoção do "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras" estarão sujeitos ao impedimento de ministrar novos cursos, bem como a outras sanções legais cabíveis, no caso de inobservância do disposto no subitem 13.3.7. 13.3.9 Todo operador de caldeira deve cumprir um estágio prático, na operação da própria caldeira que irá operar, o qual deverá ser supervisionado, documentado e ter duração mínima de: (113.019-6 / I4) a) caldeiras da categoria A: 80 (oitenta) horas; b) caldeiras da categoria B: 60 (sessenta) horas; e c) caldeiras da categoria C: 40 (quarenta) horas. 13.3.10

O

estabelecimento

onde

for

realizado

o

estágio

prático

supervisionado deve informar previamente à representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento: a) período de realização do estágio; b) entidade, empresa ou profissional responsável pelo "Treinamento de Segurança na Operação de Caldeiras"; c) relação dos participantes do estágio. 13.3.11 A reciclagem de operadores deve ser permanente, por meio de constantes informações das condições físicas e operacionais dos equipamentos, atualização técnica, informações de segurança, participação em cursos, palestras e eventos pertinentes. 13.3.12 Constitui condição de risco grave e iminente a operação de qualquer caldeira em condições diferentes das previstas no projeto original, sem que: a) seja reprojetada levando em consideração todas as variáveis envolvidas na nova condição de operação; e

200

b) sejam adotados todos os procedimentos de segurança decorrentes de sua nova classificação no que se refere à instalação, operação, manutenção e inspeção. Nos subitens 13.4 a 13.4.5, são regulamentados os procedimentos para a segurança na manutenção nas caldeiras. 13.4 Segurança na manutenção de caldeiras. 13.4.1 Todos os reparos ou alterações em caldeiras devem respeitar o respectivo código do projeto de construção e as prescrições do fabricante no que se refere a: a) materiais; b) procedimentos de execução; c) procedimentos de controle de qualidade; e d) qualificação e certificação de pessoal. 13.4.1.1. Quando não for conhecido o código do projeto de construção, deve ser respeitada a concepção original da caldeira, com procedimento de controle do maior rigor prescrito nos códigos pertinentes. 13.4.1.2. Nas caldeiras de categorias A e B, a critério do "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2, podem ser utilizadas tecnologia de cálculo ou procedimentos mais avançados, em substituição aos previstos pêlos códigos de projeto. 13.4.2 "Projetos de Alteração ou Reparo" devem ser concebidos previamente nas seguintes situações: a) sempre que as condições de projeto forem modificadas; e b) sempre que forem realizados reparos que possam comprometer a segurança. 13.4.3 O "Projeto de Alteração ou Reparo" deve: a) ser concebido ou aprovado por "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2; e b) determinar materiais, procedimentos de execução, controle qualificação de pessoal. 13.4.4 Todas as intervenções que exijam mandrilamento ou soldagem em partes que operem sob pressão devem ser seguidas de teste hidrostático, com características definidas pelo "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2. 13.4.5 Os sistemas de controle e segurança da caldeira devem ser submetidos à manutenção preventiva ou preditiva. 201

Nos subitens 13.5 a 13.5.14, são regulamentados os procedimentos de inspeções segurança nas caldeiras. 13.5 Inspeções de segurança de caldeiras. 13.5.1 As caldeiras devem ser submetidas a inspeções de segurança inicial, periódica e extraordinária, sendo considerada condição de risco grave e iminente o não-atendimento aos prazos estabelecidos. 13.5.2 A inspeção de segurança inicial deve ser feita em caldeiras novas, antes da entrada em funcionamento, no local de operação, devendo compreender exames interno e externo, teste hidrostático e de acumulação. 13.5.3 As inspeções de segurança periódica, constituída por exames internam e externo, deve ser executada nos seguintes prazos máximos: a) 12 (doze) meses para caldeiras das categorias A, B e C; b) 12 (doze) meses para caldeiras de recuperação de álcalis de qualquer categoria; c) 24 (vinte e quatro) meses para caldeiras da categoria A, desde que aos 12 (doze) meses sejam testadas as pressões de abertura das válvulas de segurança; e d) 40 (quarenta) meses para caldeiras especiais conforme definido no item 13.5.5. 13.5.4 Estabelecimentos que possuam "Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos", conforme estabelecido no Anexo II podem estender os períodos entre inspeções de segurança, respeitando os seguintes prazos máximos: a) 18 meses para caldeiras de recuperação de álcalis e as das categorias “B” e “C”; (Alterada pela Portaria SIT n.º 57, de 19 de junho de 2008); e b) 30 (trinta) meses para caldeiras da categoria “A. 13.5.5 As caldeiras que operam de forma contínua e que utilizam gases ou resíduos

das

unidades

de

processo,

como

combustível

principal

para

aproveitamento de calor ou para fins de controle ambiental podem ser consideradas especiais quando todas as condições seguintes forem satisfeitas: a) estiverem instaladas em estabelecimentos que possuam “Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos” citados no Anexo II; b) tenham testados a cada 12 (doze) meses o sistema de intertravamento e a pressão de abertura de cada válvula de segurança; c) não apresentem variações inesperadas na temperatura de saída dos gases e do vapor durante a operação; d) exista análise e controle periódico da qualidade da água; 202

e) exista controle de deterioração dos materiais que compõem as principais partes da caldeira; e f) seja homologada como classe especial mediante: - acordo entre a representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento e o empregador; - intermediação do órgão regional do MT, solicitada por qualquer uma das partes quando não houver acordo; - decisão do órgão regional do MT quando persistir o impasse. 13.5.6 Ao completar 25 (vinte e cinco) anos de uso, na sua inspeção subseqüente, as caldeiras devem ser submetidas à rigorosa avaliação de integridade para determinar a sua vida remanescente e novos prazos máximos para inspeção, caso ainda estejam em condições de uso. Nos

estabelecimentos

que

possuam

“Serviço

Próprio

de

Inspeção

de

Equipamentos”, citados no Anexo II, o limite de 25 (vinte e cinco) anos pode ser alterado em função do acompanhamento das condições da caldeira, efetuado pelo referido órgão. 13.5.7 As válvulas de segurança instaladas em caldeiras devem ser inspecionadas periodicamente conforme segue: a) pelo menos 1 (uma) vez por mês, mediante acionamento manual da alavanca, em operação, para caldeiras das categorias B e C; e b) desmontando, inspecionando e testando em bancada as válvulas flangeadas e, no campo, as válvulas soldadas, recalibrando-as numa freqüência compatível com a experiência operacional da mesma, porém respeitando-se como limite máximo o período de inspeção estabelecido no subitem 13.5.3 ou 13.5.4, se aplicável para caldeiras de categorias A e B. 13.5.8 Adicionalmente aos testes prescritos no subitem 13.5.7, as válvulas de segurança instaladas em caldeiras deverão ser submetidas a testes de acumulação, nas seguintes oportunidades: a) na inspeção inicial da caldeira; b) quando forem modificadas ou tiverem sofrido reformas significativas; c) quando houver modificação nos parâmetros operacionais da caldeira ou variação na PMTA; d) quando houver modificação na sua tubulação de admissão ou descarga. 203

13.5.9 A inspeção de segurança extraordinária deve ser feita nas seguintes oportunidades: a) sempre que a caldeira for danificada por acidente ou outra ocorrência capaz de comprometer sua segurança; b) quando a caldeira for submetida à alteração ou reparo importante capaz de alterar suas condições de segurança; c) antes de a caldeira ser recolocada em funcionamento, quando permanecer inativa por mais de 6 (seis) meses; d) quando houver mudança de local de instalação da caldeira. 13.5.10 A inspeção de segurança deve ser realizada por "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2, ou por "Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos", citado no Anexo II. 13.5.11 Inspecionada a caldeira, deve ser emitido "Relatório de Inspeção", que passa a fazer parte da sua documentação. 13.5.12 Uma cópia do "Relatório de Inspeção" deve ser encaminhada pelo "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2, num prazo máximo de 30 (trinta) dias, a contar do término da inspeção, à representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento. 13.5.13 O "Relatório de Inspeção", mencionado no subitem 13.5.11, deve conter no mínimo: a) dados constantes na placa de identificação da caldeira; b) categoria da caldeira; c) tipo da caldeira; d) tipo de inspeção executada; e) data de início e término da inspeção; f) descrição das inspeções e testes executados; g) resultado das inspeções e providências; h) relação dos itens desta NR ou de outras exigências legais que não estão sendo atendidas; i) conclusões; j) recomendações e providências necessárias; k) data prevista para a nova inspeção da caldeira; e

204

l) nome legível, assinatura e número do registro no conselho profissional do "Profissional Habilitado", citado no subitem 13.1.2 e nome legível e assinatura de técnicos que participaram da inspeção. 13.5.14 Sempre que os resultados da inspeção determinarem alterações dos dados da placa de identificação, a mesma deve ser atualizada. 5.4 Aplicação da NR-13. Alguns exemplos mostram a importância da aplicação da NR-13. Exemplo1 O item 13.1.2 diz que para efeito desta NR, considera-se "Profissional Habilitado" aquele que tem competência legal para o exercício da profissão de engenheiro nas atividades referentes a projeto de construção, acompanhamento operação e manutenção, inspeção e supervisão de inspeção de caldeiras e vasos de pressão, em conformidade com a regulamentação profissional vigente no País. Qual o procedimento necessário para que uma empresa seja habilitada para inspeção? Resposta: Conforme estabelecido pelo CONFEA/CREA, as empresas prestadoras de serviço que se propõem a executar as atividades prescritas neste subitem são obrigadas a se registrar no respectivo conselho regional, indicando responsável técnico legalmente habilitado. Exemplo 2 O item 13.1.3 diz que Pressão Máxima de Trabalho Permitida - PMTP ou Pressão Máxima de Trabalho Admissível - PMTA é o maior valor de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. Se o valor da PMTA pode alterar-se ao longo da vida da caldeira em função da redução da resistência mecânica dos materiais, redução de espessuras dos diferentes componentes, etc. A atualização dos valores da PMTA deve ser feita, em conformidade com procedimentos escritos existentes no prontuário da caldeira. O que deve conter este procedimento?

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Resposta: O procedimento escrito deve conter: a) roteiro de cálculo da PMTA, ou b) código de projeto aplicável, ou c) indicação de programa computacional para dimensionamento da caldeira; e d) a alteração no valor da PMTA da caldeira é seguida dos ajustes necessários nas pressões de abertura das válvulas de segurança, na placa de identificação e outros elementos de controle dependentes deste valor. Exemplo 3 O item 13.1.4 da NR-13 diz que constitui risco grave e iminente, a falta de qualquer um dos seguintes itens: a) Válvula de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior à PMTA. b) Instrumento que indique a pressão do vapor acumulado. c) Injetor ou outro meio de alimentação de água, independentemente do sistema principal, em caldeiras a combustível sólido. d) Sistema de drenagem rápida de água, em caldeiras de recuperação de álcalis. e) Sistema de indicação para controle do nível de água ou outro sistema que evite o superaquecimento por alimentação deficiente. Estando as válvulas de segurança ajustadas para a PMTA, em que condições elas estarão violando a Norma? Resposta: As válvulas de segurança, mesmo que ajustadas para abertura na PMTA, deverão: a) ser adequadamente projetadas; b) ser adequadamente instaladas; e c) ser adequadamente mantidas. Para casos onde estas premissas não forem atendidas, a válvula de segurança será considerada como inexistente. A quantidade e o local de Instalação das válvulas de segurança deverão atender aos códigos ou normas técnicas aplicáveis. 206

Exemplo 4 O item 13.1.5 da Norma diz que toda caldeira deve ter afixada em seu corpo, em local de fácil acesso e bem visível, placa de identificação indelével com, no mínimo, as seguintes informações: a) fabricante; b) número de ordem dado pelo fabricante da caldeira; c) ano de fabricação; d) pressão máxima de trabalho admissível; e) pressão de teste hidrostático; f) capacidade de produção de vapor; g) área de superfície de aquecimento; e h) código de projeto e ano de edição. Pode a placa de identificação da caldeira estar fixada em partes que possam ser removidas da caldeira tais como as portas de visita? Resposta Não, a placa de identificação deverá ser fixada em local de fácil acesso e visualização, nunca em partes que possam ser removidas. De acordo com o item 13.5.1, além da placa de identificação, toda caldeira deverá apresentar seu número ou código de identificação e sua respectiva categoria. Essas informações poderão ser pintadas em local de fácil visualização, com dimensões tais que possam ser facilmente identificadas. Exemplo 5 O item 13.7.1 diz que caso a caldeira venha a ser considerada inadequada para uso, o "Registro de Segurança" deve conter tal informação e receber encerramento formal. Como é feito este procedimento? Resposta: Se a caldeira for considerada inadequada para uso futuro, o respectivo Registro de Segurança deverá apresentar de forma clara e concisa os motivos pelos quais está sendo adotada tal decisão. O encerramento formal do Registro de Segurança deverá ser feito por um profissional habilitado, e comunicado por meio de Relatório de Inspeção de Segurança Extraordinária à Representação Sindical da Categoria Profissional Predominante no Estabelecimento conforme estabelecido no 207

item 13.5.12 e ao órgão regional do MTE caso este tenha exigido a apresentação dos documentos da caldeira anteriormente, conforme previsto no subitem 13.1.6.3. Recomenda-se para estes casos que a caldeira seja inutilizada, antes do descarte, para evitar uso posterior. Observação: tratando-se de navios mercantes, o relatório de inspeção e segurança que condenou a caldeira é apresentado à empresa armadora com cópia para o chefe de máquinas e o comandante. Exemplo 6 Caldeiras da categoria “A” são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior a 1960 kPa (19,98 kgf/cm 2). No item 13.2.7 está escrito que “as caldeiras classificadas na Categoria A deverão possuir painel de instrumentos, instalados em sala de controle, construída segundo o que estabelecem as NRs aplicáveis”. Comente esta recomendação. Resposta: Toda caldeira classificada como Categoria “A” deve possuir painel de instrumentos ou console de sistema digital instalado em sala de controle. No caso de estabelecimentos ou navios com mais de uma caldeira, é permitida a instalação dos instrumentos de leitura remota de todas as caldeiras na mesma sala de controle. O projeto e a construção da sala de controle devem atender aos requisitos estabelecidos pelas NRs e no caso dos navios mercantes as regra 32 e 33 da seção de máquinas da SOLAS. Em caldeiras terrestres, as portas do compartimento onde estão instaladas as caldeiras devem abrir para fora e para o lado oposto das caldeiras. Exemplo 7 O item 13.3.1 diz que toda caldeira deve possuir Manual de Operação atualizado, em língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores, contendo no mínimo: a) procedimentos de partidas e paradas; b) procedimentos e parâmetros operacionais de rotina; c) procedimentos para situações de emergência; e d) procedimentos gerais de segurança, saúde e de preservação do meio ambiente. 208

Pode um navio mercante de bandeira brasileira, de armador nacional, ter o manual da caldeira não traduzido para utilização do quarto de serviço? A Convenção SOLAS contraria esta regra? Resposta: Obedecendo rigorosamente à Norma, não. Porém, após a prova de mar, deve a empresa providenciar imediatamente a tradução deste manual se estiver escrito em idioma que não seja o português, e distribuí-lo para o navio de preferência em três vias, sendo uma para a CCM, outra para a biblioteca técnica do navio, e a outra para o escritório do chefe de máquinas. A Convenção SOLAS é um conjunto de regras internacionalmente aplicadas para os navios, e no caso particular das caldeiras, as regras 32 e 33 para a seção de máquinas. Assim, a SOLAS não contraria a NR-13, pois a tradução do manual é responsabilidade do armador nacional. O Manual de Operação da caldeira (ou das caldeiras) deve estar sempre disponível para consulta dos operadores, em local próximo ao posto de trabalho. Os manuais devem estar sempre atualizados, sendo que todas as alterações ocorri das nos procedimentos operacionais ou nas características das caldeiras deverão ser de pleno conhecimento de seus operadores e prontamente incorporados aos respectivos manuais. Exemplo 8 O item 13.3.2 diz que “Os instrumentos e controles de caldeiras devem ser mantidos calibrados e em boas condições operacionais, constituindo condição de risco grave e iminente o emprego de artifícios que neutralizem sistemas de controle e segurança da caldeira”. Comente esta regulamentação. Resposta: Todos os instrumentos e controles que interfiram com a segurança da caldeira deverão ser calibrados periodicamente e serem adequadamente mantidos. A utilização de meios inadequados, como por exemplo os jumps, que neutralizem os sistemas de controle e segurança, será considerada como risco grave e iminente e pode levar à interdição da caldeira.Utilizar jumps transitórios em situações nas quais exista redundância ou onde está sendo feita manutenção preventiva não

209

será considerado como “meio inadequado que neutralize” o sistema de controle e segurança da caldeira. Para esses casos, é necessário fazer estudo dos riscos envolvidos e acompanhamento dessa operação, envolvendo todos os setores que possam por esta ser afetados. A periodicidade de manutenção e a definição dos instrumentos e controles necessários à segurança da caldeira deverão ser definidos pelos profissionais legalmente habilitados para cada especialidade. Nenhum oficial de máquinas pode descumprir este item quando operando uma caldeira marítima, pois isto pode levar a sérias avarias na caldeira, podendo colocar em risco a vida humana no mar por ocasião de uma explosão da caldeira por uso inadequado por by-pass do sistema de controle. Exemplo 9 O item 13.3.3 diz que a qualidade da água deve ser controlada e tratamentos devem

ser

implementados,

quando

necessários,

para

compatibilizar

suas

propriedades físico-químicas com os parâmetros de operação da caldeira.Pode a caldeira deixar de ser tratada sob a alegação que, durante muito tempo não é feito o tratamento da água, e que se for realizado removerá as incrustações que evitam os vazamentos. Resposta: A qualidade da água é fator determinante da vida da caldeira. Estabelecer parâmetros de qualidade de água não faz parte do escopo da NR-13, uma vez que ela se aplica a variados tipos de caldeiras com diferentes pressões e temperaturas, instaladas em locais distintos. A norma apenas diz que a qualidade da água deve ser controlada e tratamentos devem ser implementados, quando necessários, para compatibilizar suas propriedades físico-químicas com os parâmetros de operação da caldeira. Assim, a alegação não procede, e se após o tratamento químico á caldeira apresentar vazamentos, e a mesma tiver condições de reparos, eles terão de ser realizados. Em caso contrário, a caldeira deverá ser interditada. Sempre que análises físico-químicas e resultados das inspeções indicarem problemas de depósitos excessivos, corrosão e outras deteriorações no lado água,

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atenção especial deverá ser dada a sua qualidade, em particular, verificando se suas características estão de acordo com as requeridas pela caldeira. De modo geral, quanto maior a pressão de operação mais apurados deverão ser os requisitos de tratamento de água. Exemplo 10 O item 13.5.9 diz que a Inspeção de Segurança Extraordinária deve ser feita nas seguintes oportunidades: a) sempre que a caldeira for danificada por acidente ou outra ocorrência capaz de comprometer sua segurança; b) quando a caldeira for submetida à alteração ou reparo importante capaz de alterar suas condições de segurança; c) antes de a caldeira ser recolocada em funcionamento, quando permanecer inativa por mais de seis meses; e d) quando houver mudança de local de instalação da caldeira. Como esta regulamentação pode ser aplicada às caldeiras marítimas? Resposta: A Inspeção de Segurança Extraordinária pode abranger toda a caldeira ou parte da mesma, conforme a necessidade e a critério do pessoal habilitado Quando a Inspeção Extraordinária contiver toda a caldeira, o prazo para próxima inspeção de segurança periódica poderá ser definido a partir da data de conclusão da inspeção extraordinária. No caso de uma caldeira permanecer fora de operação por um período longo (superior a seis meses), a Inspeção Extraordinária mencionada no item “c” deve ser realizada antes de a caldeira ser recolocada em funcionamento, e não a cada seis meses. Estes são alguns exemplos típicos de aplicação da NR-13, existindo muitos outros dependendo das condições de operação, segurança, manutenção e inspeção às quais a caldeira é submetida. Para o caso específico de navios, as recomendações dos manuais dos fabricantes devem ser rigorosamente obedecidas, principalmente em relação à condução e manutenção das caldeiras.

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6 PRÁTICA DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS 6.1 Procedimentos necessários para acender a caldeira, observando as normas de segurança Descreveremos um processo de acendimento de uma caldeira marítima auxiliar do tipo oil fired and exhaust gas boiler, para aplicação de navios mercantes de propulsão de motor, conforme ilustrado na figura 127 e já referenciado no item 1.5.2.

Figura 127 - Caldeira combinada para geração de vapor.

6.1.1 Dados técnicos da caldeira (NR-13) - Capacidade de evaporação como caldeira auxiliar: 1000 kg/h (13.1.5) - Capacidade de evaporação como caldeira de recuperação a 90 % da máxima: 1000 kg/h (13.1.5) - Ajuste da pressão das válvulas de segurança: 900 kPa (9 bar), inspecionadas anualmente (13.5.7) - Pressão de regime: 700 kPa (7 bar) (13.1.5) - Pressão de teste: 1350 kPa (13,5 bar) (13.1.5) - Categoria: B (13.1.9) - Temperatura da água de alimentação: 60 0C (13.1.5) - Fluxo de gases de descarga: 47600 kg/h (13.1.5) 212

- Temperatura dos gases de descarga ao entrar na caldeira de recuperação: 250 0C (13.1.5) - Temperatura dos gases de descarga ao sair da caldeira de recuperação: 200 0C (13.1.5) - Volume de água no nível normal: 8m3 (13.1.5) - Peso da caldeira cheia: 15000 kg (13.1.5) - Altura da caldeira: 4093 mm 6.1.2 Painel de controle (NR-13,13. 3.2) O painel de controle da caldeira é mostrado na figura 128, e obedece à NR-13, 13.3.2.

Figura 128 - Painel de controle da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Sistema de água de alimentação, combustível e vapor da caldeira As figuras 129 a 131 ilustram o esquema da água de alimentação retirado do manual de operação e manutenção da caldeira (NR-13,13. 3.1).

Figura 129 - Esquema da água de alimentação. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004 .

Figura 130 - Esquema do óleo combustível. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 131- Diagrama de distribuição do vapor. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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6.1.3 Partida com óleo diesel (NR-13, 13.3.1) Segundo a NR-13, item 13.3.1 a partida da caldeira deve obedecer a sequência de procedimentos a seguir: 1- Cheque o nível de óleo diesel no tanque.

Figura 132 – Verificação do nível de óleo diesel. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

2- Ligue no painel de controle o interruptor principal (Main Swtich /ON); veja figuras 133 e 134!

Figura 133 - Interruptor principal do quadro real da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

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Figura 134 - Interruptor principal do quadro no diagrama mímico. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

3- “Reset” o botão controle de voltagem do queimador (On reset control voltage), veja figuras 135 e 136!

Figura 135 - Botão de controle de voltagem “On reset”. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 136 - Botão de controle de voltagem “On reset” no diagrama mímico. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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4- Mude a posição da válvula de interloque para óleo diesel. Observe a figura 137!

Figura 137 - Válvula de interloque para óleo diesel no diagrama mímico. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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4.1- Os alarmes de baixo nível d’água (Too low water level), baixa pressão de vapor (Low steam pressure), e baixa pressão de óleo na rede (Low oil pressure in ring line) estão acesos chamando a atenção do oficial do quarto de máquinas. Veja figuras 138 e 139!

Figura 138 - Alarmes de baixa pressão de vapor, óleo ,e baixo nível d’água no painel mímico. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 139 - Alarmes de baixa pressão de vapor, óleo e baixo nível d’água no painel real. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

5- Abra a válvula (I) de extração de ar no topo da caldeira. Veja figuras 140 e 141!

Figura 140 -Válvula de extração de ar no painel mímico da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 141 - Válvula de extração de ar da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

6 - Abra as válvulas (A, B, C, D, F) do sistema de água de alimentação; pressione o botão feed water pump (bomba d’água de alimentação), e alimente a caldeira pela rede auxiliar até o nível de acendimento. Veja figuras 142, 143 e 144!

Figura 142 - Bombas d’água ligadas no painel mímico alimentando a caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 143 - Bombas ligadas alimentando a caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Figura 144 - Botões de acionamento no painel real da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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7- Dê partida na bomba de transferência de óleo combustível (oil transfer pump). Veja figuras 145 e 146!

Figura 145 - Botões de acionamento da bomba de óleo no painel mímico da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Figura 146 - Bombas de óleo combustível e respectivas válvulas e manômetro. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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7.1- Ajuste a pressão do óleo combustível, se necessário, através da válvula de regulagem de pressão. Veja figura 147!

Figura 147 - Válvula de regulagem da pressão de óleo combustível. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

7.2- Quando o nível de água estiver normal, somente o alarme de baixa pressão de vapor (low steam pressure) acenderá. Observe as figuras 148 e 149!

Figura 148 - Alarme de baixa pressão de vapor no painel mímico da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 149 - Alarme de baixa pressão de vapor no painel real da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

8- Abra as válvulas (D9) de entrada e saída de óleo combustível para o queimador. Veja figuras 150 e 151!

Figura 150 - Válvulas do queimador no painel mímico da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 151 - Válvulas do queimador no painel real da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

9- Acione o botão do queimador em auto (Nozzle 1 Aut). Veja figuras 152 e 153!

Figura 152 - Botão do controle do queimador no painel mímico da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 153 - Botão do controle do queimador no painel real da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

9.1- O óleo diesel circula agora através do queimador que está em período de purga da fornalha. Veja figuras 154 e 155!

Figura 154 - Queimador em período de pré-purga. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 155 - Queimador em período de queima. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

11- Quando a caldeira está fria e sem pressão de vapor, o queimador deve somente funcionar na posição Nozzle 1. 12- Quando a pressão do vapor está maior que a pressão de alarme de baixa pressão de vapor (Low steam pressure), o botão de controle do queimador pode ser mudado para a posição Nozzle 1+2. 13- Quando a pressão da caldeira atingir 100 kPa (1bar), a válvula de extração de ar pode ser fechada, após ter certeza que nenhum ar está remanescente na caldeira. 14- Quando a pressão da caldeira está ligeiramente superior à de regime, a caldeira poderá ser comunicada para os consumidores, abrindo a válvula (VP) de comunicação de vapor vagarosamente, e drenando as redes até ter certeza que os consumidores estão aptos a receberem o vapor de serviço da caldeira. 14.1- Em cumprimento a NR-13, os manômetros de vapor e demais instrumentos de medição e controle da caldeira, deverão estar perfeitamente calibrados. 14.2- Testar as válvulas de segurança manualmente.

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6.1.4 Mudança de óleo diesel para óleo pesado 1- Verifique o nível de óleo pesado no tanque de serviço. Veja as figuras 156 e 157!

Figura 156 - Nível do óleo pesado no tanque de serviço. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Figura 157 - Nível do óleo pesado no tanque de serviço. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.

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2- Desligue o queimador. Veja as figuras 158, 159 e 160!

Figura 158 - Chave do queimador no painel mímico da caldeira na posição 0(off). Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Figura 159 - Chave do queimador no painel real da caldeira na posição 0(off). Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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Figura 160 - óleo diesel recirculando pelo queimador em OFF. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

3- Abra a válvula de saída do tanque de óleo pesado.

Figura 161 - Mudança de óleo diesel para óleo pesado. Válvula do TQ/OP aberta. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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4- Cambe as válvulas de interloque para óleo pesado.

Figura 162 - Mudança de óleo diesel para óleo pesado. Válvula do TQ/OP aberta. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

5- Ajuste a pressão do óleo combustível, se necessário.

Figura 163 - Mudança de óleo diesel para óleo pesado. Ajuste na pressão de OP. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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6- Acione a chave do queimador (Nozzle 1AUT). Veja figuras 164 e 165!

Figura 164 - Mudança de óleo diesel para óleo pesado. Bico do queimador 1 em AUT. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Figura 165 - Painel real da caldeira. Chave do queimador em Nozzle Aut1. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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6.1- Ao ligar o queimador, o pré-aquecedor de óleo do queimador é acionado, aquecendo, simultaneamente, o filtro de óleo na entrada do queimador

e o

respectivo cabeçote de pulverização. 6.2- Após 50 segundos, o queimador inicia a purga de gases e inicia a queima. Veja figuras 166 e 167!

Figura 166 - Período de purga do queimador. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Figura 167 - Estabelecimento da chama e manutenção da pressão de vapor. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

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6.3- Se o óleo estiver muito frio, o período de purga poderá ser superior a 50 segundos. Nesta situação, “reset” o queimador e tente nova partida. 6.4- Se o painel de controle e a chave do queimador tiverem sidos parados por um longo tempo, com óleo pesado em operação, e as redes estiverem com o óleo pesado frio, acione a chave do painel de controle, recircule o óleo, aquecendo-o até que o mesmo atinja a temperatura adequada para enviá-lo ao queimador. 6.5- Aguarde 30 segundos para o aquecimento do filtro de óleo na entrada do queimador, e o respectivo cabeçote de pulverização. 6.6- Ligue a chave do queimador por 2 segundos e pare-o novamente. Se as bombas de óleo não apresentam dificuldade em recircular o óleo, então acione a chave do queimador. 6.7- A caldeira deverá apresentar chama estabilizada, conforme a figura 6.26. 7- Verifique sempre os indicadores de nível, testando os mesmos nas suas válvulas de drenagem. 8- Teste as válvulas de segurança manualmente, quando a pressão de trabalho for ligeiramente inferior a de regime. Este teste não é o realizado para verificar a abertura da válvula, mas serve de indicativo para verificar se o mecanismo de acionamento manual e as sedes das válvulas estão atuando. 6.1.5 Parada da caldeira auxiliar e colocação da caldeira de gases flamatubular Para parar a caldeira auxiliar e colocar a caldeira de gases, esta operação deve ser feita com o navio em viagem. Os procedimentos necessários são mencionados a seguir. 1- Apague os queimadores da caldeira auxiliar. 2- Verifique o nível d’água na caldeira. 3- Retire o ar da caldeira pela válvula de extração de ar. 4- Feche a válvula de extração de ar. 5- Quando a pressão de vapor for à de regime, comunique a válvula de vapor da caldeira para os consumidores. 6- Se por qualquer motivo cair à rotação do MCP a um valor muito baixo, a caldeira auxiliar é acesa automaticamente.

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6.2 Controle do nível de água da caldeira Nesta subunidade, descreveremos um controle de nível típico de caldeiras auxiliares de navios de propulsão a motor conforme painel mímico da figura 168.

Figura 168 - Controlador de processo de nível. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

A tabela 7 apresenta a lista de comandos e sinalizações do painel do controlador da figura 168. Tabela 7 - Lista de comandos e sinalizações do painel do controlador da figura 168. Componentes Finalidade 1- Indicador Indicador 237 analógico para o valor atual “X” da variável de processo (PV) 3- Indicador Indicador digital. Ambos “X e W” podem ser lidos no display 4- LED LED acende quando “W” é acionado 5- LED LED acende quando “X” é acionado 6- Push button Para indicação do sinal “W/S” 7- Push button Para modificar a variável manipulada-fechada 8- Push button Para modificar a variável manipulada-aberta 9- Indicador Indicador digital “y” 10- LED LED indicador da saída digital “dY” para controlador “S” 11- Push button Modo manual automático 12-LED LED indicador do modo manual Tabela 7 - Lista de comandos e sinalizações do painel do controlador da figura 168. (Continuação) Componentes 14- Push Button 15- Push Button 16- Push button 17- LED

Finalidade Botão de redução do valor do “set point” Botão de incremento do valor do “set point” Botão de seleção de “set point” interno/externo Led indicador de “set point” interno

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6.2.1 Execução da operação do controle de nível da caldeira Mudança do “set point” interno A mudança do “set point” interno do nível d’água na caldeira é efetuado pelos “push button” 14 e 15, se “W” é mostrada no display 3, e o controlador está no modo interno (LED 17 aceso). Mudança manual na variável manipulada A variável manipulada “Y” pode ser mudada pelos “push button” 7 e 8, se o controlador está no modo manual (LED 12 aceso). Mudança do set point interno para externo A mudança de “set point” interno para externo é realizada pelo “push Button” 16. O LED 17 acende se o “set point” for o interno. Mudança do modo de operação AUTO/MANUAL O “push button” 11 permite a mudança do modo de operação automático e manual. Este modo de atuação é indicado pelo LED 12. 6.2.2 Ajuste das variáveis de processo on line Acessando a lista das variáveis A lista das variáveis pode ser obtida pressionando o botão 6 por 6 segundos; solte o botão. ON-PA (nível de seleção) é mostrado no display. Pressione o botão 11 novamente (configuração do nível). Selecionando e modificando parâmetros Use os botões 7 ou 8 para selecionar o nome dos parâmetros do indicador digital y (9). Use os botões 14 ou 15 para modificar o valor do parâmetro “W/X” no indicador digital 3. Repita a operação até que todos os parâmetros estejam ajustados. Aperte o botão 16 para retornar ao processo de controle de nível. 6.2.3 Ajuste das variáveis de processo off-line Acessando a lista das variáveis A lista das variáveis pode ser obtida pressionando o botão 6 por 6 segundos. Solte o botão. “ON-PA” (nível de seleção) é mostrado no display. Pressione o botão 15 várias vezes até que apareça no display “OFF-PA”. 238

Pressione o botão 11 novamente. O controlador está agora bloqueado e o valor de “Y” está retido. 6.3 Extrações de superfície e de fundo em caldeira As extrações de superfície e fundo da caldeira podem ser dadas pelas aberturas das válvulas DS conforme ilustrado na figura 169. A extração de superfície é realizada para a retirada de impurezas em excesso na superfície da água na parte superior da caldeira. A extração de fundo é dada na caldeira para controle das impurezas que se acumulam nas partes inferiores da caldeira e provocam incrustrações no interior dos tubos da caldeira auxiliar.

Figura 169 - Válvulas de extração de fundo e superfície da caldeira. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

6.4 Manutenção de queimadores Nesta

subunidade, descreveremos os procedimentos da manutenção do

queimador da caldeira tipo oil fired and exhaust gas boiler descrita nesta unidade.

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Figura 170 - Queimador automático de caldeiras tipo oil fired and exhaust gas boiler. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

Os procedimentos necessários à manutenção do queimador são efetivados na sequência a seguir: 1- desmonte as tampas de acesso aos bicos, ventilador, e eletrodo de ignição; 2- verifique o estado dos componentes e substitua se necessário; 3- se os componentes estão bons, limpe o orifício dos bicos pulverizadores, ajuste a folga dos eletrodos de ignição e limpe as palhetas do ventilador; 4- remova qualquer depósito de óleo acumulado no queimador; e 5- verifique as mangueiras de entrada e retorno de óleo do queimador, as válvulas solenóides e o manômetro de pressão de óleo combustível. Substituir se necessário.

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Figura 171 - Válvulas solenóides e de admissão e retorno do queimador automático de caldeiras tipo oil fired and exhaust gas boiler. Fonte: Marine Training, combined oil fired and exhaust gas boiler,2004.

6- Verifique o alojamento quanto a trincas e rachaduras. Se este alojamento estiver defeituoso, substitua-o. Não use soldas ou compostos químicos para consertar as rachaduras. 7- Após a montagem do queimador na caldeira, efetuar os seguintes testes de funcionamento: 7.1- Preparar os sistemas de água, óleo e ar da caldeira auxiliar; 7.2- Acionar a chave geral no painel de controle; 7.3- Ligar a bomba d’água de alimentação até o nível de acendimento ser estabelecido. Parar a bomba de alimentação quando este nível for o necessário; 7.4- Ligar a bomba de óleo combustível com óleo diesel; 7.5- Colocar a chave do motor do queimador em MANUAL e ligar o motor do queimador; 7.6- Esperar um minuto para a purga de gases da fornalha; 7.7- Colocar a chave seletora do queimador (Burner operation mode) em ignição. A ignição deve iniciar em aproximadamente 30 a 50 segundos; 7.8- Colocar a chave seletora do queimador (Burner operation mode) em Nozzle 1 manual. A chama deverá estabilizar-se; 7.9- Quando o queimador funciona manualmente, as funções nível de água muito baixo (Too low water level), alta pressão de vapor (High steam pressure), e alta pressão na linha de retorno do queimador (High oil pressure In burner return), estão habilitadas; e 7.10- As funções detector de chama, partida/parada do bico1(Start/Stop Nozzle 1) e partida/parada do bico 2 (Start/Stop Nozzle 2), estão desativadas. 8- Se os testes forem satisfatórios, levar a caldeira ao modo automático; caso contrário, parar a caldeira, retirar o queimador e efetuar nova manutenção;e 8.1- Persistindo o defeito e esgotados os procedimentos por bordo, chamar a oficina de terra.

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6.5 Inspeções nas caldeiras As inspeções na caldeira devem ser feitas nos lados do fogo, incluindo os registros de ar e de água. Diversos são os pontos observados durante a inspeção das caldeiras, e as mesmas devem ser feitas por um profissional habilitado. No caso de navios, as inspeções de rotina como queimadores, bombas de água e óleo, controle do nível, combustão, falha de chama e outras rotineiras a bordo, são feitas pelo chefe de máquinas do navio. As inspeções obrigatórias, como estado da fornalha, vazamentos de tubos que comprometem a operação da caldeira, a regulagem dos tempos de purga e estabelecimento da chama dos queimadores das caldeiras; e verificação de rachaduras dos invólucros das caldeiras devem ser feitas pela Sociedade Classificadora do navio, conjuntamente com o chefe de máquinas, de modo que as observações do inspetor da classificadora referente ao equipamento e destinadas ao bom funcionamento da caldeira, deverão ser prontamente executadas para que a caldeira trabalhe adequadamente para a finalidade que se destina. As principais causas de falhas nas caldeiras marítimas aquatubulares e frequentemente relatadas em inspeções são, respectivamente: a) rutura de tubos sob tensão; b) corrosão do lado da água; c) corrosão das partes expostas aos gases; d) erosão e abrasão; e) fadiga; e f) falta de controle de qualidade na caldeira. 6.5.1 Rutura dos tubos sob tensão A rutura sob tensão deve-se as altas temperaturas a que a caldeira é submetida, sendo comum sua ocorrência nos tubos dos superaquecedores, podendo também ocorrer em tubos da parede d’água, cortina dágua em condições anormais de funcionamento. A rutura sob tensão ocorre por superaquecimento de curta duração e de longa duração. Quando a avaria é resultante por superaquecimento de curta duração, a mesma é originária de bloqueio da circulação interna aos tubos que ocasiona o excesso de transmissão de calor ao longo dos tubos. 242

A avaria resultante por superaquecimento de longa duração, em quase 90% dos casos, é resultante da redução da capacidade de transferência de calor devido à presença de óxidos e depósitos químicos, frequentes descontroles de queima, e bloqueio ou redução dos espaços destinados à circulação dos gases. A figura 172 ilustra um tubo fraturado devido a excesso de tensão térmica.

Figura 172 - Rutura de tubo de caldeira sob tensão térmica. Fonte: Araújo. Falha em tubo de fornalha de caldeira, 2010.

6.5.2 Corrosão do lado da água A corrosão do lado da água pode ser cáustica, fragilidade pelo hidrogênio, corrosão localizada (pitting), corrosão por agentes quelantes. 6.5.2.1 Corrosão cáustica A corrosão cáustica ocorre de acordo com a seguinte reação química: O hidrogênio liberado ocasionará a fragilização pelo hidrogênio. Esta corrosão se desenvolve devido à deposição do hidróxido de sódio misturado à água de alimentação que adentra a caldeira. 243

Esta corrosão ocorre principalmente nas juntas dos tubos mandrilados, tubos horizontais ou paredes inclinadas, juntas soldadas e locais com depósitos.

Figura 173 - Corrosão cáustica em tubos de caldeiras. Fonte: Joubert, Tratamento de água, 2010.

6.5.2.2 Corrosão por fragilidade pelo hidrogênio As avarias em caldeiras por hidrogênio são associadas a depósitos na superfície de transferência de calor na caldeira. As avarias por hidrogênio ocorrem em caldeiras de alta pressão, geralmente sob espessas camadas de depósitos, no lado do vapor dos tubos da caldeira. Frequentemente situam-se nas regiões de elevadas taxas de transferência de calor da fornalha, localizadas na altura dos queimadores. As avarias por hidrogênio são resultantes da corrosão sob depósitos. Os depósitos originam a concentração de espécies químicas, e formam soluções extremamente ácidas ou básicas, que por sua vez atacam a camada de óxido protetora. A reação química produz o hidrogênio, que fica preso entre a camada de depósitos e a superfície metálica, com algum hidrogênio se difundindo para dentro do aço. O hidrogênio reage com o carbeto de ferro e produz metano, cujas moléculas acumulam-se nos contornos de grão e originam fissuras. Estas fissuras são normalmente de “lábios grossos” e pouca dutilidade, tornando o aço frágil. A microestrutura dos aços avariados pelo ataque por hidrogênio apresenta descarbonetação e fissuras intergranulares provocadas pelo metano. As reações químicas que produzem esta corrosão são as que se seguem. 1- Reação cáustica: 2- Formação de Fe3O4: 244

. 3-Formação do FeCl2 :

4-Formação do gás metano: . O gás metano formado ocasionará a pressurização mecânica localizada que ocasionará o rompimento do metal. A figura 174 ilustra um tubo de caldeira de alta pressão, próximo aos queimadores, que foi avariado por corrosão devido ao ataque por hidrogênio.

Figura 174 - Corrosão por hidrogênio em tubos de caldeiras. Fonte: Joubert. Tratamento de água, 2010.

6.5.2.3 Corrosão localizada (pitting) A corrosão localizada é basicamente devida à ação do oxigênio dissolvido na água da caldeira, que ocasiona alvéolos ou pittings, nos tubos das caldeiras, em zonas próximas ao nível água vapor. O teor de oxigênio dissolvido pode ser monitorado e controlado através de controladores de PH e eliminadores de O 2. A figura 175 ilustra um tubo de superaquecedor sob a ação da corrosão localizada.

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Figura 175 - Corrosão localizada nos tubos do superaquecedor de caldeira. Fonte: Joubert. Tratamento de água, 2010.

6.5.2.4 Corrosão por agentes quelantes Os agentes quelantes são aditivos químicos colocados na água da caldeira, que reagem com as impurezas (cálcio, magnésio, ferro e cobre) e formam sais solúveis e estáveis, que podem ser eliminados por extração de fundo. Os aditivos podem ser o EDTA (tetrasódio do ácido etilenodiaminotetracético ou o lNTA (sal trisódio do ácido nitrilotriacético). Se estes compostos químicos forem colocados em excesso, os mesmos poderão ocasionar corrosão nos tubos no lado da água. Os quelantes são instáveis e decompõem-se em altas temperaturas, originando produtos difíceis de serem detectados por testes analíticos; dificultando, assim, a determinação exata do seu teor na caldeira. Em muitos casos onde foi aplicado o tratamento quelante em caldeiras, observa-se que: a) exige-se desaeração total da água de alimentação, sob o risco de conter traços de oxigênio que ocasionam a degradação do produto no ponto de dosagem, situado normalmente na seção pré-caldeira; b) um pequeno excesso de quelante poderá ocasionar corrosão generalizada na caldeira, devido à complexidade do óxido de ferro protetor (magnetita –Fe3O4). Existem relatos de caldeiras completamente avermelhadas no seu interior, devido ao ataque do quelante; c) a reação química do quelante com os íons metálicos é estequiométrica. Se existir subdosagem do quelante, terá início um processo incrustante na caldeira; e d) os agentes quelantes possuem muita afinidade com o cobre, o que impossibilita este tipo de tratamento em sistemas que contenham este metal ou suas ligas,

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principalmente na seção pré-caldeira (tanque de alimentação, desaerador, economizador etecétera. 6.5.3 Corrosão das partes expostas aos gases A corrosão das partes expostas aos gases pode ocorrer nas partes quentes externas aos tubos na zona de radiação e zonas de baixa temperaturas ocasionadas pela condensação de produtos de combustão de alto teor de acidez. Na região da chama da caldeira, há gases resultantes da combustão que contém contaminantes em elevadas temperaturas. Dentre estes, existe o oxigênio que ataca diretamente a superfície metálica. Nas baixas temperaturas, esta oxidação ocasiona um filme fino e protetor, mas com o aumento da temperatura, esta camada aumenta de espessura até o aparecimento de escamas, que acabam se soltando devido à dilatação térmica ficando o metal exposto a novo ataque. O controle da combustão e o uso de queimadores devidamente dimensionados e localizados na fornalha diminuem a presença de oxigênio. A corrosão nas partes em contato com os gases frios é ocasionada devido à presença de soluções ácidas, que aparecem quando o teor de enxofre no combustível for elevado. Os compostos de enxofre formados na combustão estão na forma gasosa, mas ao chegar às regiões frias, se condensa devido ao abaixamento da temperatura abaixo do ponto de orvalho, depositando-se nos tubos, paredes dos dutos, tijolos refratários, e em presença de umidade, originam o ácido sulfúrico. Os óleos usados nas caldeiras de navio têm o seu teor de enxofre controlado pela empresa armadora, e o seu recebimento a bordo é feito com o devido controle de qualidade, cabendo ao chefe de máquinas do navio fazer a conferência junto com o fornecedor, dos dados de recebimento do óleo combustível. Durante a combustão, nas regiões de baixa temperatura da fornalha, o enxofre é oxidado a dióxido de enxofre (SO 2), e trióxido de enxofre (SO 3). Estes óxidos formarão o ácido sulfúrico de acordo com as seguintes reações químicas: 1- Durante o resfriamento ou a lavagem da caldeira

A presença do vapor d’água é decorrente da queima de óleo combustível, e a formação do ácido ocorrerá durante o resfriamento do gás, sendo o ácido absorvido 247

pelo carbono (fuligem), que se aglomeram formando depósitos de fuligem ácida que se depositam sobre os tubos. 2- Nos tubos

3- No refratário

(processo cíclico) As figuras 176 e 177 ilustram a corrosão pelos gases nos tubos de uma caldeira aquatubular de alta pressão.

Figura 176 - Corrosão ácida nos tubos de uma caldeira de alta pressão. Fonte: Eletro Mec on line, 2010.

Figura 177 - Penetração de gases ácidos nos revestimentos de caldeira de alta pressão. Fonte: Eletro Mec on line, 2010.

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6.5.4 Erosão e abrasão A erosão é o desgaste do material que ocorre devido à presença nos fluidos de substâncias ou impurezas inadequadas que são arrastadas pelos mesmos. É o caso, por exemplo, da presença de condensado no vapor, partículas sólidas no meio líquido ou gasoso, etc. A erosão está diretamente ligada à velocidade de incidência do fluido, ao ângulo de incidência, à temperatura (a resistência do material diminui com a elevação da temperatura), e à dureza das partículas arrastadas. A figura 6.36 ilustra a erosão dos tubos da caldeira devido à presença de partículas nos gases.

Figura 178 - Erosão da parede externa de um tubo de caldeira devido ao jateamento de vapor saturado. Fonte: Eletro Mec on line, 2010.

A abrasão (atrito) pode ser ocasionada pelo contato entre tubos vizinhos, devido à oscilação dos tubos e serpentinas do superaquecedor, ocasionando o atrito contínuo e continuado entre os tubos. 6.5.5 Fadiga A fadiga ocorre devido à aplicação cíclica de tensões de tração na superfície metálica. A fadiga acelera o rompimento dos tubos das caldeiras, quando da existência de pequenas trincas ou defeitos superficiais. A fadiga pode ser devida à vibração, ao trincamento, associados às variações de temperatura, e de fluência, na qual o material é submetido às variações de tensão em alta temperatura. 6.5.6 Baixo controle de qualidade A rotina de bordo para as caldeiras de bordo deve ser sempre revista e atualizada em virtude da operação, manutenção e de inspeções realizadas nas caldeiras. Rigoroso controle do tratamento da água da caldeira, ramonagem, 249

lavagem e limpeza devem ser efetuados e lançados no livro de registro das caldeiras, para acompanhamento e verificação dos procedimentos operacionais. 6.5.8 Recomendações para inspeção em caldeiras Por questões de segurança, normas técnicas e legais vigentes no Brasil estabelecem que caldeiras de qualquer tipo sejam inspecionadas com regularidade. Estas normas determinam procedimentos, prazos, responsabilidades e demais itens exigidos para estas inspeções. Existe um reconhecimento geral, na indústria de caldeiras marítimas, que a segurança das mesmas requer cuidados de inspeção que transcendem às exigências oficiais genéricas para geradores de vapor, contidas nas normas de terra. Assim, configura-se a necessidade de que o escopo técnico aplicável à inspeção periódica de caldeiras marítimas esteja definido conjuntamente com o manual de operação e manutenção do fabricante, associado à experiência do pessoal de bordo na condução da caldeira. Orientações gerais para a inspeção 1- A empresa armadora do navio e os livros de registro de bordo devem manter um programa de inspeção documentado, detalhado e individual de cada caldeira, tendo em vista a idade, as condições de operação e outras particularidades. Este registro deve ser continuamente revisado e atualizado, levando em consideração novas observações e experiências. Prioritariamente, o programa deve observar a conformidade aos requisitos legais das normas NR-13 e da regra Solas 32 para a seção de máquinas, além das exigidas pela sociedade classificadora. 2- Os históricos de cada inspeção devem ser devidamentes, documentados com cópia para o chefe de máquinas, comandante do navio , e a empresa armadora, para futuras referências. 3-

As

inspeções

devem

ser

executadas

por

agente

qualificado,

preferencialmente por engenheiro naval ou profissional devidamente habilitado e com experiência comprovada, podendo ser recurso pessoal da própria empresa ou contratado. 4- Por ocasião das inspeções, quaisquer anomalias já conhecidas pelo chefe de máquinas do navio devem ser reportadas ao inspetor comissionado para os 250

trabalhos, evitando, ambas as partes, qualquer tipo de discussão infrutífera para a solução dos problemas detectados. 5- Todas as especificações técnicas, normas e padrões gerais de aceitação que possam vir a ser necessários (ex.: descrição dos materiais de construção utilizados na caldeira, espessura mínima de tubos, valores de ajuste de válvulas de segurança, parâmetros do teste hidrostático, etc.), devem estar imediatamente disponíveis nestas ocasiões, evitando-se dúvidas e equívocos. 6- As inspeções devem conter o exame interno, exame externo e testes complementares, onde cada uma destas etapas é relatada de forma sucinta. Cabe ao inspetor utilizar sua experiência e conhecimento para determinar a extensão, abrangência e o detalhamento das verificações e ensaios a serem aplicados. É preciso que sejam gerados relatórios escritos conclusivos sobre os exames realizados e as recomendações deles resultantes. 7- O inspetor deverá certificar-se de que todos os reparos e modificações resultantes das inspeções sejam executados de acordo com as normas e códigos de projeto e construção da caldeira, de conformidade com o estabelecido pela legislação vigente. Exceções a este requisitos são aceitáveis, quando novas tecnologias, já estão consagradas e ainda não previstas à época do código utilizado no projeto e construção da caldeira. 8- Deve ser assegurado que medidas adequadas de controle e garantia da qualidade para os trabalhos a serem executados na parada da caldeira, tenham sido implementados no tempo devido. Por exemplo, soldadores qualificados, certificados de materiais e especificações de procedimentos de soldagem devem estar disponíveis no campo por ocasião do início da parada. 6.6 Operações inerentes ao bom funcionamento da caldeira. As seguintes operações devem ser executadas para garantir o bom funcionamento da caldeira: 1- verificar se a vazão de combustível esta na faixa operacional do queimador. A vazão deverá se situar no seu valor mínimo no caso de “fogo baixo” ou máximo, no caso de “fogo alto”. Essa regulagem é feita manual ou automaticamente sendo que, no queimador, o ajuste é feito pelas pressões dos fluidos (óleo ou gás) na

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entrada das respectivas mangueiras. Normalmente a liberação térmica de um queimador não deve exceder 20% de sua liberação nominal ou de “catálogo”; 2- observar visualmente a chama. No caso da queima de gases, ela deverá ter cor levemente azulada na raiz e amarelo-claro nas pontas. No caso da queima de óleo, a chama deve apresentar-se amarelo-claro intenso, estável e sem fagulhas visíveis ou definidas; 2.1- as chamas que possuem brilho exagerado indicam maior excesso de ar. As chamas que se apresentam mais longas, “moles” e com cor alaranjada escura indicam falta ou má distribuição de ar; 2.2- a cor da chama é regulada conjuntamente com a fumaça na chaminé, alterando-se o número de queimadores, a pressão do óleo combustível, e a vazão de ar para a fornalha, com o controle no manual ou no automático; e 3- medir o teor de oxigênio nos gases de combustão e verificar as faixas operacionais do equipamento. Essa verificação pressupõe três resultados: • teor de O2 elevado: fechar regulagem de ar dos queimadores e voltar avaliar visualmente a chama; • teor de O2 muito baixo: abrir as entradas de ar dos queimadores e voltar avaliar visualmente a chama; • teor de O2 dentro do mínimo especificado pelo catálogo do queimador: não efetuar ajustes; 4- verificar o controle das emissões para o meio ambiente, através da análise de Orsat de gases da combustão. 5- verificar e testar os alarmes da caldeira de água baixa, água alta, falha de chama, falta de combustível e baixa pressão de ar na fornalha; 6- efetuar o tratamento da água de alimentação; 7- fazer a limpeza dos queimadores de acordo com a rotina do quarto de serviço de máquinas; 8- efetuar os registros de pressão e temperatura da caldeira; 9- verificar a estanqueidade das portas de visita; 10- dar ramonagem na caldeira; 11- verificar a temperatura de saída do vapor superaquecido; 11.1- durante a operação normal de uma caldeira, a temperatura de saída do vapor superaquecido diminui devido a: 252

a) o feixe tubular do dessuperaquecedor interno apresentar furo comunicando o vapor no interior do feixe com a água no tubulão de vapor; b) a presença de fuligem nos tubos do superaquecedor. Dar ramonagem no superaquecedor; e c) defeito na válvula de controle do fluxo para o feixe tubular do superaquecedor, não permitindo aumentar nem diminuir o fluxo de vapor; 12- diminuição repentina no nível da água da caldeira; 12.1- medir a quantidade de água na caldeira; e 12.2- verificar tubos furados. 13- aumento repentino do consumo de água: 13.1- verificar se existem vazamentos nos tubos da caldeira ou no superaquecedor. Finalmente, é hora de encerrar essas dissertações sobre o emprego e o funcionamento de caldeiras a bordo de navios. Não há ponto final sobre esse mister marinheiro. A prática certamente desvendará possíveis dúvidas e questionamentos, pois “só se aprende a usar os conhecimentos usando-os”. E isto é precisamente o que nós (professores, alunos, tripulantes) faremos da melhor maneira possível, principalmente a bordo de nossos navios. Isto certamente é o que pensamos, queremos e faremos.

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