Depósitos na água e vapor

• Depósito interno nos tubos da caldeira pode ocorrer :

• Onde há água

• Ou onde há vapor• Nos tubos da parede d’água e screen o

depósito é mais intenso

• Tubos do teto e do piso também contém depósito

• Serpentinas do superaquecedor : depósitos trazidos de outro local pela água

• (devido a nível auto – espuma por excesso de produto químico – arraste de gotículas)

• Nos tubos do economizador normalmente há formação de depósito – trazido pela água de outros pontos do sistema :

• O depósito consiste de produto de corrosão do sistema de retorno de condensado

• (onde não há polimento do condensado - oxigênio absorvido promove a corrosão)

• Ou pode haver depósito pela vaporização da água no final do economizador - Dependendo das condições de operação

• O depósito é mais intenso• Na face quente do tubos onde há geração de

vapor

• Na face superior de tubos do piso onde háacúmulo do vapor

• Nos tubos do screen

• A jusante de pontos de perturbação do fluxo• (onde ocorrer descolamento do fluxo de água)

• (estes pontos favorecem a de ocorrência de steam blanketing)

• Tubulões de vapor e lama contém depósitos• Inspeção visual dos tubulões permite uma avaliação das

condições de operação da caldeira e do tratamento térmico

• Avaliação do aspecto físico, da cor e da composição química dos depósitos permite avaliar o desempenho:

• Do tratamento da água, e• Dos procedimento operacionais

– Dosagem adequada ou excessiva de produto químico– Decomposição e precipitação dos produtos químico– Falta de drenagem ou purga– Arraste de sólidos– Cristais magnéticos pretos e brilhantes aparecem

quando o ferro é liberado dos agentes orgânicos complexantes

• Depósitos no superaquecedor– São formados pelo arraste de água– Que ao vaporizar deixa o sólido

• O arraste da água ocorre devido a:– Formação de espuma (excesso de produto químico)– Nível auto da água no tubulão– Falha do sistema de separação e retenção de

gotículas• Os depósitos podem ser encontrados:

– No início das serpentinas;– Nas curvas U das serpentinas pendentes– Pode chegar até as palhetas da turbina

• Contaminantes da água do dessuperaquecedor• Pode depositar logo após o ponto de injeção• Partículas ou pedaços de depósitos e óxidos • Podem desprender e serem soprados para:• As serpentinas do superaquecedor;• Acumulando nas curvas• Ou atingir as palhetas das turbinas

• Terminologia:• Depósito: material originado em um local e

arrastado ou conduzido até um outro local.– Depósito não pode ser definido como produto

de corrosão formado no local

• Óxido: formado no local, a partir da reação (ou ataque) do metal da caldeira.– Óxido removido de seu local de origem se

torna depósito em outro ponto

• Origem dos depósitos de caldeira– Minerais presentes na água– Produtos químicos do tratamento da água– Produtos de corrosão do sistema antes da caldeira e

da própria caldeira– Contaminantes

• A interação entre estes produtos pode funcionar como ponto de nucleação de depósito e pode– aumentar a quantidade e resistência dos depósitos

• Podemos ter nos depósitos:– Óxidos, cobre, fosfatos, carbonatos,– Silicatos, sulfatos– Vários compostos orgânicos e inorgânicos

• A formação de depósito ocorre pela• Concentração de produtos solúveis e insolúveis • Na camada limite junto a parede do tubos• Durante a formação das bolhas de vapor

Material segregado na interface vapor-água deposita na base da bolha

Quando a bolha se desloca da superfície o depósito e dissolvido pela água

Com a taxa elevada de transferência de calor forma-se uma camada de vapor (steam blanket) e não há a dissolução do depósito pela água

• Tendência a formação de depósito• Esta relacionada a:• Taxa de transferência de calor (local)• Turbulência da água (tipo de fluxo)• Composição da água junto a ou próximo

da parede do tubo• A taxa de crescimento do depósito

depende da• Taxa de formação de bolhas de vapor e• Solubilidade do depósito

DNB-departure nucleate boilingNeste ponto as bolhas de vapor formadas na superfície quente do tubo começam a interferir com o fluxo de água para a superfície do tubo, e eventualmente juntam-se formando um filme, que pode isolar a superfície do metal

Fluxo bifásico X aquecimento e ebul ição

• Em condições normais• O ponto onde ocorre DNB (Departure Nucleate Boiling)

muda de posição com o tempo• Neste caso ocorre• Flutuação de temperatura de 10 C ou maior• A cada 10 segundo ou menos• Quando ocorre a formação do filme continuo de vapor• A temperatura do tubo pode subir entre 25 a 50

• Se o fluxo de calor for intenso • A elevação de temperatura• Pode resultar na falha do tubo

DNB na região superior da fornalha

• Fatores que influenciam a formação de depósitos:• A taxa de deposição é controlada por:• Solubilidade e tenacidade do depósito• Freqüência de lavagem pela água na região onde o

vapor é gerado• Solubilidade e tenacidade do depósito e lavagem pela

água dependem de outros fatores como:• Concentração de sólido dissolvido• Temperatura de formação• Morfologia • Turbulência• Entretanto, o fator mais importante é a formação de

vapor (pode formar até quando a vaporização é leve)

• Durante a ebulição a transferência de calor é controlada

• Pela condutividade térmica• Da parede do tubo e • Do depósito• Pelo coeficiente de troca térmica e

temperatura do gás

• Condutividade do metal

• Condutividade do depósito

A condutividade térmica dos depósitos são cerca de 10 a 400 vezes menor que o ferro carbono

• Mesmo uma fina camada de depósito• Pode causar um aumento considerável da temperatura

do metal• Com o aumento da temperatura da parede do tubo• Aumenta a tendência de steam blanket• Steam blanket reduz o fluxo de calor para a água• Causando sobreaquecimento do metal e ruptura• A qualidade da água tem grande influência ocorrência

de deposição na parede dos tubos• A qualidade aceitável da água em função da pressão é

mostrada a seguir:

• Qualidade da água de alimentação da caldeira

• Qualidade da água de alimentação da caldeira

*Para caldeiras com taxa elevada de transferência de calor, estas concentrações devem ser essencialmente zero.Da mesma forma, a dureza total não deve exceder 0,3 ppm CaCO3, mesmo para pressões mais baixasSólidos suspensos na água de alimentação deve ser zero se for possível.

• Teor de sólidos e sais na água de caldeira

*Orientações para caldeiras de 100 a 900 psi montadas no site e com taxa moderada de transferência de calor (50000 Btu/ ft2.h)Para taxas altas de transferência de calor, característica de caldeiras compactas, grande quantidade de material insolúvel não pode ser tolerada

• Teor de sólidos e sais na água de caldeira

psi F MPa C100 328 0,69 164200 382 1,38 194300 417 2,07 214500 467 3,45 242600 586 4,14 308750 510 5,17 266900 532 6,21 278

1000 545 6,89 2851500 596 10,34 3132000 636 13,79 3362500 668 17,24 3533200 705 22,06 374

• Como uma regra empírica com relação ao estado de limpeza dos tubos de:

• Caldeira de alta pressão (>1800psi 12,4 MPa)• Depósito nos tubos da fornalha• -Tubo limpo se• Depósito < 15 mg / cm2• -Tubo moderadamente sujo• Depósito de 15 a 40 mg /cm2• -Tubo muito sujo• Depósito de > 40 mg /cm2

• Caldeira supercrítica• P>22,064 MPa(3200psi) e T>374 C (705 F)• Depósito nos tubos da fornalha

• -Tubo limpo se• Depósito < 15 mg / cm2

• -Tubo moderadamente sujo• Depósito de 15 a 25 mg /cm2

• -Tubo muito sujo• Depósito de > 25 mg /cm2

• Caldeiras REVAP• Pressão 1710 psi• Recomenda-se a limpeza química da caldeira quando o

teor de depósito nos tubos da fornalha for > 70mg/cm2• Depósito excessivo reduz drasticamente a transferência

de calor;• Alguns fabricantes de caldeiras de baixa pressão

recomendam a limpeza quando;• teor de depósito for >32mg /cm2

• Operação prolongada com teor de depósito acima do limite recomendado pode provocar

• Falhas por corrosão e sobreaquecimento • Entretanto, além do peso do depósito• Outros fatores influenciam na troca

térmica:• Composição• Morfologia

• Óxido de ferro• Uma camada lisa, preta, tenaz e densa de magnetita

forma-se naturalmente no aço exposto ao ambiente redutor encontrado no lado da água de uma caldeira.

• Magnetita forma pela reação direta da água com o metal do tubo.

Tubo bem protegido por uma camada lisa e tenaz de magnetita

• Em caldeira de pressão mais alta a magnetita apresenta duas camadas, que pode ser vista no exame com microscópio.

• Particulados de óxido de ferro pode depositar sobre a camada lisa de magnetita se a taxa de vaporização for elevada nesta área

• Partículas grossas de magnetita não são bem aderente a superfície a não ser que seja misturado com outros depósitos .

Ponto de particulado de óxido de ferro depositado na área que corresponde aos pinos dos tubos de uma caldeira de recuperação

Circundando a área aparece depósito branco hidróxido de sódio

O pino permite maior transferência de calor e maior taxa de vaporização

• Agulhas de magnetita preta cristalina e cintilante (que brilha)

• Freqüentemente estão presentes nas áreas de corrosão caustica

• Cristais de magnetita podem produzir uma superfície com pontos cintilante no tubulão de vapor

• Raspando este material e submetendo ao imã pode-se determinar a presença do ferro

Cristais cintilantes de magnetitaFormados por precipitação na superfícieOuTransportado de outras regiões do sistema antes da caldeira

Deposição de cristais de magnetita associados a região de corrosão caustica.Estes cristais são encontrados próximos as áreas de corrosão ácida ou caustica

• A formação de hematita e favorecida por:• Temperatura baixa e• Alta concentração de oxigênio• A hematita funciona como um aglomerante que• Facilita a acumulação e retêm outras materiais no depósito• Hematita pode ser vermelha se formada onde a concentração de

O2 é alta• Ela normalmente esta presente no economizador em conjunto com

corrosão por O2

Camada de hematita fragmentada na superfície de tubo do economizadorA maior parte do óxido foi formada no local, mas um pouco foi trazido como fragmento

• Cobre• É depositado ou por troca direta com o ferro ou• Pela redução do óxido de cobre pelo hidrogênio oriundo da

corrosão• Observa-se manchas avermelhada de cobre elementar • Misturado com magnetita ou hematita• Próximo às áreas de corrosão caustica• (por causa do hidrogênio que evolui durante ataque )• Cobre elementar pode ser detectado no teste com nitrato de prata• (cristais brancos de prata precipitam na presença de cobre

elementar• Óxido de cobre formado nas condições reinantes na caldeira é preto

e não magnético• Corrosão galvânica associada ao cobre é raro em caldeiras bem

passivada

• Óxidos de zinco e níquel as vezes são encontrados em conjunto com depósito de cobre

• Isto é esperado por estes elementos estão presentes no latão e cupro-níquel

• dos condensadores e• aquecedores de água de alimentação• Estes elementos aparecem em concentração menor que

a do cobre• Em baixa concentração não tem ação deletéria

significativa.

• Sais• CaCO3 – o menos solúvel dos compostos depositados• Deposita tão logo ocorra a vaporização.• Depósito friável que• Entra em efervecencia não contato com HCl• CaSO4 – precisa de uma concentração maior que do

CaCO3 para depositar.• Pode-se suspeitar também da presença de fosfatos

quando encontramos depósitos friáveis• (mas estes depósitos estão mais associados a

carbonatos)

• Fosfato de magnésio é um aglomerante que pode produzir depósitos duros e aderentes

• Silicato insolúvel esta presente em muitas caldeiras• Muitos silicatos são muito duros e quase insolúveis em

ácido (exceto ácido fluorídrico)• Depósitos de silicatos complexos pode ser evidência de

steam blanket porque compostos de sódio intermediários são solúveis

• Depósitos solúveis em água só podem ser retidos se o mecanismo localizado de concentração for severo.

• Desta forma, a presença de • Hidróxido de sódio• Fosfato de sódio e• Sulfato de sódio• Deve ser considerada evidência de intensa evaporação

e secagem do local

• MgCl pode entrar na água da caldeira se houver falha de condensador que operar com água do mar

• O cloreto concentra-se nos depósitos porosos e hidrolisa formando HCl

• Decomposição de:• Óleo• Graxa• E outros contaminantes orgânicos• Também podem criar condições ácidas

• A morfologia do depósito fornece evidências sobre• Taxa de troca térmica• Condição da água• E• Mecanismo de corrosão sob o qual ele foi formado• Qualquer depósito que resiste a lavagem com água é

indesejável, especialmente:• Depósitos insolúveis e permeáveis com granulação

grossa• Eles permitem a concentração de espécimes mais

solúveis em seus poros• Por essa razão, NaOH pode ser encontrado em

depósitos poros

• Em geral quanto mais velho o depósito• Mais duro• Mais aderido à parede do tubo• Pois , com o tempo os interstício do depósito são

preenchidos por com material sólido• Aumentando dureza e densidade• Depósito estratificado indica mudanças • na composição química da água (programas diferentes

de tratamento da água; • na taxa de transferência de calor , etc...

• Eliminação do depósito• Todo depósito é indesejável e resulta da• Da qualidade da água ou• De procedimentos operacionais• Tratamento adequado da água pode reduzir deposição• Evitar alterações na composição química da água• Eliminar problemas operacionais na ETA• Operar dentro dos limites de projeto da caldeira• Eliminar pontos de aquecimento localizado• Monitorar o nível da água• Corrigir a posição dos queimadores• Ajustar o combustível• Pratica adequada de blowdown

• Cuidados• Identificar bem o depósito através de análise química

qualitativa e quantitativa• Compostos solúveis são removidos quando a caldeira

esfria e para a geração de vapor• Neste caso as análises de laboratório podem não refletir

a composição química em serviço• A quantidade do produto altamente solúvel é sempre

sub-estimada nas análises de laboratório• No local da ruptura a quantidade, composição e

estratificação do depósito são alteradas pelo fluxo

• Produto de corrosão pode ser confundido com depósito

• (tubérculos de corrosão por oxigênio pode ser confundido com depósito)

• (agulhas de magnetita associadas a queda do pH podem ser confundidas com particulados de ferro arrastados do sistema de água para caldeira

Clarificadores

Capacidade de Tratamento 1.600 m3/h

Bacia Água Filtrada

Água Bruta1200 m3/h

TQ-517-01Capacidade25.500 m3

Cada1000 m3/h

Reposição dasTorresde Resfriamento520 m3/h

AP 35 m3/h

AD 70 m3/h

Vasos Descloradores

V-01B

V-01A

Vasos Aniônicos

Vasos Catiônicos

V-02A

V-02CV-02B

V-03C

V-03B

V-03A

Retorno Condensado do Processo270 m3/h

TQ-514-10800 m3

Vasos Leito Misto

V-04A

V-04D

V-04CV-04B

TQ-530-01Água Desmi4.600 m3

RACI200 m3/h

TQ-517-02

Água DesmineralizadaConsumo aprox. 400 m3/h

Geração de Vapor

Caldeiras

Osmose Reversa150 m3/h

Tratamento de Água REVAPInjeção Cloro gásSulfato de AlumínioPolieletrólito

RegeneraçãoÁcido Sulfúrico

RegeneraçãoSoda Caustica

RegeneraçãoÁcido SulfúricoSoda Caustica

Correção pHHipoclorito

Morfolina

HidrazinaFosfatoTri/Disódico

DesaeradorD-59201/02

Caldeiras

Sistema de Dosagem de Produtos Químicos REVAP

MB-53001ATB-53001B

TB-59201A/BMB-59201C/D

P-59209A/B

TQ-53001

• Exemplo 1- Tubo do economizador • Na região de saída do economizador• 10 anos de operação• Detectado durante a remoção de um tubo que falhou• Depósito acumulado na curva (tubos na horizontal e

curva vertical)• Finos de carvão, resina • Fotos a seguir:

• Corrosão alveolar sob depósito• Não ocorreu superaquecimento porque os gases tem

temperatura baixa nesta seção da caldeira• Houve vaporização localizada e concentração de NaOH• O depósito não causou a falha do tubo• Outros tubos próximos sofreram erosão e corrosão pelo

lado do gás• Ai então foi descoberto o depósito e a falha no leito de

resina do vaso.• Como avaliar nossas caldeiras para não ter surpresa ?

• Exemplo 2 obstrução de tubos do superaquecedor• Industria de papel• Saída da serpentina do superaquecedor• 3,5 anos de serviço• Tratamento da água com fosfato• Pressão 900 psi (6,2 Mpa)• Tubo baixa liga 1,5% Cr diâmetro 2” (50,8 mm)• Combustível - carvão

• Depósito sólido obstruiu 600 mm da região final na saída da serpentina

• Após partir o tubo e promover a secagem de parte do depósito foi observado que o depósito era branco

• Afastado da extremidade do de saída da serpentina o depósito era composto por:

• 80% de magnetita• 7% de NaOH e CaCO3• Pequena quantidade de S, Cloreto, fosfato, Cr e Mg• Na extremidade de saída do tubo 50% do depósito era

formado por NaOH e CaCO3

• O depósito foi causado por • Contaminação crônica da água do dessuperaquecedor• e(ou )• Arraste de água da caldeira pelo vapor do tubulão para

o coletor do superaquecedor• A água converteu em vapor e deixou o depósito sólido• O sólido foi acumulando nas regiões de baixo fluxo ou

de estagnação do fluxo• Limpar ou remover as extremidades dos tubos é

necessário para prevenir a ocorrência de corrosão caustica e superaquecimento

• Exemplo 3: ruptura de uma laranja formada na face quente do tubo

• Industria de papel• Tubo do crossover• Tubo horizontal• 20 anos em serviço• Tratamento de água com fosfato• Pressão no tubulão 800 psi (5,52 Mpa)• Diâmetro do tubo 2,5 in• Combustível: licor negro e óleo

combustível

• O tubo do crossover tinha uma pequena laranja com ruptura

• Camada de depósito branco quebradiça de 17 mg/ cm2

• na superfície interna da face quente do tubo• Na face fria do tubo o depósito era de 1,06 mg/ cm2

• A deposição ocorreu devido ao steam-blanket pelo aumento episódico da troca térmica

• Alta taxa de troca térmica resultou em superaquecimento e eventual falha

• Falha devido a um episódio de elevada taxa de troca térmica

• Formação de laranja e ruptura do tubo• Depósito composto por:• Fosfato de calcio• Silicato de sódio e alumínio hidratado• Magnetita• Silicato de magnésio• Pequena quantidade de outros

materiais• Parte do alumínio veio do tratamento

de clarificação da água• Revisado procedimento s de queima e

de clarificação da água

• Exemplo 4: Deficiência de fluxo na fornalha

• Vaporização excessiva• Deposição e ataque pelo

produto químico do tratamento da água

• Topo da parede lateral da fornalha

• Trincas circunferenciais

• trincas formadas a partir da superfície interna do tubo

• Trincas circunferenciais e longitudinais

• Corrosão alveolar severa

Início da falha quebra do óxido (magnetita) interno do tubo característica de corrosão fadiga

falha detectada por Ultra-som convencional

Trinca transgranular com produto de corrosão internamente característica de

corrosão fadiga

• Exemplo-5• Caldeira trabalhando com água de

alimentação direta do poço sem tratamento de redução de sólidos e gases

• Grande formação de depósito• A implementação de tratamento de

redução de sólido• Resultou em corrosão por oxigênio

• Exemplo 6• Pressão do tubulão : 425 psi (2,93 Mpa)• Diâmetro ext do tubo : 3,25 in• Tempo de operação: 5 anos• Combustível: Gás natural e óleo combustível 6• Formação de laranja e ruptura pela formação de

depósito interno • 100 g/sqft na face quente e 82 g/sqft na face fria• Carbonato de cálcio• Silicato de cálcio• Fosfato de cálcio• Hidróxido de de magnésio

• A caldeira trabalhou de forma intermitente• produzindo até 40 t/h de vapor • por um período de 1 ano• Foi projetada para 34 t/h• Um mês antes da falha o combustível foi trocado • Ou seja,• Passou a queimar óleo 6 no lugar de Gás Natural• O queimador original de óleo foi substituído por um

queimador maior• O depósito ocorreu por excesso de troca térmica• (excessive heat input)