TESTE PARA IDENTIFICAÇÃO DE TRAVAMENTO, MANUTENÇÃO E ACEITAÇÃO DE JUNTA DE EXPANSÃO DE GRANDE...

Copyright 2012, Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis - IBP Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2012, realizado no período de 17 a 20 de setembro de 2012, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas no trabalho completo submetido pelo(s) autor(es). Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference 2012.

______________________________ 1 Mestre, Engenheira de Equipamentos - PETROBRAS 2 Engenheiro de Equipamentos– PETROBRAS 3 Consultor Sênior – PETROBRAS

IBP1232_12 TESTE PARA IDENTIFICAÇÃO DE TRAVAMENTO,

MANUTENÇÃO E ACEITAÇÃO DE JUNTA DE EXPANSÃO DE GRANDE PORTE

Jordana Luiza Barbosa da Costa Veiga, Ricardo Jose Fernandes Lemos2, Jorivaldo Medeiros3

Resumo Sistemas de tubulações ligados a máquinas de grande porte devem possuir grande confiabilidade. Em especial sistemas de turboexpansor em que tradicionalmente possuem grande diâmetro e trabalham a altas temperaturas (até 760°C) e baixas pressões (menos que 4 kgf/cm2). Este trabalho foca na verificação, manutenção e ratificação do correto funcionamento das juntas de expansão (JE) de um sistema com tubulação de 72”, ligado a um sistema de turboexpansor. Após verificação de travamento das JE, foi necessário intervenção no sistema para restabelecimento do correto funcionamento, por questões de prazo, foi realizada apenas manutenção nas juntas de expansão ligadas a este sistema. Estas juntas de expansão foram testadas antes e pós o recondicionamento ocorrido na manutenção, de forma a garantir o correto funcionamento após a montagem e comprovar que o travamento do sistema tinha origem nas JE. O presente trabalho apresenta a degradação observadas nas JE, a manutenção realizada e os resultados dos testes realizados.

Abstract Piping systems connected to large machines must have high reliability. In particular systems that have traditionally turboexpander large diameter and operate at high temperatures (up to 760°C) and low pressure (less than 4 kgf/cm2). This paper focuses on verification, maintenance and ratification of the correct functioning of expansion joints (“JE”) of a piping system (72" external diameter), connected to a turboexpander system. After verification of “JE´s” locking, it was necessary to intervene in the system to restore the correct operation, for reasons of delivery, only maintenance was carried out in the expansion joints connected to this system. These expansion joints were tested before and after the maintenance to ensure proper operation after installation and verify that the locking system had its origin in “JE”. This paper presents the degradation observed in JE, maintenance performed and the results of the tests.

1. Introdução Sistemas de tubulações ligados a máquinas de grande porte devem possuir grande confiabilidade. Em especial sistemas de turboexpansor em que tradicionalmente possuem grande diâmetro e trabalham a altas temperaturas (até 760°C) e baixas pressões (menos que 4 kgf/cm2). Um turboexpansor possui a função de gerar movimento a partir de um diferencial de temperatura grande, não sendo necessários grandes diferenciais de pressão; e acoplado a um gerador produz energia elétrica. Esta geração tem função estratégica por permitir que a unidade detentora deste tipo de máquina não dependa totalmente, ou na maioria dos casos, parcialmente, do fornecimento de energia externo (concessionárias). O tuboexpansor em uma unidade de refino está instalado junto ao vaso de 3° estágio, que consiste na separação final de catalisador dos gases oriundos da combustão do coque impregnado de catalisador produzido durante a reação da carga. Os gases de combustão são quentes e em grande volume. Um duto conduz os gases quentes de combustão até o turboexpansor. Este duto, chamado de duto de admissão não é adotado de refratário interno para proteção da tubulação

Rio Oil & Gas Expo and Conference 2012

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metálica estrutural contra as altas temperaturas, devido a possibilidade de desprendimento e queda de partes do refratário que poderiam provocar danos às palhetas da máquina. Assim, de forma a resistir às altas temperaturas e sem a possibilidade de uso de material refratário é necessário o uso de materiais especiais, tal qual o AISI 304H. Onde a presença de alto teor de carbono confere maior resistência mecânica mesmo a altas temperaturas. De forma a trabalhar com menor traçado de tubulações apesar do grande diâmetro, apesar do material empregado ser aço inoxidável e das altas temperaturas, são utilizados nos sistemas de tubulação da admissão juntas de expansão. O sistema de tubulação consiste, além dos tubos, de duas válvulas do tipo borboleta de grande porte e de, dependendo da configuração do traçado, de três juntas de expansão. Pelos itens de tubulação, a confiabilidade do sistema é dependente do controle adequado pela válvula de controle, pelo rápido fechamento da válvula de bloqueio e pelo correto funcionamento das juntas de expansão. Este trabalho foca na verificação, manutenção e ratificação do correto funcionamento das juntas de expansão de um sistema com tubulação de 72”, ligado a um turboexpansor.

2. Turboexpansor O turboexpansor é uma máquina rotativa que possui valor estratégico, mais que financeiro para as unidades que o possuem. É uma máquina com capex alto, mas que dada a sua alta disponibilidade e confiabilidade possui pay-back rápido. Do ponto de vista mecânico estrutural é uma máquina que requer tubulações e acessórios não comuns, devido aos grandes diâmetros envolvidos e a confiabilidade necessária para o correto funcionamento da máquina. O controle e a segurança do sistema são dados por duas válvulas borboletas, uma com a função de controlar o fluxo e outra com a função de bloqueio em caso de emergência. As tubulações ligadas a este tipo de equipamento, devido a altas temperaturas de trabalho, precisam de ser de material com alta resistência à temperatura e por isso são tradicionalmente em AISI 304H (alto teor de carbono), mas este material possui coeficiente de ditalação térmica alto, e os esforços admissíveis pela carcaça da máquina são normalmente muito baixos. Os esforços permitidos em máquinas deste tipo não são limitados pelo API 610 e pelo NEMA SM23, mas também pelos limites informados pelos fabricantes junto à documentação da máquina. Uma forma de evitar os esforços muito altos seria a utilização de loops de dilatação térmica de forma que os esforços sejam baixos na extremidade do sistema apenas com alteração de traçado. Mas isto aumenta muito o traçado o que provoca perdas de carga além do admitido pelo processo e demandaria muito espaço, dado que estas linhas normalmente são superiores a 54”. Para evitar que o traçado da linha fique muito grande são introduzidas no sistema juntas de expansão de grande porte, são juntas de expansão metálicas que tem a função de permitir que a tubulação expanda por dilatação térmica, mas impondo o mínimo de esforço possível ao bocal do equipamento.

3. Desenvolvimento O sistema de turboexpansor em estudo, possui no duto de admissão do turbo uma tubulação de 72” com 3 trechos retos, um horizontal superior, onde estão localizadas as válvulas borboletas já descritas na seção 1, um trecho vertical e um trecho horizontal inferior de ligação com a máquina. Este sistema possuía quatro juntas de expansão, duas no trecho vertical do tipo cardânicas e duas no trecho horizontal de entrada na máquina do tipo dobradiça, o sistema sempre foi considerado instável, do ponto de vista teórico, por possuir quatro juntas onde tradicionalmente existiriam apenas três. Três das quatro juntas de expansão não foram modificadas desde a instalação do sistema, sendo projeto original de fabricação não brasileira; mas na primeira parada de manutenção do sistema, há mais de 10 anos, foi verificada a necessidade de instalação de uma nova junta de expansão e devido ao curto período da parada não foi possível realizar a retirada da junta já instalada, ficando o sistema com quatro juntas de expansão. O sistema possui temperatura de projeto de 760°C e pressão de projeto de cerca de 3,2 kgf/cm2. Após identificação de que a queda na confiabilidade da máquina teve origem nos dutos de admissão, foram investigadas as causas. Problema no funcionamento das válvulas foi rapidamente descartado e os esforços foram concentrados na verificação do correto funcionamento das juntas de expansão. Durante inspeção visual do sistema foram identificados vazamentos nas juntas de inspeção. Aparentemente, o vazamento tinha origem nos foles da junta, mas a presença da capa de proteção e fixação do isolamento térmico do fole não permitia a confirmação. Com o sistema desconectado da máquina, que estava fora de operação, mas sem acesso interno, foi realizado um teste de movimentação a frio no sistema. O teste, com metodologia já apresentada nesta conferência por Medeiros, Veiga e Veiga (2008), consiste em movimentar fisicamente o duto do deslocamento previsto em projeto referente a dilatação térmica do trecho e desta forma


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verificar interferências que com o movimento vejam a ocorrer, acompanhar a movimentação das juntas de expansão e registrar o esforço necessário ao teste, de forma a verificar a rigidez real do sistema com a rigidez teórica do sistema obtida por meio de modelagem em programa de análise de flexibilidade. Com base nos resultados do teste foi constatado grande esforço necessário para mover o sistema, compatível com o travamento das juntas de expansão. Foi sugerida a inspeção interna do sistema de forma a verificar se nenhuma parte interna da junta expansão poderia estar causando o travamento, assim como verificação de possível travamento por gaulling dos pinos das rótulas. Ambas as verificações foram descartadas com a fácil movimentação do pino e a inspeção interna que não acusou qualquer interferência, inclusive estando a camisa interna totalmente íntegra. A liberação interna para inspeção confirmou os danos nos foles, oriundo de condensação ácida ocorrida dentro do duto. O vapor de emergência e a própria umidade dos gases de combustão com o sistema fechado, desconectado do turbo, mas em operação, pode ter causado a condensação por perda térmica, formando ácido carbônico devido a presença do CO2 dos gases de combustão. O fole de material Inconel® LCF 625, normalmente com pequenas espessuras (cerca de 1,3 mm), não tem resistência ao ácido ou sobre-espessura de corrosão. Foi sugerida então, a troca das juntas de expansão instaladas no duto vertical. As duas JE instaladas na horizontal, uma poderia ser removida sem prejuízo ao sistema e a segunda, com fole furado, deveria ter o fole substituído por novo de mesmo material. Devido ao curto período de tempo para o retorno a operação não foi possível substituir as juntas de expansão por novas, mas foi realizada operação de limpeza, manutenção do hardware e troca dos foles por novos de mesmo material, número de corrugações, altura de corrugação e redução na espessura do fole devido a introdução do fole duplo (abordado a seguir) das três juntas de expansão. Com as juntas de expansão removidas do duto e levadas até a fábrica onde seria feita a manutenção e limpeza, foi realizado teste em fábrica como forma de confirmar a origem da alta rigidez do sistema (travamento das juntas), após todo o processo de limpeza, manutenção e troca dos foles foi realizado novo teste, como forma de garantir o correto funcionamento das juntas de expansão, identificar a rigidez real da junta e comparar esta nova rigidez com a teórica segundo o código de projeto de junta de expansão EJMA (expansion joints manufacturer association). 3.1. Elementos da Junta de Expansão As juntas de expansão são elementos que devem possuir baixa rigidez para que os movimentos oriundos de dilatação térmica sejam absorvidos por seu movimento. O elemento que confere baixa rigidez à JE é o fole (Figura 1), braços do cardan (Figura 2 (a)) e indicadores de movimento (Figura 2 (b)). Além desses a JE´s do tipo cardânica possuem anéis cardânicos (Figura 3) e anel flutuante (Figura 3).

Figura 1 – Fole


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(a) (b)

Figura 2 – (a) Detalhe da passagem da chapa base da rótula (braço de carregamento) e (b) cursos da JE

(a) (b)

Figura 3 – (a)Anéis cardânicos e (b) anéis flutuantes

Todas estas partes sofreram algum tipo de intervenção ou troca durante a manutenção executada. 3.2. Manutenção na Junta de Expansão (JE) O estado geral da JE antes da manutenção é apresentado na Erro! Fonte de referência não encontrada.. Ela apresentava diversos sinais de deterioração, conforme pode ser observado na Figura 5. Onde podemos ver o estado avançado da corrosão, muita sujeira e trincas.


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Figura 4 – JE estado geral da JE antes da manutenção As juntas de expansão tiveram seu projeto alterado durante a manutenção. Onde antes havia apenas um fole, foram instalados dois, tipo double plies, pois desta forma é possível identificar falha no fole interno e ante-ver a necessidade de manutenção na junta de expansão antes da falha ou da parada de manutenção. A falha pode ser identificada pela presença de um manômetro instalado junto com as juntas de expansão (Figura 6), que no caso de falha do fole interno irá indicar presença de pressão. Na Figura 6 também é possível observar os tirantes de travamento para transportes, eles serão pitados de amarelo antes do embarque, e deverão ser totalmente removidos antes da entrada em operação, mas apenas após a devida instalação.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 5 – JE com sinais de degradação (a) corrosão, (b) catalisador e corrosão na camisa interna, (c) e (d) trinca

propagada após desmontagem e corte


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Figura 6 – JE estado geral da JE antes da manutenção Os resultados dos testes antes da manutenção confirmaram o travamento da junta de expansão. Após o teste, foi realizada retirada do fole e limpeza total da junta que apresentava muitos detritos, catalisador compactado e total degradação do isolamento térmico interno, possíveis causadores do travamento juntamente com interferências observadas entre os garfos de movimento do hardware. Depois da manutenção, com o fole duplo, foram realizados novos testes que indicaram compatibilidade de rigidez da junta com os novos valores teóricos pelo EJMA.

(a) (b)

Figura 7 – JE com dejetos Antes da realização do teste as juntas de expansão tiveram que ser totalmente limpas (Figura 8) devido ao excesso de poeira oriunda de catalisador impregnado e de uma massa formada com catalisador e umidade, conforme mostrado na Figura 7.

(a) (b)

Figura 8 – JE (a) em limpeza e (b) após limpeza


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O mau funcionamento da JE quando instalada foi associado não só ao travamento pelo impregnamento de catalisador, mas também com relação aos diversos empenamentos dimensionais e interferências externas encontradas, apesar da camisa interna estar No compito geral, a JE teve que ter trocado o fole, a camisa interna e algumas partes do duto que não puderam ser reaproveitadas pelo excesso de trincas. Os pinos das rótulas tiveram o projeto alterado para inclusão de depósito de stellite® para evitar gaulling e diminuir o atrito entre as partes.

(a) (b)

Figura 9 – JE (a) Posicionamento para o teste e (b) dinamômetro posicionado

(a) (b)

Figura 10 – JE em montagem final (a) apenas com fole e (b) sendo instalada a proteção do fole

4. Mecanismo de Teste

O processo do teste, de forma simplificada, consiste na colocação da JE sobre um sistema de sustentação e posicionamento na vertical. As extremidades da JE são fechadas com um tampo soldado. O dispositivo consiste numa viga I soldada no tampo superior com um braço de alavanca (Erro! Fonte de referência não encontrada.), correntes, talha e dinamômetro digital para aquisição da carga. Na condição de carregamento a talha é acionada gradativamente para que a junta se movimente angularmente a partir da posição neutra. Na condição de descarregamento a talha é aliviada gradativamente para que a junta se movimente angularmente retornando à posição neutra pela reação de mola da junta.


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(a) (b)

Figura 11 – JE (a) antes da manutenção e (b) após a manutenção

(a) (b)

Figura 12 - Junta de Expansão em Posição de Teste. (a) Dispositivo real, (b) Esquema do Dispositivo

Fonte: Medeiros, Veiga e Veiga (2008).

O procedimento de teste é o mesmo já apresentado por Medeiros, Veiga e Veiga (2008), onde pode ser visto com maiores detalhes. Mas desta vez foi utilizado em JE que passaram por uso e posteriormente após manutenção. Algumas alterações foram feitas no dispositivo de teste, mas a idéia central permanece. Uma célula de carga ou dinamômetro deve ser utilizada para medir a carga, é necessário criar um braço de alavanca, o movimento é dado por correntes, tifor e talha, e é necessária a existência de uma escala de movimento presa a JE. Foram utilizados dispositivos diferentes para a JE antes da manutenção e após a manutenção, conforme pode ser visto, respectivamente, na Figura 13 e na Figura 14.


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(a) (b)

Figura 13 – JE (a) Posicionamento para o teste na JE antes da manutenção e (b) célula de carga utilizada

(a) (b)

Figura 14 – JE (a) Posicionamento para o teste na JE após manutenção e (b) dinamômetro posicionado

5. Análise e Discussão dos Resultados Foram avaliadas 3 JE durante a manutenção, os testes realizados ocorreram no recebimento da JE usada e sem limpeza e após o recondicionamento, e como forma de comparação também é mostrado o resultado teórico pelo EJMA. O projeto das 3 JE é similar, sendo o projeto e as angulações esperadas em operação e emergência similar. A Tabela 1 mostra os resultados para a primeira JE do sistema.

Tabela 1 – Resultados teóricos e de testes dos momentos relativos à JE-01

Momento (kgf*m)

Condição Ângulo Novo Teórico Teste Recebimento Teste Após

Recondicionamento Projeto 1,5° 1722 1829 1180

Emergência 2,3° 2640 3234 2014


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A Tabela 2 apresenta os resultados para a JE-02. A JE-01 e a JE-02 são similares construção, sendo ambas do tipo cardânica.

Tabela 2 – Resultados teóricos e de testes dos momentos relativos à JE-02

Momento (kgf*m)



Emergência 2,3° 2640 2569 3094 A Erro! Auto-referência de indicador não válida. apresenta os resultados da JE-03.

Tabela 3 – Resultados teóricos e de testes dos momentos relativos à JE 03

Momento (kgf*m)



Emergência 2,3° 2640 5800 2229 Como pode ser observado, os valores de momento após a manutenção não só são inferiores aos valores antes da manutenção, como são inferiores ao teórico calculado pelo EJMA. Isto comprova a eficácia do processo de manutenção realizado e fornece confiabilidade ao processo. Mostrando-se vantajoso quando a condição de prazo for limitadora ao fornecimento de nova JE.

6. Conclusões Depois da manutenção, com o fole duplo, foram realizados novos testes que indicaram compatibilidade de rigidez da junta com os novos valores teóricos pelo EJMA. Após esta conclusão as juntas de expansão foram liberadas para instalação e com apenas três juntas o sistema foi novamente testado. Os valores obtidos com o sistema todo instalado e retirada de uma das juntas de expansão com substituição por trecho de tubo reto foram satisfatórios e compatíveis com os valores obtidos a partir de modelagem de análise de flexibilidade realizada.

Desta forma, a utilização do teste de movimentação a frio dos dutos de gases de combustão como forma de verificar sistemas em operação se mostrou bastante satisfatório, assim como o teste de movimentação a frio da junta de expansão em fábrica antes e depois da manutenção, mostrou-se ferramenta poderosa de confirmação do estado de degradação que a junta de expansão estava ao chegar à oficina após algumas campanhas em operação, e principalmente, como verificador do estado final da junta, garantindo a não existência de interferências internas, o correto funcionamento do harware e a caracterização da nova rigidez real da junta de expansão.

6. Agradecimentos

Oa autores gostariam de agradecer o apoio dado pela Gerência de Equipamentos e pela PETROBRAS para execução deste trabalho.

8. Referências API 610. American Petroleum Institute, 2010. ASME B31.3. American Standard Association, 2010. EJMA. Standards of the expansion joint manufacturers association. Eighth edition, 2003 NEMA SM 23. Steam turbines for mechanical drive service. 1991. MEDEIROS, J., VEIGA, J. C., VEIGA, J. L. B. C. Teste de movimentação de junta de expansão de grande porte. Rio Oil

&Gas Conference, n. 2008, 2008.

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