Os parâmetros adequados de sopragem visam criar uma força de arrastro nas superfícies internas da tubulação muito maior do que a força de arrastro atuante na condição de vazão máxima de vapor durante a operação da turbina. Desta forma garante-se que qualquer sujeira, incrustação ou resquício de solda ou material seja expelida, garantindo a limpeza interna da tubulação. Há critérios técnicos para determinar essa força de arrastro a ser gerada no decorrer da sopragem. Estamos disponibilizando uma das poucas normas existentes sobre o assunto, para esclarecimento e conhecimento destes critérios. Trata-se de uma norma da fabricante General Electric para comissionamento de suas turbinas. Não há nenhuma norma ASME que trate do assunto, portanto geralmente as empresas especializadas em sopragem no exterior utilizam essa norma como critério técnico para obter os parâmetros adequados de sopragem.
GEK 41745B - Agosto/2004
A partir destes critérios, deve-se dimensionar e projetar tais dispositivos de sopragem levando em consideração as condições de temperatura e pressão a serem desenvolvidas durante o processo no dispositivo, bem como outros aspectos. Um deles, e talvez o mais negligenciado é a força que é gerada na extremidade aberta à atmosfera do dispositivo de sopragem, que dificilmente é considerada quando é executado projeto formal do dispositivo de sopragem.
Por se tratar de linha de
sopragem, uma de suas extremidades libera vapor à atmosfera. Uma força de
reação dinâmica é exercida nesta extremidade devido à alta velocidade de saída
e à grande massa de vapor, que pode ser calculada utilizando o método proposto
pela General Eletric Co. (GE Power) em sua norma interna GEK-27065D (Cleaning of Main Steam Piping and Provisions for
Hydrostatic Testing of Reheaters), através da fórmula abaixo:
F4= W . V4 + (P4-Pa) . A4
g
Onde:
F4 = Força de reação (kgf)
W = Vazão mássica de vapor durante a
sopragem (kg/s)
V4 = Velocidade de vapor na seção de saída
da tubulação de sopragem (m/s)
g = Aceleração da gravidade (9,81 m/s²)
P4 = Pressão de vapor na seção de saída da
tubulação de sopragem (kgf/m² abs)
Pa = Pressão atmosférica (10332 kgf/m²
abs.)
A4 = Área do plano de saída de vapor da
tubulação de sopragem (m²)
Observação:
A força de reação dada pela equação acima considera regime permanente,
excluindo transientes. Durante a sopragem há flutuação da força de reação
devido à alta velocidade do vapor e a magnitude desta flutuação varia em função
do arranjo físico da tubulação de sopragem. Para expressar a máxima flutuação e
encontrar a força de reação atual, um fator de carga dinâmica (D.L.F) é
aplicado. Este D.L.F. só pode ser calculado através de métodos complexos, porém
normalmente um fator de valor 2 é usado para estimar a força de reação atual.
Vamos verificar em um exemplo prático a ordem de grandeza dessa força e a importância de um correto projeto da tubulação temporária para sopragem. Um caso recente ocorrido em uma usina envolveu duas vítimas, sendo uma fatal, envolvendo a falha do dispositivo de sopragem que foi projetado e dimensionado incorretamente.
Inicialmente , vale ressaltar que os parâmetros para sopragem foram adotados de forma empírica, utilizando-se da máxima pressão e temperatura da caldeira e sem nenhum parâmetro de controle quanto à vazão do sistema. A pressão atingida no super-aquecedor da caldeira antes
da abertura da válvula para sopragem da linha era de 64 bar e a temperatura de
500°C, e uma vazão mássica de 200 t.v/h. A pressão P4, pressão na saída de vapor
da tubulação de sopragem é desconhecida, pois não havia nenhum instrumento de
medição da mesma na linha. A pressão neste ponto pode ser obtida através de uma
criteriosa análise de fluidos compressíveis que leva em consideração todo o
arranjo físico da linha, desde a caldeira até a turbina (tubulação permanente),
bem como a tubulação temporária desde a turbina até a extremidade de saída do
vapor à atmosfera. Tal análise é executada através de softwares C.F.D. (Computational
fluid dynamics). A pressão
neste ponto é muito menor que a pressão nominal da linha e estamos estimando
conservativamente, baseados na literatura sobre o tema, em 3 bar (g) (P4=40332
kgf/m² abs). Observando os cálculos da GEK 41745B, verificou-se que a velocidade ideal para alcançar os requisitos de sopragem é de
245 m/s. Observamos que a vazão de vapor do sistema durante a sopragem é muito
alta, portanto a velocidade na região do dispositivo de fixação da chapa de
corpo de prova é muito maior do que esta velocidade ideal. Estamos
conservativamente adotando esta velocidade ideal de saída do vapor na
extremidade da tubulação de 245 m/s (V4). Conforme estas considerações acima
citadas, temos:
W = 55,556 kg/s
V4 = 245 m/s
g = 9,81 m/s²
P4 = 40332 kgf/m² abs.
Pa = 10332 kgf/m² abs.
A4 = 0,05502 m²
Substituindo em (Eq.1) temos;
F4 =
3038,1 kgf
Considerando um D.L.F de 2, temos F
real = 6076,2 kgf
Esta
força foi considerada atuando na extremidade aberta do sistema de sopragem.
O dispositivo foi confeccionado em aço inoxidável AISI 304 com espessura Sch.10S. O sistema foi modelado e a força F4 aplicada na extremidade aberta do sistema, em direção contrária ao fluxo de vapor. O resultado mostrou tensões acima dos limites admissíveis pela ASME B31.3.
Tensões por sustentação. A tensão no ponto A03
é 3.33 vezes maior que a tensão admissível.
O referido dispositivo foi utilizado por vários anos sem problemas ou acidentes, devido à sua utilização ocasional e à baixa pressão atuante, próxima à atmosférica. É
importante notar que geralmente não é despendida a atenção necessária para o
dimensionamento de sistemas temporários para sopragem porém se trata de situação que gera riscos consideráveis e, portanto, é
fundamental que o dimensionamento do sistema seja rigoroso.
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