Cálculos da espessura da parede do tubo do permutador de calor utilizando a análise de valores extremos (EVA) 

Garantir a integridade dos tubos do permutador de calor é fundamental e desafiante quando se trata de manter a eficiência industrial. Os permutadores de calor são componentes vitais em várias indústrias, desempenhando um papel fundamental na transferência de calor entre fluidos. No entanto, a inspeção torna-se um trabalho GRANDE e SUJO com feixes que contêm entre 250 e uns impressionantes 5000 tubos. Tradicionalmente, devido a preocupações com as condições dos tubos e o potencial de corrosão nos permutadores de calor, os locais inspeccionam frequentemente cada tubo. Este processo não só é trabalhoso como também consome imenso tempo. Imagine passar 12 horas apenas a limpar e inspecionar uns meros 300 tubos! Além disso, certas técnicas de inspeção de corrosão, como o Sistema de Inspeção Rotativa Interna (IRIS), exigem que os materiais do substrato sejam limpos meticulosamente para obter resultados eficazes. Muitas vezes, isto significa várias rondas de lavagem e inspeção para obter dados precisos. 

Entre na Análise de Valores Extremos (EVA) - um método estatístico que está a revolucionar a forma como abordamos esta tarefa assustadora. Ao utilizar a EVA para cálculos eficientes da espessura da parede do tubo do permutador de calor, podemos reduzir com confiança o número de tubos inspeccionados sem comprometer a segurança ou o desempenho. Isto não só reduz significativamente os tempos de inspeção, como também se traduz em poupanças substanciais de custos. Além disso, o EVA ajuda a prolongar a vida útil do permutador de calor, avaliando com precisão as condições dos tubos. Neste blogue, vamos explorar como o EVA transforma o processo de inspeção do permutador de calor, tornando-o mais inteligente, mais rápido e mais eficiente. 

A Análise de Valores Extremos (EVA) é um método estatístico poderoso para prever os valores mais extremos num conjunto de dados. No contexto dos permutadores de calor, a EVA é particularmente útil para calcular a perda máxima de parede a partir de uma amostra mais pequena e representativa de tubos. O processo começa com a amostragem, onde as leituras da espessura da parede são feitas a partir de uma seleção representativa de tubos dentro do permutador de calor.  

Uma vez recolhidos os dados, estes são ajustados a uma distribuição estatística, normalmente a distribuição de Gumbel. Este processo de ajuste ajuda a entender o comportamento dos valores extremos dentro do conjunto de dados. Utilizando esta distribuição, a perda máxima de parede é então extrapolada em todo o permutador de calor, fornecendo uma visão abrangente da degradação potencial. 

A partir daqui, a espessura da parede do tubo do permutador de calor deve ser calculada ao longo do tempo. Ao compreender como a espessura da parede muda, torna-se possível prever a vida útil restante do permutador de calor. Esta informação é crucial para planear as inspecções e garantir o desempenho ideal do equipamento.

Agora que compreendemos como o EVA pode ser aplicado aos cálculos da espessura da parede do tubo do permutador de calor, vamos explorar como este processo pode ser implementado na prática. Utilizaremos o fluxo de trabalho do nosso software IMS PEI como exemplo para ilustrar isto. Aqui está uma descrição passo a passo do processo: 

A imagem seguinte visualiza este fluxo de trabalho, fornecendo uma visão clara de todo o processo. 

Ao recolher dados sobre a espessura da parede do tubo, é essencial garantir que a amostra é de alta qualidade e representativa. As inspecções de alta qualidade, como as realizadas com o Sistema de Inspeção Rotativa Interna (IRIS), são altamente recomendadas, uma vez que fornecem dados precisos e fiáveis. No entanto, mesmo com inspecções de qualidade inferior, os resultados tendem a ser conservadores e podem ainda ser utilizados. 

A amostra deve representar todo o permutador de calor e ser homogénea para refletir com precisão o estado do equipamento. A imagem abaixo mostra uma amostra representativa típica (à esquerda) comparada com uma amostra não representativa (à direita), que não tem dispersão suficiente. 

Os dados homogéneos não mostram variações significativas ou áreas localizadas com taxas de corrosão mais altas ou mais baixas. Quando os dados não são homogéneos, é necessária uma estratificação. Isto envolve a divisão dos dados em grupos ou estratos mais pequenos e uniformes. Por exemplo, os lados de entrada e saída do permutador de calor podem ser estratos separados, uma vez que as diferenças de temperatura afectam as taxas de corrosão. Recomenda-se a amostragem de 20-25% dos tubos por estrato, uma vez que uma amostragem maior pode resultar em estimativas demasiado optimistas. Para a primeira inspeção, ao estabelecer uma linha de base, pode ser necessário inspecionar até 100%. Seguindo estas diretrizes, irá garantir que as leituras da espessura da parede do tubo são precisas e fiáveis. 

Depois de ajustar a distribuição, por exemplo, Gumbel, aos dados, é essencial avaliar a qualidade do ajuste utilizando métodos estatísticos e gráficos. Os métodos estatísticos incluem testes de hipóteses, como o teste de Kolmogorov-Smirnov, que avalia a qualidade geral do ajuste, e o teste de Anderson-Darling, que enfatiza as caudas da distribuição. Esses testes fornecem uma medida quantitativa de quão bem a distribuição Gumbel representa os dados. 

Para além dos métodos estatísticos, devem ser utilizados métodos gráficos para compreender melhor o ajuste. Estes incluem gráficos de probabilidade, gráficos de probabilidade de excedência e gráficos de quantis. Por exemplo, o gráfico de quantis apresentado abaixo compara os quantis teóricos com os quantis da amostra. Um quantil divide um conjunto de dados em intervalos de tamanho igual (por exemplo, a mediana é o 50º quantil, o que significa que metade dos pontos de dados estão abaixo dele). Se o ajuste for bom, os pontos no gráfico de quantis alinhar-se-ão ao longo de uma linha reta. O gráfico inclui uma linha de ajuste perfeito (azul) e bandas de confiança (verde) para realçar os desvios. Se a maioria dos pontos (vermelho) estiver próxima da linha e dentro das bandas, isso indica que a distribuição teórica se ajusta bem.

Estas ferramentas visuais ajudam a identificar discrepâncias ou padrões que podem não ser evidentes apenas através de testes estatísticos. É fundamental não se basear apenas em métodos estatísticos. A revisão dos métodos gráficos antes de tirar conclusões garante uma avaliação de ajuste mais robusta. Para além disso, deve avaliar-se sempre a perda de parede prevista e garantir que o comportamento da corrosão é bem compreendido.  

O objetivo é inferir estatisticamente a perda máxima de parede para todo o permutador de calor. Para este efeito, podem ser utilizados dois métodos: Nível de Retorno e Distribuição Extrapolada. Estes métodos ajudam a determinar a perda máxima de parede mais provável (valor extremo) e os seus limites de confiança (CBs). Vejamos agora uma representação visual para nos ajudar a entender a distribuição dos valores de perda de parede e os intervalos de confiança associados.  

A imagem acima mostra um gráfico de distribuição extrapolada com uma curva de função de densidade de probabilidade. A curva atinge o pico no valor mais provável de perda máxima da parede (realçado pelo círculo verde). A curva afunila-se em ambas as extremidades, ilustrando a distribuição de potenciais valores máximos de perda de espessura da parede. Os valores dos quantis, como o 95º quantil a 1,02 mm (assinalado pelo círculo vermelho), indicam limites de confiança. Isto significa que 95% das perdas máximas de parede esperadas são inferiores a 1,02 mm, enquanto 80% das perdas máximas de parede esperadas são inferiores a 0,879 mm (indicadas pelo círculo amarelo)

O nosso estudo de caso centra-se na inspeção de um pré-aquecedor de petróleo bruto com três comboios em funcionamento. Estes permutadores de calor estão a funcionar há 25 anos, atingindo a sua vida útil de projeto, e o cliente pretendia prolongar a sua vida útil por, pelo menos, mais dez anos. Anteriormente, eram realizadas inspecções visuais com boroscópio em intervalos definidos para avaliar as condições dos tubos, mas estas apenas forneciam dados qualitativos sem medir a espessura da parede. O cliente precisava de determinar se a substituição era necessária. 

Um ano antes do fim da vida útil, durante uma paragem programada, os permutadores de calor foram inspeccionados utilizando amostras representativas. Isto permitiu estimar a perda máxima de paredes e ajudou a decidir se era seguro continuar a funcionar durante mais dez anos. 

Os três permutadores de calor tiveram resultados semelhantes, pelo que nos concentraremos num deles. O feixe do permutador de calor é composto por 120 tubos de aço carbono, 23 dos quais foram inspeccionados. O conhecimento de inspecções anteriores com boroscópio ajudou a identificar os melhores tubos a examinar. A espessura de renovação foi fixada em 1,1 mm, com uma espessura de parede nominal de 2,4 mm. A inspeção teve lugar em 1 de outubro de 2023. 

Uma única estratificação homogénea foi suficiente para este permutador de calor. Não se registaram variações significativas ou áreas localizadas com taxas de corrosão mais elevadas ou mais baixas; os valores situaram-se num intervalo estreito, como se mostra no histograma abaixo. Isto confirma que os dados recolhidos representam a totalidade do permutador de calor, fornecendo uma visão fiável do seu estado. 

Os testes estatísticos e os métodos gráficos indicaram um bom ajuste dos dados. Tanto o teste de Kolmogorov-Smirnov (p-KS) como o de Anderson-Darling (p-AD) apresentaram valores de p superiores a 0,5, confirmando a qualidade do ajuste (ver os resultados abaixo). 

Os gráficos também mostraram que a distribuição teórica se alinhava bem com os dados da amostra, proporcionando confiança na análise e confirmando um bom ajuste. Abaixo pode ver isto nos Gráficos de probabilidade. 

Em seguida, o método do nível de retorno foi utilizado para extrapolar os dados no espaço e calcular a perda máxima de parede para todo o permutador de calor. A perda máxima de parede mais provável foi de 0,816 mm (indicada em vermelho). No limite de 99% de confiança, a perda máxima de parede foi de 1,059 mm (indicado em amarelo) e no limite de 80% de confiança, foi de 0,937 mm (indicado em verde). Os gráficos abaixo ilustram estes resultados. O gráfico superior mostra a curva do nível de retorno com o limite de confiança de 99%, enquanto o gráfico inferior mostra a curva com o limite de confiança de 80%. Como se pode ver, os limites de confiança mais elevados conduzem a estimativas mais conservadoras, mostrando uma maior perda de parede, indicando uma espessura restante da parede do tubo mais fina e uma vida útil mais curta para os permutadores de calor. 

A espessura mínima restante da parede do tubo e as taxas de corrosão para o permutador de calor foram calculadas para vários limites de confiança. Estes cálculos permitiram determinar a vida útil do permutador de calor, o intervalo máximo de inspeção e a data da próxima inspeção. 

As imagens abaixo apresentam uma análise pormenorizada dos resultados. Em primeiro lugar, as duas tabelas mostram a espessura mínima restante da parede do permutador de calor e as taxas de corrosão em vários níveis de confiança (95%, 90% e 80%).  

O resumo do cálculo mostra então a vida útil do permutador de calor (Remnant Life), a taxa de corrosão (Rate) e a data da próxima inspeção (Next Insp Date) com um nível de confiança de 80%. É importante notar que o engenheiro de corrosão determina a escolha do limite de confiança. Normalmente, a utilização de uma amostra representativa e a realização de várias inspecções ao longo do tempo aumentam a confiança nos resultados, permitindo a utilização de limites de confiança mais baixos. Neste estudo de caso, as informações recolhidas em inspecções anteriores com boroscópio deram aos engenheiros confiança suficiente nos novos resultados para selecionar o limite de confiança de 80%. 

Com a vida útil do permutador de calor estimada em 9,5 anos (perto da extensão desejada de dez anos), a aplicação do conceito de meia-vida padrão da indústria estabeleceu o intervalo máximo de inspeção (MII) em 4,7 anos, com a próxima inspeção prevista para 24 de junho de 2028. Segue-se o cálculo (com um limite de confiança de 80%): 

Vida útil remanescente = (Espessura mínima remanescente - Espessura de renovação) / Taxa de corrosão=(1,1463mm -1,1mm) / 0,038mm/ano = 9,5anos

Data da próxima inspeção = Data da última inspeção + Vida remanescente ∗ IF = 1 de outubro de 2023+9,5*0,5 = 24 de junho de 2028

Estes resultados deram aos engenheiros confiança no estado do permutador de calor. Em vez de optarem por uma substituição completa, sentiram-se seguros quanto às acções necessárias para o manter operacional durante mais dez anos. Se o tempo de vida estimado tivesse sido mais curto, poderiam ter considerado opções adicionais, como a utilização de inibidores de corrosão para abrandar a corrosão no permutador de calor. No entanto, agora sabiam que não era necessária qualquer ação antes da próxima inspeção.

As vantagens da utilização desta abordagem de cálculo da espessura da parede do tubo do permutador de calor foram significativas. Ao realizar inspecções numa amostra representativa, os engenheiros reduziram o tempo total de inspeção e as actividades de preparação em pelo menos 40%, simplificando todo o processo. Devido ao facto de os permutadores de calor fazerem parte do caminho crítico, o tempo de resposta também foi reduzido em 12%, permitindo que a produção fosse reiniciada mais cedo do que o previsto. Além disso, uma compreensão mais profunda dos riscos e ameaças levou a uma poupança de custos estimada em 85%, evitando acções de manutenção dispendiosas, como reparações e substituições. Estas vantagens destacam como o EVA torna o processo de inspeção do permutador de calor mais inteligente, mais rápido e mais eficiente.  

Em suma, o EVA permite poupanças significativas de tempo e de custos nas inspecções e na limpeza dos tubos, assegurando ao mesmo tempo que estas são realizadas nos intervalos corretos. Ao utilizar uma amostra representativa e ao realizar várias inspecções ao longo do tempo, o conservadorismo nos modelos pode ser minimizado. Isto faz do EVA uma estrutura fiável para inspecções eficientes de permutadores de calor. Para maior segurança, o IMS PEI permite uma avaliação independente dos riscos de degradação dos tubos, que pode ser combinada com o EVA para determinar o momento ideal para a próxima inspeção. 

Preencha o formulário abaixo para ver o EVA e o IMS PEI em ação.