Sebenta · Executar componentes para geradores de vapor para recuperação de calor (UC04444)

Introdução

Esta sebenta ensina a fabricar componentes para geradores de vapor de recuperação de calor (HRSG), os equipamentos que aproveitam o calor residual dos gases de escape de uma turbina a gás para produzir vapor, numa central de ciclo combinado. É um trabalho de construção metálica sob pressão: painéis tubulares, coletores e ligações de piping que têm de resistir a temperatura e pressão elevadas, durante décadas de serviço, sem falhar.

O percurso segue a lógica real de uma oficina de construção metálica pesada: primeiro compreende-se porque o componente é desenhado como é (termodinâmica e transferência de calor), depois interpreta-se desenho técnico e ordens de produção, escolhem-se materiais e processos de soldadura, constroem-se painéis tubulares, coletores de painel e coletores de piping, monta-se tudo na HRSG, e por fim inspeciona-se e testa-se o conjunto antes de entrar em serviço.

Objetivos de aprendizagem (referencial): analisar as especificações técnicas e funcionais dos componentes a fabricar; executar operações de construção metálica em componentes sob pressão; e testar e validar o funcionamento dos geradores de vapor, cumprindo sempre o desenho, as especificações da ordem de produção, os protocolos de construção e as normas e regulamentos aplicáveis.

1. O ciclo combinado e a HRSG

Uma HRSG (Heat Recovery Steam Generator, gerador de vapor de recuperação de calor) é um permutador de calor de grandes dimensões que aproveita os gases de escape de uma turbina a gás, ainda a 500-650 °C, para produzir vapor sem queimar combustível adicional.

Numa central de ciclo combinado, dois ciclos termodinâmicos trabalham em sequência:

Gás natural → Turbina a gás → eletricidade (1)
                    │
              gases de escape quentes
                    ▼
                  HRSG → produz vapor
                    │
                    ▼
           Turbina a vapor → eletricidade (2)

O ciclo Brayton (turbina a gás) alimenta o ciclo Rankine (turbina a vapor) através da HRSG. O resultado é um rendimento global de 55-62%, muito acima dos 35-40% típicos de uma central a vapor isolada. Sem a HRSG, toda essa energia térmica sairia pela chaminé sem produzir mais nenhuma eletricidade.

Como técnico de fabrico de componentes, o teu trabalho enquadra-se em quatro contextos: indústria da construção de estruturas metálicas (fabrico por encomenda de módulos novos), indústria da reparação e manutenção (intervenção em HRSG já em serviço), obras (montagem final no local da central) e oficinas (pré-fabricação de painéis e coletores).

Erro típico: confundir HRSG com caldeira convencional

Uma caldeira convencional tem queimador próprio e combustível dedicado. Uma HRSG não queima nada: vive inteiramente do calor residual de outro processo (a turbina a gás). Um defeito num componente de HRSG só se manifesta, muitas vezes, sob pressão e temperatura de serviço reais, não em condições de bancada.

2. Termodinâmica aplicada à geração de vapor

Duas leis da termodinâmica governam tudo o que se passa dentro de uma HRSG. A 1ª lei (conservação de energia) diz que a energia não se cria nem se destrói: o calor que sai do gás de escape entra na água/vapor, menos as perdas. A 2ª lei impõe o sentido das trocas: o calor flui sempre do corpo mais quente (o gás) para o mais frio (a água/vapor), nunca ao contrário sem trabalho externo.

O lado da água/vapor segue o ciclo de Rankine: a água é bombeada a alta pressão, pré-aquecida no economizador, transformada em vapor saturado no evaporador, e sobreaquecida no sobreaquecedor, antes de expandir na turbina a vapor. Cada uma destas etapas corresponde a um painel tubular diferente dentro da HRSG, e a ordem não é arbitrária: segue sempre a temperatura decrescente dos gases de escape.

Duas propriedades explicam o que se passa dentro dos tubos: o título de vapor (x), que indica a fração de vapor numa mistura líquido-vapor (x=0 é líquido saturado, x=1 é vapor saturado seco), e a entalpia (h), usada para calcular o calor trocado através de Q = ṁ × Δh.

Exemplo resolvido · calor trocado num evaporador

Água a 10 bar entra num evaporador com entalpia h = 780 kJ/kg e sai como vapor saturado com h = 2778 kJ/kg, a um caudal mássico de 5 kg/s. Qual o calor trocado?

1. Identificar a variação de entalpia: Δh = 2778 − 780 = 1998 kJ/kg.
2. Aplicar a fórmula: Q = ṁ × Δh = 5 × 1998 = 9990 kW.
3. Resultado: Q ≈ 10 MW de calor trocado neste evaporador.

Este cálculo mostra porque um caudal errado ou uma entalpia mal lida distorcem completamente o dimensionamento térmico de um painel.

3. Transferência de calor e permutadores

O calor chega da parte quente (gás) à parte fria (água/vapor) por três mecanismos: condução (através da parede metálica do tubo), convecção (entre o fluido em movimento e a superfície do tubo) e radiação (relevante só nas zonas de temperatura mais elevada, perto da entrada dos gases). Numa HRSG predomina a convecção forçada em ambos os lados do tubo.

A HRSG organiza-se em três painéis tubulares, ordenados pela temperatura decrescente dos gases:

A água circula dentro dos painéis por circulação natural (a diferença de densidade entre água e vapor cria o movimento sozinha, através de um balão de vapor que separa as fases) ou por circulação forçada (uma bomba impõe o caudal, usada em HRSG de resposta rápida). O balão de vapor recebe a mistura água-vapor do evaporador, envia o vapor para o sobreaquecedor e devolve a água a circular.

Erro típico: trocar a ordem dos painéis

O vapor sobreaquecido precisa da temperatura mais alta dos gases, por isso o sobreaquecedor fica sempre a montante (mais perto da entrada dos gases); o economizador fica sempre a jusante (mais perto da saída), aproveitando o calor residual que resta para pré-aquecer a água de alimentação que entra fria.

4. Fluxo de fluidos em tubagens e permutadores

O comportamento do fluido dentro do tubo depende do regime de escoamento, caracterizado pelo número de Reynolds (Re): abaixo de 2300 o escoamento é laminar (camadas ordenadas), acima de 4000 é turbulento (mistura intensa). Nas tubagens de uma HRSG, o escoamento é quase sempre turbulento, porque favorece a transferência de calor entre o fluido e a parede do tubo.

A perda de carga é a queda de pressão que o fluido sofre ao percorrer a tubagem, por atrito e por acessórios (curvas, válvulas, mudanças de secção). Depende do comprimento, do diâmetro, da rugosidade interna e da velocidade do fluido:

• Uma tubagem subdimensionada (diâmetro pequeno) gera perdas excessivas e mais energia gasta a bombear.
• Uma tubagem sobredimensionada custa mais material e ocupa mais espaço sem benefício proporcional.

O dimensionamento certo equilibra o custo de material com o custo energético de operação ao longo da vida útil do equipamento. Como técnico de fabrico, segues sempre o diâmetro definido no desenho: alterar diâmetros "por conveniência" na oficina muda a perda de carga prevista no projeto e pode desviar o desempenho térmico do valor calculado.

5. Desenho técnico e ordens de produção

O desenho técnico é a linguagem comum entre o projeto e a oficina, e usa convenções normalizadas: projeções ortogonais e cortes, cotagem com tolerâncias, simbologia de soldadura (norma ISO 2553, que define tipo de junta, preparação de bordo e dimensão do cordão) e escalas normalizadas.

A ordem de produção é o documento que autoriza e especifica o fabrico de cada componente:

Exemplo resolvido · confirmar a ordem de produção antes de arrancar

Antes de cortar qualquer material, o técnico confirma três coisas na ordem de produção: (1) a revisão do desenho é a mais recente (comparar com o registo de revisões, não com a cópia impressa que já tinha na bancada); (2) o material especificado está disponível e certificado; (3) o processo e o WPS aplicáveis correspondem ao que está a preparar-se. Uma revisão desatualizada é uma das causas mais comuns de retrabalho numa oficina de construção metálica.

6. Organização do posto de trabalho e segurança

Um posto de trabalho organizado reduz erros e acidentes, sobretudo ao lidar com componentes sob pressão: separar material identificado do não identificado (nunca soldar material sem certificado rastreável), arrumar consumíveis de soldadura por tipo e especificação, sinalizar peças em curso, aprovadas e rejeitadas, e limpar a área de rebarbas e resíduos entre operações. A organização é uma das atitudes avaliadas nesta UC, não um detalhe estético: misturar sucata de aço carbono com aço inoxidável nas mesmas caixas, por exemplo, contamina o material inoxidável e compromete a sua resistência à corrosão.

O equipamento de proteção individual (EPI) varia com o processo: proteção ocular e facial (máscara de soldar com filtro adequado ao processo em uso), proteção respiratória contra fumos de soldadura (sobretudo em espaços confinados, e com cuidado redobrado em aço inoxidável, cujos fumos contêm crómio hexavalente), proteção das mãos e do corpo contra salpicos e calor, e proteção auditiva em operações de corte e rebarbagem prolongadas.

As normas de segurança e saúde no trabalho aplicáveis cobrem ainda trabalhos em altura, espaços confinados e movimentação de cargas pesadas, situações comuns na montagem de módulos de HRSG em obra.

7. Materiais para componentes sob pressão

A seleção de material depende diretamente da temperatura e pressão de serviço de cada zona da HRSG:

Quanto mais quente a zona, mais elevado o teor de liga do material (mais crómio e molibdénio), porque esses elementos mantêm a resistência mecânica a temperaturas onde um aço carbono simples já perde capacidade. A especificação do material vem sempre da ordem de produção: usar um material "parecido" por falta de stock, sem aprovação de engenharia, é uma não conformidade grave num componente sob pressão.

O material de adição (elétrodo, vareta, fio) tem de ser compatível com o material base, com composição química aproximada, sobretudo em aços liga. Consumíveis armazenados em condições erradas (humidade) absorvem hidrogénio, causando fissuração na solda, por isso os elétrodos básicos revestidos exigem estufa de secagem, e a certificação do lote deve ser confirmada antes de usar qualquer consumível num componente sob pressão.

8. Processos de soldadura em componentes sob pressão

Vários processos coexistem numa oficina de construção metálica, cada um com a sua aplicação:

A escolha do processo, e a sequência de passes, vem sempre definida no procedimento de soldadura (WPS) qualificado para aquele material e espessura, um WPS é como uma receita já testada em laboratório: sair dela sem novo teste é um risco desconhecido, não uma poupança de tempo.

Quanto ao equipamento: o oxicorte serve o corte térmico de aço carbono em chapas espessas, o corte por plasma é mais rápido e adequado a aços inox e alumínio, e o pré-aquecimento (mantas ou maçaricos) é obrigatório em muitos WPS de aços liga, para reduzir o gradiente térmico e o risco de fissuração a frio.

Erro típico: usar oxicorte em aço inoxidável

O oxicorte contamina e descaracteriza o aço inoxidável (a chama e o oxigénio alteram a superfície do material); em aço inox usa-se corte por plasma ou mecânico. Confundir os dois processos é um erro que compromete a resistência à corrosão da peça cortada.

9. Construção de painéis tubulares e coletores

Um painel tubular é o conjunto de tubos que forma cada secção da HRSG. Constituintes: os tubos onde circula água/vapor, aletas soldadas ao longo do tubo (para aumentar a área de contacto com o gás, não como reforço estrutural), barras espaçadoras e suportes que mantêm o alinhamento, e as ligações às extremidades onde o painel se liga aos coletores. A construção segue: corte e preparação dos tubos, montagem na grelha de suportes respeitando o espaçamento do desenho, soldadura das aletas, verificação dimensional (alinhamento, esquadria, espaçamento) e inspeção. Um painel com tubos desalinhados cria zonas de estagnação no fluxo de gás, reduzindo a eficiência térmica de toda a HRSG.

O coletor de painel tubular (header) é o corpo cilíndrico que recolhe ou distribui o fluido entre os tubos do painel e as tubagens principais. Constituintes: corpo cilíndrico (casco), tampos nas extremidades, bocais/stubs (uma ligação por cada tubo do painel) e suportes de fixação. Um coletor tem dezenas a centenas de bocais, e a repetibilidade da soldadura de cada um é crítica para o prazo e a qualidade. A construção segue: preparação do corpo (corte, calandragem, soldadura longitudinal), furação nas posições exatas, soldadura dos bocais segundo o WPS qualificado, fecho dos tampos, e inspeção (dimensional, visual e ensaios não destrutivos das soldaduras críticas, sobretudo a longitudinal).

Exemplo resolvido · porque se inspeciona a soldadura longitudinal por radiografia

A soldadura longitudinal do corpo do coletor é a junta de maior responsabilidade estrutural: percorre todo o comprimento do casco sob pressão interna, e um defeito interno (porosidade, falta de fusão) não é visível por inspeção visual. Por isso, o plano de inspeção reserva a radiografia (RT), que deteta descontinuidades internas, especificamente para esta soldadura, enquanto os bocais individuais podem ficar cobertos por inspeção visual e, por amostragem, líquidos penetrantes.

10. O coletor de piping e a montagem final na HRSG

O coletor de piping distribui ou recolhe fluido entre as tubagens principais da instalação e os vários módulos da HRSG: é maior em escala e função do que o coletor de painel tubular, embora a lógica seja parecida. Constituintes: corpo principal, ligações (bocais/flanges) para cada ramal, suportes e apoios, e tomadas de instrumentação. A construção segue: corte e preparação conforme desenho isométrico, soldadura das ligações segundo o WPS, verificação de cotas (essenciais para o encaixe em obra) e inspeção antes da expedição. Um erro de cota de poucos milímetros pode inviabilizar a montagem no local, onde corrigir é muito mais caro do que na oficina.

A montagem final do coletor de piping nos módulos da HRSG segue uma sequência que nunca se inverte:

1. Posicionamento do coletor na posição prevista no desenho de montagem.
2. Alinhamento: nível, esquadria e distância aos pontos vizinhos, verificados com instrumentos de topografia ou nível laser.
3. Fixação provisória (pontos de soldadura), antes da soldadura definitiva.
4. Conexão das tubulações: soldadura definitiva.
5. Inspeção das soldaduras de montagem final.
6. Teste de pressão (hidrostático), normalmente a 1,3 a 1,5 vezes a pressão de projeto.
7. Acabamento e proteção: limpeza, tratamento anticorrosivo e isolamento térmico.

O alinhamento verifica-se sempre antes de qualquer soldadura definitiva: corrigir a posição depois de soldado exige cortar e recomeçar, um retrabalho caro e evitável.

11. Entubamento, expansão de tubos e inspeção

Em condensadores e outros permutadores de calor tubulares, os tubos são inseridos manualmente através dos furos de uma placa tubular (tube sheet): cortados ao comprimento exato, com as pontas limpas e desengorduradas, inseridos um a um sem forçar, verificando que ficam retos e centrados. Um tubo mal inserido ou danificado compromete a estanquicidade da ligação, mesmo antes da fase seguinte.

A expansão de tubos (mandrilagem) cria a ligação estanque e mecanicamente resistente entre o tubo e a placa tubular, sem soldadura (ou complementando-a): uma mandriladora introduz-se dentro do tubo e expande-o radialmente contra a parede do furo, com um grau de expansão controlado, normalmente 4-8% de redução de espessura. Expansão a menos deixa a junta com fugas; expansão a mais fragiliza e pode fissurar o tubo: é um processo de precisão, guiado pelo binário ou tempo especificado no procedimento, não por força bruta.

Durante e após a construção, várias técnicas de inspeção confirmam a qualidade sem destruir a peça:

12. Testar, validar e operar: automação e eficiência energética

Depois de toda a construção e inspeção, o gerador de vapor é testado como um todo: teste hidrostático de todo o circuito, verificação da instrumentação (sensores de nível, pressão e temperatura), arranque controlado com introdução gradual de gases quentes e água, e validação dos parâmetros de operação (caudal, temperatura e pressão em cada painel) contra os valores previstos em projeto. Só um gerador que passa por todas estas etapas está pronto para entrar em serviço comercial.

A operação corrente é monitorizada por PLC (Controlador Lógico Programável, que executa a lógica de controlo local, como manter o nível do balão de vapor dentro dos limites) e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition, que recolhe dados de vários PLC e apresenta-os numa interface central de supervisão e histórico). Como técnico de fabrico, o teu papel é garantir que os pontos de instrumentação (tomadas para sensores) estão corretamente instalados e acessíveis, mesmo que a programação seja de outra especialidade.

A eficiência energética final da HRSG depende também do rigor do fabrico e da montagem: a estanquicidade das juntas (uma fuga de gases quentes é energia perdida), o isolamento térmico correto, o alinhamento e espaçamento dos painéis conforme o projeto, e a previsão de acessos de manutenção (para limpar incrustações que, sem manutenção, reduziriam a troca de calor ao longo da vida útil). A eficiência não se ganha só no projeto: mantém-se, ou perde-se, conforme o rigor de quem constrói.

Por fim, todo este trabalho é enquadrado por normas e regulamentos que não são opcionais: o PED (2014/68/UE, regulamento europeu para equipamentos sob pressão), as normas EN 12952/EN 12953 (caldeiras aquatubulares e pirotubulares), o ASME BPVC (referência internacional) e as normas EN ISO 15614/EN ISO 9606 (qualificação de procedimentos de soldadura e de soldadores). Cumprir estas normas é o que garante que um componente entra em serviço legal e seguramente, sem risco de falha catastrófica sob pressão.

Erros comuns

• Confundir HRSG com caldeira convencional: a HRSG não tem queimador próprio, vive do calor residual de outro processo.
• Trocar a ordem dos painéis tubulares: sobreaquecedor sempre a montante (gases mais quentes), economizador sempre a jusante.
• Alterar diâmetros de tubagem "por conveniência": muda a perda de carga e o desempenho térmico previstos no projeto.
• Trabalhar com uma revisão de desenho desatualizada: confirma sempre a revisão em vigor antes de cortar material.
• Usar oxicorte em aço inoxidável: contamina e descaracteriza o material; usa corte por plasma ou mecânico.
• Furar todos os bocais de um coletor antes de confirmar as posições: multiplica o erro se houver um engano no desenho.
• Soldar definitivamente antes de confirmar o alinhamento final: corrigir depois de soldado exige cortar e recomeçar.
• Expandir tubos "por tentativa", sem seguir o grau de expansão ou binário especificado: deixa a junta com fugas ou fissurada.
• Deixar elétrodos fora da estufa de secagem durante horas: perdem a proteção contra humidade e causam fissuração a frio.

Glossário

• HRSG · gerador de vapor de recuperação de calor, aproveita o calor residual de gases de escape.
• Ciclo combinado · associação do ciclo Brayton (turbina a gás) com o ciclo Rankine (turbina a vapor).
• Economizador, evaporador, sobreaquecedor · os três painéis tubulares da HRSG, por ordem de temperatura decrescente dos gases.
• Balão de vapor · recipiente que separa a água do vapor na circulação natural.
• Coletor (header) · corpo cilíndrico que recolhe ou distribui fluido entre tubos e tubagem principal.
• Coletor de piping · coletor de maior escala, entre tubagens principais e módulos da HRSG.
• WPS · procedimento de soldadura qualificado (Welding Procedure Specification).
• PQR · registo de qualificação do procedimento de soldadura (Procedure Qualification Record).
• Ensaio não destrutivo (END) · técnica de inspeção que confirma qualidade sem danificar a peça (VT, PT, MT, RT, UT).
• Expansão de tubos (mandrilagem) · deformação plástica controlada que fixa o tubo à placa tubular.
• Teste hidrostático · teste de pressão com água, tipicamente 1,3 a 1,5 vezes a pressão de projeto.
• PLC · Controlador Lógico Programável, executa a lógica de controlo local.
• SCADA · sistema de supervisão e aquisição de dados de vários PLC.
• PED · Pressure Equipment Directive, regulamento europeu para equipamentos sob pressão.
• EPI · Equipamento de Proteção Individual.

Síntese

O fabrico de componentes para uma HRSG segue sempre a mesma lógica: compreender (termodinâmica, transferência de calor e fluxo de fluidos explicam porque o componente é desenhado assim) → interpretar (desenho técnico e ordem de produção) → selecionar (materiais e processos de soldadura certos) → construir (painéis tubulares, coletores de painel e coletores de piping, com soldadura qualificada) → montar (posicionar, alinhar e ligar na HRSG) → validar (entubamento e expansão, inspeção por ensaios não destrutivos, teste de pressão e arranque controlado). A automação (PLC/SCADA) e a eficiência energética dependem, no fim, do rigor de cada uma destas etapas.

Exercícios resolvidos

1. Uma HRSG está a operar sem produzir vapor, apesar dos gases de escape estarem quentes. Qual a primeira hipótese técnica a verificar, tendo em conta os três painéis tubulares?

Resolução: verificar se há fluxo de água/vapor através dos painéis (bomba de alimentação, balão de vapor) antes de suspeitar de defeito nos tubos. Sem circulação de água, mesmo com gases muito quentes, não há produção de vapor: a 1ª lei da termodinâmica exige que o calor tenha um fluido recetor em circulação para ser transferido.

2. Calcula o calor trocado num economizador com caudal mássico de 8 kg/s, entalpia de entrada de 420 kJ/kg e entalpia de saída de 700 kJ/kg.

Resolução: Δh = 700 − 420 = 280 kJ/kg. Q = ṁ × Δh = 8 × 280 = 2240 kW ≈ 2,24 MW.

3. Um coletor de painel tubular chega à oficina com o desenho a indicar 84 bocais, mas a ordem de produção só especifica material para 80 tubos. Que ação tomas?

Resolução: parar e esclarecer antes de furar ou soldar qualquer bocal. A discrepância entre desenho e ordem de produção é uma não conformidade documental que tem de ser resolvida na origem (confirmar revisão do desenho, confirmar quantidade de material), nunca decidida na oficina por conta própria.

4. Porque é que a expansão de um tubo num condensador tem de respeitar uma janela de 4-8% de redução de espessura, em vez de "apertar o máximo possível"?

Resolução: abaixo desta janela a junta fica com folga e pode ter fugas; acima dela o tubo sofre deformação plástica excessiva, com risco de fissuração. A janela definida no procedimento equilibra estanquicidade e integridade do tubo; mais expansão não é sempre melhor.

5. Depois da montagem final de um coletor de piping num módulo de HRSG, qual é a sequência correta entre alinhamento, soldadura definitiva e teste de pressão?

Resolução: alinhamento → soldadura definitiva → teste de pressão. O alinhamento confirma-se sempre antes da soldadura definitiva (corrigir depois de soldado exige cortar e recomeçar), e o teste de pressão só se realiza depois de toda a soldadura de montagem concluída e inspecionada.

6. Um soldador usa oxicorte para preparar o bordo de uma chapa de aço inoxidável destinada a um coletor. O que está errado e qual a alternativa correta?

Resolução: está errado porque o oxicorte contamina e descaracteriza o aço inoxidável, comprometendo a resistência à corrosão da peça. A alternativa correta é o corte por plasma (ou corte mecânico), adequado a aços inoxidáveis e alumínio.

7. Porque é que a soldadura longitudinal de um coletor é sempre radiografada (RT), enquanto os bocais individuais podem ficar só com inspeção visual ou líquidos penetrantes?

Resolução: a soldadura longitudinal é a junta de maior responsabilidade estrutural do coletor, percorre todo o casco sob pressão interna, e um defeito interno (porosidade, falta de fusão) não é visível por inspeção visual. A radiografia deteta descontinuidades internas; os bocais, sendo ligações menores e em maior número, ficam cobertos por inspeção visual e amostragem, conforme o plano de inspeção da ordem de produção.