Análise experimental dos efeitos das variações de pressão e temperatura na estrutura de trocadores de calor compactos unidos por difusão

Abstract

Trocadores de calor compactos apresentam grande desempenho térmico, compacidade e alta resistência estrutural. Segundo informações fornecidas pela Petrobrás, os trocadores do tipo circuito impresso, muito utilizados em plataformas de petróleo, frequentemente apresentam falhas após um certo tempo de operação. A partir de análise das falhas, acredita-se que as trincas que surgiram em seu interior tiveram origem nos esforços cíclicos, resultantes da variação da pressão e temperatura, causando fadiga no material. Este trabalho visa estudar as contribuições das variações de pressão e temperatura na estrutura do núcleo dos trocadores de calor compactos desenvolvidos no Laboratório de tubos de calor (Labtucal/UFSC), em um convênio com a Petrobrás. O núcleo deste trocador é formado pela união por difusão de placas usinadas via jato d?água, empilhadas e inseridas em um forno de alta temperatura e alto vácuo, equipado com prensa hidráulica. O equipamento fabricado por este processo apesenta propriedades mecânicas semelhantes ao do material virgem, permitindo que opere em elevadas pressão e temperatura. Porém, quando em operação, as cargas mecânica e térmica podem variar, gerando ciclos de pressão e temperatura, os quais, por sua vez, podem causar danos estruturais no dispositivo. Para o presente estudo, foram construídas bancadas específicas para cada tipo de esforço em corpos de prova: uma para a aplicação de ciclos de pressão e outra para ciclos de temperatura. Os resultados mostraram que os trocadores de calor compactos fabricados no laboratório apresentam grande resistência à fadiga mecânica, não se observando falha prematura, uma vez que as amostras foram capazes de resistir a, em média, 1,5 x10^4 ciclos para uma parede de 0,85 mm de espessura, e acima de 3x10^4 ciclos em paredes de espessura acima de 1 mm. Os valores de deformação foram validados por equações propostas pelo modelo matemático da ASME VIII Div 2 (2010) que prevê, para uma parede com 0,85 mm de espessura, uma deformação de cerca de 400 µm/m. Observou-se, também, que os transientes térmicos, provocados por taxas de variação da temperatura entre 12 a 30 °C/min no núcleo, induzem altos valores de deformação, fenômeno este conhecido como choque térmico em metais, que acaba gerando picos elevados de deformação, da ordem de 200 µm/m para uma variação brusca de temperatura de 50°C em uma parede de 3 mm de espessura, o que pode acarretar em uma falha prematura dos trocadores de calor.

Abstract: Compact heat exchangers feature great thermal performance, compactness and high structural strength. According to information provided by Petrobras, printed circuit exchangers, widely used on oil platforms, often fail after a certain period of operation. From the analysis of the failures, it is believed that the cracks that appeared in its interior had origin in the cyclic efforts, resulting from the variation of pressure and temperature, causing fatigue in the material. This work aims to study the contributions of pressure and temperature variations in the core structure of compact heat exchangers developed at the Heat Tubes Laboratory (Labtucal/UFSC), in an agreement with Petrobras. The core of this exchanger is formed by the diffusion union of machined plates via water jet, stacked and inserted in a high temperature and high vacuum oven, equipped with a hydraulic press. The equipment manufactured by this process has mechanical properties similar to those of virgin material, allowing it to operate at high pressure and temperature. However, when in operation, the mechanical and thermal loads can vary, generating pressure and temperature cycles, which, in turn, can cause structural damage to the device. For the present study, specific benches were built for each type of effort in specimens: one for the application of pressure cycles and another for temperature cycles. The results showed that the compact heat exchangers manufactured in the laboratory present great resistance to mechanical fatigue, not observing premature failure, since the samples were able to resist, on average, 1.5 x 10^4 cycles for a wall of 0,85 mm thick, and over 3x10^4 cycles on walls thicker than 1 mm. The strain values were validated by equations proposed by the mathematical model of ASME VIII Div 2 (2010) which predicts, for a wall with a thickness of 0.85 mm, a strain of about 400 µm/m. It was also observed that thermal transients, caused by temperature variation rates between 12 and 30 °C/min in the core, induce high values of de-formation, a phenomenon known as thermal shock in metals, which ends up generating high strain peaks, on the order of 200 µm/m for a sudden temperature variation of 50°C in a 3 mm thick wall, which can lead to premature failure of the heat exchangers.