Estudo e caracterização da usinagem fotoquímica em chapas de aço inoxidável e sua influência na união por difusão

Abstract

Trocadores de calor compactos de circuito impresso (printed circuit heat exchangers- PCHE) são utilizados em aplicações com restrições de espaço e massa, como em plataformas off-shore de extração de petróleo. Podem apresentar uma redução de até 85% em peso e volume em relação aos trocadores mais convencionais, como os do tipo casca-tubo. O domínio nacional da tecnologia envolvendo a fabricação destes equipamentos é estratégico, tendo em vista a importância, complexidade e custo destes dispositivos. Neste trabalho avalia-se a capacidade e viabilidade de fabricação de um protótipo de trocador de calor compacto de circuito impresso (PCHE) produzido inteiramente pela indústria nacional, uma vez que o Labtucal dispõe de forno, único na América Latina, para a união por difusão, processo de fabricação destes trocadores. Para isto, desenvolveu-se, junto a indústria nacional, fornecedores de serviço de usinagem fotoquímica de canais na forma de zigue-zague e em ?S? em chapas, as quais eram empilhadas e unidas por difusão para formar o núcleo do trocador. Para estudos, algumas destas placas sofreram processo de eletropolimento. Caracterizações de superfície das chapas e canais foram realizadas, usando técnicas de interferometria óptica antes e após a fabricação dos canais, e do eletropolimento. Foram também realizadas análises microestruturais das superfícies das chapas, tanto na região de canais quanto nas de borda ou fundo do canal. Foi realizado ainda o controle da qualidade geométrica e do acabamento dos canais, para a identificação de possíveis defeitos e características provenientes das usinagens. Finalmente, foi verificada a suscetibilidade à corrosão de chapas com e sem eletropolimento. A placa com eletropolimento apresentou uma resistência à corrosão de 850,92 mV enquanto a sem eletropolimento apresentou 477,54 mV. As chapas com canais em geometria ziguezague foram soldadas por meio da técnica de união por difusão, compondo dois núcleos de trocadores, um pequeno e um de médio porte. Três amostras (blocos) foram retiradas dos trocadores e suas resistências a tração avaliadas, sendo que tensão máxima variou de 506 MPa a 604 MPa. Desta forma, os blocos foram qualificados perante a norma ASME para fabricação de vasos de pressão.

Abstract: Printed circuit compact heat exchangers (PCHE) are used in application where space and weight are big concerns, such as in petroleum off-shore platforms. Their mass and volume can 85% lower than the conventional shell and tube heat exchangers. Holding the design and fabrication knowhow of this equipment is strategic for the Brazilian industry, especially considering their importance, complexity and cost. In the present work, the capacity and viability of the Brazilian industry to produce such equipment is evaluated, considering that Labtucal has a furnace for diffusion bonding, used in the PCHE fabrication process, unique in the Latin America. In this frame, industries were prepared to produce photochemical etching of channels in plates in the zigzag and ?S? geometries, which were piled and diffusion bonded in the production of the heat exchanger core. For study purposes, some of the plates were subjected to electropolishing. The plate and channel surfaces were characterized, using optical interferometry techniques, before and after the channel fabrication and eletropolishing. Microstructural analysis were also performed in both the channel and edge regions. The quality control of the geometry and surface finishing of the channels were conducted, to analyze their characteristics and to find possible defects resulting from the etching. Finally, the susceptibility of the plates to corrosion was verified, for plates with and without electropolishing. The electropolished plate presented a resistance to corrosion of 850,92 mV, while without electropolishing of 477,54 mV. The plates with zigzag channels were diffusion bonded, to compose two heat exchanger cores, of small and medium sizes. Three samples (blocks) were removed form these cores and their tensile strength were evaluated. The maximum tensile strength varies from 506 MPa to 604 MPa. Therefore, these results qualified the cores using the ASME standard for pressure vessels.