É de conhecimento geral na indústria que muitas estruturas e equipamentos de processo fabricados em aço estão sujeitos à perda de espessura no decorrer de sua vida útil, principalmente quando estão expostos a meios agressivos e condições operacionais críticas. Essa perda de espessura, que pode ocorrer devido à corrosão, erosão ou dano mecânico, afeta com maior gravidade equipamentos pressurizados, como vasos de pressão, caldeiras, tanques e tubulações. Os códigos de projetos desses equipamentos tratam as perdas de espessura futuras como uniformes durante o dimensionamento e não fornecem critérios para o caso de perdas de espessura localizadas, sendo essas consideradas inaceitáveis. Entretanto, uma análise de engenharia mais detalhada é capaz de mostrar que a presença do dano pode não afetar a integridade estrutural do equipamento, podendo o mesmo continuar em operação com segurança até o fim da vida remanescente determinada no estudo. Essas avaliações de integridade focadas em equipamentos em operação que apresentam danos são denominadas análises Fitness-For-Service (FFS). 

Existem diversos códigos que fornecem critérios de avaliação de danos em equipamentos pressurizados, sendo muito conhecido o API 579-1/ASME FFS-1. Segundo esse código, as análises Fitness-For-Service são avaliações quantitativas de engenharia realizadas para demonstrar a integridade estrutural de um equipamento em serviço que contenha um dano ou que esteja operando em uma condição específica que possa levar à falha. Caso os resultados indiquem aprovação nos critérios de aceitação, o equipamento poderá continuar a operar nas condições atuais até o fim da vida útil calculada. Caso contrário, técnicas de remediação poderão ser aplicadas para adequação do equipamento de forma a garantir a continuidade operacional. 

O API 579-1/ASME FFS-1 fornece 3 níveis de avaliação para cada tipo de dano. Em geral, os níveis se diferenciam em termos de conservadorismo, quantidade de informação necessária, conhecimento requerido do analista, complexidade da análise e limites de aplicação. A seguir estão indicadas as principais características de cada nível. 

– Nível 1 (Level 1):  

• Produz resultados mais conservadores, porém utiliza procedimentos mais fáceis de executar.  
• Dependem de um mínimo de informações provenientes da inspeção e informações do equipamento. 
• Tanto engenheiros quanto técnicos podem realizar esse tipo de avaliação. 
• Geralmente os procedimentos são limitados a determinadas geometrias e materiais específicos. 
• São procedimentos que podem se transformar em ferramentas importantes das equipes de acompanhamento da integridade nas unidades devido a rapidez com que o resultado é obtido, sendo recomendado para as situações envolvendo paradas operacionais e condições de emergências. 

– Nível 2 (Level 2): 

• Produz resultados menos conservadores que o Nível 1, porém utiliza procedimentos e cálculos mais complexos. 
• A quantidade de informação necessária geralmente é similar ao Nível 1. 
• Engenheiros com experiência em realizar estudos FFS são exigidos para esse nível. 
• Geralmente os procedimentos possuem menos limitações de aplicação quando comparados aos do Nível 1. 

– Nível 3 (Level 3): 

• Produz resultados menos conservadores que o Nível 2, porém utiliza procedimentos mais complexos, como simulações computacionais pelo método dos elementos finitos ou técnicas experimentais. 
• Uma quantidade maior e mais detalhada de informações provenientes da inspeção e do equipamento é requerida. 
• Engenheiros com experiência em realizar estudos FFS são exigidos para esse nível. 
• Geralmente os procedimentos possuem pouca ou nenhuma limitação de aplicação. 

Todas as análises iniciam pelo Nível 1 de avaliação. Caso o dano seja considerado inaceitável pelos critérios de aceitação desse nível ou caso não seja possível utilizá-lo devido aos limites de aplicação, pode-se proceder para o Nível 2 e assim sucessivamente. 

Destaca-se que as análises Fitness-For-Service somente são necessárias quando os limites admissíveis do código original de projeto do equipamento são ultrapassados ou quando se espera que sejam ultrapassados antes da próxima parada do ativo. No caso específico de avaliação de perda de espessura, considera-se que houve perda de espessura (metal loss) quando a redução da espessura nominal do componente ultrapassa a espessura mínima requerida de projeto (Figura 1). A avaliação FFS é requerida quando há perda de espessura evidenciada ou quando, em função de uma taxa de corrosão conhecida, se espera ter perda de espessura antes da próxima parada do equipamento. 

A perda de espessura pode ser classificada como generalizada (general metal loss) ou localizada (local metal loss), porém a distinção exata entre ambas somente pode ser realizada conhecendo-se as características do perfil de perda de espessura da região. A avaliação FFS de perda de espessura generalizada é realizada conforme a Part 4 – Assessment of General Metal Loss do API 579-1/ASME FFS-1 e a avaliação de perda de espessura localizada conforme a Part 5 – Assessment of Local Metal Loss.  

Perda de Espessura Generalizada (General Metal Loss) 

A Part 4 do API 579-1/ASME FFS-1 trata da avaliação de perda de espessura generalizada causada por corrosão, erosão ou ambos. Os procedimentos de avaliação Nível 1 e Nível 2 da Part 4 consistem em cálculos analíticos e são aplicáveis apenas se todas as seguintes condições forem satisfeitas: 

1) O critério original de projeto do equipamento deve estar de acordo com um código ou norma reconhecida. 

2) A região de perda de espessura deve possuir contornos suaves sem entalhes, isto é, concentração de tensão negligenciável. 

3) O componente não deve operar em serviço cíclico. 

4) O Nível 1 pode ser aplicado somente para componentes Tipo A sujeitos a pressão interna ou externa. 

5) O Nível 2 pode ser aplicado somente para componentes Tipo A ou Tipo B sujeitos a pressão interna, pressão externa, cargas suplementares ou combinação dessas. 

6) A região de perda de espessura deve estar localizada, no mínimo, a uma certa distância de um componente Tipo C. 

Os procedimentos do Nível 3 podem ser utilizados caso os procedimentos do Nível 1 e Nível 2 não sejam aplicáveis ou caso se deseje resultados menos conservadores. Para definição de componentes tipo A, B e C, consultar o item 4.2.5 do API 579-1/ASME FFS-1. 

Existem duas formas de caracterizar a perda de espessura no componente: utilizando medições pontuais de espessura (Point Thickness Readings – PTR) ou perfis críticos de espessura (Critical Thickness Profiles – CTP). 

Medições pontuais de espessura (PTR) podem ser utilizadas para caracterizar a perda de espessura em um componente se não existirem diferenças significativas entre os valores de espessura obtidos. Se medições pontuais são utilizadas na avaliação FFS, a hipótese de perda de espessura uniforme deve ser confirmada. Para isso, deve-se realizar no mínimo 15 medições de espessura e calcular o coeficiente de variação (COV) das medições dividindo o desvio padrão pela média. Se o COV for menor que 10%, a perda de espessura pode ser considerada uniforme e pode-se realizar as avaliações pelo Nível 1 ou Nível 2 utilizando a espessura média (t_am) calculada pelas medições pontuais. Se o COV for maior que 10%, deve-se optar por uma das seguintes abordagens: 

1) Utilizar perfis críticos de espessura (CTP) nas avaliações pelo Nível 1 ou Nível 2. 

2) Utilizar a abordagem conservadora, adotando a espessura mínima medida (t_mm) ao invés da espessura média (t_am) nas avaliações pelo Nível 1 ou Nível 2. 

3) Realizar a análise pelo Nível 3. 

Perfis críticos de espessura (CTP) podem ser utilizados para caracterizar a perda de espessura em um componente se existirem diferenças significativas entre os valores de espessura obtidos. O procedimento para obtenção dos perfis críticos de espessura está descrito no item 4.3.3.3 do API 579-1/ASME FFS-1 e não será tratado aqui. 

A Figura 2 apresenta um exemplo de mapeamento de corrosão obtido por varredura C-Scan. As áreas com espessura abaixo da nominal estão indicadas na escala de azul (menor perda) a roxo (maior perda). 

Perda de Espessura Localizada (Local Metal Loss) 

A Part 5 do API 579-1/ASME FFS-1 trata da avaliação de perda de espessura localizada causada por corrosão, erosão ou dano mecânico. É possível também avaliar regiões de perda de espessura localizada resultantes de remoção mecânica de descontinuidades, como trincas. 

A perda de espessura localizada pode ser classificada conforme a morfologia como: 

– Local Thin Area (LTA): perda localizada na superfície do componente onde o comprimento da perda de metal é da mesma ordem de magnitude da largura (Figura 3). 

– Groove-Like Flaw: perda de espessura com geometria alongada, podendo apresentar um raio na base (Figura 4). Pode ser classificado como: 

Groove: perda de espessura com geometria alongada causada por erosão ou corrosão direcional, onde o comprimento é significativamente maior do que a largura. 

Gouge: perda de espessura com geometria alongada causada por dano mecânico onde o comprimento é significativamente maior do que a largura e o material pode ter sido deformado à frio. Nesse caso, a avaliação deve ser realizada conforme a Part 12 – Assessment of Dents, Gouges, and Dent-Gouge Combinations do API 579-1/ASME FFS-1. 

Os procedimentos do Nível 1 e Nível 2 da Part 5 são aplicáveis apenas se todas as seguintes condições forem satisfeitas: 

1) O critério original de projeto deve estar de acordo com um código ou norma reconhecida. 

2) O material deve possuir tenacidade suficiente. Caso haja incerteza nesse ponto, deve-se executar uma avaliação pela Part 3 – Assessment of Existing Equipment for Brittle Fracture do API 579-1/ASME FFS-1. 

3) O componente não deve operar em serviço cíclico. 

4) O Nível 1 pode ser aplicado somente para componentes Tipo A sujeitos a pressão interna. 

5) O Nível 2 pode ser aplicado somente para componentes Tipo A ou Tipo B Classe 1 sujeitos a pressão interna, pressão externa e cargas suplementares. 

Os procedimentos do Nível 3 podem ser utilizados caso os procedimentos do Nível 1 e Nível 2 não sejam aplicáveis ou caso se deseje resultados menos conservadores. No caso de perda de espessura localizada, é necessário obter os perfis críticos de espessura (CTP) na região do dano e obter as dimensões s e c definidas na Figura 3 (LTA) ou g_l, g_w e g_r definidas na Figura 4 (Groove-Like Flaw). 

Metodologia 

A Figura 5 apresenta o procedimento inicial para avaliação de perda de espessura em um equipamento. Inicialmente são reunidos os dados de inspeção das regiões com perda de espessura e identificadas quais apresentam perda generalizada e quais apresentam perda localizada. Em seguida, verifica-se de antemão se todas as regiões satisfazem as condições para serem avaliadas analiticamente pelos Níveis 1 ou 2. Caso positivo, realiza-se a verificação conforme os procedimentos da Part 4 (perda de espessura generalizada) ou Part 5 (perda de espessura localizada). Caso alguma região não possa ser avaliada pelos Níveis 1 ou 2, realiza-se diretamente a análise pelo Nível 3. Caso a perda de espessura em alguma região seja considerada inaceitável pelos Níveis 1 ou 2, pode-se optar por avaliar especificamente a região pelo Nível 3 para reduzir o conservadorismo e possibilitar a aprovação. 

A Figura 6 apresenta o procedimento de avaliação de perda de espessura pelo Nível 3. A avaliação é realizada de forma numérica através de um modelo computacional em elementos finitos seguindo as recomendações do Annex 2D – Stress Analysis Overview for a FFS Assessment do API 579-1/ASME FFS-1, que por sua vez é baseado na Part 5 – Design by Analysis Requirements do código ASME Section VIII Division 2.  

Figura 6 – Procedimento de avaliação pelo Nível 3. 

A primeira etapa da elaboração do modelo numérico em elementos finitos consiste na modelagem da geometria do equipamento conforme os desenhos de fabricação enviados pelo cliente. No caso de vasos de pressão, os seguintes componentes são considerados no modelo: 

– Costado 

– Tampos 

– Suportes 

– Pescoço de bocais e bocas de visita 

– Reforços de bocais e bocas de visita 

– Flanges 

– Anéis enrijecedores (se aplicável) 

No caso de tanques de armazenamento, os seguintes componentes são considerados no modelo: 

– Costado (anéis) 

– Teto 

– Perfis enrijecedores no costado ou teto (se aplicável) 

– Pescoço de bocais e bocas de visita 

– Reforços de bocais e bocas de visita 

– Flanges 

Após a modelagem da geometria do equipamento é realizada a delimitação das regiões com perda de espessura generalizada seguindo as dimensões indicadas no relatório de inspeção enviado pelo cliente. Caso perda de espessura localizada (LTA’s ou grooves) seja identificada dentro de alguma região, também é realizada a delimitação dessas áreas. A Figura 7 mostra o modelo de um vaso de pressão com as regiões de perda de espessura delimitadas. 

Após a definição dos materiais, espessuras e geração da malha, é realizado o cálculo e aplicação de carregamentos e combinações. Os carregamentos típicos a serem considerados no modelo estão apresentados na Figura 8, reprodução da tabela 2D.1 do API 579-1/ASME FFS-1. Em geral, são considerados: 

– Peso próprio (D) 

– Pressão interna (P_i) 

– Pressão externa (P_e) 

– Pressão hidrostática na condição de operação (P_s) 

– Pressão hidrostática na condição de teste hidrostático (P_h) 

– Acelerações (L) 

– Sobrecarga no teto (especificamente para tanques) (L_r) 

– Vento (W) 

– Temperatura (T) 

Em seguida, os carregamentos são combinados de acordo com o método de análise a ser utilizado.  

Caso a verificação de proteção contra colapso plástico seja realizada utilizando o Método Elástico, as combinações de cargas a serem consideradas estão descritas na Figura 9. As combinações para o Método da Carga Limite e Método Elasto-plástico estão apresentadas nas tabelas 2D.3 e 2D.4 do API 579-1/ASME FFS-1 e não serão mostradas aqui. 

Análises estruturais 

Para a avaliação da aceitação do dano, são realizadas as verificações dos modos de falha descritos abaixo: 

1. Proteção contra colapso plástico 

São três os métodos possíveis de verificação de proteção contra colapso plástico: 

– Método Elástico: se baseia nos resultados de análises lineares elásticas. As tensões obtidas são classificadas em categorias e comparadas com limites admissíveis. Apesar de ser mais intuitivo e exigir menor custo computacional, esse método é mais conservador que os demais e não é recomendado para avaliar componentes de grande espessura (R/t ≤ 4). A Figura 10 mostra um exemplo de avaliação de tensões de membrana generalizada (P_m) atuantes no costado de um vaso de pressão. 

– Método da Carga Limite: se baseia na realização de análises não lineares utilizando um modelo de material elástico perfeitamente plástico. É considerada a não linearidade dos materiais, mas não são consideradas as não linearidades geométricas, sendo baseada na teoria dos pequenos deslocamentos. O equipamento é considerado aprovado caso as análises atinjam a convergência para 100% da carga aplicada em todas as combinações. Como não exige classificação de tensões, esse método é menos trabalhoso que o Método Elástico. Entretanto, é menos intuitivo, exige maior custo computacional e conhecimento de análises não lineares por parte do analista. 

– Método Elasto-Plástico: se baseia na realização de análises não lineares utilizando um modelo de material elasto-plástico. É considerada tanto a não linearidade dos materiais quanto as não linearidades geométricas. O equipamento é considerado aprovado caso as análises atinjam a convergência para 100% da carga aplicada em todas as combinações. Esse método fornece uma melhor estimativa da capacidade de carga da estrutura e é o mais recomendado. Entretanto, como no Método da Carga Limite, é menos intuitivo, exige maior custo computacional e conhecimento de análises não lineares por parte do analista. 

2. Proteção contra falha local 

São dois os métodos possíveis de verificação de proteção contra falha local: 

– Método Elástico: fornece uma estimativa da proteção contra falha local baseada nos resultados de uma análise elástica. Para o equipamento ser considerado aprovado, a soma algébrica das tensões principais deve ser inferior a 4S/RSF_a, como mostrado na equação abaixo.  

– Método Elasto-Plático: fornece uma melhor estimativa da proteção contra falha local baseada nos resultados de uma análise elasto-plástica. O componente é considerado aprovado caso a soma da parcela da deformação plástica equivalente em determinado ponto com a parcela da deformação devida à conformação seja menor ou igual à deformação triaxial limite para aquele ponto, conforme mostrado na equação abaixo. 

3. Proteção contra colapso for flambagem 

São três os métodos possíveis de verificação de proteção contra colapso por flambagem: 

– Tipo 1: consiste na realização de uma análise de flambagem de autovalor utilizando os resultados de uma análise linear elástica como pré-tensão. Como a análise de flambagem de autovalor indica a carga crítica de flambagem para uma estrutura ideal, isenta de imperfeições, a estrutura é aprovada caso o menor autovalor obtido seja superior ao fator de segurança definido abaixo: 

A Figura 11 mostra um exemplo de autovalor obtido na avalição de flambagem de um tanque de armazenamento. 

– Tipo 2: consiste na realização de uma análise de flambagem de autovalor utilizando os resultados de uma análise elasto-plástica como pré-tensão. Como a análise de flambagem de autovalor indica a carga crítica de flambagem para uma estrutura ideal, isenta de imperfeições, a estrutura é aprovada caso o menor autovalor obtido seja superior ao fator de segurança definido abaixo. 

– Tipo 3: consiste na realização de uma análise não linear elasto-plástica considerando explicitamente as imperfeições geométricas da estrutura no modelo computacional. O equipamento é considerado aprovado caso a análise atinja a convergência para 100% da carga. Na verificação pelo Tipo 3 o fator de segurança está incluído nas combinações de carregamentos. 

Estimativa de vida útil remanescente 

Em qualquer avaliação Fitness-For-Service é insuficiente dizer que o equipamento está aprovado para continuidade operacional sem informar a validade dessa aprovação, isto é, a vida útil remanescente com base na taxa de propagação do dano. No caso de avaliação de perda de espessura, essa taxa corresponde à taxa de corrosão da região, podendo ser calculada com base em resultados de inspeções anteriores. Destaca-se que quanto mais dados de medições de espessura anteriores estiverem disponíveis, melhor será a estimativa da taxa de corrosão e, portanto, da vida útil remanescente (Figura 12). 

Proposta de melhorias 

No caso de avaliação de perda de espessura, o API 579-1/ASME FFS-1 recomenda algumas técnicas de remediação que podem ser aplicadas para extensão da vida útil remanescente ou mesmo aprovação da estrutura. As seguintes técnicas são descritas: 

– Realizar mudanças nos parâmetros do processo, como temperatura, pressão ou ambos. A PMTA do equipamento pode ser reduzida para um valor específico. 

– Aplicação de barreiras sólidas como revestimentos para manter o ambiente isolado do metal base. Os revestimentos podem ser orgânicos, metálicos (como o weld overlay) ou refratários.  

– Injeção de substâncias para modificar o ambiente ou a superfície do metal. Essas substâncias podem ser utilizadas para diluir contaminantes, neutralizar químicos ou formar camadas protetoras no metal base. 

Ao aplicar essas técnicas de mitigação é importante realizar o monitoramento em serviço para confirmar se estão sendo eficazes.  

O ISQ conta com equipe de Engenharia com qualificação e experiência em avaliações Fitness-For-Service de equipamentos em serviço que apresentam perda de espessura, trincas, ovalizações e outros tipos de dano.

Para saber mais sobre o assunto ou caso tenham dúvidas de qual metodologia pode ser utilizada para garantir a segurança operacional do ativo, entre em contato com o nosso time de especialistas!