Serpentina de Tubo como Superfície Primária de Transferência de Calor
Uma serpentina de tubo de aquecedor a fogo é o conjunto tubular contínuo através do qual o fluido de processo flui enquanto é aquecido por gases de combustão dentro de um aquecedor a fogo. A serpentina de tubo é a superfície primária de transferência de calor do aquecedor a fogo, absorvendo energia térmica da radiação da chama (seção radiante) e da convecção de gás de combustão quente (seção de convecção).
O aquecedor a fogo é um dispositivo de aquecimento de combustão direta no qual o fluido de processo flui dentro dos tubos enquanto a combustão do combustível ocorre externamente aos tubos. A serpentina de tubo é o componente crítico de contenção de pressão do aquecedor a fogo e é projetada e fabricada de acordo com a API 560 (Aquecedores a Fogo para Serviço Geral de Refinaria), ASME B31.3 (Tubulações de Processo) e GB/T 16507 (Caldeiras de Tubos de Água) para aplicações domésticas.
Seções de Aquecedor a Fogo – Configuração da Serpentina por Localização
Serpentina da Seção Radiante
A seção radiante (câmara de combustão) é onde o fluido de processo recebe a maior parte de sua carga térmica através da radiação direta da chama. Os tubos na seção radiante são expostos ao maior fluxo de calor e às temperaturas do metal do tubo.
Arranjo dos tubos: Vertical (helicoidal ou serpentina) ou horizontal (linha única ou múltiplas linhas)
Suporte dos tubos: Tubos radiantes são suportados por cabides de tubo, suportes guia ou âncoras refratárias
Fluxo de calor: A transferência de calor radiante predomina; a temperatura do metal do tubo é tipicamente 50°C–100°C acima da temperatura de saída do fluido de processo
Configurações comuns:
Serpentina helicoidal: Tubos em espiral ao redor da circunferência da câmara de combustão; comum em aquecedores cilíndricos
Serpentina em serpentina: Tubos dispostos em múltiplas passagens horizontais ou verticais com curvas de retorno conectando tubos adjacentes
Serpentina de passagem única: Cada tubo vai da entrada à saída sem curvas intermediárias
Serpentina de múltiplas passagens: O fluido de processo faz múltiplas passagens pela seção radiante através de curvas de retorno
Serpentina da Seção de Convecção
A seção de convecção está localizada acima da seção radiante, onde a transferência de calor ocorre principalmente por convecção forçada de gases de combustão quentes. Os tubos na seção de convecção operam com menor fluxo de calor e temperaturas do metal do tubo.
Arranjo dos tubos: Linhas horizontais ou verticais com passo de tubo escalonado ou em linha
Superfície estendida: Tubos de convecção são frequentemente fornecidos com aletas ou pinos para aumentar a área de transferência de calor
Tubos de blindagem: As primeiras 2–3 linhas de tubos de convecção expostas ao calor radiante da câmara de combustão são tipicamente nuas (sem aletas) para evitar danos às aletas devido à exposição a altas temperaturas
Tipos comuns de tubos: Tubo nu, tubo com aletas, tubo com pinos (tubo de pino)
Tubulação de Transição / Cruzamento
A tubulação de cruzamento conecta a saída da seção de convecção à entrada da seção radiante (ou vice-versa), tipicamente localizada fora da carcaça do aquecedor. A tubulação de cruzamento deve acomodar a expansão térmica entre as seções.
Parâmetros de Projeto da Serpentina – Conforme API 560 / ASME B31.3
| Parâmetro | Faixa | Padrão / Observação |
|---|---|---|
| OD do Tubo | 50.8mm – 273.1mm (2" – 10.75") | Conforme API 560 Tabela 4 |
| Espessura da parede do tubo | 3.0mm – 25.0mm | Conforme API 530 (cálculo da espessura do tubo) |
| Comprimento do tubo (por seção reta) | 3.0m – 15.0m | Limitado por transporte e manuseio |
| Pressão de projeto | Até 35 MPa | Conforme ASME B31.3 / API 560 |
| Temperatura de projeto (metal do tubo) | Até 590°C | Dependente do material; Cr-Mo para > 425°C |
| Tolerância à corrosão | Conforme API 560 7.1.2 | Mínimo conforme especificação do comprador |
| Passo do tubo (centro a centro) | 2× OD do tubo (raio curto padrão) | Conforme API 560 Tabela 4 |
| Fluxo de calor máximo permitido | Conforme API 560 / projeto da seção radiante | Determina a temperatura do metal do tubo |
Seleção de Materiais – Materiais da Serpentina de Tubo (Conforme API 560 Tabela 5)
Aços Carbono
| Grau | Especificação | Temp. Máx. | Aplicação |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425°C | Serviço geral de refinaria, temperatura moderada |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425°C | Serviço de caldeiras e aquecedores |
| 20# | GB 9948 | ~425°C | Padrão doméstico para serviço de craqueamento de petróleo |
Aços Liga Cromo-Molibdênio
| Grau | Composição | Temp. Máx. | Aplicação |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0.5Cr-0.5Mo | ~540°C | Temperatura elevada moderada |
| SA-213 T11 | 1.25Cr-0.5Mo | ~590°C | Tubos de aquecedor de refinaria; resistência moderada à fluência |
| SA-213 T22 | 2.25Cr-1Mo | ~590°C | Hidrocraqueador, reformador, alta temperatura/alta pressão |
| SA-213 T5 | 5Cr-0.5Mo | ~590°C | Serviço corrosivo de alta temperatura |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590°C | Serviço erosivo de alta temperatura |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590°C | Serviço avançado de fluência em alta temperatura |
Aços Inoxidáveis Austeníticos
| Grau | Temp. Máx. | Aplicação |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600°C | Temperatura elevada, resistência à corrosão, resistência à fluência |
| TP316L | ~450°C | Serviço contendo cloreto (moderado) |
| TP347H | ~600°C | Resistência à fluência em alta temperatura; grau estabilizado |
| SUS310S | ~700°C | Resistência à oxidação em temperatura extremamente alta |
Ligas de Níquel
| Grau | Temp. Máx. | Aplicação |
|---|---|---|
| Alloy 800H / 800HT | ~600°C | Serviço corrosivo de alta temperatura; gás ácido |
Configuração da Serpentina – Suportes e Guias de Tubo
Conforme API 560, suportes de tubo são necessários para manter o alinhamento do tubo e evitar deformação ou vibração:
Seção radiante: Cabides de tubo (para tubos verticais), suportes guia (para tubos horizontais) ou âncoras refratárias
Seção de convecção: Placas de suporte ou espelhos com furos para acomodar os tubos
Espaçamento do suporte: Determinado pelo tamanho do tubo, material e temperatura de operação – tipicamente 1.5m – 3.0m
Guias de tubo: Permitem a expansão térmica axial enquanto restringem o movimento lateral
Gerenciamento da Expansão Térmica
As serpentinas de aquecedor a fogo experimentam expansão térmica significativa devido às diferenças de temperatura entre as condições de partida e de operação
A expansão é acomodada através de:
Curvas de retorno: Conexões em forma de U que absorvem a expansão diferencial entre tubos adjacentes
Laços de expansão: Configurações de tubulação que absorvem a expansão axial
Suportes guiados: Permitem que os tubos deslizem axialmente enquanto mantêm o alinhamento
Coletores flutuantes: Cabeçotes que se movem com a serpentina para absorver a expansão
Superfície Estendida – Aletas e Pinos (Seção de Convecção)
Para aumentar a transferência de calor na seção de convecção, os tubos são frequentemente fornecidos com superfície estendida:
| Tipo de Superfície Estendida | Descrição | Aplicação |
|---|---|---|
| Tubo com aletas | Aletas helicoidais soldadas ou extrudadas no OD do tubo | Seção de convecção; aumenta a área de superfície em 5–10× |
| Tubo com pinos (tubo de pino) | Pinos soldados à superfície do tubo | Serviço com incrustação; permite a limpeza de fuligem sem danos às aletas |
| Aleta serrilhada | Aleta fendida ou serrilhada para maior coeficiente de transferência de calor | Serviço de convecção de alta eficiência |
Parâmetros típicos de aleta/pino:
Altura da aleta: 12mm – 25mm
Passo da aleta: 4 – 12 aletas por polegada (FPI)
Material da aleta: Aço carbono, aço inoxidável ou aço liga
Material do pino: Geralmente o mesmo material do tubo ou liga compatível
Curvas de Retorno – Conexões da Serpentina
As curvas de retorno conectam tubos adjacentes em serpentinas de múltiplas passagens, invertendo a direção do fluxo em 180°:
Localização: Dentro da câmara de combustão (seção radiante) ou dentro de uma caixa de coletor (compartimento isolado fora da câmara de combustão)
Pressão e temperatura de projeto: Curvas de retorno dentro da câmara de combustão – as mesmas dos tubos de conexão; dentro da caixa do coletor – mesma pressão de projeto, temperatura do fluido +30°C
Espessura: Pelo menos a mesma espessura dos tubos de conexão
Conexões: Conexões soldadas longitudinalmente não devem ser usadas
Padrões: SH/T 3065 (Curvas de Retorno de Aquecedores Tubulares Petroquímicos), ASME B16.9
Dimensões centro a centro das curvas de retorno (conforme API 560 Tabela 4):
| OD do Tubo (mm) | Centro a Centro do Coletor (mm) |
|---|---|
| 60.3 | 101.6 |
| 73.0 | 127.0 |
| 88.9 | 152.4 |
| 101.6 | 177.8 |
| 114.3 | 203.2 |
| 127.0 | 228.6 |
| 141.3 | 254.0 |
| 152.4 | 279.4 |
| 168.3 | 304.8 |
| 193.7 | 355.6 |
| 219.1 | 406.4 |
| 273.1 | 508.0 |
Coletores e Manifolds
Os coletores (manifolds de entrada e saída) distribuem o fluido de processo para e da serpentina de tubo:
Coletores com tampão: Tampões removíveis para acesso aos tubos; usados para serviço limpo
Coletores com placa de cobertura: Cobertura aparafusada para acesso total aos tubos; usados para serviço com incrustação
Coletores de manifold de tubulação: Construção soldada; usados para serviço de alta pressão
Pressão de projeto: A mesma dos tubos de conexão
Temperatura de projeto: Temperatura do fluido naquela localização +30°C para instalação em caixa de coletor
Processo de Fabricação – Montagem da Serpentina de Tubo
Preparação do tubo: Tubos cortados no comprimento; extremidades chanfradas conforme ASME B16.25 para soldagem de topo
Fixação da curva de retorno: Curvas de retorno soldadas às extremidades dos tubos (raiz GTAW + enchimento SMAW) conforme ASME Seção IX
Soldagem de aleta/pino: Aletas ou pinos soldados aos tubos de convecção (soldagem de alta frequência ou soldagem por resistência)
Montagem da serpentina: Tubos montados em linhas e fixados aos suportes
Fixação do coletor: Coletores soldados à entrada/saída da serpentina
PWHT: Necessário para ligas Cr-Mo e seções de aço carbono de parede espessa (conforme ASME B31.3 / API 560)
Teste hidrostático: 1.5 × pressão de projeto (conforme API 560 / ASME B31.3)
Aplicação de refratário/isolamento: Aplicado à carcaça e aos suportes dos tubos (instalado em campo)
Inspeção e Teste (Conforme API 560 / ASME B31.3)
Exame Não Destrutivo (END)
| Exame | Método | Escopo | Critérios de Aceitação |
|---|---|---|---|
| Superfície do tubo | PT ou MT | 100% das soldas e curvas | Conforme ASME / API 560 |
| Soldas de topo | RT ou UT | 100% (conforme API 560 / ASME B31.3) | Conforme ASME Seção VIII / B31.3 |
| Soldas de curva de retorno | PT + RT | 100% | Conforme SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| Soldas de aleta/pino | Visual + teste de tração | Amostra por lote | Sem rachaduras; resistência à tração ≥ especificada |
| Dimensional | Gabarito / CMM | Conforme desenho da serpentina | Conforme ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | Espectrômetro XRF | 100% dos lotes de material | Corresponde ao certificado de material |
Teste Hidrostático
Pressão de teste: 1.5 × pressão de projeto (conforme API 560 / ASME B31.3)
Meio de teste: Água limpa com inibidor de corrosão
Tempo de retenção: ≥ 30 minutos
Aceitação: Nenhuma queda de pressão; nenhum vazamento visível em qualquer solda ou conexão
Teste de Vazamento Pneumático (se especificado)
Pressão de teste: 0.6 MPa de ar ou nitrogênio
Detecção de vazamento: Bolha de sabão ou espectrometria de massa de hélio
Aceitação: Sem bolhas; taxa de vazamento ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Perfis de Aplicação – Configurações da Serpentina por Tipo de Aquecedor
Aquecedor Cilíndrico (Vertical)
Tipo de serpentina: Serpentina radiante helicoidal (espiral) + serpentina de convecção horizontal
Arranjo dos tubos: Tubos verticais em círculos concêntricos; curvas de retorno no topo e na base
Aplicação: Aquecedores de refinaria de pequeno a médio porte; rebatedores; aquecedores de processo
Aquecedor Caixa (Horizontal)
Tipo de serpentina: Serpentina radiante em serpentina (passagens horizontais ou verticais) + serpentina de convecção horizontal
Arranjo dos tubos: Tubos em múltiplas linhas; curvas de retorno em caixas de coletor fora da câmara de combustão
Aplicação: Aquecedores de refinaria grandes; aquecedores de cru; aquecedores a vácuo
Aquecedor de Combustão Dupla / Multicélula
Tipo de serpentina: Duas seções radiantes compartilhando uma seção de convecção comum
Arranjo dos tubos: Tubos aquecidos de ambos os lados
Aplicação: Aquecedores de refinaria de alta capacidade; fornos reformadores
Aquecedores Especiais
Forno reformador: Tubos preenchidos com catalisador (verticais) com curvas em U; materiais de liga de alta temperatura
Forno de craqueamento de etileno: Tubos de alta liga com geometria de serpentina especializada
Forno de produção de hidrogênio: Tubos reformadores com catalisador; serviço de hidrogênio de alta pressão
Documentação por Embarque
Certificados de teste de material (EN 10204 3.1 ou 3.2) – tubos, conexões, coletores, aletas/pinos
Folha de dados API 560 / ASME B31.3
Relatório de inspeção dimensional (OD do tubo, espessura da parede, passo, raio da curva, centro a centro)
Relatórios de END – PT/MT/RT/UT/PMI conforme aplicável
Relatório de teste hidrostático (com registros de pressão e tempo)
Relatório de teste de vazamento pneumático (se realizado)
Especificação do procedimento de soldagem (WPS) e registro de qualificação do procedimento (PQR)
Gráfico PWHT (registro de tempo-temperatura) – se realizado
Desenho da serpentina como construído – com contagem de tubos, configuração de passagens, dimensões dos coletores
Procedimento de soldagem de aleta/pino e registros de teste de tração (se com aletas/pinos)
Lista de Verificação de Seleção – Serpentina de Tubo de Aquecedor a Fogo
Tipo de aquecedor – Cilíndrico / Caixa / Combustão Dupla / Reformador / Craqueamento
Seção da serpentina – Radiante / Convecção / Ambas
OD e espessura da parede do tubo – Conforme API 560 / ASME B31.3
Grau do material do tubo – CS / Cr-Mo / SS / Liga – conforme API 560 Tabela 5
Pressão e temperatura de projeto – Conforme API 560 / ASME B31.3
Configuração da serpentina – Serpentina / Helicoidal / Passagem Única / Múltiplas Passagens
Número de passagens – Determina a quantidade e o layout das curvas de retorno
Superfície estendida necessária – Nua / Com Aletas / Com Pinos – especificar parâmetros de aleta/pino
Tipo de curva de retorno – Raio curto (2× OD do tubo) / Raio longo (3× OD do tubo)
Tipo de coletor – Tampão / Placa de Cobertura / Manifold de Tubulação
Tolerância à corrosão – Conforme API 560 7.1.2
Requisito de PWHT – Baseado no material e espessura
Requisito de END – Conforme API 560 ou especificação do projeto
Método de limpeza – Descarbonização a vapor-ar / Limpeza com pig mecânico – afeta o projeto da serpentina
Declaração de Limitação de Projeto – Serpentina de Tubo de Aquecedor a Fogo
A serpentina de tubo de aquecedor a fogo está sujeita às seguintes limitações:
É classificada apenas para a pressão e temperatura de projeto especificadas na folha de dados; a operação fora desses limites anula o projeto
A temperatura do metal do tubo não deve exceder a temperatura máxima de serviço permitida do material na pressão de projeto especificada
Conexões soldadas longitudinalmente (curvas de retorno) não devem ser usadas conforme API 560 8.3.4
A serpentina deve ser projetada para expansão térmica; acomodação inadequada da expansão leva à distorção do tubo, danos ao suporte ou falha da solda
Não é adequada para fluidos com alto teor de sólidos (> 2% em peso) sem seleção de material resistente à erosão ou aumento da espessura da parede
Tubos com aletas/pinos em seções de convecção requerem limpeza de fuligem ou limpeza para manter o desempenho; a incrustação aumenta a queda de pressão e reduz a transferência de calor
A substituição da serpentina requer correspondência cuidadosa com a geometria existente do aquecedor (passo do tubo, configuração de passagens, dimensões dos coletores) – modificações de campo podem exigir reclassificação
