A termografia é uma ferramenta de inspeção sem contacto ideal para tubagens no interior de um forno de refinação de petróleo em funcionamento, mas medir a temperatura através das chamas é um desafio. Felizmente, novas técnicas de filtragem estão a melhorar a precisão dessas medições.
A inspeção dos tubos no interior de um forno de refinação de petróleo em funcionamento é fundamental para maximizar a segurança, a eficiência e a vida útil. Mas a captação de imagens por infravermelhos (IR) e a medição da temperatura através dos gases quentes num forno em funcionamento é um desafio. A solução é uma câmara de imagem ótica de gás equipada com um filtro especial que permite aos inspectores efetuar medições precisas no interior de fornos activos.
Na indústria petroquímica, a transformação do petróleo bruto noutros produtos envolve o seu aquecimento a temperaturas superiores a 400 °C utilizando fornos. Normalmente, isto é feito bombeando-o através de tubos para os fornos, onde os queimadores aquecem os tubos e, consequentemente, o petróleo no seu interior. É essencial ter um bom controlo da temperatura da superfície ao longo dos tubos. Se algumas partes estiverem 50 °C demasiado quentes, os tubos concebidos para durar 20 a 25 anos podem avariar em cinco anos. Por outro lado, o funcionamento de um forno demasiado frio pode reduzir significativamente a eficiência do sistema, resultando num desempenho inferior.
VISTA DE UM FORNO
Por isso, é importante olhar para além do gás quente e medir a temperatura dos tubos. Uma forma de medir é utilizando um termopar, um sensor de temperatura ligado ao tubo. Embora forneçam informações úteis, os termopares só podem medir a temperatura no local onde estão ligados. É preciso ter a certeza de que a temperatura é constante à volta do termopar, pois este não detectará picos de calor nas proximidades (ver Fig. 1).
Fig. 1. Os termopares nos tubos não detectam as áreas mais quentes nas proximidades, que aparecem mais brilhantes nesta imagem, e apenas medem a sua própria temperatura local.
Uma câmara de forno pode visualizar uma área maior de tubos e medir o calor dentro da área de imagem. Se houver variações de temperatura de uma parte do tubo para outra, a câmara pode detectá-las.
Os queimadores que aquecem um forno geram vapores e gases que a maioria das câmaras de infravermelhos não consegue ver claramente. Mas as câmaras especiais de imagem térmica com filtros espectrais conseguem ver através deles, medindo as variações de temperatura nos tubos por detrás deles.
INTERIOR E EXTERIOR
O que é que pode causar estas variações? Dois processos podem interferir com a transferência suave de calor das chamas do queimador através do tubo para o óleo no interior. Um deles é chamado de incrustação, quando o calor excessivo causa a formação de uma camada de óxido na superfície externa do tubo. Estas camadas de óxido podem variar em termos de emissividade, ser finas ou espessas, absorver calor e ter baixa condutividade, o que limita a transferência de calor para os tubos. Estas áreas parecem mais quentes na imagem de infravermelhos, mas na realidade mantêm o processo demasiado frio, bloqueando a passagem de algum calor para o tubo (ver Fig. 2).
Fig. 2. A sujidade externa nos tubos leva a um aspeto irregular tanto na luz infravermelha como na luz visível. As áreas com arestas vivas que aparecem quentes na imagem térmica não estão de facto a sobreaquecer.
Enquanto as incrustações provocam um sobreaquecimento aparente, um problema diferente, o coque, provoca um sobreaquecimento efetivo. A coqueificação é causada por um aumento localizado da temperatura, que pode decompor o petróleo bruto em carbono e hidrogénio. Enquanto o hidrogénio segue o fluxo do petróleo, o carbono pode aderir e acumular-se em áreas localizadas na superfície interna dos tubos. A acumulação impede o fluxo de petróleo, que normalmente transporta parte do calor do tubo à medida que flui e faz com que essa secção do tubo fique demasiado quente.
Digamos que está a olhar para uma secção de tubo que está geralmente a 400 °C. Pode haver uma pequena área com um aumento de temperatura de 450 °C algures no tubo em frente aos queimadores; normalmente é o lado virado para os queimadores porque está mais diretamente exposto ao calor, pelo que é mais provável que apareçam aí incrustações e coque. Numa imagem térmica, essa área mais quente terá claramente uma cor diferente em comparação com o tubo circundante. Mas como é que sabemos se esse sobreaquecimento é incrustação ou coqueificação?
VER A DIFERENÇA
Uma vez que a coqueificação e a incrustação são dois problemas diferentes, um causando um sobreaquecimento aparente enquanto o outro conduz a um sobreaquecimento efetivo, é importante ser capaz de os diferenciar. A incrustação é normalmente indicada por um gradiente térmico pronunciado e, frequentemente, por um aspeto irregular que pode ser visto tanto na luz visível como nas imagens de infravermelhos. Se o padrão visível coincidir com o padrão IR, o problema é provavelmente de incrustação. O coqueamento mostra normalmente um gradiente térmico mais suave na imagem de IV, frequentemente designado por "brilho fantasma", que não corresponde a qualquer caraterística visível na superfície do tubo (ver Fig. 3). Para poder ver a diferença e quantificar as variações de temperatura, é necessária uma imagem de boa qualidade. Para obter tal imagem, as câmaras de infravermelhos utilizam filtros que podem remover o calor dos vapores e gases na imagem, essencialmente olhando através do forno para dentro dos tubos. Sem uma filtragem adequada, a imagem pode parecer turva. A turvação pode degradar significativamente a exatidão da medição da temperatura e dificultar a identificação de áreas sobreaquecidas resultantes de coqueificação ou formação de incrustações.
Fig. 3. As áreas dos tubos que estão a sofrer coqueificação interna apresentam bordos suaves e um "brilho fantasma" na imagem térmica, indicando áreas mais quentes do tubo que podem estar a sobreaquecer.
Uma câmara de imagem térmica pode ter um detetor InSb com um filtro que apenas permite a passagem de radiação com um comprimento de onda de 3,9 μm. A esse comprimento de onda, o vapor e os gases no forno emitem pouca ou nenhuma radiação, pelo que são funcionalmente invisíveis e a maioria dos fotões captados pelo detetor provêm de outros objectos por detrás do vapor. Tanto o detetor como o filtro estão contidos na parte da câmara que é arrefecida abaixo de 70 Kelvin para reduzir o ruído e o auto-aquecimento do filtro, que afectariam negativamente a imagem e a precisão.
Estas câmaras podem também ter um filtro de densidade neutra, fora da área arrefecida, que remove uma certa percentagem de radiação numa vasta gama de comprimentos de onda para evitar a saturação excessiva do detetor a temperaturas de cena elevadas. No entanto, esta configuração pode ainda ter problemas com um fenómeno indesejado chamado luz difusa, um excesso de radiação que atinge o detetor.
NO CAMINHO ERRADO
A luz difusa não é um grande problema em muitos tipos de medições térmicas, especialmente quando o objeto a ser medido é mais quente do que a área circundante. Mas nos fornos, a área circundante é frequentemente muito mais quente do que os próprios tubos, o que pode causar problemas. A luz difusa ocorre quando os fotões IR se reflectem em várias superfícies e percorrem caminhos indesejados. Pode provir do campo de visão da câmara ou de objectos quentes fora do campo de visão, como um queimador. A luz difusa pode saltar no interior da câmara até atingir o detetor, criando um efeito de névoa que reduz a qualidade da imagem e afecta a precisão das medições de temperatura (ver Fig. 4).
Fig. 4. Um corpo negro quente fotografado com um filtro de densidade neutra (esquerda) apresenta um aspeto turvo devido à luz difusa. O mesmo objeto visto através de uma abertura (direita) é muito mais nítido. Nota: A nebulosidade na primeira imagem foi ampliada para ilustrar a diferença de forma mais visual.
UMA NOVA ABORDAGEM
Para resolver o problema da luz difusa, os filtros de densidade neutra podem ser substituídos por uma abertura. A abertura é uma placa de alumínio com um pequeno orifício e bloqueia uma grande percentagem da radiação, tal como acontece com um filtro de densidade neutra. A placa é revestida em ambos os lados com preto IR, um revestimento que absorve a radiação IR. A luz dispersa que atinge o exterior da abertura é absorvida para que não possa voltar a refletir-se na câmara. Uma vantagem adicional da abertura é que aumenta a profundidade de campo da câmara, de modo a que mais partes dos tubos possam estar focadas ao mesmo tempo. Isto permite ao termografista inspecionar uma maior variedade de tubos ao mesmo tempo (ver Fig. 5).
Fig. 5 - Estas imagens foram tiradas através da mesma janela, uma com uma abertura (direita) e outra com um filtro de densidade neutra (esquerda). A parede lateral da janela gráfica, ao longo do lado direito de cada imagem, está mais claramente focada com a abertura (crédito: Mikael Cronholm).
Naturalmente, o calor de várias centenas de graus Celsius de um forno seria suficiente para derreter não só o revestimento preto de IV, mas também a própria câmara. Por conseguinte, a câmara deve ser sempre utilizada com um escudo térmico frontal e uma janela de proteção frontal adicional para suprimir os comprimentos de onda indesejados.
OS LIMITES DE MEDIÇÃO
Num teste recente, uma câmara foi apontada através da porta de inspeção de um forno para um radiador de corpo negro com uma temperatura e emissividade conhecidas no outro lado do forno. A utilização de uma abertura revestida reduziu para metade o erro de medição, suprimindo eficazmente a luz difusa. Outros factores também afectam a precisão da medição; funciona melhor com gás natural de queima limpa a alimentar os queimadores, porque as variações nos fornos ou as impurezas no combustível podem alterar os comprimentos de onda emitidos pelos vapores, introduzindo erros.
Outra limitação é imposta pelo orifício de inspeção, essencialmente um olho mágico na parte lateral do forno. Os fornos têm paredes com cerca de meio metro de espessura para reter o calor e as portas tendem a ser pequenas. Apontar a câmara diretamente para a porta proporciona apenas uma visão direta, limitando a área que pode ser fotografada. Os utilizadores podem adicionar um extensor de lente, um dispositivo fino que se encaixa melhor no olho mágico e pode ser movido para ver mais tubos, aumentando a possibilidade de encontrar um problema.
UMA FERRAMENTA ÚTIL
As câmaras termográficas são uma ferramenta importante para a recolha de medições de temperatura de tubos no interior de fornos utilizados para refinação de petróleo e processamento petroquímico, e fornecem medições mais detalhadas do que os termopares. Embora ver através dos gases num forno possa ser um desafio, é importante fazê-lo com precisão, uma vez que temperaturas do tubo de apenas 50 graus Celsius acima podem reduzir significativamente a vida útil do tubo.
A escolha da definição correcta do filtro pode afetar a precisão da medição e ajudar os utilizadores a distinguir entre incrustações externas e coque interno. A utilização de um filtro de densidade neutra alivia o problema da saturação excessiva do detetor, mas não elimina a luz difusa, que pode refletir-se no detetor e criar uma imagem turva ou enevoada e menos útil. Em vez disso, uma nova técnica baseia-se numa abertura, um pequeno orifício numa placa de alumínio revestida com negro IR para absorver a luz difusa antes de esta chegar ao detetor.
Ao escolher a configuração correcta do filtro e ao ter em conta outros factores que podem afetar a precisão, como a pureza do gás combustível e a eficiência do queimador, os inspectores de fornos podem avaliar o bom funcionamento do processo e detetar problemas antes de incorrerem em custos adicionais.
Pode ler a nota de aplicação completa nesta ligação.