Refratários e isolamento para caldeiras

O revestimento refratário de caldeiras é um sistema concebido para esse fim

O revestimento de uma caldeira raramente é constituído por um único material. A face quente tem de resistir à radiação da chama, aos gases de combustão, às cinzas, aos depósitos e à limpeza, enquanto a camada posterior controla a transferência de calor para a envolvente. Argamassas, ancoragens, juntas de dilatação, interfaces com as paredes tubulares, aberturas dos queimadores, portas e passagens devem funcionar em conjunto com ambas as camadas. Substituir um componente por um produto com maior resistência térmica não corrige incompatibilidades químicas, folgas de dilatação inadequadas, ancoragens danificadas ou um procedimento de secagem e aquecimento inicial impróprio.

O refratário protege e define a forma da câmara de combustão; não constitui o limite de pressão da caldeira. A integridade dos tubos, tambores, corpo, coletores, válvulas e dispositivos de proteção deve ser avaliada de acordo com os requisitos do fabricante da caldeira e o regime de inspeção aplicável aos sistemas sob pressão. Não cubra sinais suspeitos de corrosão, fissuração ou fugas em componentes sob pressão com material de reparação refratário.

Funções dos materiais num revestimento de caldeira

Materiais densos para a face quente, assentamento e reparação

Os produtos densos são adequados quando o revestimento tem de conservar a forma e resistir à exposição direta à combustão ou ao desgaste mecânico. Normalmente, acumulam e conduzem mais calor do que o isolamento de fibras, pelo que a sua elevada classificação de temperatura não deve ser interpretada como prova de baixa condutividade térmica.

A temperatura, por si só, não determina a adequação. Compare a densidade aparente, a porosidade aparente, a resistência, a variação linear permanente, a condutividade térmica e a resistência às cinzas ou aos depósitos efetivamente presentes. Um revestimento à base de zircão não deve ser utilizado para cobrir juntas sujeitas a movimento, repor espessura de revestimento em falta ou ocultar um suporte degradado.

Produtos flexíveis de isolamento, vedação e instalação

As mantas têm uma densidade publicada de 128 kg/m³, mas a espessura do isolamento continua a exigir um cálculo de transferência de calor com base nos dados de condutividade térmica às temperaturas médias relevantes. Inclua todas as camadas do revestimento, juntas, ancoragens metálicas, envolvente, condições ambiente e a temperatura exterior admissível da superfície. A temperatura máxima de uma manta não permite prever a temperatura da envolvente.

O adesivo e o endurecedor são produtos auxiliares, não substitutos de ancoragens projetadas ou de uma face quente refratária durável. O endurecimento da superfície da fibra não a torna adequada para incidência direta da chama, erosão intensa por partículas ou cargas estruturais. O empanque quadrado em fibra de vidro está classificado para 550 °C e não deve ser escolhido para locais mais quentes apenas porque outros produtos da categoria têm classificações superiores.

Seleção dos materiais por tipo de caldeira

Caldeiras de corpo cilíndrico e tubos de fumo

Podem existir refratários nos bocais dos queimadores, frentes da fornalha, câmaras de inversão, portas e transições do percurso dos gases. As reparações devem preservar o acesso, as folgas nas extremidades dos tubos, a dilatação e a geometria de combustão original. Inspecione as placas tubulares adjacentes, as zonas dos tirantes e as superfícies do corpo antes de as ocultar com o novo refratário. Um defeito localizado no revestimento pode ser a consequência visível de um desalinhamento da chama, de uma fuga de gases ou de movimento numa interface entre metal e refratário.

Caldeiras aquotubulares

As unidades aquotubulares podem utilizar refratários nos bocais refratários dos queimadores, cantos da fornalha, coletores, pavimentos, aberturas de inspeção e áreas não totalmente protegidas por paredes de membrana. O movimento dos tubos e a dilatação diferencial são fatores fundamentais. Não crie ligações rígidas sobre folgas previstas no projeto nem aplique material de reparação sobre componentes sob pressão sem as especificações do projetista da caldeira. Os gases a alta velocidade e as cinzas volantes podem exigir uma face quente mais resistente à erosão do que o isolamento posterior protegido.

Caldeiras a biomassa e resíduos de madeira

O teor de humidade, a granulometria, a casca, a contaminação do combustível e o controlo da combustão afetam a temperatura da fornalha e a formação de depósitos. As cinzas de biomassa podem conter álcalis, cloretos e outros constituintes que favorecem a formação de escórias, a vitrificação ou a penetração química no refratário. As grelhas, zonas de entrada do combustível, soleiras e áreas de descarga de cinzas também estão sujeitas a desgaste mecânico. Efetue a seleção com base na análise do combustível e das cinzas, no histórico de funcionamento e no exame do revestimento danificado, e não apenas na classificação de temperatura.

Zonas dos queimadores em caldeiras a gás e a combustível líquido

As zonas envolventes dos queimadores estão sujeitas a calor radiante concentrado e elevada velocidade local dos gases. O betão refratário ou os elementos moldados devem manter a geometria e as folgas especificadas pelos fabricantes do queimador e da caldeira. A alteração do perfil do bocal pode perturbar a forma da chama, a recirculação e a distribuição do calor. Investigue fissuras ou sobreaquecimentos recorrentes com base nos dados de colocação em serviço do queimador; uma classe refratária para temperaturas mais elevadas não corrigirá uma chama mal regulada ou incidente sobre o revestimento.

Reparações de caldeiras domésticas e a combustível sólido

A massa moldável para tijolo refratário e uma argamassa compatível podem ser utilizadas em reparações limitadas, quando autorizadas pelo fabricante do aparelho e desde que o revestimento mantido esteja em bom estado. Não utilize materiais refratários genéricos para alterar passagens de ar de combustão, dimensões da fornalha, defletores ou folgas. As caldeiras de condensação modernas e os sistemas de combustão próprios de cada fabricante exigem normalmente componentes específicos do modelo e procedimentos de assistência próprios, em vez de refratários aplicados no local.

Seleção dos materiais por zona da caldeira

Temperatura e composição química do combustível e das cinzas

Registe várias temperaturas, em vez de depender de um único valor de regulação da caldeira: temperatura dos gases de combustão, temperatura local da face quente, temperatura em cada interface do revestimento e temperatura exterior da envolvente. A superfície exposta à chama pode atingir picos locais não detetados por um sensor da temperatura média dos gases. Inversamente, uma classificação refratária de 1600 °C ou 1700 °C não significa que a caldeira tenha sido concebida ou esteja autorizada a funcionar a essa temperatura.

A composição química das cinzas pode ser tão importante como a temperatura máxima. Álcalis, cloretos, compostos de enxofre, cinzas de combustíveis líquidos com vanádio e depósitos de baixo ponto de fusão podem reagir com um revestimento ou penetrá-lo. As condições oxidantes e redutoras podem alternar durante o arranque, a paragem ou uma combustão deficiente. Solicite os dados técnicos atuais do refratário proposto e, para aplicações industriais exigentes, compare-os com análises laboratoriais do combustível, das cinzas, dos depósitos ou do material danificado.

Os percursos de gases a jusante podem ser mais frios, mas quimicamente mais agressivos se o metal ou o revestimento ficar abaixo do ponto de orvalho da água ou dos ácidos. Um material que funciona numa câmara de combustão seca não é automaticamente adequado para condensados ácidos húmidos. Determine a temperatura e a composição química em cada local, em vez de aplicar um único material ao longo de todo o percurso dos gases.

Ancoragens, dilatação e espessura do revestimento

As ancoragens devem ser concebidas em função da espessura do revestimento, densidade do material, gradiente de temperatura, temperatura da liga, espaçamento, orientação e movimento previsto. Inspecione as ancoragens mantidas após a demolição; a oxidação oculta, a deformação ou a falha das soldaduras podem tornar insegura uma reparação aparentemente sólida. O adesivo para fibras não substitui a fixação mecânica quando são necessárias ancoragens.

Instale juntas de dilatação e interfaces compressíveis de acordo com o projeto original ou com uma especificação de reparação devidamente concebida. Folgas de dilatação preenchidas com argamassa, cordões excessivamente comprimidos e remendos rígidos sobre interfaces móveis dos tubos ou da envolvente podem transferir tensões e provocar fissuração ou deslocamento. Preserve as folgas dos queimadores, sensores, aberturas de inspeção e expansão dos tubos.

Instalação, cura e secagem controlada

Remova o material solto até alcançar refratário sólido e determine se o dano é localizado ou faz parte de uma falha mais extensa. Registe as camadas, dimensões, ancoragens, juntas e aberturas do revestimento antes da demolição. Prepare os suportes, instale as cofragens e proteja os componentes sob pressão de acordo com o procedimento de trabalho aprovado.

No caso do betão refratário, meça rigorosamente a água limpa, misture com equipamento limpo, aplique dentro do tempo de trabalhabilidade e compacte sem provocar segregação. O excesso de água pode aumentar a porosidade, a retração e a quantidade de humidade que terá de ser eliminada. As argamassas para tijolos devem ser utilizadas com a espessura de junta especificada; não se destinam ao enchimento de grandes vazios. A massa refratária moldável exige aplicação ou apiloamento sistemáticos sobre um suporte sólido e corretamente preparado.

A cura e a secagem são fases distintas. O material com ligação química deve primeiro desenvolver a resistência de ligação prevista, após o que a humidade livre e combinada deve ser removida progressivamente. Um aquecimento rápido pode gerar pressão interna de vapor, fissuração ou lascamento explosivo. Defina o programa com base nas instruções do produto, na espessura da reparação, no volume total de material com água, na configuração do revestimento, na ventilação e nos limites de arranque do fabricante da caldeira. Um período de secagem à temperatura ambiente não autoriza um aquecimento imediato à carga máxima.

Inspeção e manutenção

• Monitorize a evolução da temperatura da envolvente: compare as medições em condições equivalentes de carga e temperatura ambiente; investigue pontos quentes novos ou em expansão.
• Inspecione a face quente: registe juntas abertas, tijolos deslocados, fissuração, lascamento, vitrificação, penetração química e perda de espessura.
• Verifique as zonas dos queimadores: procure incidência da chama, bocais erodidos, alterações da geometria e danos térmicos em redor das aberturas.
• Avalie as ancoragens e interfaces: ancoragens expostas, deformadas ou corroídas e fissuras recorrentes nas interfaces metálicas podem indicar uma falha mais profunda.
• Examine as vedações: substitua cordões ou empanques endurecidos, desfiados, comprimidos de forma irreversível ou que já não assegurem o fecho especificado.
• Inspecione separadamente os componentes sob pressão: o estado do refratário não comprova a integridade dos tubos, tambores, corpo, coletores ou dispositivos de proteção.
• Registe os trabalhos: conserve os dados relativos ao lote do produto, localização, espessura, adição de água, instalação, cura, secagem e inspeção após o arranque.

Pequenas fissuras estáveis nem sempre exigem substituição imediata, enquanto uma fissura estreita associada a movimento, passagem de gases quentes ou falha das ancoragens pode ser significativa. Avalie a localização, profundidade, largura, evolução ao longo do tempo e estado por trás da face quente. As falhas repetidas exigem uma análise da causa principal, em vez de sucessivos remendos superficiais.

Segurança dos sistemas sob pressão e da manutenção

No caso de caldeiras utilizadas em locais de trabalho na Grã-Bretanha, os sistemas sob pressão abrangidos exigem limites de funcionamento seguros e um programa escrito de inspeção adequado ao abrigo dos Pressure Systems Safety Regulations 2000. A inspeção legal não substitui a manutenção regular e a manutenção do refratário não substitui a inspeção do sistema sob pressão. Os trabalhos devem ser coordenados, conforme aplicável, com o proprietário ou utilizador da caldeira, a pessoa competente e o fabricante do equipamento.

Antes da entrada no equipamento ou da demolição, isole e bloqueie as fontes de combustível e de energia elétrica, mecânica, térmica e de pressão, incluindo vapor e água quente. Arrefeça, drene e ventile o equipamento através de um sistema de trabalho seguro aprovado e determine se são necessárias medidas para espaços confinados e testes atmosféricos. Os armazéns de combustível de biomassa podem apresentar riscos específicos de monóxido de carbono e deficiência de oxigénio.

Consulte as fichas de dados de segurança atuais e efetue uma avaliação COSHH específica da tarefa antes de cortar, misturar, pulverizar, varrer ou remover produtos refratários e de fibras. Utilize sistemas adequados de supressão ou extração de poeiras e a proteção respiratória, ocular e cutânea especificada. As caldeiras e salas de máquinas mais antigas podem conter isolamento, cordões, juntas, revestimentos térmicos ou placas com amianto; confirme a presença ou ausência de amianto antes de intervir nos materiais existentes.

Perguntas frequentes

Que material refratário é utilizado nas caldeiras?

As caldeiras podem utilizar tijolos refratários densos ou betão refratário na face quente, argamassa compatível nas juntas dos tijolos, massa refratária moldável em reparações específicas e fibras por trás da face quente para isolamento ou adaptação ao movimento. A combinação correta depende do projeto e da zona da caldeira.

Devo utilizar tijolo refratário ou betão refratário numa caldeira?

A alvenaria de tijolo proporciona elementos e juntas controlados, além de facilitar substituições localizadas. O betão refratário forma elementos monolíticos em redor de queimadores, portas e interfaces complexas, mas exige ancoragem adequada, mistura rigorosa, cura e secagem. Muitos revestimentos de caldeiras utilizam ambos.

O betão refratário moldável Classe 1600 é um material isolante?

É um betão refratário denso destinado à face exposta ao calor e a revestimentos com função estrutural. A sua classificação de 1600 °C não o torna equivalente a um isolamento de fibras de baixa densidade. Utilize dados de condutividade térmica medidos ou publicados para conceber a camada de isolamento.

Posso utilizar o produto com a temperatura nominal mais elevada em toda a caldeira?

Não. Uma classificação de temperatura mais elevada não garante a condutividade térmica, o comportamento ao choque térmico, a resistência à abrasão, a compatibilidade com as cinzas ou a capacidade de acomodar movimentos necessárias. Especifique cada zona em função da sua exposição real e função mecânica.

Qual é a diferença entre mantas de fibras de 1200 °C, 1260 °C e 1430 °C?

São classes de fibras diferentes, com temperaturas máximas publicadas distintas. A seleção também exige dados de retração, condutividade térmica, densidade, classificação e manuseamento nas condições previstas de serviço contínuo. Não escolha apenas com base na temperatura indicada em destaque.

A manta de fibra cerâmica pode ficar diretamente exposta à chama de uma caldeira?

Apenas se o projeto completo tiver sido verificado para a temperatura local, o padrão da chama, a velocidade dos gases, a composição química e o sistema de fixação. Uma manta flexível utilizada com sucesso como isolamento posterior protegido pode sofrer erosão ou retração quando exposta como face quente sem suporte.

Para que serve o endurecedor para fibra cerâmica?

Endurece a superfície exterior de fibra cerâmica compatível e pode reduzir a erosão superficial limitada. Não transforma a manta num refratário estrutural nem a torna adequada para incidência intensa da chama do queimador. A temperatura publicada é de 1000 °C.

O adesivo para fibra cerâmica pode substituir as ancoragens do revestimento da caldeira?

Não quando o projeto exige retenção mecânica. O adesivo pode complementar uma solução de colagem especificada, mas o tipo, a liga, o espaçamento e a instalação das ancoragens devem suportar as cargas do revestimento e acomodar a temperatura e o movimento.

O empanque quadrado em fibra de vidro pode vedar a porta de uma caldeira?

Pode ser adequado quando a secção, a compressão, o sistema de fecho e a exposição necessários se mantêm dentro da sua classificação de 550 °C. Confirme o perfil de vedação especificado pelo fabricante da caldeira e não o utilize num local mais quente ou diretamente exposto à chama sem dados comprovativos.

Que argamassa refratária deve ser utilizada com tijolos refratários?

Compatibilize a argamassa com a composição química dos tijolos, a temperatura, o método de presa e a espessura de junta especificada. Silcas A e Vitset 45 têm classificações publicadas diferentes e podem destinar-se a aplicações distintas. A argamassa é um produto de assentamento, não um substituto da espessura de tijolo em falta.

A massa refratária moldável pode reparar um revestimento de caldeira fissurado?

Pode reparar uma área definida quando o refratário mantido, as ancoragens e o suporte estão em bom estado. Remova o material solto, determine a causa e siga o método especificado de preparação, compactação e aquecimento. Não aplique remendos sobre componentes sob pressão danificados.

Porque fissura o refratário de uma caldeira?

As causas incluem ciclos térmicos, dilatação restringida, excesso de água durante a instalação, secagem rápida, ancoragens danificadas, incidência da chama, ataque químico, vibração e movimento nas interfaces metálicas. A largura da fissura, por si só, não identifica a causa nem a reparação necessária.

Porque é necessário um programa de secagem do refratário?

Os betões e as argamassas refratárias retêm humidade da instalação. Se forem aquecidos demasiado depressa, a pressão do vapor pode fissurar ou provocar o lascamento explosivo do revestimento. A secagem deve ter em conta o produto, a espessura, o volume total da reparação, a ventilação e as restrições de arranque da caldeira.

O que provoca um ponto quente na envolvente da caldeira?

As causas possíveis incluem isolamento em falta ou comprimido, juntas abertas, refratário fissurado, ancoragens danificadas, passagem de gases quentes e incidência da chama do queimador. Compare as temperaturas com cargas semelhantes, inspecione o revestimento e verifique o sistema de combustão antes de escolher uma reparação.

As caldeiras a biomassa necessitam de um refratário diferente?

É possível. As cinzas de biomassa podem conter álcalis e cloretos, enquanto a variabilidade do combustível afeta a temperatura, a formação de escórias e os depósitos. As grelhas e os sistemas de manuseamento de cinzas acrescentam desgaste mecânico. Utilize análises do combustível e das cinzas, bem como o histórico de funcionamento, para determinar as condições reais de serviço.

Um revestimento refratário pode evitar todas as formas de corrosão da caldeira?

Não. O desempenho do revestimento depende do suporte, da aplicação, da temperatura e da composição química específica. Um revestimento à base de zircão não pode proteger componentes sob pressão ocultos, compensar a condensação ácida nem recuperar um revestimento estruturalmente degradado sem dados técnicos que o comprovem.

A reparação do refratário torna uma caldeira conforme com a legislação relativa aos sistemas sob pressão?

Não. A manutenção do refratário e a conformidade do sistema sob pressão são questões distintas. Uma caldeira abrangida e utilizada num local de trabalho exige limites de funcionamento seguros definidos e inspeção ao abrigo de um programa escrito adequado, juntamente com manutenção regular e funcionamento seguro.

Que informações são necessárias para especificar o revestimento de uma caldeira?

Forneça o fabricante e o modelo da caldeira, o tipo de caldeira, análises do combustível e das cinzas, desenhos, temperaturas de funcionamento e de condições anormais, dados do queimador, velocidade dos gases, composição do revestimento existente, mapa de danos, estado das ancoragens, temperatura pretendida para a envolvente, período de paragem disponível e condições necessárias de cura e secagem.