Comissionar um tanque criogênico: purga, resfriamento e primeiro enchimento

O comissionamento de um tanque criogênico é a sequência controlada que leva um recipiente instalado de ambiente e vazio a frio e em serviço. Vai dos ensaios de pressão e de vazamentos à purga que remove ar e umidade, e daí a um resfriamento lento e a um primeiro enchimento faseado.

A sequência importa tanto como os passos. Cada fase existe para eliminar um problema específico antes que a fase seguinte o possa criar, e saltar uma fase não economiza tempo, apenas transfere a falha para um ponto em que é mais difícil e mais dispendioso corrigir.

Este guia apresenta a sequência de comissionamento de um recipiente criogênico a granel e explica o raciocínio por detrás da purga e do resfriamento controlado. Aplica-se a tanques novos construídos segundo especificação e a tanques usados ou deslocados, que exigem a mesma disciplina.

Em que consiste realmente o comissionamento de um tanque criogênico?

O comissionamento não é uma operação única. É uma sequência documentada executada por uma equipe competente, normalmente com o fornecedor ou um empreiteiro especializado presente, e testemunhada pelo operador que assumirá depois a responsabilidade pelo recipiente.

Uma sequência típica de comissionamento de tanque criogênico segue esta ordem.

• Verificação de conclusão mecânica: recipiente assente na fundação, ancorado, tubulação ligada, apoios e aterramento concluídos
• Verificação da documentação e da placa de identificação em relação ao pedido e ao processo de certificação
• Leitura de vácuo no espaço anelar de um recipiente isolado a vácuo
• Ensaio de pressão e de vazamentos às tubulações ligadas e ao conjunto de válvulas
• Purga do recipiente interior e das tubulações para remover ar e umidade
• Resfriamento controlado do recipiente interior e das linhas
• Primeiro enchimento faseado com o líquido de serviço
• Ensaios funcionais dos dispositivos de segurança, da instrumentação de nível e de pressão, do circuito de construção de pressão e do economizador
• Treinamento dos operadores e entrega formal com o dossiê documental

Cada um dos passos posteriores pressupõe que os anteriores foram devidamente concluídos. Encher um recipiente que nunca foi purgado, por exemplo, significa que o problema da umidade fica agora congelado dentro de um recipiente frio, de onde nenhum procedimento simples o consegue retirar.

Que verificações antecedem a entrada de qualquer gás no tanque?

As verificações anteriores à purga confirmam que o recipiente está mecanicamente são e corretamente instalado. São rápidas e constituem a última oportunidade fácil de corrigir um problema.

• Confirme que os dados da placa de identificação correspondem ao serviço previsto: produto, pressão máxima admissível de trabalho, capacidade, código de projeto e dados de fabricação
• Leia e registre o vácuo do espaço anelar. Uma leitura fraca antes mesmo de o recipiente estar frio aponta para um problema que não melhorará em serviço
• Verifique se todos os dispositivos de segurança indicados na documentação estão montados, com a regulação correta e não isolados
• Verifique se as válvulas de seccionamento estão na posição correta e se as linhas de enchimento, de extração, de purga e de construção de pressão estão ligadas conforme o desenho
• Ensaie à pressão as tubulações e juntas ligadas e confirme que não há vazamentos à temperatura ambiente, antes de o frio agravar qualquer vazamento
• Confirme a continuidade do aterramento e das equipotencializações, e que o aterramento do ponto de enchimento está disponível para o veículo de entrega
• Confirme que o local está pronto: acesso, iluminação, sinalização, detecção de gás quando exista e área desimpedida em torno do recipiente

Um vazamento quase imperceptível à temperatura ambiente pode se abrir significativamente à medida que as juntas contraem à temperatura criogênica. Encontrá-lo a quente é muito mais fácil do que encontrá-lo a frio.

Por que a purga de um tanque criogênico é tão importante?

A purga substitui o ar existente no interior do recipiente e das tubulações ligadas por um gás seco e inerte, normalmente nitrogênio, antes de ser introduzido qualquer líquido criogênico. Existem duas razões independentes para fazê-lo, e cada uma delas justificaria por si só este passo.

A umidade congela e bloqueia o sistema

O ar ambiente transporta vapor de água. Quando o recipiente e as suas linhas resfriam em direção à temperatura criogênica, essa água congela em forma de gelo nas superfícies interiores. O gelo não permanece onde se forma. Acumula-se nos estrangulamentos: sedes de válvulas, orifícios, tomadas de instrumentos, linhas de medição e a tubulação de pequeno diâmetro do sistema de nível e de pressão.

As consequências são práticas e imediatas. Uma linha de indicador de nível congelada dá leituras erradas, por isso o operador deixa de saber quanto líquido existe no recipiente. Um circuito de construção de pressão parcialmente bloqueado não consegue manter a pressão de entrega. Pior ainda, uma obstrução de gelo num percurso de segurança compromete a proteção do recipiente contra sobrepressão. Depois de o recipiente estar frio e cheio, a única forma de remover esse gelo é voltar a aquecê-lo, o que implica esvaziá-lo e perder o produto.

O próprio ar é um perigo no recipiente errado

Num recipiente de GNL ou de GLP, o ar residual significa oxigênio dentro de um espaço que está prestes a ser cheio com um produto inflamável. Purgar até uma concentração de oxigênio baixa acordada, antes de qualquer hidrocarboneto entrar no recipiente, é um requisito fundamental de segurança e não um refinamento.

O ar causa problemas em serviço criogênico mesmo quando a inflamabilidade não está em causa. O nitrogênio ferve a cerca de menos 196 graus Celsius à pressão atmosférica, o que é suficientemente frio para condensar e congelar outros componentes do ar dentro do recipiente. O dióxido de carbono presente no ar solidifica bem acima da temperatura criogênica e contribui para o mesmo problema de obstrução.

Como se purga um tanque criogênico na prática?

A purga é feita com gás seco à temperatura ambiente ou próxima dela, seguindo o procedimento escrito do fabricante para o recipiente em causa. São comuns dois métodos, muitas vezes combinados.

• Ciclos de pressurização e descarga: pressurize o recipiente com nitrogênio seco, mantenha e descarregue depois até perto da pressão atmosférica, repetindo o ciclo. Cada ciclo dilui o ar remanescente por um fator previsível
• Purga por escoamento contínuo: admita nitrogênio seco num ponto e descarregue continuamente noutro, de modo a varrer todo o volume interno e todos os ramais mortos
• Purgue todos os ramais e não apenas o corpo do recipiente. Linhas de enchimento, linhas de extração, circuito de construção de pressão, linhas de instrumentos e qualquer derivação têm de ser varridos individualmente
• Verifique o resultado por medição e não pelo tempo decorrido. Meça o teor de oxigênio e, quando o procedimento o exigir, o ponto de orvalho na descarga, até ser cumprido o critério de aceitação
• Registre as leituras e o número de ciclos no relatório de comissionamento

O erro mais frequente é purgar o corpo do recipiente e presumir que as tubulações acompanharam. Os ramais mortos, as derivações fechadas e a tubulação de instrumentos retêm ar e umidade com grande eficácia, e são exatamente os locais onde uma obstrução de gelo causa mais danos.

Por que o resfriamento tem de ser controlado?

O resfriamento leva o recipiente interior e as tubulações da temperatura ambiente até a temperatura de funcionamento do produto, por exemplo cerca de menos 196 graus Celsius no nitrogênio líquido ou cerca de menos 162 graus Celsius no GNL. É uma variação de temperatura muito grande, e o ritmo a que é aplicada decide se o recipiente entra em serviço sem danos.

São dois os mecanismos que provocam danos quando o resfriamento é apressado.

• Choque térmico: despejar líquido num recipiente quente resfria quase instantaneamente a superfície molhada enquanto o metal envolvente ainda está próximo da temperatura ambiente. O gradiente de temperatura resultante cria tensões locais elevadas em soldagens, tubuladuras e fixações de apoio
• Contração diferencial: o metal contrai ao resfriar. Quando uma parte de um conjunto resfria muito mais rápido do que a parte a que está aparafusada ou soldada, a diferença de contração solicita a junta. Os sistemas de tubulação, os apoios interiores e as ligações de instrumentos são as vítimas habituais

Há mais uma razão para ter paciência. Abaixo de cerca de menos 150 graus Celsius, os materiais não qualificados para serviço a baixa temperatura se tornam frágeis, motivo pelo qual os recipientes para baixa temperatura utilizam materiais verificados por ensaios de impacto, normalmente o ensaio Charpy V. O resfriamento controlado mantém as tensões dentro da faixa para a qual esses materiais foram projetados. Um resfriamento descontrolado aplica uma carga de choque exatamente no ponto em que um defeito mais importa.

Na prática, o resfriamento se consegue admitindo primeiro gás frio, depois pequenas quantidades de líquido a intervalos, deixando a temperatura equalizar entre etapas e respeitando o ritmo de resfriamento e os tempos de espera indicados no procedimento do fabricante. Os danos causados por um resfriamento apressado muitas vezes não são visíveis no momento. Aparecem mais tarde como uma falha de vácuo, uma junta com vazamento ou um apoio fissurado, e nessa altura a causa é difícil de provar.

Como se realiza o primeiro enchimento por fases?

O primeiro enchimento dá continuidade à filosofia do resfriamento. Não é uma entrega normal e não deve ser agendado como tal.

• Comece com uma pequena quantidade, tipicamente uma porcentagem baixa da capacidade, e mantenha enquanto a temperatura do recipiente estabiliza
• Observe a pressão do recipiente em cada fase. Uma subida rápida de pressão significa que o líquido está evaporando contra metal quente, o que é normal no início e deve diminuir à medida que o recipiente resfria
• Descarregue conforme exigido pelo procedimento, para que o recipiente não acione os seus dispositivos de segurança durante o resfriamento
• Aumente a quantidade em novas fases, permitindo a estabilização entre cada uma
• Inspecione o envoltório exterior, as tubulações e as juntas entre fases, procurando manchas de gelo, condensação ou movimento visível
• Conclua o enchimento apenas quando o recipiente estiver estável e a instrumentação estiver lendo corretamente
• Registre as fases de enchimento, as pressões e as observações

O gelo ou a condensação que surjam no envoltório exterior durante ou após o primeiro enchimento são um sinal de alerta e não uma questão estética. Indicam normalmente um problema de vácuo no espaço anelar e devem ser investigados antes de o recipiente ser aceito.

Como se verificam os dispositivos de segurança e a instrumentação?

Os ensaios funcionais se realizam depois de o recipiente estar frio e com líquido, porque vários sistemas só têm comportamento realista à temperatura de funcionamento.

• Confirme que todos os dispositivos de segurança estão instalados, corretamente regulados, corretamente orientados e não isolados por uma válvula fechada
• Verifique se qualquer sistema de comutação entre o dispositivo de segurança em serviço e o de reserva funciona e fica na posição correta
• Compare a indicação de nível com a quantidade entregue e confirme que a leitura é estável e plausível
• Confirme que o manômetro e eventuais transmissores dão leituras coerentes entre si
• Coloque em funcionamento o circuito de construção de pressão e confirme que o recipiente atinge e mantém a pressão de entrega exigida
• Verifique se o economizador ou o sistema de controle de pressão responde conforme projetado durante a extração
• Observe a subida de pressão ao longo de um período de repouso registrado, para que a instalação disponha de uma referência para comparações futuras

Registrar uma referência no comissionamento é a ação de manutenção mais útil disponível nesta fase. As dúvidas posteriores sobre o aumento da evaporação ou sobre uma construção de pressão inexplicada só podem ser respondidas em relação a um ponto de partida conhecido.

O que deve conter o processo de entrega do comissionamento?

O comissionamento termina com uma entrega documentada. O operador não deve aceitar o recipiente em serviço sem um processo completo, porque é esse processo que um inspetor, uma seguradora ou um futuro comprador irão pedir.

• Relatório de dados do fabricante e documentação do código de projeto, por exemplo PED 2014/68/EU ou ASME, e a norma aplicável, como a EN 13458 para recipientes criogênicos estáticos isolados a vácuo
• Documentação de materiais e de soldagem, incluindo comprovante dos ensaios de impacto para serviço a baixa temperatura
• Fotografia da placa de identificação e registro dos respectivos dados
• Registros dos ensaios de pressão e de vazamentos ao recipiente e às tubulações ligadas
• Registros de purga com as leituras de aceitação medidas
• Registro do resfriamento e do enchimento faseado com tempos, pressões e observações
• Leitura de vácuo no comissionamento, registrada como referência
• Certificados dos dispositivos de segurança e respectivas pressões de regulação
• Verificações da instrumentação e registro da referência de subida de pressão
• Manual de operação e manutenção, mais um registro do treinamento dado aos operadores

Guarde este processo num local onde a instalação o consiga encontrar. A falta de registros de comissionamento é uma das lacunas mais frequentes detectadas mais tarde durante a inspeção periódica ou quando o equipamento muda de mãos.

O comissionamento é diferente num tanque usado ou deslocado?

A sequência é a mesma e, em certos aspectos, exige mais atenção. Um recipiente que foi aquecido, transportado e reinstalado esteve exposto ao ar ambiente durante todo esse período, por isso a purga é pelo menos tão importante como numa unidade nova. As juntas que foram mexidas durante a remoção e a reinstalação precisam de um ensaio completo de pressão e de vazamentos.

• Confirme a leitura de vácuo antes do resfriamento, uma vez que é no transporte e no armazenamento que a degradação do vácuo costuma se manifestar
• Verifique se o processo de certificação corresponde ao recipiente físico e ao novo serviço e produto previstos
• Verifique se o produto anterior é compatível com o novo e aplique o procedimento de limpeza exigido caso o serviço mude, em especial quando está em causa o serviço com oxigênio
• Verifique novamente as pressões de regulação dos dispositivos de segurança em relação às condições de funcionamento da nova instalação
• Execute o mesmo resfriamento e enchimento faseados que faria num recipiente novo

A KAF Cryogenics fornece recipientes de segunda mão certificados que passaram por inspeção, ensaios não destrutivos e ensaios de vácuo e de pressão, e que são vendidos com dossiê documental e garantia escrita. Essas unidades podem normalmente ser entregues de estoque em semanas, ao passo que a fabricação nova demora meses, mas passam no local pela mesma disciplina de comissionamento que um tanque novo construído segundo especificação.

Perguntas frequentes

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