METAGLAS^® Projeto de visor de vidro

Em muitas instalações de processamento industrial, falhas no visor de nível são uma grande preocupação tanto para a engenharia quanto para a gestão. Essas falhas são dispendiosas, pois interrompem a produção e desperdiçam fluidos valiosos do processo, além de envolverem custos de limpeza e reparos.

Em apenas três incidentes recentes, dois envolvendo instalações de processamento químico e um em uma indústria farmacêutica, falhas no visor de nível foram responsáveis ​​por mais de US$ 67 milhões em danos, além de US$ 1.5 milhão em perdas comerciais. Mais devastadoras, porém, foram as perdas que não podem ser medidas em dólares e centavos – nesses três incidentes, 28 pessoas perderam a vida.

Em outra planta, um trabalhador inspecionava um fluido de processo através de um visor de nível quando se abaixou para pegar algo do chão. Naquele momento, o visor de nível quebrou catastroficamente, sem causa aparente ou aviso. O trabalhador foi atingido por cacos de vidro e fluido cáustico quente, causando queimaduras de terceiro grau nos braços e no peito. Ele teve a sorte de, ao se curvar, ter virado a cabeça para que seu rosto e, principalmente, seus olhos estivessem protegidos da explosão.

Sem soluções fáceis
Devido a incidentes como esses, algumas empresas determinaram que o pessoal de operação removesse completamente os visores de nível de seus sistemas de processo! Infelizmente, a eliminação dos visores de nível sacrifica o controle do processo. Os projetistas originais do processo os especificaram por um bom motivo: a segurança adicional de determinar o nível, inspecionar a sanitização, testemunhar a mistura, observar uma reação ou verificar o fluxo pode reduzir significativamente os riscos de problemas graves de produção, permitindo um controle do processo mais preciso e oportuno.

O problema, então, é encontrar uma maneira de obter os benefícios de poder visualizar o fluido do processo sem arriscar o custo e o perigo para os trabalhadores envolvidos em uma falha da janela de vidro. Até que os recentes avanços na tecnologia de visores tornassem possíveis visores essencialmente à prova de falhas, as únicas opções para projetos de visores padrão eram menos do que completamente eficazes na prevenção de falhas dispendiosas e, frequentemente, significativamente menos eficazes do que janelas padrão em termos de capacidades de observação do processo. Entre as abordagens que foram exploradas estão o vidro duplo, o uso de janelas de vidro menores e mais espessas, o uso de janelas com telas de reforço externas ou fundidas de metal ou plástico e janelas laminadas. Nenhuma dessas correções foi totalmente bem-sucedida, no entanto, e a maioria impôs limitações significativas para o pessoal operacional.

Back to Basics
A abordagem mais eficaz para o uso de visores de nível convencionais provou ser a mais simples... e a mais difícil: projeto adequado, instalação adequada e manutenção adequada, ou o uso do novo projeto de janela mecanicamente protendida, quando aplicável. Com a aplicação e manutenção adequadas de janelas de vidro borossilicato convencionais e, especialmente, com a disponibilidade de novas tecnologias, os visores de nível não precisam mais ser o elo mais fraco em um sistema de fluido de processo.

Para entender os desafios que os visores enfrentam e como eles podem ser feitos para servir e sobreviver em aplicações de observação de processos, bem como quando e como a nova tecnologia pode ser aplicada com bons resultados, precisamos revisar algumas das características dos visores em geral.

Existem muitos tipos diferentes de vidro, sendo o vidro sodo-cálcico o tipo utilizado na maioria das aplicações não críticas. O vidro sodo-cálcico temperado, frequentemente conhecido pela marca Pyrex, oferece resistência a choques térmicos. No uso industrial, frequentemente encontramos quartzo e safira; mas a escolha mais comum para visores de vidro, especialmente em processos químicos, biotecnológicos e farmacêuticos, é o borossilicato. Portanto, para esta discussão, vamos nos concentrar nele.

A maioria das características do vidro borossilicato que o tornam tão atraente para os projetistas de sistemas de processo reside em suas especificações químicas e mecânicas básicas. Estas incluem capacidade de temperatura de até 500 °C, resistência à corrosão de amplo espectro, baixa expansão térmica e, claro, a principal razão para seu uso: o fato de ser praticamente incolor e proporcionar excelente transparência.

Outra característica importante do vidro borossilicato é sua resistência mecânica. A maioria das pessoas, até mesmo alguns engenheiros, não sabe que o vidro é um dos compostos mais resistentes do mundo – até mais resistente que o aço em alguns aspectos! A resistência à compressão do vidro é excelente, cerca de 200 mil quilos por polegada quadrada, mas a resistência à tração é ainda mais notável.

A resistência à tração do vidro virgem e intocado é de 1 milhão de libras por polegada quadrada. O aço, por outro lado, tem uma resistência à tração de apenas 60 mil libras por polegada quadrada. Pode ser surpreendente, então, que um visor de vidro quase sempre falhe sob tensão de tração, e não durante a compressão. (Neste aspecto, é semelhante ao concreto).

A razão para essa aparente anomalia é que o vidro não é dúctil; ele não pode se esticar sob tensão de tração como o aço. Portanto, mesmo imperfeições mínimas em uma janela de vidro criarão concentrações de tensão ao redor dessas imperfeições. De fato, apenas o toque de um dedo pode reduzir a resistência à tração de um elemento de vidro virgem de 1 milhão de libras por polegada quadrada para 1 libras por polegada quadrada.

Infelizmente, outra característica básica de qualquer tipo de vidro reside em seu modo de falha sob estresse mecânico. Quando falha, a falha é tipicamente repentina e catastrófica. Pesquisas mostram que o vidro racha a 5 km/s. Isso se traduz em algo na ordem de Mach 24, literalmente mais rápido que uma bala! Nesse ritmo, você poderia viajar de Nova York a Los Angeles, e voltar, em aproximadamente 15 minutos. (Sem refeições, sem cinema.)

Falha por Design
Devido a essa extrema sensibilidade a imperfeições, vários fatores contribuem para falhas no visor. O primeiro é o projeto inadequado. Um flange de cobertura, ou flange de fixação, muito fino entortará durante o aperto do parafuso, criando uma carga de flexão no vidro. Isso pode rachar o vidro, criando um risco mesmo antes do sistema entrar em operação. Pior ainda, essa situação pode facilmente passar despercebida antes da partida, já que as rachaduras podem ser quase invisíveis e o flange de cobertura pode cobri-las completamente. Mesmo o
o uso de um flange de espessura adequada pode causar rachaduras se tiver poucos parafusos, criando assim cargas pontuais de compressão irregular no vidro.

Outra falha de projeto pode ser uma junta de amortecimento muito macia ou muito grossa para uma aplicação específica. Sob pressão, isso cria uma carga de flexão no vidro que se traduz em tensão de tração na superfície do vidro. Aqui, novamente, temos a possibilidade de criar uma situação perigosa indetectável mesmo antes da partida.

Uma terceira e mais óbvia falha de projeto é a espessura inadequada do vidro. Isso pode levar à falha se a pressão interna exceder a capacidade máxima de pressão do vidro. Uma espessura de vidro especificada incorretamente pode ocorrer como resultado do uso de um coeficiente incorreto, fórmula inadequada ou cálculo incorreto do diâmetro do vidro sem suporte.

Uma falha excepcionalmente difícil de ser detectada em um visor de nível é aquela criada durante a fabricação dos componentes do visor. Por exemplo, os flanges inferior e superior, e até mesmo o vidro, podem não apresentar superfícies planas e paralelas devido à fabricação fora da tolerância. Tais falhas são difíceis de detectar na fábrica simplesmente porque a maioria não é visível a olho nu. Mesmo assim, elas ainda impõem uma carga de flexão ao vidro e tornam a falha um evento provável.

Erros caros a evitar
Embora falhas de projeto sejam uma consideração importante, uma causa ainda mais comum para a falha de um visor de nível convencional é a instalação inadequada. Um exemplo disso é o aperto excessivo dos parafusos ou torque irregular. Ambos produzem cargas de flexão no visor e podem resultar em rachaduras.

Frequentemente, detritos presos criam um problema ao substituir uma janela existente, e as juntas antigas ficam queimadas nos flanges. Se algum desses detritos for deixado para trás e preso sob a nova instalação, o resultado é uma situação muito perigosa. Mesmo as menores partículas de sujeira ou acúmulo de produto derramado podem ser suficientes para arranhar, corroer ou entortar o vidro durante a instalação.

Na melhor das hipóteses, substituir uma janela de observação de projeto padrão pode ser uma experiência árdua. Em um caso recente, um engenheiro-chefe relatou que quatro peças de vidro convencional foram necessárias durante uma instalação – na mesma janela de observação. Uma janela teve que ser removida e descartada porque detritos presos foram encontrados, outras duas foram vítimas de torque excessivo e uma foi danificada por simples manuseio incorreto.

A boa notícia neste caso foi que todos os quatro erros causaram danos suficientes para alertar o engenheiro sobre o problema. Se os danos tivessem sido mais sutis e tivessem passado despercebidos, as circunstâncias poderiam ter sido muito piores na partida.

Erros de operação e manutenção
Uma causa completamente evitável de falha do vidro é o uso incorreto e o manuseio incorreto após a instalação. É um fato inconveniente que a borda de uma janela de observação seja frequentemente o único local acessível na parte superior abaulada de um recipiente onde uma chave inglesa não desliza para o chão. Os inspetores frequentemente esfregam o vidro com as mãos enluvadas, deixando cada vez mais pequenos arranhões que o enfraquecem progressivamente. E, por razões completamente incompreensíveis, os trabalhadores às vezes batem no vidro com os dedos ou com ferramentas... talvez pensando que isso de alguma forma acelerará ou melhorará o processamento.

O fato é que qualquer abrasão ou impacto mecânico em uma janela de vidro pode causar ou preparar o terreno para falhas posteriores. Pode criar arranhões ou corrosão quase imperceptíveis, ou apenas uma leve depressão na superfície. Mas isso é suficiente para produzir um ponto de concentração de tensão. (Este efeito é essencialmente idêntico ao usado quando o vidro é cortado. Um cortador de vidro risca o vidro, criando uma pequena depressão na superfície. Em seguida, um momento fletor quebra o vidro ao longo da linha marcada.)

Mesmo defeitos pequenos demais para serem vistos a olho nu podem criar esses pontos de concentração de tensão. Por si só, pequenos arranhões e impactos podem não causar uma falha, já que uma carga de flexão é necessária para abrir essas rachaduras, mas reduzem significativamente a capacidade mecânica do vidro.

Outro uso indevido comum do vidro ocorre frequentemente durante a manutenção e inspeção, quando o vidro é removido e, em seguida, recolocado... por mais cuidadosamente que seja. É absolutamente essencial para a segurança e confiabilidade do sistema que, quando discos e juntas de vidro convencionais forem removidos do conjunto do visor de vidro, eles nunca sejam reutilizados. A fonte desta diretriz é nada menos que o mais proeminente fabricante de vidro para uso industrial, incluindo borossilicato, a Corning Glass Works. Seu "Manual de Uso e Cuidados do Visor de Vidro" afirma especificamente que, como a compressão do vidro entre dois flanges criará arranhões e corrosão no vidro, os discos devem ser descartados após a desmontagem do conjunto do visor de vidro. (Uma cópia deste manual pode ser solicitada online em www.ljstar.com, na biblioteca bibliográfica ou entrando em contato com o autor).

Falhas relacionadas ao serviço
Exceto por manuseio incorreto na instalação ou manutenção, a falha do visor pode frequentemente ser atribuída a uma das três condições operacionais: choque térmico, sobrepressão ou corrosão/erosão do disco de vidro... ou todas as três.

O choque térmico pode ocorrer de várias maneiras. A primeira, e mais comum, é quando a temperatura ambiente está baixa e a inicialização do sistema causa um rápido aumento de temperatura. Se a superfície interna do vidro se expandir mais rápido que a externa e se o efeito for grande o suficiente, as superfícies se moverão uma contra a outra até que o vidro se quebre. Outro cenário de choque térmico ocorre durante a limpeza externa: neste caso, um líquido frio pulverizado sobre um visor de vidro quente resfria rapidamente a superfície externa e cria tensão entre as superfícies interna e externa. O calor gerado quando uma luminária de alta potência é ligada e desligada também pode causar choque térmico.

Um tipo menos óbvio de choque térmico é chamado de sombreamento. Isso ocorre quando a área do vidro protegida e selada pela junta e flanges não é diretamente exposta ao calor ou ao frio do processamento. A área "sombreada" permanece mais próxima da temperatura ambiente, enquanto a área de visualização exposta vê temperaturas próximas à do produto. Essa diferença de temperatura dentro do vidro produzirá forças opostas que podem exceder seus limites. Novamente, o resultado é a falha.

Falhas no visor de pressão devido à sobrepressurização são mais comuns do que se imagina. Embora existam dispositivos de segurança para aliviar um aumento perigoso de pressão, eles podem não eliminar o pico inicial de pressão com rapidez ou profundidade suficientes para evitar danos ao visor.

A degradação do vidro ao longo do tempo por corrosão e erosão também é comum. Produtos químicos, ou mesmo apenas água, irão
Corroer o vidro até certo ponto – é inevitável. A resistência superior ao ataque químico é um dos principais motivos pelos quais o vidro borossilicato é o material de visor preferido na maioria dos serviços. Um tipo semelhante de degradação é a erosão, o desgaste por atrito contínuo causado pelo produto do processo em movimento contra o vidro. A erosão e/ou corrosão, com o tempo, corroem o vidro e o enfraquecem consideravelmente. O único recurso é a inspeção periódica e a substituição, quando necessário.

Uma abordagem alternativa
Uma alternativa cada vez mais popular às janelas de vidro padrão é o uso de vidro protendido mecanicamente, um novo design que evita a maioria dos modos de falha das janelas padrão por suas características de design inerentes.

Uma janela protendida mecanicamente consiste em um anel de aço inoxidável envolvendo um disco de vidro borossilicato. O anel de aço aplica uma compressão radial uniforme ao vidro – o que é a chave para seu sucesso. Para alcançar esse fenômeno, várias etapas devem ocorrer durante o processo de fabricação. Primeiro, durante o processo de aquecimento, o anel metálico se expande enquanto o vidro derrete dentro do vazio do anel metálico. Em seguida, a temperatura é elevada até a temperatura em que o vidro e o anel metálico se fundem.

Em seguida, a unidade é resfriada e o vidro endurece. À medida que o resfriamento prossegue, o anel metálico tenta se contrair de volta ao seu tamanho teórico, mas o vidro endurecido impede que isso ocorra. O vidro também se contrai à medida que esfria, mas a uma taxa mais lenta do que o anel metálico, pois possui um coeficiente de expansão menor. Dessa forma, o resultado desejado é alcançado: o anel metálico fica sob tração e o vidro, sob compressão radial uniforme.

A razão pela qual essa compressão radial melhora o desempenho do vidro é que ela impede que a tensão de tração o afete. Isso ocorre porque é quase impossível que a tensão de tração supere a forte tensão de compressão. Em outras palavras, o vidro quase nunca se expandirá além do seu estado natural. Portanto, sob fortes forças de compressão, o vidro se torna elástico.

O anel metálico também contribui para a resistência a falhas de uma janela protendida mecanicamente, pois isola efetivamente o elemento de vidro de quaisquer efeitos que possam ser causados ​​pela montagem. Quando uma janela protendida mecanicamente é instalada, a pressão de vedação é aplicada ao anel metálico, não ao vidro.

Como resultado, os perigos comuns de impor cargas de flexão destrutivas por torque excessivo nos parafusos, por projeto inadequado do flange ou da junta da tampa, ou pela inclusão de detritos presos, são praticamente eliminados pelo anel metálico. O efeito é semelhante ao de prender uma barra de metal em uma morsa. O anel de aço da janela protendida mecanicamente é prensado entre dois flanges metálicos. Uma fina junta de vedação é colocada entre os dois, é claro, mas para todos os efeitos práticos, temos contato metal com metal sem tensão no vidro.

Forças de flexão ainda mais fortes podem se estender além do anel de metal para dentro do vidro, é claro. E sob tal estresse, se não fosse comprimido, o vidro simplesmente se estilhaçaria. Mas enquanto a força de compressão do anel de aço for maior que a tensão de tração no vidro, o vidro permanece elástico e capaz de tolerar a força de flexão. Levado ao extremo, conforme a força de flexão aumenta, a tensão de tração acabará excedendo a força de compressão. Mas mesmo assim, a janela mecanicamente protendida não se estilhaça. O que finalmente acontece é que a superfície se estica além de sua capacidade elástica e pequenas rachaduras começam a se desenvolver, geralmente muito próximas à superfície. Essas rachaduras podem interferir na visibilidade, mas a integridade da janela não é comprometida. O vidro subsuperficial ainda está sob tensão de compressão e pode suportar as pressões para as quais foi projetado.

A sobrepressurização cria uma situação semelhante. A pressão em um lado do vidro cria uma tensão de tração no lado oposto. Normalmente, as tensões de tração não superam as tensões de compressão. No entanto, no caso improvável de a sobrepressão ser tão grande, talvez 30 vezes a pressão de projeto, as forças de tração superam as forças de compressão. Nesse caso, o vidro se curva para fora levemente. A superfície externa se estica, e o resultado é o mesmo de quando a pressão de flexão é aplicada: há rachaduras na superfície externa, mas o disco permanece completamente estanque, sem comprometer a integridade.

A possibilidade de danos induzidos termicamente em uma janela protendida mecanicamente também é mínima. Uma mudança repentina de temperatura cria tensões de compressão nas áreas quentes e tensões de tração nas áreas mais frias, como ocorre em janelas de vidro comuns. No entanto, a elasticidade do vidro comprimido permite maior movimentação sem rachaduras e, além disso, o efeito dissipador de calor do anel metálico ajuda a proteger o vidro de excursões térmicas.

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Conclusão
A conclusão que se deve tirar de um exame atento da experiência atual com visores convencionais em aplicações de observação de processos é que seus benefícios quase sempre superam em muito os riscos que impõem, mas com

Esta importante condição – é fundamental que o visor seja projetado, instalado e mantido adequadamente. Caso contrário, o resultado pode ser uma situação muito custosa e potencialmente perigosa.

Além disso, está se tornando cada vez mais claro que, por razões de segurança e redução contínua de custos de manutenção, janelas protendidas mecanicamente devem ser consideradas para diversas aplicações. Entre elas, encontram-se aplicações em que o valor do produto que seria perdido ou contaminado por uma falha no visor é significativo, em que um vazamento de fluido de processo causaria um problema perigoso ou de regulamentação ambiental, em que os visores precisam ser removidos periodicamente para limpeza ou acesso, em que pressão e/ou temperaturas elevadas podem estar envolvidas ou em que o custo de uma interrupção do serviço seria significativo.