A perda de volume em tubulações [8] não ocorre de forma regular, de modo que os limites dessas perdas são estabelecidos pelo por projeto e dados provenientes do campo nas inspeções, e período dessas inspeções é estipulado pela norma que o usuário utiliza em sua instalação. Dessa maneira em uma configuração normal, com o duto escolhido e de acordo com a Norma API-570, a espessura mínima da tubulação e a taxa de corrosão seriam as seguintes:
Espessura mínima: A espessura mínima é dada pelo Plano de inspeção onde o parâmetro mais importante é a Taxa de Corrosão [8]:
Taxa de corrosão =
(API-570) (3)
Onde ei é a espessura inicial do tubo considerada de uma inspeção realizada
anteriormente a inspeção atual, enquanto ef é a espessura obtida nas medições e Td
o tempo decorrido entre as duas inspeções. Esse valor é comparado à tabelas existentes na norma relacionados à espessura inicial do tubo, os limites de espessura e o tipo de serviço que estabelecem a necessidade de reparo ou até mesmo a troca da seção do duto.
Porém, para obter resultados mais significativos, para este estudo vamos considerar três eventos:
- Perda de 75% da espessura; - Perda de 50 % da Espessura; - Perda de 25% da espessura.
Ou seja, para fins experimentais será considerado que existe a perda de espessura localizada que se aproxime dos valores máximos encontrados em uma
determinada área em um processo de inspeção, de modo que a pressão aplicada na superfície do reparo, e também as Tensões, sejam máximas possíveis e os resultados sejam para as condições mais extremas, a Figura 22 a baixo exemplifica uma condição de perda de espesura:
FIGURA 22 – Esquemático da perda de espessura
E para efetuar conserto, será considerado um reparo com as mesmas características do tubo escolhido (mesmo diâmetro, mesmo material, etc.), e suas dimensões serão calculadas de modo que se tenha o menor tamanho de reparo possível e ao mesmo tempo variando a perda de espessura para testar a eficiência do mesmo, a Figura 23 a baixo, mostra um exemplo desse reparo.
FIGURA 23 – Esquemático em 3D do reparo
Como referência foi levado em consideração o ANEXO C da norma API 570 [8], que estabelece os limites mínimos para um reparo soldado, limites que serão considerados para a caracterização das condições de contorno relacionadas ao reparo colado observado neste trabalho, na figura 24 um esquemático de um reparo por camisa:
Para este trabalho será considerada a referência para reparos por “remendos” e seus limites mínimos são conforme a Figura 25:
FIGURA 25 – Limites mínimos de uma solda por reparo localizado [8]
Para dimensionar perda (variação) de espessura localizada na superfície do tubo será considerada a situação onde se requer um reparo localizado, que é o que se pretende estabelecer relação entre este estudo e os pré-requisitos já existentes para os mesmos, aplicados com solda.
Sendo assim, o tamanho máximo considerado para o reparo que o duto selecionado pode assumir deve respeitar os limites da API 571 que assume como:
Lr = (4)
O tamanho máximo de um reparo (Lr) para uma tubulação com a característica desse tubo será de 38 mm.
Porém, para que a condição seja mais extrema, levaremos em conta condições menos conservativas a fim de comprovar a eficácia deste método de reparo. Sendo assim, utilizaremos um reparo de aproximadamente 1/6 do diâmetro do duto. Deste modo:
Lutilizado = (5)
Portanto, o tamanho do reparo que será utilizado na tubulação será de 12,7 mm.
Dados de Pressão interna do Tubo:
Um valor acima dos estabelecidos por norma poderia ser utilizado para verificar a confiabilidade de um reparo localizado aplicado por colagem, porém, não iria refletir o que realmente estaria acorrendo na estrutura do duto e no material de colagem. Sendo assim os dados de pressão interna serão calculados normalmente, usando os limites de uma tubulação com as mesmas dimensões.
De acordo com a norma ASME B31.1 [10] Tensões de trabalho admissíveis calculadas para valor de Limite de Escoamento (Sy = 250 MPa) para tubos entre – 28ºC e 37°C, podem ser obtidos multiplicando o valor nominal para aço carbono por 0,85 para obter a Tensão m de trabalho.
Para o tubo selecionado, à temperatura ambiente será considerada uma tensão admissível:
A pressão máxima de trabalho será calculada de acordo com a ABNT [15] que adota a ANSI B.36, porém adaptando os valores de polegada para milímetros. E para cada Diâmetro Nominal existem tubos com várias espessuras de parede, denominadas “séries” ou “schedule”, e essa padronização é utilizada para o cálculo da pressão admissível para o uso, e está representada na equação abaixo:
σ (7) Onde:
Pi = Pressão máxima interna em psig. σa= Tensão admissível em psig.
O que significa que a pressão admissível em um duto, segundo a ABNT (ANSI B.36) , Independe do diâmetro externo e sim da espessura de parede, como exemplificado na figura 26:
FIGURA 26 – Diferentes espessuras para um tubo com o mesmo diâmetro nominal [15]
Segue, na Figura 27, um fragmento da norma ANSI B.36.10 ( para aços carbono e de baixa liga):
FIGURA 27 – Fragmento da tabela de perfis normalizados da ANSI B.36 [15]
Como se pode perceber, para o diâmetro selecionado neste trabalho, não há um número de série compatível, quando para o diâmetro externo a menor espessura encontrada é 3 mm. Porém, como a relação diâmetro-espessura está aproximada, e a espessura do duto é de 2 mm, será utilizado Numero de Série igual a 10 de modo que se tenha um cenário mais severo ( aproximadamente em 5 vezes). Assim:
Ou, Pi = 2,12 MPa
VERIFICAÇÃO:
Cálculo da espessura de parede (Norma ANSI/ASME. B.31), serve para adequar o valor de pressão admissível, de modo que através dele, a espessura encontrada não deve ser maior que o Diâmetro Externo não pode ser maior que seis vezes a espessura de parede encontrada. Então temos Critério de aceitação:
Calculando a espessura de parede:
(9)
Onde:
-Pi = pressão interna de projeto.
-De= diâmetro externo; d = diâmetro interno
-Sh= tensão admissível do material na temperatura de projeto. -E = coeficiente de eficiência de solda:
E=1 Para tubos sem costura e tubos com costura por solda de topo, totalmente radiografa. E=0,9 Para tubos com costura por solda de topo, radiografia parcial
E=0,85 Idem, sem radiografia, solda pelos dois lados. E=0,8 Idem, Idem, solda por um só lado.
-Y = coeficiente de redução de acordo com o material e a temperatura.
Y=0,4 Para tubos de aço carbono e outros aços ferríticos, em temperaturas de até 485 °C. Y=0 Para tubos de ferro fundido.
-C = soma das sobre-espessura para corrosão, erosão e abertura de roscas. C=1,2 mínima espessura de corrosão
Assim: Fazendo a verificação: OK!
Desse modo, a pressão máxima de operação seria de 308 psig ( ou 2,12 MPa), mas estes valores não representam valores máximos devido o duto passar por
um teste hidrostático após a montagem e cada procedimento de reparo, com isso os valores de pressão interna serão:
(10)
Assim Pressão máxima (Pmax): - Pmax = 462 psgi ou
- Pmax = 3,18 MPa
Método para dimensionar a variação de espessura:
Como mencionado anteriormente, as normas utilizadas como referência para este trabalho não permitem que um duto em operação apresente orifício( API - 570 e ASME - B31.3) [8, 10] , e a partir de uma condição de limite mínimo, seja substituído. Porém, para dimensioná-lo serão utilizadas as condições de área máxima que uma perda de material pode alcançar. Com a área máxima e a espessura máxima teremos uma perda [9]:
- Área máxima: O cálculo de área máxima depende de resultados oriundos de um plano de inspeção do duto, o que no caso deste estudo, por se tratar de uma situação teórica, não existe. Portanto o método utilizado é o descrito pela figura 28 que define a área a ser considerada na perda de espessura.
- Descrição do método: Através da inspeção observa-se a área de ação da perda de espessura, onde s é o comprimento da seção reta e c é o comprimento da seção circular. Á área a ser considerada é duas vezes a de ação da perda de volume. Essa nova área, é a que deve ser considerada como a perda total de espessura.
De acordo com situações exemplificadas pela norma, para um duto com as mesmas características dos utilizados neste estudo, pode-se considerar uma área de perda de volume de 6,02 mm² [9] – Seção 5 (Local metal Loss – 5.4) -, porém para que a condição fique mais extrema vamos utilizar esse valor acrescido em 50%.
(11)
Com isso podemos calcular o volume da perda de espessura teórica, baseados nos valores de Área Máxima ( Amax) retirados da norma. Onde:
- Vmax = Volume máximo teórico; - Amax = Área máxima;
- Δe = Variação da espessura, que é a máxima a ser considerada neste trabalho 75% da espessura do duto (0,75 . 2).
Δ (12)
Desse modo, qualquer volume de perda de espessura não deverá ser de valor maior que o volume máximo teórico, caso contrário não representaria uma situação dentro da realidade de operação.