Tubulações Industriais
PROF.: KAIO DUTRA
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o
Do ponto de vista da Resistência dos Materiais, cada
trecho de tubulação pode ser considerado como
sendo um elemento estrutural.
o
São as seguintes as principais agindo sobre uma
tubulação:
o
Pressão interna exercida pelo fluido.
o
Pressão externa (tubulações em ambientes sob pressão
ou operando com vácuo).
o
Peso próprio da tubulação, peso do fluido contido, das
conexões, válvulas etc., integrantes da tubulação e do
isolamento térmico. Em tubulações de vapor, ar e
outros gases, deve ser considerado também o peso da
água para o teste hidrostático, a menos que sejam
previstos suportes provisórios adicionais para esse fim.
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o
São as seguintes as principais agindo sobre uma
tubulação:
o
Sobrecargas diversas agindo sobre a tubulação, tais
como peso de outros tubos, plataformas e estruturas
apoiadas nos tubos, gelo e neve sobre os tubos, peso da
terra, pavimentação e veículos (no caso de tubos
enterrados), peso de pessoas sobre a tubulação etc.
o
Dilatações
térmicas
(ou
contrações)
da
própria
tubulação ou de outras tubulações ligadas à tubulação
em questão, devido a variações de temperatura.
o
Movimentos de pontos extremos da tubulação
causados por dilatação de outras tubulações, dilatação
própria de equipamentos (tanques, vasos, bombas etc.)
ligados à tubulação em questão, ou por outras causas:
vento, movimento de marés etc.
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o
São as seguintes as principais agindo sobre uma
tubulação:
o
Atrito da tubulação nos suportes.
o
Ações dinâmicas provenientes do movimento do
fluido na tubulação, tais como golpes de aríete,
acelerações, impactos etc.
o
Ações dinâmicas externas: vento, terremoto etc.
o
Vibrações.
o
Reações de juntas de expansão, por não só ao
esforço necessário para impor deslocamento às
mesmas, como também ao efeito de pressão
interna (empuxo).
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o
São as seguintes as principais agindo sobre
uma tubulação:
o
Tensões decorrentes da montagem, tais como
alinhamentos forçados, desalinhamentos e
desnivelamento
de
suportes,
tensões
residuais de soldagem, aperto exagerado ou
desigual de flanges e de roscas, erros de
ajuste de suportes de molas etc.
o
Desnivelamento de suportes ou de vasos ou
equipamentos
ligados
à
tubulação,
conseqüentes de recalque de fundações.
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o
Evidentemente, tanto no projeto como na
montagem deve-se, na medida do possível, evitar
ou atenuar as tensões provenientes da maior
parte dos fatores acima relacionados. Com esse
objetivo procura-se, por exemplo:
o
Adotar vãos adequados entre os suportes.
o
Colocar válvulas, derivações pesadas e outras cargas
concentradas importantes próximo aos suportes.
o
Limitar as sobrecargas.
o
Colocar os tubos enterrados na profundidade
apropriada.
o
Dar flexibilidade adequada ao sistema para reduzir
os esforços oriundos das dilatações.
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o
Evidentemente, tanto no projeto como na montagem
deve-se, na medida do possível, evitar ou atenuar as
tensões provenientes da maior parte dos fatores
acima relacionados. Com esse objetivo procura-se,
por exemplo:
o Colocar guias e contraventos para manter o alinhamento dos tubos.
o Absorver as vibrações por meio de amortecedores, ancoragens ou juntas de expansão.
o Colocar placas de deslizamento ou suportes de rolos nos casos em que o atrito for muito grande ou for prejudicial.
o Executar a montagem com os devidos cuidados para reduzir os valores das tensões resultantes da montagem.
Cargas Que Atuam Sobre as
Tubulações
o Devido ao grande número dessas cargas, à complexidade
inerente a algumas delas, e também à variedade de configurações que podem ter as tubulações, o cálculo rigoroso da ação simultânea de todas as cargas que possam estar atuando é bastante difícil, e raramente justifica-se fazê-lo. Na prática, via de regra, faz-se apenas o cálculo das
cargas predominantes, adotando-se tensões admissíveis inferiores às que o material permitiria, a fim de compensar
os esforços não-considerados.
o Para a grande maioria das tubulações industriais, é necessário e suficiente considerar apenas as seguintes
cargas:
o Pressão (interna ou externa).
o Pesos e sobrecargas.
o Efeito combinado das dilatações da própria tubulação e de outras tubulações ou equipamentos ligados à tubulação em questão.
Tensões Nas Paredes dos
Tubos
o
No caso geral de um tubo submetido a urna
série de cargas simultâneas, o estado de
tensões em cada elemento da parede do
tubo é caracterizado por três tensões
normais e três tensões tangenciais de
cisalhamento.
o
As
tensões
normais
usualmente
consideradas são:
o
tensão longitudinal S
lo
tensão circunferencial S
eo
tensão radial S
r• A tensão radial Sr. é causada exclusivamente pela pressão; seu valor é geralmente baixo, e por isso costuma ser desprezado nos cálculos.
Tensões Nas Paredes dos
Tubos
o
Para os materiais dúcteis, como é o caso de todos os
aços e da maioria dos metais não-ferrosos, a teoria
que melhor se ajusta aos dados experimentais é a
denominada de cisalhamento máximo. De acordo
com essa teoria, a falha do material ocorre quando a
tensão de cisalhamento máxima ultrapassar a
metade do valor mínimo do limite dê escoamento.
o
Para os materiais não-dúcteis, como é o caso, por
exemplo, do ferro fundido e dos ferros-ligados, a
teoria da ruptura adotada é a denominada de
máxima tensão normal. Segundo essa teoria, a
ruptura acontece quando a máxima tensão normal
(S
máx) ultrapassar um determinado valor. Para esses
materiais, a comparação será feita entre a tensão
normal máxima e a tensão admissível.
Tensões Primárias e
Secundárias
o As tensões que aparecem nas paredes de um tubo, em conseqüência dos diversos carregamentos, podem ser classificadas em duas categorias, denominadas tensões primárias e tensões secundárias.
o Tensões primárias as tensões necessárias para satisfazer as condições de equilíbrio estático em relação aos diversos
carregamentos externos agindo sobre a tubulação, tais como pressão interna ou externa, pesos, sobrecargas etc.
o Tensões secundárias são as que resultam não de
carregamentos externos, mas do fato de a tubulação não
ser nunca inteiramente livre de se dilatar, se contrair e se
movimentar, em conseqüência das variações de temperatura e/ou dos movimentos de pontos extremos da tubulação.
Relaxamento Espontâneo
o
As
tensões
primárias
têm
corno
característica básica o fato de não serem
autolimitantes e de terem um valor
diretamente proporcional à carga de que se
originam. Assim, se a carga aumenta, a
tensão aumentará na mesma proporção,
podendo chegar à ruptura do material.
o
As tensões secundárias, pelo contrário,
tendem a diminuir de intensidade com o
passar do tempo, em conseqüência do
fenômeno do relaxamento espontâneo.
Tensões Admissíveis e
Coeficiente de Segurança
o
Denominam-se tensões admissíveis aos valores
limites de tensões que se adotam para o cálculo da
tubulação quando considerada como um elemento
estrutural.
o
As tensões admissíveis são valores estabelecidos
pelas normas de projeto para cada material e cada
classe de tubulações. É evidente que as tensões
admissíveis devem ser menores do que os limites de
resistência e de escoamento do material na
temperatura considerada.
o
Essas tensões são o limite de resistência, ou o limite
de escoamento, divididos por um certo número, que
é o chamado coeficiente de segurança.
Tensões Admissíveis e
Coeficiente de Segurança
o
São os seguintes os principais fatores que
influenciam o coeficiente de segurança a
adotar, e portanto as tensões admissíveis:
o
Tipo do material;
o
Critério de cálculo;
o
Tipo de carregamento;
o
Variações nas condições de operação;
o
Incerteza nas qualidades do material;
o
Desvios de forma devidos a defeitos de
matéria-prima
e
de
fabricação
e
de
montagem;
Tensões Admissíveis da
Norma ASME B31
o
As diversas seções da norma ASME B 31
contêm tabelas que dão, para todos os
materiais de tubulação que são aceitos
pela norma, as tensões admissíveis em
função
da
temperatura,
até
a
temperatura limite de utilização de cada
material.
Tensões Admissíveis da
Norma ASME B31
Tensões Admissíveis da
Norma ASME B31
o
A norma estabelece as seguintes variações em
relação às tensões admissíveis básicas:
o
Tensões estáticas e permanentes de cisalhamento
puro e de torção: 80% das tensões admissíveis
básicas.
o
Tensões provenientes de cargas transitórias ou
eventuais de curta duração como a ação do vento,
teste hidrostático, dilatações térmicas e de condições
anormais de operação. Permitem-se os seguintes
acréscimos sobre a tensão admissível básica:
o Seção B 31.1: 15% para esforços que atuem durante até 10% do tempo, em 24 horas.
o Seção B 31.3: 33% para esforços que atuem durante até 10 horas seguidas, com o máximo de 100 horas em um ano.
Pressão e Temperatura de
Projeto
o
Chamam-se
pressão
de
projeto
e
temperatura de projeto os valores da
pressão e da temperatura considerados
para efeito de cálculo e projeto da
tubulação. Não devem ser confundidos
com a pressão e temperatura de
operação (ou de trabalho), que são as
condições nas quais de fato deverá
Pressão de Projeto
o
Pressão de projeto: A norma ASME B 31 define
pressão de projeto como sendo a pressão interna
ou externa correspondente à condição mais
severa de pressão e temperatura simultâneas,
que possam ocorrer em serviço normal.
o
Para cada condição diferente de trabalho, a
pressão de operação deverá ser tomada como o
maior dos dois seguintes valores:
o
Pressão de abertura de qualquer válvula de
segurança ou de alívio que esteja ligada à linha.
Temperatura de Projeto
o
Temperatura de projeto: A norma ASME
B 31 define como temperatura de projeto
a
temperatura
de
operação
correspondente à pressão de projeto. A
temperatura de projeto é a que deve ser
considerada para efeito de cálculo da
espessura de parede, cálculo das tensões
nos tubos resultantes de quaisquer
esforços e demais cálculos estruturais.
Condições Transitórias de
Trabalho de Uma Tubulação
o
No estabelecimento das condições de projeto devem
ser consideradas todas as situações, mesmo
transitórias ou eventuais, a que a tubulação possa
estar sujeita.
o
Podemos citar, entre outras, as seguintes situações
transitórias desse tipo:
o Período transitório de partida de um sistema, até ser atingida e estabilizada a condição normal de operação, e também período de parada do sistema, inclusive paradas de emergência, quando muitas vezes acontecem flutuações maiores de temperatura e/ou de pressão.
o Falhas em sistemas de proteção ou de controle, bem corno erros de operação (abertura ou fechamento indevidos de urna válvula, por exemplo).
Condições Transitórias de
Trabalho de Uma Tubulação
o
Podemos citar, entre outras, as seguintes situações
transitórias desse tipo:
o
A paralisação repentina da circulação de um líquido
causa urna sobrepressão (golpe de aríete).
o
A parada brusca da circulação de um líquido pode
causar, também, um vácuo a jusante do ponto onde
se deu a parada.
o
O resfriamento de gases contidos em uma tubulação
provoca uma queda de pressão que pode também
produzir um vácuo.
o
A expansão de um líquido contido em uma
tubulação, por efeito do aumento de temperatura,
pode gerar pressões elevadíssimas dentro dos tubos,
caso o líquido esteja bloqueado e não existam
dispositivos de segurança para alívio de pressão.
Exercícios
1.
Elenque e comente sobre as principais cagas que podem atuar sobre uma tubulação.
2.
Existem formas de atuar ou evitar a atuação de cagas sobre tubulação, cite e comente sobre
algumas dessas medidas.
3.
Quais são tensões normais que atual em um tubo, faça um desenho e posicione corretamente
no plano xyz.
4.
Defina tensões primárias e secundárias e explique o que seria relaxamento espontâneo.
5. Relacione os principais fatores que influenciam no coeficiente de segurança de tubulações industriais.
6. Defina pressão e temperatura de projeto.
