UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE TCE - Escola de Engenharia
TEM - Departamento de Engenharia Mecânica
PROJETO DE GRADUAÇÃO II
Título do Projeto :
DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA ONLINE
PARA DIMENSIONAMENTO BÁSICO DE VASOS DE
PRESSÃO CONFORME A NORMA
ASME SEÇÃO 8 DIVISÃO 2
Autor :
CARINA SATURNINO BRAGA ENNES FERNANDO MOTA DA SILVA
Orientador :
BRUNO CAMPOS PEDROZA
FERNANDO MOTA DA SILVA
DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA ONLINE PARA DIMENSIONAMENTO BÁSICO DE VASOS DE PRESSÃO CONFORME A NORMA ASME SEÇÃO 8 DIVISÃO 2
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador:
Prof. BRUNO CAMPOS PEDROZA
Niterói 2018
CTC - Centro Tecnológico TCE - Escola de Engenharia
TEM - Departamento de Engenharia Mecânica
PROJETO DE GRADUAÇÃO II
AVALIAÇÃO FINAL DO TRABALHO
Título do Trabalho:
DESENVOLVIMENTO DE PROGRAMA ONLINE PARA DIMENSIONAMENTO BÁSICO DE VASOS DE PRESSÃO CONFORME A NORMA ASME SEÇÃO 8 DIVISÃO 2
Parecer do Professor Orientador da Disciplina:
- Grau Final recebido pelos Relatórios de Acompanhamento:
- Grau atribuído ao grupo nos Seminários de Progresso:
Parecer do Professor Orientador:
Nome e assinatura do Prof. Orientador:
Prof.: Bruno Campos Pedroza, D. Sc Assinatura:
Parecer Conclusivo da Banca Examinadora do Trabalho:
Projeto Aprovado sem restrições
Projeto Aprovado com restrições
Prazo concedido para cumprimento das exigências: / /
Discriminação das exigências e/ou observações adicionais:
DEDICATÓRIA
Dedicamos esse trabalho à Deus, nossas famílias e a todos que nos ajudaram a concluir mais essa etapa de nossas vidas com alegria e paz e saúde
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à Deus que nos guia, nos protege em todos os dias das nossas vidas e que conhece de fato nossos corações. Àquele que é o nosso foco e nossa direção.
Agradecemos também aos nossos pais, irmãos, e namorados que sempre nos apoiaram, suportaram nossas noites de estresse com a faculdade e nossos finais de semana estudando.
Em especial a todo esforço que nossos pais tiveram e por não terem nunca medido esforços para que chegássemos até aqui. Cada noite auxílio para deveres de casa e provas da escola, cada centavo gasto com nossa educação e todo carinho e atenção durante todas essas etapas.
A todos os amigos que fizemos durante o curso que tornaram todos esses períodos mais suportáveis, agradáveis e divertidos. Todos que compartilharam madrugadas de estudos que nos rendiam boas risadas ou até mesmo lágrimas.
Ao professor Bruno Pedroza por ter aceitado de forma tão disponível nos orientar apesar do tempo já apertdo. Por sua paciência, incentivo e aconselhamento quе tornaram possível а conclusão desta monografia.
À professora Stella Maris por toda preocupação não só quando foi nossa professora, mas também durante o seu período de coordenadora. Ficamos muito felizes em existirem pessoas como você, que realmente se importam com o aluno como um ser humano muito além da sala de aula.
RESUMO
O dimensionamento de vasos de pressão, devido à sua ampla gama de utilização na indústria e sua periculosidade no manuseio, é uma atividade de grande importância. Portanto, é necessário que esse processo seja preciso, pouco trabalhoso e padronizado. Existem diversos softwares que realizam os cálculos necessários para o projeto de um vaso de pressão, tais como o CerebroPV®, o AutoPIPE Vessel® e o PV Elite®, porém por conta de seu custo elevado e o fato de que não estarem disponíveis online, são pouco utilizados nas universidades como ferramenta de apoio ao ensino.
Desta forma, torna-se necessário desenvolver de ferramentas de baixo custo que, sem diminuir a importância do professor e a necessidade de consultar as fontes teóricas consagradas, auxiliem o aluno no processo de aprender como dimensionar vasos de pressão. Nesse contexto, esse trabalho tem como objetivo desenvolver de um website programado em linguagem C# para executar o dimensionamento básico de vasos de pressão, utilizando procedimentos apresentados pela Norma ASME Seção VIII Divisão 2 e pela Norma Reguladora NR13 – “Caldeiras, Vasos de Pressão e Tubulações”.
Inicialmente, é apresentado uma revisão bibliográfica com um breve histórico, classificação, principais definições e materiais utilizados na fabricação de vasos de pressão. A seguir, é realizado um estudo aprofundado das normas utilizadas do desenvolvimento deste trabalho. Em seguida, é descrito o programa desenvolvido dando-se destaque a entrada de dados e aos resultados gerados pelo software. O programa desenvolvido foi validado comparando-se os resultados gerados com resultados disponíveis na literatura. Finalmente, são apresentadas as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
ABSTRACT
The dimensioning of pressure vessels, due to their wide range of use in industry and their dangerous handling, is an activity of great importance. Therefore, this process needs to be precise, labor-intensive and standardized. There are several software that perform the calculations required for the design of a pressure vessel, such as CerebroPV®, AutoPIPE Vessel® and PV Elite®, but due to its high cost and the fact that they are not available online, are little used in universities as a tool to support teaching.
Thus, it is necessary to develop low-cost tools that, without diminishing the importance of the teacher and the need to consult the consecrated theoretical sources, help the student in the process of learning how to size pressure vessels. In this context, this work aims to develop a website programmed in C # language to perform basic sizing of pressure vessels, using procedures presented by ASME Section VIII Division 2 and by Regulatory Standard NR13 - "Boilers, Pressure Vessels and Pipes ".
Initially, a bibliographic review with a brief history, classification, main definitions and materials used in the manufacture of pressure vessels is presented. Then, an in-depth study of the norms used in the development of this work is carried out. Next, the developed program is described, highlighting the data entry and the results generated by the software. The developed program was validated comparing the generated results with results available in the literature. Finally, conclusions and suggestions for future work are presented.
Figura 1 – Evolução da estrutura de ensino. ... 13
Figura 2 – Eolípila – máquina a vapor de Heron. ... 16
Figura 3 – Antes e depois da explosão na fábrica Grover Shoe Factory. ... 18
Figura 4 – Alguns tipos de tampos. ... 20
Figura 5 – Momento fletor atuante devio aos apoios de um vaso de pressão horizontal. ... 22
Figura 6 –Tipos de Suportes para Vasos de Pressão Horizontais. ... 23
Figura 7 –Suporte para vasos verticais. ... 24
Figura 8 – Posição dos vasos de pressão. ... 25
Figura 9 – Tipos de solda. ... 37
Figura 10 – Ilustração da localização das juntas soldadas das categorias A, B, C, D e E. ... 39
Figura 11 – Tampo Elipsoidal. ... 46
Figura 12 – Variáveis para reforço dos bocais. ... ...52
Figura 13 (a) –Interface do Site desenvolvido ... 59
Figura 13 (b) – Interface do Site desenvolvido. ... 60
Figura 13 (c) – Interface do Site desenvolvido. ... ...61
Figura 14 – Categoria do Vaso na NR-13 em SQL. ... 62
Figura 15 – Grupo de risco na NR-13 em SQL. ... 63
Figura 16 – Tipos de fluido da NR-13 em SQL. ... ...63
Figura 17 (a) – Tensão admissível do aço ao carbono ASTM A 516 Gr.70 em SQL. ... 64
Figura 17 (b) – Tensão admissível do aço ao carbono ASTM A 516 Gr.70 em SQL. ... 64
Figura 18 (a) – Interface de saída. ... ...65
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Determinação da tensão admissível do aço ao carbono ASTM A 516 Gr.70. ... 35
Tabela 3.2 – Valores de tensões admissíveis para o aço ASTM A 516 Gr. 70. ... 36
Tabela 3.3 – Coeficientes de eficiência de solda (E). ... 37
Tabela 3.4 – Classe dos fluidos de acordo com o tipo de fluido. ... 40
Tabela 3.5 – Grupo de risco do vaso. ... 37
Tabela 3.4 – Classe dos fluidos de acordo com o tipo de fluido. ... 40
Tabela 3.5 – Grupo de risco do vaso. ... 41
Tabela 3.6 – Categorias de vasos de pressão conforme NR-13. ... 40
Tabela 3.7 – Espessura mínima requerida para bocais e bocas de visita. ... 51
LISTA DE SÍMBOLOS
Ap = área em resistir à pressão, usado para determinar a força de descontinuidade de abertura do bocal;
AT = área total dentro dos limites assumidos de reforço;
A = distância do centro de cada sela para a linha de tangente da ligação do casco cilíndrico
com o tampo elíptico;
C = sobrespessura de corrosão;
C3 = força utilizada para o cálculo do tampo elíptico
D = Diâmetro interno do cilindro/tampo; DN = diâmetro nominal
E = coeficiente de eficiência de junta soldada;
h = altura do tampo elíptico medido na superfície interna (mm) LR = comprimento efetivo da parede do vaso
LH = comprimento efetivo da parede do bocal fora do vaso
L = raio da coroa
Lpr1 = bocal de projeção a partir da parede externa do vaso
LI = comprimento efetivo da parede do bocal no interior do vaso
L41 = comprimento da perna de solda do lado de fora do bocal da solda filete
L42 = comprimento da perna de solda de enchimento do vaso da solda filete
L43 = comprimento da perna de solda do cordão de solda no interior do bocal
Pt = é a pressão mínima de teste hidrostático.
Py = valor da pressão interna esperada para resultar em uma tensão máxima igual ao do material
Pck = valor da pressão interna esperada para resultar em falha de flambagem da junta num tampo elíptico
Peth = pressão interna necessária para produzir deformação elástica da junta num tampo elíptico
Pa = Pressão externa máxima admissível;
PMTA = Pressão Máxima de Trabalho Admissível; R = raio interno do cilindro/ do costado;
Rxs = raio do casco para o cálculo da força;
Rth = raio utilizado para o cálculo do tampo elíptico
Rn = raio interno do bocal
Rxn = raio do bocal para o cálculo da força
Rnc= raio da abertura do bocal do vaso ao longo do comprimento por bocais radiais, Rnc= Rn.
Reff = raio de pressão efetiva
S = tensão máxima admissível do material do cilindro;
t = espessura mínima requerida/calculada para resistir as pressões interna e externa; tn = comprimento efetivo da parede do vaso;
teff = espessura efetiva utilizada no cálculo da tensão de pressão perto da abertura do bocal
tn2 = espessura nominal da parede da parte mais fina de um bocal de espessura variável
te = espessura efetiva da seção cônica;
W = largura do reforço bocal
σavg = tensão média primária de membrana
σcirc = tensão primária de membrana geral
g = aceleração da gravidade
W1= força de reação em cada berço.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO p.13 1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO, P.13 1.2OBJETIVO, P.14 1.3 ESTRUTURADOTRABALHO, P.15 2 VASOS DE PRESSÃO, p.16
2.1 DEFINIÇÃODEVASOSDEPRESSÃO, P.16
2.2 HISTÓRICO, P.16
2.3 CLASSIFICAÇÃODOSVASOSDEPRESSÃO, P.19
2.4 COMPONENTESDEUMVASODEPRESSÃO, P.19
2.4.1CASCO E TAMPOS, P.20
2.4.2 BOCAIS, p.21 2.4.3 SUPORTES, p.21
2.4.3.1 Suporte Para Vasos Horizontais, p.21 2.4.3.2 Suporte Para Vasos Verticais, p.24
2.5 POSIÇÕESDEUMVASODEPRESSÃO, P.25 2.6MATERIAIS, P.26
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA, p.28
3.1 DEFINIÇÕES BÁSICAS, P.29
3.1.1PRESSÃO E TEMPERATURA DE OPERAÇÃO, P.29 3.1.2PRESSÃO E TEMPERATURA DE PROJETO, P.30
3.1.3PRESSÃO MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA), P.30 3.1.4TESTE HIDROSTÁTICO, P.32
3.1.5TENSÃO ADMISSÍVEL DO MATERIAL, P.33
3.1.6COEFICIENTE DE EFICIÊNCIA DE JUNTA SOLDADA (E), P.37
3.2 NORMA REGULAMENTADORA NR-13, P.40 3.3 NORMA ASME SEÇÃO 8 DIVISÃO 2, P.42
3.3.1ESPESSURA MÍNIMA DE CÁLCULO, P.42
3.3.1.1 Cascos, p.43 3.3.1.2 Tampos, p.45
3.3.2 BOCAIS, P.50
3.3.2.1 Estudo do reforço de bocais, p.52
4 O PROGRAMA, p.59
4.1 ENTRADAS, P.59 4.2 RESULTADOS, P.65
1- INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO
No âmbito da educação e ensino, é necessário o desenvolvimento constante de novas metodologias e ferramentas que auxiliem na aprendizagem. Segundo Belhot (2005), a tecnologia é um poderoso recurso de apoio à aprendizagem que permite ao aluno complementar os conhecimentos passados pelo professor, tornando-se, desta forma, protagonista no seu processo de aprender. A Figura 1 esquematiza como a tecnologia pode auxiliar no modelo formal de ensino.
Figura 1 - Evolução da estrutura de ensino Fonte: Belhot (2005)
Segundo Freitas (2007, p.21), os materiais e equipamentos didáticos, também conhecidos como “recursos” ou “tecnologias educacionais”, são todo e qualquer recurso utilizado em um procedimento de ensino, visando à estimulação do aluno e à sua aproximação do conteúdo. Esses materiais podem ser de diversas origens como exposições, gráficos, livros, objetos, quadros, filmes, softwares, entre outros. Na tentativa de fazer o aluno absorver as informações o professor deve buscar ir além do quadro e da aula expositiva.
Para diversas áreas de ensino, já é comum a utilização de, por exemplo, websites como material didático. Dentre as muitas vantagens de se utilizar essa ferramenta no ensino está o aprendizado de forma mais dinâmica e visual em decorrência do uso de vídeos, figuras,
é o acesso à Internet.
Porém, essa questão não é tão simples quando se trata do ensino de disciplinas da área de engenharia. A disponibilidade de materiais relacionados à parte teórica é grande e já auxilia muito o aluno, mas se tratando da parte mais prática de cálculos e simulações a disponibilidade de material online é muito pequena. Em sua maioria, são disponibilizados softwares que precisam ser baixados para o computador e, além disso, a maior parte deles pagos.
O dimensionamento de vasos de pressão, por exemplo, é uma questão de grande importância, devido à sua ampla gama de utilização na indústria e sua periculosidade no manuseio. Dessa forma, torna-se necessário que esse processo seja preciso, pouco trabalhoso e padronizado. Existem diversos softwares que realizam os cálculos necessários para o projeto de um vaso de pressão e geram um modelo 3D para visualização de forma rápida e prática, tais como o CerebroPV®, o AutoPIPE Vessel® e o PV Elite®, porém por conta de seu custo elevado e o fato de que não estarem disponíveis online, são pouco utilizados nas universidades como ferramenta de apoio ao ensino.
Desta forma, torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentas acessíveis e de baixo custo que, sem diminuir a importância do professor e a necessidade de consultar as fontes teóricas consagradas, auxiliem o aluno no processo de aprender como dimensionar vasos de pressão.
1.2 OBJETIVO
Nesse contexto, esse trabalho tem como objetivo desenvolver de um website programado em linguagem C# para auxiliar no dimensionamento básico de vasos de pressão. A linguagem foi escolhida devido à boa interface com a web, o que facilita a acessibilidade.
No desenvolvimento deste trabalho foram utilizados procedimentos apresentados pela Norma ASME Seção VIII Divisão 2 para o dimensionamento do casco, tampos e bocais, a Norma Reguladora NR13 – “Caldeiras, Vasos de Pressão e Tubulações” que estabelece requisitos mínimos para gestão da integridade estrutural dos vasos de pressão nos aspectos relacionados à instalação, inspeção, operação e manutenção, visando a segurança e saúde dos trabalhadores.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Para facilitar a leitura e permitir melhor entendimento, este trabalho foi estruturado nos cinco capítulos descritos a seguir.
No capitulo 1 – Introdução é apresentado ao leitor a contextualização e os objetivos do trabalho.
No capítulo 2 – Vasos de Pressão são apresentados uma definição de vasos de pressão e um breve histórico sobre o desenvolvimento dos vasos de pressão. Em seguida, a classificação dos vasos de pressão e seus principais componentes.
No capítulo 3 – Fundamentação Teórica são apresentados alguns conceitos e metodologias utilizadas pelas normas NR – 13 e ASME Seção VIII Divisão 2.
No capítulo 4 – O Programa são apresentadas as interfaces de saída e entrada do programa desenvolvido, além dos resultados obtidos.
No capítulo 5 – Conclusão e Trabalhos Futuros são apresentadas as conclusões e as sugestões para trabalhos futuros.
2 VASOS DE PRESSÃO
2.1 DEFINIÇÃO DE VASOS DE PRESSÃO
Segundo Telles (1996, p. 1), “o termo vaso de pressão designa genericamente todos os recipientes e tanques, de qualquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado. Dentro de uma definição tão abrange inclui-se uma enorme variedade de equipamentos, desde uma simples panela de pressão de cozinha, até os mais sofisticados reatores nucleares.”. A Norma Regulamentadora NR-13 (2014) define os vasos de pressão como equipamentos que contêm fluidos sob pressão interna ou externa, diferente a atmosférica.
2.2 HISTÓRICO
“Heron, matemático e físico que viveu na Alexandria, Egito, descreveu a primeira máquina a vapor conhecida em 120 a.C. Como pode ser visto na figura 2, ela consistia em uma esfera metálica, pequena e oca montada sobre um suporte de cano proveniente de uma caldeira de vapor. Dois canos em forma de L eram fixados na esfera. Quando o vapor escapava por esses canos, a esfera adquiria movimento de rotação. Este máquina, entretanto, não realizava nenhum trabalho útil” (BALTHAZAR, p.24).
Figura 2 - Eolípila – máquina a vapor de Heron Fonte: http://www.egiptomania.com/ciencia/puertas.htm
Carter e Ball (2002, p. 1) relatam que, no século XV, Da Vinci fez registro de um vaso de pressão em sua obra “Codex Madrid I”. Mais tarde, segundo Bizzo (2017, p. 87), em 1698, o inglês Thomas Savery patenteou um sistema de bombeamento de água utilizando vapor como força motriz, seguido no ano de 1711 por Newcomen, que desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade. A caldeira de Newcomen era um reservatório esférico, com aquecimento direto no fundo, conhecida como caldeira de Haycock. James Watt aprimorou o formato em 1769, desenhando a caldeira Vagão, permitindo que caldeiras fossem utilizadas em locomotivas a vapor.
De acordo com Altafini (2002, p. 6), somente na Revolução Industrial é que o uso do vapor pressurizado para movimentar máquinas e equipamentos veio a apresentar de fato grande repercussão e, consequentemente, aumentar a utilização dos vasos de pressão. Posteriormente, o grande crescimento econômico e os preparativos para Primeira Guerra Mundial aumentaram a demanda por produtos químicos em geral, particularmente os derivados de petróleo. Dessa forma, foi necessário desenvolver processos produtivos mais eficientes e de maior capacidade que impuseram aos equipamentos condições cada vez mais severas, tanto do ponto de vista físico (pressão e temperatura) quanto químico (corrosividade) (CHAINHO, 2012, p. 3). A aplicação mais atual e de grande importância dos vasos de pressão são os reatores nucleares. O primeiro reator nuclear da história foi projetado e implementado pelo Prêmio Nobel de Física Enrico Fermi sob o campo arquibancadas do rúgbi na Universidade de Chicago. De acordo com Tavares (2012, p. 3-4):
O primeiro reator entrou em operação no dia 2 de dezembro de 1942. Fermi e seu “time” foram os primeiros homens que presenciaram a matéria transformar-se em energia de maneira firme, regular, estável, uniforme e de modo controlado, como eles exatamente queriam (...). A entrada em operação do primeiro reator nuclear tornou possível utilizar a enorme quantidade de energia armazenada no núcleo atômico. As circunstâncias daquele momento histórico fizeram com que esta energia fosse primeiramente empregada na guerra, com a produção de três bombas atômicas, duas delas lançadas sobre a população japonesa em agosto de 1945, pondo fim ao segundo maior conflito bélico mundial.
Mas as bombas atômicas não foram as únicas tragédias proporcionadas pelo uso dos vasos de pressão. Conforme citado anteriormente, o uso desses equipamentos cresceu muito durante a Revolução Industrial e, com isso, cresceram também os acidentes por eles causados. De acordo com Tomazini (2015, p. 15), um dos principais acontecimentos foi a explosão, em 10 de março de 1905, em uma caldeira da empresa Grover Shoe Factory, em Brockton, Massachusetts (figura 3), que resultou na morte de 58 pessoas, 117 feridos e a destruição completa da fábrica. Após essa catástrofe, ficou patente a necessidade do desenvolvimento de normas de padronização e a adoção de procedimentos para a fabricação de vasos de pressão. Assim, em 1915, foi publicada a primeira versão do código ASME ─ Boiler and Pressure Vessel Code ─, editada em 1914, em um volume com 114 páginas. Hoje o código ASME possui 28 volumes, incluindo 12 dedicados à construção e inspeção de usinas nucleares.
Figura 3 - Antes e depois da explosão na fábrica Grover Shoe Factory. Fonte: https://mapr.com/blog/rationale-securing-big-data-part-1/.
Acessado 11/07/2018
O Brasil não ficou de fora das tragédias ocorridas. Segundo Chainho (2012, p. 6)
Em 1950 foi inaugurada no Brasil sua primeira grande refinaria de petróleo em Mataripe, Bahia, a Refinaria Landulfo Alves (RLAM). Em 1954 entrou em operação a Refinaria Presidente Bernardes de Cubatão (RPBC). As duas eram responsáveis pelo suprimento de quase todo o mercado brasileiro de derivados de petróleo cabendo a maior parte (~80%) à RPBC. Depois de quatro anos de operação ocorreu um grande acidente na refinaria de Cubatão, que provocou a morte de três pessoas, causou enormes danos às instalações, chegando a comprometer o suprimento do mercado. O monopólio estatal do petróleo passou a ser mais questionado, abalando até sobrevivência da Petrobrás que havia sido criada há apenas 4 anos. A causa foi a corrosão de um pequeno trecho (~60cm) de tubulação de 6” que havia sido confeccionado em aço carbono em lugar do material especificado no projeto: aço liga 5%Cr 0,5%Mo, perfeitamente adequado para as condições às quais seria submetido.
Atualmente, não só o Brasil, mas diversos outros países utilizam a norma ASME para o dimensionamento e padronização dos vasos de pressão e caldeiras. Segundo Telles (1996, p. 81), as normas mais conhecidas e utilizadas mundialmente para a fabricação de vasos de pressão são: a norma americana ou código ASME (American Society of Mechanical Engineers – Sociedade dos Engenheiros Mecânicos dos Estados Unidos) e a norma inglesa PD-5500 (BS-5500).
No Brasil, as normas da ABNT/NBR e as normas regulamentadoras (NR) regem as diretrizes de fabricação e as especificações dos mais diversos itens no país.
Dentre as normas regulamentadoras para vasos de pressão, a NR-13 estabelece os requisitos mínimos para a gestão da integridade estrutural de vasos de pressão (MTPS, 2016)
2.3 CLASSIFICAÇÃO DOS VASOS DE PRESSÃO
Segundo Telles (1996), de acordo com as finalidades a que se destinam, os vasos de pressão são classificados da seguinte maneira:
Vasos sujeitos à chama: incluem as caldeiras e os fornos.
Vasos não sujeitos à chama: vasos de armazenamento e de acumulação, torres de destilação fracionada, retificação e absorção, reatores diversos, esferas de armazenamento de gases e trocadores de calor, incluindo trocadores propriamente ditos, aquecedores, resfriadores, condensadores, refervedores e resfriadores a ar.
2.4 COMPONENTES DE UM VASO DE PRESSÃO
Neste trabalho foram estudados os seguintes componentes de um vaso de pressão: o casco, os tampos, os bocais e, finalmente, seus suportes. Estes componentes são descritos a seguir.
2.4.1 Casco e Tampos
Os principais componentes que integram um vaso de pressão são seu casco e seus tampos. Os vasos de pressão tem seu formato padrão de revolução e, segundo Otterbach (2012), podem apresentar formato cilíndrico, esférico, cônico, entre outros, podendo ainda, conforme a necessidade, haver combinações desses formatos. O cilíndrico é o formato mais utilizado, esta preferência é devida a facilidade de fabricação e de transporte. Os esféricos são considerados ideais para um casco de pressão, pois com ele consegue-se chegar a menor espessura de parede e ao menor peso, em igualdade de condições para pressão e volume contido. Para a seção de transição entre dois corpos cilíndricos de diâmetros diferentes são empregados os cascos cônicos, que também são utilizados quando o fluido de trabalho é muito viscoso ou quando se deseja minimizar as perdas por escoamento.
Em relação aos tampos, em vasos com cascos cilíndricos podem ser utilizadas configurações elípticas, toriesféricas, hemisféricas, cônicas ou planas, conforme mostrado na figura 4, e a escolha entre eles é determinada por aspectos econômicos relacionados com o diâmetro, pressão de trabalho e recursos disponíveis para construção (TELLES, 1996).
Figura 4 – Alguns tipos de tampos. Fonte: Telles (1996).
2.4.2 Bocais
Bocais e derivações são normalmente utilizados em vasos de pressão com o objetivo de transferir fluidos e fazer comunicação entre vasos. Integrais ou soldados, os bocais são conectados aos vasos, formando intersecções cilíndricas. É bem conhecido que elevados níveis de tensões ocorrem na região da intersecção entre bocais e vasos de pressão devido à descontinuidade geométrica da estrutura (SPENCE e TOOTH, 1994). Adicionalmente, defeitos resultantes da falta de deposição ou de penetração de solda proveniente da soldagem durante a fabricação fazem que a região das intersecções seja a parte mais fraca do vaso e, consequentemente, possível fonte de falhas de toda a estrutura (XUE et al., 2003).
2.4.3 Suportes
Todos os vasos de pressão devem ter suporte próprio não se admitindo, mesmo para vasos leves ou de pequenas dimensões, que fiquem suportados pelas tubulações a ele ligadas. Os suportes devem ser projetados para absorver os carregamentos de peso próprio do equipamento e de acessórios, cargas externas como esforços de tubulação nos bocais, além dos momentos devidos à força de vento, por exemplo.
3.4.3.1 Suporte Para Vasos Horizontais
Normalmente os vasos de pressão horizontais são suportados por dois berços, distribuindo-se igualmente o peso do vaso e do seu conteúdo.
Teoricamente, considerando-se o vaso como uma viga com os extremos em balanço, os berços deveriam ser localizados de tal forma a obter um momento fletor no meio do vão igual aos momentos fletores nos pontos de apoio, como mostra a Figura 5.
Este problema foi estudado por ZICK que, levando em consideração o efeito enrrigecedor dos tampos sobre a parte cilíndrica, construiu um ábaco permitindo localizar adequadamente os suportes de um vaso de pressão horizontal. Este método foi criado em 1951 e é recomendado pela ASME e adotado na norma BS-5500.
Figura 5 - Momento fletor atuante devio aos apoios de um vaso de pressão horizontal. Fonte: Carvalho, 2014, página 53
Dessa forma, vasos horizontais devem ser suportados por duas selas situadas simetricamente em relação ao meio do comprimento do vaso e recomenda-se espaçamento entre elas do equivalente a 3/5 do comprimento entre tangentes do costado. Uma das selas, chamada de móvel, deve ter sempre os furos alongados para chumbadores para acomodar a dilatação térmica própria do vaso. Além disso, as chapas calandradas das duas selas devem ser soldadas ao casco do vaso por um cordão de solda contínuo.
Como na maioria das vezes as selas são soldadas ao vaso, o material das selas deve ser o mesmo material do costado, pois deve ter, no mínimo, a mesma resistência do material do costado. Com relação à sua espessura, recomenda-se que tenha a mesma espessura nominal do costado.
A Figura 6 ilustra três dos tipos de suportes para vasos de pressão horizontais. Sendo: a) suporte tipo sela; b)suporte tipo anel; c)suporte tipo perna.
Figura 6 - Tipos de Suportes para Vasos de Pressão Horizontais Fonte: Souza, 2015, página 79
2.4.3.2 Suporte Para Vasos Verticais
Os vasos verticais podem ser suportados por meio de saias cilíndricas ou cônicas, colunas ou sapatas (lugs). Sempre que possível, devem ser usadas colunas.
Conforme a Norma Petrobrás, a seleção do tipo de suporte de vasos verticais deve ser feita de acordo com a Figura 7, a não ser que outras exigências sejam aplicáveis.
De maneira geral, as torres são suportadas por meio de saias, sendo que a espessura mínima das saias é 6,3 mm.
Figura 7 – Suporte para vasos verticais. Fonte: Carvalho, 2014, página 55.
2.5 POSIÇÕES DE UM VASO DE PRESSÃO
Quanto a sua posição os vasos podem ser verticais ou horizontais. Os vasos verticais são empregados, principalmente, quando é essencial utilizar a ação da gravidade para a operação ou para o escoamento de fluidos, como ocorre em torres de fracionamento ou retificação. Por outro lado, os vasos horizontais, normalmente mais utilizados e de menor custo em relação aos verticais, são empregados em trocadores de calor e vasos de acumulação. A Figura 8 ilustra as principais posições de instalação dos vasos de pressão (TELLES, 1996).
Figura 8 – Posição dos vasos de pressão Fonte: Telles (1996).
2.6 MATERIAIS
Segundo Falcão (1996), os materiais mais usados em projetos de vasos de pressão são os aços carbono, aços liga e aços inoxidáveis, abrangendo uma ampla faixa de temperatura entre –250 °C e 1100 °C. O aço-carbono é denominado material de uso geral, porque, ao contrário dos outros materiais, não tem casos específicos de emprego, oferece uma boa confiabilidade e boa soldabilidade, é de fácil obtenção e encontrável sob todas as formas de apresentação, além de apresentar custo baixo quando comparado a outros materiais.
O aumento na quantidade de carbono no aço produz basicamente um aumento nos limites de resistência e de escoamento, na dureza e na temperabilidade do aço. Em compensação, esse aumento prejudica bastante a ductilidade e a soldabilidade do aço. Embora seja difícil estabelecer-se limites rígidos para o teor de carbono, são usuais os seguintes valores como máximos recomendáveis em aços para vasos de pressão:
• Partes soldadas sujeitas a pressão ou a outros esforços em vasos importantes: 0,26% • Outras partes soldadas sujeitas à pressão em vasos em geral: 0,30%
• Máximo admissível para qualquer parte soldada (mesmo não submetido a pressão): 0,35%
Os aços com quantidade de C superior a 0,3% apresentam alta suscetibilidade a trincas nas soldas devido à ação do hidrogênio que fica retido nas soldas (trincas a frio). Para partes não soldadas não há limitação da quantidade de carbono. Os aços carbonos podem ser acalmados, com adição de até 0,6% de Si, para eliminar os gases, ou efervescentes, que não contêm Si. Os aços-carbono acalmados têm estrutura metalúrgica mais fina e uniforme e com menor incidência de defeitos internos, sendo assim de qualidade superior aos efervescentes. Recomenda-se o emprego de aço carbono acalmado sempre que ocorrerem temperaturas acima de 400º C, ainda que por pouco tempo, ou para as temperaturas inferiores 0 ºC. Os aços de baixo carbono (até 0,25%C) tem limite de resistência da ordem de 310 a 370 MPa (31 a 37Kg/mm²), e limite de escoamento de 150 a 220 MPa (15 a 22 Kg/mm²). Para aços de médio carbono (até 0,35%C), esses valores são, respectivamente, 370 a 540 MPa (37 a 54 Kg/mm²) e 220 a 280 MPa (22 a 28 Kg/mm²).
A resistência mecânica do aço-carbono começa a sofrer uma forte redução em temperaturas superiores a 400 ºC, em função do tempo, devido principalmente ao fenômeno de deformações permanentes por fluência, que começa a ser observado a partir de 370 ºC, e deve ser considerado obrigatoriamente para qualquer serviço em temperatura acima de 400 ºC. O aço-carbono é um material de baixa resistência a corrosão. Por essa razão é quase sempre necessário o acréscimo de um sobre metal para corrosão em todas as partes de aço-carbono em contato com o fluido de processo ou atmosfera, exceto se houver pintura ou outro revestimento adequado.
Cabe ao projetista mecânico do equipamento a especificação final do material, de acordo com o código de projeto a ser adotado, considerando a resistência mecânica e outros fatores como temperatura e corrosão sob tensão, se houver.
Todos os projetos de vasos de pressão devem seguir algum código internacionalmente reconhecido, como a norma inglesa BS-5500, o código alemão A.D Merkbetter, o código francês SNCTTI e o código ASME, mais conhecido e utilizado (HUPPES, 2009).
Segundo Huppes (2009, pg 7) o código ASME, criado pela Associação Americana de Engenheiros Mecânicos, é um texto normativo que abrange não apenas critérios, fórmulas de cálculos existentes de detalhe e projeto, mas também regras, detalhes e exigências relativas a fabricação, montagem e inspeção de vasos de pressão bem como os materiais a serem utilizados na sua construção. Ele está dividido em seções, sendo a Seção VIII, Pressure Vassels, específica para projeto de vasos de pressão. Esta seção por sua vez divide-se em três partes:
1 – A Divisão 1 contém regras para a construção dos vasos, não exigindo uma análise mais detalhada dos esforços atuantes, é garantida com grandes coeficientes de segurança nos cálculos.
2 – A Divisão 2 permite espessuras menores, devidas a tensões admissíveis mais altas, porém exige exames, testes e inspeção mais rigorosos, o mesmo ocorrendo com detalhes construtivos. Existem condições de projeto em que sua utilização é mandatória. Sempre que um vaso está sujeito a carregamentos cíclicos e gradientes térmicos, deve ser projetado por ela, pois apenas nela está prevista metodologia de cálculo para estas exigências. Também é o caso de equipamentos com pressão interna de projeto superior a 20685 kPa, sendo este o limite de aplicação para a Divisão 1. Caso nenhuma das condições acima se verifique, o projetista deverá realizar uma análise de custos e prazos para selecionar qual Divisão será adotada.
3 – A Divisão 3 é utilizada para vasos com pressão muito elevada.
As três Divisões têm como finalidade estabelecer regras seguras para projeto e fabricação de vasos de pressão, apresentando metodologia e critérios para dimensionamento, fabricação, realização de exames não destrutivos, além de materiais aplicáveis com respectivas tensões admissíveis.
Neste trabalho, adotou-se os critérios apresentados pela norma ASME Seção VIII, Divisão 2. Os resultados foram validados comparando-os com os resultados apresentados por Souza (2015).
Também foi adotada a metodologia de classificação de vasos de pressão estabelecida pela Norma Regulamentadora NR-13, do Ministério do Trabalho e Emprego do Brasil, que tem por objetivo condicionar a inspeção de segurança e operação de vasos de pressão e caldeiras. As condições estabelecidas com aplicação desta norma são afixadas em todos os vasos de pressão por meio de uma placa de identificação informando: Fabricante, número de identificação, ano de fabricação, pressão máxima de trabalho admissível, pressão de teste hidrostático, código de projeto e ano de edição e categoria do vaso.
3.1 DEFINIÇÕES BÁSICAS
3.1.1 Pressão e Temperatura de Operação
De acordo com Telles (1996), a pressão e a temperatura de um vaso são as suas “condições de operação”, isto é, os pares de valores simultâneos de pressão e de temperatura com os quais o vaso deverá operar em condições normais. A pressão deve ser medida no topo do vaso de pressão em posição normal de operação, a uma determinada temperatura de operação.
Segundo Nava (2005), raramente um vaso de pressão opera, durante toda sua vida, em uma única condição estável de pressão e de temperatura, ocorrendo em geral flutuações de maior ou menor amplitude. Deve-se por isso distinguir os valores normais e os valores máximos de pressão e de temperatura. Os primeiros são os valores de regime, e os máximos são os maiores valores que podem ser atingido em operação normal, ou em quaisquer situações anormais que possa acontecer tais como partida anormal, parada de emergência, falha no sistema de controle, etc. Eventualmente, um vaso poderá ter mais de uma condição de regime, isto é, poderá estar sujeito, em operação normal, a condições diferentes de trabalho. É importante notar que há meios de proteger o vaso contra uma pressão anormal, utilizando equipamento como válvula de segurança, disco de ruptura, etc. Entretanto, não existe nenhum meio completamente seguro de protegê-lo contra uma subida anormal de temperatura, que pode ocorre por vários motivos, como falha em instrumentos ou em sistemas de controle, erros de operação, fluido fora do especificado, entre outros.
3.1.2 Pressão e Temperatura de Projeto
Denominam-se pressão e temperatura de projeto as “Condições de Projeto” do vaso de pressão, ou seja, os valores considerados para efeito de cálculo e de projeto do vaso. De acordo com a norma ASME, a pressão do projeto é a pressão correspondente às condições mais severas que possam ser previstas em serviço normal. No caso do vaso projetado para pressão interna, é usual adotar-se para a pressão de projeto o maior dos dois seguintes valores: Pressão máxima de operação, acrescida de 5%, quando o dispositivo de alivio de pressão (válvula de segurança) for operado por válvula piloto, e acrescida de 10% nos demais casos. De acordo com a norma ASME, o valor mínimo da pressão interna de projeto é de 1,0 Kgf/cm², mesmo para os vasos que operam com pressão nula ou muito baixa.
É também considerado pela norma ASME como pressão de projeto a pressão de abertura do dispositivo de alivio de pressão (válvula de segurança). As condições de projeto são valores estabelecidos no projeto mecânico do vaso de pressão. Por essa razão, embora esses valores sejam baseados na pressão e temperatura de operação, convém que o responsável pelo projeto mecânico conheça todas as situações de funcionamento do vaso.
3.1.3 Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA)
A Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) é o maior valor permitido para a pressão de trabalho medida na temperatura normal de operação, considerando o vaso com a espessura corroída. É a verdadeira capacidade do equipamento, em termos de pressão.
A Norma Regulamentadora do Ministério do Trabalho, NR-13 – Caldeiras e vasos de pressão foi revisada, tornando obrigatório a determinação do valor da PMTA para todos os vasos em operação no Brasil, inclusive os que já foram instalados.
Para se determinar a PMTA do equipamento é necessário calcular a PMTA de cada um de seus componentes (casco, tampos, quanto os secundários, como flanges, bocais e reforços). A PMTA do equipamento será a menor delas.
Para os componentes principais, como cascos, tampos e transições o cálculo é bastante simples, ou seja, com a espessura nominal, com a tensão admissível e a geometria do componente determina-se a pressão máxima de cada componente, utilizando-se as expressões dos códigos de projeto. Já para componentes secundários, como bocais e reforços, flanges e espelhos de trocadores o cálculo é mais complexo. Alguns elementos destes componentes podem limitar a PMTA num valor inferior ao do componente principal em que estão instalados.
A PMTA deve ser determinada para pressão interna ou externa em cada componente, descontando-se a pressão devida à coluna de líquido correspondente ao componente analisado, e considerando-se duas condições:
• Equipamento novo e frio, com corrosão zero e tensões admissíveis na temperatura ambiente. Esta PMTA serve basicamente para determinar a pressão de teste hidrostático ou pneumático do vaso novo;
• Equipamento corroído e quente, descontando-se a espessura de corrosão e com tensões admissíveis na temperatura de projeto. Esta PMTA determina as condições de segurança do equipamento. A PMTA final do equipamento será a menor das pressões máximas de cada componente, medida no ponto mais alto (topo) do vaso. A PMTA também pode ser calculada considerando que não terá perda por corrosão e com temperatura ambiente. Esta é denominada PMTA na condição do equipamento novo e frio e tem como finalidade determinar a pressão de teste pneumático ou hidrostático do vaso. O valor da PMTA é geralmente utilizado para a pressão de projeto.
3.1.4 Teste Hidrostático.
O teste hidrostático em vaso de pressão consiste no preenchimento completo do vaso com água ou com outro líquido apropriado, no qual se exerce uma determinada pressão, que é a “pressão de teste hidrostático”. O teste tem por finalidade a detecção de possíveis defeitos e falhas ou vazamentos em soldas, roscas e outras ligações no próprio vaso ou em seus acessórios. É de toda a conveniência que a pressão do teste hidrostático seja a maior possível, compatível com a segurança da parte mais fraca do vaso. Esta pressão é, por isso, sempre superior a pressão do projeto e a pressão máxima de trabalho admissível do vaso. De acordo com a norma ASME, Seção VIII, Divisão 2, a pressão mínima do teste hidrostático deve ser maior que 1,43 vezes a PMTA do vaso.
PMTA
PT 1,43 (3.1)
onde:
T
P é a pressão mínima de teste hidrostático.
O teste hidrostático não é aconselhável em alguns casos como, por exemplo, em vasos de grande volume, para gases, que sejam montados no campo, em que os suportes e fundações não suportem ao peso do vaso cheio de água. Sendo assim é mais comum e muito mais seguro que seja feito um superdimensionamento dos suportes e fundações, calculando para o peso do vaso de pressão cheio de água. O teste hidrostático também não é utilizado, em vasos que dependendo do tipo de material ou para alguns serviços onde não se pode tolerar nenhum vestígio residual de água ou de umidade no interior do vaso.
De acordo com Telles (1996), exceto no caso de vasos de materiais adequados para baixa temperatura, não deve ser permitido nenhum teste de pressão, estando à água em temperatura inferior a 15°C, para evitar a possível ocorrência de fraturas frágeis. Caso necessário, deve-se aquecer a água do teste até essa temperatura, antes de aplicar a pressão. É importante que essas exigências quanto à qualidade e condições da água constem claramente no projeto do vaso. Para alertar a quem for realizar o teste hidrostático é recomendável que essas exigências figurem na placa de identificação do vaso.
3.1.5 Tensão Admissível do Material
Telles (1996, pg. 89) define as tensões admissíveis como as tensões máximas utilizadas para o dimensionamento das diversas partes de um vaso de pressão. As tensões admissíveis, evidentemente, são sempre menores que os valores do limite de resistência e limite de escoamento do material na temperatura considerada e são determinadas em função do critério de cálculo, do tipo de carregamento, da segurança desejada e da temperatura de projeto. A relação entre os limites de resistência e escoamento e a tensão admissível é o que se chama coeficiente de segurança (TELLES, 1996). Para temperaturas elevadas, as tensões admissíveis são definidas em função do comportamento à fluência do material, considerando fatores como a taxa de deformação na temperatura considerada e o tempo estimado para a ocorrência da falha ou determinado valor de deformação.
De acordo com a ASME Seção VIII Divisão 2, a verificação de tensões deve ser separada em categorias denominadas de primária, secundária e pico, sendo definido um limite de tensão para cada uma delas. Segundo Telles (1996, pg. 89), as tensões primárias são aquelas causadas por esforços mecânicos permanentes, que se desenvolvem no material para satisfazer as condições de equilíbrio estático em relação aos diversos carregamentos atuantes, podendo ser normais ou cisalhantes. As tensões primárias normais podem ser de membrana ou flexão. A tensão de membrana, devido à pressão interna, é sempre de tração, já que o elemento da parede do vaso tende a aumentar de dimensões. As tensões de flexão aparecem porque o raio de curvatura da parede aumenta como consequência da deformação diametral decorrente da pressão interna. A tensão de flexão tem um valor variável ao longo da espessura da parede, sendo nula no centróide da parede. Em relação à pressão interna essa tensão é máxima de tração na superfície interna e máxima de compressão na superfície externa. As tensões de flexão são tanto maiores quanto maior for a espessura da parede.
As tensões primárias são sempre proporcionais às cargas das quais se originam. Supondo que as cargas aumentem indefinidamente, as tensões também aumentarão, podendo levar à falha do equipamento. A principal característica das tensões primárias é não ser auto-limitante, o que significa que enquanto o carregamento estiver sendo aplicado, a tensão continua atuando, não sendo aliviada por deformação. Caso estas tensões excedam o limite de escoamento do material, poderão ocorrer deformações excessivas ou colapso plástico. (TELLES, 1996, pg.90)
As tensões secundárias são aquelas resultantes não de cargas aplicadas, mas devido às restrições geométricas do próprio vaso, ou devido a restrições causadas por estruturas
ou dilatar. Já as tensões longitudinais são aquelas que tendem a romper o vaso segundo a sua seção transversal quando este estiver sobre pressão interna. (CARVALHO, 2008, pg. 71).
Para Telles (1996, pg. 93), as tensões de pico (tensões localizadas máximas ou peak stress) representam os valores máximos das tensões atuantes em regiões limitadas do equipamento devido à concentração de tensões causada por descontinuidades geométricas, tais como defeitos de soldagem e regiões de transição de formato. Embora possam atingir valores elevados, não costumam ser perigosas, por atuar regiões muito limitadas do equipamento, causando deformações desprezíveis. Apesar disso é necessário evitar valores muito elevados destas tensões porque podem dar origem a trincas por fadiga ou por corrosão sob tensão, assim como iniciar uma fratura frágil no vaso.
A tensão admissível do material pode ser obtida através das tabelas de tensão (I) da norma ASME Seção VIII, Divisão II, parte D, subparte 1, conforme as Tabelas 3.1 e 3.2 (ASME VIII, 2010). A Tabela 3.1 é utilizada de acordo com material de trabalho para que através da determinação do valor da linha em que ele se encontra, possa ser consultada em uma segunda tabela (Tabela 3.2) e na mesma numeração da linha, a tensão admissível de acordo com a temperatura de projeto. Poderão ser realizadas interpolações, caso o valor de temperatura esteja compreendido dentre um intervalo determinado de temperaturas.
O aço que será usado na validação de resultados desse projeto é uma chapa de aço acalmado ou aço carbono SA 516 Grado 70, conforme utilizado em Souza (2015). Dessa forma, localiza-se na linha 10 da Tabela 3.4 e quando relacionado à linha 10 da Tabela 3.5, apresenta uma tensão máxima admissível em torno de 25 e 20 ksi (137,89 MPa – 174,44 MPa) para temperaturas no intervalo de -20 a 450°F (-28,89 a 232,22 °C).
Tabela 3.1 – Determinação da tensão admissível do aço ao carbono ASTM A 516 Gr.70.
Tabela 3.2 – Valores de tensões admissíveis para o aço ASTM A 516 Gr. 70.
3.1.6 Coeficiente de Eficiência de Junta Soldada (e)
A eficiência de junta soldada é expressa como uma quantidade numérica e é usada no projeto de uma junta como um multiplicador do valor apropriado de tensão admissível. A eficiência da junta soldada depende do grau de inspeção e do tipo de junta, conforme a Tabela 3.3. É importante dizer que, para o caso de cilindros sem costura, E = 1,0. Na figura 9 são apresentados esquemas dos tipos de soldas.
Figura 9 - Tipos de solda. Fonte: Silva Telles, 2001.
Tabela 3.3 – Coeficientes de eficiência de solda (E).
Segundo o código ASME (2015) as soldas são classificadas em cinco categorias (A, B, C, D e E), conforme a Figura 8, em função das tensões de tração devidas à pressão interna a que estão submetidas.
• Categoria A: são juntas longitudinais e espirais soldadas dentro do casco principal, câmaras comunicantes, transições de diâmetro, ou bocais; qualquer junta soldada dentro de uma esfera, dentro de um tampo conformado ou plano, ou na placa lateral de um vaso de lados planos; juntas circunferenciais soldadas ligando tampos hemisféricos a cascos principais, a transições em diâmetros, a bocais, ou a comunicação de câmaras.
• Categoria B: são juntas circunferenciais soldadas dentro do casco principal, câmaras comunicantes, bocais, ou transições de diâmetro, incluindo juntas entre a transição e um cilindro com grandes, ou pequenas espessuras; juntas circunferenciais soldadas ligando tampos conformados, com formato diferente de hemisféricos, de cascos principais, a transições de diâmetro, a bocais, ou a comunicação de câmaras.
• Categoria C: são juntas soldadas conectando flanges, pedras de Van Stone, cascos-tubos, ou tampos planos a cascos principais, a tampos conformados, a transições de diâmetro, a bocais ou a comunicação de câmaras, qualquer junta soldada ligando um lado da placa a qualquer outro lado placa de um vaso de lados planos.
• Categoria D: são juntas soldadas ligando câmaras comunicantes ou bocais a cascos principais, a esferas, a transições de diâmetro, a tampos, ou vasos de lados planos e juntas ligando bocais a câmaras comunicantes (para bocais com extremidade pequena de uma transição em diâmetro, ver categoria B).
• Categoria E: são juntas soldadas conectando partes não pressurizadas e partes fixas rígidas.
Figura 10 - Ilustração da localização das juntas soldadas das categorias A, B, C, D e E. Fonte: ASME VIII, Divisão 2, 2013, página 232.
Em casos dos vasos de pressão que utilizam as formas cilíndrica e de cônica, os esforços circunferenciais que são aplicáveis às soldas longitudinais são maiores do que os esforços longitudinais que atuam nas soldas circunferenciais. Sendo assim, as soldas longitudinais são da categoria A e as circunferenciais, da categoria B.
3.2 NORMA REGULAMENTADORA NR-13
Esta Norma Regulamentadora deve ser aplicada aos equipamentos sempre que
8
PV (3.2)
onde: P é a máxima pressão de operação em MPa, e; V é o volume geométrico interno em m³.
além de vasos de pressão que contenham fluidos de classe A, independentemente de suas dimensões e da relação expressa pela inequação (3.2).
Nos anexos 3 e 4 da NR-13, são encontradas ferramentas para classificar e categorizar os vasos de pressão de acordo com o tipo de fluido e o potencial de risco, o que deve ser feito de acordo com as Tabelas (3.4) e (3.5).
Tabela 3.4 – Classe dos fluidos de acordo com o tipo de fluido.
Tabela 3.5 – Grupo de risco do vaso.
Fonte: Adaptado da NR-13 (1995).
Depois de definir a Classe e o Grupo de Potencial de Risco, categoriza-se o vaso conforme a Tabela 3.6 abaixo. Conforme dito anteriormente, esta categorização deve constar na placa de identificação do vaso de pressão durante toda a vida do mesmo.
Tabela 3.6 – Categorias de vasos de pressão conforme NR-13
3.3 NORMA ASME SEÇÃO 8 DIVISÃO 2
O vaso separador trifásico de gás, água e óleo que considerado nos testes iniciais do site, foi dimensionado segundo a norma ASME Seção VIII Divisão 2. Por isso é importante que se conheça o procedimento de cálculo preconizado pela norma.
3.3.1 Espessura Mínima de Cálculo
Conforme citado anteriormente, a Divisão 1 apresenta um procedimento mais conservador se comparada à Divisão 2, possibilitando que possam ser obtidas menores espessuras com adoção da última.
A espessura mínima é a menor espessura que garanta a não ocorrência de falhas. Após calcular a espessura de cada um dos componentes do vaso, adota-se como espessura mínima final um valor igual ou superior ao maior dos valores encontrados. Deve-se evitar transições de espessura e de formato da parede, pois isto pode ocasionar em distribuições irregulares e no acúmulo de tensões.
Segundo a ASME (2015, pg. 153), exceto para as disposições especiais listadas abaixo, a espessura mínima permitida para cascos e tampos, independentemente da forma e material do produto, deve ser de 1,6 mm (0,0625 pol.), excluindo qualquer sobreespessura de corrosão. Dentre as exceções estão:
(a) Esta espessura mínima não se aplica a placas de transferência de calor de trocadores de calor tipo placa.
(b) Esta espessura mínima não se aplica ao tubo interno de trocadores de calor de tubos duplos nem a tubos e tubulações que são protegidos por uma carcaça, revestimento ou duto, onde tais tubos ou dutos são DN 150 (NPS 6). Esta restrição aplica-se independentemente se o tubo exterior ou o casco são construídos segundo as regras de código. Todas as outras partes destes trocadores de calor submetidas à pressão que são construídos segundo a norma devem atender a espessura mínima de 1,6 mm (0,0625 pol.).
(c) A espessura mínima dos cascos e dos tampos usados com ar comprimido, vapor e água, feitos com materiais de aço carbono ou de baixa liga deve ser de 2,4 mm (0,0938 pol.), excluindo a sobreespessura de corrosão.
(d) Esta espessura mínima não se aplica aos tubos em trocadores de calor refrigerados a ar e torre de resfriamento se as seguintes provisões forem observadas:
1) Os tubos devem estar protegidos por barbatanas ou outros meios mecânicos. 2) O diâmetro externo do tubo deve ter no mínimo 10 mm (0,375 pol.) E, no máximo 38 mm (1,5 pol.).
3) A espessura mínima utilizada não deve ser inferior à calculada pelas equações apresentadas na seção 4.3 da norma e em nenhum caso menos de 0,5 mm (0,022 pol.).
3.3.1.1 Cascos
O valor mínimo da espessura (t) de parede de um vaso de pressão, deve ser o maior valor obtido quando as equações 3.2 e 3.3 são comparadas, segundo Telles (1996, pg.16 ).
C t tC (3.3) S t t (3.4) onde: C
t é a espessura mínima calculada para resistir as pressões interna e/ou externa considerando a sobre espessura por corrosão, em mm;
S
t é a espessura mínima de resistência estrutural, em mm;
t é a espessura mínima calculada para resistir às pressões interna e/ou externa, em mm; e,
C é a sobreespessura por corrosão, em mm.
Devido à perda de material por conta da corrosão, a espessura do vaso diminui com o seu tempo de vida. Dessa forma, faz-se necessário o cálculo de uma sobrespessura de material. Esta pode ser calculada como o produto da taxa anual (mm/ano) de corrosão multiplicada pela vida útil.
É usual adotar os seguintes valores de C em vasos de aço-carbono ou aços de baixa liga:
C = 1,5 mm para meios pouco corrosivos;
C = 3,0 mm para meios mediamente corrosivos (normais); e, C= 4 a 6 mm para meios muito corrosivos.
confiáveis para a taxa anual de corrosão. Não é comum adotar margens para corrosão maiores que 6 mm, em geral, quando a margem resulta acima de 6 mm, significa que o material não é adequado para o serviço em questão, recomendando-se assim, outro material mais resistente à corrosão. A margem para corrosão só pode ser dispensada nos casos em que a corrosão for reconhecidamente nula ou desprezível, ou quando houver uma pintura ou algum outro tipo de revestimento anticorrosivo adequado a cada situação, como no caso de serviços com gases inertes.
A Divisão 2 exige as seguintes espessuras mínimas para as partes do vaso sujeitas a pressão: partes em aço-carbono ou aços de baixa liga as espessuras mínimas são de 6,4 mm e partes em aços inoxidáveis ou em metais não-ferrosos as espessuras mínimas são de 3,2 mm. De acordo com essas espessuras, sempre que necessário, deve ser acrescentada a margem de corrosão.
O capítulo 4, seção 4.3.3, subseção 4.3.3.1 da norma ASME Seção VIII, Divisão 2 estabelece que as bases para o cálculo da espessura do casco de um vaso de pressão cilíndrico sujeito a pressões internas, conforme analisado neste trabalho, são feitas a partir da seguinte equação: 1 2 SE P C e D t (3.5) onde: C
t é a espessura mínima do costado, em mm;
D é o diâmetro interno do vaso, em mm;
P é a pressão de projeto, em Pa;
S é a tensão máxima para o material em função da temperatura de projeto (Tabela 3.5); e,
E é o coeficiente de eficiência de solda (Tabela 3.6).
Com o valor da espessura mínima calculado, determina-se a espessura da chapa comercial através de catálogos de fornecedores de chapas. O valor da espessura mínima calculada não poderá ser maior que o valor da espessura da chapa comercial.
3.3.1.2 Tampos
O cálculo das espessuras dos tampos elípticos são descritos no Capítulo 4, seção 4.1, subseção 4.1.2 e na seção 4.3, subseções 4.3.6 e 4.3.7 do código ASME VIII, Divisão 2.
A espessura mínima exigida para um tampo elíptico submetido à pressão interna deve ser calculada utilizando o passo a passo mostrado para o tampo toriesférico que se encontra na subseção 4.3.6 com os valores de
r
e L correspondentes ao tampo elipsoidal e apresentados na subseção 4.3.7, conforme as equações 3.7 e 3.8.Esse procedimento é aplicável quando a condição
1,7 ≤ k ≤ 2,2 (3.6)
se verifica. O valor de k é dado pela equação (3.6)
h D k 2 (3.7) onde:
k é o ângulo constante para o cálculo da espessura do tampo; e,
h é a altura do tampo elíptico medida na superfície interna do tampo, em mm.
Na figura 6 estão mostrados os elementos t , h e D do tampo elíptico. Uma vez obtido o valor de k , utiliza-se as equações 3.7 e 3.8 para obter os valores de
r
e L. 0,5 0,8 k D r (3.8)
0,44k_0,02
D L (3.9) Onde:r
é o raio do rebordo; e, L é o raio da coroa.Figura 11 – Tampo Elipsoidal.
Fonte: ASME VIII, Divisão 2, 2013, página 209.
Em seguida, o projetista deverá realizar a rotina descrita nos 11 passos a seguir:
1) Passo 1
Determine o valor de D e adote valores para L (raio da coroa),
r
(raio do rebordo) e t (espessura do tampo).2) Passo 2 Calcule as relações D L , D r e t L
, e verifique se as seguintes relações 3.8, 3.9 e 3.10 são atendidas. Caso não sejam o tampo deverá ser dimensionado de acordo com descrito no Capítulo 5 da norma ASME Seção VII, Divisão 2.
0 , 1 7 , 0 D L (3.10) 06 , 0 D r (3.11) 2000 20 r L (3.12)
3) Passo 3
Calcule as constantes geométricas th e th:
r L r D th 5 , 0 arccos (3.13) r t L th (3.14)
e, com estes valores, calcule o raio usado para o calculo da espessura do tampo elíptico R , th
th th
th r D R cos 5 , 0 , para th th (3.15) D Rth0,5 , para th th (3.16) 4) Passo 4 Calcule os coeficientes C e 1 C : 2 086 , 0 31 , 9 1 D r C , para 0,08 D r (3.17) 605 , 0 692 , 0 1 D r C , para 0,08 D r (3.18) 25 , 1 2 C , para 0,08 D r (3.19) D r C2 1,46 2,6 , para 0,08 D r (3.20) 5) Passo 5Calcule a pressão interna que produzirá flambagem elástica no rebordo P , eth
r R R C t E C P th th T eth 2 2 2 1 (3.21) onde: T
Calcule a pressão interna P que implicará na maior tensão no rebordo (igual à y tensão de escoamento do material),
1 2 2 3 r R R C t C P th th y (3.22) onde: Sy
C3 , onde Sy é a tensão de escoamento do material do tampo à temperatura de projeto se as propriedades do material forem independentes do tempo;
S
C3 1,1 , onde S é a tensão admissível do material à temperatura de projeto se as propriedades do material forem dependentes do tempo e se a tensão admissível for determinada baseada em 90% da tensão de escoamento; e,
S
C3 1,5 , onde S é a tensão admissível do material à temperatura de projeto se as propriedades do material forem dependentes do tempo e se a tensão admissível for determinada baseada em 97% da tensão de escoamento.
7) Passo 7
Calcule a pressão interna que produzirá falha por flambagem no rebordo, P : ck
eth ck P P 0,6 , para G1,0 (3.23) 2 2 3 3 0093965 , 0 089534 , 0 19014 , 0 1 019274 , 0 20354 , 0 77508 , 0 G G G G G G Pck , para G1,0 (3.24) onde: y eth P P G (3.25)
8) Passo 8
Calcule a pressão admissível baseado na falha por flambagem no rebordo, P : ak
5 , 1 ck ak P P (3.26) 9) Passo 9
Calcule a pressão admissível baseado na ruptura do rebordo, P : ac
5 , 0 2 t L E S Pac (3.27) 10) Passo 10
Calcule a máxima pressão interna admissível, P : a
ak ac
a P P
P min , (3.28)
11) Passo 11
Se a pressão P obtida no passo 10 for maior ou igual à pressão de projeto, então o a cálculo estará terminado; caso contrário, deve-se aumentar a espessura e refazer o cálculo.
O dimensionamento do tampo direito é o mesmo que o do tampo esquerdo. A subseção 4.1.2 do Capítulo 4 da Norma ASME Seção VIII, Divisão 2, estabelece a espessura mínima sem sobrespessura de corrosão é de 1,6mm.
3.3.2 Bocais
Segundo a norma ASME, Seção VIII, Divisão 2 bocais devem ser circulares, elípticos ou de qualquer outra forma que resultem da intersecção de um cilindro elíptico ou circular com um vaso com formatos apresentados nesse trabalho no capítulo 2, subseção 2.5.
O capítulo 4, seção 4.5, subparte 4.5.4 do código ASME, Seção VIII, Divisão 2, estabelece uma metodologia para o cálculo de alguns acessórios, como boca de visita, parede de bocais. O carregamento que deve ser considerado para os cálculos dos bocais é apenas a pressão interna.
As regras de projeto neste parágrafo devem ser usadas somente se a relação entre o diâmetro interno do casco e a espessura do casco for menor ou igual a 400, caso contrário, as pode-se usar sem essa restrição as metodologias das subpartes 4.5.10 e 4.5.11. Além disso, a relação entre o diâmetro ao longo do eixo maior e o diâmetro ao longo do eixo menor da abertura do bocal deve ser menor ou igual a 1,5.
Na Tabela 5.14 abaixo é a tabela adaptada da norma ASME, Seção VIII, Divisão 2, para a espessura mínima requerida para os bocais e bocas de visita segundo o diâmetro nominal (DN).
