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Apostila elaborada por: Guilherme Victor P. DONATO1 & Fernando Augusto Mourão VILLAS BOAS2
1 CENPES/PDP/TMEC – TECNOLOGIA DE MATERIAIS E CORROSÃO
Chave: br46 / donato@petrobras.com.br Rota: 812-7064
2 RH/UP/ECTAB – ESCOLA DE CIENCIAS E TECNOLOGIAS ABASTECIMENTO
Chave: sg1g /villasboas@petrobras.com.br Rota: 801-3475
SUMÁRIO
MÓDULO I 1 – INTRODUÇÃO ... 5 2 – DESCRIÇÃO ... 7 2.1 - COMPONENTES ... 7 2.2 - DIMENSÕES CARACTERÍSTICAS ... 10 2.3 - ABERTURAS E REFORÇOS ... 112.4 - PEÇAS INTERNAS DOS VASOS DE PRESSÃO ... 13
2.5 - ACESSÓRIOS EXTERNOS DOS VASOS DE PRESSÃO ... 14
2.6 - SUPORTES ... 15
3 – CÓDIGOS DE PROJETO ... 18
3.1 - INTRODUÇÃO ... 18
3.2 - PD-5500 - UNFIRED FUSION WELDED PRESSURE VESSELS ... 23
3.3 - AD – MERKBLATTER ... 23
3.4 - CÓDIGO ASME - THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS ... 24
4 – TENSÕES ADMISSÍVEIS ... 39
4.1 – CRITÉRIOS PARA FIXAÇÃO DAS TENSÕES ADMISSÍVEIS ... 39
4.2 – HISTÓRICO EVOLUÇÃO DOS FATORES DE SEGURANÇA NO CÓDIGO ASME 42 5 – ESPESSURAS PADRONIZADAS E SOBRESPESSURA DE CORROSÃO ... 45
6 – DEFINIÇÕES ... 48
7 – ETAPAS DO PROJETO, FABRICAÇÃO E MONTAGEM ... 52
8 – COMBINAÇÃO DE CARREGAMENTOS ... 56
9 – DIMENSIONAMENTO DE COMPONENTES PRESSURIZADOS ... 60
9.1 – DIMENSIONAMENTO A PRESSÃO INTERNA ... 60
9.2 – DIMENSIONAMENTO A PRESSÃO EXTERNA ... 97
10 – ABERTURAS E REFORÇOS ... 109
10.1 – INTRODUÇÃO ... 109
10.2 – PROCEDIMENTOS DE CÁLCULO (ASME Seç.VIII – Divisão 1) ... 113
11 – TESTES DE PRESSÃO ... 126
11.1 – TESTE HIDROSTÁTICO ... 126
11.2 – TESTE PNEUMÁTICO OU HIDROPNEUMÁTICO ... 135
12 – TRATAMENTO TÉRMICO DE ALÍVIO DE TENSÕES ... 144
12.1 – CONCEITOS BÁSICOS ... 144
12.2 – TRATAMENTO TÉRMICO NO INTERIOR DE FORNOS ... 145
12.3 – TRATAMENTO TÉRMICO POR AQUECIMENTO INTERNO ... 146
12.4 – TRATAMENTO TÉRMICO LOCALIZADO... 147
12.5 – RECOMENDAÇÕES DO CÓDIGO ASME SEÇÃO VIII ... 149
13 – MATERIAIS ... 153
13.1 – INTRODUÇÃO ... 153
13.2 – COMPORTAMENTO EM ALTAS TEMPERATURAS ... 156
13.3 – COMPORTAMENTO EM BAIXAS TEMPERATURAS ... 160
14 – EXIGÊNCIAS DIMENSIONAIS... 191
14.1 – LIMITES DE OVALIZAÇÃO EM CASCOS CILÍNDRICOS, CONICOS E ESFÉRICOS (UG-80) ... 192
14.2 – TOLERÂNCIAS PARA TAMPOS CONFORMADOS (UG-81) ... 194
14.3 – TOLERÂNCIAS PARA ALINHAMENTO (UW-33) ... 196
14.4 – RECOMENDAÇÕES DE NORMA PETROBRAS N-268 ... 197
MÓDULO II 15 – CONSERVADORISMO DOS CÓDIGOS DE PROJETO ... 200
16 – CRITÉRIOS DE ESCOAMENTO ... 204
16.1 – INTRODUÇÃO ... 204
16.2 – TEORIA DE TENSÃO MÁXIMA OU CRITÉRIO DE RANKINE ... 205
16.3 – TEORIA DE TENSÃO CISALHANTE MÁXIMA OU CRITÉRIO DE TRESCA ... 205
16.4 – TEORIA DA ENERGIA DE DISTORÇÃO OU CRITÉRIO DE VON MISES... 206
16.5 – EXEMPLOS DE APLICAÇÃO DE CRITÉRIOS DE ESCOAMENTO ... 207
17 – CLASSIFICAÇÃO DE TENSÕES ... 209
17.1 - CATEGORIAS DE TENSÕES ... 209
17.2 – LINEARIZAÇÃO E SEPARAÇÃO DE TENSÕES ... 214
17.3 - CARACTERIZAÇÃO DAS TENSÕES ... 222
18 - SUPORTAÇÃO DE VASOS HORIZONTAIS ... 229
18.1 – INTRODUÇÃO ... 229
18.2 – MOMENTOS E ESFORÇOS CORTANTES ... 234
18.3 – TENSÕES LONGITUDINAIS ... 238
18.4 – TENSÕES CISALHANTES ... 243
18.5 – TENSÕES CIRCUNFERENCIAIS ... 245
18.6 – DIMENSIONAMENTO DA SELA SUPORTE ... 250
19 – CARGAS DE VENTO EM EQUIPAMENTOS ... 252
19.1 – FORÇAS ESTÁTICAS DEVIDO AO VENTO ... 252
19.2 – PERÍODO FUNDAMENTAL DE VIBRAÇÃO DO EQUIPAMENTO ... 257
19.3 – DESPRENDIMENTO CADENCIADO DE VÓRTICES ... 260
19.4 – VERIFICAÇÃO DE CARGAS COMBINADAS ... 261
19.5 – ANEL DE ANCORAGEM E CHUMBADORES ... 262
19.6 – DEFLEXÃO NO TOPO DA TORRE ... 263
20 – NORMA REGULAMENTADORA NR-13 ... 267
20.1 - HISTÓRICO ... 267
20.2 – ESCOPO DE APLICAÇÃO DA NR-13 ... 268
20.3 – COMENTÁRIOS DA NR-13, REFERENTES A VASOS DE PRESSÃO ... 268
20.4 – PROFISSIONAL HABILITADO ... 272
20.5 – SERVIÇO PRÓPRIO DE INSPEÇÃO – SPIE. ... 272
20.6 – FISCALIZAÇÃO DE PENALIDADES ... 273
21 – INSPEÇÃO BASEADA EM RISCO / API RP-581 ... 274
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 281
ANEXO A – REQUISITOS DE NORMAS PETROBRAS ... 282
A.1 – NORMAS APLICÁVEIS A VASOS DE PRESSÃO ... 282
ANEXO B – EXEMPLOS DE CÁLCULOS ... 284
B.1 - COSTADO CILÍNDRICO – PRESSÃO INTERNA ... 284
B.2 – TAMPO SEMI-ESFÉRICO – PRESSÃO INTERNA ... 286
B.3 – TAMPO SEMI-ELÍPTICO – PRESSÃO INTERNA ... 287
B.4 – TAMPO TORISFÉRICO – PRESSÃO INTERNA ... 287
B.5 – TAMPO TORISFÉRICO COM tS / L < 0.002 – PRESSÃO INTERNA ... 291
B.6 – TAMPO SEMI-ELÍPTICO COM tS / L < 0.002 – PRESSÃO INTERNA ... 292
B.7 – TAMPO CÔNICO – PRESSÃO INTERNA ... 293
B.8 – TAMPO PLANO SOLDADO – PRESSÃO INTERNA ... 294
B.9 – TAMPO PLANO FLANGEADO – PRESSÃO INTERNA ... 295
B.10 – COSTADO E TAMPOS – PRESSÃO EXTERNA ... 296
B.11 – PESCOÇO DE BOCAL – PRESSÃO INTERNA ... 301
B.12 – REFORÇO DO BOCAL – PRESSÃO INTERNA ... 302
B.13 – SUPORTAÇÃO DE VASOS HORIZONTAIS ... 304
1 – INTRODUÇÃO
Vasos de pressão são todos os reservatórios destinados ao armazenamento e processamento de líquidos e gases sob pressão ou sujeitos a vácuo total ou parcial.
O código ASME – Pressure Vessel Boiler Code, define vasos de pressão como sendo todos os reservatórios, de qualquer tipo, dimensões ou finalidade, não sujeitos a chama, que contenham qualquer fluído em pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm2 ou submetidos à pressão externa.
Os vasos de pressão são empregados em três condições distintas. Armazenamento de gases sob pressão
Os gases são armazenados sob pressão para que se possa ter um grande peso num volume relativamente pequeno.
Acumulação intermediária de líquidos e gases
Isto ocorre em sistemas onde é necessária a armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos.
Processamento de gases e líquidos
Inúmeros processos de transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão.
Vasos de pressão e tubulações são utilizados em diversos ramos da indústria, podendo-se citar as indústrias químicas, petroquímicas, de petróleo, alimentícia, siderúrgica, etc,... Estes equipamentos são empregados para conter e transportar fluidos, muitas vezes perigosos, ou em estado termodinâmico perigoso.
O objetivo de um projeto e fabricação adequada é assegurar que tais equipamentos possam exercer suas funções, sem risco considerável, submetidos aos carregamentos, temperaturas e pressões previstas.
A construção de um vaso de pressão envolve uma serie de cuidados especiais relacionados a seu projeto, fabricação, montagem e testes. Isto porque um vaso de pressão representa:
Grande risco: Normalmente opera com grandes pressões e temperaturas elevadas. Alto investimento : É um equipamento de custo unitário elevado.
Exemplos de aplicação:
Indústrias químicas e petroquímicas Indústrias alimentares e farmacêuticas Refinarias
Terminais de armazenagem e distribuição de petróleo e derivados. Estações de produção de petróleo em terra e no mar.
Os vasos de pressão podem ser classificados em dois grupos: • Vasos não sujeitos a chama:
Vasos de armazenamento e acumulação;
Torres de destilação fracionada, retificação, absorção, etc,... Reatores diversos;
Esferas de armazenamento de gases; Permutadores de calor; Aquecedores; Resfriadores; Condensadores; Refervedores; Resfriadores a ar
• Vasos sujeitos a chama: Caldeiras;
Fornos.
Outra classificação didática é empregada para diferenciar vasos de pressão de tanques de armazenamento.
0 - 2,5 psig: API-650 2,5 - 15,0 psig: API-620
2 – DESCRIÇÃO
2.1 - COMPONENTESNum vaso de pressão podemos distinguir os seguintes componentes:
- Corpo (casco ou costado): Normalmente cilíndrico, cônico, esférico ou combinação dessas formas.
- Tampos: Normalmente nos tipos semi-elípticos, toro-esféricos, semi-esféricos. cônicos, toro-cônicos, toro-esféricos e planos.
Figura 2.1 - Componentes de Vasos de Pressão
Os tampos elipsoidais que tem a relação entre semi-eixos de 2:1 são denominados tampos elipsoidais ‘padrão’. Os tampos torisféricos com relação de semi-eixos 2:1 devem ser preferencialmente do tipo conhecido como “falsa elipse”. O código ASME permite que tampos torisféricos “falsa-elipse” possam ser dimensionados através das equações de cálculo para tampos semi-elípticos.
Geometria L r h
ASME 6% D 0,06.D 0,169.D
ASME 10% D 0,10.D 0,194.D
ASME 2:1 0.904.D 0.173.D 0.250.D (Falsa elipse)
A fabricação de tampos semi-elípticos possui um custo mais elevado pela necessidade de uma matriz específica para o diâmetro e relação de eixos da geometria. Os tampos torisféricos são obtidos pela conjugação de 2 diferentes geometrias: calota esférica central, obtida por prensagem e raio da região tórica, obtida por rebordeamento da chapa.
Os tampos semi-esféricos podem ser empregados em equipamentos com pressões mais elevadas, onde o “lay-out” permita. A vantagem está relacionada ao menor nível de tensões atuantes.
Os tampos cônicos possuem resistência mecânica inferior ao costado cilíndrico, o que exige maiores espessuras. Para cones com semi-ângulos superiores a 30o é exigida uma análise de tensões para o dimensionamento, não sendo mais válidas as equações de cálculo do código ASME e outros. A utilização de uma transição tórica entre o tampo cônico e o costado cilíndrico permite uma melhor acomodação das tensões existentes nas mudanças geométricas e confere uma resistência maior a transição entre os componentes.
A tabela abaixo exemplifica as espessuras mínimas requeridas (aproximadas) em função da geometria do tampo.
Costado cilíndrico com espessura mínima requerida de 25,0 mm, conectado ao tampo:
Tipo de tampo de fechamento do costado Espessura mínima requerida (aproximada)
Elipsoidal 2:1 25,0 mm
Torisférico 6% 44,3 mm
Torisférico 10% 38,5 mm
Torisférico Falso elipse 29,8 mm
Semi-esférico 12,5 mm
Cônico 10o 25,4 mm
Cônico 20o 26,6 mm
Cônico 30o 28,9 mm
A escolha do tipo de tampo é função de determinados fatores, como por exemplo: Exigência de Serviço, Diâmetro e Pressão de Operação. Algumas características de tampos são descritas a seguir.
Tipo de Tampo Características
Semi-elíptico
Resistência igual ao casco cilíndrico de mesmo diâmetro, para a relação 2:1, que é a geometria mais comum.
Dificuldades para a fabricação pela necessidade de uma matriz específica para a conformação do tampo.
Toro-esférico
Raio interno máximo da calota esférica = diâmetro externo do casco; Raio mín. concordância tórica : 6% do diâmetro interno da calota; Mais fracos do que os semi-elípticos;
Mais fáceis de fabricar;
Para o tampo torisférico com geometria falso elipse é permitido o dimensionamento conforme equação de cálculo de tampos elipsoidas.
Semi-esférico
Melhor resistência mas com construção difícil;
Empregados quando os diâmetros são muito grandes (> 6,0 m), maiores pressões e quando o espaço permite.
Cônico
Baixa resistência, principalmente na região de ligação entre o tampo e o costado cilíndrico, mas com construção bastante fácil;
Podem ter concordância tórica;
Empregados por exigência do processo, diâmetros médios e baixa pressão.
Plano
Vários tipos, removíveis ou não;
Baixa resistência sendo exigidas grandes espessuras; Empregados em diâmetros pequenos e tampos removíveis Tabela 2.3 – Resumo das Características de Tampos
2.2 - DIMENSÕES CARACTERÍSTICAS
As dimensões características de um vaso de pressão são as seguintes: Diâmetro Interno (DI)
Diâmetro Externo (DE)
Comprimento entre tangentes (CET)
O comprimento entre tangentes é o comprimento total do corpo cilíndrico, ou a soma dos comprimentos dos corpos cilíndricos e cônicos sucessivos. As linhas de tangência, que limitam o comprimento entre tangentes, são linhas traçadas próximo a ambos os extremos do casco, na tangência entre o corpo cilíndrico e os tampos de fechamento. A figura a seguir apresenta alguns vasos de pressão típicos e suas dimensões características.
Figura 2.2 – Vasos de Pressão e suas Dimensões Características
CET Costado cilíndrico Costado cilíndrico Costado cônico Suporte Di De De Di CET Costado cilíndrico Tampo Suporte De D i CET CET De Di Suporte Cilíndrico Vertical Cilíndrico Vertical
Cilíndrico Inclinado Cilíndrico Horizontal
De
Di
CET
Di De
Suporte Suporte
2.3 - ABERTURAS E REFORÇOS
Todos os vasos de pressão têm sempre várias aberturas com diversas finalidades. Bocais (nozzles) são as aberturas feitas nos vasos para:
Ligação com tubulações de entrada e saída de produto. Instalação de válvulas de segurança.
Instalação de instrumentos, drenos e respiros.
Podem ainda existir aberturas feitas para permitir a ligação entre o corpo do vaso e outras partes do mesmo vaso; por exemplo, ligação a potes de drenagem (sumps). Uma abertura num vaso de pressão, embora necessária ao seu funcionamento, é um ponto de concentração de tensões. Para combater este efeito é necessária a colocação de reforços junto as aberturas feitas num vaso de pressão. Os reforços normalmente utilizados são:
Anel de chapa soldado ao redor da abertura.
Utilização de maior espessura de parede para o vaso ou bocal. Peças forjadas integrais.
Pescoço tubular com maior espessura
O anel de chapa soldado ao pescoço tubular e a parede do vaso é permitido para qualquer diâmetro, mas não deve ser usado quando a espessura da parede do vaso e igual ou superior a 50,0 mm. Não é recomendado para serviços com baixa temperatura, esferas de armazenamento de gás liquefeito sob pressão, serviços cíclicos ou serviço com hidrogênio. A figura a seguir apresenta tipos de reforço de aberturas previstos pelos códigos de projeto.
Figura 2.3 – Tipos de Reforço de Aberturas – conforme norma PETROBRAS N-253.
(A) Anel de chapa soldado ao pescoço tubular e à parede do vaso: Permitido para qualquer diâmetro mas não deve ser usado quando a espessura da parede do vaso é igual ou superior a 50,0 mm. Não é recomendado para serviços em baixa temperatura, esferas de armazenamento de gás liquefeito sob pressão, serviços cíclicos, nem serviço com hidrogênio.
(B) Disco de chapa de maior espessura (“insert plate”), soldado de topo no vaso: Permitido para qualquer diâmetro e pode ser usado nos casos em que o anel de chapa não é permitido ou não é recomendado.
(C) Peça forjada integral: Permitido para qualquer diâmetro, sem limitações, sendo entretanto sempre de custo elevado.
(D) Pescoço tubular de maior espessura: Permitido, sem limitações, para diâmetros nominais até 10”, inclusive, devendo o pescoço tubular ser de tubo sem costura ou de tubo forjado (o tubo forjado é preferido para esses casos).
2.4 - PEÇAS INTERNAS DOS VASOS DE PRESSÃO
A variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão e muito grande, dependendo essencialmente do serviço para o qual o vaso se destina.
Todas as peças internas que devam ser desmontáveis, (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores de névoa, etc...) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções, de tal maneira que cada seção possa passar com facilidade através das bocas de visita dos vasos. A figura a seguir apresentam detalhes típicos de peças internas dos vasos de pressão.
2.5 - ACESSÓRIOS EXTERNOS DOS VASOS DE PRESSÃO
Os vasos de pressão podem ter diversos tipos de acessórios externos, dentre os quais podemos citar como exemplo:
Reforços de vácuo.
Anéis de suporte de isolamento térmico externo.
Chapas de ligação, orelhas ou cantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas.
Suportes para turcos de elevação de carga.
Turcos para as tampas de bocas de visita e outros flanges cegos.
A figura abaixo apresenta o desenho esquemático de uma torre com diversos acessórios externos.
2.6 - SUPORTES
Existem vários tipos de estruturas de suporte, tanto para vasos verticais como para vasos horizontais.
Vasos Verticais são usualmente sustentados por uma “saia” de chapa, embora vasos verticais de pequenas dimensões possam também ser sustentados em sapatas ou colunas. As torres e reatores devem ser suportados por meio de saias. A saia de suporte deve ter um trecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes casos:
Temperatura de projeto abaixo de 15oC. Temperatura de projeto acima de 340oC. Serviços com Hidrogênio.
Vasos de aços-liga, aços inoxidáveis e materiais não ferrosos.
As esferas para armazenagem de gases também são sustentadas por colunas, soldadas ao casco aproximadamente na linha do equador da esfera.
A maioria dos vasos horizontais é suportada em dois berços (selas), sendo que para permitir a dilatação do vaso, em um dos berços os furos para os chumbadores são ovalados. São comuns os vasos horizontais superpostos, principalmente em permutadores de calor. As figuras a seguir apresentam diversos tipos de suportação de vasos de pressão.
Figura 2.6 – Diagrama de seleção do tipo de suporte – conf. norma PETROBRAS N-253.
300 2000 3000 D(mm) H(mm) 6000 2000 Saia de Suporte D : diâmetro
H : comprimento entre linhas de tangência Colunas de
3 – CÓDIGOS DE PROJETO
3.1 - INTRODUÇÃONo início do Século XIX, com o advento de diversos acidentes com caldeiras relacionado a Revolução Industrial, já havia uma necessidade de regulamentar o projeto da construção de vasos de pressão.
Em 1851, ocorreu uma explosão catastrófica em Londres, onde uma investigação preliminar concluiu pela má qualidade de fabricação e pela utilização de materiais inadequados para trabalhos em altas pressões. Recomendou-se na ocasião a fabricação de caldeiras com ampla utilização de materiais forjados, uso de tampos hemisféricos e a proteção do equipamento através de 2(duas) válvulas de segurança simultâneas.
Entre 1870 e 1910, pelo menos 10.000 explosões em caldeiras foram registradas na América do Norte. Após 1910, a taxa se elevou para 1.300 a 1.400 falhas ao ano.
Em 1905, ocorreu uma explosão de caldeira em uma fábrica de sapatos em Brockton, Massachusetts (EUA), que motivou a criação de norma regulatória, denominada Massachusetts Rules, sobre o projeto e construção de caldeiras, emitida em 1907.
Figura 3.1 - Shoe factory after the boiler explosion of March 20, 1905 which led to the adoption of many state boiler codes and the ASME Boiler and Pressure Vessel Code (Hartford Steam Boiler Inspection & Insurance Company). The Brockton, Massachusetts shoe factory (58 mortos e 117 feridos).
O Comitê de Caldeiras do ASME foi criado em 1911, com publicação da primeira edição do código em 1914-1915, exclusivamente para Caldeiras Estacionárias (Seção I). Em 1924, seria publicada a Seção VIII, referente a vasos de pressão não sujeitos a chama. Nesta época já existiam normas européias para caldeiras e vasos de pressão.
Até a década de 60, os códigos eram baseados em critérios ditados pela experiência, com pouca base teórica e em mecanismos de falha mais simples. Simplesmente era exigido que a espessura do equipamento fosse capaz de suportar a tensão máxima atuante, e que o material fosse suficientemente dúctil de forma a acomodar, sem riscos imediatos, tensões de pico e tensões geradas em regiões de descontinuidades geométricas.
Outro grupo, mais recentemente desenvolvido, tem por filosofia a adoção de maiores tensões de projeto, associadas a uma rigorosa e criteriosa análise de tensões, aplicação de teoria da plasticidade, conceitos de mecânica da fratura e da avaliação da vida útil a fadiga dos equipamentos.
A motivação para este desenvolvimento decorreu do seguinte:
1) O advento e difusão da tecnologia com a construção de reatores nucleares, que exigiam um maior conhecimento de mecanismos de falha, análise e a classificação das tensões associadas a equipamentos, considerando a elevada conseqüência de um vazamento do fluido;
2) Necessidade de redução do conservadorismo no projeto convencional de vasos de pressão e na identificação de critérios deficientes para a definição do comportamento estrutural.
Com a redução do nível de insegurança na definição do comportamento estrutural dos equipamentos, permitiu-se o estabelecimento de fatores de segurança mais adequados. O ASME Seç.III, editado em 1963 para Instalações Nucleares, foi o primeiro código a utilizar tais desenvolvimentos.
Nesta época, os cálculos eram basicamente analíticos e desenvolvidos segundo teoria de cascas e placas. O cálculo numérico, com ferramentas mais poderosas, tais como o método dos elementos finitos era ainda restrito a trabalhos científicos mais específicos. Isto explica a definição de tensões admissíveis e mecanismos de falha com regras simples, baseadas em teorias de viga e cascas, que prevalece até hoje, por exemplo no código ASME.
Como resultado da abordagem proposta foram identificados 2(dois) diferentes critérios de projeto:
• Projeto convencional (design by rules): que emprega soluções analíticas consagradas para o dimensionamento de vasos com detalhes padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, ..);
• Projeto alternativo (design by analysis): que inclui componentes com geometrias e/ou carregamentos não convencionais, onde o dimensionamento depende de uma análise e classificação das tensões atuantes e comparação com valores admissíveis. O ASME Seç.VIII – Divisão 2 incorporou este critério de projeto em sua primeira edição em 1968.
Como filosofia geral dos códigos de projetos, admiti-se o critério de Leak Before Break (Vazar antes de romper), que é alcançado teoricamente pela limitação das tensões atuantes a uma fração das propriedades mecânicas dos materiais. São utilizadas equações simples associadas a fatores de segurança elevados no dimensionamento.
A filosofia do código é implementada para a seleção dos materiais, definição dos testes de qualificação necessários, requisitos de fabricação, detalhes de projeto, ensaios não-destrutivos e não-destrutivos certificando a fabricação do equipamento e finalmente os ensaios e testes finais de aceitação do vaso de pressão ou da tubulação.
As normas e códigos de projeto foram estabelecidos não só com a finalidade de padronizar e simplificar o cálculo e projeto dos vasos de pressão, como principalmente garantir condições mínimas de segurança para a sua operação. A experiência comprovou que a observância dessas normas torna muito baixa a probabilidade de ocorrência de acidentes graves. Por essa razão, embora muitas vezes não sejam de uso legal obrigatório, nem exima de qualquer responsabilidade o projetista, são em geral exigidas como requisito mínimo de segurança por quase todos os projetistas e usuários de vasos de pressão.
Foram identificados, na época, 8 diferentes modos de falha, assim denominados:
1. Deformação elástica excessiva incluindo instabilidade elástica - não apenas a tensão atuante no equipamento deve ser limitada, mas também considerações sobre a rigidez do componente são fundamentais para que este mecanismo de falha não ocorra;
2. Deformação plástica excessiva - evitada através do dimensionamento dos componentes, considerando os diversos tipos de tensões e seus efeitos;
3. Fratura frágil - é evitada com a seleção e qualificação de materiais com tenacidade adequada, não susceptíveis a uma fratura brusca.
4. Deformação e tensões a altas temperaturas (creep) – a definição de tensões admissíveis reduzidas para temperaturas na faixa do creep ocasionam tensões controladas no equipamento evitando o acúmulo do dano;
5. Instabilidade plástica (colapso incremental) – relacionado a deformações cíclicas no material e colapso plástico do equipamento, sendo evitado através de projetos com limitação de tensões decorrentes de gradientes térmicos e peso próprio da estrutura em níveis aceitáveis;
6. Fadiga de baixo ciclo – considerações em relação a tensões de pico e ciclagem do carregamento, sendo evitada a falha pela adoção de soluções de detalhes de projeto adequados;
7. Corrosão sob tensão – incompatibilidade entre o material e o meio na presença de tensões, normalmente associadas as tensões residuais de soldagem, sendo evitada a falha através da seleção de materiais e requisitos de fabricação;
8. Corrosão-fadiga – atuação simultânea de 2 mecanismos que se auto-alimentam, devendo a falha ser evitada pela seleção de materiais, detalhes de projeto e requisitos de fabricação.
Atualmente, a partir da edição 2007 da Divisão 2, são 4 modos de falha a serem avaliados: Colapso plástico, Falha localizada, Instabilidade devido à compressão e Falha por carregamento cíclico.
Uma norma de projeto representa portanto um conjunto coerente de premissas que são características dessa norma, relacionando critérios de cálculo, coeficientes de segurança utilizados, padronização e especificação de materiais, detalhes de fabricação e inspeção, e isso não deve ser esquecido.
Os principais códigos de projeto, fabricação, montagem e testes de vasos de pressão são os seguintes:
País Código Instituição Responsável
U.S ASME Boiler & Pressure Vessel Code ASME U.K PD 5500 Unfired Fusion Welded
Pressure Vessels British Standard Institute
Germany AD Merblatter Arbeitsgemeinschaft
Druckbehalter
Italy ANCC Associazione Nationale Per Il
Controllo Peula Combustione Netherlands Regeis Voor Toestellen Dienst voor het Stoomvezen Sweden Tryckkarls kommissionen Swedish Pressure Vessel
Commission
Australia AS 1210 Unfired Pressure Vessels Standards Association of Australia Belgium IBN Construction Code for Pressure
Vessels Belgian Standards Institute
Japan MITI Code Ministry of International Trade and
Industry
France SNCT Construction Code for Unfired Pressure Vessels
Syndicat National de la
Chaudronnerie et de la Tuyauterie Industrielle
Brasil P-NB-109 ABNT
Tabela 3.1 – Códigos Internacionais
Como nomenclatura usual, o código ASME estabelece o seguinte:
• Editions: Em média, a cada 3 anos
• Addenda: Anual
• Errata: Emitidas à medida que são elaboradas, valendo retroativamente
• Interpretations: Em 2(dois) períodos do ano (julho e dezembro)
3.2 - PD-5500 - UNFIRED FUSION WELDED PRESSURE VESSELS
Elaborado pela British Standards Institution, o código PD-5500, Unfired Fusion Welded Pressure Vessels, aborda aspectos relativos a materiais, projeto, fabricação, inspeção e testes dos vasos de pressão. Sua organização é a seguinte:
- SEÇÃO 1 - Parte Geral; SEÇÃO 2 - Materiais;
- SEÇÃO 3 - Projeto; SEÇÃO 4 - Fabricação e Montagem; - SEÇÃO 5 - Inspeção e Testes
Apêndices principais:
- Apêndice A - Análise de Tensões, similar ao ASME Seç. VIII - Div.2, para Análise Linear Elástica;
- Apêndice B - Efeito combinado de outros carregamentos; - Apêndice C - Fadiga;
- Apêndice G - Cargas localizadas.
3.3 - AD – MERKBLATTER
Elaborado pela Associação dos Construtores de Vasos de Pressão, este código alemão é constituído das seguintes seções:
- SÉRIE G - Parte Geral; SÉRIE A - Acessórios;
- SÉRIE B - Projeto; SÉRIE W - Materiais.
- SÉRIE HP - Fabricação e Testes SÉRIE N - Materiais não metálicos - SÉRIE S - Casos especiais
Informações gerais:
- Dimensionamento através de tensões de membrana - fórmulas simplificadas; - Tensão calculada corrigida através de fatores de forma;
- Tensões admissíveis mais elevadas que o código ASME Divisão 1 (e que o código ASME Divisão 2, até a edição de 2007), por exemplo;
3.4 - CÓDIGO ASME - THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS
Este é o código tradicionalmente utilizado no Brasil, sendo responsável por ditar os requisitos necessários para materiais, projeto, fabricação, montagem e testes da maioria dos vasos de pressão, permutadores e caldeiras utilizadas na indústria do petróleo. Possui diversas seções, abaixo citadas.
Seção Conteúdo
I Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers)
II Materiais
Part A — Ferrous Material Specifications Part B — Nonferrous Material Specifications
Part C — Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler Metals Part D — Properties (Customary)
Part D — Properties (Metric)
III Instalações Nucleares
Subsection NCA — General Requirements for Division 1 and Division 2 Division 1 Subsection NB — Class 1 Components
Subsection NC — Class 2 Components Subsection ND — Class 3 Components Subsection NE — Class MC Components Subsection NF — Supports
Subsection NG — Core Support Structures
Subsection NH — Class 1 Components in Elevated Temperature Service Appendices
Division 2 Code for Concrete Containments
Division 3 Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel and High Level Radioactive Material and Waste IV Caldeiras para aquecimento (Rules for Construction of Heating Boilers)
V Ensaios não destrutivos
VI Instalação e recomendações para operação de caldeiras para aquecimento (Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers)
VII Instalação e recomendações para operação de caldeiras (Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers)
VIII Vasos de Pressão
Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1
Division 2 Alternative Rules
Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels IX Qualificação de soldagem (Welding and Brazing Qualifications)
X Vasos de pressão de plástico (Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels)
XI Recomendações para inspeção de instalações nucleares (Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components)
XII Recomendações para fabricação e extensão de uso de tanques transportáveis (Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks)
3.4.1 - ASME Seção VIII – Divisão 1
O escopo do código ASME Seção VIII – Divisão 1 se refere ao seguinte: • Equipamentos não sujeitos à chama;
• Equipamentos que não façam parte de componentes rotativos ou alternativos, tubulações ou transporte de produtos.
• Equipamentos com pressão interna igual ou superior a 15,0 psi (1,02 kgf/cm2
) e inferior a 3.000,0 psi (211,0 kgf/cm2)
• Equipamentos com diâmetro interno igual ou maior do que 6” (152,0 mm); • Equipamentos não destinados a ocupação humana.
É o projeto convencional dos vasos de pressão. A filosofia de projeto da Divisão 1 está bem explícita no parágrafo UG-23 (c), do código, onde se lê:
“A espessura de parede de um vaso de pressão dimensionado de acordo com as regras estabelecidas nesta divisão deve ser tal que a tensão máxima primária geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o equipamento durante sua operação normal, não exceda os limites de tensão admissível do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais os carregamentos a que esteja sujeito o vaso, não provoquem uma tensão primária de membrana mais flexão superior a 1 ½ da tensão máxima admissível do material do vaso”.
É sabido que podem ocorrer elevadas tensões nas descontinuidades nos vasos de pressão, mas as regras de projeto e de fabricação desta divisão foram estabelecidas de modo a limitar, tais tensões, a um nível seguro consistente com a experiência adquirida.
Embora seja dito que os vasos de pressão devam resistir a todos os esforços solicitantes (pressão interna ou externa, pesos, sobrecargas, reações de apoio, ação de vento, impactos, esforços de dilatação, etc,...), o código só fornece fórmulas para o cálculo em função da pressão interna ou externa, ficando o cálculo para os demais esforços inteiramente a critério do projetista.
As regras da Divisão 1 foram formuladas a partir de considerações de projeto e princípios de construção aplicáveis a vasos projetados para pressões não superiores a 3.000 psig e vasos sujeitos a pressão externa. A Divisão 1 está dividida da seguinte forma:
Subsection A - General Requirements - Requisitos gerais aplicáveis a todos os vasos de pressão.
Part UG - General Requirements for All Methods of Construction and All Materials:
Scope / Materials / Design / Openings and Reinforcements / Braced and Stayed Surfaces / Ligaments / Fabrication / Inspection and Tests / Marking and Reports / Pressure Relief Devices
Subsection B - Requirements Pertaining to Methods of Fabrication of Pressure Vessels - Requisitos específicos, aplicáveis em função do método de fabricação.
Part UW : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Welding Part UF : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Forging Part UB - Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Brazing
Subsection C - Requirements Pertaining to Classes of Materials - Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipo de material utilizado na fabricação.
Part UCS : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Carbon and Low Alloy Steels Part UNF : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Nonferrous Materials
Part UHA : Requirements for Pressure Vessels Constructed of High Alloy Steel Part UCI : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Cast Iron
Part UCL : Requirements for Welded Pressure Vessels Constructed of Material With Corrosion Resistant Integral Cladding, Weld Metal Overlay Cladding or With Applied Linings Part UCD : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Cast Ductile Iron
Part UHT : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Ferritic Steels With Tensile Properties Enhanced by Heat Treatment
Part ULW : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Layered Construction
Part ULT : Alternative Rules for Pressure Vessels Constructed Having Higher Allowable Stresses at Low Temperature
Part UHX : Rules for Shell-and-Tube Heat Exchangers
Part UIG : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Impregnated Graphite Tabela 3.3 – Divisão do ASME Seção VIII – Divisão 1
Figura 3.2 – Subseções do ASME Seç.VIII – Div.1 (s/ as partes UHX e UIG da Subseção C)
Apêndices Obrigatórios
1: Supplementary Design Formulas
2: Rules for Bolted Flange Connections With Ring Type Gaskets 3: Definitions
4: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds
5: Flanged and Flued or Flanged Only Expansion Joints 6: Methods for Magnetic Particle Examination (MT) 7: Examination of Steel Castings
8: Methods for Liquid Penetrant Examination (PT) 9: Jacketed Vessels
10: Quality Control System
11: Capacity Conversions for Safety Valves 12: Ultrasonic Examination of Welds (UT) 13: Vessels of Noncircular Cross Section
14: Integral Flat Heads With a Large, Single, Circular, Centrally-Located Opening 16: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee
UW Soldagem UF Forjamento UB Brazagem ULT Aços para baixas temperaturas ULW Vasos de paredes múltiplas UHT Aços de alta resistência UCS Aços carbono e baixa liga UNF Materiais não ferrosos UHA Aços de alta liga UCI Ferro fundido UCL Aços cladeados ou revestidos UCD Ferro fundido maleável Subseção B Requisitos Relativos ao Método de Fabricação
Subseção C Requisitos Relativos
aos Materiais Subseção A
Apêndices Obrigatórios
17: Dimpled or Embossed Assemblies 18: Adhesive Attachment of Nameplates
19: Electrically Heated or Gas Fired Jacketed Steam Kettles 20: Hubs of Tubesheets and Flat Heads Machined From Plate 21: Jacketed Vessels Constructed of Work-Hardened Nickel 22: Integrally Forged Vessels
23: External Pressure Design of Copper, Copper Alloy, and Titanium Alloy Seamless Condenser and Heat Exchanger Tubes with Integral Fins
24: Design Rules for Clamp Connections
25: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Valves
26: Pressure Vessel and Heat Exchanger Expansion Joints 27: Alternative Requirements for Glass-Lined Vessels
28: Alternative Corner Weld Joint Detail for Box Headers for Air-Cooled Heat Exchangers When Only One Member Is Beveled
30 : Rules for Drilled Holes Not Penetrating Through Vessel Wall
31 : Rules for Cr-Mo Steels With Additional Requirements for Welding and Heat Treatment 32 : Local Thin Areas in Cylindrical Shells and in Spherical Segments of Shells
33 : Standards Units for Use in Equations
34 : Requirements for Use of High Silicon Stainless Steels for Pressure Vessels 35 : Rules for Mass-Production of Pressure Vessels
36 : Standard Test Method for Determining the Flexural Strength of Certificated Material Using Three-Point Loading
37 : Standard Test Method for Determining the Tensile Strength of Certificated Impregnated Graphite Materials
38: Standard Test Method for Compressive Strenth of Impregnated Graphite 39 : Testing the Coefficient of Permeability of Impregnated Graphite
40 : Thermal Expansion Test Method for Graphite and Impregnated Graphite 41 : Electric Immersion Heater Element Support Plates
42 : Diffusion Bonding
Apêndices não obrigatórios
A : Basis for Establishing Allowable Loads for Tube-to-Tubesheet Joints
C : Suggested Methods for Obtaining the Operating Temperature of Vessel Wall in Service D : Suggested Good Practice Regarding Internal Structures
Apêndices não obrigatórios
F : Suggested Good Practice Regarding Linings
G : Suggested Good Practice Regarding Piping Reactions and Design of Supports and Attachments
H : Guidance to Accommodate Loadings Produced by Deflagration K : Sectioning of Welded Joints
L : Examples Illustrating the Application of Code Formulas and Rules M : Installation and Operation
P : Basis for Establishing Allowable Stress Value R : Preheating
S : Design Considerations for Bolted Flange Connections T : Temperature Protection
W : Guide for Preparing Manufacturer´s Data Reports
Y : Flat Face Flanges With Metal-to-Metal Contact Outside the Bolt Circle DD : Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization
EE : Half-Pipe Jackets
FF : Guide for the Design and Operation of Quick-Actuating (Quick-Opening) Closures GG : Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code
HH : Tube Expanding Procedures and Qualification
JJ : Flowcharts Illustrating Impact Testing Requirements and Exemptions From Impact Testing by the Rules of UHA-51
KK : Guide for Preparing User’s Design Requirements LL : Graphical Representations of Ft,min and Ft,max
MM : Alternative Marking and Stamping of Graphite Pressure Vessels Tabela 3.3 – Divisão do ASME Seção VIII – Divisão 1 (continuação)
Exemplo: Vaso projetado segundo critérios do código ASME Seç.VIII - Div.1 Ed. 1995, Construção soldada com material base em aço carbono. Seções a consultar: U - UG - UW – UCS. UG UG UW UW • Requisitos gerais para chapas, forjados, tubos, etc,... com procedimentos de fabricação e fornecimento • Certificação de materiais • Pré-fabricação de componentes • Construções especiais • Definição de temperatura e pressão de projeto • Carregamentos • Indicação de onde retirar os valores de tensões máximas admissíveis • Corrosão • Dimensionamento a pressão interna e externa • Aberturas e reforços • Resistência de reforços de abertura • Múltiplas aberturas • “Standards” para flanges e tubos • Ligamentos • Tolerâncias de fabricação • Requisitos para teste de impacto • Teste hidrostático • Teste pneumático • “Proof test” para
estabelecimento de pressões máximas admissíveis • Categorias de juntas • Projeto de juntas soldadas • Exames de Radiografia e ultra-som • Detalhes de solda permitidos • Detalhes de bocais permitidos • Plug welds • Soldas de filete • Requisitos para procedimentos de soldagem • Requisitos para qualificação de procedimentos • Tolerâncias de alinhamento de soldas • Reparo de soldas • Procedimentos para tratamento térmico após soldagem UCS • Materiais • Procedimentos para tratamento térmico após soldagem • Operação em baixa temperatura
3.4.2 - ASME Seção VIII – Divisão 2
O código ASME - Seção VIII - Divisão 2 se baseia em um projeto alternativo de vasos de pressão. Na Divisão 2 as regras são mais restritivas quanto ao tipo de material a ser utilizado, mas permite-se a utilização de maiores valores de intensificação de tensões de projeto na faixa de temperaturas na qual este valor é limitado pelo limite de resistência ou escoamento : procedimentos mais precisos de cálculo são necessários; os procedimentos permissíveis de fabricação são especificamente delineados e mais completos métodos de inspeção e teste são exigidos. A Divisão 2 está dividida da seguinte forma:
Part 1 - General Requirements Part 2 – Responsibilities and Duties Part 3 – Materials Requirements
Part 4 – Design by Rules Requirements Part 5 – Design by Analysis Requirements Part 6 – Fabrication Requirements
Part 7 – Inspection and Examination Requirements Part 8 – Pressure Testing Requirements
Part 9 – Pressure Vessel Overpressure Protection Tabela 3.5 – Divisão do ASME Seção VIII – Divisão 2
A filosofia de projeto da Divisão 2 estabelece regras específicas para o caso do projeto de vasos mais comuns, assim como a Divisão 1. Quando isto não ocorre uma completa análise de tensões e necessária e pode ser feita de acordo com os procedimentos estabelecidos pelo código.
Este código foi revisado totalmente em 2007 com a adoção de modificações relevantes, sendo considerada uma alteração radical realizada pelo ASME. Em função da completa revisão, o próprio Comitê do ASME publicou o Code Case 2575 com orientações sobre a validade e dando um prazo para a substituição do código.
Os antigos Apêndices passaram a se chamar Anexos normativos e informativos, e ficaram incluídos em cada uma das Partes, com isso, o ASME VIII-2 ficou com o estilo das normas ISO.
Houve alteração dos fatores de segurança, resultando em uma redução de espessura de material, porém, com maiores exigências de fabricação, controle de qualidade e inspeção.
Nesta revisão foi introduzido o conceito de eficiência de junta, característico do ASME Seção VIII – Divisão 1. Assim, é admitida em algumas condições específicas, a radiografia parcial e o ensaio de US em substituição ao ensaio de RX.
Um fato importante é a incorporação de Apêndices exclusivos do ASME Seção VIII – Divisão 1 em Anexos ou itens do ASME Seção VIII – Divisão 2:2007.
Outra possibilidade incorporada à revisão de 2007 do ASME Seção VIII – Divisão 2 é o tratamento de algumas não conformidades de fabricação através do API 579 / ASME FFS-1. Neste caso, o proprietário do equipamento deve aprovar sua utilização.
Foram totalmente reescritos os antigos Apêndices 4 e 5 (análise de tensões e fadiga, respectivamente), que foram incorporados a Parte 5 da última edição.
Também na Parte 5 foram incluídos critérios de dimensionamento prevendo o colapso plástico, falha local, flambagem, ratcheting e cargas cíclicas.
Finalmente, uma alteração importante é a modificação do critério de escoamento do material, que era o Critério de Tresca e na última edição foi substituído pelo Critério de Von Mises, que é menos conservativo.
3.4.3 - ASME Seção VIII – Divisão 3
O código ASME - Seção VIII - Divisão 3 complementa as regras da Divisão 2, definindo critérios adicionais para equipamentos de altas pressões de trabalho. Além de requisitos de material, são previstos critérios para a utilização da mecânica da fratura no projeto. A Divisão 3 está dividida da seguinte forma:
Part KG - General Requirements Part KM – Materials Requirements
Part KD – Design by Rules Requirements Part KF – Fabrication Requirements Part KR – Pressure Relief Devices Part KE – Examination Requirements Part KT – Testing Requirements
Part KS – Marking, Stamping, Reports and Records
Apêndices Obrigatórios 1: Nomenclature
2: Quality Control Systems
3: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee
4: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Devices
5: Adhesive Attachment of Nameplates
6: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds
7: Standard Units for Use in Equations
Apêndices não obrigatórios
A : Guide for Preparing Manufacturer’s Data Reports B : Requalification
C : Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization D : Fracture Mechanics Calculations
E : Construction Details
F : Approval of New Materials Under the ASME Boiler and Pressure Vessel Code G : Design Rules for Clamp Connections
H : Openings and Their Reinforcement
I : Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code
J : Stress Concentration Factors for Cross-Bores in Closed-End Cylinders and Square Blocks Tabela 3.6 – Divisão do ASME Seção VIII – Divisão 3
3.4.4 – QUADRO COMPARATIVO
As principais diferenças entre as divisões do código ASME Seção VIII são as seguintes:
Divisão 1 Divisão 2 Divisão 3
“Unfired” Pressure
Vessel Rules Alternative Rules
Alternative Rules for High Pressure Publicação < 1940 1968 1997 Limite de Pressão Normalmente empregado até 3.000 psig (211,0 kgf/cm2). Sem limites, usualmente pressões acima de 600 psig (42,0 kgf/cm2). Sem limites, normalmente pressões acima de 10.000 psig (703,0 kgf/cm2). Organização General, Construction Type & Material. U, UG, UW, UF, UB, UCS, UNF, UCI, UCL, UCD, UHT, ULT
General, Material, Design, Fabrication and others.Part 1 a Part 9.
Similar a Divisão 2 antiga.KG, KM, KD, KF, KR, KE, KT, KS Fator de Projeto Fator de projeto 3,5 no limite de resistência com considerações acerca do escoamento e temperatura. Fator de projeto 2,4 no limite de resistência (Edição 2007) com considerações acerca do escoamento e temperatura. Baseado no escoamento com redução da relação entre a tensão de escoamento e o limite de resistência para um valor inferior a 0,7. Regras de Projeto
Máxima tensão atuante. Análise elástica
generalizada. Regras de projeto detalhadas com fatores de qualidade de solda (eficiência de junta). Exigência limitada de análise de tensões. Tensões de membrana sem considerações sobre tensões em descontinuidades. Máxima energia de distorção. Análise elástica generalizada.
Regras de projeto com moderado detalhamento. Em adição as regras de projeto, considerações sobre fadiga, descontinuidades e outras análises de tensões podem ser requeridas. Máxima tensão cisalhante. Análises elástica e elasto-plástica. Algumas regras de projeto são definidas. Análise de fadiga requerida.
Mecânica da fratura requerida, a menos que se prove a condição de leak-before-burst. Tensões residuais se tornam significantes. Análise Experimental de Tensões Normalmente não requerida.
Introduzida e pode ser requerida.
Projeto com verificação experimental, mas que pode ser dispensado.
Testes de Material e Requisitos de Impacto Poucas restrições em relação a materiais. Teste de impacto é requerido, mas pode ser dispensado se atendidos critérios (UG-20, UCS-66 e UCS-67).
Mais restrições em relação a materiais. Teste de impacto com regras similares as exigidas para a Divisão 1. (Permite também utilizar Mecânica da Fratura pelo API 579-1/ASME FFS-1 para determinação da MDMT)
Mais restritivo que a Divisão 2 e com critérios diferentes. Ensaios de tenacidade requeridos para avaliação pela Mecânica da Fratura (CTOD, KIc ou JIc).
Requisitos de END
Requisitos de END’s podem ser relaxados com alterações no fator de projeto.
Requisitos mais restritivos e uso extensivo de RX, UT, PM ou LP.
Mais restritivo que a Divisão 2.UT é utilizado para todas as soldas de topo com RX quando não possível o uso do UT. Extensivo uso de PM ou LP.
Soldagem e Fabricação
Diferentes tipos de soldas de topo e outras.
Extensivo uso de soldas de topo e penetração total, incluindo componentes não pressurizados. Soldas de topo e
extensivo uso de outros métodos de construção, tais como: roscas, layered, wire-wound, interlocking strip-wound e outros.
Usuário Cliente fornece as especificações (U-2(a)).
Especificações do cliente e requisitos de projeto (item 2.2.2), incluindo avaliação a fadiga conforme item 5.5.2.
Especificações do cliente com mais detalhes (KG-310), incluindo dados sobre o fluido, vida útil
esperada e outras informações definidas pelo projeto. Fabricante Fabricante para declarar adequação ao Data Report. Design Report do fabricante certificando a especificação de projeto e adequação ao código em adição ao Data Report. Igual a Divisão 2. Certificação Profissional de Engenharia Normalmente não requerida. Certificação dos profissionais de
engenharia assim como Design Report do
fabricante. Profissional de
engenharia deverá ter experiência em projeto de vasos de pressão.
Similar a Divisão 2, mas o profissional de
engenharia deverá ter experiência em projeto de vasos de alta
pressão e não deverá sign, tanto para o Cliente quanto para o Fabricante.
Válvula de
Segurança UV Stamp UV Stamp UV3 Stamp
Selos e Registros
U Stamp com registros adicionais, incluindo W, P, B, RES, L, UB, DF, RT, HT.
U2 Stamp com registros adicionais, incluindo HT.
U3 Stamp com registros adicionais HT, PS, WL, M, F, W, UQT, WW, SW. Teste Hidrostático 1,3 1,25 . PMTAcq.Sf/Sq ou 1,43 . PMTAcq (máximo)
1,25, mas pode ser dispensado para vasos com autofretagem. Tabela 3.7 – Quadro Comparativo entre as Divisões 1, 2 e 3 do ASME Seção VIII
3.4.5 – SELO ASME
O Fabricante deve obter um Certificado de Autorização e Selo, se candidatando junto ao ASME, contratar uma Agência de Inspeção Autorizada, receber uma visita de inspeção de auditoria do ASME e preparar um programa de Controle de Qualidade que será auditado nesta visita. O Certificado informa o escopo do selo recebido, que é propriedade do ASME e deve ser devolvido quando expirar (validade de 3 anos). Durante este período o fabricante poderá perder o selo por mau uso e deverá revalidar este selo após 3 anos se submetendo a nova auditoria.
Power Boilers – Section I
S Power Boilers M Miniature Boilers
A Power Boiler Assemblies PP Pressure Piping
E Electric Boilers V** Power Boiler Safety Valves
Heating Boilers – Section IV
H* Cast Iron Heating Boilers HLW Lined Potable Water Heaters H Heating Boilers, other HV** Heating Boilers Safety Valves
Pressure Vessel – Section VIII Division 1
U Pressure Vessels UV** Pressure Vessels Safety Valves UM* Miniature Vessels UD** Pressure Vessels Rupture
Discs
Pressure Vessel – Section VIII Division 2 Reinforced Plastic Vessels – Section X
U2 Alternative Rules for
Pressure Vessels RP
Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels
Pressure Vessel – Section VIII Division 3
U3 High Pressure Vessels UV3** Safety Valves for High Pressure Vessels
Transport Tanks – Section XII
T Transport Tanks TD** Transport Tanks Pressure
Relief Devices TV Tranport Tanks Safety
Valves
Nuclear Stamps
N Nuclear Components NV Nuclear Safety and Safety
Relief Valves
NPT Nuclear Partials N3 Storage and Transport
Containment of Nuclear Fuel NA Nuclear Installation and Shop Assembly
Nuclear Certificates of Accreditation National Board Inspection Code
NS Nuclear Supports R Repair and Alteration
QSC Material Organization VR Repair of Safety Valves * Components not subject to Authorized Inspection, annual audit by the AIA ** Components not subject to Authorized Inspection, triennial audit by ASME
Observação: O ASME, em sua Adenda 2011, passou a utilizar um único tipo de marcação (“ASME Certification Mark“) em substituição as diversas marcações descritas na tabela acima (“ASME Marks“) a ser estampado pelo Fabricante que tenha sido certificado. O Certificado de Autorização irá informar o escopo do selo recebido. Um exemplo de selo com este novo tipo de marcação única pode ser visto na Fig. UG-116 para os vasos da Divisão 1.
4 – TENSÕES ADMISSÍVEIS
4.1 – CRITÉRIOS PARA FIXAÇÃO DAS TENSÕES ADMISSÍVEIS
Denominam-se tensões admissíveis às tensões máximas adotadas no dimensionamento de um vaso de pressão.
As tensões admissíveis para temperaturas abaixo da temperatura de fluência estão relacionados com o limite de escoamento ou com o limite de resistência do material de construção do equipamento. Para temperaturas elevadas, a definição do valor da tensão admissível depende do comportamento à fluência, sendo determinante a taxa de deformação na temperatura e o tempo para a falha.
Denominamos coeficiente de segurança (CS) ou fator de segurança (FS), à relação entre o limite de escoamento (Sy) ou de resistência (Sr) e a tensão admissível (Sadm) de um
determinado material.
Dentre os vários fatores que afetam a fixação dos valores das tensões admissíveis de um código podemos citar:
• Tipo de material: Para materiais frágeis adota-se um fator de segurança mais elevado que os adotados para materiais dúcteis;
• Critério de cálculo: Uma tensão admissível só deverá ser aplicada em combinação com o critério de cálculo para o qual foi estabelecida. Cálculos grosseiros e grandes aproximações exigem fatores de segurança maiores;
• Tipo de carregamento: A consideração de esforços cíclicos e alternados, choques e vibrações exigem uma redução no valor da tensão admissível determinada para esforços normais;
• Segurança: Equipamentos de grande periculosidade envolvendo sério risco humano e material exigem elevados fatores de segurança;
• Temperatura: A resistência mecânica de um material diminui com o aumento de temperatura e conseqüentemente a tensão admissível também cairá. Em temperaturas baixas o comportamento de vários materiais se altera, peças que sofreriam uma fratura dúctil em temperatura ambiente passam a sofrer fratura frágil com o abaixamento dessa temperatura.
A tabela a seguir apresenta o critério de fixação de tensões admissíveis adotado pelos códigos ASME, BS-5500 e AD-Merkblatter.
Código de Projeto Abaixo da faixa de creep Acima da faixa de creep
ASME VIII – Div.1♣
Sr / 3,5 (temp. de projeto)
100% da tensão média que provoca uma velocidade de deformação de 0,01% em 1000 h
67% da tensão média que provoca ruptura após 100.000 h.
80% da tensão mínima que provoca ruptura após 100.000 h
(2/3)Sy (temp. de projeto)
ASME VIII – Div.2ƒ
Sr / 2,4 (temp. ambiente) Até 2007: Não existem critérios para a
região de comportamento à fluência Em 2007: Passam a existir critérios semelhantes aos da Div.1
(2/3)Sy (temp. de projeto)
BS-5500
Sy / 1,5 (temp. de projeto) 1 / 1,3 da tensão média que provoca
ruptura num tempo t, numa temperatura T, de acordo com o material
Sr / 2,35 (temp. ambiente)
AD-Merkblatter Sy / 1,5 (temp. de projeto)
100% da tensão média que provoca uma velocidade de deformação de 0,01% em 1000 h.
67% da tensão média que provoca ruptura após 100.000 h.
Tabela 4.1 - Comparativa entre Códigos @ Temperatura Ambiente
A tabela abaixo exemplifica as diferenças no valor da tensão admisível e peso do equipamento para um material de especificação SA-516 Gr.60, que possui as propriedades mecânicas abaixo descritas para a condição de temperatura ambiente.
• Tensão de escoamento mínima = 32,0 ksi • Limite de resistência = 60,0ksi
Código Edição Tensões
Admissíveis [ksi]
Redução de Peso do Equipamento
ASME Seç.VIII – Divisão 1 Anterior a 1998 15,0 0 %
ASME Seç.VIII – Divisão 1 Posterior a 1998 17,1 12,3 % ASME Seç.VIII – Divisão 2 Anterior a 2007 20,0 25,0 % ASME Seç.VIII – Divisão 2 Posterior a 2007 21,3 29,6 %
PD-5500 21,3 29,6 %
AD-Merkblatter 21,3 29,6 %
Tabela 4.2 – Tensões Admissíveis de Diversos Códigos @ Temperatura Ambiente
♣ ♣ ♣
♣ Antes da edição de 1998, o código ASME Seção VIII – Divisão 1 utilizava um fator 4,0 ao lugar de 3,5,
aplicado ao limite de resistência do material para a definição das tensões admissíveis para cálculo.
TABLE 1A
Section I; Section III, Class 2 and 3; and Section VIII, Division 1 Maximum Allowable Stress Values S for Ferrous Materials
4.2 – HISTÓRICO DA EVOLUÇÃO DOS FATORES DE SEGURANÇA NO CÓDIGO ASME 4.2.1 - ASME Seção VIII – Divisão 1
A Edição de 1998 – Adenda 1999 do código ASME alterou o fator de segurança a ser aplicado ao limite de resistência dos materiais para projetos utilizando a Seção VIII – Divisão 1. O valor foi reduzido de 4,0 para 3,5, após 55 anos de evolução dos materiais, processos de soldagem e projeto dos equipamentos.
O fator de segurança em 1914, quando do lançamento da primeira Edição do código era 5,0 e foi mantido até 1944, quando da II Guerra Mundial e a necessidade de reduzir o conservadorismo dos projetos. A justificativa na época para a redução do fator de segurança foi a seguinte: "great improvements in the art of welding." Assim o fator foi reduzido para 4,0 e o teste hidrostático foi alterado de um fator 2,0 para 1,5.
Estas alterações não possuiam base técnica sólida e foram motivadas mais por razões econômicas e emocionais do que na qualidade intrínseca das soldagens realizadas nos equipamentos.
Muitos dos processos de soldagem atualmente utilizados eram apenas desenvolvimento na década de 40 (gas metal arc, gas tungsten arc, and submerged processes, low hydrogen electrodes, flux core process, electro-slag process, electron beam process, and laser welding process). Após a Guerra, o fator retornou a 5,0, se mantendo até a Edição de 1951 do código que estabeleceu definitavemente o valor de 4,0 para o fator de segurança.
A atual mudança no fator foi realizada com base na qualidade dos materiais, melhoria dos processos de soldagem, consumíveis, métodos de inspeção e em códigos de outros países. Em 1944, o conceito de tenacidade do material era restrito a laboratórios, sem aplicação industrial de projetos e de conceitos baseados na mecânica da fratura. O alívio de tensões residuais e o pré-aquecimento na soldagem somente passaram a ser incorporados no código ASME a partir da Edição de 1962.
O único ensaio não-destrutivo disponível em 1944 era a radiografia, em estágios iniciais de desenvolvimento. O ensaio de ultra-som apenas em 1947 teve uma maior importância com o desenvolvimento do cabeçote angular.
O Governo Americano patrocinou um estudo para determinar as causas das falhas e avaliar fatores metalúrgicas que contribuíram para estas falhas. Preliminarmente foi determinado que a causa das falhas era geralmente relacionada a fratura frágil.
O estudo também mostrou que altos níveis de carbono, fósforo, molibdênio e arsênico na composição, aumentam a temperatura de transição, enquanto que o níquel, silício, manganês e cobre reduzem a temperatura de transição do material. Os resultados deste e outros estudos auxiliaram a compreender a importância da tenacidade a fratura para a prevenção de falhas em componentes pressurizados. Apesar disso, estas informações não eram disseminadas em 1944.
O teste de “drop weight” não foi desenvolvido até o final dos anos 40, e os conceitos de mecânica da fratura eram uma curiosidade de laboratório de 1944.
A aplicação da mecânica da fratura para vasos de pressão e as informações necessárias para tornar o método viável para a determinação da adequação ao uso foram extensivamente discutidas em uma publicação de 1967 do Oak Ridge National Laboratory. Este documento motivou a formação do programa Heavy Section Steel Technology, que transformou os conceitos de mecânica da fratura em procedimentos para uso prático.
A mecânica da fratura é utilizada pela Section XI of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code para determinar a integridade de vasos de pressão da área nuclear. A experiência na utilização destes conceitos foram base das recentes revisões nos requisitos de tenacidade da Seção VIII e para as considerações de projeto da Divisão 3 do ASME Seção VIII, para altas pressões.
O efeito da redução do fator de segurança de 4 para 3,5 e o aumento das tensões admissíveis, obtidas nas tabelas 1A e 1B da Seção II – Parte D, foram da ordem de 14,3% na faixa de temperatura em que as propriedades mecânicas são inalteradas com o tempo, abaixo da zona de creep. Não foram alteradas as tensões em temperaturas sob a influência do creep.
O conservadorismo da Seção I e Seção VIII – Divisão 1 continua significante. A probabilidade de falha de um componente devido a tensão excessiva é considerada reduzida.
