Projeto de Vasos de Pressão
Apresentação de Tópicos Básicos
ASME Seção VIII Divisão 1
Falcão
Consultoria e Projetos
Carlos Falcão 2011
Vasos de Pressão
•
São equipamentos usados para armazenamento,
acumulação, reação e processos químicos e físicos
sob pressão, para gases e líquidos;
•
São utilizados principalmente nas refinarias e
plataformas de petróleo, indústrias químicas,
petroquímicas, farmacêuticas, alimentícias,
siderúrgicas, de mineração e centrais
termoelétricas e nucleares;
•
Não são equipamentos de “prateleira”. Cada vaso
tem sua função, geometria, dimensões, materiais
e condições de projeto e operação específicas,
sendo projetado e fabricado “sob encomenda”
(“taylor equipment”).
Vasos de Pressão
•
Os principais equipamentos são:
Esferas e cilindros para armazenamento de
gases;
Torres de destilação, absorção e separação;
Vasos (separadores, acumuladores, de
lavagem, desalgadores, etc.);
Reatores;
Filtros;
Trocadores de calor (aquecedores,
resfriadores, refervedores, condensadores,
evaporadores, etc.).
Vasos de Pressão
Principais Falhas
Deformação elástica excessiva, incluindo
instabilidade;
Deformação plástica excessiva;
Fratura frágil;
Tensões de ruptura e deformações de fluência a
alta temperatura;
Instabilidade plástica - colapso incremental;
Altas deformações - fadiga de baixo ciclo ;
Corrosão sob tensão;
Vasos de Pressão
Definição das Condições de Projeto
Dimensões e forma geométrica;
Pressões máximas e mínimas;
Temperaturas máximas e mínimas;
Cargas externas (vento, tubulações, isolamento
térmico, revestimento, plataformas, acessórios,
etc.);
Cargas cíclicas;
Corrosão;
Material;
Formas de Vasos de Pressão
Cascos:
Cilíndricos; Esféricos;
Reduções cônicas e toricônicas.
Tampos:
Hemisféricos; Elípticos; Torisféricos: 6%: r = 0,06D; L = D; 10%: r = 0,1D; L = D; Perfil Flogges (“falsa-elipse”): r = 0,17D; L = 0,9D (pode
ser calculado como elíptico);
Cônicos;
Toricônicos: mandatório para a > 30°;
Abaulado e flangeado (tampos de cabeçotes flutuantes de trocadres de calor);
Vasos de Pressão
Códigos de Projeto
Códigos de Vasos de Pressão
Estabelecem procedimentos e critérios
para:
Projeto;
Detalhes construtivos relevantes (por
exemplo: soldas, bocais, tampos);
Materiais;
Fabricação;
Exames;
Inspeção;
Testes.
PRINCIPAIS CÓDIGOS DE VASOS DE PRESSÃO
ASME Boiler & Pressure Vessel Code (americana);
EN-13445 – Unfired pressure vessel - (européia, emitida
em 2002);
PD-5500 /BS-5500 – Specifications for unfired fusion
welded pressure vessels - (inglesa);
AD-Merkblätter - (alemã);
CODAP – Code de construction des Appareils a Pression
Equipamentos Existentes
Avaliação e Adequação
API-579 – Fitness for Service
Estabelece procedimentos de avaliação e
adequação para:
Fratura frágil;
Perda de espessura generalizada;
Perda de espessura localizada;
Corrosão por pontos (“pitting”);
Empolamento (“blister”) e dupla laminação;
Desvios de forma (desalinhamento de soldas e
distorções nos cascos);
Trincas;
Operação a alta temperatura e em regime de
fluência (“creep”);
Vasos de Pressão – Equipamentos com
Códigos e Normas Complementares
Trocadores de Calor casco e tubos
TEMA - Standards of The Tubular Exchnanger Manufactures Association);
API-660 – Shell-and-tube Heat Exchangers.
Resfriadores a Ar
API-661 – Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service.
Trocadores de Placas
API-662 – Plate Heat Exchanges for General Refinery Services
Vasos de Pressão
Normas PETROBRAS Complementares
N-253 – Projeto de Vasos de Pressão;
N-268 – Fabricação de vasos de Pressão;
N-269 – Montagem de Vaso de Pressão;
N-466 – Projeto de Trocadores de Calor
Casco e Tubos;
N-1858 – Projeto e Fabricação de
Vasos de Pressão
Tensões Atuantes
Vasos de Pressão - Tensões atuantes
As tensões atuam nas direções
circunferencial (tangencial/latitudinal) - (
s
1),
longitudinal (meridional) - (
s
2) e radial (
s
3);
Nos vasos de pressão:
s
1>
s
2 >s
3 ;
Para cascas finas (R/t ≥ 10), considera-se o
estado bi-axial, com tensões circunferencial e
longitudinal, pois a tensão radial é
desprezível;
Para um cilindro de casca fina:
s
1=
s
;
s
2=
s
/2Teoria das Falhas (estado plano de tensões)
•
Teoria da máxima tensão normal (Critério de
Rankine)
Estabelece que a falha ocorre quando a máxima tensão
normal atuante atinge a tensão de escoamento do
material:
s
1= ±
s
y ;É o critério adotado pelo ASME Seção VIII
Divisão 1.
Teoria das Falhas (estado plano de tensões)
•
Teoria da máxima tensão de cisalhamento
(Critério de Tresca)
Estabelece que a falha ocorre quando a máxima tensão
de cisalhamento atuante atinge a metade da tensão de
escoamento do material, quando submetido à tração
simples:
t
max=
s
y /2;t
max = (s
1-s
2)
/2;
(s
1 -s
2) = ±s
y .É o critério adotado pelo BS-5500, pelo ASME Seção
VIII Divisão 2 (edições anteriores a 2007) e uma
Teoria das Falhas (estado plano de tensões)
•
Teoria da energia de distorção (Critério de Von
Mises)
Estabelece que a falha ocorre quando a energia de
distorção é igual à energia de distorção do material
quando atinge o escoamento em um ensaio de tração
simples:
s
12- s
1
s
2 +s
22 =s
y2É o critério adotado pelo ASME Seção VIII Divisão 2
(a partir de 2007) e uma das alternativas da
Teoria das Falhas
•
Os critérios de Von Mises e de Tresca são mais
adequados para os materiais dúteis (caso dos
aços), enquanto que o critério de Rankine é mais
adequado para materiais frágeis;
•
O critério de Von Mises é o menos conservativo;
•
Quando o ASME editou a Seção VIII Divisão 2,
em 1968, escolheu o critério de Tresca “porque é
ligeiramente mais conservativo, mais fácil de ser
aplicado e apresenta vantagens em algumas
Tipos e Categorias das Tensões Atuantes
Tipos de tensão:
Membrana: componente da tensão normal que é uniformemente
distribuída, com um valor médio, através da espessura de parede;
Flexão: componente da tensão normal que é proporcional à
distância do centro da espessura de parede;
Cisalhamento: são tensões atuantes no plano da parede.
São classificadas em categorias:
Primárias: são tensões produzidas por carregamentos mecânicos
estáveis e não são auto-limitantes (não são aliviadas pela deformação estrutural). Podem ser:
Gerais; Locais.
Secundárias: são tensões auto-limitantes pelas deformações. Pico: são tensões que não causam distorções previsíveis e
provocam apenas fadiga e fratura frágil, atuando junto com as tensões primárias e secundárias.
Vasos de Pressão
Exemplos de Categorias de Tensões
Primária geral de membrana (Pm): devidas à pressão,
peso próprio, vento;
Primária geral de flexão (Pb): devidas à pressão em
tampos planos;
Primária local de membrana (PL): atuam nas
proximidades de bocais e suportes, devidas à cargas (forças e momentos) e pressão;
Secundária de membrana ou flexão (Q):de flexão
atuando em descontinuidades (mudança de espessura ou geometria), de flexão atuando nas proximidades de bocais e suportes devidas à cargas (forças e momentos) e de
flexão e membrana devidas à expansão térmica;
Pico (F): localizadas em regiões com concentração de
Vasos de Pressão
Combinação de Tensões
Para códigos com dimensionamento por análise
(DBA): ASME Seção VIII, Divisões 2 e 3, PD 5500 (BS
5500) e EN 13445
P
m< 1,0S
P
L< 1,5S
P
m+ P
L< 1,5S
P
m+ P
L+ P
b< 1,5S
P
m+ P
L+ P
b+ Q < maior [3S ou 2S
y]
P
m+ P
L+ P
b+ Q + F < S
aS é a tensão admissível, Sy é o limite de escoamento e Sa é a
tensão alternada obtida da curva de fadiga para um determinado número de ciclos.
Vasos de Pressão
ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 1
Tópicos Principais de Projeto
ASME Boiler & Pressure Vessel Code
1ª Edição: 1925 – “Rules for Construction of Pressure
Vessels”, Section VIII, 1925 Edition;
Atualmente editado a cada três anos, com adendas
intermediárias (anuais);
Edição atual: 2010, emissão original de 01 de julho
de 2010, obrigatória a partir de 01 de janeiro de
2008 até dezembro de 2010;
Adenda 2011: emitida em 01 de julho de 2011, válida
a partir de 01 de janeiro de 2012 até dezembro de
2012 ;
Próxima edição: 2013, a ser emitida em 01 de julho
de 2013, será obrigatória a partir de 01 de janeiro de
2014.
ASME Boiler & Pressure Vessel Code
Anualmente, junto com a emissão da nova edição
ou adenda, o código publica as seguintes
complementações:
Interpretações:
Respostas a questionamentos relativos a itens
específicos. As respostas geralmente são: sim
ou não;
Casos (Code Cases):
Respostas com considerações aceitas para
acréscimos ou revisões, que possibilitam
esclarecimentos e alternativas ou ainda
incorporações de tópicos não abordados pelas
regras do código.
ASME Boiler & Pressure Vessel Code
Exemplo de Interpretação
Interpretation VIII-1-86-174
Concorda com a alternativa para calcular
tampo torisférico 2:1, com r= 0,17D e L =
0,9D (Perfil Flogges - “falsa-elipse”),
adotando a fórmula de tampo elíptico 2:1
Atualmente incorporado no texto de
UG-32(d) – Cálculo de tampos elípticos para
pressão interna.
ASME Boiler & Pressure Vessel Code
Exemplos de Casos
Case 2290 – Alternativa para adotar coeficiente
de segurança 3,5 para tensões admissíveis: atual
tabela 1A da Seção II Parte D;
Case 2398 – Método alternativo para reforços
de bocais de grande diâmetro em cilindros: atual
parágrafo 1-10;
Case 2235-9 – Uso de exame ultra-som em vez
ASME Boiler & Pressure Vessel Code
Principais seções relacionadas a vasos de pressão
Seção I – Caldeiras Seção II – Materiais
Parte A – Ferrosos;
Parte B – Não Ferrosos; Parte C – Eletrodos;
Parte D – Propriedades.
Seção III – Componentes Nucleares Seção V – Exames Não Destrutivos Seção VIII – Vasos de Pressão
Divisão 1 – Regras Básicas;
Divisão 2 – Regras Alternativas;
Divisão 3 – Regras Alternativas para Vasos de Alta Pressão;
Seção IX – Qualificação de Procedimentos de Soldagem Seção X – Vasos de Plástico Reforçado com Fibra de Vidro
ASME Seção VIII Divisão 1
Escopo de Aplicação
Vasos não sujeitos à chama;
Vasos com diâmetros acima de 152 mm (6”);
Vasos com pressão até 20 MPa ou pressão negativa;
Para pressões entre zero e 0,1 MPa o código não é
aplicável. Alternativamente adota-se o
API-620-“Design and Construction of Large, Welded,
Low-Pressure Storage Tank”;
Exclusões para
:
Vasos com água pressurizada até 2 MPa e temperatura até 99ºC;
Vasos para água quente com capacidade até 0,450 m3, temperatura até 99°C e carga térmica de 58,6 kW;
Tubulações e componentes de tubulações; Vasos para ocupação humana.
ASME Seção VIII Divisão 1
Critério de projeto:
Projeto por regras (DBR);
Emprega a teoria de resistência da máxima tensão principal (Critério de Rankine).
Limitações:
Não adota projeto por análise (DBA) e classificação de tensões;
Não emprega teorias de resistência mais precisas (Tresca e Von Mises);
Não adota procedimentos para projeto de suportes e
tensões localizadas (recomenda a utilização dos Boletins WRC 107, WRC 198 e WRC 297 e o código inglês
BS-5500);
Não tem procedimentos para análise de tensões em vasos horizontais;
ASME Seção VIII Divisão 1
Rules for Construction of Pressure Vessels Subseção A – Requisitos Gerais
Parte UG – Requisitos para todos os métodos de fabricação: materiais, projeto, bocais e reforços, fabricação, inspeção e testes, dispositivos de alívio.
Subseção B - Requisitos para métodos de fabricação específicos Parte UW – Vasos soldados;
Parte UF – Vasos forjados;
Parte UB – Vasos fabricados por brasagem.
Subseção C – Requisitos para classes de materiais específicas Parte UCS – Aço Carbono;
Parte UNF – Materiais não ferrosos; Parte UHA – Aços de alta liga;
Parte UCI – Ferros fundidos; Parte UCL – Clad;
Parte UCD – Ferro fundido dútil;
Parte UHT – Aços ferríticos com propriedades melhoradas por
tratamento térmico;
Parte ULW – Vasos multicamadas
Parte ULT – Materiais com altas tensões admissíveis para baixa
temperatura;
ASME Seção VIII Divisão 1
Apêndices mandatórios (total:34) - principais
apêndices:
Apêndice 1-Fórmulas complementares;
Apêndice 2-Conexões flanges com parafusos;
Apêndice 3 - Definições
Apêndice 5-Juntas de expansão tipo flangeada
e “flued”;
Apêndices 4, 6, 7, 8, 12-Exames não
destrutivos (radiografia, partículas magnéticas,
líquido penetrante, ultra-som);
Apêndice 9-Vasos com camisas;
ASME Seção VIII Divisão 1
Apêndices mandatórios (total:34)- principais
apêndices (continuação):
Apêndice 13 -Vasos de seção não circular;
Apêndice 17- Placas de trocadores de calor;
Apêndice 22- Vasos forjados;
Apêndice 16 – Questões técnicas submetidas
ao BPVP;
Apêndice 17- Placas de trocadores de calor;
Apêndice 24- Conexões fixadas com grampos
“clamp”;
Apêndice 26 – Juntas de expansão de vasos de
ASME Seção VIII Divisão 1
Apêndices não mandatórios (total:22)
apêndices mais usuais:
Apêndice A- Critérios para determinação de
cargas admissíveis em ligação tubo-espelho;
Apêndice G- Recomendações sugeridas para
reações de tubulações e suportes;
Apêndice L- Exemplos de aplicação das
fórmulas e procedimentos do código;
Apêndice P- Bases para estabelecimento das
ASME Seção VIII Divisão 1
Apêndices não mandatórios (total:22)
apêndices mais usuais (continuação):
Apêndice S- Considerações no projeto de conexões
com flanges parafusados;
Apêndice Y- Flanges de face plana com
contato metal - metal externo ao círculo de
parafusos;
Apêndice EE- Vasos com camisas tipo
Cargas de Projeto
ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-22)
Pressão interna (inclui pressão hidrostática) e
pressão externa;
Cargas de peso próprio e do líquido contido;
Cargas de acessórios e equipamentos
(isolamento térmico, revestimentos, internos,
plataformas, agitadores, etc.);
Cargas dos suportes;
Cargas externas;
Cargas de vento;
Cargas de tubulações;
Cargas de impacto;
Cargas de gradientes térmicos;
Cargas cíclicas.
Vasos de Pressão
Combinação de Tensões
Critério do ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-23)
dimensionamento por regras (DBR):
P
m< S, quando a carga é apenas de
pressão;
P
m< 1,2S, pressão com cargas devidas à
vento, cargas de terremoto e cargas de peso
próprio e de acessórios;
P
m+ P
b< 1,5S, quando existem tensões
primárias de flexão;
Para demais combinações de tensões, em que o
código é omisso, adota-se usualmente o
seguinte critério:
P
m+ P
L+ P
b+ Q < 2S < Sy
S é a tensão admissível tabelada e Sy é o limite de
Vasos de Pressão
Tensões Admissíveis de Tração
ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-23)
Seção II Parte D Sub-parte 1
Para temperaturas abaixo da faixa de fluência a tensão admissível de tração (S) é o menor dos valores:
1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente; 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto; 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura
ambiente;
2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de
projeto.
Para temperaturas na faixa de fluência a tensão admissível de tração (S) é o menor dos valores:
100% da tensão média para uma razão de fluência de 0,01% /
1000 horas;
67% da tensão média de ruptura ao fim de 1000000 horas; 80% da tensão mínima de ruptura a 1000000 horas.
As tensões são obtidas de tabelas da Seção II Parte D, em função
Vasos de Pressão
Tensões Admissíveis de Compressão
ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-23)
Seção II Parte D Sub-parte 3
As tensões (Fator B) são obtidas de curvas (ver
slide 70), em função da geometria e do Fator
A=0,125/(R
o/t), do material, do módulo de
elasticidade e da temperatura.
Caso o Fator A se situe à esquerda da curva a
Vasos de Pressão
Categorias e Tipos de Soldas (UW-3)
• As soldas de um vaso são definidas em 4 categorias, dependendo sua posição no vaso: soldas longitudinais (A), soldas
circunferenciais (B), soldas de flanges (C) e soldas de bocais com cascos (D);
• As soldas também são divididas em 8 tipos: por exemplo solda de topo executada pelos dois lados (Tipo 1), solda de topo simples com mata-junta (tipo 2);
• As soldas categoria A devem ser tipo 1;
Vasos de Pressão
Exame Radiográfico (UW-11)
• As soldas podem ter exames radiográficos (total ou parcial)
ou não, dependendo do tipo e do serviço do vaso;
• As soldas de topo com espessuras maiores que 38 mm
devem ser totalmente radiografadas. Para alguns materiais esta exigência é válida para espessuras menores (aço
carbono 32 mm);
• Vasos que contenham substâncias letais devem ter as
soldas do casco e tampos totalmente radiografadas, para qualquer espessura;
• Vasos que tenham serviço com hidrogênio ou com H2S,
devem ter radiografia total, exigida pelas normas para estes tipos de serviço (PETROBRAS, NACE, API, etc.);
• O ASME permite que o exame radiográfico seja substituído
Vasos de Pressão
Eficiência de Junta (UW-12)
• A eficiência de junta é um fator de redução da tensão
admissível do material que é soldado (metal base) em função do tipo de solda e do nível de exame realizado;
• O dimensionamento da espessura requerida dos vasos de
pressão depende da eficiência de solda (E);
• Quando submetidas a esforços de compressão, como peso
próprio para um vaso vertical, as soldas tem eficiência E=1,0, independentemente do nível de exame;
• Tampos com diâmetros até 1800 mm, normalmente são
feitos em uma única peça, sem solda, sendo neste caso, a eficiência igual a 1,0.
ASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de Componentes
As espessuras determinadas pelas fórmulas
são corroídas;
Espessuras mínimas (UG-16);
Cálculo de espessuras de cascos:
Pressão interna (UG-27, 1-1, 1-2 e 1-3);
Pressão externa (UG-28);
Anéis enrijecedores para pressão externa em
cilindros (UG-29 e UG-30).
Cálculo de espessuras de tampos e seções
cônicas:
Pressão interna (UG-32, 1-4 e 1-5);
Pressão externa (UG-33 e 1-5).
ASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de Componentes
Cálculo de espessuras de tampos planos:
Pressão interna e externa (UG-34 e Apêndice
14).
Tampos abaulados e flangeados com
parafusos (cabeçotes flutuantes de trocadores
de calor):
Pressão interna e externa (1-6);
Sugere uso de procedimentos alternativos.
Reforço de junção cone-cilindro:
Pressão interna (1-5);
Pressão externa (1-8).
Procedimento para pressão externa
•
Para uma dada espessura e geometria do componente, determina-se a pressão externa admissível (Pa) e compara-se com a de projeto. Cada tipo de componente tem umprocedimento específico. Por exemplo:
•
Para cascos cilíndricos, em função do máximocomprimento não suportado (L), do diâmetro externo (Do), da espessura (t) e do módulo de elasticidade (E):
Determina-se Do/t e L/Do, obtendo-se o fator A (curva slide 91) e o valor do fator B de curvas (slide 92). A pressãoadmissível é: Pa=4B/3(Do/t) ou P=2AE/3(Do/t);
• Para cascos esféricos, em função do raio externo (Ro), da
espessura (t) e do módulo de elasticidade (E):
Determina-se o fator A = 0,125/(Ro/t) e o valor do fator B das curvas. A pressão admissível é: Pa=4B/3(Do/t) ouASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de Aberturas e Reforços
Dimensões e formas (UG-36);
Reforço para aberturas em cascos e tampos
conformados – reposição da área retirada para a
abertura (UG-37);
Aberturas tipo “flued” em tampos conformados
(UG-38);
Reforço para aberturas em tampos planos
(UG-39);
Limites do reforço (UG-40);
Resistência do reforço e das soldas(UG-41);
Reforço para aberturas múltiplas (UG-42);
ASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de Aberturas e Reforços
Espessura mínima para pescoço (UG-45);
Aberturas de grandes diâmetros em cascos
cilíndricos (1-7 e 1-10) e cônicos (1-7);
Tubos padronizados – ASME B36.10 (tubos de
ASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de flanges parafusados
com juntas de vedação tipo anel
Apêndices 2 e S
•
Definem fórmulas e critérios de tensões
admissíveis para cálculo de vários tipos de flanges,
coeficientes para vários tipos de junta e faces de
assentamento;
•
São calculados para duas condições:
Assentamento da junta, com temperatura ambiente e sem pressão;
Operação, com temperatura e pressão de projeto.
ASME Seção VIII Divisão 1
Flanges padronizados (UG-44)
•
Não precisam ser calculados. Pode-se adotar o
“rating” de pressão em função da classe de
pressão do flange, do material e da temperatura,
conforme uma das seguintes normas:
Diâmetros até 24” – ASME B16.5;
ASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de Tampos Planos (UG-34)
•
Podem ser circulares ou não circulares
(quadrados, retangulares, elípticos, oblongos e
outras formas);
•
Podem ser integrais, soldados ou parafusados;
•
São calculados através de fórmulas para cada
tipo, que determinam a espessura mínima;
•
Os tampos circulares parafusados também podem
ser padronizados (flanges cegos), sem necessidade
de cálculo, conforme as mesmas normas de
flanges:
Diâmetros até 24” – ASME B16.5;
ASME Seção VIII Divisão 1
Dimensionamento de Tampos Abaulados e
Flangeados (1-6)
•
São tampos feitos com dois componentes: uma
calota esférica e um flange;
•
Uma aplicação freqüente é para tampos de
cabeçotes flutuantes de trocadores de calor;
•
São calculados com fórmulas distintas: para o
flange e para a calota;
•
O ASME admite que o seu procedimento é
aproximado e sugere que outros procedimentos
podem ser adotados;
•
Procedimento de Soerenhs considera o conjunto
ASME Seção VIII Divisão 1
Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA)
Maximum Allowable Working Pressure (MAWP)- UG-98
É a pressão (interna ou externa) que causa, na parte mais fraca
do vaso, uma tensão igual a tensão admissível para uma
determinada temperatura, na condição do equipamento corroído e na posição de operação.
É calculada para cada componente, considerando-se a
correspondente coluna de líquido de operação:
Cascos, tampos, flanges e espelhos de trocadores de calor, em função das espessuras adotadas;
Bocais, em função da espessura adotada e da área de reforço; Flanges padronizados, em função do “rating” de pressão.
A PMTA (MAWP) final é a menor das pressões calculadas para
todos os componentes.
A PMTA (MAWP) pode ser considerada como sendo a pressão de
ASME Seção VIII Divisão 1 Teste Hidrostático – UG-99
Verifica a estanqueidade das soldas e bocais.
Submete o equipamento a um nível de tensões superior ao que ocorrerá em condições normais de operação, promovendo alívio de tensões nas regiões de descontinuidades geométricas.
O componente mais fraco do vaso deve ficar com um nível de tensões dentro de um limite de segurança que não cause danos (a tensão atuante em qualquer parte do vaso durante o teste hidrostático não pode ultrapassar um valor próximo ao
ASME Seção VIII Divisão 1 Teste Hidrostático – UG-99
UG-99 (b): vaso corroído e quente: teste no qual o vaso está submetido a uma pressão aplicada no topo, que é a PMTA (MAWP) estabelecida para o
vaso, multiplicada por 1,3 e corrigida em função da razão entre a temperatura do teste e a temperatura da PMTA:
Pteste = 1,3*PMTA * (Steste/S)
UG-99 (c): teste com pressão calculada (normalmente calculada para o vaso com espessura nominal não corroída e frio - MAP): teste que considera a
menor pressão entre as pressões máximas de todos os componentes, aplicada no topo, multiplicada por 1,3 e descontada a respectiva coluna
hidrostática:
Pteste = 1,3*MAP – coluna hidrostática
Temperatura mínima recomendada para o teste -UG-99(h):
ASME Seção VIII Divisão 1
Teste Pneumático – UG-100
Vaso corroído e quente: teste no qual o vaso
está submetido a uma pressão que é a PMTA
(MAWP), estabelecida para o vaso, multiplicada
por 1,1 e corrigida em função da razão entre a
temperatura do teste e a temperatura da PMTA
(MAWP):
ASME Seção VIII Divisão 1
Tratamento Térmico de Alívio de Tensões
Postweld Heat Treatment (PWHT) Vasos de Aço Carbono e Baixa Liga (UCS-56)
•
Os vasos devem ser submetidos a tratamento térmico, com temperaturas e tempo de patamar determinados para cada tipo de material (P-number classifica os materiais com a mesma a soldabilidade), dependendo da espessura. No caso de aços P-No 1 Gr 1 (Por ex.: SA-516/515- 60): para soldas acima de 38 mm;
para soldas acima de 32 mm até 38 mm, a menos que um
preaquecimento de 95° C seja aplicado durante a soldagem.
• Vasos que contenham substâncias letais devem ter
tratamento térmico independentemente da espessura;
• Vasos que tenham serviço com hidrogênio ou serviço com
H2S, devem ter tratamento térmico exigido pelas normas para estes tipos de serviço (PETROBRAS, NACE, API, etc.).
ASME Seção VIII Divisão 1
Tratamento Térmico de Cascos e Tampos Conformados à Frio de Aços Carbono e Baixa Liga (UCS-79)
•
O tratamento térmico é obrigatório quando o
alongamento das fibras extremas for superior a 5%, se
existir uma das seguintes condições:
• O vaso contém substância letal;
• O material requer teste de impacto;
• A espessura nominal antes da conformação for superior
a 16 mm;
• A redução de espessura for superior a 10% em qualquer
região com alongamento superior a 5%;
• A temperatura de conformação é entre 120°C e 480°C; •
Para materiais P No 1 Grupos 1 e 2 o alongamento é
admitido até 40%, atendendo às mesmas exigências
acima.
ASME Seção VIII Divisão 1
Operação com Baixa temperatura (UCS-65) Temperatura Mínima de Projeto (UCS-66)
Minimum Design Metal Temperature (MDMT)
Define a temperatura mínima de operação do equipamento
sem que haja fratura frágil. É determinada para cada
componente do vaso e a MDMT final é a mais quente das MDMT’s de cada componente;
A temperatura mínima que dispensa o teste de impacto é
obtida de curvas, para cada tipo de material e com a espessura de referência dos componentes envolvidos (chapas, bocais com reforço, flanges e espelhos);
Em função do nível de solicitação do componente, pode
ser aplicada redução (decréscimo) na temperatura obtida;
Caso haja teste de impacto, a temperatura mínima é a
temperatura do teste, podendo também ser aplicada a mesma redução.
Vasos de Pressão
Tensões Localizadas
Tensões em Vasos Horizontais
São adotados vários procedimentos de cálculo, paradeterminação das tensões atuantes no casco e tampos, que são:
Tensões longitudinais de flexão (no meio do vão e no plano das selas);
Tensões circunferenciais no plano das selas (no ponto inferior do casco, no topo das selas e próximo ao
equador);
Tensões tangenciais de cisalhamento (na vizinhança das selas).
Tensões adicionais nos tampos, quando atuam como enrijecedores do casco.
Tensões em Vasos Horizontais
Principais procedimentos de cálculo
• “Stress in Large Cylindrical Pressure Vessels on Two Sadle Supports” - L.P.Zick (1951). É o método pioneiro e o mais tradicional. É recomendado pelo ASME Seção VIII Divisão 1 (Apêndice G).Todos os programas de cálculo de vasos de pressão o adotam;
• ASME Seção VIII Divisão 2, Parte 4 item 4.15.3: “Saddle
Supports for Horizontal Vessels. Incluído na edição 2007;
• PD-5500, Apêndice G item G3.3: “Supports and mountings for horizontal vessels”;
• EN-13445, item 16.8: “ Horizontal vessels on sadlle supports”. Este método é interessante pois também considera vasos
apoiados em duas selas não simétricamente posicionadas e apoiados em mais de duas selas equidistantes;
ASME Seção VIII Divisão 1
Tensões Localizadas Devidas à Cargas
Externas em Bocais, Suportes e Clips
Procedimentos recomendados pelo Apêndice G
do ASME:
WRC Bulletin 107 – Tensões em cascos esféricos e
cilíndricos (1965) – bocais, suportes e clips;
Todos os programas adotam este procedimento.
WRC Bulletin 297 (suplemento ao Bulletin 107) –
Tensões em cascos cilíndricos (1987) – só cargas em
bocais;
PD-5500 Apêndice G - Tensões em cascos esféricos e
Tensões Localizadas Devidas à Cargas
Externas
•
Os carregamentos são: Força radial (P), Força longitudidal (VL), Força circunferencial (VC), Momento de torção (MT), Momento longitudinal (ML) e Momento circunferencial (MC);•
Os carregamentos P, ML e MC induzem, localizadamente, forças unitárias de membrana (N) e Momentos unitários de flexão (M), que atuam nas direções longitudinal ecircunferencial;
•
Os carregamentos unitários resultam em tensões: de membrana:s
=N/t; de flexão:s
=± 6M/t2 Os carregamentos VC, VL e MT resultam em tensões de cisalhamento:
t
=MT/2p2rt et
’=(VTensões Localizadas Devidas à Cargas
Externas
•
As tensões localizadas são calculadas nos
sentidos longitudinal (x) e circunferencial (Ф), em
4 pontos (A, B, C e D) considerando as faces
externa (
U) e interna (
L);
•
Devem ser combinadas com as tensões
longitudinal e circunferencial devidas à pressão;
•
As tensões de membrana devidas à pressão e
cargas são primárias locais de membrana (P
L) e as
de flexão e de cisalhamento são secundárias (Q).
Tensões Localizadas Devidas a Cargas
Externas
•
A intensidade total de tensões atuantes é
calculada conforme abaixo:
quando
t
0, será o maior valor absoluto entre:
S
T= 0,5
s
X+
s
Ф±
(
s
X-
s
Ф)
2+ 4
t
2
1/2
, ou
S
T=
(
s
X-
s
Ф)
2+ 4
t
2
1/2
quando
t
= 0, será o maior valor absoluto:
Elementos Finitos
Tensões localizadas em bocais de casco esférico
(MPa)
Elementos Finitos
Tensões localizadas em sapatas de casco cilíndrico
(MPa)
Elementos Finitos
Tensões localizadas em apoio de vaso horizontal
(MPa)
Vasos de Pressão
Materiais
Especificações de Materiais
Conforme ASME Seção II Parte A (ferrosos) e
Parte B (não ferrosos)
As especificações ASME (SA ou SB) são baseadas
nas especificações ASTM (American Society for
Testing and Materials), podendo ser:
Idênticas- exemplos: 105, 240,
SA-387, SA-515, SA-516 e SB-127;
Com requisitos adicionais - exemplos:
106, 182, 193, 194, 234,
312, 333, 335, 350, 403,
SA-790, 165, 209, 247, 265,
363, 366, 381, 443, 564 e
SB-775.
Especificações de Materiais
Conforme ASME Seção II Parte A
Aço carbono não acalmado (uso restrito): SA-285 Gr C;
Aços carbono acalmados (temperatura moderada: de 0°C
a 450°C):
SA-515 Gr 60/70, SA-106 B, SA-105, SA-234WPB;
Aços carbono acalmados (baixa temperatura: de -45°C
até 450°C):
SA-516 Gr 60/70, SA-106 Gr B (normalmente limitados a -29°C) ou SA-333 Gr 6, SA-105 ou SA-333 Gr LF2, SA-420-WLP 6.
Observação: dependendo da temperatura de aplicação os materiais de aços acalmados devem ser normalizados e com teste de impacto.
Especificações de Materiais
Conforme ASME Seção II Parte A
Aços liga 1 ¼ Cr – ½ Mo (alta temperatura – até 530°C)
SA-387 Gr 11, SA -335 Gr P11, SA-182 Gr F11, SA-234-WP11;
Aços liga 2 ¼ Cr – 1 Mo (alta temperatura – até 600°C)
SA-387 Gr 22, SA -335 Gr P22, SA-182 Gr F22, SA-234-WP22;
Especificações de Materiais
Conforme ASME Seção II Parte A
Aços inoxidáveis austeníticos mais comunsTemperaturas de -250°C (criogênica) até 800°C, com faixas específicas dependendo do tipo e grau do material SA-240, SA-312, SA- 182 e SA-403
Carbono normal: 304 e 316 e 317 (com adição de
molibidênio);
Baixo carbono (“low-carbon”): 304L, 316L e 317L (com
adição de molibidênio);
Carbono controlado: 304H e 316H;
Estabilizados: com Titânio:321, 316Ti ; com Nióbio: 347.
Para T > 540°C adotar tipo H;
Para 500°C < T < 700°C formação de fase sigma;
Para 450°C < T < 850°C sensitização, adotar tipos baixo
Especificações de Materiais
Conforme ASME Seção II Partes A e B
Aços inoxidáveis especiais: Super austeníticos
Liga UNS S31254 – AVESTA 254SMO: água do
mar e cloretos - temperatura até 400°C;
SA-240, SA-312, SA- 182 e SA-403.
Liga UNS N08904 – SANDVIK 2RK65: ácidos
sulfúrico, fosfórico e acético – temperatura até
370°C;
SA-240-904L, SB-625, SA-312, SB-677, SB-366.
Liga UNS N08028 – SANDVIK Sanicro 28: ácidos
e H
2S – temperatura até 400°C;
SB-709 e SB-668.
Especificações de Materiais
Conforme ASME Seção II Partes A e B
Aços inoxidáveis especiais:
Super Duplex
(ferrítico-austenítico) (liga mais
usada: UNS S32750 – SANDVIK SAF 2507) –
ácidos, cloretos e H
2S - temperatura até 250°C;
SA-240, SA-790, SA- 182 e SA-815
Para aços inoxidáveis podem ser usadas chapas
Materiais Resistentes à Corrosão (CRA)
ASME Seção II Parte B (não ferrosos)
Materiais mais comuns:
Alumínio e ligas de alumínio
(SB-209, SB-210 e
SB-247);
Titânio e ligas de titâ
nio
(265, 381 e
SB-363);
Níquel e ligas de níquel
(Monel, Inconel, Incolloy,
Hastelloy, etc.)
Para níquel e ligas de níquel podem ser usadas
chapas “clad” (SA-265: aço carbono + níquel e
ligas de níquel).
Soldagem de casco com chapa cladeada Chapa cladeada
Materiais para Serviços Especiais
e Corrosão sob Tensão
Ataque por hidrogênio (Serviço com H
2)
API-941 e Norma Petrobras N-1704
Ocorre em temperaturas acima de 220°C;
Materiais: Aço liga Cr-Mo e Aço carbono com exigências especiais.
Corrosão por H
2S (Serviço com H
2S)
NACE MR 0175 e Norma Petrobras N-1706
Corrosão sob tensão por sulfetos (SSCC); Trincas induzidas pelo hidrogênio (HIC);
Materiais para Serviços Especiais
e Corrosão sob Tensão
Fragilização cáustica (Serviço com soda
cáustica)
NACE – Corrosion data survey e Norma Petrobras
N-1705)
Emprego de Aço carbono sem tratamento térmico, Aço carbono com tratamento térmico ou Monel, dependendo da concentração de NaOH e da temperatura.
Corrosão Naftênica
Ácido naftêntico é o nome dado a ácidos orgânicos
presentes nos óleos crús
Emprego de Aço inox austenítico 316L e 317L (com molibidênio).
Materiais para Serviços Especiais
e Corrosão sob Tensão
Serviço com Cl
- Aço inox super austenítico (liga UNS S 31254);
Serviço com Cl
-e CO
2 Aço Super Duplex (liga UNS 32750/32760).
Serviço com CO
2Vasos de Pressão
Acessórios
Bocais
Suportes
Vasos de Pressão – Acessórios
Internos (Normas PETROBRAS N- 1862 e N-2049)
Quebra-vórtice;
Anel suporte de bandejas;
Chapa de retenção para recheios; Chicana defletora para bocais;
Chapa de desgaste;
Flanges para tubulação interna;
Internos de processo
Bandejas; Recheios;
Catalisadores;
Distribuidores e redistribuidores;
Suportes e retentores de recheio e cartalisadores; Eliminadores de névoa;
Vasos de Pressão – Acessórios
Externos (Norma PETROBRAS
N-550/N-1756/N-2054)
Olhal de içamento;
Placa de identificação;
Clips para suportes de escadas, plataformas e
tubulações;
Clips para suportes de isolamento térmico;
Clips para suporte de proteção contra fogo;
Placa de identificação;
Suporte para turco de carga;
Chapa de aterramento.
Vasos de Pressão – Detalhes de Bocais
(Norma PETROBRAS N-2012)
Projeção externa;
Bocal tangencial;
Bocal de fundo;
Turco para boca de visita;
Vasos de Pressão – Suportes
Vasos Horizontais
Selas (Norma PETROBRAS N-2013)
Vasos Verticais
Saias (Norma PETROBRAS N-2014);
Pernas (Norma PETROBRAS N-2014);
Sapatas (para trocadores de calor com
diâmetro até 1200 mm é padronizado pela
Norma PETROBRAS N-2159);
Vasos de Pressão – Suportes
Procedimentos de Cálculos
São considerados componentes estruturais,
dimensionados de acordo com normas de estruturas
metálicas, normalmente adotando-se o AISC
(American Iron and Steel Construction);
Existem procedimentos específicos para alguns
elementos dos suportes, como anel base de saias e
placa base de colunas e sapatas, que são
apresentados na bibliografia usual de projeto de
vasos de pressão;
Para anéis e sapatas de apoio as tensões atuantes
são obtidas de literatura especifica e consagrada,
como o livro do Roark.
Vasos de Pressão - Bibliografia Básica
Process Equipment Design
Brownell and Young
Pressure Vessel Design Handbook
Henny H. Bednar
Process Vessel Design Manual
Dennis R. Moss
Structural Analisys & Design of Process Equipment
Maan H. Jaward and James R. Farr
Pressure Vessels – The ASME Code Simplified
Robert Chuse
Formulas for Stress and Strain
Roark and Young
Vasos de Pressão
Fontes das figuras
•
ASME Seção VIII Divisão 1 edição 2007 adenda 2009: slides20, 26, 27, 72, 89, 90, 94, 95, 97, 99, 100, 101, 102, 108, 110, 117, 118, 122, 123, 124, 125, 126 e 127;
• ASME Seção II Parte D edição 2007 adenda 2009: slides 65,
66, 67, 68, 70 e 91;
• ASME Seção II Parte A edição 2007 adenda 2009: slide 145; • ASTM American Society for Testing and Materials: slide 145; • TEMA - Standards of Tubular Exchanger Manufacturers
Association – 8a edição: slide 130;
• Theory and Design of Modern Pressure Vessels John Harvey
-Van Norstrand Reinhold Company: slides 16 e 37;
• AD – Merkblätter: slide 38;
• Process Vessel Design Manual - Dennis R. Moss - Gulf Publishing
Company: slides 61, 75, 87, 103, 119 e 139;
• ASME B16.5 - Pipe Flanges and Flanged Fittings: slides 105 e
Fontes das fotografias
• As fotografias dos slides 1, 5, 6, 7, 8, 9, 21, 22, 23, 83,
84, 131, 132 e 152 foram obtidas de catálogos dos seguintes fabricantes:
GODREJ-Godrej & Boyce Manufacturing;
ANTONIUS Vesselheads;
TAYLOR FORGE Engineering Systems, Inc; FELGUERA Calderaría Pesada;
BADONI ATB;
CONFAB Industrial;
CBC Indústrias Pesadas;
CBI-Chicago Bridge & Iron Company; KOBELCO – KOBE STEEL;
JSW – Japan Steel Works; JFE Steel Corporation;
MITSUBISHI Metal Corporation; GEA do Brasil.