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Apresentação Vaso de Pressão - Tópicos ASME Rev1

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(1)

Projeto de Vasos de Pressão

Apresentação de Tópicos Básicos

ASME Seção VIII Divisão 1

Falcão

Consultoria e Projetos

Carlos Falcão 2011

(2)

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”).

(3)

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.).

(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

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;

(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)

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;

(19)

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);

(20)
(21)
(22)
(23)
(24)

Vasos de Pressão

Códigos de Projeto

(25)

Códigos de Vasos de Pressão

Estabelecem procedimentos e critérios

para:

Projeto;

Detalhes construtivos relevantes (por

exemplo: soldas, bocais, tampos);

Materiais;

Fabricação;

Exames;

Inspeção;

Testes.

(26)
(27)
(28)

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

(29)
(30)
(31)
(32)

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”);

(33)

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

(34)

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

(35)

Vasos de Pressão

Tensões Atuantes

(36)

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

/2

(37)
(38)
(39)

Teoria 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.

(40)

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

(41)

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

y2

É o critério adotado pelo ASME Seção VIII Divisão 2

(a partir de 2007) e uma das alternativas da

(42)
(43)

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

(44)

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.

(45)

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

(46)

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

a

S 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.

(47)

Vasos de Pressão

ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 1

Tópicos Principais de Projeto

(48)
(49)

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.

(50)

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.

(51)

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.

(52)

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

(53)

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

(54)

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.

(55)

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;

(56)

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;

(57)

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;

(58)

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

(59)

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

(60)

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

(61)
(62)

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.

(63)

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

(64)

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

(65)
(66)
(67)
(68)
(69)

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

(70)
(71)

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;

(72)
(73)

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

(74)

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.

(75)
(76)
(77)
(78)
(79)
(80)
(81)
(82)
(83)
(84)
(85)

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).

(86)

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).

(87)
(88)

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 um

procedimento específico. Por exemplo:

Para cascos cilíndricos, em função do máximo

comprimento 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 pressão

admissível 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) ou

(89)
(90)
(91)
(92)
(93)

ASME 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);

(94)

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

(95)
(96)
(97)
(98)
(99)

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.

(100)
(101)
(102)
(103)
(104)
(105)

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;

(106)
(107)
(108)

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;

(109)
(110)

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

(111)
(112)

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

(113)

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

(114)

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):

(115)
(116)
(117)

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):

(118)

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.).

(119)
(120)
(121)
(122)

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.

(123)

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.

(124)
(125)
(126)
(127)
(128)
(129)
(130)

Vasos de Pressão

Tensões Localizadas

(131)

Tensões em Vasos Horizontais

 São adotados vários procedimentos de cálculo, para

determinação 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.

(132)
(133)
(134)
(135)

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;

(136)

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

(137)

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 e

circunferencial;

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 e

t

’=(V

(138)

Tensões 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).

(139)

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:

(140)
(141)
(142)

Elementos Finitos

Tensões localizadas em bocais de casco esférico

(MPa)

(143)

Elementos Finitos

Tensões localizadas em sapatas de casco cilíndrico

(MPa)

(144)

Elementos Finitos

Tensões localizadas em apoio de vaso horizontal

(MPa)

(145)

Vasos de Pressão

Materiais

(146)

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.

(147)
(148)

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.

(149)

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;

(150)

Especificações de Materiais

Conforme ASME Seção II Parte A

Aços inoxidáveis austeníticos mais comuns

Temperaturas 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

(151)

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

2

S – temperatura até 400°C;

SB-709 e SB-668.

(152)

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

2

S - temperatura até 250°C;

SA-240, SA-790, SA- 182 e SA-815

Para aços inoxidáveis podem ser usadas chapas

(153)

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).

(154)

Soldagem de casco com chapa cladeada Chapa cladeada

(155)

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

2

S (Serviço com H

2

S)

NACE MR 0175 e Norma Petrobras N-1706

 Corrosão sob tensão por sulfetos (SSCC);  Trincas induzidas pelo hidrogênio (HIC);

(156)

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).

(157)

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

2

(158)

Vasos de Pressão

Acessórios

Bocais

Suportes

(159)

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;

(160)

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.

(161)

Vasos de Pressão – Detalhes de Bocais

(Norma PETROBRAS N-2012)

Projeção externa;

Bocal tangencial;

Bocal de fundo;

Turco para boca de visita;

(162)

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);

(163)

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.

(164)

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

(165)

Fontes das figuras

ASME Seção VIII Divisão 1 edição 2007 adenda 2009: slides

20, 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

(166)

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.

Referências

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