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RELATÓRIO DE ESTÁGIO 3/3 (terceiro de três) Período: de 10/novembro/2008 a 13/janeiro/2009

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Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico

Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de

Engenharia Mecânica

CEP 88040-970 - Florianópolis - SC - BRASIL

www.emc.ufsc.br/estagiomecanica

estagio@emc.ufsc.br

RELATÓRIO DE ESTÁGIO – 3/3 (terceiro de três)

Período: de 10/novembro/2008 a 13/janeiro/2009

Chemtech – A Siemens Company

Nome do aluno: Alan Berwanger

Nome do supervisor: Cesar Augustus Coelho Tavares Nome do orientador: Edson Bazzo

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Índice 1. Atividades Realizadas... 3 1.1 Introdução ... 3 1.2 Proposta de Trabalho ... 3 1.3 Cronograma ... 3 1.4 Metodologia... 3

1.5 Trabalho propriamente realizado ... 4

2. Conclusões e Comentários...18

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1. Atividades Realizadas 1.1 Introdução

Este é o terceiro relatório que trata das atividades desenvolvidas durante o estágio curricular, disciplina obrigatória do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina. O período de estágio, que totaliza seis meses, foi dividido em três etapas correspondentes a um terço do período de estágio, cada uma. Neste relatório serão tratadas as atividades desenvolvidas na terceira etapa.

1.2 Proposta de Trabalho

Ainda trabalhando com o projeto de tubulações da Refinaria de Petróleo Abreu e Lima (RNEST), este relatório trata mais especificamente da parte de cálculos de flexibilidade da tubulação.

1.3 Cronograma

- Terceira Etapa: modelagem e cálculo de flexibilidade para tubulações utilizando o software Caesar II.

1.4 Metodologia

A metodologia adotada foi uma breve revisão teórica de flexibilidade, a leitura do manual do programa Ceasar II e o cálculo de flexibilidade propriamente dito utilizando o mesmo software. Os cálculos efetuados basearam-se em algumas linhas de tubulação de uma das unidades da refinaria, como treinamento do estagiário. Depois do

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treinamento serão feitos os cálculos oficiais para as linhas projetadas, logo após o término do estágio.

1.5 Trabalho propriamente realizado

A primeira atividade realizada nesta etapa do estágio foi uma breve revisão teórica sobre flexibilidade de tubulações. Parte do material revisado [10] foi exposto neste relatório, como pode ser visto a seguir.

DILATAÇÃO TÉRMICA E FLEXIBILIDADE DAS TUBULAÇÕES

Tensões Internas e Reações Provenientes da Dilatação Térmica Supondo um tubo reto fixado nos dois extremos, se ele sofrer um aumento de temperatura, como não pode dilatar, exercerá um empuxo sobre os pontos de fixação. O valor deste empuxo será equivalente à força de compressão, capaz de comprimir um tubo de comprimento igual.

Pela expressão da Lei de Hooke, teremos:

P/A =E Onde: P = Empuxo sobre os pontos de fixação

δ/L A = Área de material da seção transversal do tubo δ = Dilatação livre do tubo

L = Comprimento do tubo

E = Módulo de elasticidade do material

P/A = S Tensão interna

δ/L = e Dilatação unitária que é função : ∆ T e o Material

Das relações acima, tem-se:

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Exemplo:

Tubo de aço carbono Ø 10” série 40, sendo aquecido de 0°C a 100°C. Para ∆T de 100°C, temos:

e = 1,083 mm/m, ou e = 0,001083 mm/mm, E = 2 x 105 MPa. Como S = Ee S = 200000 MPa x 0,001083 mm/mm

S = 216,6 MPa ou S  2166 kgf/cm2 Sendo 76,8 cm2 o valor de A, temos:

P = AS P = 76,8 cm2 x 2166 kgf/cm2 P = 166132 kgf P = 166 tf.

NOTA : A DILATAÇÃO UNITÁRIA DO AÇO CARBONO E DE OUTROS AÇOS FERRÍTICOS (inclusive o inox.) PODE SER TOMADA APROXIMADAMENTE COMO SENDO DE 1mm PARA CADA METRO DE COMPRIMENTO E A CADA 100°C ATÉ O LIMITE DE 500°C.

ASSIM UMA TUBULAÇÃO DE 30 m DE COMPRIMENTO A 400°C SOFRERÁ UMA DILATAÇÃO DE APROXIMADAMENTE 120 mm.

Meios de Controlar a Dilatação Térmica

1. Trajeto da tubulação afastando-se da linha reta.

2. Uso de elementos deformáveis intercalados na tubulação. 3. Pretensionamento

Flexibilidade das Tubulações

A flexibilidade de uma tubulação é definida pela sua capacidade de absorver as dilatações térmicas por meio de simples deformações nos seus diversos trechos. Diz-se que uma tubulação é tanto mais flexível quanto menores forem as tensões provenientes dessas deformações. Uma tubulação tem flexibilidade quando as tensões resultantes das dilatações térmicas forem menores que os valores máximos admissíveis.

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Para qualquer tubulação, a flexibilidade será maior quanto menor for o momento de inércia da seção transversal do tubo, ou seja, quanto menores forem o diâmetro e a espessura de parede do tubo maior será a flexibilidade.

Movimentos de Pontos Extremos de uma Tubulação

Os movimentos dos pontos extremos podem agravar ou atenuar o efeito da dilatação térmica. É preciso analisar o efeito causado pelo movimento do bocal do equipamento juntamente com o cálculo das tensões resultantes.

No desenho abaixo, onde L1 é maior que L3, em relação ao deslocamento do ponto D, temos:

- Se o ponto D mover-se para cima, o seu deslocamento deverá ser subtraído da dilatação total na direção y.

- Se, pelo contrário, o ponto D mover-se para baixo, o valor desse deslocamento deverá ser somado à dilatação na direção de y.

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Influência do Traçado na Flexibilidade das Tubulações A tubulação será tanto mais flexível:

1- quanto maior for seu comprimento desenvolvido em relação à distância entre os pontos extremos (L/U);

Figura 2 – Primeiro exemplo de influência do traçado na flexibilidade.

2 – quanto mais simétrico for seu traçado;

Figura 3 – Segundo exemplo de influência do traçado na flexibilidade.

3- quanto menores forem as desproporções entre os seus diversos lados;

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4- quanto maior liberdade de movimentos houver.

Figura 5 – Quarto exemplo de influência do traçado na flexibilidade.

Cálculo de Flexibilidade

É o cálculo das tensões internas e das reações nos pontos com restrição de movimentos, provenientes das dilatações térmicas. O cálculo é feito separadamente para cada trecho de tubulação entre dois pontos de ancoragem.

Casos de Dispensa do Cálculo de Flexibilidade

1- Quando a tubulação for duplicata exata de outra já calculada ou existente;

2- Quando a tubulação for semelhante e com condições mais favoráveis de flexibilidade. (Por exemplo, uma tubulação de mesmo traçado geométrico de outra de maior diâmetro e de mesma temperatura, ou de outra de mesmo diâmetro com temperatura mais elevada);

3- Tubulações trabalhando em temperatura ambiente, não expostas ao sol e não sujeitas a lavagem com vapor.

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Verificação e Melhoria da Flexibilidade das Tubulações

O cálculo da flexibilidade é um método de verificação e não de dimensionamento direto, ou seja, desenha-se uma determinada configuração e, em seguida, verifica-se a flexibilidade.

Se as tensões ou as reações estiverem acima dos valores admissíveis, duas soluções podem ser tentadas, na seguinte ordem de preferência:

1- suprimir os dispositivos de restrição de movimento que puderem ser dispensados, e/ou modificar o tipo ou a localização destes dispositivos.

2- alterar a configuração por outra mais flexível. EXEMPLOS DA SOLUÇÃO 1:

• Suprimir os dispositivos de restrição que não sejam realmente indispensáveis;

• Substituir uma ancoragem por uma guia ou um batente;

• Modificar a posição de uma ancoragem, uma guia ou um batente; • Substituir um suporte móvel por um suporte fixo.

EXEMPLOS DA SOLUÇÃO 2:

• Diminuir as desproporções entre os diversos lados; • Melhorar a simetria do traçado;

• Aumentar o comprimento total da tubulação.

Exemplos de Alguns Casos Particulares de Traçado

Exemplo 1: nos trechos curtos de tubos, podem ocorrer tensões excessivas, mesmo quando existe flexibilidade na tubulação. Na Figura 6, o

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trecho CD é bastante grande para absorver a dilatação do trecho BC. Entretanto, nos trechos AB e FE, em função da dilatação do trecho BC, podem ocorrer tensões excessivas conseqüentes do deslocamento para esquerda dos pontos B e E. A solução para o caso poderá ser a colocação de um batente ao ponto E, para impedir o deslocamento do tubo para a esquerda.

Figura 6 – Primeiro exemplo para casos particulares de traçado.

Exemplo 2: Nas tubulações com ramais longos podem ocorrer tensões excessivas causadas pela flexão da linha devido à dilatação do ramal. Na Figura 7, mesmo que o trecho BC tenha comprimento para absorver a dilatação do trecho AB, poderá haver uma flexão exagerada da linha tronco. A solução pode ser a colocação de uma guia próxima do ponto A ou de um batente conforme indicado no desenho.

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Figura 7 – Segundo exemplo para casos particulares de traçado.

Exemplo 3: Nos ramais ligados a duas linhas tronco é preciso ter cuidado com a dilatação diferencial das linhas tronco. A Figura 8 mostra as modificações de traçado para melhorar a flexibilidade.

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Exemplo 4: Linhas verticais ao longo de vasos em temperatura elevada. Na figura 9:

- se a altura do bocal não for muito grande, de forma que o peso da linha possa ficar sobre o bocal, a solução mais simples será ter um trecho horizontal BC capaz de absorver, por flexão, a dilatação do trecho vertical;

- Se o trecho BC precisar ser muito grande, ocasionando um peso excessivo no bocal, pode ser colocado um suporte de molas no ponto C;

- se os pesos forem ainda maiores, poderá ser necessário colocar outros suportes de molas, no ponto D, por exemplo;

- para dilatações maiores, conservando-se a posição do ponto B, pode ser dado maior flexibilidade modificando o traçado do trecho horizontal e/ou do trecho vertical, como mostram as linhas tracejadas da figura;

- no caso anterior, será preferível colocar uma ancoragem intermediária no próprio vaso (próximo ao ponto C) para isolar os dois trechos, e fazer as curvas de expansão trabalharem independentemente;

- se o peso total da tubulação não for muito grande, de forma a poder ser suportado por um único ponto, uma solução simples consistirá em colocar um suporte fixo, no ponto E, por exemplo.

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Figura 9 – Quarto exemplo para casos particulares de traçado.

Cálculos de Flexibilidade com o Software Caesar

Após a revisão teórica foi realizada a leitura do manual do software Caesar II, versão 5.10. Este foi o programa escolhido pela empresa para a realização das simulações e cálculos de Flexibilidade para o projeto das tubulações da Refinaria (Figura 10).

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Figura 10 - Programa CAESAR II, utilizado para os cálculos de Flexibilidade.

Na Figura 11 pode-se observar uma tubulação remodelada, pronta para a realização dos cálculos e confecção dos relatórios de resultados. A remodelagem na verdade é a modelagem feita no Software Caesar, baseada em um isométrico de uma tubulação já modelada em outro programa. Essa remodelagem tem apenas a finalidade de verificar se o projeto do arranjo da tubulação atende às condições de flexibilidade requeridas.

O procedimento utilizado é o seguinte: a equipe de projetistas modela a tubulação utilizando um programa específico (neste caso é utilizado o software PDMS) e posteriormente é repassado um isométrico da mesma (gerado pelo programa utilizado na modelagem) para a equipe de flexibilidade. Após os cálculos de flexibilidade, esta equipe informa à equipe de projeto se a tubulação possui um arranjo adequado. Caso não seja adequado, são feitas modificações no arranjo até que a tubulação atenda aos deslocamentos e tensões máximos admissíveis.

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Figura 11 – Área de trabalho do Caesar.

Na Figura 12 é apresentado um relatório de deslocamentos máximos calculados para a tubulação. A tubulação é dividida em nós e estes são apresentados na primeira coluna do relatório. Nas colunas seguintes são apresentados os deslocamentos calculados pelo software, para cada nó.

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Figura 12 - Exemplo de um relatório de deslocamentos.

Observação: A qualidade das imagens (Figuras 12 e 13) foi propositalmente diminuída para manter confidenciais os dados de projeto.

Um relatório semelhante pode ser gerado para as tensões máximas calculadas (Figura 13). Os nós são apresentados na primeira coluna do relatório, sendo nas colunas seguintes apresentados os resultados para os cálculos de tensões máximas para cada nó.

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2. Conclusões e Comentários

Este relatório fecha a última etapa do estágio obrigatório do curso de Engenharia Mecânica. O estágio foi uma oportunidade excelente para aplicar na prática os conhecimentos adquiridos durante o curso e vivenciar o dia-a-dia de um engenheiro em uma empresa de consultoria de grande porte como a CHEMTECH.

A área de flexibilidade de tubulações é extremamente importante dentro do projeto da refinaria. No decorrer do estágio não foram necessárias muitas análises de flexibilidade devido ao fato de o projeto não estar ainda nesta etapa. O estágio permitiu o treinamento adequado para as análises que serão realizadas a partir de Janeiro de 2009, coincidentemente logo após o término do estágio. Como provavelmente ocorrerá a efetivação do estagiário, os conhecimentos adquiridos durante o treinamento serão postos em prática logo que ocorrer a efetivação junto à empresa.

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3. Referências

[1] Norma ASME B 31.3 – 2006, Process Piping;

[2] Norma Petrobras N-1758 – Revisão “C”, junho 2004 – Suporte, Apoio e Restrição para Tubulação;

[3] Norma Petrobras N-1674 – Revisão “C”, setembro 1998 – Projeto de Arranjo de Refinarias de Petróleo;

[4] Norma Petrobras N-0057 – Revisão “E”, maio 2006 – Projeto Mecânico de Tubulações Industriais;

[5] Norma Petrobras N-1673 – Revisão “E”, outubro 2006 – Critérios de Cálculo Mecânico de Tubulação.

[6] Tubulações Industriais – Cálculo – Pedro C. Silva Telles, 9ª edição, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.;

[7] Tabelas e Gráficos para Projetos de Tubulações – Pedro C. Silva Telles e Darcy G. Paula Barros, 6ª edição, Editora Interciência;

[8] Tubulações Industriais – Materiais, Projeto, Montagem – Pedro C. Silva Telles, 10ª edição, Editora LTC.

[9] Norma Petrobras N-0076 – Revisão “F”, novembro 2007 – Materiais de Tubulação para Instalações de Refino e Transporte.

[10] Apostila Curso de Tubulações Industriais – Prof. Antonio Clélio Ribeiro – Aula 10, disponível na internet no site:

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