Projeto Final 2012_2 Análise Estática de Flexibilidade de uma Linha

Análise Estática de Flexibilidade de uma Linha de

Descarga de Hidrocarboneto

Bruno da Silva Paulo Lobão Pablo Cavalcanti Brizzo

Prof. Orientador: Fernando Ribeiro da Silva

Rio de Janeiro

Março de 2013

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA

CELSO SUCKOW DA FONSECA – CEFET/RJ

Análise Estática de Flexibilidade de uma Linha de

Descarga de Hidrocarboneto

Bruno da Silva Paulo Lobão Pablo Cavalcanti Brizzo

Projeto final apresentado em cumprimento às normas do Departamento de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ, como parte dos requisitos para obtenção

do título de Bacharel em Engenharia Mecânica

Prof. Orientador: Fernando Ribeiro da Silva

Rio de Janeiro

Março de 2013

DEDICATÓRIA

Dedicamos este esforço intelectual, em primeiro lugar a Deus e aqueles que nunca hesitaram em realizar grandes esforços para que conseguíssemos chegar a este momento, nossos pais, familiares e amigos. A vocês o nosso muito obrigado.

AGRADECIMENTOS

Ao Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca, agradecemos a oportunidade de estudar em uma instituição de excelência na formação de profissionais de engenharia, ampliando nosso conhecimento e capacidade na área de Engenharia Mecânica.

Aos professores Fernando Ribeiro e Maurício Brandão pelo apoio e paciência durante o desenvolvimento do projeto.

E também a todas as pessoas que contribuíram para a reflexão e realização deste trabalho, especialmente:

Thamilis dos Santos Ferreira Lobão Eliane Vieira da Silva Paulo

Jesualdo Pereira Lobão Filho Elisabete Silvério Cavalcanti Gustavo Costa

Leonardo Azevedo Sérgio Pessanha

RESUMO

Nas plantas industriais dos setores petroquímicos observa-se uma grande quantidade de complexas redes de tubulações instaladas, o que se deve basicamente à necessidade de transferir e processar fluidos em diversas condições de pressão e temperatura em suas operações produtivas.

Este trabalho visa à elaboração de projeto básico de uma linha de hidrocarbonetos dando ênfase na seleção de tubulação e na análise de flexibilidade dentro dos padrões e normas de segurança, exigidos pelas normas internacionais e melhores práticas da indústria no Brasil.

Palavras-chave: Tubulações Industriais, Análise de Flexibilidade, Suportação, Dimensionamento de Tubulações, Projeto.

ABSTRACT

In the petrochemicals plants there is a lot of complex networks of pipes installed, which is basically due to the need to transfer and process fluids under varying conditions of pressure and temperature in their business operations.

This work aims at developing basic design of a line of oil and detailing throughout its manufacturing process, manufacturing, erection and commissioning, be an example to propose improvements through optimization of its construction within the standards and safety standards required.

SUMÁRIO

1. Introdução ... 1

1.1 Motivação e Justificativa ... 1

1.2 Objetivos ... 2

1.3 Metodologia e Trabalho Realizado... 2

1.4 Organização do Trabalho... 3

1.5 Fluxograma do Projeto ... 3

2. Revisão Bibliográfica ... 5

2.1 Tubulações nas Instalações Industriais ... 5

2.2 Fluido Transportado ... 5

2.3 Critérios de Falha ... 6

2.4 Normalização do Projeto ... 7

3. Projeto de Tubulações ... 8

3.1 Normas de Projeto de Tubulação... 8

3.2 Materiais de Tubulação para Hidrocarbonetos ... 9

3.3 Componentes da Tubulação... 10

3.3.1 Tubos ... 10

3.3.2 Válvulas ... 11

3.3.3 Principais Conexões ... 13

3.3.4 Flanges ... 14

3.4 Meios de Ligação da Tubulação ... 14

3.5 Tubulação como Elemento Estrutural ... 15

3.5.1 Cargas Atuantes ... 15

3.5.2 Tensões nas Paredes dos Tubos ... 16

3.5.3 Tensões Primárias e Secundárias ... 17

3.6 Suportação ... 20

3.6.1 Definição e Classificação ... 20

3.6.2 Esforços sobre Suportes... 23

3.7 Vão entre Suportes ... 25

3.8 Espessura da Parede do Tubo ... 29

3.9 Flexibilidade das Tubulações ... 31

3.9.1 Dilatação Térmica... 31

3.9.2 Flexibilidade ... 32

3.9.3 Análise da Flexibilidade ... 34

3.9.4 Implementação Computacional ... 38

3.9.4 Melhoria da Flexibilidade ... 39

3.9.5 Esforços em Bocais de Equipamentos de Caldeiraria e Rotativos ... 40

4. Modelos ... 42

5. Memória de Cálculo ... 47

5.1 Premissas Adotadas ... 47

5.2 Determinação da Classe de Pressão... 47

5.3 Cálculo da Espessura Mínima de Parede ... 48

5.4 Cálculo do Peso do Isolamento ... 50

5.5 Cálculo do Peso do Fluido ... 51

5.6 Cálculo do Vão Máximo Entre Suportes ... 51

5.6.1 Caso I (1 único vão, L = 5,502 m) ... 52

5.6.2 Caso II, III e IV (2 vãos, L1 = 2,529 m e L2 = 2,973 m) ... 53

5.6.3 Caso V (2 vãos, L1 = 3,971 m e L2 = 1,531 m) ... 54

5.6.4 Caso VI (1 vão único, L = 4,2 m) ... 56

5.7 Cálculo da Flexibilidade (Implementação Computacional) ... 57

5.7.1 Dados Relevantes para Análise ... 57

5.7.2 Análise ... 63

6. Conclusão ... 66

APÊNDICE A: Isométrico da Tubulação ... 72

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Fluxograma da tubulação do projeto ... 4

Figura 2: Válvula gaveta flangeada operada por volante ... 12

Figura 3: Válvula globo ... 12

Figura 4: Válulva de retenção tipo portinhola ... 13

Figura 5: Válvula de controle globo ... 13

Figura 6: Flange de pescoço ... 14

Figura 7: Ligação flangeada de válvula ... 15

Figura 8: Tensões atuantes na parede de um tubo ... 16

Figura 9: Suporte fixo tipo pedestal ... 21

Figura 10: Suporte de mola de carga variável ... 22

Figura 11: Guia para tubos não isolados ... 22

Figura 12: Viga bi apoiada ... 25

Figura 13: Tubulação ancorada nas extremidades com tração flexível ... 35

Figura 14: Viga engastada ... 37

Figura 15: Arranjo proposto no projeto ... 43

Figura 16: Caso I ... 44

Figura 17: Caso II ... 44

Figura 18: Caso III ... 45

Figura 19: Caso IV ... 45

Figura 20: Caso V ... 46

Figura 21: Caso VI ... 46

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Reprodução da tabela 35 de vãos entre suporte de tubulação (Silva Telles, 2011). . 27

Tabela 2: Reprodução da tabela 1 da norma ASME B.36.19 ... 31

Tabela 3: Reprodução parcial da tabela 2-2.3 da ASME B.16.5 ... 48

Tabela 4: Reprodução da tabela de espessura de revestimento (Silva Telles, 2001a) ... 50

Tabela 5: Tensões máximas atuantes X Tensão admissível - Caso I ... 57

Tabela 6: Deslocamentos máximos - Caso I ... 58

Tabela 7: Força sobre apoios - Caso I ... 58

Tabela 8: Tensões máximas atuantes X Tensão admissível - Caso II ... 58

Tabela 9: Deslocamentos máximos - Caso II ... 59

Tabela 10: Força sobre apoios - Caso II ... 59

Tabela 11: Tensões máximas atuantes - Tensão admissível - Caso III ... 59

Tabela 12: Deslocamentos máximos - Caso III ... 60

Tabela 13: Força sobre apoios - Caso III ... 60

Tabela 14: Tensões máximas atuantes X Tensão admissível - Caso IV ... 60

Tabela 15: Deslocamentos máximos - Caso IV... 61

Tabela 16: Força sobre apoios - Caso IV ... 61

Tabela 17: Tensões máximas atuantes X Tensão admissível - Caso V ... 61

Tabela 18: Tensões máximas atuantes X Tensão admissível - Caso V ... 62

Tabela 19: Força sobre apoios - Caso V ... 62

Tabela 20: Tensões máximas atuantes x Tensão admissível - Caso VI ... 62

Tabela 21: Deslocamentos máximos - Caso VI... 63

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AISI – American National Standard Institute API – American Petroleum Institute

ASME – The American Society of Mechanical Engineers ASTM – American Society for Testing and Materials

CEFET/RJ – Centro Federal de Educação Tecnológica Suckow da Fonseca COPANT – Comissão Pan-Americana de Normas Técnicas

EJMA –Expation Joint Manufactures Association GLP – Gás Liquefeito de Petróleo

NEMA – National Electrical Manufactures Association pol – Polegadas

Temp – Temperatura WN – Welding Neck

LISTA DE SÍMBOLOS

Sl – Tensão Longitudinal

Sc – Tensão Circunferencial, Tensão Adm. do Material da Tubulação na Temp. Ambiente

Sr – Tensão Radial

Spmáx – Tensão Máxima devida à Pressão

Sh – Tensão Admissível na Temperatura de Projeto

Sa – Tensão Admissível Provocada pela Expansão Térmica

Se – Tensão Primária Longitudinal, Tensão Secundária

Sv – Tensão Máxima de Flexão

k – Fator de Acréscimo da Tensão Admissível na Temperatura de Projeto f – Fator de Redução para Serviços Cíclicos

F – Força de Atrito µ - Coeficiente de Atrito P – Peso Total da Tubulação

L – Vão entre Suportes, Comprimento do Tubo entre Suportes, Comprimento da Tubulação q – Soma das Cargas Distribuídas

Q – Soma das Cargas Concentradas

W – Sobrecarga, Fator de Redução da Resistência da Junta Soldada Z – Momento Resistente da Seção Transversal

E – Módulo de Elasticidade, Coeficiente de Solda I – Momento de Inércia da Seção Transversal D – Diâmetro Externo

t – Espessura de Parede do tubo, espessura do isolamento fn – Freqüência Natural

w – peso linear do tubo

J – momento de inércia da seção do tubo P – Pressão Interna de Projeto

Y – Coeficiente de Redução, Resultante das Dilatações Totais

C – Soma das Margens para Corrosão, Erosão e Abertura de Roscas e de Chanfros OD – Diâmetro Externo

NPS – Diâmetro Nominal

U – Distância entre Pontos Extremos L1 – Primeiro Vão do Arranjo

L2 – Segundo Vão do Arranjo

SUS – Tipo de Carregamento de Sustentação (Tensões Primárias)

EXP – Tipo de Carregamento de Expansão Térmica (Tensões Secundárias) Dxyz – Deslocamento nos Eixos XYZ

Rxyz – Rotação nos Eixos XYZ

FXYZ – Força na Direção dos Eixos XYZ

MXYZ – Momento nos Eixos XYZ

– Diâmetro Externo δ – Flecha Máxima

Capítulo 1

Introdução

As tubulações estão presentes em diversas instalações industriais, o conhecimento de seus componentes e suas respectivas funções, além dos materiais empregados é fundamental para a seleção do sistema correto para aplicação desejada. Estas possuem diversos tipos de aplicações no âmbito da indústria, sendo possível considerar a aplicação de maior importância nas indústrias de processo.

O conjunto tubulação e equipamentos, tais como bombas e torres, compõem o complexo fundamental para o funcionamento de uma planta de processo. A falta de disponibilidade de um destes integrantes é capaz de comprometer toda a planta de processo.

O correto dimensionamento da necessidade da planta de processo e desenvolvimento do projeto da tubulação e dos equipamentos são atividades inerentes às atribuições dos engenheiros. O engenheiro mecânico, em particular, atua em várias etapas do projeto de tubulações.

1.1 Motivação e Justificativa

Visto que as etapas de desenvolvimento de um projeto de tubulação fazem parte integrante da rotina de um engenheiro mecânico em uma empresa de engenharia e também que o crescimento do país está elevando a demanda deste tipo de projeto, o projeto a seguir será o desenvolvimento do projeto mecânico com foco na análise estática de flexibilidade de uma tubulação.

A seleção de tal tema foi devido ao anseio de conciliar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ a um exercício prático do trabalho de engenheiro mecânico.

A elaboração do projeto mecânico de uma tubulação exige que a equipe responsável pela atividade atue na análise das tensões atuantes no arranjo proposto pela equipe de processo combinado a seleção do sistema de suportação da tubulação adequado ao esforço que será imposto, além do conhecimento das normas de projeto de tubulações de processo dos equipamentos empregados.

1.2 Objetivos

Este trabalho tem por objetivo a realização do projeto de uma tubulação a partir de parte de uma especificação técnica existente em uma planta petroquímica. No projeto será realizado o dimensionamento e seleção do tubo a ser utilizado, bem como a análise de tensões de acordo com os critérios estabelecidos pela norma ASME B31.3 de uma tubulação entre uma bomba e uma torre de destilação.

Não há uma única solução para a seleção do sistema de suportação de uma tubulação, por isso, neste trabalho serão desenvolvidos diferentes sistemas buscando otimizar o número de suportes utilizados para viabilização de um projeto econômico e que atendam aos requisitos de segurança estabelecidos pela norma pertinente.

Os custos não serão apurados com pesquisa de mercado, por exemplo, com cotações a fabricante de suportes, tubos e válvulas, mas sim com base na bibliografia e na troca de conhecimentos e idéias que foram realizadas com especialistas durante o desenvolvimento do projeto.

1.3 Metodologia e Trabalho Realizado

Para o dimensionamento do tubo serão realizados cálculos analíticos de acordo com os critérios estabelecidos pela norma ASME B31.3 para espessura mínima de parede, pressão e temperatura de projeto.

Quanto ao cálculo da flexibilidade, os cálculos serão realizados através de implementação computacional. Será utilizado um software específico para análise de flexibilidade, o CAESAR II. Para a região considerada a mais crítica, maior solicitação quanto a cargas impostas, também será realizado o cálculo analítico para análise das tensões primárias no vão estabelecido entre os suportes.

Todas as análises a serem realizadas serão com base na bibliografia do projeto, nos conhecimentos adquiridos no curso de graduação de Engenharia Mecânica do CEFET/RJ e também na consulta e nivelamento de conhecimentos com os professores orientadores e especialistas em projetos de tubulação.

1.4 Organização do Trabalho

O projeto foi desenvolvido em seis capítulos de forma que houvesse uma apresentação do tema selecionado e metodologia a ser desenvolvida no trabalho (capítulo 1), seguido de uma análise das bibliografias utilizadas no projeto (capítulo 2). Para a realização das análises houve uma necessidade de revisão dos conhecimentos adquiridos durante o curso de graduação em Engenharia Mecânica e da experiência profissional, que são apresentados no capítulo 3.

Ao longo do projeto foram analisados diferentes casos de acordo com as análises realizadas, no capítulo 4 serão apresentados todos os casos estudados com suas respectivas particularidades. Os cálculos analíticos e computacionais gerados para desenvolvimento do projeto estão no capítulo 5, acompanhados de uma breve análise dos valores obtidos.

Concluindo o projeto, no capítulo 6 está a análise completa de todo o projeto desde o entendimento do escopo a ser desenvolvido até a seleção do melhor caso estudado dentro das condições estabelecidas no transcorrer do mesmo, em conjunto com propostas para trabalhos futuros.

1.5 Fluxograma do Projeto

A tubulação estudada é parte integrante da unidade de processo de destilação atmosférica e a vácuo de plantas petroquímicas, tal unidade possui como matéria-prima o petróleo bruto, tendo como alguns produtos o gás liquefeito de petróleo (GLP), querosene, nafta, diesel leve e pesado.

Tal unidade é fundamental dentro da planta petroquímica, pois além de atender à demanda de certos produtos, alguns outros servem de matéria-prima para outras unidades existentes dentro da mesma planta.

A chegada do petróleo até a unidade é realizada através de bombas, que bombeiam a matéria-prima dos tanques de estocagem deste tipo de material até a unidade para o seu devido tratamento.

A Figura 1 apresenta o fluxograma de engenharia que tem por finalidade mostrar esquematicamente os equipamentos, tubulação e válvulas existentes para desenvolvimento do projeto, tal tubulação tem como objetivo a realização do refluxo circulante de sobrevaporizado para continuidade do processo de destilação.

Esta linha é constituída de uma bomba centrífuga necessária para recalcar o sobrevaporizado a torre de destilação atmosférica através de uma tubulação de 4”. Após a saída da bomba há uma válvula de retenção para evitar a possibilidade de inversão do fluxo e um tubo de contorno de 2” contendo uma válvula globo para dreno da linha e uma válvula gaveta para bloqueio na inversão de fluxo possibilitando a manutenção da válvula de retenção.

Na seqüência da linha, há uma válvula de controle globo instrumentada, contendo válvulas gaveta para bloqueio (antes e depois) e um tubo de contorno com válvula globo para regulagem, estas válvulas são utilizadas para a manutenção da válvula de controle sem a necessidade de interrupção do processo.

Capítulo 2

Revisão Bibliográfica

2.1 Tubulações nas Instalações Industriais

Tubulação é um conjunto de tubos e de seus respectivos acessórios que visam ao transporte do fluído de um ponto ao outro, permitindo assim a utilização do fluido em locais distantes de sua geração e/ou armazenagem. A aplicação de tubulação na indústria é ampla, a indústria cuja tubulação possui a maior importância é a indústria de processo.

Nessas indústrias, o valor das tubulações representa, em média, 20 a 25%, do custo total da instalação industrial, a montagem das tubulações atinge, em média, 45 a 50% do custo total da montagem de todos os equipamentos, e o projeto das tubulações vale, em média, 20% do custo total do projeto da indústria (SILVA TELLES, 2001a).

Silva Telles (2001a) classifica as tubulações conforme sua aplicação (dentro e fora de instalações industriais) e o fluido conduzido pela mesma. Enquanto Bailona (2006) classifica os sistemas de tubulação com relação à temperatura (linhas quentes, frias e criogênicas) e também de acordo com sua dimensão (pequeno, médio e grande diâmetro).

2.2 Fluido Transportado

As características do fluido a ser transportado influenciam diretamente no projeto da tubulação, por isso deve ser considerada a situação mais severa a que a mesma será submetida a fim de se evitar falhas futuras. Um exemplo de consideração de condição crítica é no dimensionamento da espessura mínima de parede de tubo, onde se considera a maior pressão possível que a tubulação poderá sofrer em sua vida operacional.

A ASME B31.3 afirma que a pressão a ser considerada como a pressão de projeto deverá ser a pressão resultante da condição simultânea dos valores máximos previstos de pressão interna, externa e temperatura, a temperatura de projeto passa então ser determinada como correspondente a tal pressão de projeto.

O fluido transportado pela tubulação objeto deste estudo é o hidrocarboneto em serviço com corrosão naftênica, fluido este altamente corrosivo devido à presença do ácido naftênico no hidrocarboneto que é responsável por causar a corrosão naftênica durante o refino do petróleo, esta corrosão manifesta-se em alta temperatura.

2.3 Critérios de Falha

Silva Telles (2001b), do ponto de vista de resistência dos materiais, considera cada trecho da tubulação como sendo um elemento estrutural submetido a diversas cargas e também transmitindo outras ao sistema de suporte e aos equipamentos a ela conectados.

Em resistência dos materiais, há diversas teorias para análise das falhas por ruptura em relação à ação de tensões simultâneas. Silva Telles (2001b) considera que a teoria que melhor se ajusta no caso de materiais dúcteis aos dados experimentais de cisalhamento máximo é do Guest-Tresca.

A tubulação sendo considerada um elemento estrutural deve ser projetada de modo que o material que a compõe, sendo material dúctil, não venha a escoar pela ação dos carregamentos esperados.

Hibbeler (2004) informa que quando o engenheiro precisa elaborar um projeto com um determinado material, o mesmo deve estabelecer um limite superior para o estado de tensão que defina a falha do material. Se o material for dúctil, geralmente a falha será especificada pelo início do escoamento; se o material for frágil, ela será especificada pela fratura.

Na prática da engenharia são usadas duas teorias para prever a falha de materiais dúcteis submetido a um estado multiaxial de tensões. Estas teorias também são usadas para determinar as tensões admissíveis descritas em muitas normas de projeto e são comumente utilizadas na análise de tensões em sistemas de tubulações sujeitas aos carregamentos estáticos, sendo elas a Teoria da Tensão de Cisalhamento Máxima ou Critério de Escoamento de Tresca e a Teoria da Energia de Distorção Máxima ou Critério de R. Von Mises e H. Hencky.

2.4 Normalização do Projeto

Todas as literaturas e projetos relativos a tubulações industriais seguem os critérios de segurança estabelecidos pela norma ASME B31, a utilização de tal norma não é obrigatória, entretanto sua utilização é recomendada já que o atendimento da mesma proporciona o dimensionamento de uma tubulação dentro dos padrões mínimos de segurança.

O trabalho a seguir também será desenvolvido sob os critérios estabelecidos da norma ASME B31.3, pois este código abrange as tubulações de processo. A principal bibliografia adotada no projeto será a literatura presente nos livros do Silva Telles, pois tal literatura apesar de antiga é a que possui maior impacto neste segmento e também a mais relevante a nível nacional, servindo de fonte para a geração de normas na Petrobras.

Capítulo 3

Projeto de Tubulações

De acordo com Silva Telles (2001a), o projeto completo de uma instalação industrial normalmente é subdividido em diversos projetos parciais que se complementam, tais como: processo, utilidades, construção civil, tubulações, caldeiraria, máquinas, eletricidade e instrumentação.

O projeto de tubulações assim como qualquer projeto de engenharia, envolve trabalhos de traçado, detalhamento e desenho, além de trabalhos de cálculo e dimensionamento. É comum que o projeto de tubulações seja dividido entre duas equipes nas empresas do ramo de projetos de engenharia, a equipe de projeto de processo e a equipe de projeto mecânico.

A equipe de projeto de processo considera a tubulação como sendo um elemento hidráulico, destinado a escoar e transportar fluidos, enquanto que a equipe de projeto mecânico considera a tubulação como sendo um elemento estrutural, sujeito as diversas cargas, e transmitindo outras tantas aos suportes, equipamentos e fundações (SILVA

TELLES, 2001a).

O foco deste trabalho terá o mesmo escopo do desenvolvido pela equipe de projeto mecânico, sendo assim a tubulação será tratada como um elemento estrutural. Desta forma, será calculada a espessura da tubulação, o vão entres os suportes, a flexibilidade da linha e os esforços sobre os suportes.

3.1 Normas de Projeto de Tubulação

Normas de projeto foram feitas com a finalidade não só de padronizar e simplificar os projetos e os cálculos como principalmente de garantir condições mínimas de segurança para a operação de tubulações pressurizadas (SILVA TELLES, 2001b).

A norma americana ASME B31 é a principal norma relativa a tubulações pressurizada utilizada nos projetos de tubulações de processo, tal norma está dividida em oito seções:

- B31.1: Tubulações em instalações de geração de vapor. - B31.2: Tubulações para ar e gases em indústrias.

- B31.3: Tubulações de processo.

- B31.4: Tubulações de transporte de óleos. - B31.5: Tubulações de refrigeração.

- B31.8: Tubulações de transporte e distribuição de gases. - B31.9: Tubulações em instalações prediais.

- B31.11: Tubulações para transporte de sólidos em suspensão.

A seção da norma B 31.3 que se aplica e será utilizada no projeto mecânico é a seção B31.3: Tubulações de Processo.

As cargas consideradas pela norma ASME B31.3 são relativas à pressão, ao peso, impacto e vento, além das forças horizontais e cargas oriundas da temperatura (ex: dilatação, expansão), além das cargas das restrições impostas à tubulação (ex: suportes e ancoras).

Para efeito de cálculo, a norma considera a pressão de projeto, ao invés da pressão de operação, pois a mesma define a pressão de projeto sendo a pressão interna na condição mais severa de pressão e temperatura simultâneas que possam ocorrer em serviço normal. Consequentemente a temperatura de projeto, é a temperatura de pressão relativa à pressão de projeto.

3.2 Materiais de Tubulação para Hidrocarbonetos

A corrosividade dos hidrocarbonetos e, portanto, a seleção de materiais, depende, fundamentalmente, da temperatura e da presença de impurezas, principalmente de produtos sulforosos e clorados. Os compostos sulforosos existentes no petróleo são, principalmente, o enxofre elementar, H2S, sulfetos, polissulfetos, mercaptans e ácidos orgânicos. Os agentes

mais agressivos são os H2S, que ataca os aços, formando sulfetos de ferro e os ácidos

naftênicos; os demais compostos tendem a se decompor em temperaturas acima de 260ºC, liberando H2S (SILVA TELLES, 2003).

Os aços inoxidáveis são aços que apresentam teores de cromo entre 12% a 26%, além de outros elementos de liga adicionados com o objetivo de obtenção de propriedades mecânicas particulares. O cromo é considerado o elemento de liga básico para caracterização da qualidade de inoxidável aos aços, pois a película passivadora de óxidos e hidróxidos de cromo impede o contato do metal base com a atmosfera agressiva.

Há uma diversidade de tipos de aços inoxidáveis, entretanto os mais convencionais são classificados de acordo com a sua estrutura metalúrgica predominante na temperatura

ambiente. Os aços inoxidáveis austeníticos são ligas Fe-Cr-Ni não temperáveis, os ferríticos são ligas de Fe-Cr não temperáveis, enquanto os martensíticos são ligas de Fe-Cr temperáveis. Os aços austeníticos são os mais importantes, pois apresentam a melhor resistência à corrosão e resistência à fluência em relação aos demais aços inoxidáveis, entretanto são os de maior custo médio. Apresentam a estabilização da austenita devido à inclusão de elementos de liga gamagenos, que são principalmente Ni, Mn e N.

Os aços convencionais são classificados pela AISI em série 200 e série 300. A série 300 contempla os aços com 16% a 25% de cromo e 7% a 22% de níquel, além de outros elementos de ligas em pequenas quantidades. Já os aços da série 200 apresentam o níquel sendo substituído parcialmente pelo manganês, tendo os limites de níquel e manganês de 6% e 15% respectivamente (SILVA TELLES, 2003).

A principal especificação de material da ASTM para tubos de aços inoxidáveis austeníticos é a A-312, que abrange tubos sem costura e com costura (SILVA TELLES,

2001a). Os tubos utilizados neste projeto serão de aço inoxidável ASTM A312 TP 317L,

devido ao serviço ser altamente corrosivo e em alta temperatura.

3.3 Componentes da Tubulação

3.3.1 Tubos

Os tubos, na prática, são condutos rígidos que na nomenclatura americana são chamados de pipe ou tube, entretanto a aplicação dos condutos irá determinar a sua nomenclatura. Pipe são tubos utilizados para conduzir fluidos e tube são tubos cujo suas principais funções são trocar calor, transmitir pressão, conduzir sinais, funcionar como vigas e elementos estruturais.

A COPANT (Comissão Pan-Americana de Normas Técnicas) recomenda que se chame de “tubos para condução”, os tubos destinados ao transporte de fluídos, e que se chame simplesmente de “tubos” os que se destinam primordialmente a qualquer outra finalidade

(SILVA TELLES, 2001a).

Existe uma variedade extensa de materiais utilizados para a fabricação de tubos, com base nos materiais de fabricação é possível citar alguns grupos de tubo, tais como: Ferrosos (aços carbono, aços liga, aços inoxidáveis, ferros fundidos), Não-Ferrosos (cobre e ligas,

alumínio e ligas, níquel e ligas) e Não metálicos (materiais plásticos, concreto armado, cerâmica, borrachas).

A seleção do processo de fabricação dos tubos depende do tipo de tubo que se pretende obter, os tubos sem costura (seamless pipe) são produzidos através conformação mecânica tradicional, utilizando processos de laminação, extrusão e fundição, já os tubos com costura são obtidos através de chapas conformadas de modo que uma extremidade toque na outra, o processo de fabricação utilizado para unir estas extremidades é o processo de soldagem.

Os processos de laminação e fabricação por solda são os de maior importância e representam 2/3 dos tubos usados em instalação industrial (SILVA TELLES, 2001a).

Os processos de laminação são os mais importantes para a fabricação de tubos de aço sem costura; empregam-se para a fabricação de tubos de aço carbono, aços-liga e aços inoxidáveis, desde cerca de 80 até 650 mm de diâmetro (SILVA TELLES, 2001a).

Os tubos empregados na tubulação estudada serão fabricados através do processo de laminação.

3.3.2 Válvulas

As válvulas são consideradas os acessórios mais importantes das tubulações, pois são utilizadas em manobras, bloqueios e nos controles fluidodinâmicos do processo. Existe uma diversidade extensa de tipos construtivos de válvulas, associados a sua função, operação, performance, pressão, temperatura, fluído, etc., visando atender as condições operacionais desejadas.

Deve se tomar cuidado na utilização destes acessórios, pois assim como os flanges, as válvulas são suscetíveis à apresentação de vazamentos, além da introdução de perda de carga na linha.

As válvulas representam em média, cerca de 8% do custo total de uma instalação de processo (SILVA TELLES, 2001a).

É possível operar as válvulas através das seguintes formas: Manual (por meio de volante, alavanca e engrenagens), Motorizada (pneumática, hidráulica e elétrica) e Automática (diferença de pressão gerada pelo escoamento, molas e contrapesos).

Existe uma grande diversidade de tipos de válvulas, os mais importantes são as válvulas de bloqueio, válvulas de regulagem, válvulas que permitem o fluxo em um só

sentido, válvulas que controlam a pressão de montante e válvulas que controlam a pressão de jusante.

A Figura 2 representa uma das válvulas que foram utilizadas no trabalho com a função de bloqueio, são válvulas do tipo gaveta flangeada operada por volante.

Figura 2: Válvula gaveta flangeada operada por volante

A Figura 3 apresenta a válvula globo para a regulagem do fluxo são usadas nos tubos de contorno do projeto.

Figura 3: Válvula globo

A Figura 4 apresenta a válvula de retenção permitindo o fluxo em um único sentido e bloqueando a passagem do fluido no sentido contrário a fim de proteger a bomba.

Figura 4: Válvula de retenção tipo portinhola

A Figura 5 apresenta a válvula de controle globo utilizada para controle do processo e são usadas em combinação com instrumentos automáticos e comandadas a distância pelos mesmos.

Figura 5: Válvula de controle globo

3.3.3 Principais Conexões

No arranjo proposto foram utilizadas curvas de raio longo para a mudança de direção da linha, as mais comuns são as de raio longo com ângulos de 22 ½º a 180°, com raio longo e ângulo de 90º.

Quando há a necessidade de criar derivações à linha principal utilizam-se os tês, entes foram empregados no projeto para a existência dos drenos e do by pass. No caso dos drenos e do by-pass da válvula de retenção foram utilizadas tês de redução de 4” para 2” atendendo às perdas de carga estabelecidas pela equipe de processo, enquanto no by-pass da central de válvulas o tê utilizado não causou redução do diâmetro nominal da tubulação principal.

3.3.4 Flanges

São acessórios que permitem a ligação entre tubos, válvulas, filtros, bombas, compressores e bocais de equipamentos de processo. Os flanges sofrem um carregamento mecânico diferenciado por causa dos esforços transferidos nas conexões com os equipamentos. Há muitos tipos de flanges, entretanto há dois destes que merecem destaque, uma vez que foram utilizados no projeto, são o flange pescoço e o flange cego.

Flange de pescoço (welding neck – WN) - É considerado o flange mais resistente entre os flanges não integrais, possuem melhor transmissão de esforços do flange para tubo, além de proporcionar melhor aperto e menores tensões residuais em razão da soldagem (solda de topo), por estas qualidades este tipo de flange é o mais utilizado em tubulações industriais para quaisquer pressões e temperaturas, para diâmetros a partir de 2 polegadas.

Flange cego (blind) - São flanges fechados em forma de disco, usados para extremidades de linhas ou fechamento de bocais flangeados.

Os flanges de pescoço serão utilizados para ligação da tubulação às válvulas existentes na linha, já os flanges cegos são empregados nas válvulas do dreno quando estes não estão em uso. A Figura 6 ilustra um dos tipos de flange empregados.

Figura 6: Flange de pescoço

3.4 Meios de Ligação da Tubulação

Os diversos meios usados para conectar tubos, servem não só para ligar as varas de tubo entre si, como também para ligar os tubos às válvulas, às conexões e demais acessórios de tubulação e aos equipamentos (tanques, bombas, vasos etc.) (SILVA TELLES, 2001a).

Os tipos de meios de ligação empregados na tubulação estudada foram ligação flangeada entre tubos e válvulas, já no caso da ligação entre os tubos e conexões foi realizada através de solda.

As ligações soldadas apresentam boa resistência mecânica, estanqueidade perfeita, facilidade na aplicação de isolamento térmico e de pintura, entretanto apresentam dificuldade em sua desmontagem.

A Figura 7 ilustra as ligações flangeadas, que são compostas por flanges, estojos e juntas e empregadas quando há necessidade de fácil desmontagem. Entretanto os flanges apresentam potencial de vazamento, por isso a sua utilização é estritamente quando necessário.

Figura 7: Ligação flangeada de válvula

3.5 Tubulação como Elemento Estrutural

3.5.1 Cargas Atuantes

Como a tubulação é considerada um elemento estrutural em um projeto mecânico, esta deve ser projetada de forma que seja capaz de suportar uma série de cargas, além de transmitir outras ao sistema de suportes e aos equipamentos ligados à tubulação, sem a existência de falhas.

Há uma série de agentes causadores para a ocorrência de esforços mecânicos em uma tubulação, tais como:

- Pressão interna exercida pelo fluido;

- Pressão externa (tubulação em ambientes sob pressão ou operando com vácuo); - Peso próprio da tubulação, peso do fluido contido, das válvulas, das conexões e demais integrantes da tubulação, além do peso do isolamento térmico;

- Sobrecargas diversas agindo sobre a tubulação, tais como peso de outros tubos, plataformas e estruturas apoiada nos tubos, assim como o peso de pessoas sobre a tubulação;

- Dilatações térmicas (ou contrações) da própria tubulação ou de outras tubulações ligadas à tubulação em questão, devido a variações de temperatura.

- Movimentos de pontos extremos da tubulação causados por dilatação de outras tubulações, dilatação própria de equipamentos ligados à tubulação em questão;

- Atrito das tubulações nos suportes;

- Ações dinâmicas provenientes do movimento do fluido na tubulação; - Ações dinâmicas externas, tal como vento;

- Vibrações;

- Reações de juntas de expansão; - Tensões decorrentes da montagem;

- Desnivelamento de suportes ou de vasos ou equipamentos ligados à tubulação, conseqüentes de recalque de fundações.

Entretanto na maioria das tubulações industriais consideram-se apenas as cargas oriundas da pressão (interna ou externa), dos pesos, das sobrecargas e dos efeitos combinados das dilatações da própria tubulação e de outros equipamentos e/ou derivações da tubulação.

3.5.2 Tensões nas Paredes dos Tubos

Quando um tubo é submetido a uma série de esforços simultâneos usa-se para representar o estado de tensões um conjunto composto de tensões, sendo três normais e três tangenciais de cisalhamento. Estas tensões atuam em planos ortogonais umas das outras, conforme pode ser visto na Figura 8. As tensões normais são: a tensão longitudinal (Sl),

tensão circunferencial (Sc) e tensão radial (Sr).

A tensão longitudinal é gerada a partir da tensão resultante da pressão, das cargas axiais e das localizadas devido às restrições ou derivações soldadas aos tubos, podendo ser trativas ou compressivas. Este tipo de tensão tende a romper o tubo ao longo de uma circunferência.

A tensão circunferencial tende a romper o tubo ao longo de uma geratriz e é gerada a partir de tensões resultantes da pressão, predominantemente, e de tensões localizadas devido às restrições ou derivações soldadas aos tubos. Já a tensão radial é gerada somente a partir da pressão e apresenta valores reduzidos, por causa deste motivo esta tensão geralmente é desconsiderada nos cálculos.

As tensões de cisalhamento que se desenvolvem no plano perpendicular ao eixo do tubo são provenientes dos momentos de torção. Esses momentos só têm valor apreciável nas tubulações não-planas, em geral como conseqüência das dilatações térmicas. As demais tensões de cisalhamento são provenientes das diversas forças cortantes que atuam sobre o tubo (SILVA TELLES, 2001b).

3.5.3 Tensões Primárias e Secundárias

A norma classifica as tensões que surgem na tubulação de acordo com a sua origem e ao tipo de falha, distúrbio ou alteração que possam causar na tubulação em questão. Elas são conhecidas como tensão primária (geram deformação e rupturas de caráter plástico), secundária (geradoras de falhas em situações de instabilidade plástica) e de pico (responsáveis pela ruptura por fadiga nos casos de cargas cíclicas).

Segundo Silva Telles (2001b), tensões primárias são as tensões necessárias para satisfazer as condições de equilíbrio estático em relação aos diversos carregamentos externos agindo sobre a tubulação. Este tipo de tensão origina-se das tensões circunferenciais e longitudinais geradas pela pressão interna, e das tensões de flexão e torção pelo peso próprio, sobrecargas e ações dinâmicas externas.

Elas possuem características bem distintas das tensões secundárias, pois não são autolimitantes, possuem valor proporcional à carga que lhe deu origem, além de não serem tensões que podem ser aliviadas ao longo do tempo, o único modo de evitar o colapso da tubulação é retirar a carga que lhe foi imposta ou reforçar a região onde a ruptura do material está próxima.

Com base nas tensões primárias é possível avaliar a capacidade do projeto de uma tubulação em suportar com segurança as cargas impostas ao sistema.

As cargas que geram as tensões primárias ainda são classificadas quanto a sua duração de aplicação. Cargas ocasionais são aquelas previstas para ocorrer de forma esporádica e que possuem duração curta quando comparado ao tempo de vida útil da tubulação (ex: terremotos e tufões), já as cargas de serviço são aquelas previstas durante toda a vida operacional (ex: peso do fluido contido no tubo).

A seção III da ASME ainda divide estas cargas em 4 níveis:

- Nível A – Normal: São as cargas aplicadas ao sistema quando o mesmo estiver trabalhando dentro do que foi projetado para sua execução. Ex: pressão interna e peso;

- Nível B – Irregular: São as sobrecargas que o sistema poderá sofrer sem que seja causado nenhum dano e necessário qualquer tipo de reparo na tubulação. Ex: golpes de aríete e movimentos sísmicos de pequena intensidade.

- Nível C – Emergência: São as cargas extraordinárias impostas à tubulação, com as quais a mesma é capaz de operar com segurança até o seu reparo. Ex: terremotos intensos.

- Nível D – Falha: São as cargas extraordinárias impostas a tubulação, com as quais a mesma não é capaz de operar com segurança até o seu reparo.

Segundo Silva Telles (2001b), as tensões secundárias resultam do fato de a tubulação não ser nunca inteiramente livre de se dilatar, se contrair e se movimentar, em conseqüência das variações de temperatura e/ou dos movimentos de pontos extremos da tubulação.

Sendo assim, são tensões que surgem na tubulação devido às restrições impostas pelo arranjo da tubulação às movimentações geradas pela dilatação térmica e/ou deslocamento das extremidades da tubulação. Ao contrário das tensões primárias, as tensões secundárias possuem como característica a redução da intensidade das mesmas ao exceder o valor do limite de resistência do material, quando isto ocorre há uma deformação local onde o limite de resistência foi ultrapassado, proporcionando a redistribuição da carga que resulta na redução da tensão.

3.5.4 Critérios de Cálculo da Norma ASME B 31.3

Tensões Ocasionadas por Cargas de Serviço

A tensão circunferencial, tensão máxima devido à pressão, não deverá ser superior à tensão admissível para o material na temperatura de projeto.

(3.5.4.1)

O somatório de todas as tensões primárias longitudinais originadas e quaisquer outras cargas permanentes, exceto as tensões secundárias, não deverá ultrapassar a tensão admissível na temperatura de projeto. É necessário considerar no somatório das tensões longitudinais todas as tolerâncias referentes à parede da tubulação (ex: ação da corrosão ou erosão e filetes de rosca) e também ao processo de fabricação do tubo utilizado (tubo com costura ou sem costura).

(3.5.4.2)

Tensões Ocasionadas por Cargas Ocasionais

O somatório das tensões longitudinais originadas por carga de serviço (ex: pressão e peso) somado às tensões provocadas pelas cargas ocasionais (ex: vento) não deverá exceder a tensão admissível na temperatura de projeto, com o acréscimo do fator k. Nesta análise não é possível considerar a simultaneidade de cargas ocasionais (ex: ventos fortes e terremoto)

(3.5.4.3)

O valor de acréscimo será de acordo com a vida operacional da tubulação o acréscimo será de 33% quando os esforços atuem durante até 10 horas seguidas, com o máximo de 100 horas em um ano, e será de 20% quando os esforços atuarem até 50 horas seguidas, com o máximo de 500 horas em um ano.

Tensões Ocasionadas por Expansão Térmica

Os efeitos gerados pela dilatação térmica deverão ser avaliados de acordo com o limite das tensões secundárias. A tensão combinada resultante das diversas tensões secundárias deverá ser no máximo igual ao valor da tensão admissível provocada pela expansão térmica.

(3.5.4.4)

(3.5.4.5)

Quando ,

(3.5.4.6)

Onde:

Sa = Tensão admissível provocada pela expansão térmica;

Se = Tensão secundária;

f = fator de redução para serviços cíclicos;

Sc = Tensão admissível para o material da tubulação a temperatura ambiente;

Sh = Tensão admissível para o material da tubulação a temperatura de projeto;

Sl = Tensão longitudinal.

3.6 Suportação

3.6.1 Definição e Classificação

As tubulações, quando não estão assentadas sobre o solo (tubulações aéreas) ou quando há restrição para o apoio das mesmas no solo, têm a necessidade da utilização de um

elemento estrutural para seu “apoio”. Tal apoio é possível devido à existência dos dispositivos específicos conhecidos como suportes de tubulação.

Estes dispositivos são responsáveis pelo suporte dos pesos (ex: tubos e fluido contido na tubulação) da tubulação, além de absorver e/ou transmitir reações oriundas da dilatação térmica de si mesma e dos equipamentos conectados a ela. Com estes também é possível restringir ou guiar os movimentos da tubulação e ainda absorver ou controlar as vibrações existentes.

O projeto do conjunto de suportes de uma tubulação é fundamental para o desempenho da mesma, um suporte mal dimensionado e/ou mal posicionado pode comprometer o funcionamento e/ou o colapso da tubulação, comprometer a segurança da instalação e até mesmo causar acidentes e desastres.

Há uma grande variedade de tipos e modelos de suportes de tubulação e Silva Telles (2001a) os classifica de acordo com a sua função principal. Os suportes destinados a sustentar os pesos são os fixos, semimóveis e os móveis (suportes de mola e de contrapeso). Já os suportes destinados a limitar os movimentos são os dispositivos de fixação total (ancoragem), que permitem movimento em apenas uma direção (guias), que impedem o movimento em um sentido (batentes) e os movimentos laterais (contraventos). Há ainda dispositivos que absorvem as vibrações que são os amortecedores.

Os suportes fixos são aqueles que não permitem o deslocamento vertical da tubulação, estes são os mais comuns e podem ser apoiados ou pendurados, conforme os pesos para baixo ou para cima. Os suportes fixos utilizados no trabalho estão ilustrados na Figura 9. Também conhecidos como pendurais, os suportes semimóveis transmitem os pesos para cima, geralmente em tubulações leves no interior de prédios ou por baixo de lajes.

Figura 9: Suporte fixo tipo pedestal

Os suportes móveis são dispositivos capazes de sustentar o peso da tubulação e permitir o deslocamento vertical da mesma. São suportes mais complexos e caros do que os suportes fixos, por isso são utilizados somente quando indispensáveis.

Sua utilização é necessária em tubulações horizontais quando as mesmas apresentam um movimento vertical com amplitude superior à flecha natural gerada pela simples flexão do tubo no vão entre dois suportes consecutivos, por causa do peso próprio. Há três tipos de suportes móveis, são as molas simples ou de carga variável, mola de carga constante e suporte de contrapeso. O tipo de suporte móvel utilizado no sistema de suportação da tubulação está ilustrado na Figura 10.

Figura 10: Suporte de mola de carga variável

As âncoras são aplicadas na subdivisão de linhas longas, em tubulações com juntas de expansão, limites de áreas, subdivisão de sistemas complexos, estações de válvulas de controle, tubulações de ponta e bolsa, isolar vibrações e válvulas de segurança. As guias são empregadas em trechos retos longos, proteção de equipamentos e outros pontos fracos, e orientação de dilatações, tubulações com juntas de expansão, tubulações verticais e estações de válvulas de controle, alguns modelos de guia estão ilustrados na Figura 11. Já os batentes são aplicados para a proteção de pontos fracos e de equipamentos, além de orientar as dilatações.

Figura 11: Guia para tubos não isolados

Segundo Bailona et al. (2006), os suportes são classificados em rígidos e não rígidos, e as restrições são classificadas em conjunto com os suportes.

Os suportes rígidos restringem ou impedem ao menos um determinado tipo de movimento de translação ou rotação. Eles são denominados de acordo com a limitação que é imposta à tubulação.

- Suportes de atrito: Impede o movimento no sentido vertical descendente. Ex: apoios naturais e sapatas.

- Restrições: Impede, restringe ou orienta movimentos da tubulação, sejam estes de translação e/ou rotação, em pelo menos uma direção ou em um sentido. Ex: guias e ancoragens.

- Pendurais: Sustenta a tubulação através de uma estrutura mais elevada que permite pequenos movimentos aos tubos.

Os suportes não rígidos limitam os movimentos da tubulação através de forças imposta à mesma, eles são classificados de acordo com a sua atuação.

- Suportes de ação constante: Aplica força constante à tubulação para limitar o deslocamento da mesma, independente do deslocamento que esteja ocorrendo. Ex: molas de carga constante e contrapesos.

- Suportes de ação variável: Aplica força que varia de acordo com o deslocamento que lhe é imposto pela tubulação para controlar o deslocamento dentro do previsto. Ex: molas comprimidas.

- Suportes amortecedores: Absorvem as vibrações da tubulação que possuam grande amplitude e baixa frequência. Ex: amortecedores e juntas de expansão.

As classificações elaboradas por Bailona et al (2006) e Silva Telles (2001a) não podem ser consideradas absolutas, pois é comum encontrar suportes atuando em mais de uma função.

3.6.2 Esforços sobre Suportes

Para o dimensionamento dos suportes é necessário determinar os esforços gerados sobre eles, essa determinação é feita de acordo com o peso e sobrecargas sobre os suportes e a determinação da força de atrito sobre os mesmos.

Os pesos sobre os suportes são oriundos de todo o sistema de tubulações que ficaram apoiadas sobre os mesmos, ou seja, ele terá de ser capaz de suportar sobre si o peso dos tubos (linha principal e derivações se as mesmas existirem), conexões (curvas, tês, flanges, reduções, etc.), acessórios da tubulação (válvulas e equipamentos de instrumentação) e

isolamento térmico (para linhas trabalhando a alta temperatura). É importante ressaltar que o peso dos tubos será com os mesmo contendo o fluido em seu interior, caso o fluido tenha o peso específico menor que o da água, o peso específico do fluído a ser considerado será o da água para o caso de realização de teste hidrostático.

Segundo Silva Telles (2001b), para simplificar os cálculos, é usual admitir-se que a carga sobre cada suporte seja a soma da metade do peso total das tubulações no vão anterior ao suporte considerado, mais a metade do peso total das tubulações do vão seguinte. Nesses pesos totais, incluem-se o peso de todos os tubos, e também outros acidentes existentes no vão entre os suportes. Essa distribuição de pesos não é, evidentemente, verdadeira em grande número de casos, mas está dentro da precisão admissível para esses cálculos.

As sobrecargas podem ser provenientes de pessoas que possam transitar sobre as tubulações na ocasião da montagem ou outras cargas eventuais que podem existir, segundo Silva Telles (2001b), para tubulações de 3” ou mais, situadas a menos de 3,0 m de altura do solo, a sobrecarga adotada deverá ser, no mínimo, de 2000 N (aproximadamente 200 kg), em cada suporte.

As forças de atrito são oriundas da movimentação que a tubulação fará sobre os suportes devido às dilatações térmicas e pressões do fluido exercido sobre a tubulação.

Para a determinação da força de atrito agindo sobre o suporte, será feito o seguinte cálculo: F = µP, onde F é a força de atrito propriamente dita, µ é o coeficiente de atrito e P é o peso total da tubulação (tubos, conexões, válvulas, instrumentos e isolamento térmico) sobre o suporte. Geralmente é utilizado o coeficiente de atrito do aço sobre aço no valor de µ = 0,3.

Os suportes de mola são utilizados geralmente para suportar os movimentos verticais da tubulação que estejam na posição horizontal, são muito utilizados para substituir suportes fixos para evitar a perda de apoio devido à movimentação das tubulações com boa flexibilidade, evitando assim a transmissão de esforços de reação sobre tubulações.

São também utilizadas para suportar esforços nos bocais de equipamentos de caldeiraria e rotativos e evitar a vibração dos mesmos.

Para determinar esses esforços podemos calcular os movimentos verticais da tubulação e momento dos pesos da tubulação sobre os bocais dos equipamentos, em seguida podemos determinar o posicionamento adequado dos suportes de mola para atenuar os efeitos dessas cargas sobre a tubulação e os bocais conectados.

3.7 Vão entre Suportes

Para determinar os pontos onde os suportes devem ser instalados, é fundamental estabelecer o vão máximo admissível para a tubulação, levando em consideração todas as cargas e pesos que estão agindo sobre a mesma.

Os vãos entre suporte devem ser os maiores possíveis, para diminuir o número de suportes, economizando estruturas e fundações. Para efeito de cálculo do vão máximo entre os suportes, admite-se o tubo como uma viga horizontal. Segundo Silva Telles (2001b), uma forma de simplificação da análise de vão máximo, é considerar o tubo como uma viga contínua apoiada em vários pontos sucessivos, igualmente espaçados.

O vão máximo é limitado pelos seguintes fatores:

- Tensão máxima de flexão no ponto de maior momento fletor; - Flecha máxima no meio do vão.

- Freqüência natural.

Conforme já relatado, do ponto de vista de resistência dos materiais cada trecho de tubulação é considerado um elemento estrutural, sendo assim para cálculo da tensão máxima de flexão é possível considerar uma viga bi apoiada. A Figura 12 ilustra está viga, onde há a existência de cargas distribuídas, cargas concentradas no meio do vão, além de uma sobrecarga também atuando no meio do vão.

Figura 12: Viga bi apoiada

A partir da Figura 9 é possível se obter a equação da tensão máxima no meio do vão com base em um vão pré-determinado:

(3.7.1)

Sv = tensão máxima de flexão (MPa);

L = vão entre suportes (m);

q = soma das cargas distribuídas (N/m); Q = soma das cargas concentradas (N); W = sobrecarga aplicada no meio do vão (N);

Z = momento resistente da seção transversal do tubo (cm3).

Quando não há a existência de derivações suportadas no trecho estudado, válvulas e outros acessórios, a fórmula 3.7.1 é simplificada para equação 3.7.2, considerando assim somente a atuação de cargas distribuídas (peso próprio do tubo, fluido conduzido e peso do isolamento térmico):

(3.7.2)

Conforme condição apresentada na equação 3.5.4.2, a norma ASME B 31 estabelece que a soma das tensões longitudinais devido aos pesos, pressão e outras cargas permanentes (não considerar as tensões secundárias) não devem ultrapassar a tensão admissível do material na temperatura do projeto.

Sabe-se que a tensão longitudinal devido à pressão interna é obtida a partir da fórmula:

(3.7.3)

A partir da figura 9 e de um valor pré-determinado de vão, considerando as propriedades do material de fabricação do tubo e também dados do tubo selecionado, é possível obter a flecha máxima no meio do vão através da fórmula abaixo.

(3.7.4)

onde:

E = módulo de elasticidade do material na temperatura considerada (MPa); I = momento de inércia da seção transversal do tubo (cm4).

Assim como no caso da tensão máxima, também é possível simplificar a equação 3.7.4 quando não há a existência de derivações suportadas no trecho estudado, válvulas e outros acessórios, considerando assim somente as cargas distribuídas, é possível simplificar a equação para:

(3.7.6)

Silva Telles (2001b) informa que geralmente os valores de flecha máxima admitida para tubulações em áreas de processo é de 5 mm, para tubulação até 3”, e de 10 mm para tubulações a partir de 4”. Enquanto a flecha máxima admitida para tubulações fora de área de processo é de 25 mm. É comum a existência de tabelas com valores padrão de vão máximo de acordo com os dados da tubulação.

Tabela 1: Reprodução da tabela 35 de vãos entre suporte de tubulação (Silva Telles, 2011).

D iâ m et ro N o m in al (p o l) E sp es su ra T u b u la çõ es s em is o la m en to t ér m ic

o Tubulações com isolamento térmico Limites de Temperatura (ºC)

Até 200 Até 300 Até 400

isol (mm) vão (m) isol (mm) vão (m) isol (mm) vão (m) 1/2 160 3,0 25 2,5 25 2,4 35 2,1 XXS 3,2 2,8 2,8 2,6 3/4 80 2,5 63 1,0 63 0,9 63 0,8 160 3,5 2,2 2,1 1,8

Margem para corrosão adotada: 3,2 mm Flecha máxima no meio do vão: 6 mm

A determinação da flecha máxima é importante para prever a ocorrência da frequência natural de vibrações com o intuito de evitar vibrações com amplitudes elevadas e também evitar a formação de bolsões ou pontos de acúmulo de fluído. Segundo Silva Telles (2001b),

os cálculos acima descritos não deverão ser utilizados quando as tubulações possuírem diâmetro muito grande (superior a 1,2 m) e as paredes finas

(

)

Conforme comentado anteriormente, o modo de vibração da tubulação é uma função da frequência natural da mesma, Bailona (2006) informa que é satisfatório a frequência natural na ordem de 4 Hz e 8 Hz para as linhas não conectadas e conectadas a equipamentos, respectivamente.

Considerando o tubo como uma barra apoiada nas extremidades, a fórmula para obtenção da frequência natural será:

(3.7.7)

Caso o tubo seja considerado uma barra fixada nas extremidades, a fórmula para o cálculo da frequência natural será:

(3.7.8)

Onde:

fn = frequência natural em ciclos por segundo (Hz);

w = peso linear do tubo (N/m);

L = comprimento do tubo entre suportes (m);

E = módulo de elasticidade do material do tubo (Mpa); J = momento de inércia da seção do tubo (m4

).

A análise de vibração da tubulação é parte integrante da análise dinâmica da mesma e é a partir de tal estudo que é possível mensurar se a frequência natural da linha está próxima ao gerado por equipamentos acoplados a linha e/ou pelo escoamento do fluido na própria linha a fim de evitar o fenômeno da ressonância. As equações apresentadas acima se referem ao 1º modo de vibração.

Os casos de frequência natural não serão estudados neste projeto, uma vez que o mesmo tem o foco da análise estática apenas.

3.8 Espessura da Parede do Tubo

A norma ASME B31.3 estabelece através dos itens 304.1.1 e 304.1.2 (3a) o cálculo da espessura mínima necessária para tubos sujeitos à pressão interna através da fórmula abaixo:

(3.8.1)

(3.8.2)

Substituindo a equação 3.8.2 na equação 3.8.1, temos:

(3.8.3)

onde:

P = pressão interna de projeto; D = diâmetro externo;

Sh = tensão admissível do material na temperatura de projeto;

E = coeficiente de eficiência de solda;

W = fator de redução da resistência da junta soldada;

Y = coeficiente de redução de acordo com o material e a temperatura do tubo; C = soma das margens para corrosão, erosão e abertura de roscas e de chanfros.

Com base em informações preliminares (diâmetro nominal da tubulação, material com que o tubo deverá ser fabricado, tipo de fabricação do tubo, tempo de vida útil, severidade de corrosão do fluido de trabalho, temperatura e pressão de projeto) é possível realizar o levantamento de todas as informações necessárias na norma B31.3.

O quadro a seguir indica a localização dos parâmetros normatizados que devem ser consultados na norma ASME B31.3. Para os tubos sem costura, o valor de E e W sempre será igual 1, pois estes parâmetros são referentes à solda realizada na fabricação do tubo e não à solda realizada para o acoplamento do tubo nos demais componentes da tubulação.

A margem para corrosão adotada no cálculo da espessura deverá considerar o tempo de vida útil da tubulação, bem como o material da mesma e a natureza do serviço quanto à corrosão propriamente dito.

O valor da espessura final dos tubos deve considerar uma margem de tolerância de espessura de parede devido à fabricação. Para os tubos de aço sem costura esse valor é de

%. 5 , 12

± _{Desta forma a fórmula final para a espessura mínima necessária incluindo a}

tolerância, será:

(3.8.4)

A norma indica que o cálculo da espessura mínima através das fórmulas supracitadas é indicado para todas as classes de tubulações sujeitas à pressão interna, exceto nos caso em que

ou em que , que necessitam de cálculo especial para determinação da espessura.

A espessura mínima encontrada será utilizada para o dimensionamento do tubo correto para o trabalho com que o mesmo será solicitado. A seleção do tubo deverá ser realizada com base na norma ASME B36.19, no caso dos tubos de aços inoxidáveis, pois os diâmetros comerciais são definidos por tal norma. É recomendado selecionar a espessura da parede do tubo imediatamente superior ao valor de espessura mínima encontrada.

Há várias espessuras de tubos para um único diâmetro nominal, conforme pode ser verificado na Tabela 2, em que o diâmetro externo é sempre o mesmo, a diferença entre os tubos é justamente o diâmetro interno que depende da espessura mínima encontrada. As diversas espessuras de parede de um tubo são conhecidas pela denominação schedule.

Tabela 2: Reprodução da tabela 1 da norma ASME B36.19

Schedule NPS OD, mm Parede, mm w, kg/m

5s 1/2 21,3 1,65 0,80 10s 1/2 21,3 2,11 1,00 40s 1/2 21,3 2,77 1,27 80s 1/2 21,3 3,73 1,62 5s 3/4 26,7 1,65 1,02 10s 3/4 26,7 2,11 1,28 40s 3/4 26,7 2,87 1,69 80 3/4 26,7 3,91 2,20

Para não elevar os custos do projeto, é indicada a utilização de tubos padronizados pela norma ASME B36.19, já que estes são de fácil aquisição no mercado.

3.9 Flexibilidade das Tubulações

3.9.1 Dilatação Térmica

A dilatação térmica é uma das mais importantes fontes de tensões em sistemas de tubulações industriais, é originada quando o tubo é submetido a um aumento de temperatura ao transportar fluidos a temperaturas elevadas, com essa variação de temperatura há um aumento do seu comprimento. Se o tubo estiver livre de qualquer restrição, nenhuma tensão interna ou reação será desenvolvida sobre ele, porém se o tubo estiver fixado poderá ocorrer geração de tensões internas no tubo e reações nos pontos de fixação.

Como o sistema de tubulações não possui um arranjo retilíneo e seguirá por várias direções devido à presença de outras tubulações na instalação industrial, a dilatação térmica não originará apenas as tensões internas e reações na fixação, mas também ocorrerão momentos que causam esforços de torção nos pontos de fixação, estes pontos podem ser os bocais de equipamentos, ancoragens, guias e outros meios de restrição de movimentos que são colocados nos pontos extremos das tubulações.

As tubulações possuem um arranjo não-retilíneo a fim de controlar os efeitos da dilatação térmica não só sobre os tubos, mas também para evitar à ocorrência de forças e momentos excessivos nos equipamentos conectados as tubulações, desta forma com a

mudança do traçado, a tubulação adquire flexibilidade capaz de absorver as dilatações por meio de deformações de flexão e/ou de torção evitando assim a sobrecarregar os bocais de equipamentos de processo e outros dispositivos de restrição de movimentos que possam estar conectados a tubulação.

Outros meios são utilizados para minimizar o efeito da dilatação térmica são eles: juntas de expansão e pré-tensionamento que é a introdução de tensões inicias para se opor às tensões geradas pela dilatação térmica, porém esses meios não são muito utilizados.

Os bocais de equipamentos de caldeiraria e outros equipamentos que trabalham em alta temperatura estão sujeitos à dilatação própria oferecendo deslocamentos nos pontos extremos da tubulação a eles conectados, esses deslocamentos têm efeitos idênticos às dilatações térmicas das tubulações e podem agravar ou atenuar os efeitos da dilatação das tubulações, esses deslocamentos devem ser previstos para determinar se os mesmos estão gerando grandes esforços sobre a tubulação ou se a própria tubulação através da sua dilatação está gerando esforços excessivos sobre os bocais dos equipamentos.

Porém, para simplificar a análise, não foram considerados os deslocamentos impostos nos bocais, por tanto, os mesmos foram considerados como ancoragens nos pontos extremos da tubulação.

3.9.2 Flexibilidade

Segundo Silva Telles (2001b), flexibilidade de uma tubulação é a capacidade que tenha a mesma de absorver as dilatações térmicas por meio de simples deformações nos seus diversos trechos.

As deformações são provocadas por momentos fletores, flambagens e torções que existem para atenuar os efeitos das dilatações térmicas devido ao aquecimento do tubo por transportar fluido a alta temperatura e por estar fixado em seus extremos. Para uma tubulação se tornar mais flexível é necessário que as tensões provocadas por essas deformações, bem como as forças e momentos de reação sobre os pontos de fixação, ou ancoragens não sejam maiores que os valores admissíveis da resultante das dilatações.

De um modo geral, a flexibilidade de uma tubulação será tanto maior quanto mais o seu traçado se afastar da linha reta que une seus pontos extremos.

Em uma instalação industrial a tubulação possui uma configuração tridimensional devido à disposição dos equipamentos na unidade de processo tornando assim inviável a