RESUMO
A primeira referência de código de construção para vasos de pressão foi elaborada em 1911 pela American Society of Mechanical Engineers (ASME), com base nesse código foram elaborados muitos outros similares, tendo como principais diferenças: adaptações de nomenclaturas, especificação de materiais regionais e a modificação de critérios empíricos adotados pelo ASME, como o estabelecimento do coeficiente de segurança para a definição da tensão admissível; a escolha de tipos de junta soldada permitidas; e as exigências referentes a aplicação, extensão e critérios de aceitação dos exames não destrutivos, para garantia da sanidade das soldas. Assim, ingleses, alemães, franceses, italianos, japoneses e outros criaram suas próprias normas para projeto, construção, montagem e inspeção para vasos de pressão. No início dos anos 80, para possibilitar concorrências internacionais, os principais fabricantes de vasos de pressão passaram a adotar também o código ASME.
Este trabalho faz uma verificação dos critérios de cálculo para a espessura do casco e tampos de vasos de pressão, simulando diferentes pressões de projeto para um mesmo vaso e compara os resultados, com o intuito de verificar a possiblidade de estender a vida útil de um vaso mudando o código de projeto.
Os códigos usados nesse trabalho foram o ASME seção VIII divisão 1, edição 2013 e o código PD 5500, editado pela British Standards Institution (BSI), edição 2015.
Palavrachave: vaso; pressão; ASME; BSI PD 5500; manutenção.
INTRODUÇÃO
A primeira referência de código de construção para vasos de pressão foi elaborado em 1911 pela American Society of Mechanical Engineers (ASME), com base nesse código sugiram outros similares, tendo como principal diferença adaptações referentes a especificação de materiais e critérios empíricos de projeto, como o estabelecimento do coeficiente de segurança, tipos de junta soldada permitida e a definição de critérios referentes aos exames não destrutivos, cujo objetivo é garantir a sanidade das soldas, sempre com o intuito de criar um código com uma identificação do seu país. Assim, ingleses, alemães, franceses, italianos, japoneses e outros criaram suas próprias normas para projeto, construção, montagem e inspeção para vasos de pressão, com particularidades específicas de cada país. No início dos anos 80, para possibilitar concorrências internacionais os principais fabricantes de vasos de pressão voltaram a trabalhar também com o código ASME e o mundo passou a ter a maioria dos vasos de pressão atendendo esse código.
Na década de 1960 a indústria de equipamentos de vasos pressão Reino Unido enfrentou dificuldades de exportação de vasos de pressão, particularmente para o continente europeu. O Ministério da Tecnologia do Reino Unido nomeou uma comissão no dia 9 de dezembro de 1966, que recomendou melhorias na tecnologia dos vasos de pressão, incluindo as diretrizes, projeto e fabricação. O relatório, publicado em 1969, recomendou, entre outras coisas, que o código British Standards deveria ser atualizado para se tornar mais competitivo.
Com a ajuda da indústria a BSI elaborou o código BS 5500. Este projeto foi revisto e aprovado pela indústria de vaso de pressão do Reino Unido, que incluía fiscais, usuários, compradores, consultores, designers, fabricantes e autoridades de inspeção. A primeira edição do código BS 5500 foi em 1976 e a partir dessa data tornouse uma norma internacional de fato. Esta norma, pela primeira vez, substituiu o conceito de coeficientes de juntas pelo conceito de
categorias construção. A última edição do código BS 5500 foi em 1997 após janeiro do ano 2000 a BS 5500 atualizou para BSI PD 5500.
Objetivo
O principal objetivo desse trabalho é analisar se a mudança do código de projeto de um vaso de pressão, que apresenta perda de espessura uniforme acima da sobre espessura de corrosão, pode aumentar a vida útil do vaso, sem a necessidade de reconstituição da espessura.
Esta análise foi realizada simulando uma perda de espessura uniforme em um vaso de pressão calculado pelo código ASME seção VIII divisão 1 (2013) e recalculado utilizando o código BSI PD 5500 (2015).
Antes de realizar a análise verificouse as diferenças dos principais requisitos para o cálculo de espessura dos dois códigos, simulando o cálculo de um mesmo vaso pelos dois códigos para diversas pressões, com o intuito de verificar os diferentes valores de espessura em função da pressão.
MÉTODO E DESENVOLVIMENTO
Nesse capítulo são apresentados os métodos usados para o desenvolvimento do presente trabalho bem como também os materiais usados.
Métodos
Foi elaborado um estudo das variáveis que influenciam no cálculo de espessura conforme critério próprio de cada código de projeto.
Materiais para vasos de pressão
Para realizar esse trabalho, foi escolhido o material ASME SA 516 Gr 60 (chapa de aço carbono para temperatura moderada), por ser um aço carbono mais utilizado na fabricação de vasos de pressão projetados pelo código ASME VIII divisão 1, após a década de 80 (Telles, Materiais para Equipamentos de Processos, 2003).
Para poder comparar os dois códigos de projeto foi preciso encontrar uma especificação de material equivalente ao ASME SA 516 Gr 60 aceita pelo
código BSI PD 5500. A especificação de material mais similar ao ASME SA 516 Gr 60 encontrada, aceita pela BSI PD 5500 é o material BS 1501161 Gr 430 A.
O Quadro 1 adaptado da tabela 19 da especificação BS 1501 parte 1, mostra as propriedades mecânicas normalizadas do material BS 1501161 Gr 430 A.
Quadro 1: propriedades mecânicas do material BS 1501161 Gr 430 A
BS 1501161 Gr 430 A: Aço carbono acalmado com silício.
Espessura (mm)
Limite de resistência
(MPa) Limite de
escoamento (MPa)
Alongamento (%)
Mínima Máxima Mínima Máxima
3 16 430 550 250 23
16 40 430 550 240 23
40 63 430 550 230 22
63 100 430 550 220 21
100 150 430 550 210 21
Fonte: tabela 19 da especificação BS 1501 parte 1
O Quadro 2 retirado do ASME seção II parte A especificação ASME SA 516 Gr 60, mostra as propriedades mecânicas do material ASME SA 516 Gr 60.
Quadro 2: propriedades mecânicas do material ASME SA 516 Gr 60
ASME SA 516 Gr 60: chapa de aço carbono para moderada temperatura Espessura
(mm) Limite de resistência
(MPa) Limite de
escoamento (MPa)
Alongamento (%)
Mínima Máxima Mínima Máxima
50 415 550 220 25
80 415 550 220 21
Fonte: ASME seção II parte A especificação ASME SA 516 Gr 60
Quadro 3 mostra a comparação entre as propriedades mecânicas dos materiais ASME SA 516 Gr 60 e BS 1501161 Gr 430 A.
Quadro 3: comparação das propriedades mecânicas especificadas
Faixa de propriedades mecânicas para enquadrar o material ASME SA 516 Gr 60 como BS 1501161 Gr 430 A.
Espessura (mm)
Limite de resistência (MPa)
Limite de elasticidade
(MPa)
Mínima Máxima Mínima Máxima
3 16 430 550 250
16 40 430 550 240
40 63 430 550 230
63 100 430 550 220
100 150 430 550 220
Fonte: tabela 19 da especificação BS 1501 parte 1 e ASME seção II parte A especificação SA 516 Gr 60
Temperatura mínima
Foi considerado para efeito de estudo uma temperatura mínima igual a 30°C por atender tanto as exigências da parte UCS66 do código ASME VIII (2013) quanto aos requisitos do anexo D do código BSI PD 5500 para uma grande faixa de espessuras (até 120mm).
Temperatura de projeto
O comportamento da tensão admissível varia com a temperatura conforme critério de cada código de projeto. Foi executado um estudo comparativo do comportamento da tensão admissível em função da temperatura de acordo com os requisitos adotados por cada código de projeto.
Espessuras mínimas
Com objetivo de fazer um comparativo entre as espessuras mínimas calculadas por cada código de projeto, foi montada uma planilha usando as formulas de cálculo de espessura mínima de casco cilíndrico e tampo elíptico.
Foram adotados os seguintes parâmetros:
● Diâmetro interno = 2500mm;
● Temperatura = 100°C;
● Tensão admissível conforme cada código de projeto;
Primeiro foram calculadas as espessuras mínimas para o casco cilíndrico conforme ambos os códigos de projeto, iniciando arbitrariamente na pressão de projeto de 1MPa e acrescendo 0,5MPa até chegar em 12MPa. Para melhor visualizar o comportamento das espessuras em função da pressão projeto os valores obtidos foram plotados na Figura 1.
Depois foram calculadas as espessuras mínimas para tampos elípticos conforme ambos os códigos de projeto da mesma maneira que foi realizado para o casco cilíndrico. O tampo elíptico usado foi o 2:1 em que o diâmetro maior do perfil da elipse é duas vezes o diâmetro menor do perfil da elipse. Os valores obtidos estão na Figura 2.
Foram construídas curvas comparativas para a espessura mínima do tampo elíptico e do casco cilíndrico calculada por ambos os códigos de projeto plotados na Figura 3.
Materiais
Para a realização desse trabalho foram usados os critérios de cálculo da espessura mínima dos seguintes códigos de projeto:
● Código ASME VIII divisões 1 (2013) – Regras para Construção de Vasos de Pressão;
Código BSI PD 5500 (2015) – especificação para vasos de pressão soldados não sujeitos a chamas;
RESULTADOS
Símbolos adotados nos quadros desse capitulo:
Di = diâmetro interno;
e = espessura mínima conforme código BSI PD 5500;
f = tensão admissível conforme código BSI PD 5500;
P = pressão de projeto
S = tensão admissível conforme código ASME VIII divisão 1;
t = espessura mínima conforme código ASME VIII divisão 1;
Comparação das espessuras calculadas para o casco cilíndrico
A Figura 1 são o resultado das espessuras mínimas calculadas para casco cilíndrico usando os critérios dos códigos ASME seção VIII divisão 1 (2013) e BSI PD 5500 (2015) para o mesmo vaso de pressão. (Apêndice A e B)
Figura 1: comparação das curvas de espessura mínima para casco cilíndrico
Comparação das espessuras calculadas para o tampo elíptico
A Figura 2 são o resultado das espessuras mínimas calculadas para tampo elíptico 2:1 usando os critérios dos códigos ASME seção VIII divisão 1 (2013) e BSI PD 5500 (2015) para o mesmo vaso de pressão. (Apêndice C e
D)
Figura 2: comparação das curvas de espessura mínima de tampo elíptico 2:1
Comparação das espessuras do casco cilíndricos e tampos elípticos A Figura 3 é o resultado do estudo de comparação das espessuras mínimas de casco cilíndrico e tampo elíptico calculada para ambos os códigos de projeto.
Figura 3: comparação das curvas de espessura mínima de casco cilíndrico e tampo elíptico 2:1
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Fator de segurança e tensão admissível
Para o material em estudo, aço carbono acalmado, verificouse que:
a) Até 370°C a temperatura em que não existe interferência na resistência mecânica do material o código ASME seção VIII divisão 1 usa fatores de segurança maiores que o código BSI PD 5500. Um fator de segurança maior embutido na tensão admissível implica em uma espessura maior calculada para o componente.
b) Após 370°C a resistência mecânica do material sofre interferência do mecanismo de fluência. A partir dessa temperatura a tensão
admissível utilizada pelos dois códigos são similares e não mais interferem nos valores da espessura mínima.
Para poder utilizar mais as propriedades mecânicas dos materiais adotados o código BSI PD 5500, faz uso de tensões admissíveis diferentes para faixa de espessura. Assim, o código BSI permite utilizar tensões admissíveis mais elevadas respeitando as faixas de espessura, desta forma consegue trabalhar com espessuras menores.
Eficiência de junta
O código ASME usa a eficiência de junta soldada como um dos parâmetros para cálculo da espessura mínima esse valor é definido em função da categoria da junta, do tipo de junta e da extensão do exame radiográfico.
O código BSI defini o tipo de junta e a extensão dos exames não destrutivos por meio da categorização do vaso de pressão, não interferindo no cálculo da espessura.
Alteração
A NR13, norma regulamentadora do ministério do trabalho para caldeiras e vasos de pressão e tubulações (2014), permite a alteração do código de projeto do vaso de pressão desde que atenda ao item 13.3.6 da NR13.
“13.3.6 Projetos de alteração ou reparo PAR devem ser concebidos previamente nas seguintes situações:
a) sempre que as condições de projeto forem modificadas;
b) sempre que forem realizados reparos que possam comprometer a segurança. ” (NR13, 2014)
CONCLUSÃO
Um vaso de pressão projetado, construído, montado e inspecionado pelo código ASME seção VIII divisão 1 poderá ser recalculado pelo código BSI PD
5500 com o objetivo de extensão de sua vida útil, quando todos os requisitos descritos a seguir forem atendidos:
a) O material usado nas partes pressurizadas for aceito pelo código ASME e tiver equivalência com uma especificação do código BSI, em termos de composição química e propriedades mecânicas;
b) A eficiência das juntas soldadas determinada pelo código ASME seção VIII divisão 1 for igual a 1;
c) A temperatura mínima de pressurização do vaso atender aos requisitos do código BSI PD 5500;
d) Emitir o documento denominado Procedimento de Alteração e Reparo (PAR), com as justificativas da alteração realizada, seguindo os requisitos da Norma Regulamentadora 13 (NR13) do Mistério do Trabalho e Emprego (MTE).
A diferença no cálculo da espessura mínima tem grande influência da temperatura de projeto. Assim, para temperaturas de projeto até 150 0C a probabilidade de se conseguir um aumento de vida útil pela mudança do código de projeto é alta; entre 150 e 370 0C essa probabilidade cai linearmente com a temperatura e chega a zero para temperaturas acima de 3700C..
REFERÊNCIAS
ASME. (2013). American Society of Mechanical Engineers ASME seção VIII Division 1 Rules for Construction of Pressure Vessels.
BSI PD 5500. (2015). Specification For Unfired Fusion Welded Pressure Vessels.
NR13. (2014). CALDEIRAS, VASOS DE PRESSÃO E TUBULAÇÕES. Em N.
R. MTE. MTE.
Telles, S. (2003). Materiais para Equipamentos de Processos (6ª ed.).
Interciência.
Telles, S. (2010). Vasos de Pressão.
LTC.
