Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção. Jurandir Primo ª edição junho de Capa: Jurandir Primo

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2 Jurandir Primo Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção Primo, Jurandir Jurandir Primo ª edição junho de 2012 Capa: Jurandir Primo Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção Indice para pesquisas: Tubulação e Acessórios. ISBN: Livro no sistema de auto publicação cuja edição, revisão, diagramação e capa foram selecionados pelo próprio autor, para não encarecer a obra e facilitar a compra, a todos os estudantes e interessados em assuntos técnicos e engenharia de equipamentos. Portanto, qualquer pessoa pode ter esse livro, sem necessidade de copiar, digitalizar ou utilizar outros processos de reprodução, porque foi executado para custar menos que o valor de uma pizza. No entanto, o autor permite que todas as partes do livro possam ser copiadas ou reproduzidas para fundamentos educacionais, instrutivos e treinamento técnico. Para adquirir esta ou outras publicações do autor, enviar solicitação para: engprimo@msn.com.

3 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção PREFÁCIO: O objetivo deste livro é descrever os sistemas mais importantes utilizados em tubulações industriais e nos processos em geral, para industrias, saneamento, refinarias e instalações petroquímicas. O foco principal é a compreensão didática das especificações tipos padrão dos materiais, e condições práticas de aplicação, mencionados de um modo geral, uma vez que este assunto é um campo muito vasto. Ao escrever um livro para uma determinada população, necessita-se fazer uma escolha quanto ao tratamento a ser dado a cada capítulo. O desenvolvimento tecnológico, atualmente é muito rápido, mas é preciso conhecer e estabelecer os fundamentos principais. Portanto, procuramos nos aproximar dos conceitos básicos, através de e- xemplos de forma didática, não para especialistas que já dominam a matéria, mas para estudantes das várias categorias, interessados no assunto. Devido as facilidades atuais de comunicação existentes, os futuros técnicos e engenheiros, deverão, com certeza, ser melhores que as gerações passadas, mas que deverão ser, mais que tudo, respeitadas pelo esforço de contribuir para as novas realidades. O autor compreende perfeitamentamente, que não é um escritor especialista e está aberto a críticas construtivas e sugestões para melhoria desse livro. Esse livro serve para todos que, assim como eu, vieram das pequenas para as grandes cidades, para estudar, trabalhar, enfrentar todos os tipos de dificuldades e mesmo sem o preparo dos modernos programas de computador, ainda hoje, procuram contribuir para as necessidades de instrução e educação para todos os níveis sociais, que devem ser os valores verdadeiros de democracia, evolução e progresso em qualquer país. 3

4 Jurandir Primo Esse livro é parte de uma série de publicações para as diversas áreas de Engenharia: Tecnologia de Soldagem; Transportadores de Correia e Corrente; Bombas Centrífugas; Sêlos Mecânicos; Compressores de Ar; HVAC Ar Condicionado; Torres de Resfriamento; Ventilação Industrial; Vasos de Pressão Normas ASME; Trocadores de Calor; Válvulas Industriais; Tubulação Industrial; Pavimentação Asfáltica; Fibras Ópticas; Automação; Outros...

5 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção A: Todos que foram meus professores na infância, em minhas primeiras letras, no ensino primário, no secundário e posteriormente no ensino superior. Todos que, com absoluta sinceridade, lutam por justiça social e pelo meio ambiente. Todos os pioneiros das pequenas invenções, da tecnologia e das diversas engenharias. Todos que já foram e todos que vieram a esse planeta como missionários: da Educação. 5

6 Jurandir Primo INDICE: I. INTRODUÇÃO II. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TUBOS III. MATERIAIS E ESPECIFICAÇÕES PARA TUBOS IV. TIPOS DE CONEXÃO PARA TUBOS V. PURGADORES DE VAPOR, SEPARADORES E FILTROS VI. CLASSIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS VII. DETALHES DAS TUBULAÇÕES VIII. MONTAGEM, OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO IX. FLUXOGRAMAS E ISOMÉTRICOS X. REQUISITOS PARA INSPEÇÃO DE TUBULAÇÃO XI. STANDARDS PARA APLICAÇÃO EM TUBULAÇÃO

7 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção I. Introdução: Tubulação é um cilindro ôco usado para transmitir um fluido ou para transmitir uma pressão do fluido em especificações de materiais aplicáveis. Tubo ou tubagem nas especificações são tratados como tubulação quando se destinam à pressão serviços, ASME B tubulação de energia e a Norma ASME B.31.3 tubulação de processo. Tubulação é um conjunto de componentes usados para transmitir, distribuir, misturar, separar, descarregar, medir, controlar ou parar o fluxos de fluidos. Tubulação também inclui os elementos de apoio, mas não as estruturas como a construção de suportes, fundações ou outros equipamentos excluídos das definições do código ASME. Componentes de tubulação são elementos mecânicos apropriados para montagem. Os componentes incluem vedações, flanges, juntas, parafusos, válvulas e dispositivos, tais como juntas de dilatação, juntas flexíveis, mangueiras de pressão, purgadores, filtros, tie-ins, loops, uniões, acoplamentos, spools, in-line portions, instrumentos, tubings, separadores, etc. II. Processos de Fabricação de Tubos: Uma vasta gama de materiais para a fabricação de tubos são empregadas hoje. Apenas A.S.T.M (American Society for Testing and materiais) especifica mais de 500 tipos diferentes de materiais. Há dois grupos de processos industriais de fabricação de tubos: Tubos sem costura (seamless pipe): Laminação (rolling): Extrusão (extrusion), Fundição (casting), Tubos com costura (welded pipe): Fabricação por solda (welding). Os processos de laminação e de fabricação por solda são os de maior importância, e por eles são feitos mais de 2/3 de todos os tubos usados em instalações industriais. 1.1) Fabricação de tubos por laminação 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 aços-carbono, aços-liga e aços 7

8 Jurandir Primo inoxidáveis, desde 8 cm até 65 cm de diâmetro. Há vários processos de fabricação por laminação, o mais importante dos quais é o processo Mannesmann, que consiste resumidamente nas seguintes operações: 1. Um lingote cilíndrico de aço, com o diâmetro externo aproximado do tubo que se vai fabricar, é aquecido a cerca de C e levado ao denominado laminador oblíquo. 2. O laminador oblíquo tem rolos de cone duplo, cujos eixos fazem entre si um pequeno ângulo (Fig.1). O lingote é colocado entre os dois rolos, que o prensam fortemente, e lhe imprimem, ao mesmo tempo, um movimento helicoidal de rotação e translação. Em conseqüência do movimento de translação o lingote é pressionado contra uma ponteira cônica que se encontra entre os rolos. A ponteira abre um furo no centro do lingote, transformando-o em tubo, e alisa continuamente a superfície interna recém-formada. A ponteira, que é fixa, está colocada na extremidade de uma haste com um comprimento maior do que o tubo que resultará. Fig. 1 Fabricação de tubos por laminação - Laminador oblíquo Mannesmann. 3. O tubo formado nessa primeira operação tem paredes muito grossas. A ponteira é então retirada e o tubo, ainda bastante quente, é levado para um segundo laminador oblíquo, com uma ponteira de diâmetro um pouco maior, que afina as paredes do tubo, aumentando o comprimento e ajustando o diâmetro externo. 4. Depois das duas passagens pelos laminadores oblíquos o tubo está bastante empenado. Passa então em uma ou duas máquinas desempenadoras de rolos.

9 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção 5. O tubo sofre, finalmente, uma série de operação de calibragem dos diâmetros externo e interno, e alisamento das superfícies externa e interna. Essas operações são feitas em várias passagens em laminadores com mandris e em laminadores calibradores (Fig. 2). Fig. 2 Fabricação de tubos por laminação - Laminadores de acabamento. Os métodos de fabricação de tubos de aço sem costura variam um pouco de fabricante para fabricante, mas estas são as etapas básicas. a) Tarugos fundidos ou laminados: Barras de aço de alta qualidade para produtos tubulares sem costura (Fig. 1/8). Figura 1/8: Barras fundidas ou laminadas b ) Aquecimento: As barras são cortadas no comprimento necessário e levados para pesagem antes de ser aquecidos num forno (Fig. 2/8). 9

10 Jurandir Primo Figura 2/8: Aquecimento c) Rolos de laminação: As barras redondas são puxadas pelos rolos, giram e avançam em direção ao mandril perfurador, que cria um furo através do seu comprimento (Fig. 3/8). Figura 3/8: Rolos de laminação d) Mandrilagem: Os tubos são rolados usando vários rolos com um um mandril longo (Fig. 4/8). Figura 4/8: Mandrilagem e ) Reaquecimento: os tubos são transferidos para uma instalação de reaquecimento, onde podem ser cortados e levados para pesagem (ver Fig. 5/8).

11 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção Figura 5/8: Forno de reaquecimento f ) Redução e estiramento: Os tubos aquecidos e tratados são transportados por um sistema de redução e estiramento, que utiliza até 24 rolos para reduzir o diâmetro no tamanho final necessário (Fig. 6/8). Figura 6/8: Redução e estiramento g) Leito de esfriamento: os tubos mandrilados e estirados são colocados em um sistema de leito de esfriamento (Fig. 7/8). Figura 7/8: Tubos sobre um leito de esfriamento h ) Serra: Após o arrefecimento, tubos em lote são levados em paralelo para corte em comprimentos especificados, em serras com pontas endurecidas com carbeto (Fig. 8/8). Figura 8/8: Lote de tubos para serrar 11

12 Jurandir Primo 1.2) Processo de extrusão: Extrusão é um processo usado para criar objetos de um perfil transversal fixo. Um material é empurrado ou puxado através de uma matriz, tipo dispositivo, que tem a secção desejada. As principais vantagens deste processo é a capacidade de criar seções transversais muito complexas, trabalhar materiais frágeis, e peças com um excelente acabamento superficial. Na fabricação por extrusão, um tarugo maciço do material, em estado pastoso, é colocado em um recipiente de aço debaixo de uma poderosa prensa. Em uma única operação, que dura no total poucos segundos, dão-se as seguintes fases (Fig. 3): Fig. 3 Fabricação de tubos por extrusão a) O êmbolo da prensa, cujo diâmetro é o mesmo do tarugo, encosta-se no tarugo. b) O mandril, acionado pela prensa, fura completamente o centro do tarugo. c) Em seguida, o êmbolo empurra o tarugo obrigando o material a passar pelo furo de uma matriz calibrada e por fora do mandril, formando o tubo. Para tubos de aço a temperatura de aquecimento é da ordem de C; as prensas são sempre verticais e o esforço da prensa pode chegar a t. Os tubos de aço saem dessa primeira operação curtos e grossos; são levados então, ainda quentes, a um laminador de rolos para redução do diâmetro. Vão finalmente para outros laminadores que desempenam e ajustam as medidas do diâmetro e da espessura das paredes. Fabricam-se por extrusão tubos de aço de pequenos diâmetros (abaixo de 8 cm) e também tubos de alumínio, cobre, latão, chumbo e outros metais não ferrosos, bem como de materiais plásticos. a) Extrusão a quente: Extrusão quente é feito acima da temperatura ambiente, mas abaixo da temperatura de recristalização do material, nas gamas de temperaturas entre 800 a 1800 F (424 a 975

13 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção C), para manter o endurecimento e tornar mais fácil para empurrar o material através do dispositivo. Extrusões mais quentes são feitas em prensas hidráulicas que variam de 250 a toneladas métricas. As pressões variam de 30 a 700 Mpa (4.400 a psi), portanto, a lubrificação necessária, pode ser óleo ou grafite para extrusões com baixas temperaturas, ou em pó para extrusões com temperatura superiores ao vidro. A maior desvantagem deste processo é seu custo. Os metais que são extrudadas geralmente são: Alumínio: é o material mais comumente extrudado a frio ou a quente. A quente é aquecido entre F (300 a 600 C). Exemplos de produtos de perfis para faixas, quadros, trilhos, montantes e dissipadores de calor. Bronze: para hastes livre de corrosão, peças de automóvel, encaixes de tubulação, peças de engenharia. Cobre : tubos (1100 a 1825 F (600 a 1000 C), fio, hastes, barras, tubos e eletrodos, etc. Muitas vezes mais de 100 ksi (690 MPa) é necessário para extrair o cobre. Chumbo: latão (máximo 575 F (300 C), tubos, fios, tubos e cabos. Chumbo fundido também pode ser usado no lugar de tarugos em prensas de extrusão vertical. Magnésio: ( F (300 a 600 C) aeronaves e peças da indústria nuclear. O magnésio é aproximadamente tão extrudavel como o alumínio. Zinco: (400/650 F (200/350 C)) hastes, barras, tubos, componentes, corrimãos, etc. Aço: barras (1825 a 2375 F (1000 a 1300 C) e chapas. Aço de carbono liso é geralmente extrudavel, assim como aço liga e aço inoxidável. Titânio: componentes de aeronaves (1100 a 1825 F (600 a 1000 C), incluindo faixas de assento, anéis de motor e outras peças estruturais. Obs.: Magnésio e ligas de alumínio têm geralmente um 0,75 µm (30 μ.in) RMS ou melhor acabamento superficial. Titânio e aço podem alcançar um 3 micrómetros (120 μ.in) RMS b) Extrusão a frio: Extrusão a frio é feito em temperatura ambiente ou próxima a temperatura ambiente. As vantagens da extrusão a frio sobre extrusão quente são; a falta de oxidação, maior resistência devido ao trabalho frio, tolerâncias menores, boa superfície de acabamento e velocidade de extrusão rápida. Os materiais que são extudados geralmente a frio incluem: chumbo, estanho, cobre, alumínio, zircônio, titânio, molibdênio, berílio, vanádio, nióbio e aço. Exemplos de produtos produzidos por este processo são: extintores de incêndio, cilindros absorvedores de choque, engrenagens, etc. c) Extrusão de tubos de aço: 13

14 Jurandir Primo Os processos de fabricação também são divididos em laminados a quente e a frio para tubos de aço sem costura. Tubos de aço sem costura laminados a frio são menores diâmetros, tubos de aço sem costura laminados a quente são, muitas vezes, de grande diâmetro. A tolerância dimensional dos tubos de aço sem costura laminados a frio de precisão são maiores do que os tubos de aço sem costura laminados a quente, então, os preços também são maiores do que os tubos de aço sem costura laminados a quente. e) Estiramento: Estiramento envolve simplesmente puxar o tubo oco através de uma série de pentes de aço endurecidos para reduzir o seu diâmetro. Antes de cada etapa do processo, o tubo é empurrado para a extremidade de uma matriz, onde é fixado por garras automáticas ligadas a um dispositivo com diâmetro de 7 pés, chamado de bull block. 1.3) Fundição: Nesses processos o material do tubo, em estado líquido, é despejado em moldes especiais, onde solidifica-se adquirindo a forma final. Fabricam-se por esse processo, tubos de

15 Tubulações Standard Industriais Materiais & Requisitos de Inspeção ferro fundido, alguns aços especiais não-forjáveis, e a maioria dos materiais nãometálicos, tais como: barro vidrado, concreto, cimento-amianto, borrachas etc. Para os tubos de ferro fundido e de boa qualidade, usa-se a fundição por centrifugação, em que o material líquido é lançado em um molde com movimento rápido de rotação, sendo então centrifugado contra as paredesdo molde. O tubo resultante da fundição centrifugada tem uma textura mais homogênea e compacta e também paredes de espessura mais uniforme. Os tubos de concreto armado são também vibrados durante a fabricação para o adensamento do concreto. Fundição centrífuga é um processo de fundição de aço comum, onde o metal fundido é canalizado em um molde rotativo (comumente 700 a 1300 rpm). A rotação cria uma força centrífuga que empurra o metal para a parede do molde, como mostrado abaixo. A taxa de proporção da peça a ser convertida é o que determina qual das técnicas pode ser usado. Quando o diâmetro da parte desejada é maior em comparação com o comprimento total (em forma de anel), carcaça vertical é mais comumente usada. Da mesma forma, quando o comprimento é maior em comparação com o diâmetro (em forma de tubo), um tipo de fundição horizontal é usado. ASTM A660 - Especificação padrão para tubulação aço carbono centrifugado. Esta especificação abrange tubos de aço carbono, feitos pelo processo de fundição centrífuga destinados ao uso em alta temperatura, alta pressão de serviço, apropriada para fusão, dobra e outras operações de deformação. Os tubos centrífugados são recozidos a 960 C (1760 F) em um forno contínuo, para que a cementita possa ser dividida em ferrita e grafita. Para todos os tubos são dados 15