Tubulações Industriais

Transcrição

1 Tubulações Industriais AULA 9-10 TUBULAÇOES COMO ELEMENTOS ESTRUTURAIS PROF.: KAIO DUTRA

2 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o Do ponto de vista da Resistência dos Materiais, cada trecho de tubulação pode ser considerado como sendo um elemento estrutural. o São as seguintes as principais agindo sobre uma tubulação: o Pressão interna exercida pelo fluido. o Pressão externa (tubulações em ambientes sob pressão ou operando com vácuo). o Peso próprio da tubulação, peso do fluido contido, das conexões, válvulas etc., integrantes da tubulação e do isolamento térmico. Em tubulações de vapor, ar e outros gases, deve ser considerado também o peso da água para o teste hidrostático, a menos que sejam previstos suportes provisórios adicionais para esse fim.

3 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o São as seguintes as principais agindo sobre uma tubulação: o Sobrecargas diversas agindo sobre a tubulação, tais como peso de outros tubos, plataformas e estruturas apoiadas nos tubos, gelo e neve sobre os tubos, peso da terra, pavimentação e veículos (no caso de tubos enterrados), peso de pessoas sobre a tubulação etc. o Dilatações térmicas (ou contrações) da própria tubulação ou de outras tubulações ligadas à tubulação em questão, devido a variações de temperatura. o Movimentos de pontos extremos da tubulação causados por dilatação de outras tubulações, dilatação própria de equipamentos (tanques, vasos, bombas etc.) ligados à tubulação em questão, ou por outras causas: vento, movimento de marés etc.

4 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o São as seguintes as principais agindo sobre uma tubulação: o Atrito da tubulação nos suportes. o Ações dinâmicas provenientes do movimento do fluido na tubulação, tais como golpes de aríete, acelerações, impactos etc. o Ações dinâmicas externas: vento, terremoto etc. o Vibrações. o Reações de juntas de expansão, por não só ao esforço necessário para impor deslocamento às mesmas, como também ao efeito de pressão interna (empuxo).

5 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o São as seguintes as principais agindo sobre uma tubulação: o Tensões decorrentes damontagem, tais como alinhamentos forçados, desalinhamentos e desnivelamento de suportes, tensões residuais de soldagem, aperto exagerado ou desigual de flanges e de roscas, erros de ajuste de suportes de molas etc. o Desnivelamento de suportes ou de vasos ou equipamentos ligados à tubulação, conseqüentes de recalque de fundações.

6 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o Evidentemente, tanto no projeto como na montagem deve-se, na medida do possível, evitar ou atenuar as tensões provenientes da maior parte dos fatores acima relacionados. Com esse objetivo procura-se, por exemplo: o Adotar vãos adequados entre os suportes. o Colocar válvulas, derivações pesadas e outras cargas concentradas importantes próximo aos suportes. o Limitar as sobrecargas. o Colocar os tubos enterrados na profundidade apropriada. o Dar flexibilidade adequada ao sistema para reduzir os esforços oriundos das dilatações.

7 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o Evidentemente, tanto no projeto como na montagem deve-se, na medida do possível, evitar ou atenuar as tensões provenientes da maior parte dos fatores acima relacionados. Com esse objetivo procura-se, por exemplo: o Colocar guias e contraventos para manter o alinhamento dos tubos. o Absorver as vibrações por meio de amortecedores, ancoragens ou juntas de expansão. o Colocar placas de deslizamento ou suportes de rolos nos casos em que o atrito for muito grande ou for prejudicial. o Executar a montagem com os devidos cuidados para reduzir os valores das tensões resultantes da montagem.

8 Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações o Devido ao grande número dessas cargas, à complexidade inerente a algumas delas, e também à variedade de configurações que podem ter as tubulações, o cálculo rigoroso da ação simultânea de todas as cargas que possam estar atuando é bastante difícil, e raramente justifica-se fazê-lo. Na prática, via de regra, faz-se apenas o cálculo das cargas predominantes, adotando-se tensões admissíveis inferiores às que o material permitiria, a fim de compensar os esforços não-considerados. o Para a grande maioria das tubulações industriais, é necessário e suficiente considerar apenas as seguintes cargas: o o o Pressão (interna ou externa). Pesos e sobrecargas. Efeito combinado das dilatações da própria tubulação e de outras tubulações ou equipamentos ligados à tubulação em questão.

9 Tensões Nas Paredes dos Tubos A tensão radial S r. é causada exclusivamente pela pressão; seu valor é geralmente baixo, e por isso costuma ser desprezado nos cálculos. o No caso geral de um tubo submetido a urna série de cargas simultâneas, o estado de tensões em cada elemento da parede do tubo é caracterizado por três tensões normais e três tensões tangenciais de cisalhamento. o As tensões normais usualmente consideradas são: o tensão longitudinal S l o tensão circunferencial S e o tensão radial S r

10 Tensões Nas Paredes dos Tubos o Para os materiais dúcteis, como é o caso de todos os aços e da maioria dos metais não-ferrosos, a teoria que melhor se ajusta aos dados experimentais é a denominada de cisalhamento máximo. De acordo com essa teoria, a falha do material ocorre quando a tensão de cisalhamento máxima ultrapassar a metade do valor mínimo do limite dê escoamento. o Para os materiais não-dúcteis, como é o caso, por exemplo, do ferro fundido e dos ferros-ligados, a teoria da ruptura adotada é a denominada de máxima tensão normal. Segundo essa teoria, a ruptura acontece quando a máxima tensão normal (S máx ) ultrapassar um determinado valor. Para esses materiais, a comparação será feita entre a tensão normal máxima e a tensão admissível.

11 Tensões Primárias e Secundárias o As tensões que aparecem nas paredes de um tubo, em conseqüência dos diversos carregamentos, podem ser classificadas em duas categorias, denominadas tensões primárias e tensões secundárias. o Tensões primárias as tensões necessárias para satisfazer as condições de equilíbrio estático em relação aos diversos carregamentos externos agindo sobre a tubulação, tais como pressão interna ou externa, pesos, sobrecargas etc. o Tensões secundárias são as que resultam não de carregamentos externos, mas 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.

12 Relaxamento Espontâneo o As tensões primárias têm corno característica básica o fato de não serem autolimitantes e de terem um valor diretamente proporcional à carga de que se originam. Assim, se a carga aumenta, a tensão aumentará na mesma proporção, podendo chegar à ruptura do material. o As tensões secundárias, pelo contrário, tendem a diminuir de intensidade com o passar do tempo, em conseqüência do fenômeno do relaxamento espontâneo.

13 Tensões Admissíveis e Coeficiente de Segurança o Denominam-se tensões admissíveis aos valores limites de tensões que se adotam para o cálculo da tubulação quando considerada como um elemento estrutural. o As tensões admissíveis são valores estabelecidos pelas normas de projeto para cada material e cada classe de tubulações. É evidente que as tensões admissíveis devem ser menores do que os limites de resistência e de escoamento do material na temperatura considerada. o Essas tensões são o limite de resistência, ou o limite de escoamento, divididos por um certo número, que é o chamado coeficiente de segurança.

14 Tensões Admissíveis e Coeficiente de Segurança o São os seguintes os principais fatores que influenciam o coeficiente de segurança a adotar, e portanto as tensões admissíveis: o Tipo do material; o Critério de cálculo; o Tipo de carregamento; o Variações nas condições de operação; o Incerteza nas qualidades do material; o Desvios de forma devidos a defeitos de matéria-prima e de fabricação e de montagem; o Grau de segurança necessário.

15 Tensões Admissíveis da Norma ASME B31 o As diversas seções da norma ASME B 31 contêm tabelas que dão, para todos os materiais de tubulação que são aceitos pela norma, as tensões admissíveis em função da temperatura, até a temperatura limite de utilização de cada material.

16 Tensões Admissíveis da Norma ASME B31

17 Tensões Admissíveis da Norma ASME B31 o A norma estabelece as seguintes variações em relação às tensões admissíveis básicas: o Tensões estáticas e permanentes de cisalhamento puro e de torção: 80% das tensões admissíveis básicas. o Tensões provenientes de cargas transitórias ou eventuais de curta duração como a ação do vento, teste hidrostático, dilatações térmicas e de condições anormais de operação. Permitem-se os seguintes acréscimos sobre a tensão admissível básica: o Seção B 31.1: 15% para esforços que atuem durante até 10% do tempo, em 24 horas. o Seção B 31.3: 33% para esforços que atuem durante até 10 horas seguidas, com o máximo de 100 horas em um ano.

18 Pressão e Temperatura de Projeto o Chamam-se pressão de projeto e temperatura de projeto os valores da pressão e da temperatura considerados para efeito de cálculo e projeto da tubulação. Não devem ser confundidos com a pressão e temperatura de operação (ou de trabalho), que são as condições nas quais de fato deverá trabalhar a tubulação.

19 Pressão de Projeto o Pressão de projeto: A norma ASME B 31 define pressão de projeto como sendo a pressão interna ou externa correspondente à condição mais severa de pressão e temperatura simultâneas, que possam ocorrer em serviço normal. o Para cada condição diferente de trabalho, a pressão de operação deverá ser tomada como o maior dos dois seguintes valores: o Pressão de abertura de qualquer válvula de segurança ou de alívio que esteja ligada à linha. o Pressão máxima de recalque de bombeamento (vazão nula).

20 Temperatura de Projeto o Temperatura de projeto: A norma ASME B 31 define como temperatura de projeto a temperatura de operação correspondente à pressão de projeto. A temperatura de projeto é a que deve ser considerada para efeito de cálculo da espessura de parede, cálculo das tensões nos tubos resultantes de quaisquer esforços e demais cálculos estruturais.

21 Condições Transitórias de Trabalho de Uma Tubulação o No estabelecimento das condições de projeto devem ser consideradas todas as situações, mesmo transitórias ou eventuais, a que a tubulação possa estar sujeita. o Podemos citar, entre outras, as seguintes situações transitórias desse tipo: o Período transitório de partida de um sistema, até ser atingida e estabilizada a condição normal de operação, e também período de parada do sistema, inclusive paradas de emergência, quando muitas vezes acontecem flutuações maiores de temperatura e/ou de pressão. o Falhas em sistemas de proteção ou de controle, bem corno erros de operação (abertura ou fechamento indevidos de urna válvula, por exemplo).

22 Condições Transitórias de Trabalho de Uma Tubulação o Podemos citar, entre outras, as seguintes situações transitórias desse tipo: o A paralisação repentina da circulação de um líquido causa urna sobrepressão (golpe de aríete). o A parada brusca da circulação de um líquido pode causar, também, um vácuo a jusante do ponto onde se deu a parada. o O resfriamento de gases contidos em uma tubulação provoca uma queda de pressão que pode também produzir um vácuo. o A expansão de um líquido contido em uma tubulação, por efeito do aumento de temperatura, pode gerar pressões elevadíssimas dentro dos tubos, caso o líquido esteja bloqueado e não existam dispositivos de segurança para alívio de pressão.

23 Exercícios 1. Elenque e comente sobre as principais cagas que podem atuar sobre uma tubulação. 2. Existem formas de atuar ou evitar a atuação de cagas sobre tubulação, cite e comente sobre algumas dessas medidas. 3. Quais são tensões normais que atual em um tubo, faça um desenho e posicione corretamente no plano xyz. 4. Defina tensões primárias e secundárias e explique o que seria relaxamento espontâneo. 5. Relacione os principais fatores que influenciam no coeficiente de segurança de tubulações industriais. 6. Defina pressão e temperatura de projeto. 7. Elenque situações nas operações que geram condições transitórias em tubulações industriais.