TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS NORMAS, USOS E MATERIAIS

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1 TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS NORMAS, USOS E MATERIAIS Instalações em Sistemas Industriais Profa. Roberta Leone Aula 02

2 HISTÓRICO O emprego de tubulações antecede provavelmente a história escrita Vestígios ou redes completas de tubulações nas ruínas da Babilônia, da China Antiga, de Pompéia Os primeiros tubos metálicos foram feitos de chumbo, séculos antes da Era Cristã, havendo instalações completas com esse material nas termas da Roma Antiga, com tubulações inclusive para água quente A primeira produção de tubos de ferro fundido começou na Europa Central (Século XV) existindo algumas instalações para água, ainda em funcionamento fontes dos jardins do Palácio de Versalhes, na França Os tubos de aço, que hoje dominam largamente quase todos os campos de aplicação industrial, são de desenvolvimento relativamente recente, datando de 1825 o primeiro tubo de aço, fabricado a Inglaterra Só em 1886, com a primeira patente dos irmãos Mannesmann, o laminador oblíquo, foi possível produzir economicamente tubos de aço sem costura. Por essa época os tubos de aço eram necessários principalmente para resistir às pressões mais altas das tubulações de vapor Profa. Roberta Leone 2

3 INTRODUÇÃO TUBOS Condutos fechados destinados para transporte de fluidos Têm sessão circular cilindros ocos Funcionam como condutos forçados TUBULAÇÃO Conjunto de tubos e seus diversos acessórios Válvulas Uniões Flanges Filtros Etc. Profa. Roberta Leone 3

4 INTRODUÇÃO Ponto de geração e armazenamento de fluidos, normalmente distante do ponto de utilização Transporte de tudo que seja capaz de escoar ΔP vácuo absoluto até 1000 MPa ΔT próximo ao zero absoluto até temperatura de metais em fusão Importância enorme na indústria de processos ligação entre equipamentos 20-25% do custo total das instalações da fábrica 45-50% do custo de montagem dos equipamentos Profa. Roberta Leone 4

5 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Profa. Roberta Leone 5

6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Finalidade básica da indústria transporte, distribuição e armazenagem Profa. Roberta Leone 6

7 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Refrigeração, aquecimento, vapor, manutenção, limpeza, combate à incêndio Profa. Roberta Leone 7

8 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Transmissão de sinais para válvulas de controle e instrumentos automáticos (ar comprimido ou outro fluido) Profa. Roberta Leone 8

9 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Líquidos sob pressão para comandos e servomecanismos hidráulicos Profa. Roberta Leone 9

10 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Coletar e conduzir efluentes. Pressão atmosférica e diversos fluidos Profa. Roberta Leone 10

11 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Transporte de líquidos e gases à longas distâncias Profa. Roberta Leone 11

12 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO EMPREGO Redes ramificadas fora das instalações industriais Profa. Roberta Leone 12

13 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO FLUIDO CONDUZIDO Profa. Roberta Leone 13

14 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO FLUIDO CONDUZIDO Profa. Roberta Leone 14

15 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO FLUIDO CONDUZIDO Profa. Roberta Leone 15

16 PRINCIPAIS NORMAS ANO NORMA 1880 ASME (American Society of Mechanical Engineers) 1898 ASTM (American Society for Testing and Materials) 1901 BSI (British Standards Institution) 1917 DIN (Deutsches Institut für Normung) 1918 ANSI (American National Standard Institute) 1919 AWS (American Welding Society) 1940 ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) 1947 ISO (International Organization for standartization) Profa. Roberta Leone 16

17 ESPECIFICAÇÕES DE TUBOS Material de construção Processo de fabricação Espessura Diâmetro Sistemas de ligação Profa. Roberta Leone 17

18 TUBOS METÁLICOS Profa. Roberta Leone 18

19 TUBOS NÃO METÁLICOS Profa. Roberta Leone 19

20 TUBOS NÃO METÁLICOS Profa. Roberta Leone 20

21 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TUBOS LAMINAÇÃO EXTRUSÃO FUNDIÇÃO FORJA Profa. Roberta Leone 21

22 LAMINAÇÃO Etapas 1 Laminação (formação do tubo) 2 Desempeno por rolos 3 Calibradores 4 Alisamento (mandrilamento) Profa. Roberta Leone 22

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24 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TUBOS LAMINAÇÃO EXTRUSÃO FUNDIÇÃO FORJA Profa. Roberta Leone 24

25 EXTRUSÃO A etapa de extrusão consta de: matriz, mandril e êmbolo, temperatura de 1200 ºC. TUBO CURTO E GROSSO LAMINAÇÃO E DESEMPENO Profa. Roberta Leone 25

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27 TUBOS SEM COSTURA LAMINAÇÃO EXTRUSÃO FUNDIÇÃO FORJA Profa. Roberta Leone 27

28 FUNDIÇÃO Vazado dentro de moldes (material no estado líquido) Tubos de ferro fundido, vidro, porcelana, cimento, borracha, PVC... Profa. Roberta Leone 28

29 TUBOS SEM COSTURA LAMINAÇÃO EXTRUSÃO FUNDIÇÃO FORJA Profa. Roberta Leone 29

30 FORJADO Para tubos de parede grossa (p/ pressões muito elevadas) O lingote é furado a frio Pré-tubo conformado sob aquecimento Recebe pancadas contra o madril até atingir a espessura desejada. Profa. Roberta Leone 30

31 TUBOS COM COSTURA Disposição de solda Solda de topo ou solda sobreposta (em relação as bordas) Solda longitudinal ou solda radial (conformação) Tipos de solda Solda elétrica (Arco protegido, adição de metal do eletrodo). Arco submerso ou com gás inerte Resistência elétrica Profa. Roberta Leone 31

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35 MATERIAIS PARA TUBOS AÇO CARBONO Ligas de Fe, com pequenas quantidades de C, Mn, S, P, Si, Al e Cu Baixo custo Fácil soldagem Galvanizado (Zn) ou preto -40 C à 450 C em processo contínuo Profa. Roberta Leone 35

36 MATERIAIS PARA TUBOS Aço Carbono 0,1 0,35% de carbono + Carbono > Dureza > Limite de resistência > Limite de elasticidade < Alongamento Difícil soldagem < Resistência à trincas Profa. Roberta Leone 36

37 MATERIAIS PARA TUBOS Aço liga e Aço Inoxidável Maior custo Altas temperaturas Baixas temperaturas (abaixo de -45 C) Alta corrosão Necessidade de não contaminação Segurança Alta resistência Profa. Roberta Leone 37

38 MATERIAIS PARA TUBOS Aços Liga Todos os aços que possuem qualquer quantidade de outros elementos Baixa liga: 5% de elementos de liga Média liga: 5 10% Alta liga: mais de 10% Profa. Roberta Leone 38

39 MATERIAIS PARA TUBOS Aços Inoxidáveis Aços de alta liga com pelo menos 12% de cromo Cr: propriedade de não enferrujar em exposição prolongada à atmosfera normal (não significa que não enferruja em nenhuma outra situação) Profa. Roberta Leone 39

40 MATERIAIS PARA TUBOS Aços Inoxidáveis usos na IA Tubos para troca de calor, fornos, aquecedores, etc. Peças internas: válvulas, purgadores, filtros Equipamentos e tubulações sujeitos à baixas temperaturas (criogenia) Onde não se pode admitir contaminação Profa. Roberta Leone 40

41 MATERIAIS PARA TUBOS Aços Inoxidáveis Classificados de acordo com sua estrutura cristalina Austenísticos Ferríticos Martenísticos Profa. Roberta Leone 41

42 MATERIAIS PARA TUBOS Austenísticos Cr- Ni (não magnéticos) - Apresentam resistência à fluência e oxidação Não estabilizados Estão sujeitos à precipitação de Carbeto de Cromo, quando submetidos à 450º C - 850º C, perdendo a resistência a corrosão Ti, Ta (tântalo) e Nb (nióbio) estabilizam a liga Mo também estabiliza a liga inibindo a precipitação de carbeto de cromo Profa. Roberta Leone 42

43 MATERIAIS PARA TUBOS Ferríticos e Martensíticos 12 30% de Cr, a maioria isenta de Ni Menores temperaturas de início de corrosão Baixo custo. Baixa propriedade mecânica Apresentam baixa corrosão sob tensão mas são difíceis de soldar São mais duros (maior teor de C) apresentando maior resistência mecânica e à abrasão. Profa. Roberta Leone 43

44 ELEMENTOS MODIFICADORES DE PROPRIEDADES Molibdênio Resistência à cristalização (aumenta a resistência à fluência) mantendo a resistência mecânica (mesmo em temperatura elevada) Reduz corrosão alveolar. Ideal para HC, hidrogênio, vapor Ótimo para temperaturas elevadas Aumenta a resistência a corrosão via úmida. Efeito semelhante apresenta o Cobre quando presente Risco de fratura a temperaturas baixas Profa. Roberta Leone 44

45 ELEMENTOS MODIFICADORES DE PROPRIEDADES Cromo Aumenta resistência à corrosão em temperatura elevada Fragiliza mecanicamente, por isso normalmente incorpora-se o Mo Tubos de aço inoxidável com mais de 10% de Cr apresentam facilidade para soldagem Enxofre Melhora a usinagem Profa. Roberta Leone 45

46 Cromo/Molibidênio ELEMENTOS MODIFICADORES DE PROPRIEDADES Excelente resistência à corrosão Níquel Bom para temperaturas baixas Eleva o limite de elasticidade, mantendo-o dúctil e com elevada tenacidade Profa. Roberta Leone 46

47 ELEMENTOS MODIFICADORES DE PROPRIEDADES Silício e Alumínio Atribuem resistência à corrosão a temperaturas elevadas Servem para acalmar a liga (remoção de gases absorvidos) Si suprime magnetismo de uma liga, enquanto o Co favorece as propriedades magnéticas da liga Nos aços carbono, em concentrações mais elevadas torna a liga mais dura e tenaz Profa. Roberta Leone 47

48 MATERIAIS PARA TUBOS Ferro Fundido 3-4% de C e 1-2% de Si Normalmente galvanizados Muito barato Quebradiço Aplicação: Água, gás, água salgada e esgoto. Pressão baixa e sem esforço mecânico Apresentam boa resistência à corrosão Profa. Roberta Leone 48

49 MATERIAIS PARA TUBOS Metais Não Ferrosos Cobre e ligas Resistência à oxidação Usado para trocadores de calor, serpentinas, sistemas de refrigeração Não pode ser usado em contato com amônia, ácido nítrico e aminas Apresenta corrosão sob tensão Profa. Roberta Leone 49

50 MATERIAIS PARA TUBOS Metais Não Ferrosos Alumínio e ligas Criogenia e aquecimento Chumbo Uso em unidades de ácido sulfúrico. Níquel, titânio, zircônio e suas ligas Para aplicações que envolvem alta temperatura Profa. Roberta Leone 50

51 MATERIAIS PARA TUBOS Materiais não metálicos Poliméricos: PE, PP, PVC, Epoxi, Poliésteres Vidro, concreto, borracha, porcelana e grafite Uso em unidades de ácido sulfúrico Os não metais (polímeros, cerâmica) podem ainda ser usados como revestimento interno de tubos metálicos Profa. Roberta Leone 51

52 Vasos de Pressão e Permutadores de Calor Metais ferrosos Metais não ferrosos Aços carbono Aços liga Aços inoxidáveis Alumínio e ligas Cobre e ligas Níquel e ligas Titânio, zircônio e ligas Profa. Roberta Leone 52

53 Caldeiras e Fornalhas Aços carbono Aços liga Profa. Roberta Leone 53

54 Tanques de armazenagem e vasos sem pressão Metais ferrosos Não metálicos Metais não ferrosos Aços carbono Aços liga Aços inoxidáveis Concreto armado Materiais plásticos Alumínio e ligas Cobre e ligas Níquel e ligas Profa. Roberta Leone 54

55 Tubulações e acessórios Metais ferrosos Não metálicos Metais não ferrosos Aço carbono Aço liga Aço inoxidável Ferro fundido Ferro maleável Ferro forjado Ferro ligado Concreto armado Material plástico Cimento amianto Barro vidrado Vidro, porcelana Borrachas Alumínio e liga Cobre e liga Níquel e liga Chumbo e liga Titânio, zircônio e liga Profa. Roberta Leone 55

56 Revestimentos internos de vasos, tanques, tubos e permutadores Aços inoxidáveis Zinco Níquel e ligas Chumbo e ligas Titânio, zircônio e ligas Materiais plásticos Concreto Vidro, porcelana, cerâmica Borrachas Grafite Profa. Roberta Leone 56

57 SELEÇÃO DO MATERIAL Diâmetro Custo Condição de serviço (P e T) Fluido (gás ou líquido), presença de impurezas, sólidos suspensos, ph, concentração Nível de tensão a que estará submetida à tubulação (dilatação térmica, peso da tubulação) Esforços mecânicos: compressão, flexão, vibração Segurança Profa. Roberta Leone 57

58 SELEÇÃO DO MATERIAL Facilidade de obtenção (compra), reposição Tempo de vida (compatível com o tempo de vida útil da instalação) Velocidade do fluido Perda de carga Acabamento interno Facilidade de montagem custo de reposição e tempo de parada Profa. Roberta Leone 58

59 CONSIDERAÇÕES DE PROJETO Causam fadiga Elevação de pressão Parada/partida de bomba: Aríete Vácuo (sucção) Resfriamento de fluido gasoso vácuo Expansão por elevação da temperatura Congelamento Dilatação do fluido x contração/fragilização do metal Profa. Roberta Leone 59

60 TEMPERATURA DE PROCESSO É pratica adotar no projeto uma temperatura um pouco superior aquela temperatura máxima do fluido circulante Profa. Roberta Leone 60

61 Tubos não isolados TEMPERATURA DE OPERAÇÃO Se temperatura do fluido for superior a 0 C Se rosqueados 95% da temperatura do fluido Se flangeados 90% da temperatura do fluido Parafusos e porcas das flanges 80 % da temperatura do fluido Profa. Roberta Leone 61

62 Tubos isolados TEMPERATURA DE OPERAÇÃO Se temperatura do fluido for superior a 0 C Isolamento térmico externo Temperatura igual a do fluido Isolamento interno Deduzir perda térmica equivalente através do isolamento Se a temperatura do fluido for inferior a 0 C Materiais com temperatura igual a temperatura do fluido Profa. Roberta Leone 62

63 ESFORÇOS MECÂNICOS Pressão interna e externa Peso Tubo, Fluido Acessórios, válvulas, isolamento, Fluidos durante teste hidrostático Peso de outros tubos suportados ou apoiados Plataformas, pessoas, neve, terra (soterrados), veículos Profa. Roberta Leone 63

64 ESFORÇOS MECÂNICOS Ação dinâmica Movimento do fluido, Ventos Impactos de natureza mecânica, golpes de ariete, Vibrações Dilatações térmicas Tubulação, Equipamentos aos tubos conectados, Profa. Roberta Leone 64

65 ESFORÇOS MECÂNICOS Tensões residuais de montagem da linha Atrito dos suportes Esforços de desalinhamentos Profa. Roberta Leone 65

66 TENSÃO EM TUBULAÇÃO Tensão longitudinal Consequência da pressão, movimento fletor, (pesos, dilatações, equipamentos) e esforço residual de montagem. Tensão circunferencial Consequência da pressão, deformação por achatamento resultante de esforços fletores atuantes Tensão radial Tensão de cisalhamento circunferencial Consequência de esforços de torção Profa. Roberta Leone 66

67 FORMAS DE CORREÇÃO Instalar de forma adequada os suportes Instalar acessórios sempre que possível próximos aos pontos de sustentação Evitar e minimizar cargas externas Instalar guias e contraventos Colocar patins ou roletes Instalar amortecedores de vibração Flexibilizar de forma adequada a linha Profa. Roberta Leone 67