Material: pertencente ou relativo à matéria Matéria: qualquer substância sólida liquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço.

Transcrição

1 1. Materiais para Equipamento de Processo Introdução No dicionário novo Aurélio tem-se a seguinte definição: Material: pertencente ou relativo à matéria Matéria: qualquer substância sólida liquida ou gasosa que ocupa lugar no espaço. Vários subconjuntos desta definição podem ser formulados abaixo apresentamos um que é do interesse da disciplina: são substâncias com propriedades que as tornam úteis em: máquinas, estruturas, dispositivos e produtos. Em outras palavras, os materiais que o homem utiliza para melhorar sua existência Os materiais se colocam entre os recursos básicos da Sociedade, juntamente com os alimentos, a energia, a informação entre outros. Um ciclo simplificado dos materiais é mostrado na figura 1. MATERIA PRIMA BRUTA Carvão, minérios, rochas, madeiras, petróleo, etc Processamento MATERIA PRIMA BASICA Metais, fibras, pós, cerâmicas, papel, produtos químicos, etc Transformação ou Processamento MATERIA PRIMA INDUSTRIAL Ligas metálicas, chapas, plásticos, tecidos, cristais, etc Prospecção, Mineração ou Colheita Reciclagem Fabricação ou Montagem Meio Ambiente Descarte Sucata ou Residuo Uso, serviço e/ou deterioração Bens de consumo Prédios, casas, carros, máquinas, equipamentos, componentes, vestuário, fármacos, etc Figura Ciclo esquemático da transformação de materiais. 1

2 A classificação dos materiais sólidos pode ser feita sob vários pontos de referência. De maneira resumida, os materiais sólidos podem ser classificado como mostrado na tabela 1 Tabela 1- Classificação dos materiais: Metais MATERIAL Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais Materiais Avançados ALGUMAS CARACTERISITICAS Bons condutores elétricos e térmicos; alta densidade; não são transparentes à luz visível; são resistentes; Maus condutores elétricos e térmicos; possuem alta dureza, porem são quebradiços. Orgânicos;flexíveis;baixa densidade; baixa dureza;grande elasticidade Projetado com a mistura de dois ou mais materiais diferentes onde alguns constituem a matriz e outros fazem parte como aditivos (ou reforços) para a melhoria do desempenho em algumas das propriedades da matriz A condutividade elétrica nos semicondutores é grandemente influenciada pela quantidade de impurezas contida nos materiais, São compatíveis com os tecidos dos seres vivos, podem ser qualquer um dos citados acima Quando os materiais acima são melhorados com o uso de alta tecnologia, ou os materiais utilizados na tecnologia de ponta Equipamentos de Processo Toda vez que um material sofre uma transformação física ou química, ou é armazenado, manuseado ou distribuído em um equipamento, o equipamento é definido como equipamento de processo. Os equipamentos de processo estão divididos em: Vaso de pressão: o Torres de destilação, de fracionamento, de absorção, etc. o Vasos de acumulação, de estocagem de mistura, etc o Reatores o Esferas de armazenagem de gases Trocadores de calor o Trocadores de calor propriamente ditos o Resfriadores o Aquecedores o Condensadores Fornos Caldeiras Máquinas o Bombas o Compressores o Sopradores o Centrifugadores Tubulação industrial 2

3 o o o o Centro Universitário Padre Anchieta Tubulação de processo Tubulação de utilidades Tubulação de transporte Tubulação de drenagem Todos os equipamentos, na maioria das industria de processamento funcionam 24h por dia, assim a escolha do material correto para os equipamentos de processo será decisivo no custo do produto. Uma vez que uma interrupção não programada para manutenção de um único equipamento, na melhor das hipóteses, diminui o fluxo de produção da industria, aumentando o custo da manufatura do produto. A Norma Regulamentadora NR-13 (caldeiras e vasos de presssão) do ministério do trabalho regulamenta os períodos de campanas de acordo com a classe desses equipamentos Para os propósitos desta NR, as caldeiras são classificadas em 3 (três) categorias, conforme segue: a) caldeiras da categoria A são aquelas cuja pressão de operação é igual ou superiora 1960 KPa (19.98 Kgf/cm2); campana de 80h b) caldeiras da categoria C são aquelas cuja pressão de operação é igual ou inferior a 588 KPa (5.99 Kgf/cm2) e o volume interno é igual ou inferior a 100 (cem) litros; Campana de 40h c) caldeiras da categoria B são todas as caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. Campana de 60h (mais informações no site do Ministério do trabalho e saúde) 1.2- Fatores gerais na seleção de materiais para equipamentos de processo A seleção do material adequado é influenciada por diversos fatores, alguns destes conflitantes (o material menos corrosivo é geralmente o mais caro) alguns são gerais para todos os equipamentos e alguns são específicos para alguns tipos de equipamentos: Abaixo apresentamos resumidamente alguns tipos de fatores do material que influenciam na sua escolha: Fatores relativos as Propriedades Mecânicas A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. As propriedades mecânicas de um material podem ser didaticamente dividas em estáticas, dinâmicas e físicas Estáticas: quando as forças aplicadas a um material são constantes; Dinâmicas: quando existem variações nas forças o carregamentos repentinos (impactos) ou carregamentos que variam rapidamente em magnitude; o ciclos repetitivos de carga e não-carga; o mudanças freqüentes na forma do carregamento (tensão/compressão); Físicas: (térmica, condutividade, óticas, etc.) Fatores relativos ao Serviço 3

4 Temperatura de trabalho Geralmente igual à temperatura do fluido Composição química do fluido, ph do fluido, caráter redutor/oxidante pode levar a fragilização do material, causar alterações químicas no material, corroer o material Corrosividade do material. os efeitos da corrosão do material contaminam o fluido impurezas e contaminantes existentes ou possíveis de existir existência ou não de gases dissolvidos ou sólidos em suspensão Pressão, temperatura e velocidade de escoamento do fluido o material deve resistir mecanicamente aos esforços solicitados, os esforços podem ser feitos pelo fluido assim como por agentes externos Fatores relativos à fabricação do equipamento Os materiais apresentam determinadas limitações quanto à possibilidade de fabricação de equipamentos tais quais soldabilidade, usinabilidade e facilidade de conformação; independente do tipo, formato ou tamanho do equipamento. A exceção é o aço carbono Disponibilidade do material Facilidade de obtenção (importação, prazo de entrega) do material em sua forma de apresentação (tubos, chapas grossas ou finas, bobinas, etc). Caso não se tenha facilidade na obtenção do material é necessário manter um estoque no almoxarifado Custo do material Para este fator é necessário computar o custo da aquisição assim como o tempo de vida, custo da fabricação, manutenção, amortização, etc Experiência prévia Este fator nos diz que é mais seguro utilizar materiais que já demonstraram sua eficácia para um serviço Tempo de vida previsto do material Igual ou superior ao tempo de vida do equipamento. O tempo de vida do material depende da natureza da aplicação, da importância do equipamento e da amortização do investimento Variações toleradas de forma ou dimensões Para a maior parte dos equipamentos é tolerada variações (próximas de 1%) de forma e dimensões. Mas existem exceções, por exemplo nas emendas parafusadas, nestas exceções o material selecidonado deve apresentar uma boa estabilidade dimensional. 1,2,9 Segurança É necessário prever os efeitos de dilatação, corrosão, desgastes do material para evitar a paralisação dos equipamentos e mesmo para evitar desastres. São exemplos de risco potencial os materiais que trabalham com fluido infamáveis, tóxicos, explosivos, ou substancias radioativas, ou em temperaturas e pressões elevadas Outros fatores específicos de certos equipamentos 4

5 Coeficiente de atrito (tubulações) Condutividade térmica (tubos de troca de calor) Método de fixação dos tubos aos espelhos em aparelhos de troca de calor Compatibilidade dos espelhos ou chicanas com os tubos de troca de calor por causa da corrosão galvânica Dureza e resistência a abrasão Possibilidade de solda com outros materiais Para a escolha do material mais adequado é indispensável a experiência do projetista ou usuário do equipamento, resultante do acumulo de informações adquiridas ao longo de sua carreira. Para a maioria dos trabalhos já existem materiais consagrados pela tradição ou pelas normas e códigos existentes. Numa nova prática onde os materiais ainda não sejam consagrados cabe ao projetista o estudo do melhor material. O projetista deve sempre estar atento ao mercado que evolui e propõem novos materiais. Indica-se a seguinte rotina para a seleção de materiais de um determinado serviço 1- Relacionar e estudar a experiência prévia existente para o serviço em questão 2- Analisar todos os fatores de influência na escolha dos materiais 3- Classificar os fatores em ordem de importância 4- Conhecer os materiais disponíveis e suas formas de apresentação 5- Se necessário realizar teste e ensaios com o material escolhido 6- Escolher dentre os materiais possíveis, levando em conta o custo e a amortização Classificação dos Materiais para Equipamentos de Processo Os materiais metálicos são de longe os mais usados na fabricação de equipamentos de processos, assim receberão uma maior atenção nessa disciplina. Abaixo mostramos a tabela 2 com os materiais mais usados na fabricação de equipamentos de processo. Tabela 2 Materiais para equipamentos de processo Materiais para vaso de pressão e Metais ferrosos Aço-carbono, aço-liga, aço inoxidável trocadores de calor Metais não ferrosos Alumínio, cobre, níquel, titânio, zircônio e as ligas destes materiais Materiais para caldeiras e fornos Metais ferrosos Aço carbono, aço liga, aço inoxidável Metais ferrosos Aço-carbono, aço-liga, aço inoxidável Materiais para tanques de armazenamentos Materiais para tanques de armazenamentos e outros reservatórios sem pressão Metais não ferrosos Materiais não metálicos Metais ferrosos Metais não ferrosos Materiais não metálicos Alumínio, cobre, níquel, titânio, zircônio e as ligas destes materiais Concreto armado, Materiais Plásticos Aço-carbono, aço-liga, aço inoxidável, ferros fundidos, ferro maleável, ferro forjado, ferro-ligado Alumínio, cobre, chumbo, níquel, zircônio, titânio e ligas desses materiais Concreto armado, cimento amianto, vidro, cerâmica e materiais plásticos Materiais para revestimentos internos de equipamentos de processo Materiais metálicos Materiais não metálicos Aço inoxidável, zinco, níquel e ligas, chumbo e ligas, titânico, zircônio e ligas Concreto, vidro cerâmica borrachas, grafita,asfalto e plásticos 5

6 1.4. Resistência dos materiais Centro Universitário Padre Anchieta Abaixo citamos os principais parâmetros que caracterizam a resistência dos materiais Ensaios de tração É realizado em máquinas de ensaio de tração universal utilizando corpos de provas normalizados por associações nacionais e internacionais CABEÇA PARTE ÚTIL Raio de concordância A C B R D A C B R D Figura 1.2 a) Desenhos esquemáticos não dimensionados de corpos de prova para ensaio de tração (Sousa S. A.), b)desenho esquemático de uma máquina de teste de tração. Tabela 3 Medidas dos corpos de prova Associação Corpo de Prova A (mm) B (mm) C (mm) aprox. D (mm) Aprox. R (mm) Mínimo Redondo ABNT Associação Brasileira de Chapa grossa Normas Técnicas Chapa fina 75 12, ASTM Redondo 60 12, American Society of Chapa grossa Materials Testings Chapa fina 60 12, ,5 σ Limite de resistência Tensão de escoamento Curva real Curva convencional Limite de proporcionalidade Fratura Fase elástica Escoamento Endurecimento de deformação Estricção Figura 1.3 Diagrama tensão deformação. (Gere J M) ε 6

7 Tensão Admissível Centro Universitário Padre Anchieta A resistência real de uma estrutura deve exceder a resistência exigida, a qual a estrutura será submetida. Define-se fator de segurança como Fator de segurança n = Resistência real. Resistência exigida Define-se margem de segurança como Margem de segurança = n 1 Para muitas estruturas é importante que o material permaneça dentro da região elástica. Dessa forma a tensão admissível de um material será: Tensão admissível = Tensão de escoamento fator de segurança Ductilidade: é a extensão de deformação plástica do material antes da fratura é a capacidade do material mudar de forma antes da fratura (ruptura) A ductilidade de um material pode ser calculada pela estricção (redução da área transversal) em um ensaio de tração Dureza: dureza é a propriedade característica de um material sólido, que expressa sua resistência a deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos. Pode significar a resistência que um corpo faz à penetração de outro, independente de deformações permanentes. Tenacidade: Para a medição da dureza, utiliza-se o chamado ensaio de penetração. A partir de um referencial intermediário, a dureza pode ser expressa em diversas unidades. Dependendo da penetração podem ser positivas ou negativas. Sendo comum usar os processos Brinell, Rockwell ou Vickers. Também há a popular escala de Mohs para o minerais, que é uma tabela arbitrada de 1 a 10 na qual figuram alguns desses em escala crescente a partir do talco ao diamante. Tenacidade, ou módulo de tenacidade, é definido como o trabalho por unidade de volume para romper o material. Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura A tenacidade, assim como a dureza, é obtida no ensaio de tensão-deformação do material e corresponde a área abaixo da curva de tensão deformação. 7

8 Fluência Centro Universitário Padre Anchieta Fluência é o fenômeno lento e progressivo de deformação permanente que se observa nos materiais metálicos quando submetidos a um esforço estático de tração a uma temperatura elevada. A fluência de um material pode ser medida com o ensaio de tensão constante para uma certa temperatura Fadiga Resiliência. É a fratura do material submetido a esforços repetitivos de tensões menores que aa tensões críticas do material. È responsável por 90% das falhas mecânicas dos materiais Normalmente utilizá-se ciclos senodais nos ensaios de tração deformação. Os gráficos de tensão deformação são plotados em função da amplitude de tração e do número de ciclos Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente 1.5. Fatores que determinam a resistência dos materiais Vários fatores influenciam na resistência dos materiais: A composição química; o processo de fabricação, acabamento e apresentação; tamanho dos grãos do material e tratamentos térmicos. Abaixo discutiremos um pouco de cada um desses fatores. Composição Química: A composição de um material pode ser alterada para mudar suas propriedades mecânicas, por exemplo: as resistências limite do ferro e do alumínio são de kg/cm 2 e 281 kg/cm 2 já suas ligas são 13,5 e 19,5 vezes maiores que estes materiais respectivamente. Isso ocorre por uma mudança microestrutural do material, dificultando a movimentação das discordâncias, pela formação de novos componentes mais resistentes. A adição de elementos de liga também podem alterar a resistência a fluência, a tenacidade e a abrasão (desgaste produzido pelo atrito das mós, lixa, etc) do material. Processo de Fabricação: Laminação: reduzir a lâmina (o metal), com o auxílio do laminador ou máquina de laminar Extrusão; passagem forçada de um metal, ou plástico, através de um orifício, tendo em vista conceder-lhe uma forma alongada ou filamentosa Trefilação: fabricar fios metálicos, por estiramento (de um metal) através dos orifícios de uma fieira Forjamento: dar forma ao ferro ou a qualquer outro metal, por meio do fogo, da bigorna e do martelo Fundição: o metal é derretido pela ação do calor e depois lançado no molde Todos os processos de fabricação que resultam em deformações plásticas (exceto a fundição) melhoram a resistência dos materiais por diminuir a quantidade de discordância do material. Quanto mais 8

9 rigorosa for a deformação maior a resistência do material. Por este motivo materiais com pequenas espessuras possuem maiores resistências unitárias que materiais com grandes espessuras. Alem disso os materiais espessos, por exemplo: chapas grossas têm um custo maior por peso e maior dificuldade no controle de qualidade. Nos trabalhos de deformação a frio acontece o fenômeno do encruamento que é o aumento da carga necessária para nova deformação plástica do material, isto ocorre devido à interferências mútuas entre as discordâncias. A conseqüência do encruamento é um aumento na resistência a deformação do material e uma diminuição de sua ductilidade. Deformação a frio refere-se a deformação realizada em temperaturas abaixo à temperatura de recristalização do material. Temperatura de recristalização é a temperatura em que ocorre um rearranjo completo dos átomos e a nucleação de novos cristais não deformados. Tamanho do Grão do Material: O tamanho do grão da estrutura metalúrgica tem também grande influencia nas propriedades mecânicas dos materiais, quanto menor for o grão maior será a resistência mecânica do material. Pois fica mais difícil para as discordâncias propagarem. Tratamentos Térmicos Um grande aumento nos limites de resistência dos materiais e de escoamento, e na dureza, pode ser conseguido pelo tratamento de têmpera (banho em que se temperam os metais, introduzindo-os candentes em água fria) A têmpera sempre é seguido do tratamento de revenido (tratamento térmico que tem por fim levar o metal a um estado mais estável depois da têmpera) que melhora a ductilidade do material, mas reduz um pouco sua dureza e resistência. De forma geral pode-se dizer que os recursos para modificar a resistência de materiais são: Adição de elementos de liga Encruamento Modificação do tamanho dos grãos Tratamentos térmicos Finalizando devemos lembrar que todos os materiais são regularizados por norma técnicas. As principais instituições de normas técnicas são: Brasil USA ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABRACO Associação Brasileira de corrosão ASTM American Society for Testing and Materials AISI American Iron and Steel Institute API American Petroleum Institute SAE Society of Automotive engineers 9

10 Europa BSI - British Standards Institution (Grã-Betanha) DIN Deutches Institut für Normung (Alemanha) AFNOR Association Française de Normalization (França) 10