Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Nível II

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1 Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Nível II Módulo V Aula 08

2 1. Introdução A proteção contra incêndio abrange o transporte e uso de materiais tais como espuma, dióxido de carbono (CO 2 ), produtos químicos secos, gases inertes e água. Nesta apostila vamos estudar somente a tubulação de água usada para combater incêndio, pois a água é geralmente o líquido mais usado para o combate a incêndios. A teoria da hidráulica nos sistemas de proteção contra incêndios é semelhante a que estudamos para os sistemas de transporte de água e as fórmulas e bases teóricas dadas na apostila Fórmulas Básicas são usadas também para estas tubulações. O fogo é uma mistura de gases a altas temperaturas e é produzido por uma reação química de um material combustível liberando calor, luz e outros produtos da combustão. A cor da chama produzida pelo fogo pode variar e indica normalmente a temperatura de combustão ou do material aquecido. Para a produção do fogo necessitamos de duas partes: um combustível que é um material consumido no processo de combustão geralmente um composto orgânico como o papel, a madeira, um hidrocarboneto, etc. e um comburente que é um corpo que se combina com o combustível sendo um material oxidante como o oxigênio, quando certa temperatura é atingida que é a temperatura de combustão. A combustão pode ser iniciada por meio de uma faísca ou chama que tem a função de iniciar a combustão. Um incêndio é um fogo descontrolado ou fora do controle, pois existem nos processos industriais pontos onde o fogo é provocado e deve ficar sob controle, como na fornalha de uma caldeira ou de uma fornalha na indústria petroquímica como já vimos e onde o fogo é uma forma de energia prestimosa. Um incêndio pode ser provocado por uma falha em um sistema elétrico, por uma fuga de gás que começa a arder sem controle, pontas de cigarro atiradas em local onde exista fuga de gás ou outro material combustível. A forma de propagação pode ser por irradiação do calor que pode aquecer uma superfície que chega então a temperatura de combustão, por convecção que é o transporte da energia pelo ar, por condução que é a energia transportada de um material para outro por contato entre eles ou pela projeção de fagulhas levadas pelo vento. A prevenção de incêndios é usada desde os tempos primordiais e sua técnica tem muito desenvolvida para garantia da vida humana e dos bens humanos. Para garantir esses alvos existem muitas normas e códigos que devem ser obedecidos como vamos ver a seguir. 2. Padrões e códigos Os padrões e códigos aplicáveis às instalações de proteção contra incêndio são muitas sendo pelo menos 27 publicadas pela NFPA (National Fire Protection Agency ou Agência Nacional de Proteção contra Incêndios) dos EUA, pelo menos 53 pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e muitas normas pela Petrobrás. Página 1 de 9

3 Essas normas são normalmente revisadas e publicadas anualmente e são aplicáveis aos projetos e instalações de combate à incêndio devendo ser consultadas quando são executados projetos e construções desses sistemas. 3. Tipos de tubulações de proteção contra fogo As tubulações de proteção contra incêndios podem ser classificadas em sistemas subterrâneos e acima do solo. Os sistemas subterrâneos consistem geralmente de tubulações de água do sistema municipal que fornecem água para hidrantes ligados a um reservatório da cidade. Os sistemas acima do solo incluem um tanque que armazena a água a certa altura para o fluxo por gravidade. Os sistemas de sprinklers ou chuveiros automáticos estão também nesta classificação Tubulação subterrânea Estas tubulações são localizadas abaixo do nível do piso e são desenhadas de acordo com as normas pertinentes. Fazem parte deste sistema alguns destes itens: 1. Sistema de água da cidade 2. Tanque elevado 3. Tanque em nível baixo pressurizado 4. Bomba de alimentação do sistema contra incêndio Este sistema é instalado e testado antes de ser ligado aos sistemas aéreos como os sistemas de sprinklers, aos sistemas residenciais, industriais ou comerciais. O projeto e a construção deste sistema devem obedecer pelo menos aos seguintes critérios: a) Cobertura: A distância vertical entre o topo do tubo enterrado e a superfície deve ser bastante para assegurar a proteção mecânica dos tubos ou evitar seu congelamento nos climas frios. b) Conflito com outras tubulações: Esta tubulação deve ser instalada de forma a não interferir com outras tubulações existentes de água, gás, óleo ou outras. Deve haver uma distância mínima entre elas e esta tubulação. c) Devem ser evitados danos aos tubos e para isso estes tubos devem ser instalados longe das fundações dos prédios e tubulações subterrâneas como as de esgoto para evitar danos devido à movimentação destes. d) Nas ruas e estradas a profundidade deve ser maior e também devem ser construídas proteções e algumas vezes um tubo de proteção nas travessias para uma proteção extra. Os materiais para instalações de tubulações contra fogo subterrâneas podem ser o ferro fundido, o aço carbono, o cimento, e o PVC e devem estar dentro das normas aplicáveis. Devem ser construídos blocos de apoio e para resistir ao empuxo nas mudanças de direção. As dimensões desses apoios dependem do tipo de solo e das condições locais e devem ser proporcionalmente maiores nos solos fofos e com muita matéria orgânica. Página 2 de 9

4 3.2. Tubulação acima do solo ou aérea As tubulações acima do solo ou aéreas não são normalmente usadas nas cidades, mas somente nas áreas industriais onde as tubulações são alojadas em pontes de tubos ou em locais dedicados para elas elas. Neste caso o material mais usado é o aço carbono e a espessura da parede deve ser a calculada para resistir as pressões devendo ter uma espessura adicional para corrosão Hidrantes, sprinklers e extintores Os hidrantes são instalados próximos aos prédios e instalações para fornecer um jato de água para atacar o fogo nos edifícios. O projeto dos hidrantes de coluna em ferro fundido deve obedecer à norma ABNT 5667 e eles têm a forma, conforme essa norma, da Figura 3.1. Figura 3.1 Os sistemas de hidrantes devem obedecer à norma NBR com respeito ao dimensionamento, instalação, manutenção, e manuseio dos hidrantes e mangotinhos, mas esta norma não se aplica a indústria petroquímica, refinarias de petróleo e derivados de petróleo. Também devem ser observadas as normas referentes às subestações elétricas NBR 13714, aos transformadores NBR Sprinkers ou chuveiros automáticos contra incêndio No que se refere aos sprinklers, que são sistemas instalados dentro dos prédios para proteção contra fogo, eles são usados em 3 configurações básicas: sistema em árvore, em grade e em laço. Vemos estes sistemas esboçados na Figura 3.2. Página 3 de 9

5 Sistema em árvore Sistema em grade Figura 3.2 Sistema de laço Página 4 de 9

6 Vemos nessa figura três configurações usadas para este sistema onde a distribuição da água se faz por um tubo central, dois tubos laterais ou tubos de alimentação em laço. Os sprinklers são também chamados em português por chuveiros automáticos contra incêndio, são dispositivos contra incêndio alimentados por tubos submetidos à pressão constantemente. No caso de incêndio podem ser ligados por meio de uma válvula de alarme como mostrado nas figuras, ou por meio de cápsulas de vidro que são cheias com um líquido que com certa temperatura chamada de temperatura de disparo, rompe a cápsula e a água sai aspergindo a área incendiada. Podem ser consultadas as normas brasileiras ABNT NBR01625 e a NBR1635 entre outras normas da ABNT e as normas americanas NFPA 13 e NFPA 15 entre outras da NFPA Ocupação e classes de riscos Para determinar o espaçamento dos sprinklers deve ser antes determinada a classe de risco da ocupação. A ocupação depende da natureza do prédio, ou seja, suas dimensões, o material de construção e de seu conteúdo e também da severidade esperada do fogo em uma dada situação. A carga do fogo depende do tipo da substância contida no prédio, da sua facilidade de combustão e de seu arranjo dentro do prédio e por isso podemos classificar a ocupação assim: 1. Muito alta 2. Moderada para alta 3. Moderada 4. Baixa A ocupação baixa é considerada como um risco baixo e nesta classificação se encontram as igrejas, clubes, escolas, hospitais, prisões, museus, bibliotecas e teatros. Na ocupação moderada se encontram as garagens, escritórios, residências, lavanderias e restaurantes. Na ocupação moderada para alta estão classificadas as plantas químicas, destilarias, oficinas mecânicas, indústrias alimentícias. As ocupações de alto risco são as de risco adicional como as em que se armazenam líquidos inflamáveis, metais inflamáveis, tintas, solventes e vernizes. Uma vez determinado o risco de certa área podemos fazer o cálculo da área protegida. Pela norma NFPA 13 existe uma limitação de área em ft 2 entre o risco leve e o normal e de ft 2 para os riscos mais altos. O espaçamento entre os sprinklers é dado pela equação: Onde: A= área de cobertura do sprinkler em ft 2 Página 5 de 9 (F1) D s = distância entre os sprinklers no ramal em ft

7 D r =espaçamento das linhas dos ramais em ft. Pela NBR a área coberta por chuveiro é dada pela fórmula: (F1a) Onde S é a distância de um chuveiro ao próximo em um ramal e L é a distância entre ramais ambas em metros. A norma NFPA 13 citada acima o limite da área de cobertura máximo é, de acordo como o risco: 1. Risco leve: 200 a 225 ft 2 2. Risco leve: prédios de construção sujeita a combustão: 168 ft 2 3. Risco comum: 130 ft 2 4. Risco extra: 100 ft 2 Pela ABNT NBR as áreas máximas de proteção são: 1. Risco leve: 4800 m 2 2. Risco ordinário: 4800 m 2 3. Risco extraordinário: quando calculado por tabelas: 2300 m 2 e quando por cálculo hidráulico: 3700 m 2 Esta NBR limita a área máxima de cobertura em 21 m 2. A norma NFPA 13 também limita a distância máxima entre os sprinklers entre 12 e 15 ft para níveis de risco altos e baixos. Depois disso é determinado o número de ramais requeridos dividindo a largura do local L, pelo espaçamento das linhas D r e assim podemos escrever: Após a determinação do número de ramais e seu espaçamento podemos determinar o número de ramais como segue: Com a determinação do número de ramais pode-se agora determinar o espaçamento necessário considerando a limitação de área dada acima pela NFPA. Vamos fazer um exercício para fixar as idéias. Exercício. Em um sistema de risco normal os sprinklers devem ser instalados em um local com uma largura de 20 metros. Determinar a quantidade de ramais e seu espaçamento. Solução. A largura em pés é de : 20:0,3048=66,61 pés ou 67 pés. O espaçamento dos sprinklers por essa norma é de 15 ft como falamos acima então o número de ramais será de: 67/15=4,37 ou 5 ramais. Portanto o espaçamento entre ramais será de: 67/5=13,4 ft ou 13,4x0,3048=4 m. Página 6 de 9

8 Para determinar a quantidade de sprinklers em cada ramal usamos a fórmula seguinte: Vimos que D s se situa entre 15 e 12 ft e tomando 12 ft de distância e um comprimento do local de 30 metros ou 30/0,3048=98 ft teremos: 98/12=8,2 ou 9 sprinklers. O total de chuveiros será então de 5x9=45 chuveiros. A norma brasileira NBR 9441 fixa as condições exigidas para a elaboração de projetos, a execução das instalações, a operação e a manutenção dos sistemas de detecção e alarme de incêndio. A norma estabelece os requisitos mínimos para os chuveiros automáticos incluindo as características da alimentação de água, seleção dos chuveiros e conexões das tubulações e sua consulta é indispensável ao projetar um sistema de combate a incêndio com chuveiros automáticos. Conforme nota dessa norma, ela não se aplica ao projeto e instalação de chuveiros automáticos em áreas de armazenagem e com riscos especiais e ela não restringe a utilização de novas tecnologias ou medidas alternativas desde que elas não diminuam os níveis de segurança. No item 2 dessa norma está uma listagem das referências normativas das normas que fazem parte dela. 4. Projeto das tubulações No combate a incêndio o líquido mais utilizado e a água devido à facilidade de obtenção quando comparado com outros fluidos e suas propriedades de extinção de fogo. A água é encontrada em quase todos os locais tanto residenciais como industriais e comerciais, pois ela também é necessária nesses locais para outros usos. As propriedades físicas da água são: Ponto de congelamento: 0 C (32 F) Ponto de ebulição: 100 C (212 F) Densidade: 1000 kg/m 3 (62,4 lb/ft 3 ) Para os projetos das tubulações de combate a incêndio são usadas as mesmas equações que estudamos na apostila Fórmulas Básicas. Assim são consideradas as características de pressão, velocidade, perda de pressão e as equações de Darcy, Hazen-Williams, diagrama de Moody, etc., estudadas ali. A melhor forma de estudo neste caso é fazer um exemplo de aplicação em um caso hipotético de um sistema de combate a incêndio. Exemplo. Um sistema de combate a incêndio tem um tubo de alimentação de 1500 pés de comprimento e NPS 8, Schedule 30. Tem três válvulas gaveta de 8, e quatro cotovelos de 90. Usando o conceito do comprimento equivalente, calcular o comprimento total que inclui toda a tubulação reta, válvulas e conexões e calcular a Página 7 de 9

9 perda de pressão por atrito com um volume de 900 gal/min. Usar a equação de Hazen-Williams com C=120. O exercício será feito no sistema USCS por ser bastante usado em nosso meio. Solução. Usando a tabela das equivalências dada na apostila Tubulação de água capítulo 3.1, página 5 e que repetimos abaixo, convertemos todas as válvulas e conexões para equivalentes de tubos de 8 de diâmetro. Três válvulas gaveta: 3x8x8=192 polegadas de tubo de 8 Quatro cotovelos: 4x8x30=960 polegadas Total das conexões e válvulas: =1.152 polegadas Comprimentos equivalentes de conexões e válvulas Descrição L/D Descrição L/D Válvula de gaveta 8 Válvula globo 340 Válvula angular 55 Válvula de esfera 3 Válvula de plug angular 18 Válvula de plug 3 vias reta 30 Válvula de plug de fluxo lateral 90 Válvula de retenção de giro 100 Válvula de retenção de levantamento 600 Cotovelo curto Cotovelo curto Cotovelo de raio longo Tee comum fluxo reto 20 Tee comum fluxo reto e ramal 60 Curvas soldadas 0 2 Curva soldada 30 8 Curva soldada Curva soldada Como temos 1500 pés de comprimento de tubulação o total será de: /12= =1596 pés de comprimento. A perda de pressão devida ao atrito será então calculada com um comprimento equivalente de tubulação de 1596 pés. Usando a equação de Hazen-Williams teremos então: A perda total de pressão é de: 1596*0,016=25,5 psi 5. Materiais Os materiais normalmente utilizados para as tubulações de água contra incêndio são o aço carbono e o ferro fundido. Para prevenir a corrosão das tubulações de aço enterradas elas são revestidas externamente e a pressão de trabalho é determinada pelas normas vigentes. No Brasil a ABNT emite as normas e existem, entre outras, as normas NBR13418 dedicadas à normalização dos cabos resistentes ao fogo e a NBR14432 dedicada às exigências das resistências dos materiais construtivos dos edifícios. Página 8 de 9