VERIFICAÇÃO DE UM VASO DE PRESSÃO SEGUNDO A NORMA ASME BPVC SEÇÃO VIII PARA A REUTILIZAÇÃO EM ARMAZENAMENTO DE CLORO

Transcrição

1 VERIFICAÇÃO DE UM VASO DE PRESSÃO SEGUNDO A NORMA ASME BPVC SEÇÃO VIII PARA A REUTILIZAÇÃO EM ARMAZENAMENTO DE CLORO Iris Costa Ferreira Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Fernando Pereira Duda Rio de Janeiro Março de 2019

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ VERIFICAÇÃO DE UM VASO DE PRESSÃO SEGUNDO A NORMA ASME BPVC SEÇÃO VIII PARA A REUTILIZAÇÃO EM ARMAZENAMENTO DE CLORO Iris Costa Ferreira PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Prof. Fernando Pereira Duda Prof. Jules Ghislain Slama Prof.Fábio da Costa Figueiredo

3 Ferreira, Iris Costa Verificação de um vaso de pressão segundo a Norma ASME BPVC Seção VIII para a reutlização em armazenamento de Cloro / Iris Ferreira Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, X, 64 p.:il.; 29,7 cm. Orientador: Fernando Pereira Duda Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Análise de Viabilidade. 2. Reutilização de Equipamento. 3. Dimensionamento segundo uma Norma. I. Ph. D. Fernando Pereira Duda. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. Verificação de um vaso de pressão segundo a Norma ASME BPVC Seção VIII para a reutilização em armazenamento de Cloro.

4 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por guiar meus passos e minhas escolhas. Agradeço a minha família que sempre me deram força e auxílio para continuar estudando, além da motivação para que eu pudesse concluir essa graduação. Dedico este trabalho a todos aqueles que de alguma forma contribuíram significativamente à minha formação e estada nesta Universidade. Este projeto é uma pequena forma de retribuir o investimento e confiança em mim depositados. Aos meus amigos que conquistei ao longo do curso, os quais significantemente contribuíram em tantas horas de dificuldades. Em especial, um agradecimento ao meu amigo e grande engenheiro, Vitor Olivetti, que me ensinou na prática a engenharia fora da sala de aula.

5 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. VERIFICAÇÃO DE UM VASO DE PRESSÃO SEGUNDO A NORMA ASME BPVC SEÇÃO VIII PARA A REUTILIZAÇÃO EM ARMAZENAMENTO DE CLORO Iris Costa Ferreira Março de 2019 Orientador: Fernando Pereira Duda Este trabalho é um estudo de caso e tem o intuito de promover uma análise crítica quanto à viabilidade da reutilização de um vaso de pressão, usado como tanque de Cloro, dado as condições de projeto especificadas pelo cliente, e a verificação dos dimensionamentos às normas técnicas aplicáveis. A reutilização de um vaso de pressão engloba reavaliação e dimensionamento do vaso. Então, primeiro é feito uma análise estrutural estática, através do cálculo da máxima pressão admissível de trabalho nos componentes principais (casco e tampos) e a verificação da sua adequação com a faixa de pressão esperada do processo. A partir de então, foi feito o dimensionamento para o bocal que precisava ser adicionado ao tanque. Todo esse dimensionamento foi realizado utilizando-se as cláusulas relevantes para o tipo de vaso da Divisão 1 da norma Boiler and Pressure Vessel Code da ASME. Palavras-chave: ASME, Norma, Reutilização, Vaso de Pressão.

6 Abstract of Undergraduate Project presented to Polytechnic School/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer. VERIFICATION OF A PRESSURE VESSEL ACCORDING TO ASME BPVC SECTION VIII FOR REUSE OF CHLORIN STORAG Iris Costa Ferreira Março de 2019 Adviser: Fernando Pereira Duda This work is a case study and aims to promote a critical analysis as to the feasibility of reuse of a pressure vessel, used as a Chlorine tank, given the design conditions specified by the client, and verification of the sizing to technical standards applicable. The reuse of a pressure vessel comprises reassessment and sizing of the vessel. Then, a static structural analysis is first made by calculating the maximum allowable working pressure in the main components (shells and tops) and checking their suitability with the expected pressure range of the process. Thereafter, the sizing was done for the nozzle that needed to be added to the tank. All this design was performed using the clauses relevant to the type of vessel of Division 1 of the ASME standard Boiler and Pressure Vessel Code. Keywords: ASME, Pressure Vessel, Reuse, Standard.

7 SIGLAS UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro ASME American Society of Mechanical Engineers PEMA Pressão Externa Máxima admissível PMTA Pressão Máxima de Trabalho Admissível MDMT Minimum Design Metal Temperature BPVC Boiler and Pressure Vessel Code NR Norma Regulamentadora 6

8 Sumário 1. Introdução Tema Delimitação Justificativa Objetivos Metodologia Descrição Fundamentação Teórica Formato e posição do Vaso de Pressão Tensões em Vasos de Pressão Tensões primárias Tensões secundárias Tensões de pico Critérios e Normas de Projeto ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII Division 1: Rules for Construction of Pressure Vessels Tipos de Fratura determinantes no dimensionamento dos vasos Fratura frágil Fratura por fluência Temperatura de projeto Pressão hidrostática Teste hidrostático Pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) Sobrespessura de corrosão Espessura mínima requerida Tensão máxima admissível Tensões em cascos cilíndricos Tampos dos vasos de pressão Tampos torisféricos Acessórios nos vasos de pressão Bocal Flanges Abertura nos vasos de pressão

9 3. Metodologia Dimensões do vaso de Pressão Casco cilíndrico Tampo torisférico Cálculo do dimensionamento do vaso de Pressão Condições de operação do tanque Parâmetros geométricos do vaso Parâmetros geométricos para o casco Parâmetros geométricos para o tampo Cloro líquido Dimensionamento do casco Pressão estática no fundo do casco Pressão interna de máxima de trabalho admissível para o casco cilíndrico para ts/r 0,5, conforme UG-27(c) e 1-1(a) Dimensionamento do tampo Pressão interna máxima de trabalho admissível (PMTA) para o tampo torisférico (pressão no lado convexo), conforme UG-33(a)(1) Especificação do vaso operando com cloro líquido Cloro gasoso Dimensionamento do casco Pressão estática no fundo do casco Pressão interna de máxima de trabalho admissível para o casco cilíndrico para ts/r 0,5, conforme UG-27(c) e 1-1(a) Pressão externa máxima admissível (PEMA) para o casco cilíndrico para Do/t 10, conforme UG-28(c) Dimensionamento do tampo Pressão interna máxima de trabalho admissível (PMTA) para o tampo torisférico (pressão no lado convexo), conforme UG-33(a)(1) Pressão externa de projeto para o tampo torisférico (pressão no lado côncavo) com ts/l 0,002, conforme 1-4(d) Especificação do vaso operando com cloro gasoso Especificações resultantes do casco e tampo Definição da PMTA do casco e tampo Definição da PEMA do casco e tampo Dimensionamento do bocal Dimensionamento do flange

10 Definição da PMTA do flange para a MDMT do tanque Dimensionamento do pescoço do bocal Espessura requerida por UG-37(a) para a parede do bocal, considerando a pressão interna de projeto do vaso de 11,7 bar, conforme UG-27(c) e 1-1(a) Espessura requerida do bocal submetido a pressão externa, conforme UG Cálculo da espessura mínima permitida do pescoço do bocal, conforme UG Definição da espessura final do bocal Dimensionamento da solda do bocal Dimensionamento da solda do bocal a partir do critério de reforço da abertura do casco, conforme Definição dos limites da região de reforço para o bocal integralmente reforçado Definição da área na região do bocal resistente a pressão interna Definição das áreas que compõem o reforço Dimensionamento da solda do bocal pelo critério de medidas mínimas, conforme UW-16(e)(1) Dimensionamento da solda do bocal pelo critério de resistência da solda conforme U-2(g) Definição final da solda do bocal Especificação final da PMTA do vaso Especificação final da PEMA do vaso Definição da pressão de teste hidrostático, conforme UG-99(b) Conclusões Bibliografia

11 Lista de Figuras 1 (a) Tanques no caminhão de transporte; (b) Detalhe do equipamento Principais formatos de vasos de pressão Fratura frágil sem qualquer deformação plástica Curvas de isenção do teste de impacto Curvas de redução da MDMT para a isenção de teste de impacto Curva típica de fluência para deformação em função do tempo a um nível constante de tensão e a temperatura elevadas constates Tensões em cascos cilíndricos Gráfico para componentes sob pressão no lado convexo Gráfico para determinação da pressão máxima no lado convexo Principais dimensões dos tipos de tampos Tampo torisférico Áreas de reforço da abertura (a) Vaso de pressão completo; (b) Vista frontal do vaso Pressões resultantes do vaso operando com cloro líquido Pressões resultantes do vaso operando com cloro gasoso Definição da PMTA do casco e do tampo Definição da PEMA do casco e do tampo Dimensões do pescoço do bocal Limite da região do reforço Montagem do flange com o bocal Valor final da PMTA do vaso Valor final da PEMA do vaso

12 Lista de Tabelas 1 Dimensões atuais do casco cilíndrico Dimensões atuais do tampo torisférico Condições críticas de operação do tanque considerando o cloro tanto no estado líquido quanto no gasoso Variáveis do processo para o cloro líquido Variáveis do processo para o cloro gasoso Variáveis do processo para o bocal Resultado da pressão interna de projeto e MDMT Resultado da pressão externa de projeto do bocal Material e tipo de construção do flange Classe e configuração do flange Material e dimensões do bocal Demonstração da verificação da pressão externa de projeto em função da espessura mínima que foi calculada de forma iterativa Valores das espessuras requeridas para o bocal e para o casco Dados do pescoço do bocal dimensionado Variáveis utilizadas para calcular a área de reforço da abertura do casco Valores das espessuras corroídas do casco e do bocal Parâmetros de entrada necessários para o dimensionamento da solda do bocal Resumo dos critérios para definir a solda do bocal Valores finais da MDMT do vaso

13 Capítulo 1 Introdução 1.1 Tema Os vasos de pressão são reservatórios projetados para resistir com segurança a pressões internas diferentes da pressão normal do ambiente. Por isso, são primordiais em processos industriais que envolvam a utilização de fluido, quando o processo de transformação exige que as condições sejam feitas sob pressão. Por operarem com temperaturas elevadas e altas pressões, necessitam de projetos para sua construção, baseado em uma série de normas, que abordam também cuidados especiais na fabricação, na montagem, nos testes e a utilização de materiais adequados para cada tipo de aplicação, já que qualquer falha pode acarretar sérias consequências. Existem diversas normas técnicas que regulamentam o projeto, construção, inspeção e reparo de vasos de pressão. A Norma BPVC seção VIII fornece os prérequisitos aplicáveis ao projeto, fabricação, inspeção, teste e certificação de vasos de pressão que operem a qualquer pressão interna ou externa maior que 15 psia (ASME, 2018). Este trabalho aborda as etapas necessárias a um projeto de alteração para reutilização de um vaso de pressão com função de armazenamento de cloro, dadas as condições de projeto especificadas pelo cliente, sendo os cálculos de dimensionamento feitos segundo a Norma ASME BPVC Seção VIII, Divisão Delimitação Este trabalho teve origem em um problema de uma empresa do ramo químico que, com a finalidade de evitar o desperdício de recursos, pretende reutilizar um vaso de pressão com condições de trabalho diferentes da especificadas no projeto original. 13

14 Apesar desse trabalho resolver um problema específico de um cliente, toda sua metodologia pode ser replicada em vasos de pressão estáticos que necessitem ser alterados ou readequados a uma nova condição de trabalho, pois a norma técnica que será utilizada é de aplicação universal para vasos de pressão. Só serão incluídos no dimensionamento desse trabalho os componentes do vaso que suportam pressão, a saber, o casco, tampos e bocal. Não será apresentado neste trabalho o dimensionamento dos bocais auxiliares para instrumentos e válvula de segurança pré-existentes nos tampos do tanque, por falta de tempo, embora tenham sido calculados no caso real. Além disso, de acordo com a Norma, os bocais, por terem diâmetro inferior a 60 mm, não influenciam no dimensionamento do tampo e, desta forma, será ignorada a existência desses bocais neste trabalho. Não será abordado nesse trabalho o dimensionamento do suporte ou sela do tanque, pois o prazo de elaboração deste trabalho seria extrapolado. 1.3 Justificativa É sabido que todo vaso de pressão deve vir de fábrica com uma série de especificações fixadas no equipamento. A empresa detentora do equipamento, além de ter algumas especificações técnicas gravadas na máquina, deve-se preocupar em manter uma documentação atualizada sobre o produto. A norma regulamentadora NR-13 do Ministério de Trabalho (2017), no item , exige que sejam arquivados os documentos de projeto e a folha de dados do vaso de pressão. A proprietária do equipamento não possui nenhum documento de projeto do mesmo, obrigando-a a inspecionar toda a geometria e estado atuais do equipamento para registrar em uma nova documentação. Obter toda a documentação do vaso de Pressão é importante não só para determinação de seus parâmetros operacionais como também é de fundamental importância na preparação e execução das atividades de inspeção e manutenção destes equipamentos. Portanto, no caso da inexistência da documentação citada, todos os esforços deverão ser feitos para a sua reconstituição. Além disso, o cliente necessita também que o tanque tenha um novo bocal no casco. E como não foi constatada, durante a inspeção, nenhum defeito que afete a integridade do equipamento, o tanque será tratado como um vaso novo neste trabalho. E, como o tanque será fisicamente alterado e será usado em uma nova aplicação, um novo 14

15 projeto deve ser feito considerando suas novas condições de operação e suas novas características físicas. A norma que será utilizada nesse trabalho será a Divisão 1 do BPVC VIII da ASME, pois esta é a mais utilizada no Brasil para vasos estáticos e de maior aceitação do mercado no qual a empresa está inserida. 1.4 Objetivos Vasos de pressão são projetados conforme os pré-requisitos de normas técnicas nacionais ou internacionais a eles relacionados. O tanque objeto desse trabalho é, originalmente, projetado para transporte de cloro de acordo com a norma CFR 49, parte 179, subparte E, considerando uma pressão e temperatura específica para aquela aplicação. Não é necessário nenhum conhecimento nessa norma, pois a nova aplicação a que o tanque se submeterá não é coberta por essa norma. Além disso, é uma norma específica do governo americano, com força de lei naquele território, mas que não possui nenhuma jurisdição no Brasil. Na nova aplicação, o tanque armazenará cloro líquido e gasoso, desempenhando a função de buffer ou pulmão do tanque principal de uma planta do cliente. O tanque operará estaticamente e deverá suportar a pressão de projeto especificada desde de temperaturas elevadas a temperaturas negativas. Diante disso, o objetivo geral desse trabalho é fazer um novo dimensionamento do tanque em questão, de maneira que os parâmetros de processo especificados pelo cliente estejam adequados as características atuais do tanque seguindo os requisitos da nova norma de projeto. Para atingir o objetivo geral, este trabalho será dividido em objetivos específicos: Identificar os parâmetros de entrada necessários ao dimensionamento; Calcular a pressão máxima de trabalho interna e externa do casco e do tampo e verificar sua adequação com a faixa de pressão esperada do processo; Dimensionar o bocal a ser adicionado. 15

16 1.5 Metodologia Este projeto de graduação apresenta um caso prático de dimensionamento de um vaso de pressão, usando dados iniciais, baseados nas condições reais do ambiente de trabalho e considerando a literatura científica e técnica. Para garantir a eficácia dos resultados, utilizaremos os conceitos e métodos definidos em norma e oriundos da disciplina de Mecânica dos Sólidos para verificação das tensões em vasos de pressão, usando cálculo analítico. Será utilizado nesse projeto, um dos tanques que o cliente possui em suas instalações, mostrados na Figura 1: Figura 1: (a) Tanques no caminhão de transporte; (b) Detalhe do equipamento. Fonte: Autor O vaso originalmente foi projetado para suportar uma pressão de 375 psi (25,9 bar) a 60 ºC. A pressão no tanque principal da planta pode chegar a 10 bar. O novo regime de trabalho mapeado para o tanque, segundo o cliente, será: Temperatura variando aproximadamente de -34ºC até 74ºC; Pressão de operação de -2 bar até 10 bar; Fluido de trabalho: cloro líquido e/ou gasoso. De posse dos parâmetros de entrada, os cálculos do projeto serão feitos com objetivo de garantir a segurança durante toda a vida útil do equipamento, evitando acidentes. 16

17 1.6 Descrição O presente trabalho foi dividido em três capítulos, sendo apresentado, a seguir, uma breve descrição do conteúdo de cada um deles. No Capítulo 1 consta o tema, a delimitação, a justificativa, os objetivos e a metodologia utilizada neste trabalho. No Capítulo 2 consta o referencial teórico necessário ao desenvolvimento da solução, onde são apresentados conceitos fundamentais sobre o dimensionamento dos principais componentes do tanque. Além de uma breve explicação sobre a Norma de referência utilizada nesse trabalho. O Capítulo 3 apresenta o desenvolvimento da solução, com seus respectivos dimensionamentos. Para o desenvolvimento da solução, primeiro é feita uma análise estrutural estática, através do cálculo da máxima pressão admissível de trabalho em todos os componentes principais como casco e tampos, e para todos os componentes secundários, como flanges, bocais, utilizando as cláusulas relevantes para o tipo de vaso da Norma, e com uso de manuais de projeto e conceitos básicos de mecânica dos sólidos além da determinação da pressão de teste hidrostático. O capítulo 4 apresenta os resultados obtidos sobre os dados calculados e as informações fornecidas. 17

18 Capítulo 2 Referencial Teórico Este capítulo apresenta alguns dos conceitos básicos de vasos de pressão, desde sua posição de instalação, até as principais tensões, que atuam neste tipo de equipamento, e como calculá-las segundo as regras aplicáveis da Norma para cada tipo de dimensionamento do vaso. 2.1 Formato e posição dos vasos de pressão Os vasos são compostos basicamente por um casco e pelos tampos de fechamento, que suportam os esforços oriundos da pressão. Os cascos podem assumir diversas formas tendo como base sempre uma superfície de revolução como formato. Predominam os formatos cilíndricos, cônicos e esféricos ou combinação destes, sendo o mais comum o cilíndrico, por sua facilidade na fabricação e transporte, além de atender bem à maioria dos serviços [13]. Em relação a posição de instalação, os vasos podem ser verticais, horizontais ou inclinados, a escolha do tipo de vaso quanto à posição depende da finalidade do serviço. Figura 2 Principais formatos de vasos de pressão. Fonte: [13]. 18

19 2.2 Tensões em vasos de pressão As principais tensões atuantes em um vaso de pressão podem ser classificadas como tensões primárias, secundárias e tensões de pico. As tensões primárias são consideradas no cálculo por todas as normas de projeto, enquanto as outras duas são levadas em consideração apenas por algumas normas Tensões Primárias São tensões causadas por esforços mecânicos permanentes, não incluindo as tensões devidas a concentrações e descontinuidades. Sua principal característica é não ser auto limitante, isto é, não é reduzida ou anulada em função de deformações. Caso estas tensões levem ao escoamento do material poderão ocorrer deformações excessivas que causarão a ruptura e devem ser limitadas para evitar o colapso plástico da estrutura [7]. Como exemplo tem-se as tensões de membrana circunferenciais e longitudinais em vasos cilíndricos sujeitos ao carregamento de pressão interna Tensões Secundárias São tensões provenientes das restrições geométricas do vaso ou de estruturas a ele ligadas, incluindo as dilatações diferenciais. Estas tensões podem ser normais ou de cisalhamento, cuja principal característica é ser auto limitante. Pequenas deformações plásticas locais reduzem estas tensões que, geralmente, não provocam falhas nos equipamentos, e por este motivo têm tensões admissíveis superiores aos das tensões primárias locais [7] Tensões de Pico As tensões de picos são as máximas tensões locais ocorridas em regiões limitadas onde ocorre uma concentração de tensão. As principais particularidades dessa tensão é que ela pode causar ruptura por fadiga devido ao alto nível de concentração. Usualmente, essas tensões são analisadas em equipamentos sujeitos a carregamento cíclico. 19

20 As tensões de pico são aditivos para as tensões primárias e secundárias presentes em um ponto de concentração de tensão. Tensões de Pico são significativas somente para a condição de fadiga ou para materiais frágeis [7]. 2.3 Critérios e Normas de Projeto Existem diversas normas de projetos, também conhecidas como códigos de projeto, que são desenvolvidos por associações técnicas e sociedades de normalização de diferentes países, com a finalidade de estabelecer requisitos mínimos de segurança para projeto e operação de vasos de pressão, contendo regras e rotinas obrigatórias além de recomendações. O campo de aplicação e a abrangência dos assuntos destes códigos são variáveis. As normas podem abranger não só os critérios, fórmulas de cálculo e exigência de detalhamento de projetos, mas também exigências relativas à fabricação, requisitos mínimos de qualidade do material de construção, montagem e inspeção de vasos de pressão, como é o caso do código americano ASME Section VIII, Divisão ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII Division 1: Rules for Construction of Pressure Vessels A Divisão 1, da Seção VIII, do código ASME é uma norma que estabelece regras para o dimensionamento dos principais componentes submetidos à pressão interna ou externa. É a norma de maior aplicação no mundo, inclusive no Brasil. Essa norma é composta por diversas fórmulas simples de cálculo, que resultam na espessura necessária de cascos e tampos, em função da pressão interna ou externa, baseadas na teoria da membrana. As tensões primárias de flexão são controladas, indiretamente, por fatores de correção em algumas fórmulas e por limitações na relação entre o diâmetro e a espessura do vaso. Nos próximos itens serão apresentadas as definições dos principais parâmetros utilizados nos projetos de vasos de pressão regidos pela Norma. 20

21 2.4 Tipos de Fratura determinantes no dimensionamento dos vasos Fratura frágil A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável e através de uma rápida propagação da trinca. A direção do movimento da trinca está muito próxima de ser perpendicular à direção da tensão de tração aplicada e produz uma superfície de fratura relativamente plana [6]. Figura 3 Fratura frágil sem qualquer deformação plástica. Fonte: [6]. Fraturas frágeis em vasos de pressão são frequentemente associadas com o comportamento frágil do carbono ou aços de baixa liga em baixas temperaturas [5]. O item UCS-66 da norma ASME Seção VIII, Divisão 1 possui extensas regras para aço carbono e ligas de aço que estão sujeitos a baixas temperaturas com respeito a mínima temperatura esperada em serviço ou MDMT. A MDMT do vaso é a mínima temperatura do metal em que o vaso consegue sustentar sua pressão total de projeto sem sofrer fratura frágil. A MDMT é um limite do material e da sua espessura, e precisa ser menor ou igual a temperatura mínima que o processo alcança. 21

22 Figura 4 Curvas de isenção para teste de impacto. Fonte: Figura UCS-66M, [3]. A Norma exige teste de impacto para as combinações de temperatura de processo e espessura governante do material que caiam abaixo das curvas (A, B, C e D) mostradas na Figura 4, onde cada curva dessa representa um conjunto de materiais. Quando essa combinação cair abaixo das curvas, a Norma ainda permite reduzir a MDMT, se a pressão máxima admissível do componente for maior que a pressão de projeto especificada. Essa redução é calculada de acordo com a Figura 5. Assim, pode-se obter uma MDMT inferior a temperatura mínima do processo se a espessura do componente for sobredimensionada, mesmo com materiais de baixa qualidade, conseguindo-se assim a isenção do teste de impacto. 22

23 Figura 5 Curvas de redução da MDMT para a isenção de teste de impacto. Fonte: Figura UCS-66.1M, [3] Fratura por fluência Com frequência, os materiais são colocados em serviço a temperaturas elevadas e ficam expostos a tensões mecânicas estáticas. A deformação sob tais circunstâncias é conhecida por fluência. Definida como sendo a deformação permanente e dependente do tempo de materiais, quando estes são submetidos a uma carga ou tensão constante (abaixo da tensão de escoamento), a fluência é em geral um fenômeno indesejável e, com frequência, é o fator de limitação na vida útil de uma peça [6]. Tanto a temperatura como o nível da tensão aplicada influenciam as características da fluência. 23

24 Figura 6 Curva típica de fluência para deformação em função do tempo a um nível constante de tensão e a temperatura elevadas constates. Fonte: [6]. 2.5 Temperatura de Projeto A temperatura de projeto (T) é a maior temperatura esperada que o vaso pode atingir em serviço. Adota-se o maior valor de temperatura, pois a tensão admissível dos metais reduz-se com a elevação da temperatura, e deseja-se saber a menor tensão admissível dos metais utilizados no projeto. O apêndice não mandatório C da Norma permite que a temperatura de projeto seja tomada como a máxima temperatura do fluido do processo. 2.6 Pressão Hidrostática Pressão hidrostática é a pressão que ocorre no interior dos vasos, sendo exercida pelo peso do próprio fluido. Ela depende da profundidade do ponto considerado, logo ela terá seu maior valor nos pontos de maior profundidade. pp = dd h gg Onde: p = pressão hidrostática d = densidade do fluido h = altura g = aceleração da gravidade 24

25 2.7 Teste Hidrostático Teste Hidrostático é um ensaio aplicado em vasos de pressão e em outros equipamentos pressurizados com o objetivo de verificar a ocorrência de vazamento ou alguma ruptura. Durante o teste hidrostático, o material ficará submetido a uma tensão acima de sua tensão admissível. Essa situação pode ser a admitida, com segurança, pelo fato de o teste hidrostático ser realizado, quase sempre, uma única vez, durante pouco tempo, com o vaso novo, com água, e em temperatura ambiente [8]. Para vasos construídos de acordo com o código ASME, Seção VIII, Divisão I, a pressão de teste deve ser no mínimo 1,3 vezes a PMTA do vaso (correspondente à espessura corroída), conforme o parágrafo UG-99(b), podendo também ser definida pelos parágrafos UG-99(c), UG-100 e Apêndice Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) A Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) é o maior valor permitido para a pressão de trabalho medida no topo do vaso na temperatura e posição normal de operação, considerando o vaso com a espessura corroída e com base na tensão admissível na temperatura de projeto [8]. A PMTA do vaso é o menor dos valores encontrados dentre a Pressão Máxima de Trabalho Admissível das partes essenciais de um vaso, como casco e tampos, e para todos os componentes secundários, como flanges, bocais e reforços. Deve-se subtrair da PMTA a pressão hidrostática da coluna de líquido quando a diferença de altura entre a parte considerada e o topo do vaso for significativa. A pressão máxima admissível é um parâmetro importantíssimo no projeto de um vaso de pressão, pois determina a verdadeira capacidade do equipamento, em termos de pressão. 2.9 Sobrespessura de Corrosão A sobrespessura tc é um acréscimo previsto na espessura da parede do vaso para compensar a corrosão sofrida ao longo da vida útil do equipamento. O resultado do produto da taxa estimada de corrosão pelo tempo de vida útil esperado do equipamento é a sobrespessura de corrosão. 25

26 2.10 Espessura mínima Requerida A espessura mínima requerida tr é a espessura mínima do componente (excluindo a sobrespessura de corrosão) para resistir as tensões geradas pela pressão e outros esforços a que o vaso foi submetido. Essa espessura requerida da parede deve ser suficiente para manter a tensão abaixo dos limites de tensões admissíveis tabelados Tensão Máxima Admissível A tensão máxima admissível (Sadm) é a máxima tensão permitida do material do qual o vaso foi construído. Ela leva em conta o material e a temperatura de projeto do vaso. Ela difere do limite de escoamento que é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico de deformação, se houver algum acréscimo de tensão o material não segue mais a lei de Hooke (σσ = EE εε), onde εε é o módulo de Young, e começa a sofrer deformação plástica (deformação definitiva). Ou seja, O limite de escoamento é justamente o ponto onde começa a deformação irrecuperável do material. As tensões admissíveis diminuem com o aumento da temperatura de trabalho da peça, fato que está relacionado à diminuição da resistência mecânica dos materiais devido ao aumento da temperatura. A Norma exige que sejam usadas as tensões admissíveis dos materiais definidas na tabela 1A para matérias ferrosos e 1B para não ferrosos do BPVC-seção II parte D. Essas tensões admissíveis são determinadas de maneira que o metal resista o mínimo de 100 mil horas a essa tensão, sem apresentar falha por fluência. Conforme o item 3-500(d) do BPVC-seção II parte D. Os valores tabelados dessas tensões admissíveis são calculados com elevados coeficientes de segurança, garantindo que as tensões atuantes tenham valores seguros, com espessuras de paredes maiores Tensões em Cascos Cilíndricos Seja o casco cilíndrico AB de parede fina submetido a pressão na Figura 7, considerando um elemento desse vaso, ilustrado na parede do casco, com suas faces 26

27 perpendiculares e paralelas ao eixo, teremos as tensões normais σσ 1 e σσ 2 atuando nas faces laterais desse elemento, que são as tensões de membrana na parede. Devido a simetria do vaso e do seu carregamento, não há a atuação da tensão de cisalhamento, tornando as tensões normais σσ 1 e σσ 2 como as tensões principais. Figura 7 Tensões em cascos cilíndricos. Fonte: [8]. Por causa de suas direções, a tensão σσ 1 é chamada de tensão circunferencial, enquanto que a tensão σσ 2 é denominada de tensão longitudinal. A Norma utiliza essas tensões como critérios distintos de cálculo da pressão admissível do casco. Para calcular a pressão máxima de trabalho admissível no lado côncavo para o casco cilíndrico, a Norma possui duas regras, sendo uma delas a UG-27(c) onde o item (1) refere-se para a pressão devido a tensão circunferencial e o (2) para tensão longitudinal; a outra é o item 1-1(a)(1) que pode ser usado também para calcular a pressão devido a tensão circunferencial. Para calcular a pressão máxima de trabalho admissível no lado convexo do casco, a Norma define a regra UG-28 com uma verificação que é quando o diâmetro externo do cilindro e espessura d for maior ou igual a 10, então a pressão é calculada de acordo com a UG-28(c)(1). Senão, deve ser usada a cláusula UG-28(c)(2). Para calcular a pressão no lado convexo, a Norma determina o uso dos gráficos mostrados nas figuras 8 e 9 abaixo, com os valores das variáveis usadas para o cálculo de pressão externa da norma ASME seção II, parte D. 27

28 Figura 8 Gráfico para componentes sob pressão no lado convexo. Fonte: Figura G, [2]. 28

29 Figura 9 Gráfico para determinação da pressão máxima no lado convexo. Fonte: Figura CS-2, [2] Tampos dos Vasos de Pressão As peças de fechamento dos cascos são denominadas de tampos. Os tampos podem ter vários formatos dos quais os mais usuais são: elíptico, torisférico, hemisférico, cônico e plano entre outros. Figura 10 Principais dimensões dos tipos de tampos. Fonte: Figura 1.4, [3]. 29

30 Tampos Torisféricos Figura 11 Tampo torisférico. Fonte: Próprio autor. O tampo torisférico representado na Figura 11 é construído por uma calota central esférica de raio L e por uma seção toroidal de concordância de raio r. Qualquer tampo torisférico é sempre mais fraco do que um tampo elíptico de mesmo diâmetro e espessura e com a mesma relação de semi-eixos, porém sua fabricação é mais fácil se comparada com a do tampo elíptico. Para calcular a pressão máxima de trabalho admissível no lado côncavo do tampo torisférico, a norma ASME, seção VIII, divisão 1, define dois casos, sendo eles: 1. Quando a relação entre a espessura do tampo t e o raio da calota central L for maior ou igual a 0,002: nesse caso, se a relação r/l é igual a 6% e se L é igual à Do., então a pressão máxima do lado côncavo é calculada de acordo com a UG-32. Senão, deve ser usada a cláusula 1-4(d). 2. Quando a relação entre a espessura do tampo t e o raio da calota central L for menor que 0,002: nesse caso, deve ser usada a cláusula 1-4(f)(1). Para determinar a pressão máxima de trabalho admissível no lado convexo do tampo torisférico devem ser satisfeitos os requisitos de UG-33(a) da Norma. Além disso, deve ser utilizado o gráfico de pressão externa CS-2 já apresentado anteriormente. 30

31 2.14 Acessórios nos Vasos de Pressão Bocal Os bocais são formados basicamente por 2 elementos: flange e tubo cilíndrico. Os tamanhos dos bocais, quando feitos de tubos, são geralmente baseados nos tamanhos fornecidos pela Norma ASME B Flanges Flange é um método de conexão de tubos, válvulas, bombas e outros equipamentos para formar um sistema de tubulação. Também fornece acesso fácil para limpeza, inspeção ou modificação. Cada flange de acordo com a ASME B16.5 e B16.47 possui dimensões padronizadas, e para cada grupo de material, existe uma tabela nessas normas que associa a temperatura de trabalho à pressão máxima do flange Abertura nos Vasos de Pressão Para a instalação do bocal em um casco submetido a uma pressão interna, é necessário a retirada de uma seção da parede do casco, o que ocasiona uma concentração de tensão devido a descontinuidade geométrica. É bem conhecido que uma abertura em um vaso de pressão provoca uma elevação e intensificação das tensões ao redor da borda do furo de abertura do bocal e, portanto, pode ser um potencial ponto de fraqueza [14]. As cláusulas UG-36 até a UG-43 da ASME seção VIII divisão I descrevem métodos para calcular de forma adequada a área de reforço do componente para compensar a abertura no casco, que de uma forma simplificada, seria a introdução de uma área equivalente à área removida e satisfatória para reduzir as tensões na região da abertura. A cláusula UG-36 (b) da ASME seção VIII divisão 1 fornece limites para o tamanho da abertura. Se por exemplo, o tamanho da abertura exceder metade do diâmetro do casco cilíndrico ou cônico, as cláusulas 1-7 do apêndice 1 deverão ser usadas. 31

32 A cláusula 1-10 foi adicionada na Seção VIII da ASME Divisão 1 posteriormente, que propunha um método alternativo de área de pressão para o cálculo da compensação da abertura e poderia ser utilizado em vez das regras da UG-37 e Cláusula 1-7. Porém, é necessário aplicar U-2(g) para o cálculo do dimensionamento da solda do bocal. Figura 12 Áreas de reforço da abertura. Fonte: Fig , [3]. O cálculo de reforço envolve os seguintes parâmetros: Espessuras de parede necessárias (Casco e Bocal) Diâmetro do bocal Tamanho do calço de reforço (se necessário) Tamanho das soldas de filete Comprimento interno e externo do bocal sobre a parede do vaso 32

33 Capítulo 3 Neste capítulo será apresentado um detalhamento das fórmulas e critérios da Norma, para o cálculo mecânico dos componentes utilizados no vaso objeto de estudo de caso. As fórmulas da Norma utilizada neste trabalho são baseadas na teoria da membrana contento, entretanto, alguns coeficientes empíricos de correção. Logo, não são levados em consideração os esforços de flexão decorrentes da espessura ou das descontinuidades geométricas. 3.1 Dimensões do vaso de pressão Houve uma preparação da superfície do vaso para a realização da inspeção, ensaios e testes. Foram mensuradas as dimensões e espessuras das partes sujeitas à pressão do vaso atual por meio de inspeções visuais, além da coleta de dados do fabricante. A partir disso, os resultados encontram-se nas tabelas que seguem Casco cilíndrico: Tabela 1 Dimensões atuais do casco cilíndrico Fonte: Autor. Comprimento do casco (L) 2060 mm Espessura do casco (t n ) 9.2 mm Diâmetro externo (D o ) 791,8 mm Diâmetro interno (D): 773,4 mm Material A-285 Gr. C Tampo torisférico: Tabela 2 Dimensões atuais do tampo cilíndrico Fonte: Autor. Diâmetro interno (D) 743 mm Espessura do tampo (t s ) 15.2 mm Raio interno da coroa (L) 706 mm Raio interno da articulação (r) 68 mm Material A-285 Gr. C 33

34 Figura 13: (a) Vaso de pressão completo; (b) Vista frontal do vaso. Fonte: Autor. Na Figura 13, temos o desenho completo do vaso em escala. 3.2 Cálculo do dimensionamento do vaso Condições de operação do tanque Como o vaso em questão armazenará cloro tanto no estado líquido quanto no gasoso, é necessário saber a pressão máxima, densidade e temperaturas mínimas e máximas de operação com o fluido. Esses dados foram retirados usando o gráfico do Cloro. Através desse gráfico, e considerando a pressão interna de operação de 10 bar, observamos que a pressão de vapor do Cloro, isto é, a medida da tendência de evaporação de um líquido na pressão em questão é de 34 C. Para a pressão externa de operação de 2 bar, temos para a pressão de vapor do Cloro o valor de -34 C. Tabela 3 Condições críticas de operação do tanque considerando o cloro tanto no estado líquido quanto no gasoso Fonte: Autor. Operação com cloro gasoso Operação com cloro líquido Pressurizado Vácuo Pressurizado Vácuo Temperatura máxima 74 C 34 C Temperatura minima 34 C -34 C -34 C - Densidade máxima 33 kg/m 3 < 1 kg/m kg/m 3 - Pressão máxima 10 bar -2 bar 10 bar - 34

35 Parâmetros geométricos do vaso Foram usados os valores das dimensões atuais do vaso listados na Tabela 1 e 2 para calcular os parâmetros geométricos tanto para o casco quanto para o tampo. Esses parâmetros serão usados como critério de seleção de qual cláusula na norma usar para os cálculos Parâmetros geométricos para o casco tt ss RR = 9,2 = 0,024 < 0,5 (1) 395,9 9, Parâmetros geométricos para o tampo DD oo = 791,8 = 86,06 > 10 (2) tt ss 9,2 LL = 2060 = 2,602 (3) DD oo 791,8 DD oo tt = 791,8 = 102,83 (4) 7,7 tt ss LL = 15,2 706 = 0,022 > 0,002 (5) Cloro Líquido Tabela 4 Variáveis do processo para o cloro líquido Fonte: autor. Eficiência das juntas soldadas - E 1 Tensão admissível (S) até 40 C 108 MPa Espessura de corrosão (c) 1,5 mm Para a eficiência das juntas soldadas usaremos o valor igual a 1 (um), para a tensão admissível do material com temperatura de trabalho de até 40 C, o valor usado será de 108 MPa. O valor usado para a espessura de corrosão será de 1,5 mm que é o valor indicado na Norma segundo as condições do ambiente de trabalho do vaso, como mostrado na tabela 4. 35

36 Dimensionamento do casco Pressão estática no fundo do casco Para o cálculo da pressão estática no fundo do casco será utilizado o valor da densidade do cloro considerando o fluido no estado físico dele, que nesse caso é líquido. A altura h considerada na fórmula será o valor do diâmetro interno do casco mais a corrosão do meio, ou seja, o diâmetro interno do casco corroído. pp = ρ h gg = ρ (D + 2c) gg pp = 1560 (773, ,5 ) ,8065 = 11877,5 NN mm 2 = 0,119 bbbbbb (6) Pressão interna de máxima de trabalho admissível para o casco cilíndrico para ts/r 0,5, conforme UG-27(c) e 1-1(a): Para calcular a pressão interna máxima de trabalho admissível, é necessário calcular antes o valor da espessura mínima requerida que, neste trabalho, será determinada pela MDMT do casco. Observando os dados da Tabela 3, temos que a temperatura mínima de operação para o cloro no estado líquido é de -34ºC, e como o tanque operará a temperaturas muito baixas se comparadas ao ponto de fusão dos seus materiais, estará sujeito a falha por fratura frágil. Mas, por razões econômicas, é preferível não realizar o teste de impacto. Para dispensar a necessidade do teste de impacto, devem-se seguir os critérios definidos na cláusula UCS-66 da Norma. Para seguir os critérios de UCS-66, primeiro deve-se definir a MDMT básica permitida para o material do componente, com base nas curvas da Figura 4. Para o SA- 285 Gr C, a MDMT básica permitida para o casco, considerando a espessura nominal de 9,2 mm, é -8 C. Em seguida deve-se comparar a MDMT básica do componente com a sua temperatura mínima de operação (-34ºC), devendo-se verificar a seguinte condição: TT mmmmmm MMMMMMMM bb (7) 36

37 Como TT mmmmmm (-34 C) é menor que a MDMT básica permitida para o material do casco, deve-se avaliar a possibilidade de reduzir a MDMT básica, criando-se assim uma MDMT reduzida (MMMMMMMM rr ): onde: MMMMMMMM rr = MMMMMMMM bb ΔΔΔΔ (8) ΔT é a redução permitida sobre a MDMT básica, se a espessura real do componente for maior que a espessura requerida à pressão de projeto. Assim, a nova condição de verificação da temperatura mínima de operação é: TT mmmmmm MMMMMMMM rr TT mmmmmm MMMMMMMM bb ΔΔΔΔ (9) Como os valores de MDMT e TT mmmmmm já são conhecidos, basta agora calcular qual a redução necessária de temperatura para que o componente suporte a temperatura mínima de operação na pressão de projeto: ΔΔΔΔ MMMMMMMM bb TT mmmmmm 8 ( 34) ΔΔΔΔ 26 CC (10) Consultando o gráfico da Figura 5, nota-se que, para conseguir uma redução de no mínimo 26 C, a espessura relativa deve ser de, no máximo, 0,56. Assim, usando a equação abaixo, pode-se finalmente determinar o máximo valor que a espessura requerida do componente deverá ter para que ele possa suportar a temperatura mínima de operação na pressão de projeto: tt rr EE tt nn cc 0,56 tt 0,56 (9,2 1,5) rr tt 1 rr 4,312mmmm (11) Onde tr é a espessura requerida para suportar a pressão interna do casco. a) Cálculo da pressão de projeto devido a tensões longitudinais: PP = 2SSSStt rr RR 0,4tt rr = , ,7 0,4 4,312 = 2,42NN/mmmm2 = 24,2 bbbbbb (12) b) Cálculo da pressão de projeto devido a tensões circunferenciais: PP = SSSStt rr RR oo 0,4tt rr pp (13) 37

38 PP = , ,9 0,4 4,312 0,012 = 1,168 NN/mmmm2 = 11,7 bbbbbb A pressão interna de projeto do casco deve ser de 11,7 bar, pois foi o menor valor calculado Dimensionamento do tampo Pressão interna máxima de trabalho admissível (PMTA) para o tampo torisférico (pressão no lado convexo), conforme UG- 33(a)(1): a) UG-33(a)(1)(-a): Para calcular a pressão interna máxima de trabalho admissível para o tampo, é necessário multiplicar 1,67 vezes o valor da pressão externa para o tampo torisférico, conforme o item 1-4(d) da Norma. PP 1,67 = 2SSSSSS LLLL + 0,2tt tt = ( tt ss c); MM = LL rr = = 1,56 68 (14) (15,2 1,5) PP = 706 1,56 + 0,2 (15,2 1,5) = 16,0 bbbbbb 1,67 = 1,60 NN/mmmm2 (15) b) UG-33(a)(1)(-b): AA = 0,125 RR oo /tt = 0, ,7 13,7 = 2, (16) No gráfico da Figura 9, deve-se usar o valor de A, acima calculado, para achar o valor de B, que nesse caso é de 110 na curva correspondente à temperatura de projeto (t = 34 C). Em seguida, usa-se o valor de B para calcular a pressão máxima admissível Pa do componente para a espessura adotada: 38

39 PP aa = BB RR oo /tt = 110 = 2,09 NN/mmmm ,7 2 = 20,9 bbbbbb 13,7 (17) Onde: Ro é o raio externo da coroa do tampo torisférico. Pa é a máxima pressão que o tampo suporta no lado convexo, na temperatura de projeto, para a espessura dada. A menor pressão interna calculada é a de 16 bar considerando o lado convexo Especificação do vaso operando com cloro líquido Figura 14: Pressões resultantes do vaso operando com cloro líquido. Fonte: Autor. Conforme o gráfico acima, a PMTA do casco é de 11,7 bar e a do tampo é igual a 16 bar. A MDMT suportada pelo casco operando com cloro líquido é de -34 C e corresponde a PMTA, enquanto que o tampo não possui MDMT nesse caso Cloro Gasoso Tabela 5 Variáveis do processo para cloro gasoso Fonte: código ASME, seção VIII, Divisão 1, 2015 e código ASME BPVC, seção II, Eficiência das juntas soldadas 1 Tensão admissível (S) até 74 C 108 MPa Espessura de corrosão (c) 1,5 mm 39

40 Para a eficiência das juntas soldadas usaremos o valor igual a 1 (um), para a tensão admissível do material com temperatura de trabalho de até 74 C, o valor usado será de 108 MPa. O valor usado para a espessura de corrosão será de 1,5 mm que é o valor indicado na Norma segundo as condições do ambiente de trabalho do vaso, como mostrado na tabela Dimensionamento do casco Pressão estática no fundo do casco Para o cálculo da pressão estática no fundo do casco será utilizado o valor da densidade do cloro considerando o fluido no estado físico dele, que nesse caso é líquido. A altura h considerada na fórmula será o valor do diâmetro interno do casco mais a corrosão do meio, ou seja, o diâmetro interno do casco corroído. pp = ρ h gg = ρ (D + 2c) gg (18) pp = 33 (773, ,5 ) ,8065 = 251,254 NN = 0,00252 bbbbbb mm2 (19) Pressão interna de máxima de trabalho admissível para o casco cilíndrico para ts/r 0,5, conforme UG-27(c) e 1-1(a): Com base nas curvas da Figura 4, para o SA-285 Gr C, a MDMT básica permitida para o casco, considerando a espessura nominal de 9,2 mm, é -8 C. condição: A temperatura mínima de operação do casco (34 C), deve obedecer a seguinte TT mmmmmm MMMMMMMM bb 34 C >= -8 C (20) Então, a MDMT do componente será de -8 C. Logo, nesse caso não é necessário reduzir a MDMT e, portanto, a espessura nominal corroída é a própria espessura requerida para o cálculo da pressão interna de projeto do casco, ou seja, tt rr = 9,2 mm. 40

41 a) Cálculo da pressão de projeto devido a tensões longitudinais: PP = 2SSSStt rr RR 0,4tt rr = = 43,3 bbbbbb (9,2 1,5) 386,7 0,4 (9,2 1,5) = 4,33NN/mmmm2 (21) b) Cálculo da pressão de projeto devido a tensões circunferenciais: PP = SSSStt rr RR oo 0,4tt rr pp PP = (9,2 1,5) 395,9 0,4 (9,2 1,5) 0,002 = 2,115 NN/mmmm2 = 21,2 bbbbbb (22) A pressão interna de projeto do casco deve ser de 21,2 bar, pois foi o menor valor calculado Pressão externa máxima admissível (PEMA) para o casco cilíndrico para Do/t 10, conforme UG-28(c): Considerando o valor LL DD oo na equação (3) e DD oo tt na equação (4) e usando o gráfico da Figura 8, com o valor LL DD oo, mover até encontrar a linha DD oo tt, no ponto de intersecção, determina-se o valor do Fator A de 0,0005. Usando o fator A como dado de entrada no gráfico da Figura 9, e movendo até a intersecção com a linha do material/temperatura (se necessário efetuar interpolação) determina-se o fator B que vale 50. Em seguida, basta calcular a pressão externa máxima admissível Pa do componente para a espessura adotada: PP aa = 4BB = ( DD oo tt ) 3 102,83 = 0,648 NN/mmmm2 = 6,48 bar (23) 41

42 Dimensionamento do tampo Pressão interna máxima de trabalho admissível (PMTA) para o tampo torisférico (pressão no lado convexo), conforme UG- 33(a)(1): a) UG-33(a)(1)(-a): Para calcular a pressão interna máxima de trabalho admissível para o tampo considerando o cloro gasoso, é necessário multiplicar 1,67 vezes o valor da pressão externa para o tampo torisférico, conforme o item 1-4(d) da Norma. PP 1,67 = 2SSSSSS LLLL + 0,2tt ; (24) MM = LL rr = = 1,56 68 PP = , ,56 + 0,2 13,7 1,67 = 1,60 NN/mmmm2 = 16,0 bbbbbb (25) b) UG-33(a)(1)(-b): AA = 0,125 RR oo /tt = 0, ,7 13,7 = 2, (26) Sendo B = 110 retirado do gráfico da Figura 9 usando o valor de A como entrada, temos que a pressão máxima de trabalho admissível Pa do componente para a espessura adotada, será: PP aa = BB RR oo /tt = 110 = 2,09 NN/mmmm ,7 2 = 20,9 bbbbbb 13,7 (27) Onde Ro é o raio externo da coroa de um tampo torisférico. A menor pressão interna calculada é a de 16 bar considerando o lado convexo. 42

43 Pressão externa de projeto para o tampo torisférico (pressão no lado côncavo) com ts/l 0,002, conforme 1-4(d): Com base nas curvas da Figura 4, para o SA-285 Gr C, a MDMT básica permitida para o tampo, considerando a espessura nominal de 15,2 mm, é 4 C. Como Tmin (-34 C) é menor que a MDMT básica (4 C) permitida para o material do tampo, deve-se reduzir a MDMT básica: ΔΔΔΔ MMMMMMMM bb TT mmmmmm 4 ( 34) ΔΔΔΔ 38 CC (28) Consultando o gráfico da Figura 5, nota-se que, para conseguir uma redução de no mínimo 38 C, a espessura relativa deve ser de, no máximo, 0,46. Assim, usando a equação (28), pode-se finalmente determinar o máximo valor que a espessura requerida do componente deverá ter para que ele possa suportar a temperatura mínima de operação na pressão de projeto: tt rr EE tt nn cc 0,46 tt 0,46 (15,2 1,5) rr 1 tt rr 6,302mmmm (29) PP = 2SSSStt rr LLLL + 0,2tt rr ; MM = LL rr = = 1,56 68 (30) PP = 2SSSStt rr ,302 = LLLL + 0,2tt rr 706 1,56 + 0,2 6,302 = 1,23 NN/mmmm2 = 12,3 bbbbbb (31) 43

44 Especificação do vaso operando com cloro gasoso: Figura 15: Pressões resultantes do vaso operando com cloro gasoso. Fonte: Autor. Conforme o gráfico acima, a PMTA do casco é de 21,2 bar e a do tampo é igual a 16 bar. Já a PEMA do casco é de 6,48 bar e a do tampo é de 12,3 bar. A MDMT suportada pelo casco operando com cloro gasoso é de -8 C e corresponde a PMTA, enquanto que a MDMT do tampo é -34 C e corresponde a PEMA Especificações resultantes do casco e do tampo: As figuras a seguir são um resumo dos resultados do casco e do tampo para pressão interna e externa máximas, considerando os piores casos dentre a operação com Cloro líquido ou gasoso. 44

45 Definição da PMTA do casco e do tampo: Figura 16: Definição da PMTA do casco e do tampo. Fonte: Autor. A menor PMTA definida para o casco é de 11,7 bar, restringida pela operação com cloro líquido. A MDMT do casco para essa pressão é de -34ºC, de acordo com o item A PMTA definida para o tampo é de 16 bar, tanto pela operação com cloro líquido quanto gasoso. Não há MDMT para o tampo sob pressão interna. No gráfico da Figura 21, pode-se observar que A PMTA do casco e do tampo estão acima da faixa de pressão esperada do processo que é de 10 bar; 45

46 Definição da PEMA do casco e do tampo: Figura 17: Definição da PEMA do casco e do tampo. Fonte: Autor. A PEMA do casco é de 6,48 bar definida apenas pela operação com cloro gasoso. Não há MDMT para o casco sob pressão externa. A PEMA do tampo é de 12,3 bar definida pela operação com cloro gasoso. A MDMT do tampo para essa pressão é de -34ºC, de acordo com o item No gráfico da Figura 22, pode-se observar que A PEMA do casco e do tampo estão acima da faixa de pressão esperada do processo que é de 2 bar; Dimensionamento do bocal: Tabela 6 Variáveis do processo para o bocal Fonte: código ASME, seção VIII, Divisão 1, Eficiência das juntas soldadas (E) 1 Tensão admissível (S n ) na temperatura máxima de operação 117,9 MPa Tensão admissível (S) na temperatura ambiente 117,9 MPa Espessura de corrosão (c) 1,5 mm Para a eficiência das juntas soldadas usaremos o valor igual a 1 (um), para a tensão admissível do cloro com temperatura de trabalho na temperatura ambiente, o valor usado será de 117,9 MPa. O valor usado para a espessura de corrosão será de 1,5 mm que é o 46