Parâmetros para Inspeção Dimensional de Placa de Orifício e de Rugosidade de Trechos Retos de Tubulações

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1 METROSUL IV IV Congresso Latino-Americano de Metrologia A METROLOGIA E A COMPETITIVIAE NO MERCAO GLOBALIZAO 09 a 12 de Novembro, 2004, Foz do Iguaçu, Paraná BRASIL Rede Paranaense de Metrologia e Ensaios Parâmetros para Inspeção imensional de Placa de Orifício e de Rugosidade de Trechos Retos de Tubulações Alberto Kennedy de A. Medeiros¹, Jeffersson F. de Lima¹, Gilson Gomes de Medeiros², Nivaldo Ferreira da Silva Jr.¹, Raimundo Nonato B. Felipe¹, Renata Carla T. S. Felipe¹. 1 CEFET-RN, Natal, Brasil. 2 CEFET-RN e EQ-UFRN, Natal, Brasil. Resumo: Segundo o Regulamento Técnico de Medição de Petróleo e Gás natural (aprovado em 2000), nos sistemas de medições de gás natural devem ser utilizados medidores de vazão tipo ultrasônico, turbinas e, em especial, as placas de orifício, que representam a base mais expressiva do sistema de vazão, sendo empregadas nas medições fiscais e nas medições operacionais. Este trabalho tem como objetivo avaliar os parâmetros a serem considerados durante a inspeç ão dimensional de placa de orifício e da rugosidade dos trechos retos de tubulações usados para medição de gás natural, visando orientar os profissionais responsáveis pela medição de volume de gás natural por placa de orifício, como também a profissionais de laboratórios de calibração visando a emissão do certificado de calibração. No trabalho, são recomendadas especificações mínimas, independentemente do tipo de tomada ou de orifício, especificações estas descritas de acordo com as normas ISO 5167, AGA Report Nº 3 e com a Portaria conjunta PAN/INMETRO Nº 1 de 19 de junho de 2000, como também analisa a influência destas especificações sobre os parâmetros usados no cálculo da vazão volumétrica. Palavras chave: placa de orifício, rugosidade superficial, parâmetros de medição. 1. INTROUÇÃO No Brasil, o Regulamento Técnico de Medição de Petróleo e Gás Natural (RTM), aprovado pela Portaria Conjunta PANP/INMETRO nº 1 (2000), estabelece os requisitos mínimos que os sistemas de medição de gás natural devem possuir no sentido de garantir uma medição exata e completa[1]. Os sistemas de medição de vazão de gás natural baseados na placa de orifício como elemento primário são amplamente utilizados no Brasil, tanto nas medições fiscais quanto nas medições operacionais do gás. Acredita-se que, atualmente, cerca de 80% a 85% dos sistemas são baseados nesse elemento [2]. O princípio de funcionamento de uma placa de orifício consiste em introduzir uma restrição localizada no ponto onde deve ser obtida a medição. Tal restrição muda obrigatoriamente a velocidade do fluxo e provoca um diferencial de pressões proporcional à vazão do fluido. Este trabalho tem como objetivo avaliar os parâmetros a serem considerados durante a inspeção dimensional de placa de orifício e da rugosidade dos trechos retos de tubulações usados para medição de gás natural, visando orientar os profissionais responsáveis pela medição de volume de gás natural por placa de orifício, como também a profissionais de laboratórios de calibração visando a emissão do certificado de calibração, com especificações descritas nas normas ISO 5167 (1991) e AGA Report Nº 3 (1990) [3-4]. 2. METOOLOGIA Foi realizado um estudo teórico sobre a descrição geral de medidores de gás natural por placa de orifício e dos trechos retos de tubulações. Vários parâmetros influem na queda de pressão ao longo da tubulação, entre os quais o seu comprimento, a velocidade e a viscosidade do fluido que se move através da tubulação e o atrito provocado pela rugosidade da parede interna da tubulação. Foram estudadas as variáveis que são influenciadas pelas características construtivas das placas de orifício, estabelecendo-se valores mínimos e máximos toleráveis para esses componentes, visando a obtenção dos parâmetros de aceitação de placas submetidas à inspeção dimensional e rugosidade superficial dos trechos retos da tubulação, como estabelecido pelo item do Regulamento Técnico de Medição de Petróleo e Gás Natural (RTM), antes referida. Todo o estudo foi desenvolvido baseado nos padrões estabelecidos pelas normas ISO 5167 (1991) e AGA nº 3 (1990) com o intuito de ser aplicado no procedimento para inspeção dimensional de placa de

2 orifício e de rugosidade de trechos retos de tubulações na indústria do petróleo que tenham como finalidade estabelecer a confiabilidade na medição do gás natural. A equação da vazão volumétrica para escoamentos subcríticos, utilizados para a determinação do volume produzido de gás natural [2], é mostrada a seguir. Os parâmetros dessa equação são discriminados na Tabela 1. Onde: α αεfha 2ρ1 P Qv = ρr C = 4 1 d = β (1) (2) β (3) a πd 4 2 = (4) Tabela 1. Parâmetros utilizados na equação da vazão. Símbolos Parâmetros C Coeficiente de escarga * ε Fh β (d/) α d a Fator de Expansão Furo de dreno ou respiro Relação entre o diâmetro do orifício e o diâmetro do tubo Coeficiente de vazão iâmetro do Orifício (m) iâmetro da Tubulação (m) Área do orifício (m²) *Coeficiente de descarga para placas de orifício concêntricas com < 50 mm. Sabemos que o coeficiente de descarga é a relação entre a vazão real (com o medidor) e a vazão teórica (sem o medidor). O coeficiente de descarga influencia diretamente o coeficiente de vazão α, como se vê na equação (2) mostrada acima, e varia com o perfil da velocidade da tubulação, sendo calculado pela equação a seguir. C = 0, ,0312 β + 0,0029 β 2,5 Levando em consideração as equações (5-2) acima, foram realizados cálculos simulados da influência das tolerâncias dimensionais dos diâmetros do orifícios 2,1 10 Re + 0,1840 β 6 8 (5) nos coeficientes de descarga e de vazão a partir de valores de diâmetros de tubulação e orifício, e de ß estabelecidos na tabela 2. Tabela 2. Valores dimensionais do sistema placa de orifício/tubulação. Amostra iâmetro do Orifício (mm) iâmetro da Tubulação(mm) b (d/) AM ,25 AM ,50 AM ,70 3. RESULTAOS E ISCUSSÃO Os resultados dos parâmetros estudados são apresentados a seguir 3.1. Rugosidade interna da parede da tubulação A rugosidade interna da parede da tubulação influi no coeficiente de descarga. Como a rugosidade não está expressa no cálculo do coeficiente de descarga, são estabelecidos limites para a mesma para que os coeficientes de descargas estejam dentro do grau de incerteza pré-estabelecido, ver tabela 3 [5]. Tabela 3. Valores da rugosidade uniforme equivalente k para cada tipo de material, expressa em milímetros. Materiais Condições k (mm) Bronze, cobre, vidro, alumínio, Liso e sem sedimentos < 0,03 plástico. Novo sem costura < 0,03 Novo com costura < 0,10 Levemente enferrujado 0,10 a 0,20 Aço Incrustado < 0,50 a 2 Betumado, novo 0,03 a 0,05 Betumado, usado 0,10 a 0,20 Galvanizado 0,13 Novo 0,25 Ferro fundido Enferrujado 1,0 a 1,5 Betumado 0,03 a 0,05 * ados de acordo com a norma ISO 5167(1990) Os valores da rugosidade superficial k especificada em unidades de comprimento, dependem de vários fatores, tais como altura, distribuição, angularidade e outros aspectos geométricos dos elementos da rugosidade da parede do tubo [3]. As perdas de atrito dependem do diâmetro e extensão da tubulação, da rugosidade das paredes, da viscosidade do fluido, do numero de Reynolds, dos tipos e números de conexões. O fator de atrito é encontrado em função do número de Reynolds para as vazões de condições turbulentas. A rugosidade aumenta com o uso por causa da corrosão e da incrustação em uma taxa que depende do material da tubulação e do fluido.

3 As tubulações com rugosidade relativa mais elevada podem ser usadas se a rugosidade relativa estiver dentro dos limites dados acima para ao menos 10 da face de entrada da placa do orifício[3] Parâmetros para inspeção dimensional de placas de orifício Para analise da inspeção dimensional recomenda-se que a identificação seja visível depois da instalação da placa em linha, isto será geralmente conseguido através de inscrição na lingüeta [5-6]. A seguir, serão apresentados os parâmetros de fabricação de placas orifício, usados como referência para a inspeção e suas respectivas análises Face a montante e a Jusante A face a montante deverá ser plana. Ela será assim considerada quando uma reta ligando 2 pontos quaisquer de sua superfície tiver inclinação inferior a 1%. A face a montante deve apresentar canto vivo e um acabamento livre de rebarbas, riscos e outros defeitos[6. Já a jusante a face deverá ser paralela à face a montante. Não será necessário atingir a mesma qualidade de estado da superfície que é exigida para a face montante. A planicidade e o estado serão julgados por simples exame visual Rugosidade da placa A placa pode ser fabricada com qualquer material e por qualquer método de fabricação, mas deverá estar conforme especificações da norma[6]. A rugosidade da face a montante da placa de orifício deverá ser inferior a 0,0001d, sendo determinada em um circulo concêntrico ao orifício com diâmetro não inferior a 1,5d, conforme se vê na Fig. 1[5]. Fig. 1. Indicação do diâmetro (1,5 d) a ser considerado para a determinação da rugosidade da placa iâmetro do orifício (d) O diâmetro d do furo da placa de orifício é dado pela média aritmética de quatro ou mais medições igualmente espaçadas no perímetro do furo. Nenhum dos quatro ou mais diâmetros deverá diferir do valor do diâmetro calculado, nem de qualquer outro diâmetro medido, para além dos limites mostrados na Tabela 4. Tabela 4. Tolerância permitida para diâmetros de orifícios. iâmetro do Orifício (d), mm esvio Máximo (%) d =12 ± 0,1 12 < d = 16 ± 0,08 16 < d = 20 ± 0,07 20 < d = 25 ± 0,06 d >25 ± 0,05 O diâmetro d deverá sempre estar compreendido entre 0,1 e 0,8. Entretanto, para calcular o valor do diâmetro do furo da placa de orifício, é definido o diâmetro de referência (dr), calculado à temperatura de referência (tr) pela seguinte equação [7]: Onde: d [ + ( t t ) ] r = dm 1 1 α (6) a 1 = coeficiente de expansão linear do material da placa; d r = diâmetro do furo da placa de orifício calculado à temperatura de referência (t r ); d m = diâmetro do furo da placa de orifício medido à temperatura (t m ); t m = temperatura da placa durante as medições; t r = temperatura de referência da placa de orifício. Foram simulados alguns limites máximos e mínimos para os respectivos diâmetros d (25, 50 e 100 mm) das placas de orifício, mostrados na Tabela 4. Tabela 4. Tolerância das amostras permitida para diâmetros de orifícios. r Amostras iâmetro do Orifício (mm) Tolerância (mm) AM ±0,0125 AM ±0,025 AM ±0, Bordo de entrada G O bordo a montante G não terá falhas, rebarbas ou nenhumas peculiaridades visíveis a olho nu. Ela deverá apresentar canto vivo. Considera-se assim se o raio do bordo não for maior do que 0,0004d. Para placas de orifícios com d = 25mm, é suficiente uma inspeção visual. Já para d = 25mm isso não é suficiente, mas pode ser considerada satisfeita se a usinagem da face for afiada [5]. m

4 Verificação de planicidade A verificação de planicidade pode ser feita de maneira prática, com o auxílio de uma escala reta de comprimento aproximadamente igual ao diâmetro interno do tubo, a uma temperatura de 20 ºC [7]. O desvio máximo permitido na planicidade pode ser estimado por 0,005(-d). Fig. 2. etalhe do bordo G do orifício Bordos de saída H e I Os bordos a jusante H e I estão dentro da região de saída do fluxo e daí as exigências para sua qualidade são menores do que aquelas para a borda G,ou seja, neste caso os pequenos defeitos são aceitáveis [5]. Fig. 5. Verificação de planicidade. A planicidade pode ser encontrada de acordo com a equação especificada abaixo. P x + x l = (7) Fig.3. etalhes dos bordos H e I Ângulo de chanfro Quando a espessura da placa E for superior à espessura do orifício e, a placa deverá ser chanfrada na jusante. O ângulo do chanfro deverá ser compreendido entre 30 e 45º [5]. A placa não poderá ser chanfrada se sua espessura for inferior ou igual a 0, Espessura E da placa A espessura E da placa deverá ser compreendida entre a espessura do orifício e (ver Fig. 4) e 0,05. eve-se tomar cuidado para que a deformação plástica ou elástica da placa devida ao diferencial de pressão em operação não exceda o limite de planicidade especificado por norma [5-6]. Fig. 6. Placa com ângulo de chanfro 3.3. Influência das tolerâncias estabelecidas nos parâmetros de medição Fig. 4. Espessura da placa e do orifício Os resultados demonstram que as tolerâncias dos diâmetros das placas de orifício influenciam nas

5 medições dos coeficientes de descarga e vazão. Eles são diretamente afetados, pois, à medida em que se aumenta o diâmetro do orifício, ocorre uma variação dos coeficientes de descarga, de vazão e do coeficiente β. Realizaram-se alguns cálculos simulados das tolerâncias dos diâmetros do orifício (d), cálculos estes aplicados para a determinação da influência nas medições dos coeficientes de descarga, de vazão e do coeficiente β, conforme mostrado nas figuras 7, 8 e 9. ±?C (%) 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0, ,003 0,017 0,037 AM-01 AM-02 AM-03 Fig.7. Influência da tolerância dimensional do diâmetro do orifício (d) no coeficiente de descarga Foi observado que a tolerância dos diâmetros da placa provoca uma variação no coeficiente de descarga de 0,003% para a amostra AM-01. Já a amostra AM-03 apresentou um aumento da variação de 217% em relação a AM-02. ±?a (%) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,03 0,02 0,01 0 0,004 0,024 0,069 AM-01 AM-02 AM-03 Fig.8. Influência da tolerância dimensional do diâmetro do orifício (d) no coeficiente de vazão Na figura (8), podemos observar a influência do coeficiente de vazão na determinação da vazão volumétrica, com uma variação percentual da amostra AM-01 de 0,004% e, para a amostra AM-02, esta variação é de 0,024%. Na amostra AM-03, o percentual da variação foi de 0,069%, ficando assim evidente que, quanto maior o diâmetro do orifício (d), maior será a influência no coeficiente de vazão, influenciando assim no resultado da equação geral da vazão volumétrica. O coeficiente β, que relaciona os diâmetros do orifício e da tubulação, também é afetado, como já era esperado, pela tolerância dimensional da placa de orifício. Esse resultado pode ser visto na figura (9), tendo uma variação percentual para mais e para menos de % para a amostra AM-01, e um incremento desta variação em 50% para as amostras AM-02 e AM-03, ficando estas com uma variação aproximada de 0,06%, tornando este coeficiente o mais afetado por estas tolerâncias. ±?ß (%) 0,07 0,06 0,05 0,03 0,02 0,01 0 0,06 0,057 AM-01 AM-02 AM-03 Fig.9. Influência da tolerância dimensional do diâmetro do orifício (d) no coeficiente β 4. CONCLUSÃO Neste trabalho, foram mostrados os parâmetros para procedimento de inspeção dimensional de placa de orifício e de rugosidade de trechos retos de tubulações. Com base nos cálculos simulados, podemos concluir que os coeficientes de descarga, de vazão e o coeficiente β são influenciados diretamente pela tolerância do diâmetro do orifício (d), afetando assim a equação geral da vazão volumétrica. Outro fator importante é o da rugosidade superficial da tubulação que aumenta com o uso por causa da corrosão e da incrustação em uma taxa que depende do material da tubulação e do fluido. Através dos parâmetros, podemos ver a importância do inspeção dimensional de placas de orifícios na qualidade da medição de gás natural realizada pela industria do petróleo. AGRAECIMENTOS Este trabalho foi realizado como parte do projeto de pesquisa Incerteza de Medição de Petróleo e Gás Natural, participante da Rede de Instrumentação e Controle (Rede 10/05). Os autores agradecem à Finep, pelo apoio financeiro e ao CNPq, pela bolsa concedida ao estudante Alberto Kennedy de Almeida Medeiros o que foi essencial para realização deste trabalho. REFERÊNCIAS [1] PANP/INMETRO 1/2000, Regulamento Técnico de Medição de Petróleo e Gás Natural, Agência Nacional do Petróleo / Instituto Nacional de Metrologia Normalização e Qualidade Industrial INMETRO, Junho 2000.

6 [2] W.Rosendo, R. N. B. Felipe, G. G. Medeiros, R. C. T. S. Felipe, N. F. Silva Jr. "Influência dos Parâmetros da Composição do Gás Natural na Incerteza da Medição do volume Produzido". Artigo publicado nos Anais Congresso Nacional de Metrologia, Recife PE,2003. [3] ISO , Measurement of fluid flow by means of pressure diferential devices Part 1: Orifice plates, nozzles and venturi tubes inserted in circular crosssection conduits running full, International Organization for Standardization, Switzerland, First Edition, [4] AGA Report No. 3, API 14.3, GPA , ORIFICE METERING OF NATURAL GAS AN OTHER RELATE HYROCARBONS FLUIS PART1: General Equation and Uncertainty Guidelines, American Gas Association, USA, Third Edition, October, [5] Martins, Nelson Manual de Medição de Vazão: através de placas de orifício, bocais e venturis, Rio de Janeiro, Editora Interciência : Petrobras, [6] elmée, Gérard J Manual de Medição de Vazão 3º Edição, São Paulo, Editora Edgard Blücher LTA,2003. [7] Luiz Pedro de Araújo e W. Link. Inspeção de Placas de Orifícios Artigo publica nos anais do I Workshop Rede de instrumentação e Controle Natal, Natal- RN,2004. Autores: Alberto Kennedy de Almeida Medeiros 1 albertokennedya@yahoo.com.br; Jeffersson Fernandes de Lima 1 jefferssonlima@pop.com.br; Gilson Gomes Medeiros gilson.g@cefetrn.br, Nivaldo Ferreira da Silva Jr. nivaldojr@cefetrn.br; Raimundo Nonato Barbosa Felipe nonatofelipe@cefetrn.br; Renata Carla Tavares Santos Felipe rcfelipe@cefetrn.br; Centro Federal de Educação tecnológica do Rio Grande do Norte CEFET-RN, Av. Sen. Salgado Filho, Tirol, Fone/Fax (84) Estudante do Curso Superior de Tecnologia em Materiais CEFET-RN.