Aula 02 - Tubulações

Bacharelado em Engenharia Química Instalações em Sistemas Industriais – EQ66C

Tubulações Industriais Materiais e dimensionamento

Prof. Guilherme

Principais materiais



Principais materiais ➢

A escolha do material adequado para uma determinada aplicação é sempre um problema complexo, cuja solução depende principalmente:

▪

da pressão e temperatura de trabalho, do fluído conduzido (aspectos de corrosão e contaminação), do custo, do maior ou menor grau de segurança necessário, das sobrecargas externas que existirem, da resistência ao escoamento ( perdas de carga).

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Processos de Fabricação  ◦

◦

◦

 ◦

Tubos S/ Costura LAMINAÇÃO (rolling) EXTRUSÃO (extrusion) FUNDIÇÃO (casting)

Tubos C/ Costura SOLDA (welding)

Processos de Fabricação LAMINAÇÃO (rolling) ➢

Os processos de laminação são os mais importantes para a fabricação de tubos de aço sem costura;

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Empregam-se para a fabricação de tubos de açoscarbono, aços liga e aços inoxidáveis, desde 8 cm até 65 cm de diâmetro.

➢

Há vários processos de fabricação por laminação, o mais importante dos quais é o processo "Mannesmann“ .

Processos de Fabricação 1. Um lingote cilíndrico de aço, com o diâmetro externo aproximado do tubo que se vai fabricar, é aquecido à cerca de 1.200 ºC e levado ao denominado "laminador oblíquo".

2. O lingote é colocado entre os dois robôs, que o prensam fortemente. O tubo formado nessa primeira operação tem paredes muito grossas. 3. A ponteira é então retirada e o tubo, ainda bastante quente, é levado para um segundo laminador oblíquo ajustando o diâmetro externo. LAMINAÇÃO (rolling)

Processos de Fabricação

LAMINAÇÃO (rolling)

Fabricação de tubos por laminação

Processos de Fabricação 4. Depois das duas passagens pelos laminadores oblíquos o tubo está bastante empenado. Passa então em uma ou duas máquinas desempenadoras de rolos. 5. O tubo sofre, finalmente, uma série de operações de calibragem dos diâmetros externo e interno, e alisamento das superfícies externa e interna. Essas operações são feitas em varias passagens em laminadores com mandris e em laminadores calibradores LAMINAÇÃO (rolling)

Processos de Fabricação

Fabricação de tubos por Iaminadores - Laminadores de acabamento.

Processos de Fabricação EXTRUSÃO (extrusion) ➢

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Na fabricação por extrusão, um tarugo maciço do material em estado pastoso, é colocado em um recipiente de aço debaixo de uma poderosa prensa. Em uma única operação, que dura no total poucos segundos, dão as seguintes fases:

a) O embolo da prensa, cujo diâmetro é o mesmo do tarugo, encosta-se no tarugo. b) O mandril, acionado pela prensa, fura completamente o centro do tarugo. c) Em seguida, o embolo empurra o tarugo obrigando o material a passar pelo furo de uma matriz calibrada e por fora do mandril, formando o tubo.

Processos de Fabricação EXTRUSÃO (extrusion)

Fabricação de tubos por extrusão (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.)

Processos de Fabricação EXTRUSÃO (extrusion) ➢

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Para tubos de aço a temperatura de aquecimento é da ordem de 1.200 ºC; as prensas são sempre verticais e o esforço da prensa pode chegar a 1.500 t. Os tubos de aço saem dessa primeira operação curtos e grossos: são levados então, ainda quentes, a um laminador de rolos para redução do diâmetro. Vão finalmente para outros laminadores que desempenam e ajustam as medidas do diâmetro e da espessura das paredes. Fabricam-se por extrusão tubos de aço de pequenos diâmetros (abaixo de 8 cm) e também tubos de alumínio, cobre, latão, chumbo e outros metais não ferrosos, bem como de materiais plásticos.

Processos de Fabricação FUNDIÇÃO (casting) ➢

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Fabricam-se por esse processo, tubos de ferro fundido, de alguns aços especiais não-forjáveis, e da maioria dos materiais não-metálicos, tais como: barro vidrado, concreto, cimento-amianto, borrachas etc. Para os tubos de ferro fundido e de boa qualidade, usa-se a fundição por centrifugação, em que o material líquido é lançado em um molde com movimento rápido de rotação, sendo então centrifugado contra as paredes do molde. O tubo resultante da fundição centrifugada tem uma textura mais homogênea e compacta e também paredes de espessura mais uniforme. Os tubos de concreto armado são também vibrados durante a fabricação para o adensamento do concreto.

Processos de Fabricação TUBOS COM COSTURA ➢ ➢

Tubos de aços-carbono, aços-liga, aços inoxidáveis e ferro forjado, em toda faixa de diâmetros usuais na indústria. Existem duas disposições da costura soldada: longitudinal (ao longo de uma geratriz do tubo) e espiral, sendo a longitudinal a empregada na maioria dos casos.

Processos de Fabricação TUBOS COM COSTURA ➢

• •

Tubos com solda longitudinal – bobina de chapa fina enrolada, ou chapas planas avulsas. bobinas – tubos de pequeno diâmetro chapas planas – tubos de diâmetros médios e grandes.

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A bobina ou a chapa é calandrada no sentido do comprimento ate formar o cilindro.

➢

A circunferência do tubo formado é a largura da bobina ou da chapa.


No caso da solda em espiral, a matéria-prima é sempre uma bobina (para a fabricação continua), para todos os diâmetros, permitindo esse processo à fabricação de tubos de qualquer diâmetro, inclusive muito grandes.

➢

A bobina é enrolada sobre si mesma, sendo a largura da bobina igual a distancia entre duas espiras da solda.


No caso da solda em espiral, a matéria-prima é sempre uma bobina (para a fabricação continua), para todos os diâmetros, permitindo esse processo à fabricação de tubos de qualquer diâmetro, inclusive muito grandes.

➢

A bobina é enrolada sobre si mesma, sendo a largura da bobina igual a distancia entre duas espiras da solda.


Empregam-se também dois tipos de solda:

de topo (butt-weld) usada em todos os tubos soldados por qualquer dos processos com adição de metal, e também nos tubos de pequeno diâmetro soldados por resistência elétrica. •

sobreposta (lapweld) empregada nos tubos de grande diâmetro soldados por resistência elétrica. •

Processos de Fabricação TUBOS COM COSTURA

Fabricação de tubos por solda de resistência elétrica. (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.)

Processos de Fabricação TUBOS COM COSTURA

Fabricação de tubos por solda de resistência elétrica.

Tubos de Aço-Carbono ➢

• • • • • •

Devido ao seu baixo custo, excelentes qualidades mecânicas e facilidade de solda e de conformação, o aço-carbono é o denominado “material de uso geral" em tubulações industriais (80 %):

água doce, vapor de baixa pressão, condensado, ar comprimido, óleos, gases e muitos outros fluídos pouco corrosivos.


Galvanização – Revestimento interno e externo de zinco depositado a quente (resistência à corrosão).

➢

Resistência mecânica - Forte redução em temperaturas superiores a 400 oC, devido principalmente ao fenômeno de deformações permanentes por fluência (creep).

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Scaling – Formação de grossas crostas de óxidos devido a intensa oxidação superficial quando submetido a temperaturas superiores a 530 ºC e exposto ao ar.


% de carbono (C) no aço (0,25 – 0,35%) ↑dureza e limites de resistência e de escoamento; ↓ ductilidade e a ↓ soldabilidade do aço.

➢

% de silício (Si) no aço (até 0,1% ) Sem Si – "efervescentes“ (rimed-steel) Com Si – “acalmados” (killed-steel)

Acalmados têm estrutura metalúrgica mais fina e uniforme, sendo de qualidade superior aos efervescentes. Recomendados para temperaturas acima de 400 ºC, ou inferiores a 0 ºC.

Tubos de Aço-Carbono


Umidade e a poluição do ar → corrosão uniforme (ferrugem),

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Contato direto com o solo → corrosão alveolar penetrante (solos úmidos ou ácidos),

➢

Violentamente atacado por ácidos minerais, principalmente quando diluídos ou quentes.

➢

De um modo geral, os resíduos da corrosão do açocarbono não são tóxicos, mas podem afetar a cor e o gosto do fluido contido.

Tubos de Aço-Carbono ESPECIFICAÇÕES

1. "Tubos Para Condução" (Nomenclatura da "COPANT"), com ou sem Costura (welded and seamless pipes): ASTM-A-106 (American Society for Testing and Materials)

Tubos de Aço-Carbono ESPECIFICAÇÕES

1. "Tubos Para Condução" (Nomenclatura da "COPANT"), com ou sem Costura (welded and seamless pipes): ASTM-A-106 (American Society for Testing and Materials)

Aços-liga E Aços-inoxidáveis Propriedades

Denominam-se "aços-liga" (alloy-steel) todos os aços que possuem qualquer quantidade de outros elementos, além dos que entram na composição dos aços carbono.

aços de baixa liga (low alloy-steel), com até 5% de elementos de liga, aços de liga intermediária (intermediate alloy-steel), contendo entre 5% e 10%, aços de alta liga (high alloy-steel), com mais de 10%.

Aços-liga E Aços-inoxidáveis Propriedades

Os aços inoxidáveis (stainless steel), são os que contém pelo menos 12% de cromo, o que Ihes confere a propriedade de não se enferrujarem mesmo em exposição prolongada a uma atmosfera normal. Todos as tubos de aços-liga são bem mais caros do que os de aço-carbono,

Custo tanto mais alto quanto maior for a quantidade de elementos de liga. (a montagem e soldagem mais cara).

Aços-liga E Aços-inoxidáveis Emprego

➢

Altas temperaturas

➢

Baixas temperaturas

➢

Alta corrosão

Segurança (quentes, inflamáveis, tóxicos, explosivos etc.)

➢

Aços-liga E Aços-inoxidáveis Existem tubos de duas classes gerais de aços-liga: 1. aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio, 2. aços-liga níquel.

Aços-liga E Aços-inoxidáveis Existem duas classes principais de aços inoxidáveis:

1. austeníticos (não magnéticos), (16% a 26% de Cr e 6% a 22% de Ni) 2. ferríticos (magnéticos) (12% a 30% de Cr)

Aços-liga E Aços-inoxidáveis American Iron and Steel Institute – AISI

Aços-liga E Aços-inoxidáveis

Emprego Das Tubulações Industriais CLASSIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS QUANTO AO FLUIDO CONDUZIDO




Emprego Das Tubulações Industriais PRESSÃO E TEMPERATURA DE PROJETO Pressão de Projeto* Definida na Norma ANSI B-31. *Tensão admissível nas condições extremas de projeto (diferente de operação). Condição simultânea de maior severidade.

Temperatura de projeto Correspondente àquela da pressão de projeto eleita. Ex. duas condições distintas 1ª - 800º F e 300 psi Sh= 6500 psi 2ª - 70º F e 900psi Sh= 20000 psi * Escolhe-se a condição mais crítica, na qual a tensão admissível apresenta menor valor. No exemplo colocado, a 1ª condição.

Emprego Das Tubulações Industriais CUSTO DE PROJETO

Emprego Das Tubulações Industriais Especificação para Compra

Emprego Das Tubulações Industriais PROJETO DE TUBULAÇÕES Sequência de serviços em um projeto de tubulações

Utilizando um sistema de CAD (computer aided design) é possível obter desenhos tridimensionais que podem ser ampliados, reduzidos, deslocados e visualizados por vários ângulos (“maquette” eletrônica). o sistema cad pode ser associado a outros aplicativos (softwares) pode executar cálculos de flexibilidade, cálculo de perdas de carga, cálculo de cargas nos suportes, gerenciamento de estoque etc. e passa a se chamar CAE (computer aided engineering)

Emprego Das Tubulações Industriais

CÁLCULOS EM TUBULAÇÕES

Emprego Das Tubulações Industriais DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS) Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPS Definidos pela norma: ANSI B 36.10 - Aços carbono e aços liga, ANSI B 36.19 - Aço inoxidável,

Iron Pipe Sise – IPS Série = 1000 

P S

Ø (1/8” a 36”) Ø (1/8” a 12”)

P = pressão interna psig S = Tensão admissível em psi.

Schedules disponíveis, # 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160. Diâmetros nominais comuns; 1/8”, 1/4”, 3/8”,1/2”, 3/4” , 1”, 1 1/2”, 2”, 3”, 4”, 6”.......26”, 30”e 36”. Menos comuns: 1 1/4” , 2 1/2” , 3 1/2”, 5”.

Obs. Para o mesmo diâmetro externo (diâmetro nominal) tem-se diferentes opções de parede → Diferentes diâmetros internos

A espessura é definida por: série, no , #, ou Schedule (SCH) Schedule number (SCH), “série”, regido pela ANSI B36 -10.

Emprego Das Tubulações Industriais DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS) Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPS Definidos pela norma: ANSI B 36.10 - Aços carbono e aços liga, ANSI B 36.19 - Aço inoxidável,

Iron Pipe Sise – IPS Série = 1000 

P S

Ø (1/8” a 36”) Ø (1/8” a 12”)

P = pressão interna psig S = Tensão admissível em psi.

Schedules disponíveis, # 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160. Diâmetros nominais comuns; 1/8”, 1/4”, 3/8”,1/2”, 3/4” , 1”, 1 1/2”, 2”, 3”, 4”, 6”.......26”, 30”e 36”. Menos comuns: 1 1/4” , 2 1/2” , 3 1/2”, 5”.

Obs. Para o mesmo diâmetro externo (diâmetro nominal) tem-se diferentes opções de parede → Diferentes diâmetros internos

A espessura é definida por: série, no , #, ou Schedule (SCH) Schedule number (SCH), “série”, regido pela ANSI B36 -10.

Emprego Das Tubulações Industriais CÁLCULO DA ESPESSURA DA PAREDE DE TUBOS norma ASME/ANSI B31.3 t m

  P  D   c  2  SE  PY  

Obs, para t ≤ D/4

t = tm - c

Onde: t m = espessura (mínima) de parede (pol) (mm) (psi) MPa P = Pressão interna de projeto (pol) (mm) D = Diâmetro externo (psi) MPa, SE = coeficiente de stress Onde : S, Tensão admissível para o material, excluso qualidade de solda e fator de junta. E, fator de qualidade de fundição ou de solda. Eficiência de solda (para tubos sem costura = 1) Y = Coeficiente de redução (varia com o material e a temperatura). Ex. aço carbono até 480º C , Y=0,4 c = Soma de sobre-corrosão, erosão,...profundidade de roscas, Obs. 1- Dimensões espessura de rosca ANSI B2.1 2- Se a tolerância não for especificada adotar 0.02” (0,5mm)

Emprego Das Tubulações Industriais Exercício 1

Calcular a espessura mínima necessária para um tubo de diâmetro nominal 8” (8,625, Ø externo (tabela) aço carbono s/ costura, tensão admissível na temperatura de projeto de 12.350 psi, pressão de projeto de 800 psi, temperatura de projeto 600º F, com sobrespessura de corrosão c = 0,05”. Considere uma segurança adicional de 12,5 % no projeto.

Emprego Das Tubulações Industriais Exercício   800 8,625  0,05 = 0,322” t    212350*1  800 0,4 

*ASTM A 53 A (S =12350)

Obs. Ver tensão admissível Perry 6ª ed. Item 23 Aplicando uma tolerância de 12,5 % 1,125 x 0,322 = 0,362” Para atender a esta espessura, Tubo

# 80 espessura = 0,500” # 60 = 0,406” # 40 = 0,322”

Para ANSI A – 53 B ( S =15500)...... t = 0,268” → tm = 0,301 “ Neste caso, a série # 40 atenderia, pois tem espessura de 0,332”

Emprego Das Tubulações Industriais Analisando o efeito da força gerada pela dilatação térmica P

P

A

A 



E

 S

tensão interna (kg/cm2)

P = S. A

Temos que: 

L

L



e

dilatação unitária (cm/cm)

Logo, a equação acima poderá ser escrita S

 E

,ou então

e

S = e .E

P =empuxo sobre os pontos de fixação (Kg ou T) A = área da seção transversal (cm 2) δ = dilatação livre do tubo (cm)

L = comprimento do tubo (cm) E = módulo de elasticidade do material (kg/cm2)

Emprego Das Tubulações Industriais TENSÃO MÁXIMA EM UM TUBO DE ESPESSURA t , SUBMETIDO A UMA PRESSÃO P.

S 

P

1,125 D  Y 2,25 c  2t  2  E (t 1,0125 c)

Cálculo do diâmetro ➢

A avaliação do diâmetro de uma tubulação depende da energia disponível na linha e da perda de carga.

ENERGIA DISPONÍVEL



PERDA DE CARGA

Cálculo do diâmetro



➢ Compara-se

o valor da perda de carga total ( J ) com os valores obtidos nas equações ( I ) ou ( II ).

3 - Cálculo do diâmetro Comprimento dos trechos retos de tubo: L1 = 4 m, L2 = 88 m, L3 = 75 m, L4 = 7 m. Valor máximo da vazão: Q = 200 m3/hora. Cotas de elevação: (ponto 1) H1 = 0,85 m (ponto 2) H2 = 13,7 m. Pressão de saída da bomba: P1 = 45 psig ≅ 310 kPa. Altura máxima do líquido no reservatório: hr = 9 m. Pressão máxima no reservatório: Pr = 10 psig ≅ 69 kPa. Peso específico do fluido: γ = 9,5 N/dm3. Viscosidade cinemática: ν = 550 cSt [10-6m2/s] Iniciar com Ø 10”, série 40; d=254,5 mm.

2 - Cálculo do diâmetro a) Cálculo de H1, H2, P1 e P2 H1 = 0,85 m, H2 = 13,7 m, P1 = 310 kPa P2 = Pr + γ hr → 69000 N/m 2 + 9,5x103 N/m3 x 9 m = 154500 N/m2 → 154,5 kPa b) Cálculo da diferença ENERGIA DO LÍQUIDO NO PONTO 1

ENERGIA DO LÍQUIDO NO PONTO 2

2 - Cálculo do diâmetro c) Cálculo do comprimento equivalente

Comprimentos dos trechos retos = 4 + 88 + 75 + 7 = 174,00 m Comprimento equivalente da tubulação

L

= 174,00 + 52,80 = 226,80 m

2 - Cálculo do diâmetro d) Cálculo da perda de carga d.1 – Cálculo do Número de Reynolds

Como o regime é laminar, usaremos a equação de Poiseuille (em regime turbulento pode-se utilizar a equação de Darcy).

2 - Cálculo do diâmetro d) Cálculo da perda de carga d.2 – Cálculo da perda de carga (Utilizando a fórmula de Poiseuille)

Energia disponível

4,15 m

<

Perda de carga

6,86 m

OBSERVA-SE QUE A PERDA DE CARGA É MAIOR QUE A DIFERENÇA DE ENERGIA CALCULADA NO ITEM b , E CONSEQÜENTEMENTE O DIÂME DIÂMETRO TRO ARBIT ARBITRAD RADO O É INSUF INSUFICI ICIENT ENTE. E.

2 - Cálculo do diâmetro e)

novo valor de diâmetro (Ø 12” série 30 – espessura de parede próxima ao série 40 de Ø 10”)

Energia disponível

4,15 m

>

Perda de carga

3,41 m

3 - Cálculo do diâmetro Vazão máxima: Q = 9 litros/s Comprimentos dos trechos retos: L1 = 59,5 m L2 = 2,30 m Diferença de nível: Ha = 2,60 m Bocal da bomba: Ø 2 ½”

Peso específico (Gasolina): γ =7,8 N/dm3

Viscosidade: ν = 6 cSt

Pressão de vapor a 25°C: Pv = 35,2 kPa NPSH requerido na entrada da bomba: 1,9 m Considerar Ø 4” (d=102,3 mm ), ε = 0,48 mm (rugosidade absoluta).

3 - Cálculo do diâmetro a) Cálculo do comprimento equivalente (Ø 4”, série 40; d=102,3 mm )

Comprimentos dos trechos retos = 59,50 + 2,30 = 61,80 m Comprimento equivalente da tubulação L = 61,80 m + 18,50 = 80,30 m

3 - Cálculo do diâmetro b) Cálculo da perda de carga b.1 – Cálculo do Número de Reynolds

Regime turbulento : Utilizaremos a equação de Darcy

3 - Cálculo do diâmetro

3 - Cálculo do diâmetro b) Cálculo da perda de carga b.2 – Cálculo da perda de carga

3 - Cálculo do diâmetro c) Cálculo da expressão

Energia disponível

>

Perda de carga

1,64 m 2,68 m OBSERVA-SE QUE A PERDA DE CARGA É MENOR QUE O VALOR CALCULADO NO ITEM c, E CONSEQÜENTEMENTE O DIÂMETRO

Trabalho ( 0,5 pontos)

1) No exercício anterior, como a diferença entre os valores calculados é significativa Pode ser conveniente, por motivo econômico, Refazer os cálculos com um diâmetro menor.

Data de entrega

19/03/2018

Aula 02 - Tubulações

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