NOÇÕES DE HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA Autor: Dirceu Silveira Sampaio
NOÇÕES DE HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA
Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS. Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS". Órgão gestor: E&P-CORP/RH
NOÇÕES DE HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA Autor: Dirceu Silveira Sampaio
Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Reconhecer os conceitos básicos da mecânica dos fluidos aplicáveis aos sistemas hidráulicos e pneumáticos; • Relacionar os conceitos de hidráulica e pneumática às atividades práticas de operação e manutenção.
Programa Alta Competência
Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais na Companhia. É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência
Como utilizar esta apostila
Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.
ATERRAMENTO DE SEGURANÇA
Autor
Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identificar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.
Objetivo Geral
O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.
Capítulo 1
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Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Ao final desse capítulo, o treinando poderá:
• Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.
No final de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.
a maior fonte sária, além das ole, a obediência nça.
Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Alta Competência
mo está relacionada a
e do tipo de es durante toda na maioria das mantê-los sob is, materiais ou
Objetivo Específico
• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos;
1.6. Bibliografi a Exercícios 1.4.
1.7. Gabarito
CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas 1) Que relação podemos estabelecer entre elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – aterramento de segurança? Elétrica, 2007.
1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?
riscos elétricos e
O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.
_______________________________________________________________ COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. _______________________________________________________________ Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.
2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:
Apresentamos, seguir, trechos de Normas Técnicas que Norma Petrobras N-2222. 2) Projeto de aterramentoa de segurança em unidades marítimas. Comissão de abordam Normas Técnicas - CONTEC, 2005. os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos.
A) Risco de incêndio e explosão
Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme,
Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação o caso: Brasileira de Normas Técnicas, 2005.
A) Risco Proteção de incêndio e explosão B) Risco Norma Brasileira ABNT NBR-5419. de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. ( )
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Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
de contato
“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”
(A)
“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”
(B)
“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”
(A)
“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”
“Todas as partes das instalações elétricas devem ser
Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em projetadas e executadas de modo que seja possível eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008. elétrico e todos os outros tipos de acidentes.” NFPA 780. Standard for the Installation Protection Systems. National ( ) of Lightining “Nas instalações elétricas de Fire Protection Association, 2004.
áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção,
como alarme e seccionamento automático para Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai.sobretensões, 2008. prevenir sobrecorrentes, falhas de
B) Risco de contato
(B)
21
Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas
isolamento, aquecimentos ou Mundo Educação. Disponível em: - Acessoanormais em: 20 mai. 2008. de operação.”
outras condições
( ) “Nas partes das instalações elétricas Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.
( )
3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:
sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”
(V)
O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.
(F)
Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.
(V)
Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.
“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas
(V)
Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.
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3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança
T
odas as Unidades de Exploração e Produção possuem um plano de manutenção preventiva de equipamentos elétricos (motores, geradores, painéis elétricos, transformadores e outros).
A cada intervenção nestes equipamentos e dispositivos, os Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas mantenedores avaliam a necessidade ou não da realização de inspeção definos nições disponíveis glossário. sistemasestão de aterramento envolvidosno nestes equipamentos.Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente Para que o aterramento de segurança possa cumprir corretamente o identifi cados, pois estão em destaque. seu papel, precisa ser bem projetado e construído. Além disso, deve ser mantido em perfeitas condições de funcionamento.
Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.
49
3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais verificados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 define o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.
Alta Competência
Capítulo 3. Problemas operaciona
3.4. Glossário
3.5. Bibliografia
Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica.
CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIAN elétricos - inspeção e medição da re Elétrica, 2007.
Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica.
COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos – Curso técnico de segurança do trab
Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.
NFPA 780. Standard for the Installation Fire Protection Association, 2004.
Norma Petrobras N-2222. Projeto de marítimas. Comissão de Normas Técn
Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instala Brasileira de Normas Técnicas, 2005.
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Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Pr atmosféricas. Associação Brasileira d
Norma Regulamentadora NR-10. Seg eletricidade. Ministério do Trabalho www.mte.gov.br/legislacao/normas_ em: 14 mar. 2008.
86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115
Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao final de cada capítulo.
Alta Competência
NÍVEL DE RUÍDO DB (A)
1.6. Bibliografia
1.7. Gabarito
CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007.
1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?
COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.
2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:
Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.
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Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança
Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008.
O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.
A) Risco de incêndio e explosão
B) Risco de contato
(B)
“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”
(A)
“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”
(B)
“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”
NFPA 780. Standard for the Installation of Lightining Protection Systems. National Fire Protection Association, 2004.
Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Educação. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.
(A)
“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”
3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir: (V)
O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.
(F)
Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.
(V)
Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.
(V)
Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.
(F)
A queimadura é o principal efeito fisiológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.
A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado Alta deCompetência um determinado item do capítulo.
É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.
?
Os riscos VOCÊ elétricosSABIA? de uma instalação são divididos em dois grupos principais:
14
MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos
Uma das principais substâncias removidas em poços de
petróleo pelo pig de limpeza é adas parafina. questões Devido às “Importante” é um lembrete essenciais do baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode conteúdo tratadovirno capítulo. a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar
85 86 87 88 89 90 91 92 93 25 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115
Capítulo 1. Riscos elét
Trazendo este conhecimento para a realid observar alguns pontos que garantirão o incêndio e explosão nos níveis definidos pela durante o projeto da instalação, como por ex
• A escolha do tipo de aterramento fu ao ambiente;
• A seleção dos dispositivos de proteção
• A correta manutenção do sistema elét
O aterramento funcional do sist como função permitir o funcion e eficiente dos dispositivos de pro sensibilização dos relés de proteçã uma circulação de corrente para a por anormalidades no sistema elétr
ao da arteriosclerose.
Observe no diagrama a seguir os principais ris à ocorrência de incêndio e explosão:
1.1. Riscos de incêndio e explosão ImpOrTANTE! Podemos definir os riscos de incêndio e explosão da seguinte forma: É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na Situações associadas à presença de sobretensões, sobrecorrentes, sua Unidade. Informe-se junto a ela! fogo no ambiente elétrico e possibilidade de ignição de atmosfera potencialmente explosiva por descarga descontrolada de eletricidade estática.
ATENÇÃO Os riscos de incêndio e explosão estão presentes em qualquer instalaçãoÉ e muito seu descontrole se traduz em os danos importante que principalmente você conheça específicosoperacional. para passagem de pig pessoais, procedimentos materiais e de continuidade em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.
rESUmINDO...
Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas
7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos
ao da arteriosclerose.
ImpOrTANTE! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!
ATENÇÃO
Já a caixa de destaque é uma É muito “Resumindo” importante que você conheça os versão compacta procedimentos específicos para passagem de pig dos principais pontos no capítulo. em poços abordados na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.
rESUmINDO...
?
MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos tricos e o aterramento de segurança 8 minutos 7 minutos
de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!
ATENÇÃO É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.
rESUmINDO...
Recomendações gerais
• Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs;
uncional mais adequado
• Lançadores e recebedores deverão ter suas
Aproveite este material para o seu desenvolvimento profissional!
o e controle;
trico.
scos elétricos associados
Em “Atenção” estão destacadas as informações que não ImpOrTANTE! devem ser esquecidas. É muito importante que você conheça os tipos de pig
Todos os recursos• Antes didáticos presentes nesta apostila têm do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo.
dade do E&P, podemos controle dos riscos de as normas de segurança xemplo:
tema elétrico tem namento confiável oteção, através da ão, quando existe a terra, provocada rico.
Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o VOCÊ SABIA? interior do lançador; Uma das principais substâncias removidas em poços de • Apóspelo a retirada um pig, inspecione internamente petróleo pig dede limpeza é a parafina. Devido às baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula o recebedor de pigs; nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode • Lançadores e recebedores deverão ter suas vir a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar ao da arteriosclerose.
15
Sumário Introdução
17
Capítulo 1 - Conceitos básicos Objetivos 1. Conceitos básicos 1.1. Propriedades dos fluidos
19 21 21
1.1.1. Massa específica 1.1.2. Peso específico 1.1.3. Densidade 1.1.4. Pressão 1.1.5. Viscosidade
22 22 23 23 24
1.2. Hidrostática 1.2.1. Pressão atmosférica 1.2.2. Pressão hidrostática
1.3. Vazão e velocidade 1.3.1. Vazão 1.3.2. Velocidade 1.3.3. Fluxo
1.4. Exercícios 1.5. Glossário 1.6. Bibliografia 1.7. Gabarito
25 26 27
28 29 30 31
33 35 36 37
Capítulo 2 - Hidráulica Objetivos 2. Hidráulica 2.1. Fundamentos da Hidráulica
39 41 42
2.1.1. Força e pressão 2.1.2. Potência hidráulica
42 45
2.2. Principais componentes de um circuito hidráulico 2.2.1. Bombas hidráulicas 2.2.2. Cilindros e motores hidráulicos 2.2.3. Válvulas 2.2.4. Acumuladores hidráulicos 2.2.5. Fluidos e circuitos hidráulicos
2.3. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos
46 47 57 63 73 79
86
2.4. Principais cuidados na manutenção 2.4.1. Vazamentos 2.4.2. Desgaste de bomba pneumática 2.4.3. Perda de pressão de pré-carga nos acumuladores 2.4.4. Emperramento das válvulas direcionais hidráulicas
2.5. Cuidados nas instalações e partidas de unidades hidráulicas 2.5.1. Retirada da embalagem e inspeção visual 2.5.2. Colocação da unidade na base 2.5.3. Pré-partida do sistema hidráulico 2.5.4. Pré-partida do sistema elétrico 2.5.5. Partida da unidade 2.5.6. Flushing (limpeza) das linhas
2.6. Limpeza de sistemas hidráulicos 2.6.1. Análise da limpeza do fluido 2.6.2. Norma de limpeza 2.6.3. Técnicas de montagem e desmontagem 2.6.4. Alguns cuidados na manutenção
2.7. Exercícios 2.8. Glossário 2.9. Bibliografia 2.10. Gabarito
87 87 87 87 88
88 89 90 90 91 91 92
92 93 94 94 95
97 100 102 103
Capítulo 3 - Pneumática Objetivos 3. Pneumática 3.1. Pneumática - fundamentos 3.1.1. Propriedades físicas do ar 3.1.2. Lei de Bernouille
3.2. Compressão 3.2.1. Compressores – tipos
3.3. Preparação do ar comprimido 3.3.1. Tratamento da umidade 3.3.2. Resfriador posterior 3.3.3. Reservatório de ar comprimido 3.3.4. Secadores por refrigeração 3.3.5. Secador por absorção 3.3.6. Secador por adsorção
3.4. Distribuição do ar comprimido 3.4.1. Redes de distribuição 3.4.2. Configurações de redes 3.4.3. Implementação da rede 3.4.4. Drenagem de umidade 3.4.5. Unidades de condicionamento (filtros reguladores)
105 107 107 108 109
110 110
116 116 117 118 120 121 121
123 123 124 125 126 126
3.5. Principais componentes de um circuito pneumático 3.5.1. Válvulas pneumáticas 3.5.2. Cilindros e motores pneumáticos 3.5.3. Circuitos pneumáticos - elaboração e interpretação
3.6. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos e pneumáticos 3.7. Defeitos mais freqüentes dos sistemas pneumáticos 3.7.1. Vazamentos 3.7.2. Desgaste dos compressores 3.7.3. Saturação de secadoras de ar 3.7.4. Queima de solenóides das válvulas direcionais
128 128 129 130
134 135 135 135 135 136
3.8. Cuidados nas instalações e manutenções de unidades pneumáticas 136 3.8.1. Montagem 3.8.2. Teste de pressão
3.9. Limpeza de sistemas pneumáticos 3.10. Exercícios 3.11. Glossário 3.12. Bibliografia 3.13. Gabarito
137 137
138 139 142 143 144
Introdução
N
o mundo atual, vivemos em uma era de contrastes no que diz respeito às escalas e dimensões envolvidas nos processos produtivos. Sob influência da nanotecnologia - cuja unidade de medida é o nanômetro, que corresponde a um bilionésimo de metro - os equipamentos usados na instrumentação e nos sistemas de interface com os técnicos de operação são cada dia mais compactos, necessitando de cada vez menos energia para seu funcionamento. Por outro lado, em função das crescentes demandas dos processos produtivos, principalmente na indústria de petróleo e gás, os elementos finais de controle são cada vez maiores, requerendo mais energia para seu funcionamento.
17 Sistemas de potência precisam ser construídos de forma a preencher a lacuna que se abre entre as duas extremidades de controle. Isso permite que os comandos dados através dos supervisórios de baixa potência efetivamente atuem nos equipamentos de grande porte e alto consumo energético existentes no campo. Atualmente, são utilizadas quatro formas de gerar e transmitir energia: a mecânica, a elétrica, a hidráulica e a pneumática. As duas primeiras são nossas velhas conhecidas. A mecânica move nossos carros; elétrica alimenta nossas casas. Elas também estão presentes em diversas aplicações nos processos industriais. Já o uso dos sistemas hidráulicos e pneumáticos sob pressão como meio de geração e transmissão de energia é relativamente recente. Seu desenvolvimento foi posterior à Primeira Guerra. Na área industrial, em especial na de petróleo, esses sistemas estão entre as principais fontes de energia para acionamento de válvulas, sobretudo nas plantas de processo. Assim, é importante conhecer os conceitos básicos de Hidráulica e Pneumática envolvidos nos sistemas de fornecimento e transmissão de energia, com vasta gama de aplicações na Petrobras.
RESERVADO
RESERVADO
Capítulo 1 Conceitos básicos
Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Enumerar as propriedades dos fluidos; • Distinguir pressão atmosférica e pressão hidrostática; • Identificar as principais grandezas envolvidas nas áreas de Hidráulica e Pneumática; • Identificar as expressões matemáticas envolvendo a Hidrostática.
RESERVADO
Alta Competência
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RESERVADO
Capítulo 1. Conceitos básicos
1. Conceitos básicos
T
oda vez que se lida com algum elemento, é necessário conhecer seu comportamento e a propriedade para que se possa fazê-lo de forma segura.
Para um eletricista, é importante conhecer o comportamento dos elétrons e as suas propriedades; se o trabalho estiver relacionado à área nuclear, é fundamental conhecer o comportamento das radiações. Da mesma forma, deve-se conhecer o comportamento dos fluidos para atuar com segurança em circuitos hidráulicos ou pneumáticos. A mecânica dos fluidos é a ciência que estuda os seus comportamentos, subdividida em duas áreas básicas: a hidrostática, que estuda os fluidos em equilibrio estático, ou seja, em repouso, e a hidrodinâmica, que estuda os fluidos em movimento. De forma parecida, a Hidráulica compõe essas duas ciências estudando o comportamento dos fluidos em movimento e em repouso, porém em suas aplicações práticas.
1.1. Propriedades dos fluidos São classificadas como fluidos as substâncias capazes de escoar e tomar a forma de seus recipientes. O primeiro exemplo de fluido que vem à mente é a água, no estado líquido, porém, os fluidos podem ser divididos em: • Líquidos: fluidos praticamente incompressíveis que ocupam volumes definidos e possuem superfícies livres; • Gases: fluidos compressíveis e capazes de se expandir até ocupar todas as partes do recipiente. Os fluidos apresentam diferentes propriedades. Sendo assim, é importante destacar o peso específico, a massa específica, a densidade, a pressão e a viscosidade, por serem os mais importantes para o estudo de sistemas hidráulicos e pneumáticos de aplicação prática.
RESERVADO
21
Alta Competência
Dependendo do tipo de fluido e da sua aplicação, cada propriedade poderá ter um papel fundamental, secundário ou inócuo. Por exemplo, na dinâmica dos líquidos, a massa específica e a viscosidade ocupam papel primordial por interferirem diretamente em sua forma de escoamento. No caso dos gases, os princípios da termodinâmica serão determinantes em função da sua compressibilidade, que é a capacidade de ser comprimido. 1.1.1. Massa específica É a massa de uma unidade de volume de uma substância, e é representada por ρ. Por exemplo, o litro como unidade de volume, pode-se dizer que a massa específica da água é de 1kg/l a 4oC. ρ = massa / volume
22
A massa específica de uma substância é dimensional, ou seja, uma grandeza que precisa ser expressa com a sua unidade (kg/l, g/cm3, ton/m3 etc...) e não deve ser confundida com a densidade que é uma grandeza adimensional, ou seja, que não pode ser expressa por uma unidade de medida. A massa específica deve ser sempre referenciada a uma temperatura em função da dilatação ocorrida nos materiais quando aquecidos, o que altera sua massa específica. 1.1.2. Peso específico Peso é uma força exercida pela ação da gravidade sobre uma massa, logo peso é igual à força, portanto peso específíco é força por unidade de volume. Se um indíviduo tem uma massa de 60 quilogramas, ele exercerá sobre o solo uma força de aproximadamente 600 N (60 Kg . 10 m/s2).
RESERVADO
Capítulo 1. Conceitos básicos
Assim, peso específico de uma substância é o peso de uma unidade de volume dessa substância e é representado por w: w = peso/volume 1.1.3. Densidade A densidade de um corpo é o número adimensional que representa a relação de peso da unidade de volume de uma substância comparada ao peso da mesma unidade de volume de uma substância tomada como padrão. Normalmente, a substância padrão utilizada para sólidos e líquidos é a água porque seu peso específico, quando expresso em Kgf/l (quilograma-força por litro), equivale a 1 (um) .
23 1.1.4. Pressão A pressão é definida como a razão entre a força exercida sobre uma superfície e a área dessa superfície. Pressão = Força / Área Isso significa que quanto maior for a área onde se aplica uma determinada força, menor será a pressão obtida. Ao contrário, quando a mesma força é aplicada sobre uma área cada vez menor, maior será a pressão obtida. Dessa forma, a pressão obtida a partir de uma força constante é inversamente proporcional à área. Se for considerada a relação anterior, sob o ponto de vista da pressão constante exercida sobre uma determinada área, a força obtida será proporcinal à área. Em um fluido a pressão é transmitida com igual intensidade em qualquer direção. Quando a pressão é exercida sobre uma área surge uma força sempre perpendicular a ela, expressa pela fórmula (F = P . A).
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ATENÇÃO Pressão absoluta é aquela referenciada ao vácuo, ou seja, à ausência de atmosfera. Pressão manométrica é aquela usual e que está referenciada à pressão atmosférica local (mede-se com um manômetro).
1.1.5. Viscosidade
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A viscosidade expressa a resistência ao escoamento exercida por um fluido quando submetido a uma força externa, logo, fluidos ditos de alta viscosidade exercem grande resistência ao escoamento, enquanto os de baixa viscosidade exercem pouca ou quase nenhuma resistência ao escoamento. Pode ser considerada como a força de atrito interna do fluido que aparece quando uma camada de fluido é forçada a se mover em relação à outra. A viscosidade de um fluido determina o seu perfil de velocidade dentro de uma tubulação e, portanto, tem influência direta sobre o cálculo de sua vazão. O conceito de viscosidade foi definido por Isaac Newton a partir das tensões de cisalhamento provocadas pela movimentação de uma camada de fluido sobre a outra, ou seja pelas forças internas de atrito. Em seu estudo, assumiu que a viscosidade seria independente do tempo para um mesmo fluido e também não deveria variar em função da intensidade das tensões de cisalhamento aplicadas. Dessa forma, quando o fluido possui viscosidade, independente do tempo e da tensão de cisalhamento aplicada para uma determinada temperatura, chama-se Newtoniano. Sempre se consideram Newtonianos os fluidos usados nos circuitos hidráulicos.
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Capítulo 1. Conceitos básicos
A unidade SI (Sistema Internacional) de viscosidade, ou viscosidade absoluta, é o Pascal Segundo ou Poiseuille (não confundir com o poise). A unidade de Poiseuille é Newton segundo por metro quadrado (N.s/m2). a) Viscosidade cinemática Define-se como viscosidade cinemática a divisão da viscosidade absoluta de um fluido pela sua densidade. Como existem diferentes tipos de viscosidade, existe certa confusão no que diz respeito às unidades de viscosidade. A unidade de viscosidade cinemática no SI é o metro quadrado/ segundo, ou m2/s. A unidade de viscosidade cinemática não SI é o stoke (St) com dimensão de cm2/s. Na prática, o mais utilizado é o seu submúltiplo, o centistoke.
25 b) Viscosidade dinâmica A viscosidade dinâmica (1 poise) é definida como uma força tangencial de 1 d/cm2, resistindo à vazão de duas lâminas móveis e paralelas do fluido, com velocidade diferencial de 1 cm/s, separadas entre si por um centímetro. Como o poise é muito grande, usa-se normalmente seu submúltiplo, o centipoise. O poise é a unidade não SI de viscosidade dinâmica.
1.2. Hidrostática A palavra hidrostática é formada pelo radical “hidro”, que significa água e “statica”, que significa imóvel. A partir dessa análise, pode-se conceituar hidrostática como a parte da Física que estuda os líquidos em repouso ou o equilíbrio estático. A referência à água deve-se ao fato de que é a substância mais abundante na natureza. A partir dela, todos os conceitos começaram a ser definidos.
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1.2.1. Pressão atmosférica O planeta Terra é envolvido por uma camada de ar que se chama atmosfera. O ar é composto por um conjunto de gases e, portanto, constitui “matéria” e possui peso (força). O peso do ar exerce pressão sobre a superfície terrestre, que é denominada pressão atmosférica. Atmosfera
Terra
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A camada de gases que envolve a Terra é chamada de ar atmosférico ou simplesmente atmosfera. A pressão atmosférica foi determinada pela primeira vez pelo físico italiano Torricelli (1608-1647), discípulo de Galileu, que realizou a seguinte experiência: Ele encheu um tubo de vidro com mercúrio e emborcou a extremidade, tampada com o dedo, dentro de uma cuba contendo o mesmo líquido. Ao destampar o tubo, verificou que o mercúrio do tubo descia até a altura de 76 cm. Torricelli concluiu, então, que a pressão atmosférica equivale à pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura. Vácuo
76 cm
Coluna de mercúrio
A pressão da atmosfera que age sobre a superfície livre do líquido (mercúrio), equilibra uma coluna de mercúrio de 76 cm de altura.
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Capítulo 1. Conceitos básicos
Torricelli determinou, então, uma unidade de pressão, expressa em mmHg (milímetros de mercúrio). Assim: 1 atmosfera (atm) = 760 mmHg 1.2.2. Pressão hidrostática Já é sabido que os fluidos sempre se ajustam ao formato do seu recipiente. Mesmo a água, na natureza, toma a forma do oceano, do lago ou do rio. E assim como acontece com o ar na atmosfera, seu peso exerce sobre a superfície desse recipiente, rio ou lago, uma pressão que é chamada de pressão hidrostática. Pode-se observar, intuitivamente, que quanto mais fundo se mergulha um objeto em um fluido qualquer, maior será a massa de fluido acima do objeto mergulhado. Portanto, maior será o peso desse fluido sobre a superfície de tal objeto. Isso indica que maior será a pressão exercida pelo fluido sobre o objeto.
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VOCÊ SABIA? Muitos submarinos, durante a Segunda Guerra Mundial, ao tentarem escapar de seus inimigos, foram esmagados quando desceram a profundidades superiores a sua capacidade.
A relação entre pressão do fluido e profundidade é determinada pelo Princípio Fundamental da Hidrostática (Lei de Stevin), segundo o qual a pressão em um ponto qualquer no interior de um líquido é proporcional à massa específica (ρ) do líquido, à aceleração da gravidade local (g) e à altura (h) da coluna de líquido acima do ponto considerado. Isto é: p = ρ.g.h
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Observe que a expressão anterior se refere apenas à coluna de líquido. Não se pode esquecer que acima dela existe ainda a pressão atmosférica. Quando se trabalha com pressões manométricas referenciadas à pressão atmosférica local, estas já expressam diretamente a pressão manométrica naquela profundidade. Entretanto, para obter a pressão absoluta em uma determinada profundidade de líquido, deve-se somar a pressão atmosférica, alterando a expressão para: p = patm + ρ.g.h Veja como a teoria se aplica na prática: Um recipiente de forma cilíndrica, hermeticamente fechado, possui 1L de água em seu interior. Sabendo que a altura do cilindro é de 30cm, determine a pressão que a água exerce no fundo do recipiente.
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Bem, sendo o cilindro hermeticamente fechado, supõe-se que a pressão atmosférica não aja diretamente sobre o fluido (água). Dessa forma, a pressão no interior do cilindro será dada apenas pelo peso da água em cada ponto. Sendo assim: p = ρ.g.h = 1000 kg/m3 . 10m/s2 . 0,3m = 3000 N/m2 supondo g = 10 m/s2 e ρ = 1000 kg/m3 Observe que o formato do recipiente foi absolutamente irrelevante, pois a única coisa que importa é a altura da coluna de líquido acima do ponto onde se quer calcular a pressão.
1.3. Vazão e velocidade A produtividade de um poço de petróleo é indicada através da vazão de certa quantidade de barris de petróleo por dia. Mas, o que vem a ser vazão e como pode ser medida?
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Capítulo 1. Conceitos básicos
1.3.1. Vazão A vazão de um fluido pode ser definida como o volume de fluido que escoa, por uma unidade de tempo. Isso significa que a vazão é a rapidez com que um volume escoa. Ou seja: Vazão (Q) = Vol / t
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VOCÊ SABIA? A exploração da Bacia de Campos começou no final de 1976. O primeiro poço foi o 1-RJS-9-A, que deu origem ao campo de Garoupa. Mas a exploração comercial da Bacia de Campos só começou em agosto de 1977, com o poço 3-EM-1-RJS, no campo de Enchova. Esse poço tinha vazão de 10 mil barris/dia.
Plataforma Cidade de Armação dos Búzios acoplada à plataforma fixa de Garoupa, na bacia de Campos. Esta é uma plataforma do tipo SMU (Safety Maintenance Unity), que atua ao mesmo tempo como um Flotel (hotel flutuante) e uma unidade de apoio e manutenção de plataformas. São adotadas para o cálculo, em geral, as seguintes unidades de medida: m³/s (metro cúbico por segundo); m3/h (metro cúbico por hora); l/s (litro por segundo) ou l/h (litro por hora).
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1.3.2. Velocidade Embutido no conceito de vazão, “um volume que escoa ou que se desloca no tempo”, percebe-se, intuitivamente, um conceito de movimento associado. Se um objeto qualquer se desloca por uma distância x em um tempo t, pode-se determinar sua velocidade: V=x/t V (velocidade) = x (distância)/ t (tempo) Com isso, é possível estabelecer que se um fluido está escoando, suas partículas estão em movimento e possuem velocidade e, portanto, todo o fluido escoando está em movimento e em velocidade.
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A velocidade nem sempre é a mesma para todas as partículas do fluido, nem mesmo possuem a mesma direção. Essa variação se dá tanto em valor (módulo) quanto em direção, uma vez que a velocidade pode ser definida como uma grandeza vetorial. Entretanto, se o fluido escoa em um duto, seja ele aberto ou fechado, possuirá uma velocidade média em cada ponto. Essa velocidade média é a velocidade considerada para o cálculo da vazão. Além disso, apenas sua parcela ortogonal à seção reta por ela atravessada é utilizada. Agora, supondo que um duto qualquer por onde escoe um fluido, num ponto em que possua uma seção reta de área A, a vazão do fluido poderia ser considerada como correspondente ao produto da área da seção transversal atravessada pelo fluido pelo valor (módulo) da velocidade média com que ele a atravessa. Dessa forma, se um fluido incompressível, ou seja, que não altera o seu volume com a pressão, atravessa uma área qualquer de um duto fechado (uma tubulação, por exemplo), em um determinado intervalo de tempo, nesse mesmo intervalo de tempo, um volume igual irá atravessar qualquer outra área do duto, mesmo se esta não for idêntica a anterior.
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Capítulo 1. Conceitos básicos
Isso significa que: • A vazão de um fluido incompressível (água, por exemplo) em um duto forçado (tubulação, por exemplo) será sempre constante, em qualquer ponto do duto; • Se a área do duto variar, a velocidade do fluido irá variar inversamente, de forma a manter a vazão constante. 1.3.3. Fluxo Considerando velocidade como uma grandeza vetorial, pode-se criar outro vetor, que é chamado de fluxo, composto pelo produto do vetor velocidade pela área por ele atravessada. Chega-se a um “valor”, dimensionalmente igual ao da vazão (m3/h), porém associado a uma direção.
31 Quando se fala de volume de um fluido que passa por uma unidade de tempo em uma tubulação, identifica-se a vazão. Importante! Quando se quer saber qual o sentido em que o fluido se movimenta, usa-se o termo “sentido de fluxo”, e jamais sentido de vazão, porque a vazão é uma grandeza apenas modular, enquanto o fluxo é uma grandeza vetorial que possui um módulo e uma direção. Embora constitua um fenômeno que participa com freqüência do nosso cotidiano, o escoamento dos fluidos é um tema bastante complexo e nem sempre sujeito à análise matemática exata, uma vez que cada elemento do fluido pode estar sujeito a diferentes vazões e acelerações.
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Por ora, o estudo se concentrará apenas no caso de dutos forçados, que se aplica às plantas de processos. Neste caso, o vetor velocidade do fluido pode assumir diferentes módulos e direções em cada ponto de uma mesma seção reta do duto. Em alguns pontos, o vetor velocidade pode estar até apontando contrariamente à direção de fluxo. Considera-se o escoamento em dutos forçados como unidirecional, porque a soma de todos os vetores de velocidade em uma mesma seção reta aponta na direção do fluxo.
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Capítulo 1. Conceitos básicos
1.4. Exercícios 1) Um mergulhador consulta seu manômetro de pulso que indica a pressão absoluta de 1,6x105 N/m2. Antes do mergulho, ele verificou a pressão atmosférica local e anotou o valor de 1x105 N/m2. A que profundidade se encontra esse mergulhador? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 2) Complete as lacunas a seguir: a) O ___________________de uma substância é o peso de uma unidade de volume dessa substância e é representado por w, sendo w = peso/volume. b) ____________________de uma substância é a massa de uma unidade de volume da substância e é representada por ρ, sendo ρ = massa / volume. c) A ___________________ expressa a resistência que o fluido exerce ao escoamento, quando submetido a uma força externa. d) Define-se a _____________________como o volume, por unidade de tempo, que escoa através de determinada seção transversal de um conduto livre ou de um conduto forçado. e) A __________________varia em diversos pontos da mesma seção reta. Essa variação se dá tanto em valor quanto em direção.
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3) Leia as definições a seguir e complete corretamente com “pressão hidrostática” ou “pressão atmosférica”: É o peso do ar exercendo pressão sobre a superfície terrestre. É a pressão exercida por um fluido sobre um corpo nele mergulhado.
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Capítulo 1. Conceitos básicos
1.5. Glossário Atrito - força que inibe o deslizamento de objetos, agindo no sentido oposto ao deslizamento. Centistoke - unidade de viscosidade cinemática (submúltiplo do stoke). Fluido - corpo cujas moléculas são tão pouco aderentes entre si que deslizam umas sobre as outras, tomando o corpo, sem consistência, a forma do vaso que o contém. Grandeza vetorial - grandezas que são completamente definidas quando são especificados o seu módulo, direção e sentido. Inócuo - sem efeito, indiferente, irrelevante etc. Manômetro - instrumento para medir e indicar a pressão de gases e vapores. Parcela ortogonal - parcela do duto que forma um ângulo reto.
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Planta de processo - unidade de processo. Stoke - unidade de viscosidade cinemática. Tensão de cisalhamento - definida como força por unidade de área, que atua tangencialmente à superfície, e não perpendicularmente, como a tensão normal. Termodinâmica - ciência que estuda as interações energéticas e as correspondentes variações de propriedades de um sistema.
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1.6. Bibliografia CHERESOURCES. A process design engineer’s perspective on using equivalent lengths of valves and fittings in pipeline pressure drop calculation. Rio de Janeiro: Paper, 2008. GILES, Ranald V. Mecânica dos fluidos e hidráulica. Coleção Schaum. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1972. RIBEIRO, Marco Antônio. Medição de vazão - fundamentos e aplicações. 5ª Edição. Rio de Janeiro: 2002.
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Capítulo 1. Conceitos básicos
1.7. Gabarito 1) Um mergulhador consulta seu manômetro de pulso que indica a pressão absoluta de 1,6x10 5 N/m 2. Antes do mergulho, ele verificou a pressão atmosférica local e anotou o valor de 1x10 5 N/m2. A que profundidade se encontra esse mergulhador? Considerando que o mergulhador está em um lago ou mar aberto para atmosfera, a pressão absoluta no ponto em que ele se encontra é resultante de dois componentes: a pressão atmosférica na superfície da água e a pressão exercida pela coluna d’água. Portanto: p = patm + ρ.g.h = 1,6x105N/m2 Como a pressão atmosférica na superfície fora anotada pelo mergulhador (1,0x105N/m2) temos que: 1,6x105N/m2 = 1,0x105N/m2 + ρ.g.h --> ρ.g.h = 0,6x105N/m2 supondo g = 10 m/s2 e ρ = 1000kg/m3 h = 0,6x105N/m2 / (10m/s2 . 1000kg/m3) = 6x104N/m2 / 1x104kg/m2s2 bem, como a unidade N (Newton) equivale dimensionalmente a kg.m/s2 temos que: h = 6x104(kg/m2s2)m / 1x104kg/m2s2 = 6m Portanto, o mergulhador encontra-se a 6 metros de profundidade. 2) Complete as lacunas a seguir: a) O peso específico de uma substância é o peso de uma unidade de volume dessa substância e é representado por w, sendo w = peso/volume. b) Massa específica de uma substância é a massa de uma unidade de volume da substância e é representada por ρ, sendo ρ = massa / volume. c) A viscosidade expressa a resistência que o fluido exerce ao escoamento, quando submetido a uma força externa. d) Define-se a vazão do fluido como o volume, por unidade de tempo, que escoa através de determinada seção transversal de um conduto livre ou de um conduto forçado. e) A velocidade do fluido varia em diversos pontos da mesma seção reta. Essa variação se dá tanto em valor quanto em direção. 3) Leia as definições a seguir e complete corretamente com “pressão hidrostática” ou “pressão atmosférica”: Pressão atmosférica
É o peso do ar exercendo pressão sobre a superfície terrestre.
Pressão hidrostática
É a pressão exercida por um fluido sobre um corpo nele mergulhado.
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Capítulo 2 Hidráulica
Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar fundamentos de Hidráulica; • Relacionar equipamentos hidráulicos às suas características; • Listar os defeitos mais freqüentes em equipamentos hidráulicos; • Identificar os cuidados básicos para instalação e partida de unidades hidráulicas; • Distinguir procedimentos característicos dos processos de limpeza, montagem e desmontagem de sistemas hidráulicos.
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Capítulo 2. Hidráulica
2. Hidráulica
A
qui começa o estudo da aplicabilidade prática dos sistemas hidráulicos de potência. Esses sistemas são normalmente utilizados para transmissão de potência para acionamentos diversos. O mecanismo de freio ou de direção do automóvel é um bom exemplo da aplicação prática de princípios e sistemas hidráulicos para transmissão de potência. Mas, agora, é importante pensar na aplicabilidade em processos industriais, observando vantagens e desvantagens dessa aplicação. Existem apenas quatro métodos conhecidos de transmissão de potência, do ponto de vista comercial: mecânica, elétrica, pneumática e hidráulica.
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VOCÊ SABIA? A transmissão mecânica é a mais antiga e conhecida. Tudo começou com a invenção da roda, mas dispõe, hoje, de artifícios muito mais apurados como engrenagens, correias, molas, polias, dentre outros.
O uso de sistemas elétricos, com geradores, motores elétricos, condutores e uma gama muito grande de outros componentes, teve início no século XIX e constitui, atualmente, a forma mais barata e eficaz de se transmitir energia a grandes distâncias e mesmo de fazer a sua distribuição comercial. O uso dos sistemas pneumáticos e hidráulicos sob pressão, como meios de transmissão de potência é mais recente. Seu desenvolvimento foi posterior à Primeira Guerra Mundial.
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Comparados aos sistemas elétricos, por exemplo, tanto os sistemas hidráulicos quanto os pneumáticos têm um rendimento baixo - de modo geral, em torno de 65% - principalmente por perdas de carga e vazamentos internos nos componentes. A construção dos elementos exige tecnologia de precisão, o que encarece os custos de geração. Apresentam, no entanto, algumas vantagens como, por exemplo, facilidade de controle da velocidade e inversão praticamente instantânea do movimento. Os sistemas são geralmente compactos, se comparados às demais formas de transmissão de energia.
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Uma vantagem fundamental torna os sistemas pneumáticos e hidráulicos preciosos para a indústria do petróleo e seus derivados: o fato de que são absolutamente seguros em áreas classificadas, uma vez que não constituem “fonte de ignição”, como a energia elétrica. Por isso, apesar de todo o avanço tecnológico em relação aos dispositivos elétricos, os principais meios de acionamento em plantas de processo de qualquer material inflamável ou explosivo, até hoje, ainda são o pneumático e o hidráulico.
2.1. Fundamentos da Hidráulica É importante conhecer o conceito de pressão, força e potência hidráulica, assim como as suas interligações, na escolha dos circuitos hidráulicos adequados a cada aplicação. 2.1.1. Força e pressão É de suma importância resgatar os conceitos de força e pressão. Para isso, deve-se ler com atenção o princípio de Blaise Pascal: A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais.
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Capítulo 2. Hidráulica
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VOCÊ SABIA? Blaise Pascal, nascido em Paris a 19 de junho de 1623, foi um importante filósofo, físico e matemático francês. Dedicou-se à aritmética, desenvolveu cálculos de probabilidade, a fórmula de geometria do acaso, o Triângulo de Pascal e o tratado sobre as potências numéricas. Faleceu em 19 de agosto de 1662.
Imagine um recipiente cheio de um líquido praticamente incompressível. Quando aplicada uma força F em um êmbolo de área A, o resultado será uma Pressão = F.A aplicada ao fluido, que agirá igualmente e de forma normal (perpendicular) sobre todas as paredes do recipiente (circuito confinado) que o contém, independente da forma desse recipiente, como é possível verificar ao observar a ilustração a seguir:
A pressão é idêntica em qualquer ponto do circuito, independente da forma. Mas qual a diferença entre força e pressão? Do ponto de vista da física, força representa a capacidade de alterar o estado de repouso ou de movimento de um corpo, provocando a aceleração ou a deformação do mesmo.
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A pressão, por sua vez, é uma grandeza modular (sem sentido e sem direção) que indica o estado de tensão entre as moléculas em um determinado ponto. Quando a pressão é exercida sobre uma área surge uma força sempre normal perpendicular a ela. A força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é grandeza vetorial, ou seja, possui sentido, direção e intensidade. Relação entre força e pressão: F = P.A (força é igual a pressão sobre área). a) Multiplicação de força
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Observando a ilustração a seguir, suponha que seja aplicada uma força “F1” sobre a superfície “A1” e uma força “F2” sobre a superfície “A2”. Por uma simples utilização do princípio de Blaise Pascal, a pressão P, desenvolvida no interior do sistema, atua igualmente em toda a superfície interna. Dessa forma, diz-se que: P = F1 / A1 = F2 / A2
F2 = (A2/A1) x F1
Multiplicador de força vulgo macaco hidráulico
Assim, foi criado um multiplicador de força pela razão de áreas entre os dois pistões. Como aplicação prática, um bom exemplo é o macaco hidráulico.
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b) Multiplicação de pressão Suponha agora, observando a ilustração a seguir, que o êmbolo esteja em equilíbrio estático e que na câmara 1 seja aplicada uma pressão P1 e na câmara 2 uma pressão P2. Como o êmbolo está em equilíbrio: A1 . P1 = F = A2 . P2 P2 = (A1/A2) P1
P1
A1 F
F A2
P2
Multiplicador de pressão
Com isso, gera-se um multiplicador de pressão pela razão das áreas dos êmbolos. Entre as aplicações práticas para o multiplicador de pressão está a bomba com acionamento pneumático. 2.1.2. Potência hidráulica A partir da mecânica convencional, sabe-se que a potência é obtida pelo produto da força aplicada a um objeto e a velocidade obtida. Dessa forma: Potência = F . v Usando um pequeno artifício matemático, é preciso multiplicar e dividir simultaneamente a expressão por A, a área de aplicação da força, o que não alterará o resultado: Potência = F/A . v . A
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Mas F/A = P (pressão) e v A = Q (vazão volumétrica) e, portanto, a potência de um sistema hidráulico é dada pelo produto: Potência hidráulica = P . Q
Importante! A potência de um sistema hidráulico é determinada por sua capacidade de fornecer vazão mantendo a pressão do fluido. Ela irá balizar a especificação de pistões hidráulicos, motores hidráulicos, bombas etc. Veja um exemplo de aplicação:
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É preciso determinar a potência do motor de uma bomba que irá proporcionar uma elevação de pressão de 106 N/m2 à vazão de 10-5 m3/s. A potência requerida será de: P . Q = 106. 10-5 = 10 watts Considerando o rendimento do sistema, o motor da bomba deverá dispor, pelo menos, de: 10 / 0,65 = 15,4 watts
2.2. Principais componentes de um circuito hidráulico Um circuito hidráulico é constituído por diversos componentes tais como, bombas, cilindros, válvulas, entre outros, cada um com uma função específica. Na operação, é corriqueiro o contato com muitos deles, por isso, é importante estar informado sobre os principais.
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2.2.1. Bombas hidráulicas Uma bomba hidráulica possui um mecanismo de conversão de energia mecânica em energia hidráulica. Opera criando um vácuo parcial na linha de entrada e provocando a sucção de fluido para o seu interior. Por ação mecânica, pressiona e conduz esse fluido à linha de saída, forçando-o para o interior do sistema hidráulico. Dessa forma, a bomba hidráulica produz vazão do fluido para o interior do sistema. A resistência à vazão gera a pressão do sistema e quanto maior essa resistência, maior deverá ser a pressão exercida pela bomba. 2.2.1.1. Bombas hidrodinâmicas São bombas de fluxo contínuo que não suportam pressão na saída. Quanto maior a resistência à vazão, maior há deslizamento interno do fluido, ou seja, maior o volume do fluido que retorna da câmara de saída para a câmara de entrada. Nesse tipo de bomba, podese fechar completamente a saída de fluido, que ela continua em funcionamento. São também chamadas de bombas de deslocamento não-positivo. Os tipos mais comuns de bombas hidrodinâmicas são a centrífuga e a de hélice axial.
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As lâminas, ao girar, propiciam a força centrífuga que causa a ação de bombeamento. Saída
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Impulsor
Tipo centrífugo (impulsor)
O fluxo axial é gerado por uma hélice rotativa.
Hélice
Entrada Tipo axial (hélice)
Bombas: centrífuga e axial
ATENÇÃO As bombas hidrodinâmicas raramente são utilizadas em potência, porque sua vazão com a pressão. Essas bombas transferência de fluidos.
(centrífugas e axiais) sistemas hidráulicos de se reduz rapidamente são mais usadas para a
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2.2.1.2. Bombas hidrostáticas Também chamadas de bombas de deslocamento positivo, fornecem uma quantidade de fluido constante a cada rotação ou ciclo. Normalmente, proporcionam fluxo pulsante. Nesse tipo de bomba, o deslizamento da vazão é desprezível. No entanto, o fechamento total da saída de fluido pode ser desastroso, porque proporciona o aumento da pressão, sem limite, até a ruptura de partes internas ou mesmo da carcaça da própria bomba. Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo são as de pistão e as de engrenagem. Como são os tipos mais utilizados em sistemas hidráulicos de potência, por trabalhar em regimes de média e alta pressão, seu funcionamento também será detalhado a seguir. a) Bombas de engrenagem
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• Externa Esse tipo de bomba é constituído por um sistema de duas engrenagens que giram dentro de uma caixa com folgas bem apertadas entre si e com a parede da caixa. As engrenagens giram em direções opostas e encaminham o óleo lateralmente, no espaço entre os dentes e a parede da caixa, empurrando-o para o sistema hidráulico. A eficiência da bomba é medida pela folga entre a engrenagem e a carcaça da bomba. 4. A pressão de saída, atuando contra os dentes, cauda uma carga não-balanceada nos eixos, como indicam as setas. Saída
3. O óleo é forçado para a abertura de saída quando os dentes se engrenam novamente.
Engrenagem motriz
2. O óleo é transportado através da carcaça em câmaras formadas entre Entrada os dentes, a carcaça e as placas laterais.
1. O vácuo é criado aqui quando os dentes se desengrenam. O óleo é succionado do reservatório.
Esquema de funcionamento da bomba de engrenagem externa
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• Interna Consiste em um sistema de duas engrenagens, uma interna e outra externa. A engrenagem interna tem um dente a menos que a externa. Enquanto as engrenagens giram, de um lado forma-se uma câmara de volume crescente, enquanto do outro, uma de volume decrescente. Quando o fluido é impelido da entrada para a saída, uma vedação positiva é mantida pela característica construtiva das engrenagens em que a crista dos dentes da interna seguem os contornos da externa.
Volume decrescente
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Volume crescente
Orifício de entrada
Placa de orifício
Orifício de saída Bomba tipo gerotor Esquema de funcionamento da bomba de engrenagem interna
O volume de saída de uma bomba de engrenagem é determinado pelo produto do volume de fluido deslocado por cada dente da engrenagem e pelo número de rotações por minuto. Em decorrência disso, a substituição das engrenagens originais ou a variação das rotações da bomba acarreta alteração de volume da bomba de engrenagem.
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Capítulo 2. Hidráulica
b) Bombas de palheta • Desbalanceada Nesse tipo de bomba, um eixo de acionamento faz girar um rotor provido de ranhuras. Em cada ranhura há uma palheta retangular chata que se move radialmente. Quando o rotor gira, a força centrífuga aciona as palhetas para fora e elas tocam a parede interna do rotor com suas extremidades, criando uma vedação positiva entre o topo e a parede. Devido à excentricidade do rotor em relação à carcaça da bomba, as câmaras de entrada de óleo se ampliam e o movimento das palhetas conduz o óleo à saída da bomba. Nesse ponto, as câmaras diminuem de tamanho e empurram o óleo para o sistema hidráulico. • Balanceada
51 Na ilustração, vê-se que as diferenças de pressão agindo sobre as áreas laterais do rotor geram, no eixo do rotor, esforços que podem ser muito sérios quando em aplicações de alta pressão. Para compensar essa condição, a forma da cavidade interna da bomba onde gira o rotor é alterada de circular para elíptica e a bomba passa a ter duas câmaras de entrada e duas câmaras de saída opostas entre si, de forma que os esforços proporcionados por cada uma se anulam mutuamente. As bombas de palheta usadas em sistemas industriais são geralmente de projeto balanceado. Câmaras de bombeamento
Rotor
Saída Entrada Anel elíptico
Eixo Entrada
Saída
Volume crescente
Volume decrescente
Rotação Rotação
Palheta
Saída
Entrada
Saída
Carcaça
Palhetas
Bomba de palheta desbalanceada
Rotor Entrada Aberturas de pressão opostas Eixo motriz cancelam cargas laterais no eixo
Bomba de palheta balanceada
RESERVADO
Alta Competência
• De volume variável e pressão compensada Em uma bomba do tipo palheta, uma forma de variar a vazão está na variação da excentricidade do eixo. Isso é possível se a câmara (anel) for dissociada da carcaça externa e um parafuso de ajuste da excentricidade for acrescentado, conforme ilustração a seguir.
Bomba de palheta com volume variável e pressão compensada
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Na ilustração anterior, se for acrescentada uma mola com tensão ajustável que permita o deslocamento automático do anel quando a pressão interna for suficientemente alta, o anel se moverá automaticamente para uma posição central onde a vazão diminui até chegar a zero.
Regulagem da mola
Exemplo de bomba de palheta com volume variável e pressão compensada, com regulagem da mola
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
As bombas de pressão compensada e volume variável devem ser providas de dreno de carcaça. Qualquer acúmulo de fluido dentro da carcaça pode impedir o seu movimento. Normalmente, os acúmulos de fluido dentro da carcaça são direcionados à câmara de entrada da bomba. Como esse tipo de bomba fica muito tempo operando na posição central, em que não há vazão principal, uma pequena vazão de controle e lubrificação é mantida e direcionada para um dreno externo. c) Bombas de pistão No mercado estão disponíveis três tipos de bombas de pistão: a axial, a radial e a em linha. • Axial As bombas axiais são assim conhecidas porque os pistões estão dispostos no eixo ou paralelamente ao eixo de rotação da bomba. Pelas características de seus componentes, subdividem-se ainda em: • Axial simples: o mecanismo de uma bomba de pistões axiais consiste basicamente de cilindros, pistões com sapatas, uma placa de deslizamento, além de molas e outros dispositivos. Quando o tambor de cilindros gira, a sapata desliza sobre a placa de deslizamento, que não gira. Como ela está colocada em ângulo com o eixo de giro, os pistões são forçados a alternar dentro dos cilindros. Em metade do ciclo, eles são retirados de dentro dos cilindros, provocando a sucção do fluido. Na metade seguinte do ciclo eles são introduzidos no cilindro expulsando o fluido. Placa de deslizamento
Sapato do pistão
Tambor do cilindro
Pistão
Bomba de pistões axiais - detalhe
RESERVADO
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Alta Competência
Em geral, para melhor desempenho, vários cilindros são adaptados na mesma placa de deslizamento, como mostrado na ilustração anterior. • Axial com compensação de pressão: nesse caso, a placa de deslizamento é conectada a um pistão que varia o seu ângulo em função da pressão de saída, diminuindo sua vazão, pela redução do ângulo, à medida que a pressão aumenta. Sem fluxo Fluxo pleno
A pressão do sistema é transmitida aqui Mola
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Dreno
Pistão compensador
Bomba de pistão axial com compensação de pressão
• Axial com eixo inclinado: esse é um tipo de bomba usado para vazão constante ou até, o que é mais comum, como motor hidráulico. Nessa variante não existe placa de deslizamento; os pistões são fixados por articulações a uma placa que gira solidária a eles. Um pivot central absorve os esforços radiais do tambor.
Bomba de pistão axial com eixo inclinado
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
• Radial São assim conhecidas porque o movimento dos pistões acontece perpendicularmente ao eixo de rotação da bomba. Pelas características de seus componentes, subdividem-se ainda em: • Radial com anel excêntrico: nesse tipo de bomba, o conjunto gira em torno de um pivot estacionário por dentro de um anel ou rotor. Conforme o conjunto gira, a força centrífuga faz com que os pistões sigam o contorno do anel externo excêntrico com relação ao bloco dos cilindros. Assim como nas bombas axiais, em metade do ciclo as câmaras dos pistões expandem e succionam o fluido e em metade do ciclo elas contraem e expulsam o fluido. Nesse tipo de bomba é possível, também, fazer a compensação de pressão pela alteração da excentricidade.
Linha de centro
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Linha de centro do bloco do cilindro
Carcaça
Saída Pinos
Pistões
Entrada Blocos dos cilindros
Anel de reação
Detalhe de bomba com anel excêntrico
• Radial em estrela: nesse tipo de bomba, os cilindros estão fixos na carcaça e os pistões se movem por ação de um came central. Como em cada ciclo de giro o pistão precisa succionar para depois expelir o fluido, um conjunto de válvulas do tipo check é colocado para coletar o fluido da entrada e garantir que seja direcionado para a saída. Normalmente, essas bombas não possuem variação de vazão ou compensação por pressão, entretanto são úteis em circuitos de alta pressão, com altas vazões.
RESERVADO
Alta Competência
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Detalhe de bomba de pistões em estrela
• Em linha : as bombas de pistões em linha têm funcionamento idêntico ao das de pistão em estrela e são muito utilizadas em circuitos de altas vazões, com altas pressões. São bombas alternativas nas quais, ao invés dos pistões ficarem dispostos em estrela, são dispostos em linha, necessitando cada um de seu próprio excêntrico de acionamento. Nesse caso, cada came está defasado um do outro por ângulo igual a 360o dividido pelo número de cilindros, mais ou menos ao estilo de um eixo de comando de válvulas num motor a combustão. Esse tipo de procedimento, em geral, reduz as dimensões da carcaça da bomba. 2.2.1.3. Principais problemas nas bombas Todo equipamento é passível de problemas, que podem ser mecânicos e/ou químicos. No caso específico das bombas, os principais problemas são a cavitação e a aeração. Esses problemas reduzem significativamente a vida útil do equipamento e, em algumas vezes, podem até impedir o seu funcionamento.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
a) Cavitação A cavitação ocorre quando o vácuo relativo causado pela sucção da bomba gera pressões absolutas abaixo da pressão de vapor do fluido. Com isso, surgem bolhas de vapor na câmara de sucção que irão colapsar na câmara de pressão, devolvendo quase instantaneamente enorme quantidade de energia ao sistema, sob a forma de ondas de choque. Essas ondas de choque acabam ocasionando erosão nos internos e na carcaça da bomba. Além disso, a presença dessas bolhas diminui a taxa de fluxo da bomba e torna instável a pressão na saída. Quando em contato com as superfícies internas, as bolhas criam áreas sem lubrificação, o que aumenta muito o desgaste da bomba. Um sinal de que a bomba está cavitando é o ruído e a vibração ocasionados pelas ondas de choque. O ruído se parece, muitas vezes, com o som de castanholas tocando dentro da bomba.
57 b) Aeração É um fenômeno parecido com a cavitação, mas ocorre em razão da entrada de ar no sistema. Por isso é chamado de aeração. Indica a necessidade de se prestar atenção à vedação na sucção da bomba. Caso haja pressão abaixo da pressão atmosférica e baixa vedação, pode haver admissão de ar na câmara de sucção, ocasionando o fenômeno de aeração. 2.2.2. Cilindros e motores hidráulicos É preciso que se apresente a energia hidráulica realizando o trabalho mecânico. O trabalho mecânico pode ser produzido de duas formas diferentes: a giratória, realizada pelos motores hidráulicos; e a linear, realizada pelos cilindros. É importante conhecer melhor cada uma delas. De modo geral, todas as bombas vistas anteriormente são, potencialmente, motores hidráulicos giratórios. Nas bombas, é imposta uma relação “torque X velocidade angular” (energia) para obter outra relação “pressão X vazão” (energia).
RESERVADO
Alta Competência
No caso dos motores, esses binômios são invertidos, forçando uma relação “pressão X vazão” e é obtido no eixo um binômio equivalente de “torque X velocidade angular”. Os motores hidráulicos são muito utilizados em situações nas quais se requer potência para movimento ou nas situações em que motores a combustão ou elétricos não são viáveis (exemplo: motores submersos, ou que trabalham em ambientes explosivos) ou em locais onde a transmissão mecânica não é viável.
58
Os cilindros hidráulicos também são motores, porém, são motores lineares e possuem a característica de que seu movimento é limitado ao curso de um êmbolo. Normalmente, esses cilindros são utilizados mais para gerar força mecânica para a realização de um trabalho do que para gerar movimento, como no caso dos motores giratórios. Dessa forma, é dito que os cilindros hidráulicos têm por função realizar movimentos retilíneos e transmitir força. Basicamente, o cilindro hidráulico se compõe de um cilindro e um êmbolo, a exemplo de uma seringa de injeção. Se fechado todo o êmbolo e soprado pelo bocal onde se fixa a agulha, vê-se o êmbolo se mover para fora da seringa. A força máxima de um cilindro é função da área útil do êmbolo e da pressão máxima de trabalho admissível: F=P.A A velocidade do êmbolo vai depender da vazão do fluido no cilindro. De qualquer forma, pode-se dizer que o binômio “força X velocidade do êmbolo” (energia) é obtida a partir do binômio “pressão x vazão” do fluido aplicado (energia). Conforme sua construção, os cilindros podem gerar forças de tração ou compressão.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
a) Tipos de cilindros • Cilindro de ação simples : esse tipo de cilindro pode transmitir força em apenas um sentido. O retorno depende de ação externa.
A - Porta de admissão do fluido no cilindro
• Cilindro com retorno por mola: nesse caso, o cilindro também tem ação simples, mas o retorno não depende de ação externa, pois ocorre em função de mola. Esse tipo de cilindro é muito utilizado na Petrobras, como atuador de válvulas de segurança (SDV) devido a sua característica fail safe. Essa característica faz com que, em caso de falha hidráulica ou perda de comando, a válvula assuma uma posição segura, normalmente fechada.
A - Porta de admissão do fluido no cilindro
• Cilindro de ação dupla: nesse tipo de cilindro, deve-se manter o pórtico B despressurizado e aberto e injetar fluido através do pórtico A para avançar o pistão. O retorno do pistão depende da inversão das pressões, ou seja, para retornar, é preciso despressurizar o pórtico A, mantê-lo aberto e injetar fluido pelo pórtico B. Entretanto, observe que a força aplicada depende da pressão e da área atuada.
RESERVADO
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Alta Competência
No caso desse cilindro, uma vez considerada a disposição de uma unidade de suprimento hidráulico com pressão constante, durante o processo de acionamento, a área envolvida corresponde ao círculo completo da superfície do êmbolo. Entretanto, no retorno, a área corresponde apenas a uma coroa circular da superfície do êmbolo, ao redor do eixo do pistão, que é menor do que a área. Dessa forma, a força aplicada durante o avanço é maior do que a força aplicada durante o retorno. Como o volume da câmara de retorno é menor e ela pode ser preenchida mais rapidamente do que a de avanço, a velocidade de retorno é maior que a velocidade de avanço.
A - Porta de admissão do fluido no cilindro
B - Porta de admissão do fluido no cilindro
60 • Cilindro com haste dupla ou passante: esse tipo de cilindro opera como um cilindro de dupla ação, mas como as áreas em ambas as câmaras são iguais, fica garantido que as forças e as velocidades se igualam em ambas as direções - de atuação e de retorno.
A - Porta de admissão do fluido no cilindro
B - Porta de admissão do fluido no cilindro
• Cilindro telescópico: com esse tipo de construção, conseguese grandes cursos utilizando reduzido espaço para montagem. A altura de montagem praticamente corresponde ao primeiro estágio do cilindro.
A Ação simples
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
A
B Ação dupla
b) Cuidado com o dimensionamento de cilindros Sendo um equipamento real, o cilindro de acionamento está sujeito a limitações físicas. Uma delas é a deformação por excesso de carga que pode ocorrer na haste do êmbolo. Essa deformação é chamada de flambagem. Essa deformação é chamada de flambagem e, via de regra, pode ser calculada através da fórmula de Euler, considerando que seu diâmetro, na maioria das vezes, é pequeno em relação ao seu comprimento. Carga de flambagem:
K=
¶2
.E. J sK2
Onde: sK2 = comprimento livre de flambagem em cm E = módulo de elasticidade (Kp/cm2) = 2,1 x 106 para o aço J = Movimento de inércia (cm4) para seção circular Carga máxima de trabalho: Força = K/S S = coeficiente de segurança. Essa informação é fornecida pelo fabricante do equipamento, seguindo o seu grau aceitável de risco. RESERVADO
61
Alta Competência
Uma extremidade livre, outra fixa
Duas extremidades articuladas
F
L
F
F
sK = L . 0.7
sK = L 2
F
F
L
L
L
L
L
L
sK = 2 L
F
Duas extremidades fixas
F
L
L
Representação esquemática
Situação de montagem do cilindro hidráulico
F
Observação
62
sK = 2 L
Caso 4
Uma extremidade articulada e outra fixa
F
F
comprimento sem flambagem
Caso 3
L
Caso 2 (basico)
L
Caso 1
L
Solicitações segundo carga de Euler
O comprimento a ser considerado livre de flambagem, pode ser determinado nas distintas formas de carregamento, de acordo com a fórmula de Euler. Para os cálculos, a rigidez adicional fornecida pelo tubo é desprezada. Isso assegura aos cilindros standard a necessária segurança para absorver as tensões de flexão adicionais.
Guiar a carga com cuidado, porque há possibilidade de travamento
Inadequando, provável ocorrência de travamento
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
c) Aplicação para cilindros hidráulicos Há uma grande quantidade de aplicações possíveis no cotidiano para os cilindros hidráulicos. Bons exemplos são a utilização dos cilindros nas cadeiras dos dentistas (regulagem), nos caminhões de coleta de lixo (acionamento da caçamba), entre outras. Nas plantas de processo, entretanto, a utilização mais significativa é como atuadores de válvulas. 2.2.3. Válvulas Sabendo-se sobre a geração de potência hidráulica (bombas) e a transformação de energia hidráulica novamente em movimento ou trabalho mecânico (cilindros e motores), serão verificados, em seguida, como direcionar, regular, bloquear e liberar essa energia hidráulica, de forma que ela efetivamente realize aquilo que se deseja, no momento em que se deseja. Esse é o papel das válvulas no circuito hidráulico. a) Tipos de válvulas Existe, no mercado, uma infinidade de válvulas para atender aos requisitos dos circuitos. Muitas são desenvolvidas especificamente para as aplicações a que se destinam. • Válvulas fail safe (falha segura): são válvulas acionadas através de comando hidráulico, que retornam à posição fechada por ação de mola. Isso garante que na falha de comando ou energia, assuma a posição segura. O tipo de montagem apresentada é comum para válvulas gaveta:
RESERVADO
63
Alta Competência
Funcionamento interno
64
Vista externa da válvula
• Válvulas de manobra: são válvulas utilizadas para alinhamento de tanques. Em alguns casos - no carregamento de navios, por exemplo - podem possuir aberturas proporcionais às operações.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
Nas ilustrações a seguir, verifica-se dois cilindros de ação simples, conectados a um mesmo eixo, cumprindo a função de cilindro de dupla ação. Uma cremalheira transforma o movimento linear do eixo em movimento rotativo para a válvula. Esse tipo de montagem é comum para válvulas do tipo esfera ou borboleta. Nesse tipo de válvula, quando há falta de energia, a válvula é mantida na última posição.
Válvula de manobra - vista externa
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Válvula de manobra - funcionamento
• Válvulas de bloqueio: constituem o tipo mais simples de válvula e nada diferem das utilizadas em processo, por exemplo. As válvulas de bloqueio em circuitos hidráulicos, na maioria das vezes, são atuadas manualmente e têm por objetivo isolar determinadas partes do circuito, por razões operacionais ou de manutenção. A maioria das válvulas de bloqueio utilizadas em circuitos hidráulicos é do tipo esfera ou plug. Alguns também consideram a válvula de bloqueio como direcional. Sua simbologia em circuito hidráulico, na maioria das vezes, segue a simbologia usual de válvula:
RESERVADO
Alta Competência
Simbologia usual: A
Simbologia como válvula direcional:
P
• Válvulas de retenção: também chamadas de check valves, em circuitos hidráulicos têm a função de bloquear a passagem de fluido em um sentido e permitir passagem livre no outro. A ilustração a seguir mostra uma válvula de retenção simples, na qual o elemento de retenção é um assento móvel (plug) pressionado contra uma sede, por mola.
Assento móvel
Mola
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Funcionamento
Simbologia
• Válvulas limitadoras de pressão diretamente operadas: são válvulas baseadas no equilíbrio de forças sobre um plug. Enquanto a força da mola for maior do que a força gerada pela pressão interna do sistema sobre a área do plug, a válvula permanece fechada e a pressão interna é mantida. A partir do momento em que a pressão interna gerar força superior à da mola, o plug é deslocado e a válvula abre, ocasionando alívio da pressão. Normalmente, como apresentado na ilustração a seguir, existe um ajuste na tensão da mola de forma a variar o set-point (ponto de ajuste) de abertura da válvula.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
P
T Simbologia
2
T
1
3
P
A
1 - Plug 2 - Mola 3 - Passagem de alívio do fluido P - Pressão A - Atuação T - Tanque ou reservatório de retorno do fluido
6 3 2
1
A
4
P
5
1 - Corpo da válvula 2 - Castelo da válvula(parte externa) 3 - Mola 4 - Parafuso de ajuste 5 - Plug 6 - Assentamento do plug
RESERVADO
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Alta Competência
As válvulas limitadoras de pressão são normalmente utilizadas como válvulas de segurança (PSV – Pressure Safety Valves), de forma a evitar que defeitos no sistema ou erros operacionais acabem por provocar ruptura de conexões, tubulações ou vasos, o que pode causar graves acidentes.
68
• Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas: apesar de não serem muito usadas na maioria dos circuitos hidráulicos convencionais, são utilizadas principalmente dentro do E&P, em unidades hidráulicas para comando de poços e para sistemas de carregamento e lastro em plataformas offshore. Nesses casos, deseja-se pressão constante com vazões variáveis, para as quais as válvulas reguladoras de pressão são fundamentais. Essas válvulas são, em verdade, válvulas redutoras ou limitadoras de pressão. A diferença é que trabalham a maior parte do tempo abertas. Esse tipo de válvula necessita, em geral, de dreno para tanque, para alívio de pequenas câmaras internas da válvula, permitindo um funcionamento adequado. As válvulas reguladoras só permitem vazão em um sentido. Caso se queira sentido inverso de vazão, deve-se associar uma válvula de retenção com sentido de fluxo inverso ao da válvula.
P
A
Simbologia
Na maioria das vezes, essas válvulas são pilotadas para reduzir o tamanho da mola necessária para equilibrar a alta pressão de trabalho.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
• Válvulas controladoras de vazão: são válvulas cuja função é reduzir a vazão em determinados ramos do circuito hidráulico, de forma ajustável. São, em geral, válvulas do tipo agulha, e são bastante utilizadas quando se deseja regular o tempo de abertura de excursão de um cilindro, evitando “pancadas” nas extremidades. Essas válvulas atuam pelo ajuste do orifício de restrição que introduzem na linha.
69
Válvula controladora de vazão e simbologia
• Válvulas direcionais hidráulicas: constituídas por um corpo com passagens internas, que são conectadas ou desconectadas, conforme a posição de suas partes móveis. Possuem esse nome porque o seu objetivo é direcionar a vazão do fluido ou a pressão de acionamento para um ou mais caminhos. Simbologia e identificação das válvulas direcionais hidráulicas: as válvulas direcionais são identificadas nos circuitos hidráulicos por meio de símbolos gráficos, cujas características mais importantes a serem representadas são o número de posições, o número de vias, a posição normal da válvula e a forma de atuação. Número de posições: as válvulas são representadas por quadrados unidos. O número de quadrados unidos indica a quantidade de posições ou manobras distintas que a válvula pode assumir:
RESERVADO
Alta Competência
02 Posições
03 Posições
Número de vias: corresponde ao número de conexões úteis que uma válvula pode assumir:
02 Vias
70
03 Vias
04 Vias
As vias podem ser de passagem ou de bloqueio . Assim, nos quadrados, encontram-se vias de passagem de bloqueio e suas combinações.
Passagem
Bloqueio
Ambas
Ambas
É importante observar que o número de quadrados pode ser variável, mas o número de vias expostas em cada um deve ser o mesmo em cada válvula:
Posição normal da válvula: corresponde à posição dos internos da válvula em situação de repouso ou não operada. Essa posição, normalmente, é garantida por força de mola. Em alguns casos, essa posição é indiferente e garantida por um travamento hidráulico. Na posição normal das válvulas indicam-se as suas vias de acionamento. Principais tipos de válvulas direcionais: existe uma infinidade de tipos de válvulas direcionais. As mais comuns e aplicáveis ao E&P serão vistas a seguir: RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
2 vias / 2 posições É o tipo mais simples de válvula, equivalente à uma válvula de bloqueio simples. A
P
3 vias / 2 posições É o tipo utilizado em acionamentos hidráulicos de válvulas com atuadores de retorno por mola (SDVs, BDVs, ADVs etc.). Na posição de repouso, o atuador (pórtico A) fica alinhado para tanque (pórtico T), enquanto o sistema de pressão (pórtico P) está bloqueado. Quando atuada, alinha o pórtico P com o A, enviando fluido pressurizado para o atuador. Nesse caso, o pórtico de retorno a tanque (T) fica bloqueado. A
P
T
4 vias / 2 posições É o tipo utilizado em acionamentos hidráulicos de válvulas com atuadores de dupla ação (válvulas de alinhamento – XVs). Supondo que os pórticos A e B estejam conectados às câmaras de ambos os lados de um atuador, ela alterna os alinhamentos de pressão e retorno, abrindo ou fechando a válvula comandada. A
B
P
T
RESERVADO
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Alta Competência
4 vias / 3 posições É utilizada no acionamento hidráulico de válvulas com atuadores de dupla ação (válvulas de alinhamento – XVs), em que se pretende manter a válvula acionada aberta em posições intermediárias (20%, 30%, 50% etc.). Funciona de forma parecida com a anterior. Entretanto, na posição central de repouso, bloqueia todos os pórticos, garantindo que a pressão fique “trapeada” e a válvula acionada permaneça na posição. AB
PT
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• Tipo de acionamento para válvulas direcionais O tipo de acionamento define a função da válvula no circuito. Existem muitas formas de acionar uma válvula direcional. O acionamento pode ser manual, mecânico, pneumático, hidráulico ou elétrico (em geral por solenóide). Serão apresentadas, aqui, apenas aquelas mais utilizadas nos circuitos aplicados a comandos hidráulicos dentro do E&P:
Mola Mola
Solenóide
Solenóide
Piloto ou atuador hidráulico Piloto ou atuador Hidráulico
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
Exemplos: Válvula atuada por solenóide e retorno por mola para a posição central:
Válvula hidraulicamente operada, com retorno por mola à posição central:
Válvula pilotada, atuada por solenóide, com retorno por mola à posição central:
2.2.4. Acumuladores hidráulicos Os acumuladores hidráulicos são vasos de pressão que têm por finalidade manter a pressurização do sistema dentro dos limites para o qual foi calculado, mesmo quando há algumas perdas de fluido. Pode-se dizer, na prática, que os acumuladores “armazenam pressão hidráulica”. a) Tipos de acumuladores Existem diferentes tipos de acumuladores, como os ilustrados a seguir. O mais usado será também descrito:
RESERVADO
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Alta Competência
Pesos
Gás
Mola
A pressão é o quociente do peso pela área do pistão
Pistão
Pistão
Pressão = força da mola dividida pela área do pistão
Peso
Esta base de metal evita a extrusão da bolsa
Abertra de saída
Mola
Pistão
Diafragma
• Acumuladores de bexiga: de todos os acumuladores, o tipo mais usado nas aplicações do E&P é o tipo bexiga. Esse tipo de acumulador é composto por uma bexiga de borracha sintética dentro de uma carcaça de metal. A bexiga deve estar cheia de gás comprimido, que em geral é nitrogênio. Uma válvula do tipo assento, localizada no fundo, fecha o orifício de saída sempre que o acumulador estiver completamente vazio.
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Tubulação
Acumulador de bexiga
b) Modos de expansão de um gás Há três formas possíveis de expandir ou comprimir um gás: • Isotérmica; • Isobárica; • Adiabática.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
Na primeira, a temperatura do gás é mantida constante. Na segunda, a pressão é mantida constante, e na terceira, o calor do sistema é armazenado no fluido. É preciso conhecer as principais características da compressão isotérmica e da adiabática, pois são as mais importantes: Características da compressão isotérmica
Características da compressão adiabática
Compressão lenta
Ocupa maior espaço na compressão
Ocupa menor espaço na compressão
Compressão rápida
No enchimento armazena mais fluido
No enchimento armazena menos fluido
No esvaziamento descarrega mais fluido
No esvaziamento descarrega menos fluido
Expandido isotermicamente ocupa mais volume
Expandido adiabaticamente ocupa menos volume (espaço).
Nas ilustrações a seguir observa-se a representação da compressão e da expansão isotérmica e isobárica:
Gás
Gás comprimido
Gás
Gás expandido adicabaticamente a uma dada pressão
Gás
Gás expandido isotermicamente à mesma pressão
RESERVADO
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Alta Competência
Na prática, os acumuladores de bexiga ou hidro-pneumáticos, operam entre as duas condições: isotérmica e adiabática. c) Dimensionamento do acumulador Por ser o mais comumente utilizado em unidades operacionais do E&P, considera-se apenas o dimensionamento dos acumuladores de bexiga. A mesma idéia pode ser aplicada aos demais. É preciso definir alguns termos e conceitos importantes para a compreensão da funcionalidade do acumulador e também do processo de cálculo.
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• Pré-carga de um acumulador: a pressão do gás dentro da bexiga, enquanto o acumulador está completamente vazio de fluido, é chamada pressão de pré-carga. A pressão de pré-carga é determinada em função da pressão do sistema e do volume retido no acumulador. • Volume útil: é o volume entregue ao circuito enquanto o acumulador excursiona entre as pressões máxima e mínima estabelecidas em projeto. Para dimensionar um acumulador, é necessário definir alguns parâmetros: Volume útil = ∆V = V3 – V2 Pressão máxima e mínima (P2 e P3) Pressão de pré-carga (P1)
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
ATENÇÃO (P1, V1) = pressão de pré-carga associada à expansão máxima da bexiga, correspondente ao volume total do acumulador que se pretende calcular. Normalmente determinada como 90% da pressão mínima de operação (P2). (P2, V2) = pressão mínima de operação com volume máximo de expansão da bexiga em operação. (P3, V3) = pressão máxima de operação com volume mínimo de contração da bexiga em operação. • Cálculo do acumulador: calcular o acumulador resume-se em determinar seu volume total ou do banco de acumuladores (V1), o que vai, indiretamente, determinar o número de garrafas do banco. Para o cálculo, supõe-se que a bexiga é contraída de V1 até V3 de forma isotérmica, e expandida de forma adiabática de V3 até V2. Com isso, forma-se o sistema de equações abaixo, através do qual se determinam as variáveis V1, V2 e V3: V3 = P1.V1/P3 V2 = (P3 x (V3**n)/P2)**1/n ∆V = V3 – V2 Onde n é a constante adiabática, usualmente arbitrada em 1,4. d) Cuidados operacionais Os principais cuidados com o acumulador, no que diz respeito à operação, são a verificação da integridade da bexiga e reposição periódica da pré-carga.
RESERVADO
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Alta Competência
Para isso, cada acumulador deve ser isolado do banco, drenado e, então, a pressão deve ser verificada através do manômetro existente no topo. É importante observar que somente depois de drenado o acumulador, a pressão no topo corresponde à de précarga. Se estiver fora do valor especificado, deverá ser completada com nitrogênio. Após drenado, se a pressão do acumulador cair a zero, essa é uma indicação quase absoluta de ruptura da bexiga, requerendo a abertura do mesmo para verificação de sua integridade e devida substituição. e) Exemplo de circuito com acumulador Veja, a seguir, um exemplo de circuito com acumulador:
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Veja observações sobre segurança Mantendo a pressão do sistema
M
Circuito com acumulador
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
2.2.5. Fluidos e circuitos hidráulicos O fluido hidráulico é a alma, o elemento vital nos circuitos hidráulicos industriais. Ele é o meio de transmissão de energia para a realização do trabalho pretendido. Além disso, assume outras funções no circuito, tais como lubrificante, elemento de vedação e refrigerante, transferindo o calor gerado no sistema. No mercado, existe disponível uma enorme variedade de fluidos hidráulicos para atender às mais variadas aplicações, desde o acionamento de “munks” em caminhões até o acionamento de válvulas em árvores de natal submarinas (ANM). As principais características que precisam ser observadas em um fluido hidráulico são: • Viscosidade: a viscosidade do fluido garante a lubricidade para as partes móveis e a vedação. Além disso, fluidos com alta viscosidade são mais estáveis às variações de temperatura e são, portanto, adequados a circuitos em que é gerado muito calor. Por outro lado, a viscosidade oferece resistência à vazão e, portanto, os circuitos que precisam transmitir força hidráulica a grandes distâncias devem utilizar fluidos com baixa viscosidade; • Inibição de corrosão: o óleo está sujeito a absorver oxigênio do ar. Essa característica pode ser intensificada pela presença de resíduos metálicos e temperaturas altas. O oxigênio é circulado pelo óleo e pode atacar as superfícies metálicas, além de reagir quimicamente com o óleo, formando ácidos e ainda aumentando a viscosidade. Dessa forma, aditivos inibidores de corrosão são importantes e visam formar uma película nas superfícies metálicas que os isolam do oxigênio e possíveis ácidos que venham a se formar; • Aditivos antidesgastes: protegem pontos do circuito sujeitos a altas pressões e temperaturas, como pontas das palhetas de bombas ou motores, contra desgastes prematuros;
RESERVADO
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Alta Competência
• Antiespumantes: são aditivos que impedem a formação de espuma, ou seja, aglomerados de bolhas de ar que são transportados no circuito e baixam a capacidade de lubrificação do óleo e ainda absorvem energia gerada na compressão, além de outros distúrbios; • Proteção antichama : um dos inconvenientes do fluido à base de óleo é ser inflamável, uma vez que é um derivado do petróleo. Dessa forma, cuidados devem ser tomados com a sua temperatura, principalmente no retorno ao tanque, quando irá entrar em contato com o oxigênio do ar. Quando esse for o caso, trocadores de calor devem ser utilizados no retorno do fluido ao tanque. Também não deve ser utilizado em ambientes sujeitos à exposição direta a chamas. Uma forma de fugir desse inconveniente é usar o fluido à base de água.
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a) Tipos de fluidos Dois tipos básicos de fluidos estão disponíveis. O mais comum é o baseado em óleo mineral. O outro tipo, muito utilizado, principalmente no E&P, é o fluido à base de água. • Fluido à base de óleo mineral: esse fluido é, em sua essência, um óleo derivado do petróleo, acrescido de diversos aditivos que visam dar ao óleo as características apropriadas ao circuito a que se destina; • Fluido à base de água: o fluido à base de água é uma mistura de água com glicol em percentagens que variam de acordo com a situação. Normalmente, o glicol entra com 25% a 40% na composição e o seu objetivo principal é servir de anti-congelante e melhorar as características lubrificantes do fluido, considerando que a viscosidade da água, em si, é muito baixa. Aditivos são necessários também, conforme descritos acima, além de outros como biocidas, uma vez que a água permite o crescimento de microorganismos, principalmente bactérias.
RESERVADO
Capítulo 2. Hidráulica
O fluido à base de água é largamente utilizado no E&P para comando de sistemas submarinos, por uma série de fatores, a saber: • Baixa viscosidade, o que permite a transmissão da energia hidráulica a grandes distâncias; • Densidade do fluido semelhante à da água do mar, evitando diferenças de pressão por causa das diferentes densidades das colunas de líquidos. Lembre que algumas ANMs (árvores de natal molhadas) estão localizadas a quase 2.000 metros de profundidade, onde só a coluna d’água corresponde a 200 bar; • Tolerância a contaminações por água do mar. No caso dos óleos minerais, a contaminação por água do mar, além de formar emulsões que alteram as características do fluido, ainda proporcionam o crescimento biológico que pode bloquear a passagem do fluido e, portanto, a transmissão da pressão. A desvantagem dos fluidos à base de água diz respeito também à sua baixa lubricidade e maior absorção de oxigênio, o que requer componentes especiais no circuito, resistentes à corrosão e ao desgaste. b) Limpeza do fluido Todos os fluidos possuem impurezas em suspensão. Entretanto, a quantidade dessas impurezas e principalmente o tamanho das partículas sólidas em suspensão pode ser fatal para o bom funcionamento do sistema. Conforme dito anteriormente, o fluido hidráulico tem por finalidade transmitir potência hidráulica, lubrificar partes móveis, transferir calor e vedar folgas entre algumas partes móveis. No entanto, impurezas presentes no fluido podem impedir a realização dessas funções, uma vez que: • Obstruem a passagem do fluido – alguns pilotos de válvulas possuem internos com passagens de alguns décimos de milímetro;
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• Provocam a abrasão das partes móveis; • Alteram as características físico-químicas do fluido, diminuindo sua capacidade de retirar calor do sistema, além de formar depósitos que dificultam as trocas de calor. Sendo assim, tanto a qualificação do fluido usado quanto a utilização de filtros no circuito são medidas fundamentais para o bom funcionamento e a preservação da vida útil do sistema hidráulico. c) Reservatório de fluido
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O reservatório do fluido precisa, pelo menos, ser dotado de uma “chicana” ou placa defletora, a fim de evitar que o fluido, ao retornar, encontre um caminho preferencial direto para a sucção de volta para o circuito, de forma a depositar arrastes e dissipar calor residual.
Chicana
Nas unidades hidráulicas utilizadas para acionamento de ANMs, normalmente divide-se o reservatório em duas câmaras absolutamente independentes, às quais são denominadas de “retorno” e supply (suprimento). O fluido que retorna do circuito é direcionado ao reservatório de retorno. Uma bomba específica faz o fluido recircular, através de um filtro. Amostras são tiradas do fluido e é verificado o seu grau de limpeza em comparação com padrões (norma NAS -1638 - Cleanliness requirements of parts used in hydraulic systems - Requisitos de limpeza de peças utilizadas em sistemas hidráulicos - em geral é adotada a classe 6). Quando a classe de limpeza é atingida, o fluido é transferido, então, para o reservatório de supply. Esse procedimento garante a qualidade do fluido no circuito hidráulico.
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Exemplo de circuito hidráulico
d) Tubulações e conexões É necessário verificar os tipos mais comuns de tubos e conexões utilizados em circuitos hidráulicos disponíveis no mercado. • Tipos de tubos: os tubos são escolhidos por várias características, dentre as quais as mais importantes são: diâmetro nominal, material, classe de pressão e característica construtiva (com ou sem costura). Essas características estão normalmente especificadas de forma inseparável em tabelas. A norma Petrobras N-1931 (Material de tubulação para instrumentação) estabelece alguns padrões para tubos utilizados em instrumentação, que podem também ser aproveitados para os circuitos hidráulicos. • Diâmetro nominal e classe de pressão: a escolha do diâmetro nominal segue padrões métricos (em milímetros) ou ingleses, em polegadas, que são os mais comuns. Os diâmetros mais utilizados são os de 3/8”, 1/2”, 3/4”, 1”, 1¼”, 1½”, 2” etc. Geralmente (há exceções) o diâmetro nominal equivale ao diâmetro externo do duto. A espessura de parede é determinada em função da classe de pressão do tubo e impacta no diâmetro interno do tubo. Dessa forma, dependendo da utilização pretendida, devese atentar o real diâmetro interno do tubo escolhido.
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A classe de pressão para os tubos diz respeito à pressão máxima de operação. Normalmente, é estabelecida em psi (libras por polegada quadrada) ou também em bar. As mais comuns são 150 psi, 600 psi, 1.500 psi, 3.000 psi e 5.000 psi, porém, existem muitas outras padronizadas. Existem duas outras especificações, em termos de pressão, que não devem ser confundidas com a classe acima. São elas: • Pressão de teste: é a pressão de teste hidrostático. Normalmente, corresponde a 1,5 vezes à pressão máxima de operação; • Pressão de ruptura: é a menor pressão capaz de romper o tubo.
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Além disso, muitas vezes, é estabelecido também um fator de segurança (ex: 1/3) que representa a relação entre a pressão de teste e a pressão de ruptura do tubo. • Materiais: existem muitos materiais disponíveis no mercado, entretanto, o mais comumente utilizado nos circuitos hidráulicos de unidades offshore é o aço inox AISI-316L. O aço carbono é utilizado em alguns casos de menor responsabilidade, mas exclusivamente em circuitos nos quais o fluido hidráulico é o óleo mineral. • Características construtivas: • Tubos com costura: é chamada de costura a solda para fechamento do tubo feita a partir da calandragem de chapa. Esse é o tipo mais comum e mais barato de tubo, mas, por outro lado, o mais susceptível a rupturas por falhas na solda. As costuras podem ser longitudinais – quando seguem a direção do eixo do tubo – ou helicoidais – quando formam um helicóide em torno do eixo do tubo. Este é um pouco mais resistente do que o longitudinal.
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• Tubos sem costura: são fabricados de uma peça única e sem emendas ou soldas. São, portanto, mais resistentes a rupturas. Em circuitos hidráulicos, pneumáticos e também para linhas de impulso usadas offshore, são utilizados apenas tubos sem costura. • Tipos de conexões: existe uma variedade enorme de conexões, como as curvas, joelhos, tês, nipples, luvas etc. que podem ser identificadas nos catálogos dos fabricantes. É importante, entretanto, avaliar as formas como essas conexões são fixadas aos tubos e entre si, que podem ser: soldadas, roscadas e roscadas/anilhadas. • Conexões soldadas: há dois tipos a serem considerados. De topo: a solda é feita como em qualquer tubulação:
Soquete: o tubo é encaixado na conexão que recebe a solda por fora:
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• Roscadas: esse tipo de conexão normalmente é o mais usado em tubos de maiores diâmetros, em função da necessidade de abertura de rosca nos tubos:
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• Roscada/anilhada: cada fabricante define um formato diferente de anilha, que pode ser simples ou dupla (mostrada na ilustração a seguir). O princípio de fixação é parecido entre eles. A idéia é que a anilha se deforme junto com o tubo, formando um engaste entre eles provendo um tipo de vedação metal-metal. Esse tipo de conexão é o mais utilizado para as terminações dos tubos, pela facilidade e confiabilidade das vedações. Anilha traseira Ponto de encunhamento
Porca Tubo Anilha frontal
Corpo de conexão
2.3. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos As normas internacionais para a simbologia de componentes não distingue sistemas hidráulicos de pneumáticos, ou seja, a simbologia é a mesma para os dois tipos de circuitos. A simbologia utilizada tem por base a norma ISO 1912 – “Fluid power systems and components – graphic symbols and circuit diagrams” (Potência dos fluidos, sistemas e componentes – símbolos gráficos e diagramas de circuito). RESERVADO
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2.4. Principais cuidados na manutenção Cada aplicação ou tipo de HPU corresponderá um diferente conjunto de defeitos, também característico. Entretanto, alguns podem ser considerados genéricos. Alguns desses serão tratados a seguir, além de outros, usuais nas HPUs de comando de poços utilizados em UEPs offshore. 2.4.1. Vazamentos O vazamento pode ser considerado o defeito mais comum e presente nas unidades hidráulicas. Ocorre tanto internamente, nas válvulas (reguladoras, de segurança etc.) ocasionando retorno do fluido para o reservatório, quanto externamente, principalmente nas conexões hidráulicas, por falha de vedação, causando perda do fluido.
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2.4.2. Desgaste de bomba pneumática Uma conseqüência imediata dos vazamentos é o desgaste prematuro das bombas com acionamento pneumático. Essas bombas normalmente são utilizadas para repor as pequenas perdas do sistema. Os vazamentos constantes fazem com que elas operem freqüentemente ou continuamente, o que ocasiona o seu desgaste prematuro. É recomendável, portanto, observar o comportamento dessas bombas. Se elas estiverem operando dessa forma, é sinal de vazamento no sistema. 2.4.3. Perda de pressão de pré-carga nos acumuladores A perda de pressão de pré-carga nos acumuladores pode ocorrer por duas razões: a) Vazamento no circuito de nitrogênio (topo dos acumuladores) Nesse caso, deverá ser feito o reparo no vazamento, despressurizado o acumulador e refeita a recarga.
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b) Ruptura da bexiga Nesse caso, deve-se despressurizar o acumulador, substituir a bexiga e refazer a pré-carga.
ATENÇÃO É importante lembrar que, ao fazer teste de pressão dos acumuladores (1,5 vezes a pressão máxima), estes devem estar sem as bexigas. 2.4.4. Emperramento das válvulas direcionais hidráulicas
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O emperramento das válvulas direcionais hidráulicas ocorre, geralmente, por conta de contaminação do fluido que entope as passagens micrométricas dos pilotos das válvulas. Nesse caso, as válvulas devem ser isoladas, retiradas e desmontadas para limpeza. Cuidados especiais devem ser tomados pois essas válvulas possuem normalmente componentes muito pequenos, alguns deles com dimensões calibradas em laboratório para aquela válvula específica. Portanto, o desmonte deve ser feito preferencialmente pelo fabricante ou em caso de impossibilidade, em bancada, para garantir que cada componente retorne à sua posição original. De qualquer forma, a experiência tem mostrado que jamais deve ser delegada a manutenção dessas válvulas a terceiros, por mais que se digam habilitados.
2.5. Cuidados nas instalações e partidas de unidades hidráulicas As tarefas de instalar, comissionar e partir as unidades hidráulicas são delegadas aos seus fornecedores. Entretanto, cabe à Petrobras a tarefa de fiscalizar os serviços, o que requer algum conhecimento quanto ao que exigir desses prestadores de serviços.
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Importante! É sempre bom lembrar que, em tarefas desse tipo, você estará lidando com altas pressões hidráulicas e altas tensões elétricas. É preciso estar bastante consciente dos procedimentos adequados, de forma a evitar acidentes, que podem ser fatais. 2.5.1. Retirada da embalagem e inspeção visual Quanto à retirada da embalagem, deverão ser seguidas as recomendações do fabricante responsável pelo empacotamento adequado para viagem até o local de instalação. Cumprida essa etapa, deverá ser conduzida uma inspeção visual, de forma a detectar possíveis danos ocorridos durante o transporte até o local de instalação, incluindo, mas não se limitando a: • Verificar danos a pinturas; • Retirar possíveis pacotes de “sílica gel” colocados nas caixas de junção; • Verificar o estado das manoplas de válvulas e mostradores de manômetros e transmissores; • Verificar a integridade das fixações de acumuladores, bombas, filtros e demais equipamentos pesados que possam ter sido afrouxadas devido à vibração durante o transporte; • Verificar a integridade das linhas, mangueiras e conexões hidráulicas; • Verificar se toda a HPU está despressurizada.
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2.5.2. Colocação da unidade na base Para a colocação da HPU em sua base, deverão ser utilizados os olhais de içamento e observadas as recomendações do fabricante quanto à fixação e aos ângulos das lingadas. É necessário fixar a HPU à sua base (por solda ou parafusos, conforme o projeto), não esquecendo de conectar o rabicho de aterramento. 2.5.3. Pré-partida do sistema hidráulico Antes do Comissionamento da Unidade deverão ser observadas, pelo menos, as seguintes recomendações quanto ao sistema hidráulico da HPU:
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• Verificar se a unidade foi fornecida limpa até a classe 6 da NAS-1638 - Cleanliness requirements of parts used in hydraulic systems (Requisitos de limpeza de peças utilizadas em sistemas hidráulicos); • Certificar-se de que todo o sistema esteja realmente despressurizado; • Verificar se todas as linhas a serem conectadas à unidade hidráulica também foram flusheadas até a classe 6 de limpeza; • Colocar todas as válvulas nas posições seguras (fechada ou eventualmente aberta), conforme indicado no P&Id; • Verificar se todos os caps das terminações dos bulkheads estão apertados. Nem todas serão interligadas imediatamente e um cap frouxo pode causar acidente; • Verificar os set-points de todos os pressostatos e PSVs.
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2.5.4. Pré-partida do sistema elétrico Antes do Comissionamento da Unidade deverão ser observadas, pelo menos, as seguintes recomendações quanto ao sistema elétrico da HPU: • Verificar se os parafusos dos terminais de fixação dos cabos elétricos nos motores, starters, caixas de junção etc. estão devidamente apertados. Eles podem ter afrouxado no transporte; • Verificar se os disjuntores no painel elétrico onde a HPU será conectada estão desligados; • Verificar se todas as chaves de comando estão na posição off.
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2.5.5. Partida da unidade Antes da partida da unidade, deverão ser observadas, pelo menos, as seguintes recomendações: • Completar o tanque de retorno da HPU com fluido hidráulico na quantidade e especificação adequados; • Ainda que tenha sido fornecido limpo, o fluido deve ser recirculado (quando houver recursos para tal) e verificado o grau de limpeza antes de transferido para o reservatório de suprimento; • Dar pré-carga com nitrogênio nos acumuladores hidráulicos e amortecedores de pulsação da unidade; • Recircular o fluido, verificar sua limpeza e transferir para o reservatório de suprimento.
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ATENÇÃO Ao iniciar a primeira pressurização da unidade, é recomendável fazê-lo por degraus de pressão e observar possíveis vazamentos. É recomendável, também, que durante o processo seja mantida distância de segurança do sistema hidráulico.
2.5.6. Flushing (limpeza) das linhas
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Além dos componentes hidráulicos, existem também as linhas que compõem o sistema, as quais são dobradas, cortadas e anilhadas nas oficinas do montador da unidade. Mesmo que fossem fornecidas já limpas, certamente seriam alvo de contaminação durante o processo de montagem. Isso implica que elas precisam ser limpas antes de receber o fluido hidráulico de operação, para não contaminá-lo. Normalmente, o flushing é feito pela circulação de um fluido através da linha com alto número de Reynolds (fluxo turbulento), de forma a arrastar partículas que estejam aderidas às paredes. Isso é feito com uma unidade hidráulica apropriada, utilizando o mesmo tipo de fluido de operação ou um fluido específico para limpeza, mas compatível com o fluido de operação. O fluido que retorna da linha é filtrado através de um elemento de 3 microns, no caso das HPUs utilizadas em acionamento de ANMs. A cada intervalo de tempo pré-estabelecido, o fluido é amostrado e verificado o grau da limpeza que retorna do tubing sob flushing.
2.6. Limpeza de sistemas hidráulicos O flushing aplicado ao sistema hidráulico antes da operação não encerra o processo de limpeza do fluido. O cuidado com a limpeza permanece, e dois dispositivos são utilizados para garantir o controle dos níveis de impurezas no fluido circulante:
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• A colocação de um filtro a jusante da bomba de potência hidráulica para filtragem do fluido injetado no circuito; • Divisão do reservatório em duas partes, de modo a constituir um reservatório de retorno e um reservatório de suprimento. O reservatório de retorno recebe o fluido proveniente do circuito, que pode estar trazendo contaminação. Uma bomba especial de recirculação faz o fluido recircular em um filtro. A cada intervalo de tempo, uma amostra é retirada do fluido para análise de limpeza. Somente depois de atingida a classe desejada, o fluido é transferido para o reservatório de suprimento. Este, por sua vez, alimenta o circuito. Em razão das pequenas passagens existentes entre as válvulas direcionais e também por causa do uso de fluidos à base de água, mais sujeitos à contaminação por microorganismos, a questão da limpeza do fluido é fundamental para o bom funcionamento do circuito. Dessa forma, a necessidade de limpeza no circuito é atendida de diversas formas, desde a compra dos componentes até a operação do circuito. 2.6.1. Análise da limpeza do fluido Há mais de uma forma de se avaliar a limpeza do fluido. No caso de sistemas offshore, principalmente utilizando fluidos à base de água, a forma mais comum é através de microscópio. O método consiste em retirar, com uma seringa especial, um volume predeterminado de fluido (em geral 200ml) e fazer com que esse fluido passe através de um filtro especial, padronizado e absolutamente limpo. O filtro é colocado em um microscópio e sua imagem é comparada a outros filtros-padrões, com imagens típicas de cada classe estabelecida em norma.
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2.6.2. Norma de limpeza A norma de limpeza para fluidos adotada pela Petrobras é a NAS-1638 - Cleanliness requirements of parts used in hydraulic systems (Requisitos de limpeza de peças utilizadas em sistemas hidráulicos). Essa norma estabelece o número máximo de partículas de diversos tamanhos que podem estar presentes em cada uma das classes. A norma define 12 classes diferentes de limpeza, de acordo com a quantidade de partículas encontradas em amostra do fluido, que é analisada em microscópio e comparada com um padrão, de forma a ser determinada a sua classe de limpeza.
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Normalmente, a classe 6 é adotada para os circuitos hidráulicos, ou seja, os componentes como válvulas, bombas, fluido etc. são comprados com a exigência de serem entregues limpos até essa classe. Entretanto, na especificação dos componentes, é exigido que eles sejam tolerantes até a classe 12 de limpeza, de forma a garantir o funcionamento dos circuitos hidráulicos, mesmo que alguma contaminação esteja presente. Para novos projetos, a NAS-1638 foi substituída pela SAE-AS4059 - Aerospace fluid power - Cleanliness classification for hydraulic fluids (Potência dos fluidos aeroespaciais - classificação de limpeza para fluidos hidráulicos), que possui praticamente o mesmo conteúdo. 2.6.3. Técnicas de montagem e desmontagem A manutenção de sistemas hidráulicos muitas vezes requer mão de obra qualificada e especializada, principalmente quando envolve válvulas direcionais hidráulicas. Muitos componentes hidráulicos possuem componentes pequenos, com dimensões parecidas, o que requer bastante cuidado para retornar ao seu lugar específico. O material de cada componente também é fundamental. Dessa forma, é sempre prudente que a manutenção seja delegada ao fabricante. Os cuidados, nessa etapa, são semelhantes aos das unidades hidráulicas ao tratar dos cuidados na partida e comissionamento da unidade.
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2.6.4. Alguns cuidados na manutenção De início, a primeira providência deve ser bloquear o trecho em manutenção e despressurizá-lo, garantindo-se contra qualquer possível acidente. É preciso lembrar do fato que se está lidando com pressões altíssimas, mantidas por acumuladores. Deve-se utilizar ferramentas adequadas, de forma a evitar a deformação das roscas das conexões. Substituir, sempre que possível, as anilhas antes da remontagem. Recomenda-se evitar ao máximo desmontar válvulas direcionais hidráulicas. Caso seja inevitável, faça uma “vista explodida” com as peças (como exemplo, veja a ilustração a seguir), de forma a garantir que cada uma retorne ao seu lugar original e na mesma posição. Jamais suponha que uma peça possa ser substituída por similar ou até por outra retirada de outra válvula. Muitas dessas peças são “calibradas” para aquela situação específica e não podem ser substituídas, a não ser em laboratório, pelo fabricante. Principalmente em circuitos com fluidos à base de água, nunca use graxa nas roscas das conexões. O vazamento pode ser considerado o defeito mais comum e presente nas unidades hidráulicas.
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Vista expandida de bomba
É importante reforçar que a manutenção de sistemas hidráulicos (principalmente a bordo de unidades offshore) deve ser evitada ao máximo. O sistema foi limpo e a abertura do circuito pode ocasionar a contaminação do fluido. Na maioria das vezes, não se conta com uma unidade de flushing para a descontaminação necessária. Além disso, a abertura das linhas hidráulicas permite o ingresso de ar no sistema, o que nem sempre é simples de retirar.
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2.7. Exercícios 1) A força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é grandeza vetorial. Analisando a frase acima, responda: a) Por que a força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é considerada uma grandeza vetorial? ___________________________________________________________ b) Qual a definição física de força? ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ c) Qual a definição física de pressão? ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ 2) Marque (V) verdadeiro ou (F) falso nas seguintes afirmativas: (
) Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas são constituídas por um corpo com passagens internas interligadas ou bloqueadas conforme a posição de suas partes móveis.
(
) A bomba de engrenagem consiste em um sistema de duas engrenagens que giram em direções opostas dentro de uma caixa e encaminham o óleo lateralmente, através do espaço entre os dentes e a parede da caixa.
(
) Nas bombas hidrodinâmicas, o fechamento total da saída de fluido pode ser desastroso, porque proporciona o aumento da pressão sem limite, até a ruptura de partes internas ou até da carcaça da própria bomba.
(
) Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo são as de pistão e as de engrenagem.
(
) Os defeitos mais freqüentes em sistemas hidráulicos são vazamentos hidráulicos, desgaste em bombas, perda de pré-carga nos acumuladores e emperramento de válvulas direcionais hidráulicas.
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3) Preencha a segunda coluna de acordo com os tipos de falhas mais freqüentes da primeira. ( A ) Cavitação (
) Pode haver admissão de ar na câmara de sucção, caso haja pressão abaixo da pressão atmosférica.
(B)
) As pressões absolutas ficam abaixo da pressão de vapor de fluido uma vez que a sucção da bomba ocasiona um vácuo relativo. ) O ruído e a vibração ocasionados pelas ondas de choque, são sinais característicos desse problema.
Aeração
(
(
(
) Como fenômeno, não tem nada a ver com a pressão de vapor do fluido.
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4) Complete as afirmações a seguir com um dos processos referentes a sistemas hidráulicos, a saber: • Montagem do sistema; • Pré-partida do sistema; • Partida do sistema; • Limpeza do sistema; • Manutenção do sistema. a) O flushing, realizado no processo de _______________, consiste na circulação de um fluido através da linha dos sistemas hidráulicos, em fluxo turbulento, de modo a arrastar partículas que estejam aderidas às paredes. b) Certificar-se de que todo o sistema esteja realmente despressurizado é uma das recomendações mais importantes da __________________. c) Providenciar a pré-carga com nitrogênio nos acumuladores hidráulicos e amortecedores de pulsação da unidade é um dos procedimentos que antecedem a __________________. d) Principalmente em circuitos com fluidos à base de água, não usar graxa nas roscas das conexões, nos processos de _________________. e) Verificar a integridade das fixações de acumuladores, bombas, filtros e demais equipamentos pesados que possam ter sido afrouxadas por causa da vibração durante o transporte é um procedimento indispensável à etapa de __________________.
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2.8. Glossário ANM (Árvore de Natal Molhada) - é o nome dado ao conjunto de válvulas instalado em poços de exploração de petróleo e gás natural (poços offshore), que regula a produção destes hidrocarbonetos. Came - dispositivo de máquina, destinado a converter um movimento rotativo regular em movimento rotativo irregular, rápido ou lento, intermitente ou alternativo. Comissionamento da unidade - etapa de verificação da funcionalidade de equipamentos e circuitos e correção de desvios que antecede a partida. Cremalheira - peça mecânica que consiste em uma barra ou trilho dentado, que em conjunto com uma engrenagem a ele ajustada, converte movimento retilíneo em rotacional e vice-versa. Fluido - corpo cujas moléculas são tão pouco aderentes entre si que deslizam umas sobre as outras, tomando o corpo, sem consistência, a forma do vaso que o contém.
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Grandeza vetorial - grandezas que são completamente definidas quando são especificados o seu módulo, direção e sentido. HPU - Unidade de Potência Hidráulica. ISO - International Organization for Standardization - Organização Internacional para Padronização. Lingada - amarrado de mercadorias correspondentes à porção a ser içada por guindaste ou pau-de-carga. Manômetro - instrumento para medir e indicar a pressão de gases e vapores. Munk - braço mecânico, acionado hidraulicamente, utilizado para içar carga para a caçamba de caminhões. Olhal de içamento - argola posicionada em locais devidamente calculados, visando ao içamento de um equipamento. P&Id - diagrama de Engenharia de Processo. Planta de processo - unidade de processo. Plug - peça interna da válvula que tampona a passagem do fluido. Pressostato - instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais. PSV - Pressure Safety Valves - válvula de segurança.
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Capítulo 2. Hidráulica
Set-point - ponto de ajuste. Solenóide - bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético. Supply - suprimento. Torque - pode ser definido como a fração da força aplicada sobre um objeto que é efetivamente utilizada para fazê-lo girar em torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto pivô ou ponto de rotação. Trapeada - enclausurada. Tubing - encanamento, tubos, canos, tubulação, sonda, em geral com capacidade de ser dobrado. UEP - Unidade Estacionária de Produção. Válvula do tipo check - permite a passagem do fluxo em apenas um sentido.
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2.9. Bibliografia COSTA JUNIOR, Ezequiel de Souza. Hidráulica. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro: 2008. GILES, Ranald V. Mecânica dos fluidos e hidráulica. Coleção Schaum. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1972. PARKER. Apostila de Hidráulica do Curso de Treinamento. Rio de Janeiro: 2008. PETROBRAS. Material de Tubulação para Instrumentação, N-1931. Rio de Janeiro: 2008. REXROTH. Hidráulica. Apostila do curso de treinamento. Petrobras. São Paulo: 2007. SWAGELOK. Catálogo. São Paulo: 2007.
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2.10. Gabarito 1) A força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é grandeza vetorial. Analisando a frase acima, responda: a) Por que a força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é considerada uma grandeza vetorial? Por ela possuir módulo (intensidade), direção e sentido. b) Qual a definição física de força? Força é a capacidade de alterar o estado de repouso ou de movimento de um corpo, provocando a aceleração ou a deformação do mesmo. c) Qual a definição física de pressão? É uma grandeza modular (sem sentido e sem direção) que indica o estado de tensão entre as moléculas em um determinado ponto. 2) Marque (V) verdadeiro ou (F) falso nas seguintes afirmativas: (F)
(V)
Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas são constituídas por um corpo com passagens internas interligadas ou bloqueadas conforme a posição de suas partes móveis. Justificativa: um corpo com passagens internas interligadas ou bloqueadas conforme a posição de suas partes móveis é a constituição das válvulas direcionais hidráulicas. A bomba de engrenagem consiste em um sistema de duas engrenagens que giram em direções opostas dentro de uma caixa e encaminham o óleo lateralmente, através do espaço entre os dentes e a parede da caixa.
(F)
Nas bombas hidrodinâmicas, o fechamento total da saída de fluido pode ser desastroso, porque proporciona o aumento da pressão sem limite, até a ruptura de partes internas ou até da carcaça da própria bomba. Justificativa: nesse tipo de bomba pode-se fechar completamente a saída de fluido que ela continua em funcionamento sem causar danos à bomba.
(V)
Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo são as de pistão e as de engrenagem.
(V)
Os defeitos mais freqüentes em sistemas hidráulicos são vazamentos hidráulicos, desgaste em bombas, perda de pré-carga nos acumuladores e emperramento de válvulas direcionais hidráulicas.
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3) Preencha a segunda coluna de acordo com os tipos de falhas mais freqüentes da primeira. ( A ) Cavitação
(B)
Pode haver admissão de ar na câmara de sucção, caso haja pressão abaixo da pressão atmosférica.
( B ) Aeração
(A)
As pressões absolutas ficam abaixo da pressão de vapor de fluido uma vez que a sucção da bomba ocasiona um vácuo relativo.
(A)
O ruído e a vibração ocasionados pelas ondas de choque, são sinais característicos desse problema.
(B)
Como fenômeno, não tem nada a ver com a pressão de vapor do fluido.
4) Complete as afirmações a seguir com um dos processos referentes a sistemas hidráulicos, a saber: • Montagem do sistema; • Pré-partida do sistema;
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• Partida do sistema; • Limpeza do sistema; • Manutenção do sistema. a) O flushing, realizado no processo de limpeza do sistema, consiste na circulação de um fluido através da linha dos sistemas hidráulicos, em fluxo turbulento, de modo a arrastar partículas que estejam aderidas às paredes. b) Certificar-se de que todo o sistema esteja realmente despressurizado é uma das recomendações mais importantes da pré-partida do sistema. c) Providenciar a pré-carga com nitrogênio nos acumuladores hidráulicos e amortecedores de pulsação da unidade é um dos procedimentos que antecedem a partida do sistema. d) Principalmente em circuitos com fluidos à base de água, não usar graxa nas roscas das conexões, nos processos de manutenção do sistema. e) Verificar a integridade das fixações de acumuladores, bombas, filtros e demais equipamentos pesados que possam ter sido afrouxadas por causa da vibração durante o transporte é um procedimento indispensável à etapa de montagem do sistema.
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Capítulo 3 Pneumática
Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar fundamentos físicos da Pneumática; • Reconhecer a estrutura de distribuição de ar comprimido industrial e os principais tipos de compressores utilizados em unidades de produção; • Identificar a representação gráfica de circuitos pneumáticos simples; • Distinguir procedimentos característicos dos processos de limpeza, montagem e desmontagem de sistemas pneumáticos.
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Capítulo 3. Pneumática
3. Pneumática
A
palavra “pneumática” tem origem no termo grego pneumos – referente à respiração ou expiração – e constitui a parte da Física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos relativos aos gases ou vácuos e da conservação e transformação da energia pneumática em energia mecânica. O ar comprimido é utilizado hoje, na indústria, em mecanismos de acionamento e controle de processos, em ejetores de fluidos, na produção de peças de vidro ou plástico, em compressores para jateamento e pintura, no acionamento de freios, em operações submarinas, dentre outros.
?
VOCÊ SABIA?
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Provavelmente o fole foi o primeiro equipamento a aproveitar o ar comprimido. Na Alexandria, no século III A.C., já eram usadas máquinas pneumáticas simples, limitadas pelos materiais e tecnologias então disponíveis para compressão e condicionamento do ar. Hoje, o alto desenvolvimento de materiais e tecnologias permite um amplo emprego de sistemas pneumáticos na geração de energia e diminuição do esforço em várias aplicações industriais.
3.1. Pneumática - fundamentos Agora, é preciso pensar na aplicação das propriedades físicas do ar.
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3.1.1. Propriedades físicas do ar Compressibilidade O ar, como os demais gases, é compressível. Se confinado em um cilindro com êmbolo, por exemplo, uma vez aplicada uma força a este êmbolo, o volume ocupado pelo ar diminui.
Ar submetido a um volume inicial V2
Ar submetido a um volume inicial V1
F
V2 < V1
Essa propriedade é utilizada nos compressores do tipo pistão. Elasticidade
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Retirada a força exercida sobre o êmbolo, a elasticidade do ar faz com que o êmbolo se desloque e até aumente o volume ocupado.
Ar submetido a um volume inicial V2
Ar submetido a um volume inicial V1
F
V2 > V1
Difusibilidade Gases diferentes sob mesma pressão, em recipientes diferentes, quando interligados, tenderão a migrar de um recipiente para outro até que a mistura esteja homogênea.
Volumes contendo ar e gases; válvula fechada
Válvula aberta temos uma mistura homogênea
2
Expansibilidade Possuimos um recipiente contendo ar; a válvula na situação 1 está fechada
Resultado da propriedade do gás de expandir-se até ocupar todo o recipiente em que se encontra.
Quando a válvula é aberta, o ar expande, assumindo o formato dos recipientes; porque não possui forma própria
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
3.1.2. Lei de Bernouille Apesar de não reger todos os fenômenos ligados à Pneumática, a lei de Bernouille nos dá uma boa noção do comportamento do ar em circuitos pneumáticos. Com ela, entende-se porque a pressão em um vaso fechado aumenta quando a temperatura é elevada ou porque pode formar gelo nas saídas de exaustão do ar comprimido. Segundo Bernouille, para os gases perfeitos, tem-se a seguinte forma: P0.V0/T0 = P1.V1/T1 Onde: P = Pressão;
109
V = Volume; T = Temperatura. T1 V1
P1 Mesma Temperatura: Volume Diminui - Pressão Aumenta T2 V2
P2 Mesmo Volume: Pressão Aumenta - Temperatura Aumenta e Vice-Versa T3 V3
T4
P3 Mesma Pressão: Volume Aumenta - Temperatura Aumenta e Vice-Versa V4
P4
RESERVADO
Alta Competência
3.2. Compressão A propriedade de compressibilidade dos gases tem como principal aplicação a criação de compressores, com vasto emprego industrial e até mesmo doméstico. É bom lembrar que ao se falar de um aparelho de nebulização ou de uma turbina de avião, ambos exemplificam o emprego de compressores. Agora, faz-se necessário tratar do emprego industrial desses equipamentos. Compressores são máquinas utilizadas para proporcionar a elevação da pressão ou o escoamento de um gás. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas. 3.2.1. Compressores – tipos
110
Os compressores de uso industrial podem ser divididos em duas categorias, de acordo com os princípios que estão por trás de seu funcionamento. São eles os compressores volumétricos e os compressores dinâmicos. a) Compressores volumétricos Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás. Na operação dessas máquinas podem ser identificadas diversas fases, constituindo os ciclos de funcionamento. Inicialmente, certa quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de compressão, que então é cerrada e sofre redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o gás liberado para consumo. Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e a descarga. Pode-se constatar, a seguir, que é possível haver algumas diferenças entre os ciclos de funcionamento das máquinas dessa espécie, em função das características específicas de cada uma.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Dentro dos compressores compressores alternativos.
volumétricos
encontram-se
os
• Compressores alternativos Compressores alternativos caracterizam um tipo de equipamento que se utiliza de um sistema biela-manivela para converter o movimento rotativo de um eixo no movimento translacional de um pistão ou êmbolo, como mostra a ilustração a seguir:
111
Compressor alternativo
Dessa maneira, a cada rotação do acionador, o pistão efetua um percurso de ida e outro de volta na direção do cabeçote, estabelecendo um ciclo de operação. O funcionamento de um compressor alternativo está intimamente associado ao comportamento das válvulas. Estas possuem um elemento móvel denominado obturador, que funciona como um diafragma, comparando as pressões interna e externa ao cilindro. O obturador da válvula de sucção se abre para dentro do cilindro quando a pressão na tubulação de sucção supera a pressão interna do cilindro e se mantém fechado em caso contrário. O obturador da válvula de descarga se abre para fora do cilindro quando a pressão interna supera a pressão na tubulação de descarga e se mantém fechado na situação
RESERVADO
Alta Competência
inversa. Com isso, atingem-se as etapas do ciclo de funcionamento do compressor mostradas na ilustração a seguir:
Etapa de admissão
Etapa de compressão
Etapa de descarga
Etapa de expansão
Etapas do ciclo de funcionamento do compressor
Acompanhe, passo a passo, as etapas do ciclo de funcionamento do compressor, na ordem em que acontecem.
112
Etapa
Descrição
Admissão
Nessa etapa, o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro, propiciando a abertura da válvula de sucção. O gás é então aspirado.
Compressão
Nesse ponto, inverte-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que a pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga.
Descarga
Ocorre quando a válvula de descarga se abre e a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Ela se prolonga até que o pistão encerre o seu movimento no sentido do cabeçote. É importante observar que o gás anteriormente comprimido não é totalmente descarregado do cilindro. A existência de um espaço ou volume morto, entre o cabeçote e o pistão, no ponto final do deslocamento desse último, faz com que a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente ao se iniciar o curso de retorno. Isso faz com que a válvula de descarga se feche, sem que a de admissão se abra, o que só ocorrerá quando a pressão interna cair o suficiente para tal.
Expansão
Etapa em que as duas válvulas estão bloqueadas e o pistão se movimenta em sentido inverso ao do cabeçote. Precede a etapa de admissão de um novo ciclo.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Pode-se concluir, então, que devido ao funcionamento automático das válvulas, o compressor alternativo aspira e descarrega o gás respectivamente nas pressões instantaneamente reinantes na tubulação de sucção e na tubulação de descarga. Em termos reais, há naturalmente certa diferença entre as pressões interna e externa ao cilindro durante a aspiração e a descarga, em função da perda de carga no escoamento. Dentre os compressores alternativos, existe um modelo que precisa ser citado: os compressores de palheta. • Compressores de palheta No compressor de palheta, um rotor ou tambor central gira excentricamente em relação à carcaça. O tambor possui rasgos radiais ao longo do seu comprimento, nos quais são inseridas palhetas retangulares. Observe as ilustrações a seguir.
Visão frontal do rotor
Visão lateral do rotor
RESERVADO
113
Alta Competência
Ao girar o tambor, as palhetas se deslocam sob a ação da força centrífuga, ou seja, radialmente, do centro para a carcaça, e com ela se mantêm em contato. O gás entra pela abertura de sucção e preenche os espaços entre as palhetas. Devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços entre as palhetas se reduzem e provocam a compressão progressiva do gás.
114
A variação do volume de gás contido entre duas palhetas vizinhas, do final da admissão até o início da descarga, define uma relação de compressão interna fixa para a máquina. Em função da natureza do gás e das trocas térmicas que ocorrem no momento em que se inicia o processo de descarga, a pressão do gás poderá ser diferente da pressão interna. No entanto, a condição de equilíbrio é restabelecida quase que instantaneamente e o gás, descarregado. • Compressores de parafuso São compressores nos quais dois rotores em forma de parafusos giram em sentidos opostos, porém mantendo-se engrenados entre si. Veja a ilustração a seguir:
Compressor de parafuso
O compressor se conecta com o sistema por meio de aberturas diametralmente opostas de sucção e descarga, como pode ser visto na ilustração a seguir:
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Vista lateral indicando a movimentação do gás em um compressor de parafusos
Através da abertura de sucção, o gás penetra e preenche os intervalos entre os filetes dos rotores. No instante em que ocorre o “engrenamento” de um filete, o gás nele contido fica retido entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz com que o ponto de “engrenamento” vá se deslocando para frente, reduzindo o espaço disponível para o gás, o que provoca a sua compressão. O gás alcança a abertura de descarga e é liberado. A relação de compressão interna do compressor de parafusos depende da geometria da máquina e da natureza do gás. b) Compressores dinâmicos Os compressores dinâmicos possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor. O impelidor é um órgão rotativo, munido de pás, que transfere ao gás a energia recebida de um acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética, em parte pela forma de entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo, denominado difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás em entalpia, com conseqüente ganho de pressão. Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua e, portanto, correspondem exatamente ao que se denomina em termodinâmica como volume de controle. Veja no quadro a seguir que os compressores volumétricos e dinâmicos se dividem ainda em outros tipos.
RESERVADO
115
Alta Competência
Alternativos Volumétricos Compressores Dinâmicos
Rotativos
Palhetas Parafusos Lóbulos
Centrífugos Axiais
3.3. Preparação do ar comprimido
116
O ar atmosférico, além de vários gases, contém vapor de água e poeira. A poeira é abrasiva e pode causar desgastes em partes móveis. A água pode condensar no sistema, causando uma série de problemas. Como se não fosse o bastante, o ar também se contamina com óleo no próprio compressor, que poderá também formar depósitos em outras partes não desejadas do sistema. Dessa forma, o ar, antes de ser aplicado como meio de transmissão de potência, precisa ser tratado. 3.3.1. Tratamento da umidade A quantidade de “água” contida no ar depende de sua temperatura e volume. A permanência dessa água no estado de vapor depende do ponto de orvalho nas condições daquele volume, assim como da pressão de saturação à temperatura do ar. O vapor estará saturado quando sua pressão parcial for igual à pressão de saturação. Quando sua pressão parcial for menor do que a de saturação, diz-se que o vapor está superaquecido e que nenhum problema traria, pois nessa condição não há risco de condensações. Agora, é preciso supor que um determinado volume de ar está saturado, ou seja, que a sua umidade relativa é de 100% e que será comprimido até a metade de seu volume. Uma vez que aquele volume de ar já estava com a sua capacidade máxima de reter umidade, ao se reduzir à metade, parte desse vapor será condensado e precipitado sob a forma de água. Isso acontece ao se considerar que a compressão ocorreu sem variações de temperatura, ou seja, de forma isotérmica.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Entretanto, na prática, isso não acontece. Ao contrário, nota-se um aumento significativo da temperatura do ar quando submetido à compressão. Dessa forma, muito provavelmente, não haverá a precipitação de água, uma vez que a capacidade de retenção de vapor também aumenta com a temperatura. Com isso, não haverá, provavelmente, acúmulo de água nas câmaras de compressão, mas sim espalhado pelo circuito pneumático. Conforme esse ar for esfriando o vapor começa, então, a condensar. Essa condensação de vapor nas linhas traz diversas conseqüências, sendo as principais: • Oxidação; • Formação de emulsão com os filmes de óleo, alterando sua viscosidade e causando desgaste das partes móveis.
117 Por isso, é importante retirar do ar toda a parcela de vapor capaz de condensar e trazer problemas ao circuito. 3.3.2. Resfriador posterior O resfriador posterior é um trocador de calor colocado imediatamente a jusante do compressor e a montante do pulmão (reservatório de ar comprimido) com o objetivo de promover a condensação da umidade do ar de forma e em local adequados. Um resfriador posterior é basicamente uma colméia com uma câmara de condensado provida de dreno. É importante observar que, por causa da retirada do vapor, o volume útil do ar diminui. Entretanto, isso não corresponde a uma perda real de energia, considerando que a condensação ocorreria de qualquer forma dentro do circuito reduzindo o volume do ar. Apenas essa condensação foi realizada dentro de um compartimento adequado, evitando os problemas citados anteriormente.
RESERVADO
Alta Competência
Simbologia
Resfriador posterior
Importante!
118
O resfriador posterior retira de 75% a 90%, aproximadamente, da umidade do ar, além de retirar também vapores de óleo que tenham sido absorvidos pelo ar no próprio compressor. Além disso, esse equipamento é importante para impedir que o ar circule em alta temperatura na tubulação, causando choques térmicos nas conexões e conseqüentes trincas e vazamentos. 3.3.3. Reservatório de ar comprimido Depois de passar pelo resfriador posterior, o ar comprimido é armazenado em um reservatório, que por ter essa função, usualmente é chamado de “pulmão”. Além de armazenar o ar, os reservatórios ainda assumem outras funções: • Terminam a tarefa dos resfriadores posteriores, auxiliando na eliminação de condensado. Em alguns casos, em pequenos sistemas, perfazem a função de “resfriadores”, eliminando o resfriador posterior;
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
• Amortecem a pulsação do compressor, principalmente quando este é alternativo; • Compensam as flutuações de pressão e vazão no sistema. Na qualidade de vasos de pressão, os “pulmões” devem ser dotados de válvulas de segurança, de forma a impedir que sua pressão exceda àquela para a qual foram projetados, e submetidos à “teste de pressão” antes da sua utilização. Normalmente, são dotados também de manômetro, pressostato ou transmissor de pressão para controle de partida e parada do compressor.
1
119 2
5 6 3
4 7
8 1 - Manômetro 2 - Válvula Registro 3 - Saída 4 - Entrada
Simbologia
5 - Placa de Identificação 6 - Válvula de Alívio 7 - Escotilha para Inspeção 8 - Dreno
Reservatório de ar comprimido
RESERVADO
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a) Desumidificadores ou secadores de ar Principalmente nos circuitos de ar de instrumentos, o ar comprimido deveria estar absolutamente seco e limpo. Entretanto, como o absoluto é impraticável, considera-se seco o ar que, apesar de ainda arrastar algum teor de umidade, está reduzido a níveis que não mais causam danos para aquela aplicação a que se destina. Os secadores de ar são colocados nos circuitos pneumáticos a jusante dos “pulmões”. 3.3.4. Secadores por refrigeração
120
O método da secagem por refrigeração é quase idêntico ao do resfriador posterior, sendo que, neste caso, o ar é refrigerado para remover o condensado. Não é desejável o uso do ar comprimido em baixa temperatura. Assim, um pré-resfriador utiliza o ar seco que retorna ao circuito para resfriar o ar úmido que entra no resfriador. Dessa forma, o ar seco recupera parte da energia perdida e ainda ajuda a melhorar a eficiência do resfriador. Secagem por Refrigeração Ar Úmido Pré-Resfriador A
Ar Seco Resfriador Principal B
Separador C
E
Compressor de Refrigeração Bypass
D
Dreno Condensado
Freon
Simbologia
Secagem por refrigeração
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
3.3.5. Secador por absorção O método consiste em passar o ar através de um conjunto de pastilhas higroscópicas que absorvem a umidade. Há dois tipos de substâncias higroscópicas: as solúveis e as insolúveis. As solúveis são aquelas que se liquefazem em contato com a água e são eliminadas junto com o condensado. As insolúveis não se liquefazem. O método é conhecido como processo químico de secagem. De qualquer forma, essas pastilhas requerem substituição, pois sem isso o sistema torna-se deficiente. As substâncias higroscópicas mais comumente utilizadas são o cloreto de cálcio, o cloreto de lítio e o dry-o-lite. Secagem por Absorção
121
Ar Seco
Pastilhas Dessecantes
Ar Úmido Condensado Drenagem Simbologia
Secagem por absorção
3.3.6. Secador por adsorção O método consiste na fixação de um adsorvato (água) na superfície de um adsorvente, em geral sólido (por exemplo, o SiO2 – mais conhecido como sílica gel). O método é conhecido como processo físico de secagem, cujo funcionamento é pouco conhecido.
RESERVADO
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Sabe-se, entretanto, que o processo é regenerativo, ou seja, quando a substância adsorvente está saturada, ela pode liberar água através de um aquecimento regenerativo. Para tal, normalmente, usam-se duas torres de forma que uma esteja funcionando como secadora e a outra como regeneradora, de forma alternada. Para a regeneração, utiliza-se um fluxo do próprio ar seco, aquecido, passando através do adsorvente que é liberado para a atmosfera carregando o vapor d’água. Importante!
122
Na saída de ar seco para o circuito pneumático deve ser colocado um filtro, de forma que partículas do adsorvente não sejam arrastadas para o circuito, provocando problemas nas partes móveis do sistema. Um filtro de carvão ativo também deve ser colocado a montante do secador, para absorver arrastes de óleo que se depositariam no adsorvente, de forma não regenerável, a fim de prevenir a redução da sua eficiência.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Secagem por Adsorção
Ar Seco
Ar Úmido Adsorvente
Regenerando
Secando Esquematização da Secagem por Adsorção Ar Seco
Regenerando
123
Secando
Ar Úmido
Simbologia
Secagem por adsorção
3.4. Distribuição do ar comprimido Quando se tem uma grande quantidade de consumidores de ar comprimido, normalmente, como acontece em muitas plantas industriais, a forma mais adequada de atender à demanda é através de um sistema central de compressão, condicionamento e armazenagem do ar comprimido, o que é distribuído através de uma rede aos seus diversos consumidores. 3.4.1. Redes de distribuição A finalidade básica da rede de distribuição de ar é a de fazer chegar aos consumidores a potência pneumática gerada no sistema central. Para tal finalidade deve atender a alguns requisitos:
RESERVADO
Alta Competência
• Minimizar a queda de pressão entre a geração e o consumo; • Garantir a estanqueidade. Vazamentos muitas vezes reduzem a potência do sistema; • Facilitar a retirada de condensados residuais. 3.4.2. Configurações de redes Principalmente para grandes redes instaladas em plantas industriais, o formato adotado é em geral o em anel. Rede de Distribuição em Anel Fechado
124
Consumidores
Reservatório Secundário A - Rede de distribuição com tubulações derivadas do anel.
B - Rede de distribuição com tubulações derivadas das transversais.
Rede de distribuição em anel fechado
A configuração em anel aumenta a confiabilidade do sistema, garantindo que haja sempre um caminho alternativo para o ar entre o compressor e o consumidor. Além disso, um esmagamento da tubulação de distribuição, em qualquer ponto, não será capaz de interromper o fornecimento de ar para os demais pontos. A ruptura pode ser também mais facilmente solucionada pelo imediato esmagamento das extremidades abertas, até que a recuperação da linha seja possível.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Para sistemas menores, um único anel pode ser suficiente (configuração A da ilustração anterior), no qual todos os consumidores encontram-se distribuídos ao longo do anel. Quando o sistema tem maiores dimensões a configuração B é a mais indicada. Observe que ela corresponde, na verdade, a diversos anéis e que possui excelente imunidade a esmagamentos ou rupturas das linhas. Em contrapartida, a drenagem sistemática de condensado deixa de ser tão trivial, uma vez que não se pode manter um caimento constante desde a compressão até o final da linha de distribuição. Além da configuração da linha, o aumento da confiabilidade depende também do uso de válvulas de bloqueio que garantam o isolamento de determinadas áreas para que os vazamentos ou as manutenções de trechos não impeçam o fornecimento de ar para os Isolamento da Rede de Distribuição com Válvula demais consumidores. de Fechamento
125
AC
Isolamento da rede de distribuição com válvula de fechamento
3.4.3. Implementação da rede As conexões entre os tubos podem ser efetuadas de diversas formas. A mais comum, em função do baixo custo, é a roscada. Esta, entretanto, requer cuidados, em função da maior susceptibilidade a vazamentos devido a imperfeições da rosca. Fitas de Teflon ou mesmo veda juntas, como o lock-tight, devem ser usadas para garantir sua estanqueidade. As conexões soldadas são bastante utilizadas, principalmente em tubos com diâmetros superiores a 1 ½”. Nesse caso, alguns cuidados devem ser tomados quanto à formação de escamas dentro do tubo.
RESERVADO
Alta Competência
Em alguns casos, é preferível que a conexão seja flangeada, principalmente em locais onde haja a possibilidade de desmonte para manutenção. 3.4.4. Drenagem de umidade Mesmo com os cuidados tomados para retirar umidade, uma quantidade suficiente para condensar dentro da tubulação persiste no ar comprimido. Dessa forma, é recomendável que a tubulação seja montada com declives e aclives, de forma que drenos ou purgadores sejam colocados nos pontos baixos. Prevenção e Drenagem para o Condensado Separador
Ar Comprimido
126
Armazenagem de Condensados
Drenos Automáticos
Prevenção e drenagem para o condensado
3.4.5. Unidades de condicionamento (filtros reguladores) Após ter passado por todo o processo de produção, tratamento e atravessado o sistema de distribuição, o ar comprimido precisa passar por um último estágio de condicionamento antes de ser entregue a seu consumidor final. O condicionamento, nesse caso, consiste em filtragem para retirar as partículas remanescentes que possam atuar como abrasivos e ainda proporcionar regulação da pressão, de forma a garantir pressão constante ao consumidor final.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Refil - Filtro Regulador
F G
A
H
B C I
D
J E
A - Manopla B - Orifício de Sangria C - Válvula de Assento D - Defletor Superior E - Defletor Inferior
127
F - Mola G - Orifício de Exaustão H - Diafragma I - Passagem do Fluxo de Ar J - Elemento Filtrante
Simbologia
Filtro Regulador
O esquema a seguir apresenta um circuito típico de fornecimento de ar comprimido para o atuador de uma válvula pneumática: Válvula solenóide S 1
3
2
ZSH
Exist. Constr. (Nota 2)
Filtro regulador de pressão
ZSL
XV-514001A/B
Fornecido com a válvula
Circuito de ar comprimido
RESERVADO
Alta Competência
Após o uso pelo consumidor final, o ar comprimido retorna para a atmosfera. Essa, inclusive é uma das grandes vantagens da utilização dos circuitos pneumáticos em comparação com os hidráulicos: o fluido é gratuito e abundante, o que elimina a situação de falta do mesmo no sistema.
3.5. Principais componentes de um circuito pneumático É importante diferenciar os principais componentes de um circuito pneumático. Válvulas, cilindros e motores são os equipamentos a serem abordados a partir de agora. 3.5.1. Válvulas pneumáticas
128
Em termos de funcionamento, não existe nenhuma diferença entre as válvulas e motores acionados pneumaticamente daqueles acionados de forma hidráulica. Ressalta-se, aqui, algumas das principais diferenças entre os dois sistemas. a) Considerações Da mesma forma que acontece com os cilindros, a principal diferença a ser considerada é a pressão envolvida. Enquanto os sistemas hidráulicos operam, na maioria das vezes, em pressões acima de 100 bar, os sistemas de ar comprimido operam em pressões de até 10 bar (em geral, regulada em cerca de 7 bar, ou 100 psi). No caso das válvulas, o principal impacto está realmente nos materiais utilizados e, muitas vezes, nas suas dimensões. Válvulas em plástico, alumínio e zamac jamais poderiam ser utilizadas em altas pressões, portanto, esses materiais não podem ser utilizados em válvulas para sistemas hidráulicos. No caso de unidades offshore, entretanto, o aço inox continua sendo uma exigência para ambos os casos, em função do ambiente agressivo em que se encontram instaladas. Os tipos mais comuns de válvulas hidráulicas também se aplicam aos sistemas pneumáticos.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
É importante observar que, dependendo do fabricante, os mais variados tipos de válvulas estão disponíveis. Embora as válvulas mais comuns oferecidas no mercado sejam adequadas às aplicações mais usuais, na indústria do petróleo, para algumas aplicações, válvulas especiais são construídas de forma dedicada. A solução construtiva varia de fabricante para fabricante, tanto para a válvula pneumática quanto, principalmente, para a válvula hidráulica. 3.5.2. Cilindros e motores pneumáticos O princípio de funcionamento dos cilindros e motores acionados pneumaticamente é semelhante ao dos cilindros acionados de forma hidráulica. É necessário, após uma breve referência ao estudo sobre cilindros hidráulicos, ressaltar as principais diferenças que irão, inclusive, balizar a escolha para as diversas aplicações.
129
a) Considerações É importante ressaltar que o cilindro pneumático, assim como o hidráulico, se compõe de um cilindro e um êmbolo e que a força máxima de um cilindro é função da área útil do êmbolo e da pressão máxima de trabalho admissível:
.
F=P A A velocidade do êmbolo está diretamente correlacionada à vazão do fluido no cilindro. O binômio “força X velocidade do êmbolo” (energia) é obtida a partir do binômio “pressão X vazão” do fluido aplicado (energia). A principal diferença a ser considerada é a pressão de operação. Enquanto os sistemas hidráulicos operam, na maioria das vezes, em pressões acima de 100 bar, os sistemas de ar comprimido operam em pressões de até 10 bar (em geral, regulada em cerca de 7 bar, ou 100 psi). Isso traz impactos muito importantes quanto às características construtivas dos cilindros e motores:
RESERVADO
Alta Competência
• Para uma mesma força requerida, os cilindros pneumáticos possuem dimensões muito maiores do que as dos cilindros hidráulicos. Lembre-se de que F = P . A. Se a pressão é menor, a área do pistão precisa ser maior; • As características construtivas e os materiais utilizados nos cilindros e motores são menos rígidos. A conseqüência imediata dessas diferenças está na escolha dos sistemas de potência para operar válvulas. Os cilindros pneumáticos são geralmente utilizados nas plantas de processo com atuadores para válvulas remotamente operadas. As vantagens, como já foi visto, dizem respeito à disponibilidade do fluido (ar, na atmosfera) e à maior facilidade de geração e distribuição do ar comprimido.
130 Importante! Nas aplicações de altas pressões e vazões, em razão das altas potências exigidas para movimentação da válvula, o atuador pneumático pode se tornar inviável. Nesses casos, a adoção de atuadores baseados em cilindros hidráulicos pode ser a alternativa mais adequada. Em aplicações “offshore”, o E&P adota o critério de utilizar atuadores pneumáticos até 2 m de comprimento. Quando o cálculo do atuador aponta para cilindros com mais de 2 m de comprimento, adota-se opção hidráulica. 3.5.3. Circuitos pneumáticos - elaboração e interpretação Os circuitos apresentados a seguir podem ser projetados tanto para sistemas pneumáticos como hidráulicos.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
a) Exemplos de circuitos Cilindro de ação simples com comando direto, local: A
a2
2
3
1
131 Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local:
a0 12
2
2 1 a2
3
2
1
3
RESERVADO
Alta Competência
Cilindro de ação simples com comando indireto (piloto duplo), local: A
a0 2
12
10 3
1 a2
a1
2
3
1
2
1
3
132 Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada local), utilizando elemento lógico “OU” (“válvula shuttle”): A
a0 12
2
1 a.02
2 1
1 a2
a4
2 1
3
3
2 1
3
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos simultâneos (válvula pilotada), local, utilizando elemento lógico “E”: A
a0 2
12
1 a.02
2 1
1 a2
a4
2
2
3
1
3
3
1
133
Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento: A
a.02
a.01
a0 14
4
2
5
12 3
1
a2
a1
2 1
3
2 1
3
RESERVADO
Alta Competência
Exemplo de um circuito pneumático real utilizado no acionamento de bombas hidráulicas em unidades de geração de potência hidráulica em plataformas marítimas de produção de petróleo: M PIT 1210301
PI
PI
1210302
1210303
PI 1210305 XY 1210301
R2
PI PI
1210304
1210306
Suprimento pneumático R2
100 PSIG
XY 1210302
134
R2
Exemplo de um circuito hidráulico real utilizado no acionamento das válvulas de uma árvore de natal em plataforma de produção:
TYPICAL SCHEME FOR WELL VALVE ACTUATIONS FOR ONE (1) PRODUCTION X-MAS TREE
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L
3.6. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos e pneumáticos As normas internacionais para a simbologia de componentes não distingue sistemas hidráulicos de pneumáticos, ou seja, a simbologia é a mesma para os dois tipos de circuitos.
RESERVADO
Capítulo 3. Pneumática
A simbologia apresentada aqui foi baseada na norma internacional ISO 1912 – “Fluid power systems and components – graphic symbols and circuit diagrams” (Potência dos fluidos, sistemas e componentes – símbolos gráficos e diagramas de circuito).
3.7. Defeitos mais freqüentes dos sistemas pneumáticos A cada aplicação ou tipo de circuito corresponde um diferente conjunto de defeitos característicos. Entretanto, alguns podem ser considerados genéricos. Alguns desses serão tratados e também alguns usuais nos sistemas de ar comprimido utilizados em UEPs offshore. 3.7.1. Vazamentos Assim como nas unidades hidráulicas, pode-se considerar o vazamento como o defeito mais comum e presente em todos os sistemas. Isso pode ocorrer em conexões, válvulas ou até em rupturas de linha. Os vazamentos correspondem a perdas de energia do sistema. Dependendo do seu tamanho, podem ocasionar a perda da energia pneumática para o trabalho a que se destina. 3.7.2. Desgaste dos compressores Uma conseqüência imediata dos vazamentos é o desgaste prematuro dos compressores, principalmente os do tipo alternativo (pistão), devido ao atrito prolongado entre as partes móveis. 3.7.3. Saturação de secadoras de ar A qualidade do ar é fundamental para o bom funcionamento de um circuito. A falta de regeneração de secadoras de adsorção ou falta de substituição de partículas em secadoras de absorção, pode ocasionar a admissão de grande quantidade de umidade no sistema. Essa quantidade extra poderá, também, ocasionar entupimentos de filtros além dos distúrbios já mencionados.
RESERVADO
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3.7.4. Queima de solenóides das válvulas direcionais Na maioria das vezes, as válvulas direcionais são operadas remotamente por solenóides. Por questões de segurança, esses solenóides são mantidos energizados durante a operação, de forma a levar a unidade para condição segura em caso de falta de energia. Se o solenóide não tiver um projeto robusto o bastante para suportar essa condição, ou se a temperatura de operação ficar acima daquela para a qual foi projetada, o solenóide da válvula se deteriora e “queima”, ocasionando operação indevida da válvula para a posição segura. Normalmente, os sistemas pneumáticos submetidos minimamente à manutenção costumam ser bastante robustos, simples e baratos, constituindo, até hoje, a opção mais freqüente para acionamento de válvulas em plantas industriais.
136 3.8. Cuidados nas instalações e manutenções de unidades pneumáticas Em geral, as unidades de compressão e preparação de ar comprimido são adquiridas como unidades pacote e o fabricante costuma ter procedimentos pré-estabelecidos para montagem, instalação e comissionamento das mesmas. De qualquer forma, alguns cuidados devem ser tomados por aqueles que fiscalizam o processo, como o de inspecionar visualmente o pacote recebido e, após a sua instalação, realizar um teste funcional. Com o sistema de distribuição, o panorama é diferente, porque ele não constitui um pacote. Deve ser montado, testado e comissionado durante a obra, e requer alguma atenção. Os itens a seguir são dedicados a cuidados importantes a serem tomados com o sistema de distribuição do ar comprimido.
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3.8.1. Montagem Cuidados na montagem, como inclinação das linhas, utilização de potes de drenagem nos pontos baixos e outros, aplicáveis ao sistema de distribuição de ar comprimido, são igualmente importantes para sistemas pneumáticos. É muito importante que a montagem dos tubos de distribuição de ar comprimido não esteja sujeita a altos e baixos que permitam acúmulo de umidade, possibilitando que venham a se tornar êmbolos no sistema. Cabe ainda lembrar que sejam observados os raios mínimos de cada tipo de tubing, na hora de dobrá-los, quando for o caso, e também usar selantes adequadamente nas conexões.
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3.8.2. Teste de pressão No teste de pressão das linhas de distribuição do sistema pneumático, deverá ser utilizado ar comprimido limpo, seco e isento de hidrocarbonetos ou nitrogênio. A pressão de teste hidrostático deverá ser, no mínimo, a pressão de projeto das tubulações, acrescida de 10%. Quando a pressão atingir o valor da pressão do teste pneumático, a mesma deverá ser aliviada até o valor da pressão de projeto para que se possa proceder inspeção visual, quanto à existência de vazamentos. Por uma questão de segurança, a verificação visual do sistema quanto à existência de vazamentos, durante o teste pneumático, não poderá ser executada quando a pressão do sistema estiver mais alta do que sua pressão de projeto. Uma vez concluída a inspeção, o sistema deverá ser repressurizado até o valor de teste, durante 30 minutos. A monitoração deverá ser efetuada através de manômetros.
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3.9. Limpeza de sistemas pneumáticos Antes da montagem final do sistema, os trechos de tubos devem ser “soprados” para a retirada de impurezas que, por serem abrasivas, podem causar diversos tipos de problemas. A sopragem deve ser executada antes do teste de estanqueidade, no local de instalação, no sentido normal do fluxo de ar na linha. Para tanto, as extremidades dos tubos a serem soprados devem estar abertas. Os tubos podem ser soprados tanto com o próprio ar de instrumentos (seco, isento de óleo), como com nitrogênio. Em ambos os casos, a pressão mínima será de 5 Kg/cm², de modo a secar o tubo internamente e arrastar qualquer corpo estranho que possa estar em seu interior.
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A sopragem deve ser mantida por um período de tempo suficiente para que, por uma inspeção visual do ar ou nitrogênio que sai para a atmosfera, não seja constatada a presença de umidade, sujeira ou partículas de qualquer natureza.
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3.10. Exercícios 1) Quais as propriedades físicas do ar? ( ( ( (
) ) ) )
Compressibilidade, elasticidade, inércia e densidade. Pressão, elasticidade, massa específica e difusibilidade. Viscosidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade. Compressibilidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.
2) Relacione a primeira coluna de acordo com as características da segunda. Tipos de compressores ( A ) Compressores ( volumétricos ( B ) Compressores ( dinâmicos (
(
Características ) Nesses compressores, a transferência de energia se faz em parte na forma cinética, em parte pela forma de entalpia. ) Também conhecido como compressor de deslocamento positivo. ) É um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção ou a descarga. ) Possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor.
(
) Efetuam o processo de compressão de maneira contínua.
(
) Nesse tipo de compressor, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás.
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3) Com base em seus estudos sobre simbologia, identifique os circuitos representados a seguir e marque com X a especificação correspondente: a)
a0 12
2
2 1 a2
3
2
1
3
(
) Cilindro de ação simples com comando indireto (piloto duplo), local.
(
) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).
(
) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local, retorno por mola.
(
) Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento.
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b) A
a2
2
1
3
(
) Cilindro de ação simples com comando direto, local.
(
) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).
(
) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local.
(
) Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento.
4) Complete as lacunas das frases a seguir: a) É muito importante que a ______________ dos tubos de distribuição de ar comprimido não seja feita com altos e baixos que permitam acúmulo de umidade, possibilitando que venham a se tornar êmbolos no sistema. b) A ______________de teste hidrostático deverá ser, no mínimo, a ______________de projeto das tubulações, acrescida de 10%. c) A ______________deve ser executada antes do teste de estanqueidade, no local de instalação, no sentido normal do fluxo de ar na linha.
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3.11. Glossário Adsorvato - substância adsorvida num processo de adsorção. Atrito - força que inibe o deslizamento de objetos, agindo no sentido oposto ao deslizamento. Biela-manivela - peça de uma máquina que serve para transmitir ou transformar o movimento retilíneo alternativo em circular contínuo. Dry-o-Lite - dissecante químico. Energia cinética - trabalho fornecido a um corpo (sistema) através da aceleração desse corpo até uma determinada velocidade (depende de um referencial). É conhecida também como energia de velocidade. Entalpia - soma da energia interna de um corpo e o produto de seu volume multiplicado pela pressão.
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Estanqueidade - capacidade de estancar, parar, interromper. Fluido - corpo cujas moléculas são tão pouco aderentes entre si que deslizam umas sobre as outras, tomando o corpo, sem consistência, a forma do vaso que o contém. Higroscópica - substância capaz de absorver a umidade do ar. ISO - International Organization for Standardization - Organização Internacional para Padronização. Manômetro - instrumento para medir e indicar a pressão de gases e vapores. Planta de processo - unidade de processo. Pressostato - instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais. Solenóide - bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético. Termodinâmica - ciência que estuda as interações energéticas e as correspondentes variações de propriedades de um sistema. Tubing - encanamento, tubos, canos, tubulação, sonda em geral com capacidade de ser dobrado. UEP - Unidade Estacionária de Produção. Zamac - liga metálica composta de zinco, magnésio, alumínio e cobre.
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3.12. Bibliografia GILES, Ranald V. Mecânica dos fluidos e hidráulica. Coleção Schaum. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1972. PARKER. Apostila de Treinamento M-1001BR. Rio de Janeiro: 2000. RIBEIRO, Marco Antônio. Medição de vazão - fundamentos e aplicações. 5ª edição. Rio de Janeiro: 2002.
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3.13. Gabarito 1) Quais as propriedades físicas do ar? ( X ) Compressibilidade, elasticidade, inércia e densidade. (
) Pressão, elasticidade, massa específica e difusibilidade.
(
) Viscosidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.
(
) Compressibilidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.
2) Relacione a primeira coluna de acordo com as características da segunda. Tipos de compressores
Características
( A ) Compressores ( B ) volumétricos
Nesses compressores, a transferência de energia se faz em parte na forma cinética, em parte pela forma de entalpia.
( B ) Compressores (A) dinâmicos
Também conhecido deslocamento positivo.
como
compressor
de
(A)
É um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção ou a descarga.
(B)
Possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor.
(B)
Efetuam o processo de compressão de maneira contínua.
(A)
Nesse tipo de compressor, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás.
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Capítulo 3. Pneumática
3) Com base em seus estudos sobre simbologia, identifique os circuitos representados a seguir e marque com X a especificação correspondente: a)
a0 12
2
2 1 a2
3
2
3
1
(
) Cilindro de ação simples com comando indireto (piloto duplo), local.
(
) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).
( X ) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local, retorno por mola. (
) Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento.
b) A
a2
2
1
3
( X ) Cilindro de ação simples com comando direto, local. (
) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).
(
) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local.
(
) Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento.
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4) Complete as lacunas das frases a seguir: a) É muito importante que a montagem dos tubos de distribuição de ar comprimido não seja feita com altos e baixos que permitam acúmulo de umidade, possibilitando que venham a se tornar êmbolos no sistema. b) A pressão de teste hidrostático deverá ser, no mínimo, a pressão de projeto das tubulações, acrescida de 10%. c) A sopragem deve ser executada antes do teste de estanqueidade, no local de instalação, no sentido normal do fluxo de ar na linha.
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