Uma Breve Monografia Sobre Vasos de Pressão
São Paulo 2014
PNV2333 - Mecânica dos Sólidos I
Autor: Rafael Grillo Illipronti NUSP: 8040563 Docente responsável: Claudio Ruggieri, PhD.
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“Ao expandirmos o campo do conhecimento apenas aumentamos o horizonte da ignorância”ignorância”- Miller, Henry
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“Ao expandirmos o campo do conhecimento apenas aumentamos o horizonte da ignorância”ignorância”- Miller, Henry
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Índice: Relação de Figuras........................................................................... 4 Relação de Tabelas.......................................................................... Tabelas.......................................................................... 5 1.Introdução.................................................................................... 1.Introdução...................... .............................................................. 6 2.Objetivos...................................................................................... 2.Objetivos...................................................................................... 7 3.Vasos de Pressão: Uma Visão Geral............................................. 8 3.2 Conceitos, Usos e Aplicações..................................8 Aplicações..................................8 3.2 Cargas de Projeto e Tensões Agentes....................11 3.3 Seleção de Materiais, Construção e Fabricação:...26 4. O Código ASME........................................... ASME...........................................................................31 ................................31 5. Projeto de Um Vaso de Pressão.................................................36 6.Referências Bibliográficas...........................................................42 Bibliográficas...........................................................42
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Relação de Figuras: Figura 1 : Refinaria de petróleo....8
Figura 13 - Corpo Esférico.................................19
Figura 2: Uma panela de pressão
Figura 14 - Corpo Composto.............................20
também é um vaso de pressão.........................................8
Figura 15 - Tampo Semielípico..................................20
Figura 3 - Reservatório de Gás Liquefeito de Petróleo (GLP)............................................9
Figura 16 - Tampo Toriesférico.........................20
Figura 4: Navio LPG..............................................9
Figura 17 - Tampo Cônico..................................21
Figura 5: Reator Nuclear de uso
Figura 18 - Tampo hemisférico..........................21
Naval.........................................10
Figura 19 - Exemplos de Reforçadores.......................23
Figura 6: Estado tri axial de
Figura 20 – Exemplos de Suportes...............................24
Tensões.....................................11 Figura 7: Representação do Critério de
Figura 21 – Exemplos de Acessórios Externos...............................25
Tresca.......................................12
Figura 8 - Representação Representação Gráfica do
Figura 22 (a) : Materiais para Vasos de Pressão................................27
critério de Von Mises.......................................14
Figura 22 (b) : Materiais para Vasos de Pressão...............................27
Figura 9 – Comparação Gráfica entre o
Figura 23: Fábrica de sapatos de Brockton.............................30
critériode Von Mises e o de Tresca.....................................15
Figura 24: Fábrica após a explosão.............................30
Figura 10: Tensões em vasos de
Figura 25 – Tambor de Coqueamento a
pressão...................................16
ser projetado..............................36
Figura 11: Ilustração de uma caldeira..................................17
Figura 26: Região 7 Ampliada...........................40
Figura 12 - Tipos de Corpos de Vasos de Pressão - Cilíndrico horizontal, inclinado e vertical...............................19 4
Relação de Tabelas:
Tabela 1 – Limites mínimos de espessura requeridos.................................22 Tabela 2 : Pressão de Projeto em cada Região...........................................38 Tabela 3: Pressão de Projeto (Corrigida) em cada Região..........................39
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1. Introdução: Vasos de pressão, em geral, podem ser definidos como reservatórios que contenham fluidos a uma pressão diferente das pressões externas as quais eles estão sujeitos. Para uma correta armazenagem do fluido de trabalho é necessário que eles sejam projetados para serem capazes de resistir, com segurança, a tal gradiente de pressão e seus consequentes esforços. A essa definição geral, alia-se à definição da ASME - Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos -segundo a qual os vasos de pressão seriam reservatórios de qualquer tipo, dimensões ou finalidade, não sujeitos a chama, que contenham qualquer fluido em pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm2 ou submetidos à pressão externa. Dentro de uma definição tão abrangente, incluem-se uma variedade de equipamentos: desde uma simples panela de pressão, passando por reservatórios de gás em navios gaseiros, ou cilindros de armazenagem em refinarias de petróleo, usinas de açúcar e etanol, indústrias químicas e petroquímicas, até os mais sofisticados reatores nucleares, e mesmo aviões e veículos espaciais.
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2. Objetivos: O objetivo do trabalho final da disciplina PNV2333 – Introdução à mecânica dos sólidos- consiste, de forma geral, na formulação do projeto de um vaso de pressão, um componente amplamente difundido no ramo da engenharia, por meio da utilização de conceitos básicos absorvidos ao longo do curso, tais como os de esforços solicitantes, análise de tensões e deformações, critérios de escoamento, entre outros. Desse modo, é esperado que o aluno possa integrar a teoria e a prática, de modo a ambientar-se com os desafios e dificuldades típicos de um projeto de engenharia. Além disso, é exigida a busca e compreensão de uma norma importante: o código ASME referente aos vasos de pressão (Seção VIII).
3. Vasos de Pressão: Uma visão geral
3.1Conceitos, usos e aplicações
O nome vasos de pressão designa genericamente qualquer tipo de recipiente estanque (não importando suas dimensões, formato ou finalidade) capaz de conter um fluido pressurizado. Dentro desse contexto, é possível vislumbrar a utilização de tais estruturas no armazenamento, transporte e acumulo de gases sob pressão, bem como no processamento de tais fluidos. Desse modo, não é de se espantar a utilização dos vasos de pressão para o
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transporte de fluidos perigosos. Devido à universalidade do emprego do termo vasos de pressão anteriormente citada, a utilização dos mesmos é encontrada em diversos ramos, indo desde panelas de pressão até os mais complexos reatores nucleares.
Figura 1: Refinaria de petróleo
Figura 2: Uma panela de pressão também é um vaso de pressão
Entre as principais indústrias estão a petroquímica, na qual são utilizados vasos de pressão pra armazenagem, transporte e processamento do petróleo e do gás natural; na parte térmica das centrais termoelétricas e ainda nas indústrias alimentícias e farmacêuticas.
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Figura 3 - Reservatório de Gás Liquefeito de Petróleo (GLP)
Figura 4: Navio LPG
Numa abordagem histórica, é possível encontra a utilização de vasos de pressão na forma de caldeiras nas primeiras máquinas a vapor. Vale ressaltar ainda a utilização de vasos na propulsão nuclear em estruturas navais.
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Figura 5: Reator Nuclear de uso Naval
3.2Cargas de Projeto e Tensões Agentes As cargas máximas utilizadas num projeto de engenharia, tal como o projeto de um vaso de pressão, são as máximas cargas. Dentre os principais modos de falha podem ressaltar a fluência, a flambagem, a fadiga e o escoamento. Para uma melhor compreensão das tensões agentes faz -se necessária uma breve recapitulação do estudo de tensões, e a divisão das tensões agentes em três tipos de tensões: primária, secundária e de pico.
A) Introdução ao estudo de tensões:
No estudo de tensões que será apresentado adiante utiliza -se como critério de falha o escoamento. No escoamento o material possui comportamento plástico, havendo deformações definitivas, o que implica que a partir de um limite de escoamento, o estudo das deformações do material não é mais regido pela Lei de Hooke. Em um vaso de pressão, geralmente o estado de tensões associado é o tri axial. Quando a tensão agente é uniaxial há uma definição mais simples do escoamento. Entretanto, para o estudo de uma configuração mais complexa das tensões deve -se observar não somente a magnitude das tensões como a direção de atuação.
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Figura 6: Estado tri axial de Tensões
Desse modo, no caso tri axial, mais comumente visto em vasos de pressão há que se definir algum parâmetro limitador das tensões, de modo que se evite o escoamento. Assim, há a definição dos critérios por meio de uma função tal que:
,, =
Onde é definida pelo critério de interesse utilizado,
,, as tensões axiais
e uma constante do material. Os critérios mais largamente utilizados são os Critérios de Tresca e o Critério de Von Mises.
Critério de Tresca:
O critério de Tresca, também conhecido como o critério da máxima tensão de cisalhamento, estabelecido em 1864 (por Henri Tresca, um famoso engenheiro francês ) toma como parâmetro o estabelecimento de um valor crítico da tensão de cisalhamento, a partir do qual há o escoamento do material. Matematicamente pode -se definir de modo análogo ao formulado para um critério geral:
1 ∗á| − |, | − |,| − | = 2 11
Fazendo o estudo para um estado uniaxial de tensões, onde
= = 0, temos á = _ . Já em um estado plano de tensões, onde
=
= 0, temos:
1 ∗á| − |, ||,|| = 2 2 O que implica em:
| − | = Ou:
|| = Ou:
|| = Tais equações podem ser representadas conjuntamente por meio de um gráfico do tipo:
Figura 7: Representação do Critério de Tresca
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Critério de Von Mises:
O critério de Von Misses e H. Hencky (embora formulado por James Clerk Maxwell em 1865, o critério é atribuído a Richard von Mises (1913),Tito Maximilian Huber(1904), em um artigo em polonês, elaborou uma forma inicial deste critério) em também conhecido como Critério de Energia de deformação máxima é um critério de falha é pautado nas distorções provocadas pela energia de deformação. Um material sujeito a um carregamento externo tende a armazenar energia em todo o seu volume interno. Von Mises enfocou suas proposições para materiais que exibiam escoamento independente das tensões hidrostáticas assim como independente da mudança volumétrica (forma) do sólido, o que faz com que a deformação plástica dependa somente da componente distorcional da energia de deformação. Por meio de tais hipóteses e de conceitos básicos de deformação, Von Misses chegou a uma tensão máxima de cisalhamento octaédrica tal que:
1 ∗ [ − 2 − 2 − 2] = 2 6 Fazendo o estudo para um estado uniaxial de tensões, onde
= = 0, temos, = √ . = 0, temos: 1 ∗ [ − ] = 2
Já em um estado plano de tensões, onde
De onde sai:
[ ∗ ] =
13
=
Trata-se de uma equação elipsoidal de eixos
sendo representada
graficamente por:
Figura 8 - Representação Gráfica do critério de Von Mises
Se compararmos os gráficos de superfícies de escoamento obtidos em cada critério, teremos:
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Figura 9 – Comparação Gráfica entre o critério de Von Mises e o de Tresca
Concluímos, dessa forma, que o critério de Tresca é um critério mais conservador que o de Von Mises, trabalhando, assim, com um coeficiente de segurança mais elevado. B) Tensões Agentes: O código ASME para facilita o entendimento das tensões agentes, separou -as em três tipos: Primárias, Secundárias e terciárias.
i)
Tensões Primárias:
Tensões Primárias são aquelas que equilibram mecanicamente as forças externas e internas desenvolvidas pelos carregamentos. Estão associadas a manutenção de um gradiente de pressão entre os meios internos e externos, de modo que são proporcionais a tal diferença. Elas não são auto limitantes, o que significa que a sua magnitude independe do formato e da deformação sofrida pelo corpo. Geram um estresse constante na estrutura que pode resultar em falhas.
São exemplos de tensões primárias as tensões circunferências e longitudinais dos vasos de pressão cilíndricos. Como estudado as tensões circunferenciais são de
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maior magnitude que as longitudinais, sendo que em cilindros de paredes finas
/ >
10) as circunferenciais são o dobro das longitudinais.
Figura 10: Tensões em vasos de pressão
ii)
Tensões Secundárias:
São tensões oriundas de carregamento mecânico ou gradiente de temperatura
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e desenvolvidas por restrições a em pontos de descontinuidades. São exemplos de tensões secundárias as tensões devidas a dilatação térmica e residual após soldagem. A característica marcante delas é a auto -limitação pela deformação. Em função da restrição a deslocamentos e rotações, as tensões geradas são bastante superiores as tensões primárias em regiões afastadas. Explicando sucintamente como ocorrem as falhas oriundas de tensões secundárias, inicialmente há um grande aumento pressão interna, o que faz necessária a compatibilização de deslocamentos e rotações nas regiões de mudança geométrica. Tal fato gera um aumento das deformações locais e no grau de plasticidade da estrutura. Desse modo, são geradas tensões de flexão e de membrana superiores as existentes em regiões de tensões generalizadas, mas que são continuamente aliviadas pelas deformações permanentes.
iii)
Tensões de Pico:
As tensões de picos são as tensões de maior magnitude que surgem em uma região devido à descontinuidade ou diferenças térmicas. Por estar associada a fenômenos cíclicos, sem deformações previsíveis, a ocorrência de falha está ligada à fadiga. Sendo assim, os vasos de pressão devem ser previamente ensaiados em carregamentos cíclicos. Caldeiras são exemplos de Vaso de Pressão sujeitos a constantes carregamentos cíclicos.
Figura 11: Ilustração de uma caldeira
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3.3Critérios de Projeto e Concepção de Detalhes Estruturais: A) Critérios de Projeto:
Os vasos de pressão são equipamentos que, em geral, são feitos sobre encomenda sendo usado para uma finalidade específica. Desse modo, os critérios variáveis são em maior número que um produto em série. Desse modo, faz-se necessária a definição de dados gerais que informam as condições locais e a preferência do usuário. Assim faz-se necessária a definição de alguns p arâmetros, tais como: -Norma a ser seguida. -Vida útil do vaso. -Preferência de construção ou tipo de vaso. -Preferência quanto aos materiais utilizados. -Condições climáticas locais. -Limitações de área. -Limitações de peso e dimensões para transporte. -Altitude do local. -Níveis máximos de ruído e emissões permitidos. -Característica do subsolo. - Disponibilidade de recursos do local tais como água, luz, etc. -Facilidades locais de montagem.
Em seguida, faz-se necessário levantar os dados relativos à operação vaso, dentre as quais se destacam: -Tipo dos vasos. -Natureza, propriedades, vazão, pressão e temperatura dos fluidos que saem do equipamento. -Temperatura e pressão do próprio equipamento. -Volume armazenado
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B) Concepção de Detalhes Estruturais:
Componentes: a) Casco: O casco é composto pelo corpo e pelos tampos a.1) Corpo: O corpo pode ser cilíndrico, podendo ser cilíndrico vertical, horizontal ou inclinado:
Figura 12 - Tipos de Corpos de Vasos de Pressão - Cilíndrico horizontal, inclinado e vertical
O corpo também pode ser esférico:
Figura 13 - Corpo Esférico
Ou ainda uma mistura dos dois, denominando-se composto: 19
Figura 14 - Corpo Composto
a.2) Tampos: Os tampos são as peças de fechamentos dos vasos de pressão. A definição do tipo de tampo a ser usado é dependente de vários fatores como a exigência de serviço, pressão de operação e diâmetro. Os principais tipos de tampo são:
-Semi-elíptico:
Figura 15 - Tampo Semi-elípico
-Toro-esférico:
Figura 16 - Tampo Toriesférico
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-Cônico:
Figura 17 - Tampo Cônico
-Hemisférico:
Figura 18 - Tampo hemisférico
-E a calota esférica.
Vale a ressalva de que a utilização de tampos chatos ou é mais adequada para vasos de pressão de pequeno porte e a baixas pressões. É importante notar que existem de limitações para o emprego de cada tipo de tanque, mostrada pela tabela abaixo:
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Tabela 1 – Limites mínimos de espessura requeridos
b) Bocas de visita: São aberturas flangeadas que permitem o acesso ao interior do vaso para inspeção, manutenção ou instalação de algum equipamento. c) Reforços: São componentes colocados nas aberturas de maior diâmetro para reforçarem a perda de massa resistente dessas aberturas. Exemplo de alguns reforçadores:
Figura 19 - Exemplos de Reforçadores
d) Conexões: 22
São as entradas e saídas de produtos, ventilação, drenos, conexões para acessórios, etc. e) Distribuidores e tubos pescadores: São extensões nos bocais que se projetam para dentro dos vasos. Os distribuidores reduzem a agitação com a entrada de líquido. Já os tubos pescadores evitam o escoamento de fluido pesado pela tubulação dos bocais. f) Eliminador de névoa: Blocos de materiais que tem como finalidade evitar a passagem de gotas de liquido em suspensão. A importância dessa atribuição consiste que, dessa forma, mitiga-se a erosão e a corrosão de vasos. g) Bota: Seção vertical de menor diâmetro soldada em vasos horizontais, que são muito importantes no acumulo de fluido pesado quando a vazão desses é muito maior em relação aos leves. h) Suporte: Existem vários tipos de suporte, definidos pelo tipo e posição do corpo a ser utilizado. De modo geral, vasos horizontais são suportados por dois berços que permitem a dilatação dos mesmos, verticais por um e torres por saias, o que pode ser visto na figura abaixo:
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Figura 20 – Exemplos de Suportes
i) Acessórios externos: Dentre os diversos tipos de acessórios externos pode-se destacar os reforços de vácuo, anéis de suporte de isolamento térmico externo, chapas de ligação, orelhas, cantoneiras, plataformas, escadas, e suporte turcos para elevação de carga. Alguns deles podem ser vistos na figura abaixo:
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Figura 21 – Exemplos de Acessórios Externos
3.3 Seleção de Materiais, Construção e Fabricação: A) Seleção de Materiais
A seleção de materiais para a construção de vasos de pressão deve ser feita de acordo com especificações impostas pelo Código. Geralmente, esta é uma das partes mais complexas e mais exigentes da projeção de vasos de pressão. Logo, ao selecionar o material a ser utilizado, o projetista deve levar em conta os seguintes fatores:
Fluido(s) Contido(s): deve ser levada em conta a natureza e concentração do(s) fluido(s) contido(s), impurezas e contaminantes possivelmente presentes, o pH, o caráter oxidante ou redutor, flamabilidade, toxicidade, explosividade ou outros efeitos deletérios do(s) fluido(s), ataque corrosivo aos materiais, possibilidade de contaminação do(s) fluido(s) por resíduos de corrosão e como isso possa afetar o(s) fluido(s). 25
Nível de Tensões do Material: o material deve resistir aos esforços solicitantes e, portanto, sua resistência mecânica deve ser compatível com o nível de tensões que se tenha – a ordem de grandeza dos esforços presentes. Em qualquer vaso, existem frequentemente numerosos esforços além da pressão interna.
Natureza dos Esforços Mecânicos: A natureza dos esforços existentes, sejam eles de tração, compressão, flexão, esforços estáticos ou dinâmicos, choques, vibrações, entre outros, também condiciona a escolha do material. Por exemplo, materiais frágeis não devem ser utilizados em casos onde ocorrem esforços dinâmicos, choques ou altas concentrações de tensões.
Pressão e Temperatura de Operação (Condições de Serviço): esse fator exige que o material seja capaz de resistir à pressão em toda faixa possível de variação de temperatura. É importante enfatizar que os fatores relativos no serviço são, em geral, variáveis ao longo do tempo. Logo, interessa conhecer os valores de regime e os extremos, e ainda conhecer, em alguns casos, a probabilidade e a duração desses extremos.
Custo do Material: para cada aplicação prática, existem vários materiais possíveis, onde, logicamente, o melhor será o que for mais econômico. Para decidir qual o material mais econômico, não só deve se levar em conta o custo direto do material, como também deve-se ficar atento ao custo de fabricação, durabilidade, manutenção, custo de paralisação e reposição, entre outros.
Facilidade de Obtenção, Fabricação e Montagem: a necessidade de importação, prazo de entrega, existência de estoque, facilidade de conformação, soldabilidade e limitações do material na fabricação e montagem.
Segurança: Quando o risco potencial do vaso ou do local onde o mesmo se encontra for grande, ou se o equipamento for essencial ao funcionamento da instalação, o material a ser empregado deve oferecer o máximo de segurança, de forma a evitar rupturas, vazamentos ou outros acidentes.
Tolerância de Forma ou Dimensão da Peça: Para a maioria dos vasos de pressão, podem ser toleradas variações relativamente grandes, mas
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dimensões, com essas variações sendo da ordem de 1% ou mais até., sem que haja prejuízo no funcionamento. Existe uma grande variedade de materiais que podem ser empregados na construção de vasos de pressão e seus componentes. A seguir, veremos as principais classes desses materiais:
Figura 22 (a) : Materiais para Vasos de Pressão
Figura 22 (b) : Materiais para Vasos de Pressão
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B) Construção e Fabricação de Vasos de Pressão:
Primeiramente, vejamos as etapas do processo de construção e fabricação de um vaso de pressão: 1. Traçagem sobre as chapas; 2. Corte das chapas e preparação dos chanfros para a solda; 3. Conformação das chapas e de outros componentes; 4. Fabricação dos bocais, flanges, reforços, suportes, e demais acessórios soldados ao vaso; 5. Usinagem de flanges, espelhos, faces de assentamento de junta de vedação; 6. Preparação para soldagem (estudo da sequência de montagem das peças); 7. Soldagem de anéis completos e dos tampos; 8. Soldagem do vaso completo; 9. Soldagem dos bocais, de flanges, de reforços, e de outros acessórios; 10. Fabricação e instalação de acessórios não soldados ao vaso.
Agora, daremos um pouco de ênfase a algumas etapas da construção do vaso de pressão:
Traçagem e Corte:
A traçagem consiste em marcar as chapas nos locais onde se deverá cortar ou furar. Às vezes se traça a chapa com o molde por cima, em caso de formas complexas ou de difícil marcação. A marcação pode ser feita com um marcador de ponta dura (geralmente um diamante sintético), giz ou tinta (estes últimos dois são aconselháveis em muitos casos, pois não fragilizam a chapa, ao contrário do marcador de ponta dura). Entretanto, com a criação de máquinas tipo CNC junto com o aperfeiçoamento
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da automação e fabricação, a traçagem está se tornando uma atividade cada vez menos importante. Os cortes da chapa podem ser feitos com guilhotinas (chapas finas), oxi-corte (comumente usados em chapas de aço carbono e de baixa liga) ou plasma (aconselhável para aços inoxidáveis e de alta liga).
Conformação:
Existem vários processos que fazem parte da conformação. Dentre eles, podemos citar: a - Calandragem : conformação de corpos cilíndricos ou cônicos.
b - Rebordeamento : fabricação de tampos em geral.
c - Dobramento e Estampagem : são aplicados na conformação de chapas finas para a confecção de painéis de bandeja, de borbulhadores, e outros acessórios internos ao vaso de pressão.
d - Curvamento : aplicado principalmente na confecção de tubos curvos.
Soldagem do Vaso de Pressão:
Para que a solda possa ser feita, é necessário que antes se faça a qualificação de todos os materiais de soldagem, além da qualificação do soldador, dos supervisores e dos inspetores. As soldas de emenda das chapas de cascos e tampos devem ser feitas por soldas de topo de penetração total, visando evitar vazamentos e penetração de outras substâncias no vaso. Sempre que possível, a solda é feita em ambos os lados. A soldagem em vasos de pressão pode ser das seguintes maneiras: o
Soldagem Manual: processos de soldagem a arco metálico com eletrodo revestido e a arco tungstênio com proteção de gás inerte (TIG). 29
o
Soldagem Semi Automática: processos de soldagem a arco metálico com gás inerte (nesse caso, solda MIG) e a arco metálico com hidrogênio atômico.
o
Soldagem Automática: constituído pelos processos de soldagem a arco submerso (de uso geral) e a eletro-escória (utilizados em regiões muitos espessas) .
4. O Código ASME: Uma norma de projeto representa um conjunto de regras e premissas para a realização do projeto. As características da norma são critérios de cálculo, coeficientes de segurança, padronização e especificação de materiais a serem utilizados, detalhes de fabricação e inspeção. A) Um Breve Histórico:
Durante vários anos, principalmente no fim do século XIX e início do século XX, quando caldeiras passaram as ser largamente utilizadas, as pessoas acreditavam que as explosões eram algo inevitável, uma “ação de
Figura 23: Fábrica de sapatos de Brockton
Figura 24: Fábrica após a explosão
Deus”. Entretanto, no dia 20 de março de 1905, houve uma catastrófica explosão de
uma caldeira em uma fábrica de sapatos na cidade de Brockton, no estado americano de Massachussetts. Com 117 machucados e 58 mortos, foram causados mais de $250 000 em danos. Vendo esse acidente catastrófico, os habitantes de Massachussets 30
perceberam que era necessária a legislação de regras e regulamentos para a construção de caldeiras de modo a promover a segurança. Após muita discussão, foi elaborado o primeiro código legal de regras para a construção de caldeiras em 1907. Após isso, vários estados americanos passaram a emular o código de Massachussets. Logo, buscando a uniformidade, em 1911, a ASME criou um comitê para formular normas para a construção de caldeiras e outros vasos de pressão. Assim, após anos de estudos e experimentos, lançaram, em 1914, o primeiro Código ASME, que foi adotado em 1915. Em 1924 foi publicada a Seção VIII, que se refere a vasos de pressão não sujeitos a chama, já que, na Europa, já existiam normas regulatórias. Com a invenção de reatores nucleares, tecnologias para a determinação de tensões máxima suportadas por um material passaram a ser desenvolvidas, já que eram necessários maiores conhecimentos sobre mecanismos e modos de falha devido ao perigo do vazamento do fluido. Assim, com o desenvolvimento dessas tecnologias, elas passaram a ser aplicadas a caldeiras comuns. Após isso, a fim de deixar os vasos muito robustos e para que os projetos de vasos de pressão tivessem uma diminuição nos custos, passou a ser necessário que os códigos deixassem de serem tão conservadores. Assim, em 1963, na edição do ASME Seção III, o código passou a apresentar tais mudanças, definindo dois diferentes critérios de projeto: 1. Projeto convencional (design by rules): empregando soluções analíticas consagradas para o dimensionamento de vasos de pressão com detalhes padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, bandejas, etc). 2. Projeto alternativo (design by analysis): incluindo componentes com geometrias
e/ou
carregamentos
não
convencionais,
onde
o
dimensionamento depende de uma análise e classificação das tensões atuantes e comparação com valores admissíveis. A primeira edição do Código ASME Seção VIII – Divisão 2 apareceu em 1968, incorporando os critérios descritos acima. 31
Também foram definidos os modos de falha:
Deformação elástica excessiva incluindo instabilidade elástica Deformação elástica excessiva
Fratura frágil
Deformação e tensões a altas temperaturas (creep)
Instabilidade plástica (colapso incremental)
Fadiga de baixo ciclo
Corrosão sob tensão
Corrosão-fadiga
Os modos de falha identificados pela ASME são evitados adotando tensões admissíveis e critérios de dimensionamento, substanciados por fatores de segurança adequados.
B) As Seções do Código ASME:
O Código ASME é divido em 11 seções. São elas:
Seção I – Caldeiras de Energia
Seção II – Especificações de Materiais
Seção III – Divisão 1 – Componentes de Usinas Nucleares Divisão 2 – Vasos de Reatores de Concreto
Seção IV – Caldeiras de Aquecimento
Seção V – Exames Não-destrutivos
Seção VI – Regras para o uso de Caldeiras de Aquecimento
Seção VII – Regras para o uso de Caldeiras de Energia
Seção VIII – Divisão 1 – Vasos de Pressão Divisão 2 – Vasos de Pressão (Regras Alternativas)
Seção IX – Qualificações de Soldagem e Brasagem
Seção X – Vasos de Pressão de Plástico Reforçados com Fibra de Vidro
Seção XI – Regras para a inspeção de componentes de Usinas Nucleares 32
B.1) Seção VIII Divisão 1:
É a norma de vasos de pressão mais difundida aqui no Brasil e em grande parte do mundo. Estão incluídos no escopo vasos de pressão de qualquer classe, com algumas exceções, incluindo vasos sujeitos a chama e vasos para ocupação humana. Também estão incluídos nessa Divisão os evaporadores e trocadores de calor onde há geração de vapor. Essa norma abrange exigências e recomendações sobre materiais, projeto, cálculo, fabricação e inspeção de vasos de pressão. Desta forma, o critério de cálculo adotado é o seguinte: As espessuras de parede devem ser calculadas de forma que a tensão de membrana máxima circunferencial devido à pressão não ultrapasse os limites a seguir:
Para temperaturas abaixo da faixa de fluência, o menor destes dois valores: LR/3,5 e LE/1,5.
Para temperaturas dentro da faixa de fluência, i menor dos seguintes valores: o
LR/3,5
o
LE/1,5
o
Tensão média que causa uma deformação por fluência de 0,01% em 1000 horas
o
2/3 da tensão média de ruptura por fluência em 100 000 horas
o
80% da tensão mínima de ruptura por fluência em 100 000 horas
Onde LR é o valor mínimo do limite de resistência do material na temperatura considerada, e LE é o valor mínimo do limite de elasticidade, ou a tensão que causa uma deformação de 0,2%, ambos na temperatura considerada. Essa norma apresenta uma série de fórmulas simples para calcular a espessura necessária nos cascos e tampos, em função da pressão interna ou externa, desprezando os efeitos de flexão devido à espessura da parede. Embora a norma estabeleça que o vaso de pressão deva resistir a todos os esforços atuantes, as
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fórmulas apresentadas consideram somente pressão interna e externa, cabendo ao projetista dimensionar as demais cargas.
B.2) Seção VIII Divisão 2
São as chamadas “regras alternativas de projeto”, contendo tecnologia mais avançada e adotando um novo critério de projeto. Incluem-se aqui, todos os vasos de pressão sem limitações de pressão máxima, além de incluir os vasos instalados em embarcações e os vasos sujeitos a chama. Essa norma permite tensões mais elevadas dos que as da Divisão 1, mas em compensação é exigida uma série de normas adicionais de projeto, cálculo, materiais, fabricação e inspeção, resultando num aumento significativo do custo, o que nem sempre compensa a economia feita se não adotar as normas da Divisão 1. As exigências adicionais à norma são as seguintes:
Uma análise matemática rigorosa de todas as tensões e condições de carregamento de acordo com a teoria da elasticidade máxima, aplicando-se o critério de ruptura por cisalhamento máximo.
Maior rigor em exigências quanto aos materiais, pois nem todos os materiais permitidos pela Divisão 1 são aceitos pela Divisão 2, além de serem requisitados pedidos adicionais para muitos outros materiais. Soma-se a isso uma maior severidade na inspeção e fabricação de materiais, assim como para serviços em baixas temperaturas.
Maiores limitações e exigências mais rigorosas no que tange a detalhes de projeto e de solda.
Definição e função do que é um usuário, um fabricante e um inspetor de um vaso de pressão.
Obrigatoriedade da execução de uma análise de fadiga, sendo também necessário o cálculo analítico das tensões.
O fabricante deve apresentar um relatório de projeto com os cálculos completos, sendo assinado por um profissional habilitado. 34
De modo geral, a maior parte dos projetos de vaso de pressão que utilizam o código ASME acaba utilizando a Divisão 1, por ser mais fácil de ser atendida. Em alguns casos, é necessário utilizar a Divisão 2, a qual possui exigências mais severas. É recomendável, portanto, que caso o projetista não esteja familiarizado com a Divisão 2, que avalie a possibilidade de seguir a Divisão 1.
5. Projeto de Um Vaso de Pressão A estrutura a ser projetada consiste em um tambor de coqueamento tipicamente usado nas últimas etapas do refino do petróleo. O tambor pode ser visualizado pela figura abaixo:
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Figura 25 – Tambor de Coqueamento a ser projetado
Tendo em vista o esquema simplificado, podemos dividir o vaso em três partes. Um tampo superior elíptico, identificado na Figura25 como Região 1, um casco cilíndrico (Região 2 à Região 6), e, finalmente, um tampo inferior cônico, indicado pela Região 7. A) Seleção do Material:
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Para a seleção do material, deve-se fazer uma análise das condições de serviço do vaso em conjunto com várias propriedades de materiais apresentadas no Código ASME na Seção II Part D. Pesquisando-se a respeito da construção de vasos de pressão com os mesmos fins que os propostos, notou-se que os aços-ligas de Cr-Mo são os usualmente utilizados em equipamentos para serviço com hidro carbonetos. Isso ocorre pois o Molibdênio é importante elemento de liga, conferindo maior resistência à fluência do aço, além de ajudar a fornecer maior resistência à corrosão. Deste modo, utilizando-se a Seção II Part D do Código ASME 2004, e observando a faixa de temperatura de operação, foi escolhido o material Aço-Liga da tabela 1A que cujas características são as seguintes:
Número de Linha: 34
Composição Nominal: 1Cr - Mo
Formato: Chapa
Tipo/Série: 12
Número Específico: SA-387
Classe/Condição/Temperamento: 2
Designação da Liga: K11757
P-No: 4
No de Grupo: 1
Tensão Máxima Admissível a 400 oC: 123 MPa
Tensão Máxima Admissível a 500 oC: 94,4 MPa
Promovendo a segurança, será utilizado o valor mais conservador de S = 94,4 MPa.
B) Cálculos:
Em primeira estância, devemos calcular a pressão de referência, seguinte fórmula pré-estabelecida:
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, utilizando a
= ∑100 de: 5 6 3 = 0,26 = 8 0 4100
Como o NUSP = 8040563, obtemos uma pressão
A pressão de projeto para cada região, por sua vez, é dada pela fórmula:
= ,
onde
=
O índice k refere-se à região do vaso de pressão. Assim, obtemos as seguintes pressões para cada região do vaso: Região
Pressão (Mpa)
1
0,28
2
0,30
3
0,32
4
0,34
5
0,36
6
0,38
7
0,40
Tabela 2 : Pressão de Projeto em cada Região
Dado os dados do projeto, observa-se que a Seção VIII Do código ASME (2010) UG-34 orienta a utilização de fator de segurança para a pressão de projeto de no mínimo 4. Logo,
= 4. Consequentemente, a pressão interna corrigida para cada
região fica:
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Região
Pressão (Mpa)
1
1,12
2
1,20
3
1,28
4
1,36
5
1,44
6
1,52
7
1,60
Tabela 3: Pressão de Projeto (Corrigida) em cada Região
Agora, serão determinadas as espessuras de cada região do vaso de pressão, utilizando-se das fórmulas fornecidas na Division 1 da Seção VIII do Código ASME 2010.
Para o Tampo Superior Elipsoidal (Região 1), a espessura é calculada de acordo com a forma dada em UG-32 (d):
= 2−0,2
Para o Casco Cilíndrico (Regiões 2 – 6), a fórmula é dada por UG-27 (2) (tensão longitudinal para o caso de juntas circunferenciais):
= 20,4
Para o Tampo Inferior Cônico (Região 7), a espessura é calculada de acordo com a fórmula explicitada por UG-32 (g):
= 2−0,6
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Entretanto, essa fórmula só pode ser utilizada se o semiângulo do vértice não for maior do que 30º. Logo, para descobrir
, devemos olhar a Região 7 de forma mais
ampliada :
Figura 26: Região 7 Ampliada
Portanto, calcula-se
da seguinte forma:
6400 )=29,723 = (2 4685920
Nitidamente,
é menor que 30 , permitindo-nos a utilizar a fórmula. o
Da proposta de projeto, sabemos que E = 0,8.
Espessura da Região 1:
Da figura 4.1, vemos que D = 6400 mm, posto isso, vemos que a espessura é:
1,12 6400 = 294,40,8−0,21,12 = 47,53
Espessura das Regiões 2, 3, 4, 5 e 6:
Da Figura 4.1, vemos que o raio da região cilíndrica R = 3200 mm. Assim, temos que a espessura de cada região é:
1,20 3200 = 294,40,80,41,20 = 25,34 40
1,28 3200 = 294,40,80,41,28 = 27,03 1,36 3200 = 294,40,80,41,36 = 28,71 1,44 3200 = 294,40,80,41,44 = 30,39 1,52 3200 = 294,40,80,41,52 = 32,07
Espessura da Região 7:
1,60 6400 = 229,7394,40,8−0,61,60 = 79,08
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