BR PETROBRAS
SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE INSTALAÇÕES DE SUPERFÍCIE DA E&P-BC
O Uso de Normas API nos Projetos Básicos da GEINP. Ricardo Ventura, GEINP/GEIN-NNE GEINP/GEIN-NNE Este trabalho foi preparado para apresentação no Simpósio de Engenharia de Instalações de Superfície da E&P-BC, realizado pela Petróleo Brasileiro S.A. - PETROBRAS, de 27 de setembro a 01 de outubro de 1999, em Macaé/RJ, sob a coordenação conjunta da GEREC/GDRH e GEPRO/GEINP. Seu conteúdo está sujeito a correções pelo(s) autor(es) a qualquer tempo. Os conceitos apresentados e as análises e opiniões emitidas não refletem necessariamente o pensamento da comissão organizadora do evento, sendo de responsabilidade exclusiva do(s) autor(es). O conteúdo deste trabalho é CONFIDENCIAL, de circulação e divulgação restrita ao âmbito da PETROBRAS. A permissão para cópia é limitada a um resumo de, no máximo, 300 palavras. As ilustrações não podem ser copiadas ou reproduzidas sem autorização prévia.
1. RESUMO O trabalho pretende dar uma visão panorâmica do vasto conjunto de normas do American Petroleum Institute (API), apontando as diversas áreas de atuação e seus campos de aplicação. Serão também selecionadas algumas normas, descrevendo-se sucintamente seu escopo, dando algumas dicas úteis e apontando algumas aplicações típicas para a atividade de execução de projeto básico na Geinp. Estas normas selecionadas são aquelas as quais tevese a oportunidade de consultar durante a execução de projetos de instalações industriais, para esclarecimentos de dúvidas técnicas ou para a consolidação de conceitos. Espera-se que este conjunto de normas seja melhor conhecido e mais utilizado pelo corpo técnico da Geinp responsável não só pelo projeto básico, mas também pelo pessoal especializado em assistência técnica.
Para atender as características acima, uma ferramenta útil é o uso de normas técnicas. Existe um grande número de associações nacionais e estrangeiras que emitem normas, recomendações, especificações e boletins, voltados para a indústria do petróleo. Dentre estas instituições podemos citar o American Petroleum Institute (API) como uma das associações mais ativas nesta área. Os documentos técnicos emitidos pelo API são, via de regra, claros, com informações precisas e objetivas, com um texto linear, ou seja, com princípio, meio e fim, bastando ter conhecimentos básicos de inglês.
3. Descrição das normas API O conjunto das normas API abrange os seguintes campos de atuação da indústria do petróleo: equipamentos de produção; segurança e combate a incêndio; manual de medição; equipamentos de segurança e antipoluentes; sistemas de despressurização; material para treinamento; vasos e tanques; controle de processos; equipamentos mecânicos; instalações e equipamentos elétricos; estruturas offshore; válvulas e cabeças de poços; equipamentos de perfuração; completação de poços; tubos plásticos; produção submarina; inspeção de equipamentos. • •
2. Introdução A atividade de projeto em geral, e de projeto básico em particular, tem algumas das seguintes características: é tipicamente de execução não rotineira, onde freqüentemente a criatividade e a subjetividade são necessárias para uma adequada análise técnica; é importante analisar bem o processo e as instalações físicas da planta, de modo que a solução adotada tenha montagem e operação realizáveis; Aliado à estas características, um embasamento teórico também é importante para que as Solicitações de Estudos e Projetos (SEPs) emitidas pelos órgãos operacionais da Petrobras (NUPROs) sejam bem atendidas. •
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O Uso de Normas API nos Projetos Básicos da GEINP
As áreas de atuação, como se pode ver, são bastante diversificadas. Além disso a abordagem dos assuntos enfocados é detalhada. Os documentos técnicos emitidos vêm na forma de boletins, normas, publicações, recomendações práticas e especificações técnicas. O catálogo de 1998 do API relaciona 327 itens oficialmente emitidos pelo instituto, isto sem contar com o manual de medição - Manual of Petroleum Measurement Standards - que é um conjunto de publicações com 19 capítulos ao todo.
4. Algumas normas em particular Ao se desenvolver um projeto básico, deparam-se com dúvidas, onde sempre se procuram metodologias de cálculo, critérios de dimensionamento, filosofias de segurança em instalações industriais, redundâncias, enfim dicas para não se reinventar a roda a cada Sep.
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A seguir foram escolhidas algumas normas, onde são dadas informações úteis para qualquer executante de engenharia básica. Estes exemplos servirão para mostrar a excelente qualidade das normas API.
4.1 Área de processo: * API RP 520 - Sizing, selection and installation of pressure-relieving devices in refineries. Part I - sizing and selection. Descreve em detalhes os principais tipos de válvulas de segurança e discos de ruptura, com seus acessórios. Define cálculos de dimensionamento de válvulas de segurança para as seguintes condições operacionais: • • • •
líquidos; gases em fluxo não-crítico; gases em fluxo crítico; fluidos em fase de equilíbrio líquido/vapor.
A tabela a seguir foi extraída da norma API RP 520. Ela mostra algumas condições operacionais que podem ocorrer numa planta de separação óleo/água/gás, bem como o critério de cálculo da válvula de segurança. Item da Norma 1
Condição Operacional Saída bloqueada
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Ruptura de tubo em trocadores
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Expansão hidráulica Exposição ao fogo
Alivio de Líquidos Alivio de Gases Máxima vazão possível na Máxima vazão de gases entrada do equipamento na entrada mais os gases gerados na condição de alívio Máxima vazão do fluido de Idem critério para líquidos maior pressão, numa área 2X a área do tubo rompido Método do ap. C Não se aplica Método do ap. D Método do ap. D
* API RP 521 – Guide for pressure-relieving and depressuring systems. Aplicável a sistemas de despressurização. É uma norma complementar à API RP 520. No seu item 2, analisa as principais ocorrências que podem levar a uma sobrepressão. Por exemplo, numa planta típica de separação óleo/gás/água: abertura/fechamento errado de válvulas de bloqueio; válvulas de retenção com vazamento; falha em utilidades (energia elétrica, ar comprimido, água de resfriamento e de aquecimento, combustíveis, etc.); falha mecânica/elétrica em equipamentos; ruptura de tubos em trocadores de calor; transientes de pressão ( golpes de ariete ); fogo. •
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No seu item 3, analisa o cálculo da capacidade de alívio das válvulas de segurança para: saída bloqueada; falha em válvulas de controle; expansão hidráulica – explica melhor que o apêndice C da API RP 520; exposição ao fogo – tem as informações do apêndice D da API RP 520, acrescidas de alguns outros dados; falha mecânica em trocadores de calor explica como calcular a vazão de fluido que contaminará o lado de menor pressão; sistemas de alívio (blowdown) – sistema calculado para aliviar a planta em até 15 minutos. O objetivo da despressurização é aliviar a pressão interna dos vasos, de modo que, numa exposição ao fogo, a tensão na parede do vaso não atinja valores de escoamento ou de ruptura do casco do vaso. • • •
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O Uso de Normas API nos Projetos Básicos da GEINP
Os itens 4 e 5 enfocam os sistemas de despressurização, com as seguintes configurações: descarga de gases para a atmosfera; descarga de gás para queimador; drenagens. • • •
*API RP 14E – Recomended practice for design and installation of offshore production platform piping systems. Dá dicas para sistemas de bombeio e cálculos de perda de carga de tubulações em plataformas de produção offshore. Tem as seguintes características: dimensiona diâmetro de linhas para líquidos, gases e gás/líquido, em função da velocidade recomendada e da perda de carga aceitável; calcula espessura de parede de tubos e define necessidade de análise de flexibilidade segundo a ANSI B31.3; orienta na seleção de válvulas, inclusive com cálculos de perda de carga em função de vazão e Cv de válvulas de controle; informa sobre flanges e conexões; dá detalhes para linhas específicas (cabeça de poço, linhas de produção, manifolds, utilidades, alívio, drenos, etc.) •
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4.2 Área de segurança: * API RP 14 C – Recommended practice for analysis, design, installation and testing of basic surface safety systems for offshore production platforms. Fornece requisitos de projeto, instalação e testes de sistemas de segurança em plataformas de produção. A filosofia de segurança é baseada em dois níveis de proteção (dois sistemas) independentes, e em complemento aos dispositivos de controle para operação normal da planta. O apêndice A faz uma análise completa de segurança, enfocando os seguintes equipamentos: • • • • • • • • • • • •
linhas de produção; linhas de produção submarinas; poços satélites; linhas de injeção na cabeça do poço; linhas-tronco (headers); vasos de pressão; vasos atmosféricos; vasos com chama interna; bombas; compressores; tubulações; trocadores casco/tubos.
* API RP 500/505 – Recommended practice for classification of locations for electrical installations at petroleum facilities classified as
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Class I, Division 1 and Division 2/Class I, Zone 0, Zone 1 and Zone 2. Estas duas normas são irmãs siamesas. Definem critérios para classificação de áreas para instalar equipamentos elétricos adequados à área. A única diferença entre elas é que a 500 classifica as áreas como Divisões 1 e 2 e a 505 classifica as áreas como Zonas 0, 1 e 2 . Esta classificação é feita individualmente por equipamento, nas seguintes instalações de petróleo: sondas terrestres e marítimas; instalações de produção terrestres e marítimas; instalações de transporte de petróleo. • •
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O apêndice D de ambas as normas fornece método alternativo para classificação de áreas, que leva em conta a taxa de vazamento para o meio ambiente e a volatilidade do fluido despejado.
4.3 Área de equipamentos * API SPEC 12J – Specification for oil and gas separators Fornece requisitos de projeto, fabricação e testes de separadores gás/óleo e gás/óleo/água. Baseia-se na lei de Stokes para calcular a velocidade de ascensão do gás dentro do óleo – isto serve para calcular o diâmetro do vaso. Algumas curiosidades da API 12J: no item C.1.7 recomenda tempos de residência aplicáveis a separadores bifásicos; no item C.2.2 recomenda tempos de residência aplicáveis a separadores trifásicos. Afirma que para calcular o volume útil do vaso, devem ser descontadas as câmaras de óleo e de água. •
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* API PUBL 421 – Monographs on refinery environmental control - management of water discharges – design and operation of oil-water separators. Fornece projeto e operação de separadores água/óleo – as conhecidas caixas API – pelo princípio da diferença de densidades entre óleo e água, para retirar gotículas de óleo da água produzida. São analisados dois tipos de separadores: a caixa API convencional; os separadores de placas paralelas. • •
* API STD 2000 – Venting atmospheric and lowpresure storage tanks. Aplicável para cálculo de respiros de tanques atmosféricos e tanques de baixa pressão. Analisa as causas de sobrepressão/vácuo,
O Uso de Normas API nos Projetos Básicos da GEINP
define os cálculos de dimensionamento de respiros, bem como seus diferentes tipos. As causas de sobrepressão/vácuo em tanques são: enchimento/esvaziamento; variações climáticas ( temperatura, vento, chuva, etc. ) exposição ao fogo; circunstâncias diversas devido à falha de equipamentos, instrumentos ou erro operacional. Para o cálculo da capacidade de respiro, a norma analisa o vácuo formado pela saída de líquidos e pela contração do gás devido à queda de temperatura do ambiente. Analisa também a sobrepressão em função do enchimento de líquidos e da expansão dos gases pela subida de temperatura externa. Finalmente enfoca a sobrepressão por exposição ao fogo. • •
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5. OUTRAS FONTES DE CONSULTA Além das normas API, existem outras boas fontes de consulta, que podem subsidiar a execução de projetos básicos. Como sugestão seguem abaixo algumas indicações: as especificações técnicas (Ets) da Getinp; as normas da Petrobras; manual de projeto feito pela Ana Chan; normas de organismos nacionais e internacionais, como, por exemplo, ABNT, NFPA, ASME, ABV, BS, IEC, ISO, e outras. • • • •
6. DICAS FINAIS 6.1 Uma das vantagens das normas API em relação à algumas outras instituições é que elas são escritas de forma clara, precisa e direta. 6.2 As normas da Petrobras são também uma excelente fonte de informações, além de estarem escritas em português. Não se esqueça delas. 6.3 Quando for consultar uma norma pela primeira vez, vá no índice procurar onde está exatamente o ponto específico para esclarecer a dúvida. Não queira entender toda a norma de uma vez só, pois isto pode trazer confusão. Em suma, vá entendendo a norma aos poucos. 6.4 Concluindo: o uso rotineiro de normas técnicas, não só do API, como também da Petrobras e de outros organismos internacionais, é um hábito enriquecedor, que faz crescer o conhecimento técnico e a experiência do profissional de projetos.
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