Vasos de Pressão e Trocadores de Calor - 2008 - Carlos Falcão.pdf

PROJETO MECÂNICO VASOS VA SOS d e PRESSÃO PRESSÃO e TROCADORES DE CALOR CASCO e TUBOS Revisão 2008 Carlo Ca rlo s Falcão

Apresentação A finalidade deste texto é orientar na utilização e interpretação dos principais códigos adotados em projeto de vasos de pressão e trocadores de calor casco e tubos, além de apresentar os assuntos que não fazem parte, ou são apresentados apenas parcialmente pelos códigos. O texto é composto de dezesseis seções, cada uma tratando de um assunto específico, que representam a maioria dos tópicos importantes e necessários para o dimensionamento dimensionamento destes equipamentos. Estão abordados os requisitos relevantes e usuais, para projeto, dos códigos ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e da norma européia EN 13445, bem como das publicações fundamentais fundamentais como o WRC Bulletin 107 e Bulletin 297. Será dada maior ênfase para o ASME Seção VIII Divisão 1, por ser o código de maior utilização no Brasil. Os códigos que praticamente não tem aplicação, ASME Seção VIII Divisão 3 e ADMerkblätter, são tratados apenas superficialmente. superficialmente. No caso de haver discordâncias entre o documento PD 5500 e a norma BS 5500 (ver item 1.5), publicados pelo BSI - British Standard Institution, neste texto prevalece a Edição de 1997 Amendment dezembro de 1999, desta última. A edição de 2007 do ASME Seção VIII Divisão 2, foi modificada significativamente significativamente em relação às edições anteriores. Para possibilitar a adaptação às modificações, o ASME através do Code Case 2575, está permitindo, até julho de 2009, o uso da edição 2004 Addenda 2006. É desta forma que está considerado no texto aqui apresentado. É claro que, devido à dinâmica dos códigos, das normas e publicações publicações de projeto, incorporando periodicamente periodicamente alterações e complementa complementações, ções, é necessário consultá-las nas suas últimas edições.

Maio de 2008

Texto registrado sob o número 284827 do Livro 514 folha 487 do Escritório de Direitos Autorais da Fundação Biblioteca Nacional do Ministério da Cultura i

Revisão 2008

Sumário

1. Critérios e Códigos de Projeto

..............................................................................

1

1.1 ASME Section VIII, Division 1 – Rules for Construction of Pressure Vessels...........

1

1.2 ASME Section VIII, Division 2 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules Rules ............................................................................................ ...................................................................................................... .......... 1.3 ASME Section VIII, Division 3 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules Rules for High Pressure Pressure Vessels ............................................................ ............................................................ 1.4 Critérios para escolha entre Divisão 1 e Divisão 2.................................................... 1.5 PD 5500 (BS 5500)– Specifications for Unfired fusion welded pressure vessels 1.6 AD-Merkblätter ......................................................................................................... 1.7 EN 13445 Unfired pressure vessels 1.8 Comparação Comparação de dimensionamento entre ASME Seção VIII, Divisões 1 e 2, PD 5500 (BS 5500), AD-Merkblätter.e EN 13445 para um casco cilíndrico submetido à pressão interna.................................................................................... interna.................................................................................... 1.9 Evolução do ASME Seção VIII Divisão 1.................................................................. 1.10 Critérios para equipamentos equipamentos existentes – API-579...............................................

2. Categor Categor ias, Combi nação e Lim ites de Tensões 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

...............................................

Tensões primárias primárias (P m, Pb e PL) ............................................................................... Tensões secundárias (Q) ................................................................................. ......................................................................................... ........ Tensões de pico (F) ......................................................................................... ................................................................................................. ........ Combinação e limites de intensidade de tensões .................................................... Bases para critério de tensões primárias primárias e secundárias do ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445............................................................... 13445...............................................................

3. Tensões em Vasos de Pressão .................................................................. ............... 3.1 Cascos Cilindricos ..................................................................................................... ..................................................................................................... 3.2 Casco Esféricos e Tampos Semi-esféricos................................................................ Semi-esféricos................................................................ 3.3 Tampos e Seções Cônicas ....................................................................................... ....................................................................................... 3.4 Tampos Torisféricos Torisféricos .................................................................................................. 3.5 Tampos Semi-elípticos Semi-elípticos ............................................................................................... 3.6 Tampos Toricônicos ................................................................................................... ................................................................................................... 3.7 Tensões em descontinuidades................................................................................... descontinuidades...................................................................................

4. Materiais Materiais e Corros ão ............................................................................... ...................... 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

3 4 4 5 7

7

9 10 11 15 15 16 16 17 19 28 28 29 29 30 32 32 33 35

Corrosão por perda de espessura e vida útil ........................................................... Resistência para condições de temperatura ........................................................... Custo ..................................................................................................................... ........................................................................................................................ ... Facilidade de fabricação .......................................................................................... .......................................................................................... Disponibilidade no mercado ..................................................................................... ..................................................................................... Serviços especiais e corrosão sob tensão ...............................................................

35

5. Vasos Vert Vert icais ..........................................................................................................

41

5.1 5.2 5.3 5.4

Tensões circunferenciais devidas à pressão ........................................................... Tensões longitudinais longitudinais .............................................................................................. Deflexão estática .................................................................................................... ...................................................................................................... Vibrações induzidas pelo vento ...............................................................................

ii

36 37 37 38 38

41 41 44 44

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Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos

6. Vasos Horizont ais ...................................................................................................... 6.1 Análise de tensões ..................................................................................................... .....................................................................................................

7. Supor tes de Vasos de Pressão

49 51

........................................................................

65

7.1 Suportes de vasos verticais ...................................................................................... ...................................................................................... 7.2 Suportes de vasos horizontais ..................................................................................

65

8. Bocais e Reforç Reforç os

............................................................................................

8.1 Teoria das aberturas reforçadas ............................................................................... ............................................................................... 8.2 Critérios para reforços conforme conforme ASME Seção VIII Divisão 1 .................................. 8.3 Espessura mínima de bocais..................................................................................... bocais.....................................................................................

9. Flanges 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

86 89 90 91 98

...................................................... ......................... ......................................................... ........................................................ ............................

100

Tensões atuantes ..................................................................................................... ..................................................................................................... Tipos de flanges ....................................................................................................... ....................................................................................................... Dimensionamento Dimensionamento de flanges .................................................................................. Parâmetros adicionais para dimensionamento dimensionamento ....................................................... Flanges padronizados padronizados .............................................................................................

102

10. Jun tas de Vedação

103 104 114 115

..................................................... ........................ ......................................................... ..................................... .........

117

10.1 Mecânica da vedação ............................................................................................ 10.2 Fatores de seleção ................................................................................................. 10.3 Materiais das juntas ............................................................................................... 10.4 Tipos e faces de flanges ........................................................................................ ........................................................................................ 10.5 Tipos de juntas ...................................................................................................... 10.6 Dureza máxima das juntas metálicas ................................................................... 10.7 Problemas de vedação .........................................................................................

117

11. Tensões Localizadas em Bocais e Suportes

...............................................

11.1 Procedimentos de avaliação das tensões localizadas .......................................... 11.2 Escopo de aplicação, limites e vantagens do Boletim 197, Boletim 297, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445.............................................................................. 13445.............................................................................. 11.3 Procedimento simplificado para cálculo das tensões localizadas em bocais ....... 11.4 Procedimento simplificado para cálculo das tensões localizadas em suportes estruturais ................................................................................ ............................................................................................................... ............................... 11.5 . Cálculo por elementos finitos ...............................................................................

118 118 118 120 122 122 125 129 130 131 135 137

.

12. Pressão Máxima de Trabalho Trabalho A dmi ssível (PMTA) (PMTA)

........................................ ......................... ...............

140

12.1 Determinação da PMTA ........................... ........................................................ ...................................................... ......................... 12.2 PMTA dos componentes componentes principais ....................................................................... 12.3 PMTA dos componentes secundários ................................................................... 12.4 PMTA considerando considerando cargas localizadas ...............................................................

140

13. Dimensionamento Mecânico de Trocadores de Calor Casco e Tubos ...... 13.1 Condições de projeto ............................................................................................. 13.2 Dimensionamento mecânico .................................................................................

iii

141 141 146 147 152 152

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14. Fadiga.e Concent ração de Tensões

.................................................................

167

14.1 Introdução a fadiga ...................................................... ......................... ......................................................... .................................... ........ 14.2 Tensões médias e amplitude das tensões alternadas. Determinação do número de ciclos admissíveis ..................................................... ......................... .................................................... ........................ ........................................................ ......................................................... .................................. ..... 14.3 Danos acumulados ............................ 14.4 Critérios do ASME Seção VII, Divisão 2 e PD 5500 (BS 5500) para avaliação de fadiga ..................................................... ......................... ......................................................... ...................................... ......... 14.5 Critérios da EN 13445 para avaliação de fadiga.................................... ................. 14.6 Tensões de pico ............................................................................................... 14.7 Fatores de concentração de tensões .................................................................

167 167 169 170 173 174 174

15. Fratura Frágil e Temperatu Temperatu ra Mínima..........................................................

179

15.1 Mecânica da fratura ............................ ......................................................... ......................................................... ............................... ... 15.2 Critérios do ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2 para baixa temperatura .......... 15.3 Critérios do ASME Seção VIII, Divisão 3 ........................................................... 15.4 Critérios do PD 5500 (BS 5500)........................................................................ 15.5 Critérios do AD-Merkblätter .............................................................................. .............................................................................. 15.6 Critérios da EN 13445...............................................................................................

179

16. Eficiência de soldas

181 188 188 188 188

....................................................... .......................... ......................................................... .................................... ........

193

16.1 Eficiência de soldas para ASME Seção VIII Divisão 1.............................................. 16.2 Eficiência de soldas para ASME Seção VIII Divisão 2 e Divisão 3, PD 5500 (BS 5500), AD Merkblätter e EN 13445.............. .......................................

193

Referências

...................................................... .......................... ........................................................ ........................................................ ............................

iv

197 198

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1 Critérios e Códigos d e Proj Proj eto Os vasos de pressão e trocadores de calor são equipamentos equipamentos usados principalmente em indústrias de processo, refinarias de petróleo, petroquímicas e indústrias alimentícia e farmacêutica. Estes equipamentos devem ser projetados e fabricados de forma a evitar as suas principais causas de falha, que são: • • • • • • •

Deformação elástica excessiva, incluindo instabilidade elástica; Deformação plástica excessiva, incluindo instabilidade plástica; Altas tensões localizadas; localizadas; Fluência a alta temperatura; Fratura frágil a baixa temperatura; Fadiga; Corrosão.

Como conseqüência de vários acidentes graves, ocorridos principalmente principalmente nos Estados Unidos no início do século XX, foram criados grupos de trabalho t rabalho para definirem critérios seguros de projeto, fabricação e inspeção de vasos de pressão e, desta forma, surgiram os códigos de projeto. O primeiro código americano, para vasos, foi editado pelo ASME (American Society of Mechanical Engineers), Engineers), em 1925, intitulado “Rules for Construction of Pressure Vessels”, Section VIII, 1925 Edition. Todos os códigos tem como finalidade estabelecer regras seguras para projeto e fabricação apresentando metodolog metodologia ia e critérios para dimensionamento, fabricação, realização de exames não destrutivos, além de materiais aplicáveis com respectivas tensões admissíveis. Periodicamente Periodicamente os códigos são submetidos a revisões e novas edições para incorporarem novos tópicos e alterações decorrentes de avanço tecnológico. Cada código adota critérios e metodologias próprias, sendo que atualmente os mais adotados são os americanos ASME Section VIII, Division 1 e Division 2 [referência 1], o inglês PD 5500 (BS 5500) [referência 2] e a norma européia EN- 13445 [referência 54]. Existem outros códigos importantes como o ASME Seção VIII Division 3 [referência 1], o alemão AD-Merkbläter AD-Merkbläter [referência 3] e o francês CODAP – Code de construction des Appareils a Pression, Division 1 et Division 2 [referência 61]. São apresentadas, a seguir as principais características dos códigos adotados com mais freqüência, referentes apenas a parte dedicada ao dimensionamento mecânico e com maior ênfase para os códigos ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2. 1.1

ASME Section VIII, VIII, Divis ion 1 – Rules for Const ruc tio n of Pressur e Vessels

É o código de maior aplicação no Brasil. Estabelece regras apenas para dimensionamento dos componentes principais principais (casco, tampos, reduções, flanges bocais e reforços), submetidos a 1

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pressão interna ou externa. Informa que outros carregamentos, carregamentos, como cargas de vento e sísmica, peso próprio e do conteúdo, esforços localizados em suportes soldados no equipamento ou em bocais, cargas cíclicas devidas a flutuações de pressão e temperatura, gradientes e expansões térmicas, devem ser consideradas, porém não estabelece metodologia metodologia para esta avaliação. Este código é limitado a pressões interna, máxima de 20685 kPa e mínima de 103 kPa, ou pressão externa máxima de 103 kPa. Tem como critério de projeto a teoria da “máxima tensão de ruptura”. Apresenta critérios e tabelas t abelas para obtenção de tensões admissíveis de tração e curvas para as tensões admissíveis de compressão na Seção II . Para diferentes tipos de materiais ferrosos e não ferrosos (exceto parafusos), as tensões admissíveis de tração são obtidas da seguinte forma: •

Para temperaturas abaixo da faixa de fluência a tensão admissível de tração é o menor dos valores: • 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente; • 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto; • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto. •

A evolução dos fatores fatores de segurança, segurança, para este código, código, está descrita no item 1.8. 1.8. •

Para temperaturas na faixa de fluência a tensão admissível de tração é o menor dos valores: • 100% da tensão média para uma razão de fluência de 0,01% / 1000 horas; • 67% da tensão média de ruptura ao fim de 1000000 horas; • 80% da tensão mínima de ruptura a 1000000 horas.

Para alguns materiais não ferrosos e aços inoxidáveis austeníticos as tabelas de tensões admissíveis de tração apresentam dois níveis de tensões. Como regra geral, para componentes que permitem pequenas deformações (cascos e tampos) adota-se os maiores valores e para componentes onde deformações são prejudiciais ao desempenho (flanges) adota-se os menores valores. As tensões primárias primárias de membrana, membrana, normais às paredes paredes do vaso, induzidas induzidas pelos carregamentos impostos aos equipamentos não deverão ultrapassar os valores estabelecidos para as tensões admissíveis, admitindo que quando existirem tensões devidas a cargas de vento ou sísmicas, as tensões admissíveis poderão ser majoradas em 20%. Não estabelece critérios para classificação de tensões, porém admite que a combinação das tensões primárias de membrana e flexão poderão poderão ser limitadas a 1,5 vezes o valor das tensões admissíveis. admissíveis. Apesar de prever prever flutuações de pressão pressão e temperatura temperatura não apresenta critérios para análise análise de fadiga. O código somente trata de dimensionamento dimensionamento para pressões nos componentes principais, não apresentando métodos para computação e avaliação, nestes componentes, das tensões resultantes de esforços localizados tais como cargas nos suportes de sustentação (saias, pernas, selas, sapatas ou anéis), cargas em suportes de acessórios (tubulações ou plataformas) e cargas em bocais devidas esforços de tubulação. Para esta avaliação é necessário consultar a literatura complementar, indicada nas seções seguintes deste texto e 2

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também nas referências. No caso de dimensionamento dimensionamento que exija uma análise mais detalhada de tensões (incluindo tensões localizadas), normalmente emprega-se a teoria da máxima tensão de cisalhamento (ver seção 2). O código também estabelece uma metodologia para obtenção da temperatura mínima de projeto, para evitar fratura frágil, em função da tensão atuante, das espessuras requerida e nominal, da corrosão e do material. 1.2 ASME Section VIII, VIII, Divis ion 2 – Rules for Cons Cons tru cti on of Pressur e Vessels – Al ter nat iv e Rules Rul es

A Divisão 2 do código código ASME Seção Seção VIII foi criada em 1969, 1969, como alternativa alternativa à Divisão 1, adotando critérios e detalhes de projeto, fabricação, exames e testes mais rigorosos e tensões admissíveis superiores, além de não limitar a pressão de projeto. O critério de projeto adota classificação de tensões para as mais usuais combinações de carregamento, análise de fadiga para equipamentos submetidos a condições cíclicas e gradientes térmicos e projeto alternativo baseado em análise de tensões em descontinuidades descontinuidades geométricas. Da mesma forma que a Divisão 1, não adota procedimentos para avaliação de tensões localizadas em suportes e bocais, sendo também necessário consultar a literatura complementar. É adotada a teoria da “máxima tensão de cisalhamento” (ruptura pelo cisalhamento máximo), conhecida como critério de Tresca, por sua facilidade de aplicação e por ser adequada para a análise de fadiga. Esta tensão é igual igual a metade da maior diferença algébrica algébrica entre duas das tensões principais ( σ1, σ2, σ3 ) de um corpo submetido à tração. Nos sólidos de revolução estas tensões principais ocorrem nas direções longitudinal, tangencial tangencial e radial às paredes do vaso. Se σ1> σ2> σ3 ⇒ τ = 0,5 (σ1 - σ3) A intensidade de de tensões (S) é definida definida como: S = 2 τ A intensidade de de tensão resultante resultante não deve ultrapassar ultrapassar a tensão máxima máxima admissível admissível S m. Estabelece metodologia de cálculo de espessuras com fórmulas simplificadas, da mesma forma que a Divisão 1, ou cálculo alternativo baseado em análise e classificação de tensões em categorias. Caso seja adotada a alternativa de cálculo, com classificação e combinação de tensões, a tensão máxima admissível deverá ser multiplicada por um fator de intensificação (K), obtido em figuras e tabelas do código, além de permitir tensões majoradas dependendo da combinação da categoria das tensões atuantes envolvidas. Apresenta critérios critérios e tabelas para obtenção obtenção de tensões tensões admissíveis de tração tração e curvas para as as tensões admissíveis de compressão na Seção II.

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Para diferentes tipos de materiais ferrosos e não ferrosos (exceto parafusos), as tensões admissíveis de tração são obtidas da seguinte forma: •

a tensão admissível de tração é o menor dos valores: • • • •

1/3 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente; 1/3 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto; 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto.

A mínima resistência resistência à tração deve ser ser multiplicada por por 1,1 R T, e a mínima resistência ao escoamento multiplicada por R Y. RT e RY são fatores de razão entre o valor médio das tensões nas curvas de tendência de temperatura dependente dependente e as tensões na temperatura ambiente (de resistência à tração e cisalhamento respectivamente). respectivamente). Adota critérios e procedimentos procedimentos para para avaliação de baixa baixa temperatura, temperatura, de forma similar similar à Divisão 1. 1.3 ASME Section VIII, VIII, Divis ion 3 – Rules for Cons Cons tru cti on of Pressur e Vessels – Al ter nat iv e Rules Rul es f or High Hig h Pr ess ur e Vessels Vess els

A Divisão 3 do código código ASME surgiu surgiu recentemente, recentemente, com aplicação voltada voltada para equipamentos equipamentos projetados para operarem com altas pressões, em geral acima de 68965 kPa. Entretanto, pode ser usada para pressões inferiores e não restringe a aplicabilidade, em função da pressão, das Divisões 1 e 2. Embora seja parecida com a Divisão 2 nos critérios de projeto, adotando também a “teoria da máxima tensão de cisalhamento”, classificação e análise de tensões e avaliação de fadiga é mais rigorosa do que esta divisão. A utilização de materiais é restrita a poucas especificações e, por exemplo, aços carbono como as chapas em SA-515 e SA-516 e forjados em SA-105 não são permitidos. A análise de fadiga fadiga é mandatória para equipamentos equipamentos projetados projetados por esta divisão. divisão. Para evitar fratura frágil é exigido teste de impacto, quando as tensões t ensões primárias de membrana ultrapassarem o valor de 41,4 MPa [referência 35]. Ver também seção 15. Prevê adicionalmente avaliação avaliação de mecânica da fratura e projeto usando as tensões residuais favoráveis, devidas à deformação plástica nas paredes causadas por pressão ( autofrettage). As espessuras são calculadas calculadas em função função das tensões de cisalhamento dos dos materiais, obtidas obtidas na Seção II. 1.4

Critéri os para escol ha entre Divis ão 1 e Divis ão 2

Existem condições de projeto em que a utilização da Divisão 2 é mandatória. Sempre que um vaso está sujeito a carregamentos carregamentos cíclicos e gradientes térmicos, deve ser projetado por esta Divisão, pois apenas nela está prevista metodologia de cálculo para estas exigências. Também

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é o caso de equipamentos com pressão interna de projeto superior a 20685 kPa, pois a Divisão 1 limita o seu escopo de aplicação a esta pressão. Caso não haja nenhuma das condições acima deve ser feita uma análise de custos e prazos para a seleção da Divisão a ser adotada. A Divisão 2 permite espessuras mais finas, devidas a tensões admissíveis mais altas (ver tabela 1.1), porém exige exames, testes e inspeção mais rigorosos (por exemplo: radiografia total), o mesmo ocorrendo com detalhes construtivos. Entretanto, existem algumas considerações, considerações, de caráter prático, que indicam a Divisão 2 como a mais apropriada: •

•

Quando o diâmetro for maior que 1500 mm e a pressão interna ultrapassar 7,0 MPa; Quando o vaso for construído de material de qualidade superior aos aços carbono do grupo P.1 e a pressão for superior a 2,0 MPa;

•

Quando o vaso for do tipo multicamada;

•

Quando a razão diâmetro/espessura for menor que 16;

•

Quando a espessura for maior que 75,0 mm.

Estas considerações são ilustrativas e podem variar de acordo com os custos de fabricação da época. O emprego da Divisão 2 também é vantajoso em casos onde a redução da espessura requerida, em relação à Divisão 1, permite dispensar o tratamento térmico de alivio de tensões. Este é o caso de algumas esferas para armazenamento armazenamento de GLP. A título de exemplo, exemplo, a tabela 1.1 apresenta apresenta uma comparação comparação entre as tensões tensões admissíveis da da Divisão 1 e da Divisão 2, para dois aços carbono de largo emprego na fabricação de vasos no Brasil (chapas SA-515-70 e SA-516-70). Temperatura -29 a (ºC) 38 Div 1 – S 138 (MPa) Div 2 – Sm 161 (MPa) SY (MPa) 262 SR (MPa) 482

93

149

204

260

315

343

371 371

399

427

454

482

510 510

538

138

138

138

138

134

129

125

102

83

64

46

27

17

159

155

149

141

129

127

126

NP

NP

NP

NP

NP

NP

240

232

224

214

200

194

187

181

176

170

165

160

155

482

482

482

482

482

482

482

476

443

404

360

316

156

SY – mínima resistência ao escoamento; S R – mínima resistência à tração; NP – não permitido Tabela 1.1 1.1 – Tensõ Tensõ es Ad mis síveis – ASME Seção Seção VIII, VIII, Divis ão 1 e Divis ão 2

1.5

PD 5500 5500 (BS 5500) 5500) –Specif –Specif icati ons for Unfi Unfi red fus ion welded press ure vessels

Com a publicação da norma européia EN-13445, em 2002, o British Standard Institution cancelou a conhecida norma BS 5500, que era considerada a norma mais completa e compreensiva para vasos de pressão. Como os usuários ainda não estavam adequados para o 5

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uso da nova norma, houve solicitações para que a norma inglesa fosse mantida. Foi tomada a decisão de se manter este código, não mais como uma norma, e sim como um documento publicado (PD – “ published document”), sendo emitido em 2003 e identificado como PD 5500. Este documento substituiu a última edição com as atualizações da BS 5500, sem alterar o seu conteúdo e aplicabilidade. aplicabilidade. A norma PD 5500 (BS 5500) é muito similar ao ASME Seção VIII Divisão 2 e EN 13445, adotando os mesmos critérios de projeto (teoria da máxima tensão de cisalhamento), cisalhamento), e também com cálculo alternativo baseado em classificação e análise de tensões, além de avaliação de fadiga. As tensões admissíveis, admissíveis, indicadas em tabelas, são obtidas obtidas adotando-se o seguinte seguinte critério: a) para temperaturas até 50°C, deve ser o menor dos valores entre a.1 e a.2: a.1) Re / 1,5; a.2) Rm / 2,35 (para aços carbono e baixa liga) ou R m / 2,5 (para aços austeníticos). Re – mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; R m – mínima resistência à tração na temperatura ambiente. b) para temperaturas acima de 150°C, deve ser o menor dos valores entre b.1 e b.2: b.1) Re(T) / 1,5 (para aços carbono e baixa liga especificados para alta temperatura); temperatura); Re(T) / 1,6 (para aços carbono e baixa liga especificados para alta temperatura); temperatura); Re(T) / 1,35 (para aços austeníticos); b.2) Rm / 2,35 (para aços carbono e baixa liga) ou R m / 2,5 (para aços austeníticos). Re(T) – mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto; R m – mínima resistência à tração na temperatura ambiente. c) para temperaturas entre 50°C e 150°C o valor da tensão admissível deve ser interpolado linearmente das expressões expressões dos itens a e b. d) para temperaturas na faixa de fluência: 1/1,3 da tensão média que provoca ruptura a uma determinada temperatura. O código ainda apresenta quatro níveis de tensões admissíveis, dependendo dependendo da vida útil do equipamento, que pode ser de 100000, 150000, 200000 e 250000 horas. Seções muito interessantes deste código são as que apresentam, nos Apêndices D e E, detalhes típicos de soldas dos componentes principais de forma muito completa (incluindo detalhes especiais para baixas temperaturas), e os procedimentos para avaliação de tensões localizadas em bocais e suportes soldados, além de dimensionamento dimensionamento de selas e suportes de apoio, apresentados no Apêndice G. Desta forma, este código pode dispensar consulta complementar para estes assuntos. É interessante notar que os códigos ASME recomendam a utilização da norma inglesa, como critério para avaliação de tensões localizadas, referindo-se referindo-se ao Apêndice G da antiga BS 5500. Também tem procedimentos para cálculo de espelhos de trocadores de calor. Adota critérios e procedimentos procedimentos para para operação em baixa baixa temperatura, temperatura, para aços carbono carbono e aços liga, em função da tensão de membrana atuante na parede do equipamento. equipamento.

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1.6

AD-Merkblätter

O código alemão é muito simples de ser usado e adota o critério da máxima tensão de membrana. É composto de várias seções, específicas para cada assunto ou componente. Adota altas tensões admissíveis, baseadas baseadas no critério a seguir: seguir: •

•

Para temperaturas abaixo da faixa de fluência: • K/S Para temperaturas na faixa de fluência deve ser o menor dos valores: • K/S; • Tensão para 1% de deformação por fluência.

K é a resistência que pode ser específica para um determinado material, com valores indicados na seção W da norma (por exemplo: aços austeníticos) ou o valor das tensões de escoamento estabelecidas nas normas normas DIN (por exemplo: DIN 17155 – Boiler Plates) e S é um fator de segurança estabelecido estabelecido para determinada forma de material e temperatura de projeto e fluência, bem como para a condição de teste (para aços laminados e forjados: S = 1,5, na condição de projeto e S = 1,1 na condição de teste pneumático ou hidrostático). hidrostático). Para compensar as altas tensões admissíveis são adotados materiais de alta qualidade e critérios extremamente rigorosos para detalhes de fabricação, exames, testes e inspeção. Normalmente um equipamento calculado pela AD-Merkblätter, apresenta espessuras requeridas menores do que as outras normas. No Brasil, em alguns casos especiais de vasos com altas pressões, como esferas de armazenamento armazenamento de gás liquefeito, adota-se esta norma para obtenção de redução de espessura e, inclusive, evitando em alguns casos o tratamento térmico de alívio de tensões. No entanto, devem ser tomados cuidados especiais com a qualidade do material e com a escolha do fabricante/montador de forma a atender criteriosamente os requisitos da norma. Adota requisitos especiais especiais para materiais, materiais, incluindo incluindo procedimentos procedimentos e critérios, que operem operem em baixa temperatura (inferiores à – 10°C). 1.7

EN 13445 13445 – Unfir ed press ure vessels

A norma européia européia EN 13445, publicada publicada pela pela CEN (Comitê Européen Européen de Normalization), Normalization), é uma uma norma recente, cuja primeira emissão foi em maio de 2002 após 10 anos de estudos. Está dividida em seis partes: • • • • • •

Parte 1 (EN 13445-1): Geral; Parte 2 (EN 13445-2): Materiais; Parte 3 (EN 13445-3): Projeto; Parte 4 (EN 13445-4): Fabricação; Parte 5 (EN 13445-5): Inspeção e Testes; Parte 6 (EN 13445-6): Requisitos para projeto e fabricação de vasos de pressão e partes pressurizadas construídas com ferro fundido com grafite esfeiroidal.

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Revisão 2008


Também adota, como o PD 5500 (BS 5500) e o ASME Seção VIII, Divisão 2, os procedimentos de cálculo simplificados baseados em fórmulas ( DBF – Design by formulae ) e com análise e classificação de tensões ( DBA – Design by analysis). Para o procedimento DBA adota os critérios de resistência da máxima tensão de cisalhamento (Tresca) ou da máxima energia de distorção (Von Mises). Alguns dos principais principais tópicos, nem sempre incluídos incluídos em outras normas são: são: • • • • • •

Cálculo de espelhos para trocadores de calor; Cálculo de tensões localizadas devidas às cargas em bocais; Cálculo de vasos horizontais apoiados em selas, anéis e colunas; Cálculo de vasos verticais apoiados em sapatas, anéis, pernas e saias; Análise de fadiga fadiga (método simplificado simplificado e método detalhado); Procedimento para avaliar a máxima pressão externa permitida para vasos com circularidade fora de tolerância.

O critério para obtenção das tensões admissíveis para partes pressurizadas é: a) Aços (exceto fundidos) não não austeníticos, austeníticos, com deformação deformação mínima à ruptura abaixo abaixo de 30%: a.1)

O menor dos dois valores abaixo, para condição de cargas de operação: • Re/t / 1,5 ou R p0,2/t / 1,5; • Rm / 2,4

a.2)

Para condição de teste: • Re/t / 1,05 ou Rp0,2/t / 1,05

b)

Aços austeníticos (exceto fundidos), com deformação mínima à ruptura maior que 30% até 35%:

b.1)

Para condição de cargas de operação: • Rp1,0/t / 1,5;

b.2)

Para condição de teste: • Rp1,0/t / 1,05

c) c.1)

Aços austeníticos (exceto fundidos), com deformação mínima à ruptura maior que 35% O maior dos dois valores abaixo, para condição de cargas de operação: c.1.1)

Rp1,0/t / 1,5;

c.1.2)

o menor dos dois valores, quando o valor de R m/t é disponível: Rm/t /3,0; Rp1,0/t / 1,2

 

c.2)

O maior dos dois valores abaixo, para condição de teste: Rp1,0/t / 1,05; Rm/t /2,0, quando o valor de R m/t é disponível ;  

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Revisão 2008

Vasos de Pressão e Trocadores de Calor - 2008 - Carlos Falcão.pdf

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