Apostila Vasos de Pressão

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PROJETO MECNICO

VASOS de PRESSO e TROCADORES DE CALOR CASCO e TUBOS

Carlos Falco

Apresentao

A finalidade deste texto fornecer orientao bsica e interpretao dos tpicos que mais causam dvidas, alm de incluir os assuntos que no so apresentados nos principais cdigos de projeto de vasos de presso e trocadores de calor casco e tubos, necessrios ao correto dimensionamento mecnico destes equipamentos. A apresentao est feita em dezesseis sees, cada uma tratando de um assunto especfico. Para evitar que se tornasse demasiadamente extenso e repetitivo, no foram incorporados, a no ser quando absolutamente necessrios compreenso, os grficos, frmulas, figuras e tabelas constantes dos cdigos de projeto e de artigos de emprego consagrado e universal, tais como, os critrios de avaliao de tenses localizadas em bocais, publicados pelo WRC Boletins 107 e 297. claro que, devido dinmica das normas e cdigos de projeto, incorporando periodicamente alteraes e complementaes, necessrio consult-los nas suas ltimas edies. Maio de 2002

Texto registrado sob o nmero 65030 no Escritrio de Direitos Autorais do Ministrio da Cultura

i

Sumrio1. Critrios e Cdigos de Projeto ...................................................................................1.1 ASME Section VIII, Division 1 Rules for Construction of Pressure Vessels........... 1.2 ASME Section VIII, Division 2 Rules for Construction of Pressure Vessels Alternative Rules ...................................................................................................... 1.3 ASME Section VIII, Division 3 Rules for Construction of Pressure Vessels Alternative Rules for High Pressure Vessels ............................................................ 1.4 Critrios para escolha entre Diviso 1 e Diviso 2.................................................... 1.5 BS-5500 British Standard Specifications for Unfired fusion welded pressure vessels....................................................................................................... 1.6 AD-Merkbltter ......................................................................................................... 1.7 Comparao de dimensionamento entre ASME Seo VIII, Divises 1 e 2, BS-5500 e AD-Merkbltter........................................................................................

1 1 3 4 5 6 6 7 9 9 10 10 11 14 14 15 15 16 18 18 20 20 21 22 22 23 23 26 26 26 29 29 34 35 44

2. Categorias, Combinao e Limites de Tenses .....................................................2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5.1 5.2 5.3 5.4 Tenses primrias.(Pm, Pb e PL) ............................................................................... Tenses secundrias (Q) ......................................................................................... Tenses de pico (F) ................................................................................................. Combinao e limites de intensidade de tenses .................................................... Cilindro ..................................................................................................................... Esfera e semi-esfera ................................................................................................ Cone ......................................................................................................................... Torisfricos ............................................................................................................... Semi-elpticos ........................................................................................................... Toricnico ................................................................................................................. Corroso por perda de espessura e vida til ........................................................... Resistncia para condies de temperatura ........................................................... Custo ........................................................................................................................ Facilidade de fabricao .......................................................................................... Disponibilidade no mercado ..................................................................................... Servios especiais e corroso sob tenso ............................................................... Tenses circunferenciais devidas presso ........................................................... Tenses longitudinais .............................................................................................. Deflexo esttica ..................................................................................................... Vibraes induzidas pelo vento ...............................................................................

3. Tenses em Vasos de Presso ................................................................................

4. Materiais e Corroso ...................................................................................................

5. Vasos Verticais ............................................................................................................

6. Vasos Horizontais .......................................................................................................6.1 Anlise de tenses .................................................................................................. 6.2 Notas e consideraes gerais .................................................................................

ii

7. Suportes de Vasos de Presso ........................................................................7.1 Suportes de vasos verticais ................................................................................... 7.2 Suportes de vasos horizontais ...............................................................................

45 45 62 65 66 67 75 77 78 79 81 82 83 83 84 84 84 86 87 88 91 95 96 97 100 102 104 104 105 105 110 111 116 116 122 122 122 124 125

8. Bocais e Reforos ............................................................................................8.1 Teoria das aberturas reforadas ............................................................................ 8.2 Critrios para reforos conforme ASME Seo VIII, Diviso 1 ..............................

9. Flanges ............................................................................................................9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Tenses atuantes ................................................................................................... Tipos de flanges ..................................................................................................... Dimensionamento de flanges ................................................................................. Parmetros adicionais para dimensionamento ...................................................... Flanges padronizados ............................................................................................

10. Juntas de Vedao ...........................................................................................10.1 Mecnica da selagem ........................................................................................... 10.2 Fatores de seleo ............................................................................................... 10.3 Materiais das juntas .............................................................................................. 10.4 Tipos e faces de flanges ....................................................................................... 10.5 Tipos de juntas ..................................................................................................... 10.6 Dureza mxima das juntas metlicas ................................................................... 10.7 Problemas de vedao .........................................................................................

11. Tenses Localizadas em Bocais e Suportes ...................................................11.1 Procedimentos de avaliao das tenses localizadas ......................................... 11.2 Escopo de aplicao, limites e vantagens do Boletim 197, Boletim 297 e BS-5500 Apndice G........................................................................................... 11.3 Procedimento simplificado para clculo das tenses localizadas em bocais ...... 11.4 Procedimento simplificado para clculo das tenses localizadas em suportes estruturais ............................................................................................................... 11.5. Clculo por elementos finitos ............................................................................... .

12. Presso Mxima de Trabalho Admissvel (PMTA) ........................................... 12.1 Determinao da PMTA ................................................................................12.2 PMTA dos componentes principais ....................................................................... 12.3 PMTA dos componentes secundrios ................................................................... 12.4 PMTA considerando cargas localizadas ...............................................................

13. Dimensionamento Mecnico de Trocadores de Calor Casco e Tubos Tipo TEMA ...........................................................................................13.1 Condies de projeto ............................................................................................. 13.2 Dimensionamento mecnico .................................................................................

14. Fadiga.e Concentrao de Tenses ................................................................. 14.1 Introduo a fadiga .......................................................................................14.2 Tenses mdias e amplitude das tenses alternadas. Determinao do nmero de ciclos admissveis .......................................................................... 14.3 Danos acumulados ....................................................................................... 14.4 Critrios do ASME Seo VIII, Diviso 1 e BS-5500 para avaliao de fadiga ...

iii

14.5 Tenses de pico ................................................................................................ 14.6 Fatores de concentrao de tenses ............................................................. 14.7 Notas ..........................................................................................................

128 128 132 133 133 135 142 142 142 143 145 145 145 145 146 147

15. Fratura Frgil e Baixa Temperatura em Vasos de Presso Construdos com Ao Carbono ..................................................................................................... 15.1 Mecnica da fratura ......................................................................................15.2 Critrios do ASME Seo VIII Diviso 1 e Diviso 2 para baixas temperaturas (MDMT) ................................................................................................................... 15.3 Critrios do ASME Seo VIII, Diviso 3 .......................................................... 15.4 Critrios do BS-5500 .................................................................................... 15.5 Critrios do AD-Merkbltter............................................................................

16. Eficincia de soldas ...........................................................................................16.1 Soldas nos cascos cilndricos ................................................................................ 16.2 Soldas nos cascos esfricos e tampos semi-esfricos .......................................... 16.3 Soldas nos tampos semi-elpticos e torisfricos..................................................... 16.4 Soldas nos tampos e transies cnicas ............................................................... 16.5 Soldas nos tampos e transies toricnicas ..........................................................

Referncias ..............................................................................................................

iv

1Critrios e Cdigos de ProjetoOs vasos de presso e trocadores de calor so equipamentos usados principalmente em indstrias de processo, refinarias de petrleo, petroqumicas e indstrias alimentcia e farmacutica. Estes equipamentos devem ser projetados e fabricados de forma a evitar as suas principais causas de falha, que so: Deformao elstica excessiva, incluindo instabilidade elstica; Deformao plstica excessiva, incluindo instabilidade plstica; Altas tenses localizadas; Fluncia a alta temperatura; Fratura frgil a baixa temperatura; Fadiga; Corroso.

Como conseqncia de vrios acidentes graves, ocorridos principalmente nos Estados Unidos no incio do sculo XX, foram criados grupos de trabalho para definirem critrios seguros de projeto, fabricao e inspeo de vasos de presso e, desta forma, surgiram os cdigos de projeto. O primeiro cdigo americano, para vasos, foi editado pelo ASME (American Society of Mechanical Engineers), em 1925, intitulado Rules for Construction of Pressure Vessels, Section VIII, 1925 Edition. Todos os cdigos tem como finalidade estabelecer regras seguras para projeto e fabricao apresentando metodologia e critrios para dimensionamento, fabricao, realizao de exames no destrutivos, alm de materiais aplicveis com respectivas tenses admissveis. Periodicamente os cdigos so submetidos a revises e novas edies para incorporarem novos tpicos e alteraes decorrentes de avano tecnolgico. Cada cdigo adota critrios e metodologias prprias, sendo que no Brasil os mais adotados so os americanos ASME Section VIII, Division 1 e Division 2, o ingls BS-5500 e o alemo AD-Merkblter. Existem outros cdigos importantes como a Diviso 3 do ASME, o francs (SNTC/AFNOR Calcul des Appareils a Pression) e o japons (JIS). So apresentadas, a seguir as principais caractersticas dos cdigos adotados com mais freqncia, referentes apenas a parte dedicada ao dimensionamento mecnico e com maior nfase para os cdigos ASME Seo VIII Diviso 1 e Diviso 2. 1.1 ASME Section VIII, Division 1 Rules for Construction of Pressure Vessels

o cdigo de maior aplicao no Brasil. Estabelece regras apenas para dimensionamento dos componentes principais (casco, tampos, redues, flanges bocais e reforos), submetidos a presso interna ou externa. Informa que outros carregamentos, como cargas de vento e ssmica, peso prprio e do contedo, esforos localizados em suportes soldados no 1

equipamento ou em bocais, cargas cclicas devidas a flutuaes de presso e temperatura, gradientes e expanses trmicas, devem ser consideradas, porm no estabelece metodologia para esta avaliao. Este cdigo limitado a presses interna, mxima de 20685 e mnima de 103 kPa, ou presso externa mxima de 103 kPa. Tem como...