Estudo para fabricação de cilindros especiaispara biometano

José de Souza1

Lirio Schaeffer2

Resumo

O biometano, biogás filtrado, composto em torno de 90% de metano,pode ser utilizado como combustível em veículos automotores. Este com-bustível tem potencial poluidor menor que os de origem fóssil. Além dis-so, a geração do biometano constitui-se em uma ação despoluidora domeio ambiente, pois utiliza resíduos urbanos, esgotos, biomassa vegetal,etc. O armazenamento do biometano é fundamental para não restringir elimitar a utilização deste ao local onde é produzido. Uma alternativa é ade fabricar cilindros de alta pressão e para isso verificou-se o processo defabricação, as normas a serem observadas e a modelagem tridimensionalde um cilindro para armazenamento de biometano.

Palavras chave: Cilindros. Biometano. Transporte de biometano.

Abstract

Biomethane is composed around 90% of methane and can be used ascombustible in cars and other vehicles. This fuel has lesser pollutingpotential than the others of fossil origin. Moreover, the generation of thebiomethane is a friendly environment production because it uses urbanresidues, solid waste, vegetal biomass and others. The storage of thebiomethane is necessary for not limit the utilization of this gas to the placewhere it is produced. An alternative is to manufacture high-pressurecylinders. For this we studied the processes of manufacture, the tests ofquality for the construction of the cylinders and modeled a cylinder forbiomethane storage.

Keywords: Cylinders. Biomethan. Transport of biomethane.

1 Tecnólogo em Automação Industrial (Universidade Estadual do Rio Grande do Sul) Mestrando em Engenharia de Materiais, Minas e Metalurgia(Universidade Federal do Rio Grande do Sul) e-mail: jose@ped-energia.com - Fone (51) 81733945.

2Engenheiro Mecânico pela UFRGS, Mestre em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela UFRGS e Doutor em Conformação Mecânica pelaRheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule/Aachen. Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica – LdTM, Centro de Tecnologia daUniversidade Federal do Rio Grande do Sul. E-mail: lirio.shaeffer@pesquisador.cnpq.br Fone (51) 3308 6134

Artigo recebido em 16/06/09 e aceito em 18/05/2010

1 Introdução

As alternativas para armazenagem debiometano dependem de fatores como consu-mo e tecnologia. Esse combustível não podeser armazenado facilmente devido ao fato deque não pode ser liquefeito à temperatura e

pressão ambiente. A pressão e temperaturarequerida é de -82,5° C e 47,5 bar, respectiva-mente (KAPDI, 2005). As formas mais usuaisde armazenamento deste gás à baixa pressãosão as próprias câmaras de biodigestão ou gasô-metros, em balões de Vinil, PEAD (Polietileno

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de alta densidade) e mantas emborrachadas.Estas formas limitam a utilização do mesmoao local de produção inviabilizando o seutransporte. Para altas pressões, a alternativamais viável é a de cilindros em aço inoxidá-vel. Estes cilindros facilitarão seu transporteestocagem e o manuseio, além disso, o gáspode ser utilizado como combustível em ve-ículos automotores. No entanto, é necessá-rio buscar a padronização através da norma-tização dos processos de fabricação destescilindros e desenvolver parâmetros confiáveiscom base em referências normativas paratransporte, manuseio e estocagem. Este tra-balho tem como objetivos avaliar o proces-so de fabricação para um cilindro de biome-tano, verificar as normas a serem observadaspara a produção e os testes necessários parase averiguar a qualidade do mesmo. Parauma melhor compreensão e visualização dotema, desenvolveu-se a modelagem tridimen-sional de um cilindro para armazenamentode biometano.

2 Cilindros para biometano

2.1 Biometano

O biometano é obtido através da filtrageme tratamento do biogás que é obtido através dadecomposição de materiais orgânicos por bac-térias anaeróbicas, denominadas de metano-gênicas. Estas se desenvolvem em diferentesestágios dentro de câmaras fechadas sem con-tato com o ar, conhecidos por biodigestores. Odesenvolvimento das bactérias tem como re-sultado a quebra desse composto orgânico queé transformado em metano (HANDBOOK ONBIOGAS UTILIZATION, 1990).

O biogás difere em sua composição emfunção do processo fermentativo e do substratoque é usado na biodigestão. Basicamente é com-posto por 55 a 85% de Metano (CH

3), 20% de

Dióxido de carbono (CO2) e o restante de Ni-

trogênio (N), Oxigênio (O), Ácido Sulfídrico(H2S) e Amônia (CH

3) (OGEJO, 2007). Atra-

vés da filtragem, obtém-se uma elevação da con-centração do metano em torno de 90%, fatornecessário para que o mesmo possa ser utiliza-do como biocombustível em veículosautomotores que utilizam gás natural, metanofossilizado (BIRATH, 2008).

O biometano pode ser utilizado em auto-móveis adaptados ou construídos para o usodo gás natural, pois o motor a gasolina podetambém ser movido por este combustível(RUTZ; RAINER, 2007). As principais fontese biomassa que podem ser exploradas para aobtenção do biometano são:• Biomassa orgânica agrícola;• Biomassa vegetal urbana;• Efluentes agrícolas de animais;• Esgoto doméstico urbano e rural;• RSU (Resíduos Sólidos Urbanos);• Outros.

2.2 Dos requisitos para fabricação doscilindros

Os cilindros de armazenamento de gasesdevem ser resistentes para suportar grandes ten-sões. Porém, o cilindro deve apresentar baixopeso para não comprometer a capacidade decarga do veículo na combustão ou em seu trans-porte. Por isso um cilindro de alta pressão parabiometano pode ser fabricado a partir de umtubo de aço-liga cromo-molibdênio, sem cos-tura e de espessura de parede entre 8 e 10 mm(ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMASTÉCNICAS, 1993). O tubo deverá passar porum processo de repuxamento e conformaçãodas extremidades (base de um lado e gargalodo outro). Na figura 1, pode-se verificar o for-mato da matriz e da punção para forjamentodo cilindro.

Figura 1 – Corte de conjunto de forjamento de cilindropara Biometano (Geratriz)

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Depois da conformação e do tratamentotérmico (têmpera e revenido), todos os cilin-dros deverão ser ensaiados de modo a detectaralgum tipo de defeito construtivo, como trin-cas e falhas que possam comprometer sua in-tegridade estrutural (ASSOCIAÇÃO BRASI-LEIRA DE NORMAS TÉCNICAS,2003).

Os cilindros podem também ser fabri-cados em alumínio e reforçados com fibrade carbono. Estes são significativamentemais leves que os de aço-liga, porém seupreço será mais elevado devido ao custo des-tes materiais. As características físicas do ci-lindro de alta pressão exigem que este equi-pamento seja fabricado seguindo um con-junto de etapas que permitem a obtenção deum equipamento seguro e confiável. Estasetapas compreendem as especificações doprojeto, análise, ensaios mecânicos destruti-vos e não destrutivos e, por fim, a aprovação.

2.3 Matérias primas para fabricação

A matéria-prima para fabricação dos ci-lindros deve ser cuidadosamente seleciona-da. Os tubos de aço-liga sem costura são re-cebidos do fabricante em diversas bitolas,acompanhados dos certificados de análisequímica e dos testes hidráulicos, realizadosindividualmente para cada lote de tubos.

Em seguida, deverão ser verificadas suascaracterísticas químicas, físicas, mecânicas e,quando necessário, sua resistência à corrosãosob tensão. A análise mecânica da fratura doaço-liga empregado para fabricação do cilin-dro permite ao fabricante definir qual o máxi-mo defeito permissível a fim de possibilitar:· estabelecer o ensaio não destrutivo mais ade-quado para a linha de produção;· garantir a vida útil do produto;· demonstrar que sua falha é sempre precedidapor início de trinca ocasional no cilindro.

2.4 Projeto dos cilindros

Para projetos de vasos de pressão, con-forme o código ASME (American SocietyMechanical Engineers, 2004), em qualquercaso é exigido que o vaso seja destinado a umserviço específico preestabelecido, e para isso

o usuário, ou seu agente credenciado, devepreparar um documento formal denominado‘especificação de projeto usuário’ (user´sdesign especification), indicando as condiçõesde operação do vaso (fluido contido, pressão etemperatura). Inclusive para situações transitó-rias ou anormais, necessidade ou não de análi-se de fadiga para serviços cíclicos, detalhandoos dados necessários para essa análise, neces-sidade ou não de margem para corrosão e ero-são, ou de tratamentos térmicos. A norma exi-ge também que seja feito um acompanhamen-to do comportamento do vaso em operação eem manutenção, durante toda a sua vida útil,pelo usuário responsável pela especificação deprojeto.

Conforme NR13 (1994), vasos de pres-são são equipamentos que contêm fluidos sobpressão interna e que recebem:· Prontuário do Vaso de Pressão;· Registro de Segurança;· Projeto de Instalação;· Projeto de Alteração ou Reparo;· Relatórios de Inspeção.

No projeto de cilindros de alta pressãopara biometano, é utilizado o cálculo das ten-sões nas paredes dos recipientes e análise porelementos finitos, com auxílio de programasde computador. Os dados calculados devem,então, ser verificados experimentalmente,usando-se equipamentos de medição de ten-sões na parede do cilindro, denominados deextensômetros. É necessário garantir que ocilindro suporte uma pressão superior a duasvezes a pressão nominal (ASSOCIAÇÃOBRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS,2000). Na figura 2, apresenta-se um exem-plo para visualização de um cilindro parabiometano com capacidade de 100 litros.

No projeto do cilindro, considerando oprocesso de conformação mecânica, é neces-sária a utilização do cálculo estrutural, paraisso pode ser utilizado um software dedica-do, um programa de análise estrutural porelementos finitos que dispõe de recursos paraa elaboração de diversos modelos estruturais,versátil e evolutivo para análise estrutural. Aconformabilidade na produção de cilindrosmetálicos pode ser avaliada quantitativamente

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a partir de alguns parâmetros como: coefici-ente de encruamento (n), coeficiente deansiotropia (r) e constante plástica de resis-tência (K), através de uma curva limite deconformação (CLC) (VIJAY, 2006). O conhe-cimento do comportamento dos materiais con-formados, quando sofrem o processo em si,é de suma importância para o projeto das fer-ramentas e do processo. As curvas de limitede conformação trazem informações dos es-tados de tensão do estado do cisalhamentoaté o de tensões mais baixas e balanceadascorrespondendo aos dados de estampagemprofunda até o estiramento puro. Através dacurva de limite de conformação, pode-se ava-liar o estado de deformação do tampo do ci-lindro (figura 3) e a probabilidade de ocor-rência de falha.

2.5 Ensaios e testes na fabricação doscilindros

Foi pesquisada uma série de requisitos quedevem ser observados na produção de cilin-dros recarregáveis para armazenamento debiometano a altas pressões, para ser utilizadocomo combustível automotivo. A pressão deoperação dos sistemas para GNV é de 200 bara uma temperatura de 15° C. Isso significa queeste limite deverá ser observado para os cilin-dros de biometano. A pressão máxima será de

260 bar de maneira que os cilindros deverãoser projetados para adequarem-se aos seguin-tes limites de pressão:

a) Pressão estabilizada a 200 bar a uma tempe-ratura estável de 15º C;b) A pressão máxima não pode exceder 260bar, independentemente das condições de en-chimento ou da temperatura.

A temperatura dos materiais do cilindropode variar de -40º C a 82º C. Temperaturasacima de 65º C devem ser localizadas ou existi-rem por curto período de tempo, de modo que atemperatura do gás no cilindro não ultrapasse65º C.

Os cilindros para gases devem ser fabri-cados, conforme normas técnicas de fabrica-ção nacionais, para poderem ser utilizadoscomo reservatórios de gás. Estes cilindros de-vem ser fabricados a partir de tubos de ligas deaço especiais sem costura e sem solda (umavez que não é indicado através de norma), deforma a garantir resistência às altas pressões deserviço. A pressão de trabalho dos cilindros ésuperior a 200 bar (20 MPa).

Os cilindros para gases devem apresentarresistência a choques e colisões que podemocorrer no transporte, manuseio e instalação.Para garantir esta resistência, os cilindros de-verão ser testados e ensaiados durante o pro-cesso de fabricação, além disso, alguns delesdevem ser separados aleatoriamente para tes-tes mecânicos de destruição em testes de con-trole de qualidade. Os cilindros fabricados noBrasil recebem o selo de qualidade pelo orga-nismo de certificação do produto credenciadopelo Inmetro, (Instituto Nacional de Metrologia).

Figura 2 – Cilindro para biometano

Figura 3 – Corte da cúpula do cilindro

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Os ensaios e testes de novos cilindros sãoexecutados de diversas formas:a) Ensaios mecânicos como tração, impacto,ruptura hidráulica, dobramento e achatamen-to, rugosidade e análise química na matéria-prima;b) Verificação de requisitos de segurança numcilindro de amostra do lote de fabricação;

Estes requisitos são:· Teste de ruptura hidráulica;· Ensaio de pressão cíclica;· Ensaio de dobramento e impacto;· Resistência ao fogo;· Resistência a projéteis;· Ensaio ambiental;· Ensaio cíclico de temperatura extrema.

Durante a etapa de produção, 100% doscilindros devem passar pelos seguintes ensaios:· Ensaio de dureza (Brinel ou similar);· Inspeção de ultra-som;· Ensaio hidráulico de expansão volumétrica;· Teste dimensional, inclusive da rosca dogargalo;· Verificação da marcação do cilindro;· Verificação do acabamento superficial in-terno e externo.

Deve-se, ainda, providenciar o ensaiodestrutivo de ruptura hidráulica em um cilin-dro de amostra do lote fabricado.

3 Processos de fabricação

O processo de fabricação de cilindros dealta pressão pode ser descrito em passos ouprocessos a serem executados.

O primeiro processo a ser executado paraa fabricação de cilindros é o corte da chapa,quando são estabelecidos os tamanhos e a ca-pacidade hidráulica dos cilindros. A conforma-ção da chapa é o processo responsável pelaforma, uma vez que o cilindro não pode serconstruído através de soldagem. A conforma-ção da base do cilindro é seguida da confor-mação de ombro quando é dada a forma que ocilindro terá no final.

O cilindro conformado deve passar porum processo de têmpera de revenido e norma-lização para se garantirem as propriedades queimpedirão rompimento do cilindro para a pres-são requerida como ilustra a figura 4.

Figura 4 – Tratamento térmico em cilindro para gases(Fonte: MAT)

Depois disso deverão ser efetuados os tes-tes para verificação de qualidade. Em seguidao cilindro deve usinado para receber uma saí-da rosqueável no pescoço. Deverá, ainda, re-ceber acabamento externo, pintura e identifi-cação, conforme normas de identificação decilindros para gases (ISO 11439:2000).

4 Conclusões

É cada vez maior a produção de biogás, eas tecnologias para a geração deste melhorama cada dia. Nesse sentido é imprescindível aconstrução de cilindros especiais gerando suautilização eficiente. Não é recomendável quese utilizem cilindros fabricados para GNV (GásNatural Veicular) aplicado ao biometano. Esteúltimo pode ser quimicamente agressivo, de-pendendo da sua composição que contém gran-de quantidade de agentes corrosivos em fun-ção da região ou da utilização do gás. Portan-to, é necessária a construção de cilindros espe-ciais, respeitando as normas de fabricação, as-pecto e identificação dos mesmos. É reprová-vel a utilização de recipientes de outros gasespara o biometano ou biogás. Além disso, me-didas deverão ser tomadas visando à regula-mentação para armazenagem e transporte dobiometano. A tecnologia empregada não dife-re muito da utilizada na fabricação dos cilin-dros para GNV e outros gases. Empresas quefabricam estes modelos podem, sem grandesinvestimentos adicionais, remodelar suas linhaspara fabricação dos cilindros.

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35660. Research institute Georgia institute ofTechnology Atlanta, Georgia 30332, 1990

ISO 11439: Gas cylinders: High pressurecylinders for the on-board storage of naturalgas as a fuel for automotive vehicles. Geneve:ISO, 2000.

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As normas existentes para fabricação decilindros para gases devem ser observadas ecumpridas, uma vez que o biometano se en-quadra como gás combustível.

5 Referências

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