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PROJETISTA DE TUBULAÇÃO
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TUBOS E
MATERIAIS UTILIZADOS
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ALVARENGA, Silas. Processo de Fabricação de Tubos e Materiais Utilizados / CEFET
CAMPOS. Rio de Janeiro, 2008.
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Av. Almirante Barroso, 81 - 17° andar
- Centro CEP: 20030-003 - Rio de
Janeiro - RJ – Brasil
I-TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS................................................................................................10
1.1. Definição de tubo............................................................................................................10
1.2.Critério de classificação das tubulações.........................................................................11
1.3.Aplicações de tubos........................................................................................................12
1.4.Exercícios........................................................................................................................16
II-MATERIAIS............................................................................................................................17
2.1. Materiais utilizados na fabricação de tubos....................................................................19
2.1.1.Aço com teor de carbono até 2................................................................................20
2.1.2.Aço liga..................................................................................................................................21
2.1.3.Teor de carbono acima de 2% - Ferro fundido.........................................................23
2.1.4.O cobre e outras ligas não ferrosas.........................................................................24
2.2. Fatores de influência na seleção de materiais para confecção de tubos........................24
2.3. Especificação de material para tubos de aço..................................................................26
2.3.1.Aços Carbono...........................................................................................................27
2.3.2. Aços Ligados............................................................................................................27
2.3.3.Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)............................................................29
2.4. Principais propriedades dos materiais para os tubos......................................................29
2.4.1.Tubos fabricados em Aço carbono..........................................................................31
2.4.2.Tubos fabricados em aço inoxidável........................................................................32
2.4.3.Tubos fabricados em ferro fundido..........................................................................34
2.5. Recomendações e normas aplicadas a tubos de aço em geral......................................35
2.5.1. Recomendações para os tubos fabricados em aço- liga sem costura...................36
2.5.2. Recomendações para os tubos mecânicos - sem costura......................................36
2.5.3. Recomendações para os tubos de aço - carbono tipo com costura, preto e
galvanizados 36
2.5.4. Recomendações para os tubos eletrodutos tipo alvanizados..................................37
2.6. Principais normas de aplicação de tubos existentes no mercado...................................38
2.6.1. Normas utilizadas para fabricação de tubos para troca térmica..............................40
2.7. Exercícios.......................................................................................................................41
III-PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TUBOS......................................................................42
3.1. Descrição dos processos de fabricação de tubos..........................................................43
3.1.1. Fabricação de tubos com costura............................................................................44
3.1.2. Processo de fabricação de tubos sem costura.........................................................52
IV-Ligações entre tubos e tipos de acessórios........................................................................59
4.1. Ligações por conexões rosqueadas...............................................................................60
4.1.1. Conexões rosqueadas............................................................................................61
4.2. Ligação de tubos por meio de solda
...............................................................................
4.2.1. Ligações soldadas pelo processo topo a topo...................................
63
4.2.2. Ligação por soldagem de encaixe..............................................
67
4.2.3. Ligação de ponta e bolsa...................................................................................
4.3. Ligação flangeada..........................................................
4.3.1. Classificação dos flanges...............................................
4.3.2. Junta para ligações flangeadas..................................................
75
4.3.3. Remoção e instalação de juntas...........................................
80
4.3.4. Outros acessórios da tubulação...........................................V-ISOLANTES............................................................
5.1. Peculiaridades do isolante térmico..............................................5.2. Isolante térmico a frio...................................
o " " ........................................................■■■•■■ . i ....................................................., . ..........................\3\J
5.3. Isolante térmico a quente..............................................................■...................................................................................■ . . . . Í 7 O
5.3.1. Normas que regulamentam a espessura de isolante térmico..........................................................................................................................................
5.4. Isolamento Acústico.....................................
.............................................................
5.5. Pintura das tubulações industriais........................................5.6. Exercícios..............................................
Vl-Controle de qualidade na fabricação de tubos..............................................................................................................................................102
6.1. Qualidade na fabricação de tubos......................................
BIBLIOGRAFIA...................................................................
APRESENTAÇÃO
Os processos de prospecção, de produção e de refino de petróleo, bem
como o armazenamento e transporte de derivados, de um modo geral, são, deveras,
variados e complexos. Não é, entretanto objeto deste trabalho tratá-los em sua
totalidade e profundidade, mas apenas apresentar as suas peculiaridades e, a partir
daí, conceituar alguns dos processos de fabricação de tubos e os respectivos
materiais neles empregados de modo genérico, visando a fornecer ao projetista
de tubulação uma visão geral sobre o específico processo de fabricação de tubos e
os respectivos equipamentos, assim como os acessórios envolvidos em uma
tubulação, de modo a subsidiar as atividades de planejamento e projeto de obras na
indústria do petróleo.
A importância dos fluidos no mundo atual é inquestionável. O escoamento e
manuseio de sistemas polifásicos tais como lamas, suspensões, leitos fluidizados e
misturas líquidos-gases, requerem muita consideração, por parte dos profissionais
envolvidos, quer seja, com projetos, montagem ou manutenção de tubulações,
assim como dos envolvidos com a operação de sistemas de produção,
independentemente da área de atuação.
Neste foco, o profissional de projeto de tubulações deve possuir um perfil
de saber fazer assim como, deve encontrar-se atualizado nos métodos, técnicas e
procedimentos estabelecidos, visando à qualidade e à produtividade dos processos
industriais, relativos ao projeto da tubulação.
O projetista de tubulação poderá exercer suas atividades profissionais na
indústria, em atividades de projeto de tubulações e em serviços de prestação de
mão-de-obra qualificada para a área da indústria, possibilitando assim a sua
inserção no mercado de trabalho e/ou a empregabilidade, além de uma melhoria
da qualidade do serviço prestado.
Na perspectiva de uma sintonia com os argumentos acima expostos, este
módulo II do Curso Projetista de Tubulação, intitulado Processo de Fabricação de
Tubos e Materiais Utilizados, constituído de seis unidades curriculares planejadas
para execução em 60 horas/aula, foi elaborado de maneira a levar o participante a
apreender os conhecimentos pertinentes ao tema e, a partir das competências
adquiridas, desempenhar de maneira satisfatória as suas novas atribuições nas
áreas de atividade relacionadas com os processos de prospecção, produção e refino
de petróleo. Espera-se que, ao estudar estas seis unidades curriculares, o
participante consiga entrelaçar o prazer de descobrir novos conhecimentos à leitura
deste material didaticamente proposto.
I – TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS
Ao longo das diversas eras vividas pela humanidade, Idade da pedra lascada,
Idade do ouro, ferro, bronze, Idade média e Renascença, por desconhecimento e
talvez por não haver a necessidade de se utilizarem outros fluidos além do vento e
de água, o homem não se mostrou interessado pelos fluidos que hoje conhecemos.
A importância dos fluidos no mundo atual é inquestionável. O escoamento e
manuseio de sistemas polifásicos tais como lamas, suspensões, leitos fluidizados e
misturas líquidos-gases, requerem muita consideração, por parte dos profissionais
envolvidos, quer seja, com projetos, montagem ou com manutenção de
tubulações, assim como dos envolvidos com a operação de sistemas de produção,
independentemente da área de atuação. Há 1000 anos a.C, em Jerusalém, foi
construído o primeiro sistema subterrâneo de abastecimento de água. Há cerca de
dois séculos e meio antes de Cristo uma rede de esgoto foi construída na índia.
Havia tubulações nas ruínas de Babilônia e Pompéia, assim como na China
Antiga, onde também foram empregados tubos de bambu numa rede de gás natural
para iluminação.
Como se vê, o uso de tubos para transporte de fluido é de tempos remotos,
e continua existindo nos dias atuais. É um assunto que merece a atenção criteriosa,
quer seja, no projeto, na instalação, na manutenção ou mesmo por parte dos
operadores de sistemas de produção.
1.1. Definição de tubo
Desde o início dos tempos o transporte de fluidos, principalmente o da
água, tem sido uma das necessidades do homem. No início, esse transporte era
feito por meio de tubos de vegetal, tal como bambu e outros, sendo que esse tipo
de material não atendia às necessidades das novas técnicas. Sendo assim, o
homem teve de pesquisar outros tipos de materiais para a construção de tubos que
atendessem às necessidades mais recentes.
Tubo - Conduto de forma cilíndrica, de parede constante, com a finalidade de
transportar fluido, podendo ser fabricado de vários materiais.
Tubulação - Conjunto de tubos, unidos em seqüência, que assegura a circulação
de um fluido ou de um produto pulverulento numa instalação.
Tubulação industrial - Termo que se refere a todos os acessórios, como ligações,
curvas, derivações, válvulas, filtros de linha e purgadores que devem ser instalados
para garantir o transporte adequado dos fluidos a pontos distintos de um processo.
1.2. Critério de classificação das tubulações
Diversos critérios são utilizados para classificar as tubulações de uma determinada
instalação industrial. Tais critérios são:
> Tipos de áreas de aplicação -> Existem nas instalações industriais as áreas de
processamento e a chamada área externa. Isso permite separar as tubulações
de fabricação em categorias, com características distintas, baseadas em
norma específica para tal. Exemplo é a Tubulação de fabricação que integra
os setores produtivos nas fábricas. Fazem parte da tubulação de fabricação
as seguintes tubulações. São elas:
* Tubulações de processo, destinadas às finalidades básicas da indústria.
* Tubulações de utilidades, destinadas ao transporte de fluidos auxiliares.
* Tubulações de instrumentação, destinadas a transmitir, por meio de impulsos,
sinais para os operadores dos sistemas de comando.
* Tubulações de coleta de condensado ou de efluentes da planta industrial.
> Tipo de serviço realizado -> Esta classificação permite separar em sete
categorias as tubulações com finalidades definidas entre si. São elas:
* Tubulação de condução -> Destinadas ao transporte de fluidos.
* Tubulação de troca térmica -> Destinadas ao uso em caldeiras ou trocadores de
calor.
* Tubulação de uso mecânico -> Destinadas às peças mecânicas de modo geral.
* Tubulação de uso estrutural -> Destinada à montagem de estruturas mecânicas
de suportações estruturais em geral.
* Eletrodutos -> São tubulações destinadas às aplicações na área elétrica
para proteção de condutores elétricos.
* Tubos de instrumentação -> Destinados a transportar sinais pneumáticos e
hidráulicos.
* Tubos de exportação e produção de petróleo -> destinados ao
transporte de óleo com características especiais e próprias da área petrolífera.
> Condições de operação -> É uma classificação pouco utilizada por depender
diretamente de fatores tais como pressão, temperatura e composição do fluido, o
que dificulta a classificação com clareza da categoria do tubo.
> Materiais de fabricação -> Estes são especificados de acordo com a sua
composição química e as propriedades mecânicas que cada um deles deve
possuir. A Tabela 1.1 abaixo apresenta os principais tipos de materiais usados
na fabricação de tubos.
Tabela 1.1- Principais materiais utilizados na fabricação de tubos
Tubos metálicos Ferrosos
Aços-inoxidáveis
Aço-carbono, Aço-liga
Ferro forjado, Ferro fundido
Não ferrososCobre, Latões, Cobre-níquel, Monel
Chumbo, Titânio, Zircônio
Tubos não metálicosMateriais plásticos
Cloreto de polivinil (PVC) Polietileno, Acrílicos
Acetato de celulose
Epóxi, Poliésteres, Fenólicos
Diversos
Cimento amianto, Concreto armado
Porcelana, Barro vidrado,
Elastômeros (borrachas), Vidro
Tubos de aço revestido internamente com
Zinco, Plásticos, Ebonite,
Concreto asfáltico, Porcelana etc.
1.3. Aplicações de tubos
Tubos de condução - São elementos vazados, normalmente de forma cilíndrica e
seção constante, com garantia de estanqueidade e resistência a pressões internas
ou externas, utilizados como condutores de materiais sólidos (granulados ou
particulados); líquidos; pastosos ou gasosos. São empregados nas atividades de
produção de petróleo e gás natural, bem como em refinarias e indústrias químicas,
petroquímicas, nos gasodutos e nas redes de gases, nos produtos derivados de
petróleo, nas indústrias farmacêuticas, nas alimentícias, etc.
A figura 1.1 mostra uma tubulação de condução aplicada em um gasoduto
Tubos de troca térmica - São tubos fabricados pelo processo de centrifugação e
utilizados em serpentinas, colunas, manifolds, coletores de fornos e em caldeiras. Os
tubos utilizados para este fim são fabricados com os seguintes materiais: A figura 1.2
mostra uma coluna e coletores para fornos, onde são aplicados os tubos de troca
térmica. A seguir algumas composições de aços aplicados na construção de
tubulação de troca térmica.
* Aço do tipo 25 Cr 35 Ni Nb
* Aço tipo 20 Cr 32 Ni Nb.
Os tubos utilizados na fabricação de trocadores de calor são fabricados
seguindo normas pertinentes. Tais normas garantem a aplicação do material certo a
cada utilização da tubulação. A seguir, algumas normas utilizadas na indicação de
material utilizado para a fabricação das tubulações dos trocadores de calor. São elas:
A norma ASTM A-249 exige a utilização de tubos de aço inoxidável com
costura em trocadores de calor, caldeiras, aquecedores e condensadores.
A norma ASTM A 209 exige a utiliza Cao de tubos de aço - liga sem
costura em caldeiras e superaquecedores de caldeiras.
A norma ASTM A 213 exige a utilização de tubos de aço inoxidável sem
costura em caldeiras, superaquecedores de caldeiras e trocadores de
calor.
A norma ASTM A 333 exige a utilização de tubos de aço carbono em
serviços em que se operam baixas temperaturas.
A norma EEMUA 144 exige a utilização de tubos em cobre - níquel para
serviços severos com a presença de sais, e segue a composição
especificada pelo fabricante e atestado por meio de ensaios de
recebimento pelo consumidor.
Tubos de uso mecânico - São produzidos em aço carbono, com costuras, pelos
processos ERW -LONGITUDINAL (solda por resistência elétrica) e SAW -
HELICOIDAL (solda por arco submerso) DN 150 a 2500 mm e espessuras de
parede entre 4,4 e 12,5 mm. Os tubos dessa linha para aplicações industriais
atendem às normas ASTM A 252 Gr. 1,2,3; ASTM A 134; ASTM A 139 e a ASTM A
135 Gr. A e B. Figura 1.3. Podem ser utilizados em:
Estacas de fixação de plataformas;
Camisa metálica de aquecimento;
Estruturas (elementos mecânicos);
Aplicação naval;
Aplicação ferroviária;
Aplicação automotiva;
Cilindros hidráulicos.
Figura 1.3 - Tubos de uso mecânico
Tubo de uso estrutural - A espessura de parede nesses tipos de tubo é constante
e a fabricação é feita por conformação, a partir de tiras de material que são
gradativamente curvadas até a forma desejada. O fechamento é feito por soldagem
de resistência elétrica ou por solda de arco submerso.
Figura 1.4 - Exemplo de estrutura tubular
Eletrodutos - São tubos de aço cuja fabricação pode ser com ou sem costura, no
sentido longitudinal revestidos de pintura interna e, externamente, com esmalte de
cor preta ou de superfície externa galvanizada. Comercialmente, os eletrodutos
metálicos tipo rígidos, usados em eletricidade, são especificados de acordo com
sua "bitola".
Tubos de instrumentação - São tubos fabricados em aço inox, nas normas ASTM A
312, A 409, A 778, conforme ANSI B 36.10 e B 36.19.
Tubos de exportação e produção de petróleo - São tubos usados para
revestimento de poços, e são conhecidos como tubos OCTG (Oil Country Tubular
Goods) e respectivos acessórios. São de alta resistência à corrosão e a impactos e
ideais para aplicações severas, em águas ultraprofundas e em ambientes ácidos. São
tubos usados para:
Revestimento de poços de petróleo ou água;
Tubos condutores de fluidos;
Tubos estruturais para jaquetas e torres de perfuração offshore.
Nota: os tubos para condução de fluidos podem ser fabricados por meio de três processos distintos:
SAW Longitudinal com formação U - O - E;
ERW Longitudinal em linha contínua;
SAW Espiral com formação contínua.
1.4. Exercícios
1 - De acordo com o estudo, o que é tubo?
2 - Como são classificados os tubos quanto à área de aplicação?
3 - Como pode ser classificada a tubulação, considerando - se o tipo de serviço
utilizado?
4 - Cite três das aplicações gerais dos tubos em uma indústria.
II – MATERIAIS
Os materiais sólidos têm sido convenientemente agrupados em três classificações
básicas, metais, cerâmicos e polímeros. Adicionalmente a essas classificações básicas,
existem três outros grupos de materiais importantes na engenharia: os
compósitos, os semicondutores e os biomateriais. Assim sendo, os referidos
materiais sólidos são classificados em seis grupos principais, a saber:
Materiais metálicos: são, normalmente, combinações de elementos
metálicos;
Materiais cerâmicos: são compostos situados entre os elementos
classificados como metálicos e não metálicos;
Materiais polímeros: compreendem os materiais comuns, compostos de
plásticos e borrachas;
Materiais compósitos: consistem de mais de um tipo de material, e têm
sido de composição desenvolvida pela engenharia;
Materiais semicondutores: possuem propriedades elétricas que são
intermediárias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos
materiais isolantes;
Biomateriais: são empregados em componentes destinados à implantação
no interior do corpo humano para fins de substituição de partes do corpo
doente ou peças danificadas.
Um metal, de determinado tipo, assim como qualquer outra substância ou
matéria, é formada por elementos químicos sendo, geralmente, descrito como um
aglomerado de átomos, de caráter metálico, em que os elétrons da camada de
valência fluem livremente.
A maioria dos metais é quimicamente estável, com a exceção notável dos
metais alcalinos e alcalino-terrosos.
Vale lembrar que os não-metais são mais abundantes na natureza do que os
metais, mas estes últimos, de fato, constituem a maioria dos elementos da tabela
periódica. Alguns metais bem conhecidos são abaixo listados:
Alumínio;
Cobre;
Ouro;
Ferro;
Prata;
Titânio;
Urânio;
Zinco.
Composto de materiais sólidos
Liga metálica - Liga é uma mistura, com propriedades específicas, que contém,
ao menos, dois elementos metálicos. Eis os exemplos abaixo:
Aço (ferro, carbono e outros);
Latão (cobre e zinco);
Bronze (cobre e estanho, podendo ainda conter outros elementos);
Duralumínio (alumínio e cobre, podendo ainda conter outros elementos).
Geralmente, materiais puros não reúnem todas as qualidades necessárias para
uma determinada utilização técnica.
Praticamente todos os aços contêm, além do carbono, os elementos silício e
o manganês. Os elementos enxofre e fósforo encontram-se também presentes
como impurezas. Aços inoxidáveis contêm, além dos elementos existentes nos aços
normais, os elementos cromo, níquel e, em alguns casos, o molibdênio.
Quando os aços possuem elementos de adição que acrescentam
características especiais ao aço, como aumento da resistência à corrosão, aumento
da resistência à temperatura, aumento da resistência à dureza e aumento da
resistência à tração e outras características, são classificados como aços
especiais.
Os aços especiais podem conter os elementos: cobalto, vanádio, tungstênio,
alumínio, cobre, boro e outros. Como os metais possuem a caracter ística de se
oxidarem, quando expostos ao oxigênio, o metal combina - se com o oxigênio
formando um óxido, que não possui algumas das principais propriedades dos
metais como o brilho e a ductilidade. No ferro, por exemplo, a esta camada de
óxido é dado o nome de ferrugem.
A forma original da maioria dos metais encontrados na natureza é combinada
ao oxigênio, e, depois de purificada, dá origem ao metal puro. As mais conhecidas
formas de minerais metálicos são a bauxita (alumínio) e a hematita (ferro). Alguns,
contudo, podem ser encontrados na forma pura como a platina, o ouro e a prata.
A indústria petroquímica vem, ao longo dos anos, trabalhando em conjunto
com seus fornecedores de tubos e caldeiraria, no entendimento dos mecanismos de
falhas dessas aplicações e no desenvolvimento de novos materiais para aumentar a
segurança e a confiabilidade dos processos.
A tecnologia do uso de ligas metálicas na composição de tubos de
caldeiraria para as indústrias no setor de fabricação proporcionou melhoria nas
operações. Como avanços tecnológicos, surgiram os aços inox duplex, e os super
duplex e o recurso tecnológico da utilização de ligas com adição de alumínio nos
aços refratários, possibilitando atingir temperaturas de operação por volta de 1100
°C. Neste caso, uma aplicação específica para os fornos de pirólise. A fabricação
deste tipo de tubo se faz pelo processo de fundição por centrifugação, o que leva à
produção de tubos conhecidos como tubos fundidos e centrifugados.
O uso de materiais especiais para fabricação de tubos, tais como aço-duplex
e ligas de aço, contribuiu para uma revolução tecnológica. A partir de então,
produziram-se tubos com parede com capacidade de poder suportar temperaturas de
valores entre 1000° e 1100°C.
O desafio, tanto para tubos quanto para caldeirarias, é a fabricação de
equipamentos e materiais (ligas de aço) que suportem altíssimas temperaturas em
torno de 800°C, o que permite melhor desempenho dos equipamentos. As usinas
siderúrgicas têm evoluído com a produção de materiais cada vez mais "ligados"
adquirindo maior domínio na elaboração de fórmulas que atendam à cada
necessidade, ou seja, observa-se uma melhoria no processo produtivo, sem perder
de vista o meio como estes materiais devem ser ligados (processo de soldagem).
2.1. Materiais utilizados na fabricação de tubosComo já mencionado, o aço é uma liga ferro-carbono, produzida nas usinas
siderúrgicas, na maioria das vezes, pelo refino do ferro gusa (obtido em altos-fomos
pela transformação do minério-de-ferro), pela refusão de sucatas e, para a obtenção
em menor quantidade, pela redução direta do minério. Estas ligas ferrosas são
conhecidas como aço. Comercialmente, todo aço produzido pode ser dividido em 2
grupos:
A ços não ligados: São aqueles que não possuem nenhum elemento de liga (p.ex.
Cromo (Cr), Níquel (Ni), Molibdênio (Mo) etc), isto é, em sua composição química
constam predominantemente Ferro (Fe), além de Manganês (Mn), Silício (Si),
Fósforo (P) e Enxofre (S) e, principalmente, o Carbono (C). Esse elemento,
conforme o seu teor percentual, irá aumentar ou diminuir a resistência do aço;
A ços ligados: os acréscimos de elementos de liga específicos (Cromo (Cr),
Níquel (Ni), Molibdênio (Mo), Tungstênio (W), Vanádio (V), etc), conferem ao
aço, conforme a sua aplicação, diversas propriedades, sejam elas de
resistência, de elasticidade, de temperabilidade, de resistência à corrosão, de
tenacidade etc. Portanto, a estrutura e as propriedades dos aços dependem do
teor de Carbono ou da presença ou não de elementos de liga (aços ligados)
neles contidos.
Ligas terrosas - As ligas terrosas são, em princípio, divididas em dois grupos:
* Aços, com teores de carbono (C) até 2,0%.
* Ferros fundidos, com teores de carbono (C) acima de 2,0% e raramente superior
a 4,0%.
2.1.1. Aço com teor de carbono até 2%Liga ferro-carbono (aço ligado) contendo geralmente de 0,008% até cerca
de 2,0% de carbono (C), além de certos elementos residuais, como o manganês
(Mn), o silício (Si), o fósforo (P) e o enxofre (S) resultantes dos processos de
fabricação. As características principais do aço carbono estão relacionadas na tabela
2.1.
Tabela 2.1 - Características do aço carbono
Fonte: www.aquanex.com.br
Características principais do aço Cor acinzentada
Peso específico 7,8kgf/dm3
Ponto de fusão 1350a1400oCMaleabilidade BoaDuctibilidade BoaTenacidade BoaUsinagem Ótima
Soldabilidade Ótima
A tabela 2.2 apresenta os usos gerais dos aços em função de seus teores de
carbono (C), bem como a maleabilidade e soldabilidade dos mesmos.
Tabela 2.2 - Aplicação do aço carbono em relação ao teor de carbono
Fonte: www.aquanex.com.br
TEOR DE CARBONO (C)
APLICAÇÃO DO AÇOMALEABILIDADE E SOLDABILIDADE
DO AÇO
0,02 a 0,15%Chapas, fios parafusos, tubos,
estirados, produtos de caldeiraria.
Grande
maleabilidade e
fácil soldagem.
0,15 a 0,30% Barras laminadas e perfiladas,
tubos, peças comuns de Maleável e soldável
0,40 a 0,60% Peças especiais de máquinas e motores.
Muito difícil soldagem
0,60 a 1,50% Peças de grande dureza e
resistência, como molas e cabos.Não se solda.
2.1.2. Aço ligaSão aços que recebem a adição de um ou mais elementos de liga no
processo de fabricação, conforme a finalidade a que se destinam. Os elementos de
liga mais usuais são: níquel (Ni), cromo (Cr), vanádio (V), cobalto (Co), silício (Si),
manganês (Mn), tungstênio (W), molibdênio (Mo) e alumínio (Al). A tabela 2.3
abaixo relaciona os aços ligados.
Tabela 2.3 - Aços ligados
Fonte: www.aquanex.com.br
AÇOS LIGADOSBaixa liga Até 5% de elementos de liga
Média liga De 5% a 10% de elementos de liga
Alta liga Acima de 10% de elementos de liga
Aço inoxidável
Caracteriza-se, fundamentalmente, por resistir à corrosão atmosférica,
embora possa igualmente resistir à ação de outros meios gasosos ou líquidos. Os
aços adquirem passividade (estado de certos metais que não reagem na presença
de agentes oxidantes fortes por terem a superfície recoberta por um filme inativo),
quando ligados com alguns outros elementos metálicos. O cromo (Cr) é, de fato, o
elemento mais importante, pois é o mais eficiente de todos, quando empregado
em teores acima de 10%. Os aços inoxidáveis são, portanto, aços de alta liga,
contendo de 12% a 26% de cromo (Cr), até 22% de níquel (Ni) e frequentemente
pequenas quantidades de outros elementos de liga como níquel (Ni); em menor
grau, o cobre (Cu); o silício (Si); o molibdênio (Mo) e o alumínio (Al).
Efeitos dos Elementos de Liga
Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência levaram à
descoberta de aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos
ao aço carbono. Conseguiram-se assim aços-liga com características tais como,
resistência à tração e à corrosão, elasticidade, dureza, etc. bem melhores do que as
do aço carbono comum. A tabela 2.4 apresenta os elementos de liga comumente
empregados pela indústria e seus efeitos.
Tabela 2.4 - Elementos de liga usado em um aço liga - Fonte: www.aquanex.com.br
Elementos de liga Efeitos
Alumínio (Al)Desoxida o aço. No processo de tratamento termo-químico
chamado nitretação, combina-se com o nitrogênio, favorecendo
a formação de uma camada superficial duríssima.
Carbono (C) A quantidade de carbono influi na dureza, no limite de
resistência e na soldabilidade.
Cobalto (Co) Cobalto em associação com o tungstênio aumenta a resistência
dos aços ao calor.
Cromo (Cr)O cromo confere ao aço alta resistência, dureza, elevado
limite de elasticidade e boa resistência à corrosão em altas
temperaturas.
Enxofre (S) E um elemento prejudicial ao aço. Enfraquece a resistência do
aço. E considerado como impureza.
Fósforo (P) Em teores elevados torna o aço frágil e quebradiço. E
considerado como impureza.
Manganês (Mn)
O manganês, quando adicionado em quantidade conveniente,
aumenta a resistência do aço ao desgaste e aos choques,
mantendo-o dúctil.
Molibdênio (Mo) Sua ação nos aços é semelhante à do tungstênio. Emprega-se
geralmente com cromo.
Níquel (Ni)Foi um dos primeiros metais utilizados com sucesso para dar
determinadas qualidades ao aço. O níquel aumenta a resistência
e a tenacidade do aço.
Silício (Si) Torna o aço mais duro e tenaz. E um elemento purificador e tem o
efeito de isolar ou suprimir o magnetismo.
Tungstênio (W)É geralmente adicionado aos aços com outros elementos. O
tungstênio aumenta a resistência ao calor, a dureza, a resistência
à ruptura e o limite de elasticidade.
Vanádio (V) Melhora, nos aços, a resistência à tração, sem perda de
ductilidade, e eleva os limites de elasticidade e de fadiga.
2.1.3. Teor de carbono acima de 2% - Ferro fundido
Os ferros fundidos são ligas de ferro (Fe) e carbono (C) com alto teor de
carbono. Em média, possuem de 3% a 4% de carbono em sua composição. A
temperatura de fusão dos ferros fundidos é de cerca de 1200°C. Sua resistência à
tração é da ordem de 10 a 20 kgf/mm2. Na fabricação, as impurezas do minério de
ferro e do carvão (coque), deixam no ferro fundido pequenas porcentagens de silício
(Si), manganês (Mn), enxofre (S) e fósforo (P). O silício (Si) favorece a formação de
um tipo particular de ferro fundido conhecido como ferro fundido cinzento. Os ferros
fundidos classificam-se então, segundo quantidade do carbono presente, nas
seguintes categorias:
Ferro fundido cinzento ou lamelar
Ferro fundido nodular ou dúctil
Ferro fundido maleável ou branco
Ferro fundido temperado
Ferro fundido especial
Nos ferros fundidos, em geral, as propriedades mecânicas são inferiores
às dos aços, e podem ser consideravelmente modificadas pela adição de elementos
de liga e tratamentos térmicos adequados. Os ferros fundidos podem substituir os
aços, mais adequados, em muitas aplicações. Por exemplo, as estruturas e os
elementos deslizantes de máquinas são construídos, quase sempre, em ferro
fundido, devido à maior capacidade de amortecer vibrações, melhor estabilidade
dimensional e, em alguns casos, menor resistência ao deslizamento, em razão do
poder lubrificante do carbono livre em forma de grafita.
2.1.4. O cobre e outras ligas não terrosasOs tubos fabricados em cobre são mais dispendiosos do que os de aço, mas
apresentam vantagens para instalações que trabalham em condições próximas da
pressão e temperatura de 20°, como nas redes de distribuição de água e
aquecimento central. Modernamente, o PVC tem vindo a substituir o cobre no
primeiro caso, exceto para o transporte de água quente. No aquecimento central, o
polietileno também tem vindo a ser cada vez mais utilizado em detrimento do cobre.
Os tubos de cobre são mais leves do que os de aço, muito resistentes à corrosão
e de manipulação mais econômica e simples. Podem ser fornecidos em rolos,
quando o diâmetro exterior não excede os 22 mm, ou em barras, contudo, devem
ser recozidos ou endurecidos. Para instalações muito longas e, em especial de
traçado sinuoso, é preferível usar tubo em rolo recozido devido à facilidade de o
curvar.
Existem ainda condutos em duralumínio e outras ligas de cobre-alumínio,
que apresentam boa resistência química. Os tubos de diâmetro até 2" são muito
usados em instalações de ar comprimido, vapor de baixa pressão, refrigeração,
água e óleos. Ressalta-se que os tubos em alumínio e suas ligas são muito leves e
apresentam uma boa resistência à oxidação, exceto ácidos e álcalis. São ainda mais
leves do que os condutos de cobre.
2.2. Fatores de influência na seleção de materiais
para confecção de tubos
Em qualquer segmento da engenharia, mecânicos, mecatrônicos, civis,
químicos ou eletrônicos, em alguma ocasião, se depararão com a necessidade de
escolher um material apropriado para determinada aplicação. Certamente
enfrentarão, na prática, algum problema de engenharia que venha a envolver a
avaliação do desempenho ou as propriedades de algum material em condições de
uso.
É importante saber quais são os critérios adotados para selecionar um
determinado material entre tantos outros. Devem-se caracterizar quais as condições
de operação a que será submetido o referido material, levantar as propriedades
requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais
as limitações e restrições quanto ao seu uso.
Propriedades mecânicas (resistência à tração, ao choque, à fadiga, à
vibração, à dureza, etc), propriedades físicas e químicas (ponto de fusão,
condutibilidade elétrica e térmica, densidade, estrutura cristalina, coeficiente de
expansão térmica, reatividade química, etc) e demais informações sobre resistência
à corrosão, à temperatura e à radiação podem ser encontradas com relativa
facilidade em livros e tabelas-padrão. Vale lembrar que é de fundamental
importância saber usá-las adequadamente. Os fatores abaixo são relevantes para
definir o tipo de material a ser empregado na fabricação de um determinado tipo de
tubo:
Tipo de fluido -> É um dos fatores decisivos e de grande importância por ser o
elemento que, diretamente, agredirá o material do tubo e, certamente, deverá ser
preservado na sua integridade, tendo em vista que o tubo é o elemento responsável
pelo transporte do fluido em questão.
Resistência ao escoamento do fluido -> É também um fator de relevância, por
se tratar de uma variável que proporcionará à tubulação um incremento de carga
extra, no que se refere à variável pressão. Visto que, para um escoamento
fluídico, é a tubulação quem deverá apresentar uma superfície interna apropriada
ao escoamento.
Fator Estrutural -> Estruturalmente, a tubulação deverá ser suficientemente
resistente para suportar o peso do fluido. Assim sendo, não basta simplesmente o
tubo estar dimensionado à carga do fluido, mas, também às cargas externas e
aleatórias, tais como ventos e chuvas.
Custo e facilidade para instalação -> São fatores de grande significado,
tecnicamente decisivos em um projeto. Não é possível projetar uma tubulação sem
medir as reais condições de instalação assim como a sua manutenção.
Condições de temperatura e de pressão -> A temperatura de operação é
também fator decisivo para definição do tipo de material que será utilizado na
fabricação de tubo. Efeitos provenientes da temperatura de operação podem ser:
Flu ência (deformação lenta e progressiva ao longo do tempo quando
submetido ao esforço de tração sob alta temperatura) ocorre em função da
temperatura. Pode surgir e ser decisivo para diminuição da vida útil da
tubulação.
Altera ção do módulo de elasticidade (Módulo de Young), diminui com o aumento
da temperatura. Essa diminuição é pouco acentuada no intervalo 0 - 250 C e
mais acentuada para temperaturas superiores a 250 C.
Diminui ção do limite de resistência . O limite de resistência diminui com o aumento
da temperatura de um modo geral (para T > 200 C). O limite de resistência
deverá ser tomado na curva característica (temp. x resistência) de cada
material.
Resistência à corrosão -> Define-se como corrosão a deterioração sofrida por um
material em consequência da ação química ou eletroquímica do meio, aliada ou não
a esforços mecânicos. A corrosão mais comum é a corrosão eletroquímica
caracterizada pelo transporte de cargas elétricas por meio de um eletrólito em um
meio favorável, geralmente aquoso. A corrosão química é devida ao ataque de
produtos químicos sobre os materiais metálicos, provocando a sua oxidação. Para
que se inicie o processo da corrosão, é necessário que o sistema seja constituído
dos quatro componentes listados a seguir.
Anodo-catodo : o componente anodo-catodo é constituído de duas peças
metálicas de materiais diferentes, ou do mesmo material, ou ainda, duas
regiões distintas da mesma peça metálica, próximas ou distantes, uma da
outra e pode disparar o processo de oxidação do material.
Eletr ólito : qualquer condutor elétrico tal como umidade, soluções aquosas
ácidas ou alcalinas, pode disparar o processo de oxidação do material.
Circuito met álico : é a continuidade metálica unindo o anodo ao catodo. A
diferença de potencial entre o anodo e o catodo pode se originar de inúmeras
causas, tais como: metais diferentes, ligas metálicas diferentes, diferenças
entre partes deformadas a frio, diferença entre estados de tensões,
diferenças de tratamento térmico, irregularidades microscópicas e pode
disparar o processo de oxidação do material. Cumpre lembrar que a falta
de pelo menos um dos componentes bloqueia o processo de corrosão.
Durabilidade -> A durabilidade de uma tubulação é um fator que todo o projetista
deverá considerar, pois o tempo de vida útil de uma tubulação garantirá o transporte
de fluido por períodos longos o que certamente é o objetivo de toda e qualquer linha
de produção e que resultará em lucro para a empresa que tem a tubulação instalada.
Disponibilidade do material -> A disponibilidade do material em que a tubulação
é fabricada, é de vital importância, pois o que resolve ter um material muito bom e
não ter disponibilidade no mercado para produção da tubulação? Tal projeto se torna
inviável.
2.3. Especificação de material para tubos de aço Saber especificar corretamente um material para ser usado na fabricação de
um tubo não é tarefa fácil. Apesar de o projetista não ser o responsável direto por
esta escolha, é importante para ele deter conhecimento de fatores e procedimentos
abordados para este fim. isto certamente agregará ao seu saber condições que o
colocarão em posição de destaque dentro da sua função de projetista de tubulação.
Portanto, quanto mais familiarizado estiver o profissional com as diferentes
características e propriedade estrutural dos materiais, bem como com as técnicas de
processamento dos materiais, maior será a sua habilidade e confiança para fazer a
seleção mais sensata desses critérios.
2.3.1. Aços CarbonoA maior quantidade de aço consumida pertence à categoria dos aços-
carbono. Isto se deve ao baixo custo, em relação aos aços ligados e à ampla gama
de propriedades que pode ser obtida mediante variação do teor de carbono e do
estado de fornecimento (encruado, temperado, etc.).
Pode-se estabelecer a seguinte subdivisão dos aços-carbono para fins de sua
aplicação:
a) Baixo carbono (abaixo de 0,3%) - É aplicado em situações que exigem
ductilidade elevada, por exemplo, chapas para estampagem, tubos, fios para arames
lisos e farpados, ou telas. Neste caso, o estado de fornecimento pode ser laminado a
quente, recozido ou normalizado. Pode ser aplicado em situações que envolvem
exigências quanto à soldabilidade, pois o baixo carbono é necessário para
evitar formação de martensita que ocorre no resfriamento subsequente à soldagem.
Os aços de baixo carbono, quando combinados com elementos de liga e cementados, são aplicados quando se necessita combinar resistência ao desgaste (dureza superficial) com tenacidade (no núcleo), tais como eixos, engrenagens, pinos, ferramentas de impacto. Ex.: AÇOS 8620, 4320.
b) Aços de médio carbono (entre 0,3 e 0,5%C) - São aplicados em produtos
forjados, pois possuem dutilidade a quente (para forjamento), associado à média
resistência a frio no estado forjado (ferrítico-perlítico). Quando combinados com
elementos de liga, são utilizados em situações que exijam alta resistência
(obtida mediante têmpera) mantendo ainda alguma dutilidade. A temperabilidade é
obtida mediante emprego de elementos de liga. Ex: eixos e engrenagens de
caminhão. Aço 4340, 8640.
c) Aços de alto teor de C(acima de 0,5% C) - São utilizados nos casos em que se
exigem elevados limites de escoamento, tais como molas e vergalhões de concreto. O
alto limite de escoamento é obtido mediante encruamento ou, se na presença de
elementos de liga, mediante têmpera. Quando combinados com elementos de liga,
também são utilizados para fins de obtenção de dureza elevada, através de
carbonetos primários (VC, Mo2C, WC) como no caso de aços ferramentas.
2.3.2. Aços LigadosO uso de elementos de liga geralmente é feito com as seguintes finalidades:
Aumentar a profundidade de tempera (temperabilidade);
Aumentar a resistência ao revenido (isto é, evitar o amolecimento entre 300°C e
550°C);
Introduzir propriedades especiais tais como:
Resistência à corrosão; são os aços inoxidáveis.
Resistência ao desgaste; são os aços Hadfield.
Resistência a quente; são os aços-ferramenta (rápidos).
Os aços ligados são classificados em três categorias:
Aços de baixa liga -> São aços cuja soma dos elementos de liga é inferior a 5% e têm a finalidade de aumentar a temperabilidade e a resistência ao revenido. Os elementos típicos são: Cr, Mo, Ni, Mn e Si. São aplicados para os seguintes fins:
Aumentar muito a temperabilidade: aplicado em peças grandes que devem ter alta resistência no núcleo.Facilitar a transição (atenuar a queda de dureza) entre o núcleo e a superfície e aço cementado, visando evitar descascamento.Elevar a dureza de camadas nitretadas pela formação de nitretos de alumínio ou cromo.
ATENÇÃO!
OS AÇOS DE BAIXA LIGA SÃO OS MAIS CONSUMIDOS DENTRE OS AÇOS LIGADOS.
Aços de média liga -> São aqueles em que o somatório dos elementos de liga
esteja entre 5% e 10%. São aplicados em situações que envolvem elevada
resistência mecânica em temperaturas elevadas, em torno de 500°C. Tais como os
aços para trabalho a quente (matrizes). Exemplo deste tipo de aço é:
A ços tipo H . São aços com a seguinte composição química: (0,3%C; 5%Cr;
1,5%Mo; 1%Si). Há ainda casos onde se exige resistência ao impacto
associada com elevada dureza, são os aços ferramentas para trabalho a frio
temperáveis ao ar. Dessa forma, tais aços possuem elevada
temperabilidade sendo aplicáveis em:
Matrizes de recorteEstampagem;Lâminas de tesouras.
Os mesmos apresentam baixas distorções, após a têmpera, (devido ao resfriamento ao ar atmosférico) sendo recomendados para manutenção de precisão dimensional. Exemplo deste tipo de aço-ferramenta é o aço com 1% C; 0,6%Mn; 0,25%Si; 5%Cr; 0,25%V e 1%Mo.
Aços de alta liga -> São aqueles em que o somatório dos elementos de liga seja > 10%. São aços que podem ser aplicados para diversas finalidades, em que haja:
Elevada resistência à oxidação (aços inoxidáveis, %Cr>12%). Elevada resistência mecânica e ao desgaste (aços D6: 2%C; 0,3%Mn; 0,85%Si; 12%Cr; 0,75%W) sendo aplicáveis em matrizes para forjamento e estampagem.
2.3.3. Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)
São identificados como aços cujas normas AISI-SAE não os classificam como aços ligados. Alguns desses aços são:
* Aço 4340;
* Aço 8620;
* Aço 4320.
Apesar de conterem elementos de liga adicionados para fins de obtenção de
resistência mecânica e resistência à corrosão atmosférica, superiores aos aços de
baixo carbono, os aços ARBL (alta resistência e baixa liga) apresentam resistência
entre 300 e 700 Mpa, tendo sido desenvolvidos para elevar a relação entre
resistência e peso, visando à aplicação em estruturas móveis. A soma de elementos
de liga geralmente não ultrapassa o percentual de 2%, e o teor de carbono situa-se
abaixo de 0,3%.
2.4. Principais propriedades dos materiais
para os tubosA escolha de um material para determinada aplicação deve-se às
propriedades que ele possui. Por exemplo: os aços-carbono possuem baixo custo e
elevada resistência mecânica, embora sejam vulneráveis à corrosão. Já os materiais
plásticos, devidamente selecionados, possuem elevada resistência química a
determinadas substâncias, mas sua resistência mecânica é inferior ao aço carbono.
Além da propriedade mencionada, podemos ainda listar diversas outras
propriedades qualitativas e quantitativas, que devem ser levadas em conta para
selecionarmos corretamente um ou mais materiais a serem utilizados. Veja a tabela
2.5 que relaciona as principais propriedades dos materiais.
Tabela 2.5 - Principais propriedades dos materiais - Fonte: www.aquanex.com.br
Propriedades Definição
Resistência
mecânica
Propriedade que permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como tração e a compressão.
ElasticidadeCapacidade de o material se deformar quando submetido a um esforço, e voltar à forma original retirando este esforço.
PlasticidadeCapacidade de o material se deformar quando submetido a um esforço, e manter uma parcela da deformação quando retirado o esforço.
Ductilidade Capacidade de o material se deformar plasticamente sem romper-se
Tenacidade Quantidade de energia necessária para romper um material.
DurezaResistência do material à penetração, à deformação plástica e ao desgaste.
Fragilidade Baixa resistência aos choques.
DensidadeQuantidade de matéria alocada dentro de um volume específico.
Ponto de fusãoTemperatura na qual o material passa do estado sólido para o estado líquido.
Ponto de ebuliçãoTemperatura na qual o material passa do estado líquido para o estado gasoso
Dilatação térmica Variação dimensional de um material devido a uma variação de temperatura.
Condutibilidade
térmicaCapacidade de o material conduzir calor.
Condutibilidade
elétricaCapacidade de o material conduzir a eletricidade.
Resistividade Resistência do material à passagem de corrente elétrica
Resistência à
corrosão
Capacidade de o material resistir à deformação causada pelo
meio no qual está inserido
2.4.1. Tubos fabricados em Aço carbono
De acordo com as propriedades da tabela 2.5, são tubos fabricados com liga ferro-carbono
que pode conter de 0,008% até cerca de 2,0% de carbono (C), além de certos elementos
residuais, como o manganês (Mn), o silício (Si), o fósforo (P) e o enxofre (S) resultantes dos
processos de fabricação. As principais características do aço carbono são eles:
* Baixo custo;
* Excelentes qualidades mecânicas;
* Facilidade de soldar e de conformar.
A tabela 2.6 mostra as características gerais de certos materiais usados na
fabricação de tubos em aço-carbono.
Tabela 2.6 - Características dos tubos de aço carbono - Fonte: www.aquanex.com.br
Norma Graus
DiâmetrosProcesso de
fabricaçãoDireção
da
solda
Aplicações
Min.MaX
.Com
costura
Sem
costur
API5L A; B e A25. 1/8" 64" SIM SIM LongOleodutos, gasodutos e outras aplicações
API
5LX
X42; X40 e
X52. X55;
X60; X65;
X70.
2" 64" SIM SIM Long
Tubos de alta resistência para oleodutos, gasodutos, minerodutos, processos.
API
5LS
A; B; X42;
X46; X52; 5" 80" SIM NAO Helic.
Oleodutos, gasodutos e outras aplicações
API5A J55; K55. 5" 20" SIM SIM Long.Tubos para revestimento de poços de petróleo
ASTM
A106A; B e C 1/8" 24" NAO SIM
Tubos de alta qualidade para aplicações gerais e serviços de alta
ASTM
A1201/8" 16" SIM SIM Long.
Tubos de baixa qualidade para aplicações
ASTM
A134
ASTM A283
A, B, C, D
ASTM A285
A, B, C
16" SIM NAO
Long.
e
Helic
Aplicações gerais em água, óleo e gás.
2.4.2. Tubos fabricados em aço inoxidável
De acordo com as propriedades da tabela 2.5, os tubos fabricados em aço inoxidável
são os produtos de fabricação mecânica, denominados "tubos de aço inoxidável".
São utilizados em praticamente todas as indústrias de processo, tais quais os tubos
de aço-carbono, além de terem alto emprego na fabricação de componentes de
veículos e aplicações estruturais diversas. Os tubos de aço inox, como são mais
conhecidos, podem se apresentar ao mercado consumidor de duas formas, a saber:
Com costura: o termo "com costura" faz referência ao produto tubular obtido a
partir da aplicação de um processo de soldagem para a união de duas bordas. A
figura 2.1 ilustra este tipo de tubo.
Figura 2.1 - Tubos de aço inox com costura - Fonte: www.aquanex.com.br
No caso dos tubos com costura, as matérias-primas básicas são tiras
inoxidáveis, provenientes de bobinas de lâminas soldadas a frio ou a quente.
Aplicadas na largura adequada ao diâmetro final do tubo. Essas tiras são então
encaminhadas para uma máquina formadora e passarão pelas etapas produtivas de
formação, que são as seguintes:
Soldagem; Acabamento; Calibração; Corte.
A soldagem para tubos com costura, em aços inoxidáveis, ocorre
principalmente por processo TIG sem metal de adição, podendo se aplicar também o
processo ERW (Eletric Resistance Welding), plasma ou laser. Após as etapas
descritas, a maioria das normas aplicadas exige um tratamento térmico de
solubilização, o qual pode ser realizado na própria máquina formadora ou em
forno contínuo fora da linha de formação e, a seguir, o tubo passará pela etapa
de decapagem e passivação.
Diversos testes são realizados durante a fabricação de tubos inoxidáveis com
costura, os quais variam de acordo com as exigências de normas. Destacam-se os
seguintes:
Ensaio de Eddy Current;
Ensaio hidrostático;
Ensaio pneumático;
Ensaios mecânicos;
Ensaios de corrosão.
Embora por algumas décadas, objeções técnicas tenham sido colocadas
devido à presença de um cordão de solda longitudinal ao tubo, hoje em dia,
devido aos avanços tecnológicos observados nos processos de fabricação, os tubos
com costura representam a grande maioria do consumo mundial de tubos inoxidáveis.
Dentre as vantagens apresentadas pelos tubos com costura, destacam-se:
Menores custos
Maior disponibilidade de produto no mercado
Menor tempo de manufatura do produto
Maior variedade de diâmetros e espessuras de parede disponíveis
Tolerâncias dimensionais mais estreitas
Obtenção de tubos com diâmetros elevados
Melhor acabamento superficial do tubo, portanto maior facilidade em se obter
assepsia.
A tabela 2.7 abaixo mostra as características e aplicações gerais de aços inoxidáveis da norma ASTM séries A 249 e A 270.
Reflexão!
"Se o tempo envelhece o seu corpo, mas não envelhece a sua emoção, você será sempre feliz" (Dr. Augusto Cury)
Tabela 2.7 - Características dos aços inox ASTM séries A 249; A 269; A 270 e A 312
Fonte: livro tubulações industriais
Norma Graus Diâmetros Processo de Direção Aplicações
Fabricação Da
Min. Max. Com solda
costura
ASTM TP304; TP304L; Tubos para caldeiras,
A 249 TP304H; TP310S; 3/4" 6" Sim Long. sobre-aquecedores,
TP316; TP316L; trocadores de calor e
P317L;TP321;TP347 condensadores.
ASTM TP304; TP304L; Long. Tubos para aplicações
A 270 TP316; TP316L 1" 4" Sim em indústrias
alimentícias e
farmacêuticas
Tubos de aço inoxidável sem costura , figura 2.2, são obtidos a partir de uma
barra maciça, conhecida como tarugo, que será submetido a um processo de
extrusão a quente, e, por meio de processo de redução a frio, denominado
"pilgering", seguido de trefilação a frio, o tubo alcança as suas dimensões finais.
Figura 2.2 - Tubo de aço sem costura - Fonte: wvw.steelpipe.com.br
2.4.3. Tubos fabricados em ferro fundido
De acordo com as propriedades da tabela 2.5, os tubos fabricados em ferro
fundido são passam por processos de fundição e centrifugação. São pouco
resistentes, mas seu custo é baixo.
São usados para água, gás, água salgada e esgoto, em serviços de baixa
pressão, e temperatura ambiente e sem grandes esforços mecânicos. Apresentam
ótima resistência à corrosão do solo.
São padronizados pelo diâmetro externo de 2" a 48" com as extremidades
lisas, flange integral ou ponta e bolsa. Seguem as normas EB-43 e P-EB-137 DA
ABNT e são testados para pressões de até 3 Mpa. A adição de Si, Cr ou Ni ao ferro
fundido nodular aumenta a resistência mecânica.
2.5. Recomendações e normas aplicadas a tubos de
aço em geral
Tubos de aço carbono com costura, pretos e galvanizados são
produzidos segundo as normas pertinentes ao trabalho a que se propõem a
executar. São as seguintes as normas:
ASTM-A-120: - para condução de fluidos diversos e outros fins. São tubos com
costura fabricados de aço de baixo carbono, sem especificação de análise.
Estado de fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades lisas,
biseladas ou roscadas com ou sem luva, em comprimentos de 4 a 8 metros.
ASTM-A-53: - esta norma é similar a NBR5590. Para condução de fluidos com
exigências especiais. São tubos produzidos com e sem costura em aço:
grau A ou B. Estado de fornecimento: idem ao ASTM-A-120, fornecido com
certificado de qualidade.
ASTM-A-106 : - para emprego em alta temperatura. Aço grau A, B ou C. Estado de
fornecimento: idem ao ASTM-A-120, fornecido com certificado de qualidade.
ASTM-A-179 : - para tubos de aço baixo carbono, sem costura, trefilados a
frio, para permutadores de calor ou condensadores.
ASTM-A-192 : - para tubos de aço carbono, sem costura para caldeiras de alta
pressão.
ASTM-A-210: - para tubos de aço carbono, sem costura, para caldeiras e
superaquecedores.
ASTM-A-333 : - para tubos de aço para serviços em baixa temperatura. API-5L:
Tubos de aço carbono para condução de produtos petrolíferos e outros fins,
fornecidos com certificado de qualidade. Aço: Grau A ou B. Estado de fornecimento:
pretos ou galvanizados, com extremidades biseladas ou roscadas com ou sem luva,
em comprimentos de fabricação. Peso do revestimento de zinco: Norma ASTM > de
550 g/m2 e no mínimo 490 g/m2 em qualquer extremidade do tubo.
Tolerâncias: parede: máximo de 12,5% abaixo da parede nominal especificada.
Diâmetro: até 1 1/2"+ 0,4 mm, - 0,8 mm; maior 1 1/2" ± 1% Peso do revestimento de
zinco: - 10%.
2.5.1. Recomendações para os tubos fabricados
em aço - liga sem costura
Os tubos produzidos aço liga são fabricados pelo processo de extrusão,
perfuração ou mandrilagem, a partir de tarugos de aço, podendo atingir diâmetros
de até 660 mm. Estes tubos fabricados em aço liga sem costura seguem as normas
de aplicação, que são as seguintes:
ASTM-A-199 - TUBOS de aço-liga, sem costura trefilados a frio, para permutadores
de calor e condensadores.
ASTM-A-200 - tubos de aço-liga, sem costura, para emprego em refinarias, nas
instalações de "Craking".
ASTM-A-213 - tubos de aço-liga ferrítico, sem costura, para caldeiras,
superaquecedores e permutadores de calor.
ASTM-A-334 - tubos de aço carbono ou liga para emprego em baixa temperatura.
ASTM-A-335 - tubos de aço-liga ferrítico, sem costura, para empregos em alta
temperatura.
2.5.2. Recomendações para os tubos mecânicos -
sem costura
Os tubos do tipo mecânico sem costura são aplicáveis em conjuntos
estruturais mecânicos, máquinas, sistemas fluidodinâmicos e em operações onde
são exigidos alto grau de precisão e boa qualidade de superfície. Todo produto que
serve de matéria-prima para outro tem normas a serem seguidas, já que a qualidade
passa ser um fator importante. São as seguintes normas e as aplicações devidas:
ST-52->tubos trefilados e laminados, mecânicos sem costura para serviços
gerais. Estado de fornecimento: pretos, com extremidades lisas, em
comprimento de fabricação ou cortados em medidas exatas, de acordo com sua
especificação.
NBR6591 -ASTMA513(TIPO1)
DIN 2394-NBR 5599 NBR 8621
2.5.3. Recomendações para os tubos de aço -
carbono tipo com costura, preto e galvanizados
Estes tubos são produzidos com vários diâmetros e são encontrados no
comércio com as seguintes características:
Com diâmetros de 1/4" até 6": com solda longitudinal, soldadas por resistência
elétrica à alta freqüência produzidos pelo processo "THERMATOOL" sem o
elemento de adição;
Com diâmetro entre 8" até 16": com solda Longitudinal, soldadas por
resistência elétrica à alta freqüência (E.R.W.) produzidos pelo processo de
formação contínua, com inspeção por ultra-som;
Com diâmetros nominais de 18" até 24": com solda Longitudinal por arco
submerso, produzidos pelo processo de formação em calandra ou prensa.
Os tubos de aço-carbono, com costura, do tipo preto, ou do tipo galvanizado são
produzidos de acordo com as seguintes normas:
DIN-2440 (ABNT-NBR-5580)->Tubos de aço carbono para condução de
fluidos. Estado de fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades
lisas, biseladas ou roscadas, com ou sem luva, em comprimentos mínimos de 6
metros.
DIN 2458 - Tubos de aço carbono fabricados para uso geral, tal como
evaporadores, secadores, serpentinas, cozedores e câmaras de vácuo de usinas
de açúcar. Estado de fornecimento: pretos, recozidos extremidades lisas,
comprimentos de 6 metros, ou fixos, múltiplos, ou aproximados, sob consulta
prévia. Ensaio hidrostático: 40 kg/cm2 (570 PSI).
ASTM-A-178 -Tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para
caldeiras. Aço: grau A. Estado de fornecimento: idem ao DIN-2458 com
certificado de qualidade.
ASTM-A-214->tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para
permutadores de calor. Estado de fornecimento: idem ao DIN-2458 com
certificado de qualidade.
ASTM-A-226 - Tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica,
para caldeiras e superaquecedores de alta pressão. Estado de fornecimento:
idem ao DIN-2458 com certificado de qualidade.
ASTM-A-134/139 ->Tubos para condução de fluidos, gás ou vapor. Estado de
fornecimento: pretos, com extremidades biseladas em comprimentos de
fabricação.
API-5L -»tubos de aço carbono para condução de produtos petrolíferos e outros
fins, fornecidos com certificado de qualidade. Aço: grau A ou B. Estado de
fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades biseladas ou roscadas
com ou sem luva, em comprimentos de fabricação.
2.5.4. Recomendações para os tubos eletrodutos tipo galvanizados
São fabricados especialmente para instalações elétricas que requerem alto
grau de segurança, os conhecidos eletrodutos são fornecidos com rebarba interna
totalmente removida ao longo do seu comprimento, propiciando assim, acabamento
esmerado e ainda, afastando os riscos de avarias na capa protetora dos condutores.
Estes tubos são produzidos segundo as seguintes normas:
ABNT-EB 341 (NBR 5597) E ANSI C.80.1 com rosca: padrão "americana" -
ANSI B.2.1 = NPT com Tolerâncias: até - 12,5%; peso dos eletrodutos: ± 10%
espessura da parede: diâmetro: ±1,1 mm para diâmetros maiores, descendo a ±,
6 mm para diâmetros menores.
ABNT-EB 342 (NBR 5598) com rosca/padrão "inglesa" - BS 2.1 = BSP
tolerâncias: espessura da parede: até - 10%; Peso dos eletrodutos: ± 10%
Diâmetro: ± 0,6 mm para diâmetros maiores, descendo a ± 0,2 mm para
diâmetros menores.
NOTA IMPORTANTE!
Uma norma técnica é um documento de uso comum e repetitivo; estabelecido por consenso e aprovado por um organismo reconhecido que fornece regras, diretrizes ou características para atividades ou para seus resultados, visando à obtenção de um grau ótimo de ordenação em um dado contexto. Esta é a definição internacional de norma.
2.6. Principais normas de aplicação de tubos existentes no mercado
Deve ser realçado o aspecto de que as normas técnicas são estabelecidas
por consenso entre os interessados e aprovadas por um organismo reconhecido.
Acrescente-se ainda que são desenvolvidas para o benefício e com a cooperação de
todos os interessados, e, em particular, para a promoção de maior economia global,
levando-se em conta as condições funcionais e os requisitos de segurança.
As normas técnicas são aplicáveis a produtos, serviços, processos,
sistemas de gestão, pessoal, enfim, aos mais diversos campos. Usualmente são
estabelecidas explicitamente pelo cliente. Ou são, simplesmente, seguidas as normas
em vigor no mercado.
Elas podem estabelecer requisitos de qualidade, de desempenho, de
segurança (seja no fornecimento de algo, no seu uso ou mesmo na sua
destinação final), mas também podem estabelecer procedimentos, padronizar
formas, dimensões, tipos, usos, fixar classificações ou terminologias e glossários,
definir a maneira de medir ou determinar as características, como os métodos de
ensaio.
A tabela 2.8, mostra algumas normas, as quais são utilizadas
comercialmente para especificação de tubos conforme as suas várias aplicações.
Tabela 2.8 - Normas de aço comercial - Fonte: www. cocefel.com.br
Norma Aplicação comerciai do aço
ANSIC-80.1
Eletrodutos de aço
API 5 A Tubos de perfuração, revestimento e bombeamento para poços
petrolíferos com exigência especiais.
API 5 AX Tubos de perfuração, revestimento e bombeamento para poços
petrolíferos com exigências especiais.
API5B Especificação de roscas, calibres e inspeção de roscas para casing,
tubing e line-pipe.API 5LX Tubos para condução de produtos petrolíferos com exigências especiais
ASTM A-106 Tubos de aço carbono, sem costura para emprego a altas temperaturas.
ASTM A-120 Tubos de aço pretos ou galvanizados para condução de fluidos e outros fins
BS-1139 Tubos de aço para andaimes e fins estruturais
BS-1387 Tubos com costura - água, gás - aptos para dobras a frio. Teste
hidrostático até 50 kg
BS-6363 Tubos de aço para fins estruturais
DIN1629 Tubos de aço carbono sem costura para tubulações, aparelhos e reservatórios.
DIN 2441 Tubos com costura. Dobra a frio. Pressão 50 kg
EB-383 Tubos de aço ferrítico, sem costura, para condução, utilizados
em altas temperaturas em torno de 750°C.EB-639 Tubos de aço carbono, para fins estruturais.
NBR-5580 Tubos de aço carbono, para condução de fluídos.
NBR-5585 Tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para
permutadores de calor.
2.6.1. Normas utilizadas para fabricação de tubos para troca térmica
Em função da sua aplicabilidade na indústria, os tubos, seguem normas
específicas, o que gera a necessidade de consultar as normas próprias para cada
aplicação.
Na fabricação de tubos para troca térmica é necessário que o material
utilizado possua resistência a temperaturas e, sendo assim, o material aplicado na
fabricação destes tubos deve seguir às normas correlatas. A tabela 2.9, abaixo,
relaciona algumas destas normas utilizadas na fabricação de tubos de troca térmica.
Tabela 2.9 - Utilização dos aços - Fonte: www.petrobras.com.br
Normas AplicaçõesASTM - A 178 Caldeiras
ASTM A 226 Caldeira de alta pressão e superaquecedor
NBR 5585 Trocadores e condensadores
NBR 5596 Super aquecedores
DIN2458/DIN 1628 Para alta performance
DIN2458/DIN 1615 Sem requisitos especiais
ASTM A 106 Sem costura para altas temperaturas
EB 334 Altas temperaturas
EB 338 Caldeiras e superaquecedores
ASTM A 179 Sem costura, trocadores.
ASTM A 192 Sem costura alta pressão
ASTM A 199 Sem costura permutadores e condensadores
ASTM A 209 Sem costura caldeira
ATENÇÃO!Para a solução do problema da escolha dos materiais, a experiência é
indispensável e insubstituível.
Exemplo: o material, para ser reconhecido como bom para a fabricação de
uma tubulação de gás, é aquele que já foi usado por alguém nas mesmas condições
de trabalho. Seguir a experiência é a solução mais segura, embora nem sempre
conduza à solução mais econômica. Resumindo, pode-se indicar a seguinte rotina
para seleção de materiais:
Conhecer os materiais disponíveis na prática e suas limitações físicas e de
fabricação;
Selecionar o grupo mais adequado para o caso tendo em vista as
condições de trabalho, corrosão, nível de tensão etc;
Comparar economicamente os diversos materiais selecionados, levando em
conta todos os fatores de custo.
Quanto ao custo de uma tubulação, deve ser considerada a relação custo /
resistência mecânica. Na análise de custos dos materiais devem ainda ser
levados em consideração os seguintes pontos:
Resistência à corrosão (sobre espessura de sacrifício);
Maior ou menor dificuldade de solda;
Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho;
Necessidade ou não de alívio de tensões.
2.7. Exercícios1. Os materiais sólidos são classificados em seis grandes grupos. Quais são esses
grupos?
2. Cite cinco tipos de metais.
3. Defina material metálico.
4. O que é liga metálica?
5. Quais são os fatores que influenciam na escolha de um determinado material para
ser empregado na fabricação de um determinado tubo? Cite pelo menos quatro
fatores.
6. Cite cinco principais propriedades dos materiais.
III-PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TUBOS
O tubo de aço é um dos produtos siderúrgicos mais versáteis e pode ser
aplicado desde a indústria moveleira até às obras de infra-estrutura. Com base no
processo de fabricação, o mercado dispõe hoje de dois tipos de tubos, como já
mencionado no capítulo anterior: tubos inteiriços, isto é, sem costura e tubos
soldados do tipo com costura.
Tiras de aço laminado a quente compõem a matéria-prima dos tubos com
costura. A largura de uma tira corresponde ao perímetro do diâmetro do tubo a ser
produzido. As dimensões das tiras se apresentam com grandes variações, podendo
dessa forma produzir tubos com diâmetros de até 762 mm.
Para formar o tubo, são utilizadas várias formas de soldagem, e a mais
freqüente é a do processo E.R.W. (Solda por Resistência Elétrica) com alta
freqüência, como já mencionado. Os tubos produzidos com aço laminado a frio
devem ser submetidos a cuidados especiais, já que este tipo de matéria-prima é
altamente susceptível de sofrer processo de oxidação. Diante disso, os tubos devem
ser armazenados e transportados sempre de modo a evitar a umidade, pois tendem a
amarelar, vindo assim a comprometer a sua aplicação. Aqueles tubos que, no seu
processo de fabricação, utilizam laminados a quente correm menores riscos com
relação à oxidação. Se tomados os devidos cuidados, os tubos podem ser
armazenados e transportados em condições normais, até mesmo a céu aberto, sem
que a sua qualidade seja prejudicada. Obviamente, o tempo de exposição não deve
ser prolongado.
No processo de fabricação de tubos, para aplicações mais comuns, isto é,
aquelas em que não são exigidas pressões e temperaturas elevadas, utiliza - se o
aço com baixo teor de carbono (0,10% a 0,25%), com resistência à tração variando
de 35 a 50 kgf/mm2. Os valores mais elevados de resistência mecânica são obtidos
no estado encruado pelo estiramento. A resistência à tração, nos tubos provenientes
do mesmo lingote, é maior nos tubos de menor diâmetro, devido à conformação
mecânica mais intensa a que são submetidos.
Além dessas informações, normalmente, os tubos são estirados a frio, com os
seguintes objetivos:
Produzir paredes mais finas;
Produzir diâmetros muito pequenos;
Melhorar o acabamento superficial;
Obter tolerâncias dimensionais mais rigorosas;
Melhorar certas propriedades mecânicas, como resistência à tração;
Produzir formas diferentes da circular.
É importante frisar que, quando é desejado um tubo para aplicação em
elevadas temperaturas, que seja resistente à corrosão e à oxidação, utilizam-se
aços-liga na sua fabricação. Já para os casos em que se necessita de resistência ao
calor e à fluência, o procedimento é adicionar os elementos molibdênio ou molibdênio
e cromo em pequenos teores.
VOCÊ SABIA?
Cromo: melhora a resistência à corrosão e à oxidação, além de aumentar o limite de escoamento, a resistência à tração e à dureza. O teor máximo encontrado nesses produtos tubulares é de 9%.
Molibdênio: melhora a resistência à fluência a elevadas temperaturas, mas não melhora a resistência à corrosão ou à oxidação. O teor máximo é de 1%.
3.1. Descrição dos processos de fabricação de
tubos
A fabricação de tubos pode ser executada por meio de vários processos,
sendo que cada um deles, tem as indicações próprias em função das vantagens ou
desvantagens que cada processo proporciona ao produto. Os processos de
fabricação de tubos são:
Processo de fabricação de tubos com costura - Nesse processo os tubos
são produzidos soldando-se as bordas de uma chapa dobrada longitudinalmente
ou em espiral, de modo a formar um cilindro. Geralmente, a solda é elétrica
contínua, sendo realizada automaticamente por arco submerso ou com
proteção de gás inerte. As variações deste processo serão discriminadas a
seguir
Processo de fabricação de tubos sem costuras - Nesse processo os tubos
são produzidos por quatro maneiras diferentes. São elas listadas abaixo e
discriminadas adiante.
Por fundição, é um processo aplicado principalmente na fabricação de tubos de
ferro fundido.
Por extrusão, é um processo que consiste em perfurar com um mandril o
tarugo metálico amolecido que vai formar o tubo e logo a seguir comprimi-lo
com um êmbolo acionado por uma prensa.
Por laminação, é um processo que consiste em passar um lingote aquecido
entre dois rolos de um laminador oblíquo que, além de pressioná-lo fortemente,
obrigam-no a deslocar-se girando na direção de um mandril cônico, que acaba
formando o tubo.
Por forjamento, este tipo de processo não é muito utilizado, sendo empregado
para a produção de tubo de paredes muito grossas. O lingote é perfurado
longitudinalmente a frio e as paredes são forjadas ao rubro contra um mandril,
pela ação de um martelete.
3.1.1. Fabricação de tubos com costura
Os tubos "com costura" recebem esta denominação de maneira errônea, pois
esse material, teve o nome consolidado tal como a marca "xerox". Esta denominação
veio de muito tempo, quando o processo utilizava baixa frequência (50 ou 60 hz) o
que proporcionava ao produto uma aparência de material "costurado". Hoje, no
entanto, o processo de fabricação é realizado por meio de solda longitudinal sob
E.R.W. (Solda por Resistência Elétrica) com alta frequência. Este processo garante a
homogeneidade entre a matéria-prima e a solda, o que confere excelentes
características aos produtos. Os processos de fabricação para obtenção do produto
final, que são os tubos, variam de acordo com a norma a que o referido tubo vai se
submeter ao ser fabricado. Os tubos devem ser produzidos em uma variada gama
de matérias-primas, neste caso, o tipo de aço utilizado é normalmente fornecido
segundo especificações normatizadas conforme listado abaixo:
ASTM (American Society for Testing and Materials);
DIN (Deustaches Institute for Normuns);
API (American Petroleum Institute);
AISI (American Institute of Steel and Iron);
SAE (Society of Automotive Engineers);
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e outras.
SAIBA MAIS!
A matéria-prima utilizada para fabricação de tubo com costura, é adquirida em forma de bobinas, que são classificadas em dois grandes grupos: BF e BQ.
BF - Bobina Laminada a Frio: Estas bobinas têm como característica possuírem
uma cor clara. É necessário cuidado especial com tubos produzidos com esta
matéria-prima, pois, é altamente susceptível de oxidação (corrosão, ferrugem). Os
tubos produzidos por esse processo, como já mencionado, devem ser armazenados
e transportados sempre evitando - se a umidade, para serem preservados do efeito
de amarelar, o que pode causar sérias consequências na utilização final do produto.
Estas bobinas são produzidas normalmente em espessuras abaixo de 2,00 mm e
possuem melhor tolerância dimensional e acabamento. Devido a seu processo de
fabricação ser maior que as BQ, seu custo final torna-se maior.
BQ - Bobina Laminada a Quente: Estas bobinas, ao contrário das anteriores,
possuem uma cor escura e são menos susceptíveis de oxidação. Os tubos podem
ser armazenados e transportados em condições normais até mesmo em céu aberto
(por pouco tempo) sem ter sua qualidade prejudicada. A produção dessas bobinas é
normalmente em espessuras acima de 2,00 mm e não se faz uma tolerância
dimensional tão restrita quanto as do tipo BF. Vale lembrar que são também
denominadas de BG (Bobinas Grossas), quando a espessura for superior a 5,00 mm.
Quando for necessária uma espessura menor da BQ e uma melhor condição
dimensional pode - se fazer uma relaminação a frio da chapa. Este processo
também é utilizado para se obterem espessuras não fornecidas pelas Aciarias. Para
atender a tal necessidade, as chapas relaminadas a frio são chamadas de RL.
Quando os tubos de condução são zincados a quente (galvanizados a fogo como
são popularmente conhecidos), não existe a preocupação com a superfície do tubo.
Deve - se apenas tomar pequenos cuidados quanto ao seu armazenamento. A
verificação da qualidade da solda e/ou do produto final pode ser feita por meio de
ensaios. São eles:
Ensaio eletromagnético: Através de correntes parasitas testa-se o tubo quanto
a descontinuidades. Não garante a estanqueidade, porém é admitido como o
teste opcional ao hidrostático na maioria das normas de condução devido à sua
grande velocidade de execução.
Ensaio hidrostático: Consiste em testar o tubo a uma determinada pressão
hidráulica para garantir a estanqueidade do tubo.
Ensaios Destrutivos: Durante o processo de fabricação são realizados vários
ensaios mecânicos destrutivos em amostras retiradas durante a produção, tais
como alargamento, flangeamento etc.
Processo de Fabricação de tubos com costura, por UOE
É assim conhecido pelas etapas de dobramento das chapas até a formação
do tubo. A figura 3.1 mostra as etapas deste processo, no qual os tubos não passam
por qualquer tratamento de alívio de tensões. As etapas são:
Prensamento da borda da chapa;
Prensamento da chapa plana gerando a forma de "U" e posterior
prensamento gerando a formação do "O";
Soldagem automática interna e externa por arco submerso (SAW - Submerged
Arc Welding);
Expansão mecânica a frio (etapa "E" da fabricação);
Testes Hidrostáticos;
Ensaios não-destrutivos.
Ensaios dimensionais;
