slides de aula

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Vasos de Pressão

Instrutor: Guilherme Victor Peixoto Donato

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Conteúdo

1 – Introdução

2 – Componentes de Vasos de Pressão

3 – Detalhes em Vasos de Pressão Especiais

4 – Permutadores de Calor

5 – Desenvolvimento do Projeto e da Construção de Vasos de Pressão

6 – Desenhos de Vasos de Pressão

7 – Normas de Projeto

8 – Tensões Admissíveis

9 – Juntas Soldadas

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Conteúdo

10 – Condições de Operação e de Projeto de Vasos de Pressão

11 – Dimensionamento de Vasos de Pressão

12 – Teste de Vasos de Pressão

13 – Exemplo de Cálculo de Vaso de Pressão

14 – Seleção de Materiais

15 – Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos

16 – Corrosão

17 – Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade

18 – Acompanhamento de Vasos de Pressão

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Capítulo 1

Introdução

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• Vasos de pressão (Pressure Vessels):– São todos os reservatórios estanques, de

qualquer tipo, com diâmetro superior a 150 mm (6”) destinados ao armazenamento e processamento de líquidos e gases sob pressão ou sujeitos a vácuo total ou parcial.

• Conforme ASME – Pressure Vessel Boiler Code:– São reservatórios não sujeitos a chama, com

pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm2 (15 psig) ou submetidos à pressão externa.

Definição

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• A grande maioria dos vasos de pressão são itensprojetados e construídos “taylor-made”, ou seja,por encomenda. Desta forma, são dimensionados,projetados e fabricados para atender determinadascondições de processo, pressão e temperatura, bemcomo tendo seu material selecionado para operarcom determinado fluido e condição de corrosão.

Projeto de Vasos de Pressão

• Objetivo do projeto e fabricação:

– Assegurar que tais equipamentos possam exercer suas funções, sem risco considerável, submetidos aos carregamentos, temperaturas e pressões previstas.

• Exige cuidados especiais relacionados a:

– Projeto,

– Fabricação,

– Montagem

– Testes.

Características

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• Três razões que exigem um elevado grau de confiabilidade:

–Regime contínuo de trabalho;

–Cadeia contínua de produção (normalmente não possui reserva);

–Condições operacionais de risco, onde entendemos “risco” como a probabilidade de ocorrência de grande perigo ou dano.

Características

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• Armazenamento de gases sob pressão

– Os gases são armazenados sob pressão para que se possa ter um grande peso num volume relativamente pequeno.

Aplicações

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• Acumulação intermediária de líquidos e gases

– Isto ocorre em sistemas onde é necessária a armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos.

Aplicações

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• Processamento de gases e líquidos

– Inúmeros processos de transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão.

Aplicações

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• Indústrias químicas e petroquímicas

• Indústrias alimentares e farmacêuticas

• Refinarias

• Terminais de armazenagem e distribuição de petróleo e derivados.

• Estações de produção de petróleo em terra e no mar.

Aplicações

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• Inicialmente faremos uma pequena separaçãoentre os vasos de pressão:– Sujeitos à chama (ASME, Seção I);

– Não sujeitos à chamas (ASME, Seção VIII);

– Sujeitos à radiação nuclear (ASME, Seção III)

• Nosso enfoque neste curso será exclusivamentepara aqueles vasos de pressão não sujeitos àchama, nem à radiação nuclear.

Classes e Finalidades

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• Vasos não sujeitos a chama –Vasos de armazenamento e

acumulação;–Torres de destilação

fracionada, retificação, absorção, etc,...

–Reatores diversos;–Esferas de armazenamento de

gases;–Permutadores de calor;–Aquecedores;–Resfriadores;–Condensadores;–Refervedores;–Resfriadores a ar

• Vasos sujeitos a chama– Caldeiras;

– Fornos.

• Classificação didática diferenciar vasos de pressão de tanques de armazenamento : 0 - 2,5 psig: API-650

2,5 - 15,0 psig: API-620

> 15,0 psig e vácuo: ASME, PD-5500, Ad-Merkblatter, etc,...

Classificação

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Capítulo 2

Componentes de Vasos de Pressão

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• Corpo (casco ou costado)

• Normalmente cilíndrico, cônico, esférico ou combinação dessas formas.

• Tampos

• Normalmente nos tipos semi-elípticos, toro-esféricos, semi-esféricos. cônicos, toro-cônicos, toro-esféricos e planos.

Componentes

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• Teoricamente, o formato ideal para um vaso depressão é uma esfera, com a qual se chega à menorespessura de parede e, portanto, ao menor peso,para um mesmo volume interno.

• Entretanto, os vasos esféricos são caros e difíceis defabricar, justificando-se, somente, em condições degrande volume interno e/ ou elevada pressão,quando sua menor espessura é justificáveleconomicamente.

Componentes

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• Esfera de GLP:

–Diâmetro: 18,8 m

–Pressão: 20 bar

– Espessura: 76 mm

Componentes

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• Desta forma, os vasos cilíndricos sãopreferencialmente utilizados. As dimensões que ocaracterizam são:

– Diâmetro interno (ØDIC)

– Comprimento entre tangentes (CET).

Componentes

DIC

Lcilindro

CET

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• A imensa maioria dos vasos de pressão é fabricada a partir de chapas de aço, ligadas entre si por soldagem.

• Como a dimensão usual para as chapas de aço é de12,40 m x 2,44 m, podemos deduzir as dimensõespossíveis para a utilização de uma única chapa.

Componentes

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• A utilização de várias chapas conformadas nodiâmetro necessário para a construção do vaso nospermite a fabricação de vasos com as mais diversasdimensões.

• Prática recomendada: defasar as soldaslongitudinais, de maneira a evitar a propagação dealguma trinca ao longo de um caminhopreferencial.

Componentes

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• Vasos com dimensões mínimas (até ØDIC de 12polegadas) são usualmente fabricados de tubos semcostura.

• Até 610 mm (cerca de 24 polegadas), a utilização detubos com costura não é incomum, ressalvado ofator econômico.

Componentes

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• Para valores superiores seria necessária a soldagem de várias chapas. Contudo, devemos salientar que devemos evitar a existência de uma solda integralmente dentro da região de maior curvatura do tampo (cerca de 75% do raio externo).

Componentes

24• www.cessco.ca/cessco/main_images

Componentes

Casco cilíndrico

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Componentes – Tampos

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• Tampos elipsoidais com relação entre semi-eixos de2:1 tampos elipsoidais “padrão”.

• Tampos toroesféricos com relação de semi-eixos 2:1 preferencialmente do tipo conhecido como“falsa elipse”.

Componentes - Tampos

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• O código ASME permite que tampos torisféricos“falso-elipse” possam ser dimensionados atravésdas equações de cálculo para tampos semi-elípticos.

Tampos Toroesféricos

Geometria L r h

ASME 6% D 0,06.D 0,169.D

ASME 10% D 0,10.D 0,194.D

ASME 2:1 0.904.D 0.173.D 0.250.D (Falsa elipse)


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• Os tampos elípticos ou toroesféricos podem ser conformados em uma única peça de diâmetro de 1,80 m, utilizando-se uma única chapa.

• (foto ATB - Itália)


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• A fabricação de tampos semi-elípticos possui um custo mais elevado pela necessidade de uma matriz específica para o diâmetro e relação de eixos da geometria.

• Os tampos torisféricos são obtidos pela conjugação de 2 diferentes geometrias: calota esférica central, obtida por prensagem e raio da região tórica, obtida por rebordeamento da chapa.


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• Os tampos torisféricos são fabricados porprensagem da calota central e rebordeamento nasmargens.

• Caso a sua conformação provoque uma deformaçãonas fibras externas superior a 5%, o Código ASMEexige a realização de um tratamento térmico dealívio de tensões.


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• Os tampos cônicos possuem resistência mecânica

inferior ao costado cilíndrico, o que exige maiores

espessuras.

• Para cones com semi-ângulos superiores a 30o é

exigida uma análise de tensões para o

dimensionamento, não sendo mais válidas as

equações de cálculo do código ASME e outros.


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• A utilização de uma transição tórica entre o tampo

cônico e o costado cilíndrico permite uma melhor

acomodação das tensões existentes nas mudanças

geométricas e confere uma resistência maior a

transição entre os componentes.


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Preparando o chanfro para soldagem de um tampo elipsoidal

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Tampo toro-esférico

http://www.chemicals-technology.com/contractors/pressure_vacuum/antonius_vesselheads/

http://www.chemicals-technology.com/contractors/pressure_vacuum/antonius_vesselheads/

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Soldagem de tampo hemisférico

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Tampo cônico em um Tambor de Coque


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• Os tampos planos são utilizados, normalmente,

quando temos pressão baixa e, normalmente, são

do tipo removível para facilitar o acesso para

manutenção.(vide figuras).


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Tampos planos – ligação com o costadoFigura UG-34, extraída do ASME, Seção VIII, Div.1


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• Costado cilíndrico com espessura mínima requeridade 25,0 mm, conectado ao tampo:

Tipo de tampo Esp.mínima requerida ()

Elipsoidal 2:1 25,0 mm

Torisférico 6% 44,3 mm

Torisférico 10% 38,5 mm

Torisférico Falso elipse 29,8 mm

Semi-esférico 12,5 mm

Cônico 10o 25,4 mm

Cônico 20o 26,6 mm

Cônico 30o 28,9 mm


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Tipo Tampo Características

Semi-elíptico- Resistência igual ao casco cilíndrico de

mesmo diâmetro;- Geralmente com relação 2:1

Toro-esférico

- Raio int. máx. da calota esférica = diâmetro externo do casco;

- Raio mín. concordância tórica: 6% do diâmetro int. da calota;

- Mais fracos do que os semi-elípticos;- Mais fáceis de fabricar.


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Semi-esférico

- Melhor resistência mas com construção difícil;

- Empregados quando os diâmetros são muito grandes (>6,0 m) e quando o espaço permite.

Cônico

- Baixa resistência mas com construção bastante fácil;

- Podem ter concordância tórica;- Empregados por exigência do

processo, diâmetros médios e baixa pressão.


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Plano

- Vários tipos, removíveis ou não;- Baixa resistência sendo exigidas

grandes espessuras;- Empregados em diâmetros pequenos

e tampos removíveis


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• Qualquer transição geométrica (forma e/ ouespessura) resulta em uma distribuição irregular econcentração de tensões nesta região. Por estemotivo, os Códigos de projeto fazem uma série deexigências de maneira a minorar este efeito.

Transição geométrica

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• Na ligação de um corpo cilíndrico com um tampoesférico, por exemplo, é exigido que a diferençaentre as bordas seja de 3y (ver figura), de talmaneira a suavizar a transição de forma.

• Contudo, devemos nos lembrar que esta transiçãodeve ser feita do lado do tampo esférico, de forma agarantir a continuidade de espessura do cascocilíndrico.


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Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 1, figura UW-13.1


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• Da mesma maneira, para tampos elipsoidais outoroesféricos, a transição de forma é abrupta,motivo pelo qual exigimos uma seção cilíndricaintegral com o tampo, com cerca de 50 mm paragarantir uma certa distância entre a linha de solda ea linha de tangência.


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• Para tampos cônicos ou transições tronco-cônicas,tem-se uma severa transição de forma, motivo peloqual o Código de projeto exige a verificação denecessidade de reforço para compensar as severastensões geradas pela descontinuidade de forma.

• Estes reforços deverão ser localizados próximos datransição de forma, de maneira a garantir a suaefetividade.


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Transição entre espessuras

• Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão I, UG-36

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• Bocais (nozzles):

– Ligação com tubulações de entrada e saída deproduto.

– Instalação de válvulas de segurança.

– Instalação de instrumentos, drenos e respiros.

• Podem ainda existir aberturas feitas para permitir aligação entre o corpo do vaso e outras partes domesmo vaso; por exemplo, ligação a potes dedrenagem (sumps).

Abertura e Reforços

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• É um ponto de concentração de tensões.

• Necessária a colocação de reforços junto as aberturas feitas num vaso de pressão.

• Reforços normalmente utilizados:

–Disco de chapa soldado ao redor da abertura.

–Utilização de maior espessura de parede para o vaso ou bocal.

–Peças forjadas integrais.

–Pescoço tubular com maior espessura


• Disco de chapa soldadoao pescoço tubular e a parede do vaso:

Permitido para qualquer diâmetro de abertura

Não deve ser usado em vasos com espessura de parede ≥ 50,0 mm.

Não recomendado para serviços com baixa temperatura,esferas de armazenamento de gás liquefeito sob pressão, serviços cíclicos ou serviço c/ hidrogênio.


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(A) Anel de chapa soldado ao pescoçotubular e à parede do vaso: Permitido paraqualquer diâmetro mas não deve ser usadoquando a espessura da parede do vaso é igualou superior a 50 mm. Não é recomendadopara serviços em baixa temperatura ou paraserviços cíclicos.(B) Disco de chapa de maior espessura,soldado de topo no vaso: Permitido paraqualquer diâmetro e pode ser usado nos casosem que o anel de chapa não é permitido ounão é recomendado.


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(C) Peça forjada integral: Permitido paraqualquer diâmetro, sem limitações, sendoentretanto sempre de custo elevado.

(D) Pescoço tubular de maior espessura:Permitido, sem limitações, para diâmetrosnominais até 10”, inclusive, devendo opescoço tubular ser de tubo sem costura oude tubo forjado (o tubo forjado é preferidopara esses casos).


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• O Código ASME apresenta critérios para reposiçãoda área retirada (ver figura UG-37.1).

• Estes critérios são dependentes da abertura, oumelhor, critérios especiais são exigidos quando aabertura excede algumas dimensões, (parágrafoUG-36, Divisão 1):– vasos com diâmetro até 60 polegadas (1530 mm): até

metade (½) do diâmetro, mas não ultrapassando 20polegadas;

– vasos com diâmetro superior a 60 polegadas: um terço(⅓) do diâmetro, mas não excedendo 40 polegadas(1020 mm).


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• Caso excedam esta recomendação, o cálculo doreforço deve atender as exigências do apêndice 1 daDivisão 1.

• Da mesma forma, aberturas muito próximastendem a exercer um efeito uma sobre a outra, poisas regiões afetadas na parede do vaso acabam sesobrepondo. Para evitar este efeito, procuramosafastar as aberturas de tal maneira que a distâncialivre entre elas seja superior ao seu diâmetromédio.


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• A figura UW-16.1 apresenta vários tipos usuaisdeste reforço. A seleção de um destes tipos serábaseada:

– Fatores econômicos – o tipo da figura (a-1) – anelsobreposto - é o mais barato, sobreposto aocasco e soldado a este por soldas em ângulo, masapresenta alta concentração de tensões, além defraca resistência à fadiga por esforços cíclicos;


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– Concentração de tensões – o reforço da figura(e) é um disco de maior espessura, soldado detopo à parede do vaso;

– Inspeção facilitada – os tipos da figura abaixo(f-1 até f-4) são os mais facilmenteradiografáveis, já que ambas as soldas são detopo, já a figuras (g) é um pescoço do bocal commaior espessura; contudo estas figurasrepresentam peças forjadas caras.e, no caso dafigura (g), de difícil radiografia.


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• A Divisão 1, parágrafo UG-36(c)(3)(a) exige que oreforço seja calculado para aberturas de diâmetronominal até:

– superior a 3½ polegadas (89 mm) para espessuras até 9,5 mm;

– superior a 2 ⅜ polegadas (60) quando a espessura é superior a 9,5 mm


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• Qualquer reforço é tanto mais eficiente quantomais próximo estiver da borda da abertura equanto mais simétrico for o reforço.

• Porém, o reforço não deve ser excessivo. Ele serádimensionado, basicamente, como uma reposiçãode área retirada. Mas será efetivo dentro de certoslimites geométricos.


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• Para tanto, a Divisão 1 apresenta limites máximosaté onde o reforço é considerado efetivo:

– comprimento até o diâmetro interno da abertura;

– altura até 2,5 vezes a espessura do costado.


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• a) Área requerida de reforço [mm2] : A = d.tr + 2.tn.tr.(1 – fr1)• b) Áreas resistentes [mm2]• Caso I - Abertura com anel de reforço• A1: maior valor entre A11 e A12• A11 = d.(E1.t - tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1) • A12 = 2.(t + tn).(E1.t – tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1) • A2: menor valor entre A21 e A22• A21 = 5.(tn – trn).fr1.t • A22 = 2.(tn – trn).(2,5.tn + te).fr1

• A3 = 2.(tn - C).fr1.h • A41 = h1

2.fr2 A42 = h22.fr3

• A43 = h32.fr1

• A5 = (Dp - d - 2.tn).te.fr3

• Se A < A1 + A2 + A3 + A41 + A42 + A43 + A5, o reforço da abertura é suficiente


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• a) Área requerida de reforço [mm2] : A = d.tr + 2.tn.tr.(1 – fr1)

• b) Áreas resistentes [mm2]

• Caso II - Abertura sem reforço

• A1: maior valor entre A11 e A12

• A11 = d.(E1.t – tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1)

• A12 = 2.(t + tn).(E1.t – tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1)

• A2: menor valor entre A21 e A22

• A21 = 5.(tn – trn).fr1.t

• A22 = 5.(tn – trn).tn.fr1

• A3 = 2.(tn - C).fr1.h

• A41 = h12.fr2 A43 = h3

2.fr1

• Se A < A1 + A2 + A3 + A41 + A43, o reforço da abertura é suficiente


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• Variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão é muito grande.

• Todas as peças internas que devam ser desmontáveis, (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores de névoa, etc...) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções.

Peças Internas

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• Reforços de vácuo.• Anéis de suporte de

isolamento térmico externo.

• Chapas de ligação, orelhas ou cantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas.

• Suportes para turcos de elevação de carga.

• Turcos para as tampas de bocas de visita e outros flanges cegos.

Acessórios Externos

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• Vasos verticais :– “saia” de chapa– sapatas ou colunas.

• Esferas para armazenagem de gases:– colunas

• Vasos horizontais :–dois berços (selas)

• Permutadores de calor:– Selas– Estruturas superpostas

CET

Costado cilíndrico

Costado cilíndrico

Costado cônico

Suporte

Di

De

De

Di

CET

Costado cilíndrico

Tampo

Suporte

De Di

CET CET

De Di

Suporte

Cilíndrico Vertical

Cilíndrico Vertical

Cilíndrico Inclinado Cilíndrico Horizontal

De

Di

CET

Di De

Suporte Suporte

Cilíndrico Cônico ESférico

Suportação

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300 2000 3000 D(mm)

H(mm) 6000 2000

Saia de Suporte

D : diâmetro H : comprimento entre linhas de tangência

Colunas de Suporte

Suportação

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• Torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter um trecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes casos:– Temperatura de projeto abaixo de 15oC.

– Temperatura de projeto acima de 340oC.

– Serviços com Hidrogênio.

– Vasos de aços-liga, aços inoxidáveis e materiais não ferrosos.

Suportação

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Suportação

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• Há vários tipos de flanges que são empregadospara bocais e outras ligações flangeadas:

– flanges de pescoço (welding neck) – figura 2-4.(6) – é o tipo de maior resistência mecânica commelhor distribuição de tensões. Devido ao custoelevado por ser uma peça única forjada eusinada, apresenta uso restrito para diâmetrosaté 14 polegadas e serviços especiais;

Flanges e Faces de Flanges

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– flange sobreposto (slip-on) – é um flangeforjado, mais fácil obtenção, sendo fixado aopescoço do bocal por uma solda de ângulo;

– flange de anel - ring type flange – mais fácilobtenção que o flange de pescoço, masapresenta elevadas tensões na ligação soldada;

– flange para solda de encaixe - socket-weldflange – empregado somente para diâmetrospequenos ( Ø <2”);


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– flange de pescoço longo – long-weld neck – éuma peça forjada onde o flange e o pescoçocompõe uma única peça. Empregado paradiâmetros até Ø < 2”;

– flange solto – lap-joint flange –é um flangeutilizado para serviços com fluidos corrosivos,onde devemos evitar o contato do flange com oproduto. A resistência mecânica deste flange émuito baixa, motivo pelo qual não é utilizado empressões ou temperaturas elevadas.


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• As normas dimensionais mais utilizada no Brasil sãoa ASME B16.5 (para diâmetros até 24 ” ) e a B16.47(para diâmetros Ø > 24”, até Ø = 60”).

• Estas normas definem classes de pressão (ratings),em função do material e da temperatura de projeto,definindo as pressões máximas admissíveis paracada classe.


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Capítulo 3

Detalhes em Vasos de Pressão Especiais

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Introdução

• Neste capítulo veremos alguns detalhesconstrutivos de vasos pertencentes a classesespeciais, seja pela necessidade de revestimentosanti-corrosivos ou pela condição de trabalho:

–Vasos cladeados ou com tiras soldadas;

–Vasos em serviço corrosivo;

–Vasos para serviço com baixa temperatura.

Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais

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Vasos com revestimento metálico

• Os vasos cladeados ou com tiras soldadas sãoconstruídos para garantir sua resistência àcorrosividade do meio, ou para garantir que nãohaverá contaminação do fluido (como no caso deprodutos alimentícios).

• Podemos obter o revestimento cladeado por meiode co-laminação, por explosão ou por deposição desolda.


87• Chapa cladeada obtida por colaminação


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• Exemplo de deposição de solda (weld overlay) em chapa de aço carbono.

Extraído de www.geotechindustries.com


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• Observar o revestimento nas peças ao lado.

• Peças com espessura elevada são normalmente obtidas com deposição de solda.


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• Os bocais são cladeados normalmente até o diâmetro nominal de 6”.

• Para diâmetros inferiores costuma-se utilizar peças integrais.

Extraído do site www.clad.com/brochures/KLADgeneral.pdf


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• As chapas obtidas por explosão apresentam excelente aderência, mas sua obtenção é difícil devido a conseqüências óbvias na fabricação.


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• A construção com chapa cladeada é cara enormalmente é preferida quando a espessura totalé superior a 15 mm.

• Para espessuras menores é preferível o uso dechapas maciças em material nobre.

• A chapa cladeada pode ser conformada como umachapa normal. Contudo, processos de conformaçãoque resultem em grande deformação podemdanificar o cladeamento.


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• A soldagem é simples. Contudo, em função domaterial do revestimento, procedimentos especiaispodem ser exigidos. A contaminação dorevestimento com o metal base pode resultar emdano para o processo e prejudicar o desempenhodo revestimento.


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Vasos para serviço corrosivo

• Devemos atentar para algumas regras paraprocurar minimizar o ataque corrosivo.

• Identifiquemos estes serviços:

–Corrosão por pites ou alveolar ou corrosão porfrestas;

–Corrosão-erosão;

–Corrosão galvânica;

–Corrosão sob tensão


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• Então, vamos discorrer sobre alguns detalhesconstrutivos.

–1) para corrosão alveolar: devemos, tanto quantopossível, evitar espaços confinados ondepequenas quantidades de líquido possa ficarretida. Então, evitar bocais na geratriz inferiorcom projeção interna; evitar soldas sobrepostas,luvas ou peças rosqueadas; evitar região dedrenagem difícil.


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–2) corrosão-erosão: evitar velocidades elevadasou mudanças abruptas de direção, pontos deestrangulamento ou impactos (caso de fluidosbifásicos);

–3) corrosão galvânica: evitar o contato de metaiscom diferentes potenciais na presença deeletrólitos fortes;


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–4) corrosão sob tensão: garantir que as tensõesresiduais de conformação ou soldagem tenhamsido aliviadas; evitar o contato do metal com omeio; evitar cargas concentradas, realizar otratamento térmico de alívio de tensões, quandopossível.


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Capítulo 4

Permutadores de Calor

• São equipamentos dimensionados para promover a troca de calor entre fluidos.

• Os fluidos utilizados podem ser ambos de processo ou apenas um deles trocando calor, geralmente, com água, vapor d´água ou ar.


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• Resumidamente são duas as vantagens obtidas com

o emprego do trocador de calor:

–Aumento da temperatura do fluido frio sem a

necessidade da queima de algum combustível;

– Evita-se que a energia contida em um fluido já

processado, seja desperdiçada para o meio

ambiente.

Princípios de Funcionamento

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• Definindo-se :

• Q1: quantidade de calor necessário ao

processamento da carga da unidade (obtida pela

queima de combustível em um forno);

• Q2: quantidade de calor perdida no tanque de

armazenamento.

• Q1` = Q1 - calor recuperado no trocador de calor Q1` < Q1

• Q2` = Q2 - calor cedido no trocador de calor Q2` < Q2


101


• CASO “A” - Instalação sem trocador de calor. QTOTAL (A) = (Q1 + Q2)

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• CASO “B” - Instalação com trocador de calor. QTOTAL (B) = (Q1` + Q2`)

103


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• São os mais comuns na indústria de petróleo. São

constituídos basicamente de um feixe de tubos

envolvido por um casco cilíndrico. Um dos fluidos

circula através do feixe, contido pelo casco e

orientado por defletores ou chicanas, e o outro pelo

interior dos tubos. Os fluidos são designados como

fluido do casco e fluido dos tubos, respectivamente.

Permutadores Casco-Tubos

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• Espelho Fixo: feixe de tubos soldado ao casco.

• Espelho Flutuante: um espelho preso ao casco, o outro com liberdade para dilatar na direção longitudinal, independente do costado.


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• Tubos em U: tubos são curvados em forma de “U” e fixos a um espelho que é solidário ao casco. Feixe com liberdade para dilatar na direção longitudinal, independente do costado.


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108

• Tabela TEMA para classificação de trocadores de calor


DESENHO ESQUEMÁTICO TIPO

AES

AKT


AES

DESENHO ESQUEMÁTICO TIPO

AES

AKT

AKT

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BEM

CFU

BEM

CFU

110


AEP

AJW

AJW

AEP

AJW

AEP

AJW

AEP

AJW

AEP

111

Permutadores Alta Pressão

112

113

Permutadores Alta Pressão

114

• Limitações do código (TEMA):

–Casco com diâmetro de 1524 mm (60 polegadas);

–Pressão de projeto até 204 kgf/cm2 (3000 psig);

–Produto do diâmetro interno do casco (em polegadas) pela pressão (em psig) até 60.000.


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• A norma TEMA abrange três classes de trocadores,caracterizados pelo serviço a que se destinam:

– Classe R: refinarias, petroquímicas;

– Classe C: serviço químicos;

– Classe B: serviços com menor responsabilidade.


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Montagem de trocador de calor (COMETARSA – Argentina)

• Formados por placas superpostas e comprimidas entre dois cabeçotes, por meio de tirantes.

• Placas, obtidas por estampagem de chapas metálicas de pequena espessura, possuem furos nos quatro cantos, que servem para a distribuição dos fluidos.

• Por meio de um sistema conveniente de juntas em torno dos furos e na borda das placas, os fluidos são orientados, alternadamente, de modo a trocarem calor através de cada placa.

Permutadores de Placas

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• VANTAGENS :

• Custo menor para serviço que exige materiais resistentes à corrosão / competitivo para serviços não corrosivos;

• Melhores coeficientes de película / alta turbulência / melhor recuperação térmica, resultante da utilização do fluxo em contra-corrente / equipamentos compactos (peso e espaço);


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• VANTAGENS :

• Espaço reduzido para desmontagem (comparado com os permutadores casco e tubos : espaço equivalente ao comprimento do feixe de tubos para sua remoção, além de equipamentos de movimentação de cargas);

• Flexibilidade (facilidade de adição ou redução de um certo número de placas) / permite um controle das condições de operação ou a sua adaptação para diversas condições;


124

• VANTAGENS :

• Facilidade : limpeza ou substituição / rápido acesso a qualquer placa;

• Impossibilidade de contaminação / vazamentos ocorrem para o meio externo (desvantagem no caso de um fluido perigoso que não pode ser lançado na atmosfera);

• Possibilidade de utilização da mesma estrutura para montagem de mais de um equipamento, inclusive com um fluido sendo comum a vários serviços.


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• DESVANTAGENS :

• Em contrapartida, eles apresentam limitações quanto à pressão máxima de trabalho (até cerca de 300 psi) e quanto à temperatura (máxima de 500oF). Além disso, não são indicados para trabalharem com processos que envolvem mudança de fase.


126

• Equipamentos simples / tubo, aletado ou não,

encamisado por outro. Tubos aletados são, na sua

maioria, do tipo aleta longitudinal externa.

Permutadores Bitubulares

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• Características :

• Diâmetro reduzido de ambos os tubos / adequados para pressões elevadas, pois não exigem grandes espessuras;

• Adquiridos em módulos, montados em série ou em paralelo, podendo-se ajustar a área de troca térmica com relativa facilidade;


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• Características :

• É sempre possível fazer com que os fluidos circulem em contra-corrente, obtendo-se o máximo rendimento térmico.

• Esses equipamentos são economicamente competitivos quando a carga envolvida é pequena.


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• Ar é “forçado” ou “induzido” a passar, pela ação de um ventilador / tiragem forçada possui manutenção mais fácil.

Resfriadores a Ar

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• Tubos sempre aletados / aletas transversais altas, para compensar os baixos coeficientes de película resultantes da operação com ar. Exigem uma vazão de ar, e uma área de troca muito elevada, o que resulta em dimensões externas também muito grandes. Os resfriadores a ar são sempre empregados quando há impossibilidade de obtenção de água para resfriamento.

Resfriadores a Ar

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• Capta e descarrega o ar diretamente da e para a atmosfera / Sistema de resfriamento por meio de água envolve, além do permutador, todo um sistema de condicionamento da água.

Resfriadores a Ar

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Resfriadores a Ar

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Resfriadores a Ar

141

• Os trocadores de calor compactos tipo circuito impresso (Printed Circuit Heat Exchanger - PCHE) são uma alternativa mais recente aos trocadores do tipo casco e tubos. São equipamentos com custo competitivo e com menores relações de dimensão e peso quando comparado com permutadores casco e tubos. São mais adequados para aplicações offshore envolvendo pressões elevadas e fluidos limpos (gás).

Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)

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• Os permutadores do tipo PCHE são fabricados a partir de chapas planas onde são gerados canais através de ataque químico ou prensados. A configuração requerida dos canais nas placas para cada fluido é governada pelas restrições de temperatura e perda de pressão especificada para o equipamento. A troca térmica dos fluidos pode ser em contracorrente, correntes transversais ou combinação.


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• As chapas com os canais são empilhadas e unidas através do processo de “diffusion-bonding” para a formação de um conjunto compacto e estanque. Este tipo de união é executado em estado sólido através da prensagem dos metais com controle de temperatura abaixo do ponto de fusão, o que promove aumento de grão entre as superfícies.


145

• Sob condições controladas, a união em estado sólido alcança os limites de resistência do metal base das placas. Os diversos blocos gerados através deste processo são soldados formando o corpo do permutador de calor.


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• O equipamento é construído de forma a se tornar uma peça única, monolítica, sem acesso interno para inspeção ou manutenção. Como o equipamento não possui juntas de vedação, resulta em menor possibilidade de vazamento. Quando da ocorrência de trincamento nas placas ou entre elas, não existe possibilidade econômica de reparo no equipamento.


148

• O único procedimento possível é a limpeza química dos canais após algum tipo de entupimento. A depender do nível de entupimento dos canais, a limpeza poderá obrigar a retirada do equipamento da instalação, causando a indisponibilidade do mesmo. Sempre que o serviço é considerado crítico, um permutador do tipo circuito impresso (PCHE) reserva deve ser adquirido como sobressalente.


149

• Deve ser feita uma análise dimensional criteriosa dos particulados existentes nos fluidos envolvidos. Estes fluidos devem ser isento de borras, sólidos ou capazes de formar incrustações. Devido a sua dificuldade para a limpeza, as linhas do circuito de resfriamento devem ser construídas preferencialmente em aço inoxidável.


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• Caso se opte por aço carbono, recomenda-se a adoção de filtração paralela. O sistema deve ser projetado para permitir limpeza do trocador utilizando agentes químicos, retro-lavagem e jato d’água de alta pressão.


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• Os trocadores de calor compactos tipo casco e placas, são uma alternativa relativamente recente aos trocadores do tipo casco-e-tubos, para pressões ate 100 bar, segundo os principais fabricantes. Adicionalmente, podem ser também utilizados como alternativa aos permutadores de placas convencionais gaxetados, para as pressões acima de 25 bar.

Permutadores do Tipo Casco e Placas

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• Este tipo de permutador consiste de um conjunto de placas circunferenciais, inseridas em um casco cilíndrico, que pode ser totalmente hermético ou ter abertura para acesso a limpeza externa às placas, através de um flange aparafusado em uma das extremidades.


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• Este equipamento foi originalmente desenvolvido para aplicações em indústrias químicas, petroquímicas e farmacéuticas. Para aplicações em pressões elevadas e fluidos relativamente limpos, este tipo de trocador tem custo competitivo e dimensões/peso substancialmente menores que um equivalente casco-e-tubos e que um trocador de calor de placas convencional com juntas de vedação ou soldados.


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• São equipamentos com desempenho térmico adequado mas podem apresentar problemas de resistência mecânica nas soldas entre os conjuntos de placas em função das variações de pressão, vazão e temperatura no fluxo a montante dos mesmos.


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• As soldas entre as placas são executadas através de processo de soldagem com baixo aporte de calor. A limpeza no interior das placas deverá ser feita por um processo de retro-lavagem com produto químico, indicado pelo fabricante do equipamento. No caso do aparecimento de trincas internas às placas, é provável que seja necessária a aquisição de um novo conjunto de placas para reposição. O projeto mecânico das placas deve ser cuidadoso evitando a ocorrência de deflexões excessivas.


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• A classificação apresentada não inclui todos os equipamentos de troca de calor. Alguns por não serem considerados permutadores de calor, como é o caso das caldeiras, dos fornos e das torres de resfriamento. Outros não foram incluídos, mesmo sendo classificados como permutadores por representarem uma parcela muito pequena dos equipamentos encontrados na indústria.

Outros Equipamentos

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Outros Equipamentos

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Outros Equipamentos

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Outros Equipamentos

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Capítulo 5

Desenvolvimento do Projeto e da Construção de Vasos de

Pressão

166

Etapas do projeto e da construção• No caso mais geral, o projeto e a construção dos

vasos de pressão compreendem as etapas a seguir:–Definição dos dados gerais de projeto;–Definição dos dados de processo;–Projeto de processo do vaso (ou projeto

analítico);–Projeto térmico (para trocadores de calor);–Projeto mecânico (inclusive peças internas);–Acompanhamento;

Desenvolvimento de Projetos

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– Emissão da Requisição de Material e do Pedido de Compra;

– Julgamento das propostas e colocação da Ordem de Compra;

–Aquisição da matéria-prima;–Projeto de fabricação;– Fabricação e controle de qualidade (inspeção);–Montagem– Testes de aceitação (pré-operação).


168

Definição dos dados gerais de projeto

• Consiste na informação referente às condiçõeslocais e nas definições expressas pelo usuário.

• Normalmente:

–Normas e Códigos de projeto;

– Tempo de vida útil desejado;

– Exigências quanto a materiais;

–Condições climáticas e meteorológicas;

–Área disponível;

–Dimensões e pesos máximos para transporte.


169

Definição dos dados de processo

• Consiste na determinação dos dados relativos aodesempenho do vaso.– Serviço do vaso (torre de fracionamento, vaso de

armazenamento, etc);– Fluido e suas características: pressão,

temperatura, densidade, vazão, viscosidade, etc;–Volume armazenado;–Perda de carga admissível;–Carga térmica (para trocadores de calor);–Coeficiente de depósito (idem).


170

Projeto de processo do vaso (ou projeto analítico)

• Consiste basicamente na determinação dasdimensões gerais do vaso, bem como de suas peçasinternas:– Formato do vaso;–Dimensões gerais (diâmetro e comprimento

entre tangentes);– Tipo de tampos;–Posição de instalação (vertical ou horizontal);– Serviço, posição, elevação e diâmetro nominal

dos bocais;


171

Projeto de processo do vaso (ou projeto analítico)–Peças internas – tipo, localização, dimensões

gerais, etc;– Elevação do vaso (caso necessário para o

processo, por exemplo, atender ao NPSH debombas);

– Instrumentação;–Revestimentos;


172

Projeto térmico (para trocadores de calor)

• Aplicável para o cálculo dos trocadores de calor:– Tipo do equipamento – casco e tubo, resfriador a

ar, trocador de placas, etc;–Classificação TEMA;–Área de troca e dimensões gerais;–Número e arranjo dos cascos;–Número de tubos – arranjo e passo;–Definição do número de chicanas, bem como sua

disposição, corte, espaçamento;–Peças internas: defletores, quebra-jato; tirantes,

etc.


173

Projeto mecânico• Consiste em:

– Seleção e especificação dos materiais;–Dimensões finais do vaso;–Definição das normas de projeto aplicáveis;–Definição das eficiências de soldas e

conseqüentemente da inspeção necessária para a fabricação do vaso;

–Cálculo mecânico propriamente dito;–Cálculo das pressão máxima de trabalho e da

pressão de teste hidrostático;–Cálculo dos pesos e dos esforços sobre a base;


174

• Além destes, também compõem o projetomecânico:

–Necessidade de inspeção suplementar àradiografia como por exemplo: ultra-som,partícula magnética ou líquido penetrante;

– Tratamento térmico;

– Isolamento térmico;

– Especificação de montagem;


175

–Previsão de espaços para a manutenção:montagem e/ou desmontagem do equipamento;

–Verificação de esforços adicionais: tensão embocais devido aos esforços transmitidos pelatubulação, bem como os cálculos dedeslocamentos impostos pela dilatação térmica;

–Determinação da carga limite para ruptura oufalha do vaso (quando solicitado)


176

• O projeto mecânico inclui o projeto das peças internas:

–Arranjo e dimensionamento das peças;

– Especificação completa (chapas, perfis, juntas de vedação, etc)

–Cálculo estrutural

–Detalhamento das peças;

–Cálculo dos pesos;

–Características de montagem.


177

Acompanhamento do projeto

• Não é propriamente uma etapa, mas se desenvolveparalelamente a todo o projeto.

• Consiste na orientação e fiscalização técnica eadministrativa do projeto, controlando oatendimento aos requisitos especificados pelousuário bem como o controle dos custos e prazosenvolvidos no projeto.


178

Emissão da Requisição de Material e do Pedido de compra

• Consiste na emissão dos documentos necessários àcompra do equipamento, compreendendo adiscriminação do material, suas características(propriedades mecânicas e composição química,por exemplo) e requisitos especiais (se houver),testes exigidos, local e prazo de entrega.


179

Julgamento das propostas e colocação da Ordem de Compra

• É comum dividir-se o julgamento em fases:

–Avaliação técnica das propostas;

–Discussão com os fornecedores paraesclarecimentos de dúvidas ou divergências;

–Avaliação das propostas comerciais.

• Uma vez decidida a proposta vencedora é emitida aOrdem de Compra.


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Aquisição da matéria prima

• Com base nas especificações técnicas emitidasdurante o projeto mecânico, o fabricante do vaso iráemitir as requisições para a aquisição do material,atendendo os requisitos definidos previamente.


181

Projeto para fabricação

• Consiste no detalhamento completo do equipamento para permitir sua fabricação e montagem.

• Deve incluir os detalhes de fabricação, conformação mecânica, soldagem e de inspeção do vaso.


182

Fabricação e controle de qualidade

• A fabricação do vaso consiste nas várias etapas para construção do vaso: conformação, soldagem, usinagem, etc.

• O controle de qualidade inclui a radiografia, osdemais ensaios destrutivos e não-destrutivos a queserá submetido o vaso e os materiais utilizados emsua fabricação, para certificar-se do atendimento àsespecificações técnicas emitidas durante o projeto.


183

Fabricação e controle de qualidade

• O acompanhamento da documentação técnicaemitida e dos certificados emitidos pelosfornecedores e laboratórios de testes serãocontrolados e arquivados para registro.


184

Montagem

• Os equipamentos que foram construídos na fábricadeverão ser transportados e posicionados no localde trabalho.

• Aparentemente simples, esta etapa pode exigirconsiderável esforço, como no caso deequipamentos de grandes dimensões ou peso.


185

Montagem

• A exigência de um estudo preliminar para verificar adisponibilidade de guindastes, posicionamento paraelevação, estudo de solo, bem como movimentaçãodo vaso é sempre recomendável.

• Nesta etapa, podemos vislumbrar a necessidade deuma aceleração na aquisição e entrega de algunsequipamentos críticos para a montagem daUnidade, devido ao seu peso ou posição em relaçãoaos demais equipamentos.


186

Testes de aceitação

• Alguns equipamentos podem ser submetidos aensaios de aceitação.

• A NR-13, por exemplo, exige que os vasos depressão sejam testados hidrostaticamente antes daoperação.

• Tal exigência procura antever qualquer danoprovocado pelo transporte.


187

Capítulo 6

Desenhos de Vasos de Pressão

188

Desenhos de vasos de pressão

• Para cada vaso de pressão, costuma-se emitir os seguintes documentos:– Folha de dados;– Desenho de processo;– Desenho mecânico;– Desenhos de detalhes– Desenhos-padrão– Desenho de fabricação;– Desenho de detalhe de soldagem;– Planta de Inspeção;– Diagrama de cargas sobre a fundação


189

Desenhos de vasos de pressão• Estes desenhos irão obedecer a norma ABNT NB-8 e

os tamanhos de papel serão padronizados.

• A Folha de Dados irá conter as informações gerais, dados de processo e as condições de operação e de projeto do vaso.

• Normalmente estas follhas são padronizadas de forma a conter a descrição detalhada dos dados de processo do equipamento.


190

Desenho de processo

• São desenhos esquemáticos, sem escala, contendoas informações que fazem parte do Projeto deprocesso e da seleção de material.


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Desenho mecânico

• Contendo as informações pertinentes ao projeto mecânico do equipamento:

–Desenho do vaso em várias vistas, necessárias para a compreensão do equipamento;

–Condições de pressão e temperatura

–Normas e Códigos de projeto;

–Pesos e esforços sobre a fundação;

– Especificação completa de materiais;


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Desenho mecânico

–Margens de corrosão

–Pressão máxima de trabalho admissível e pressão de teste hidrostático;

– Lista de bocais

–Conjunto geral com elevação e posicionamento dos bocais.


195

Desenhos de fabricação

• Desenhos mais detalhados, em escala, compreendendo os componentes do vaso;

• Apresentam os detalhes de solda e indicam os procedimentos de solda a seguir;

• Detalham os bocais, sua posição e orientação;

• Localização de soldas e planificação de chapas

• Indicação das superfícies usinadas;

• Listagem de todas as peças

• Dimensões completas de cada componente.


196

Capítulo 7

Normas de projeto

197

• São textos normativos desenvolvidos por associações técnicas ou sociedades de normalização públicas ou particulares de diversos países.

• As normas de vasos de pressão abrangem não sócritérios, fórmulas de cálculo e exigências dedetalhes de projeto, mas também regras, detalhes eexigências de fabricação e montagem, inclusiveinspeção.

Natureza e Finalidade

198

• O escopo ou o campo de aplicação de cada norma édefinido previamente, por exemplo, o Código ASMEnão é aplicado para vasos com pressões inferiores a1,05 kgf/cm2 (15 psi) manométricos.

• Devemos lembrar que as normas foramestabelecidas para principalmente garantircondições mínimas de segurança para a operação.


199

• Qualquer norma é um conjunto coerente, ou seja, suas exigências são todas interelacionadas e mutuamente interdependentes. Este ponto é extremamente importante:

“NÃO PODEMOS MISTURAR CÓDIGOS DIVERSOS”.


200

• A filosofia geral das normas consiste em limitar as tensões nos componentes elementares do vaso a uma fração de uma característica mecânica do material (limite de ruptura ou tensão de escoamento) ou a deformação máxima decorrente da fluência.

Comentários Gerais

201

• Nenhuma norma de projeto destina-se a substituirou a diminuir a responsabilidade do projetista.Caberá a ele a aplicação criteriosa do Código e suaserá a responsabilidade integral.

Comentários Gerais

202

• É interessante notar que as normas sãodocumentos dinâmicos, submetidos rotineiramentea revisões e atualizações, acréscimos e até possíveiscorreções. Por este motivo, o projetista deve estaratento à última edição da norma e das variaçõesque ela sofreu.

Comentários Gerais

• No início do Século XIX, com o advento de diversos acidentes com caldeiras relacionado a Revolução Industrial, já havia uma necessidade de regulamentar o projeto da construção de vasos de pressão.

Aspectos Históricos

203

• Em 1851: Explosão catastrófica em Londres

Investigação preliminar: má qualidade de fabricação & materiais inadequados para altas pressões.

Recomendações adotadas: fabricação de caldeiras com ampla utilização de materiais forjados, uso de tampos hemisféricos e proteção do equipamento através de 2(duas) válvulas de segurança simultâneas.


204

• Entre 1870 e 1910: Registradas pelo menos 10.000 explosões em caldeiras na América do Norte.

• Após 1910: A taxa de falhas se elevou para 1.300 a 1.400 falhas ao ano.

• Em 1905: A explosão de caldeira em uma fábrica de sapatos em Brockton, Massachusetts (EUA), motiva a criação de norma regulatória, denominada Massachusetts Rules, sobre o projeto e construção de caldeiras, emitida em 1907.


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206

The Brockton, Massachusetts shoe factory (58 mortos e 117 feridos)

Shoe factory after the boilerexplosion of March 20, 1905which led to the adoption of manystate boiler codes and the ASMEBoiler and Pressure Vessel Code(Hartford Steam Boiler Inspection& Insurance Company).

207

• O Comitê de Caldeiras do ASME foi criado em 1911,

com publicação da primeira edição do código em

1914-1915, exclusivamente para Caldeiras

Estacionárias (Seção I). Em 1924, seria publicada a

Seção VIII, referente a vasos de pressão não sujeitos

a chama. Nesta época já existiam normas européias

para caldeiras e vasos de pressão.


208

• Até a década de 60, os códigos eram baseados em critérios ditados pela experiência, pouca base teórica e mecanismos de falha mais simples.

• Simplesmente era exigido que a espessura do equipamento fosse capaz de suportar a tensão máxima atuante, e que o material fosse suficientemente dúctil de forma a acomodar, sem riscos imediatos, tensões de pico e tensões geradas em regiões de descontinuidades geométricas.


209

• Outro grupo, mais recentemente desenvolvido, tem por filosofia a adoção de maiores tensões de projeto, associadas a uma rigorosa e criteriosa análise de tensões, aplicação de teoria da plasticidade, conceitos de mecânica da fratura e da avaliação da vida útil a fadiga dos equipamentos.


210

• A motivação para este desenvolvimento decorreu das seguintes razões:

– O advento e difusão da tecnologia com a construção de reatores nucleares, que exigiam um maior conhecimento de mecanismos de falha, análise e a classificação das tensões associadas a equipamentos, considerando a elevada conseqüência de um vazamento do fluido;

– Necessidade de redução do conservadorismo no projeto convencional de vasos de pressão e na identificação de critérios deficientes para a definição do comportamento estrutural.


211

• Com a redução do nível de incerteza na definição do comportamento estrutural dos equipamentos, permitiu-se o estabelecimento de fatores de segurança mais adequados.

• O ASME Seção III, editado em 1963, foi o primeiro código a utilizar tais desenvolvimentos.


212

• Como resultado da abordagem proposta são identificados 2(dois) diferentes critérios de projeto:

• Projeto convencional (design by rules): que emprega soluções analíticas consagradas para o dimensionamento de vasos com detalhes padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, ..);


213

• Projeto alternativo (design by analysis): que inclui componentes com geometrias e/ou carregamentos não convencionais, onde o dimensionamento depende de uma análise e classificação das tensões atuantes e comparação com valores admissíveis. O ASME Seç.VIII – Divisão 2 incorporou este critério de projeto em sua primeira edição em 1968.


• 1 - Deformação elástica excessiva incluindo instabilidade elástica

• Carregamento: Pressão externa

• Considerações sobre a rigidez do componente são fundamentais para que este mecanismo de falha não ocorra;

• Anéis de vácuo (projeto) e rigor dimensional (fabricação) dificultam a instabilidade da casca.

Mecanismos de Falha convencionais

214

• 2 - Deformação plástica excessiva

• Carregamento: Pressão Interna

• Mecanismo de falha evitado através do dimensionamento dos componentes, considerando os diversos tipos de tensões e seus efeitos;

• Fator principal se relaciona ao fator de segurança no dimensionamento.


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• 3 - Fratura frágil

• Condição Necessária: Tensões trativas no material

• Mecanismo de falha minimizado através da seleção e qualificação de materiais com tenacidadeadequada, não susceptíveis a uma fratura brusca.

• Seleção do material, qualificação do material base e juntas soldadas e qualidade na fabricação do equipamento.


216

• 4 - Deformação e tensões a altas temperaturas (creep)

• Condição Necessária: Temperatura acima do limite de fluência do material

• Definição de tensões admissíveis reduzidas para temperaturas na faixa do creep ocasionam tensões controladas no equipamento evitando o acúmulo do dano;

• Dimensionamento é o fator predominante para evitar o mecanismo de falha.


217

• 5 - Instabilidade plástica (colapso incremental)

• Condição Necessária: Tensões térmicas cíclicas e carregamento primário elevado

• Mecanismo de falha relacionado a deformações térmicas cíclicas no material e colapso plástico do equipamento

• Dimensionamento com limitação de tensões decorrentes de gradientes térmicos e peso próprio da estrutura em níveis aceitáveis.


218

• 6 - Fadiga de baixo ciclo

• Condição Necessária: Ciclos relevantes de variação de carregamento e presença de concentradores de tensões

• Adequação do comportamento à fadiga do equipamento através de considerações em relação a tensões de pico e ciclagem do carregamento, sendo evitada a falha pela adoção de soluções de detalhes de projeto adequados.


219

• 7 - Corrosão sob tensão

• Condição Necessária: Material incompatível com o fluido armazenado.

• Mecanismo de falha evitado pela seleção do material e requisitos de fabricação;

• Incompatibilidade entre o material e o meio na presença de tensões, normalmente associadas as tensões residuais de soldagem (H2S em meio úmido x aço carbono sem alívio de tensões em juntas soldadas ou Presença de cloretos x aço inoxidável austenítico).


220

• 8 - Corrosão-fadiga

• Condição Necessária: Carregamentos cíclicos associado a meio corrosivo que afete o material construtivo

• A atuação simultânea de 2 mecanismos que se auto-alimentam e potencializam o mecanismo de falha;

• Providências em relação à seleção de materiais, detalhes de projeto e requisitos de fabricação.


221

• Além dos mecanismo de falha convencionais, outros podem fazer parte das exigências do código de projeto utilizado.

• Colapso plástico – Critérios de dimensionamento através de soluções numéricas e comportamento elasto-plástico do material

• Falha localizada – Verificação da capacidade de trincamento do material por “esgotamento” da capacidade de plastificação local;

• Instabilidade devido à compressão – Verificação da capacidade do equipamento em ser submetido a carregamentos compressivos axiais.

Mecanismos de Falha não convencionais

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223

• Os principais códigos de projeto, fabricação, montagem e testes de vasos de pressão são os seguintes:País Código Instituição Responsável

U.S ASME Boiler & Pressure Vessel Code

ASME

U.KPD 5500 Unfired Fusion Welded Pressure Vessels

British Standard Institute

Germany AD MerblatterArbeitsgemeinschaft Druckbehalter

Italy ANCCAssociazione Nationale Per Il Controllo Peula Combustione

Netherlands Regeis Voor Toestellen Dienst voor het Stoomvezen

Principais Códigos

224

País Código Instituição Responsável

Sweden Tryckkarls kommissionen Swedish Pressure Vessel Commission

Australia AS 1210 Unfired Pressure Vessels Standards Association of Australia

BelgiumIBN Construction Code for Pressure Vessels

Belgian Standards Institute

Japan MITI CodeMinistry of International Trade and Industry

FranceSNCT Construction Code for Unfired Pressure Vessels

Syndicat National de la Chaudronnerie et de la Tuyauterie Industrielle

Brasil P-NB-109 ABNT

Principais Códigos

225

• Elaborado pela British Standards Institution:materiais, projeto, fabricação, inspeção e testes dosvasos de pressão.

SEÇÃO 1 - Parte Geral;

SEÇÃO 2 - Materiais;

SEÇÃO 3 - Projeto;

SEÇÃO 4 - Fabricação e Montagem;

SEÇÃO 5 - Inspeção e Testes

PD-5500

226

• Apêndices principais:

Apêndice A - Análise de Tensões, similar aoASME Seç.VIII - Div.2;

Apêndice B - Efeito combinado de outroscarregamentos;

Apêndice C - Fadiga;

Apêndice G - Cargas localizadas.

PD-5500

227

• Elaborado pela Associação dos Construtores deVasos de Pressão.– SÉRIE G - Parte Geral;– SÉRIE A - Acessórios;– SÉRIE B - Projeto;– SÉRIE W - Materiais.– SÉRIE HP – Fabricação e Testes– SÉRIE N – Materiais não metálicos– SÉRIE S – Casos especiais Informações gerais :

AD-Merkblatter

228

• Dimensionamento através de tensões demembrana - fórmulas simplificadas;

• Tensão calculada corrigida através de fatores deforma;

• Tensões admissíveis mais elevadas que o códigoASME, por exemplo;

• Maiores exigências sobre o material, fabricação einspeção.

AD-Merkblatter

229

• É o código tradicionalmente utilizado no Brasil: materiais, projeto, fabricação, montagem e testes da maioria dos vasos de pressão, permutadores e caldeiras utilizadas na indústria do petróleo.

Código ASMESeção Conteúdo

I Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers)

II Materiais

(Materials)

Part A — Ferrous Material Specifications Part B — Nonferrous Material Specifications

Part C — Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler Metals Part D — Properties (Customary) Part D — Properties (Metric)

III

Instalações nucleares

(Div.1 e Div.2)

Subsection NCA — General Requirements for Division 1 and Division 2 Division 1 Subsection NB — Class 1 Components

Subsection NC — Class 2 Components Subsection ND — Class 3 Components Subsection NE — Class MC Components

Subsection NF — Supports Subsection NG — Core Support Structures Subsection NH — Class 1 Components in Elevated Temperature Service

Appendices Division 2 — Code for Concrete Containments Division 3 — Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel

and High Level Radioactive Material and Waste

IV Caldeiras para aquecimento (Rules for Construction of Heating Boilers)

V Ensaios não destrutivos

VI Instalação e recomendações para operação de caldeiras para aquecimento (Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers)

VII Instalação e recomendações para operação de caldeiras (Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers)

VIII

Vasos de pressão (Div.1, Div.2 e Div.3)

Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1 Division 2 — Alternative Rules

Division 3 — Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels

IX Qualificação de soldagem (Welding and Brazing Qualifications)

X Vasos de pressão de plástico (Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels)

XI Recomendações para inspeção de instalações nucleares (Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components)

XII Recomendações para fabricação e extensão de uso de tanques transportáveis (Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks)

230

• Como nomenclatura usual, o código ASME estabelece o seguinte:

• Editions: Em média, a cada 3 anos

• Addenda: Anual

• Errata: Emitidas a medida que são elaboradas, valendo retroativamente

• Interpretations: Em 2(dois) períodos do ano (julho e dezembro)

• Code case: Emitidas a medida que são elaboradas para os assinantes do CC book.

Código ASME

231

Seção Conteúdo

I Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers)

II Materiais

Part A — Ferrous Material SpecificationsPart B — Nonferrous Material Specifications Part C — Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler MetalsPart D — Properties (Customary)Part D — Properties (Metric)

ASME – American Society ofMechanical Engineers

232

Seção Conteúdo

III Instalações Nucleares

Subsection NCA — General Requirements for Division 1 and Division 2

Division 1

Subsection NB — Class 1 ComponentsSubsection NC — Class 2 ComponentsSubsection ND — Class 3 ComponentsSubsection NE — Class MC Components Subsection NF — SupportsSubsection NG — Core Support StructuresSubsection NH — Class 1 Components in Elevated Temperature Service Appendices

Division 2 Code for Concrete Containments

Division 3Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel and High Level Radioactive Material and Waste


233

Seção Conteúdo

IVCaldeiras para aquecimento (Rules for Construction ofHeating Boilers)

V Ensaios não destrutivos

VIInstalação e recomendações para operação decaldeiras para aquecimento (Recommended Rules forthe Care and Operation of Heating Boilers)


234

Seção Conteúdo

VIIInstalação e recomendações para operação de caldeiras(Recommended Guidelines for the Care of PowerBoilers)

VIIIVasos de Pressão

Rules for Construction of Pressure Vessels

Division 1

Division 2 Alternative Rules

Division 3Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels

IXQualificação de soldagem (Welding and BrazingQualifications)


235

Seção Conteúdo

XVasos de pressão de plástico (Fiber-Reinforced PlasticPressure Vessels)

XIRecomendações para inspeção de instalações nucleares(Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power PlantComponents)

XIIRecomendações para fabricação e extensão de uso detanques transportáveis (Rules for Construction andContinued Service of Transport Tanks)


236

• É a norma de projeto mais difundida no Brasil, correspondendo a grande maioria dos equipamentos em operação nas indústrias.

ASME Seção VIII – Divisão 1

237

• Estão excluídos do seu escopo:

– vasos sujeitos a chama;

– vasos sujeitos a ocupação humana;

– vasos com pressão de operação interna entre 0 a 15 psig ou acima de 3000 psig (210,9 kgf/cm2 man.);

– vasos com diâmetro inferior a 6 polegadas;

– vasos para água pressurizada com pressão de operação até 300 psig (cerca de 21 kgf/cm2 man);

– vasos para água quente com capacidade de até 120 galões (0,454 m3) e temperatura até 210°F (99°C).


238

• Estão incluídos os evaporadores e os trocadores decalor (sem chama) onde há geração de vapor eoutros vasos nos quais possa haver geração devapor, desde que não sujeitos à chama, e desde queatendam os requisitos PG-58, PG 59, PG-60, PG 61e PG-67 até PG-73 do Código ASME , Seção I,conforme o Code Case 1855.


239

• É o projeto convencional dos vasos de pressão. A filosofia de projeto da Divisão 1 está bem explícita no parágrafo UG-23 (c), do código, onde se lê:

“A espessura de parede de um vaso de pressão dimensionado de acordo com as regras estabelecidas nesta divisão deve ser tal que a tensão máxima primária geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o equipamento durante sua operação normal não exceda os limites de tensão admissível do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais os carregamentos a que esteja sujeito o vaso não provoquem uma tensão primária de membrana mais flexão superior a 1 ½ da tensão máxima admissível do material do vaso”.


240

• Embora as fórmulas explicitadas no Códigoconsiderem apenas a pressão (interna ou externa),os demais carregamentos (pesos, ação do vento,etc) devem ser considerados pelo projetista (verU-2 (g)).

• Ou seja, a responsabilidade do projetista estende-seà análise das cargas a considerar e o modo comoserão analisadas.


241

• A estrita aplicação do Código ASME exige que:–O fabricante seja formalmente autorizado pelo

ASME (selo ou stamp);– Seja feita uma inspeção formal, por Inspetor

qualificado;– Seja feito um relatório (Manufacturer’s Data

Report) de acordo com os formulários doapêndice W;

– Sejam estabelecidas formalmente as condiçõesde projeto do equipamento:

–Margem de corrosão;


242

– Indicação de serviço com fluido letal;–Necessidade de tratamentos térmicos, além

daqueles exigidos pelo Código;–Observância dos parágrafos PG-59 a PG-61 do

Código ASME, Seção I, para os vasos incluídos emsistemas de geração de vapor.


243

ASME Stamps

244

ASME Stamps

245

ASME Stamps

• Observação: O ASME, em sua Adenda 2011, passoua utilizar um único tipo de marcação (“ASMECertification Mark“) em substituição as anteriores aser estampado pelo Fabricante que tenha sidocertificado. O Certificado de Autorização iráinformar o escopo do selo recebido.

• Exemplo de selo:

ASME Stamps

246

247


248

Subsection A: General Requirements - Requisitos gerais,aplicáveis a todos os vasos de pressão.

Part UG - General Requirements for All Methods ofConstruction and All Materials:

Scope / Materials / Design / Openings and Reinforcements /Braced and Stayed Surfaces / Ligaments / Fabrication /Inspection and Tests / Marking and Reports / Pressure ReliefDevices


249

Subsection B: Requirements Pertaining to Methods ofFabrication of Pressure Vessels - Requisitos específicos,aplicáveis em função do método de fabricação.

Part UW: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byWelding

Part UF: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byForging

Part UB: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byBrazing


250

Subsection C: Requirements Pertaining to Classes ofMaterials - Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipode material utilizado na fabricação.

Part UCS: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofCarbon and Low Alloy Steels

Part UNF: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofNonferrous Materials

Part UHA: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofHigh Alloy Steel

Part UCI: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofCast Iron


251


Part UCL: Requirements for Welded Pressure VesselsConstructed of Material With Corrosion Resistant IntegralCladding, Weld Metal Overlay Cladding or With Applied Linings

Part UCD: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofCast Ductile Iron

Part UHT: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofFerritic Steels With Tensile Properties Enhanced by HeatTreatment


252


Part ULW: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byLayered Construction

Part ULT: Alternative Rules for Pressure Vessels ConstructedHaving Higher Allowable Stresses at Low Temperature

Part UHX: Rules for Shell-and-Tube Heat Exchangers


253

UW Soldagem

UF Forjamento

UB Brazagem

ULT Aços para

baixas temperaturas

ULW Vasos de paredes múltiplas

UHT Aços de alta resistência

UCS Aços

carbono e baixa liga

UNF Materiais

não ferrosos

UHA Aços de alta

liga UCI Ferro

fundido

UCL Aços

cladeados ou

revestidos

UCD Ferro

fundido maleável

Subseção B

Requisitos Relativos ao Método de Fabricação

Subseção C Requisitos Relativos

aos Materiais

Subseção A Requisitos Gerais


254

Apêndices Obrigatórios

1: Supplementary Design Formulas

2: Rules for Bolted Flange Connections With Ring Type Gaskets

3: Definitions

5: Flanged and Flued or Flanged Only Expansion Joints

4: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds

6: Methods for Magnetic Particle Examination (MT)

7: Examination of Steel Castings

8: Methods for Liquid Penetrant Examination (PT)


255


9: Jacketed Vessels

10: Quality Control System

11: Capacity Conversions for Safety Valves

12: Ultrasonic Examination of Welds (UT)

13: Vessels of Noncircular Cross Section

14: Integral Flat Heads With a Large, Single, Circular, Centrally-Located Opening

16: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee

17: Dimpled or Embossed Assemblies


256


18: Adhesive Attachment of Nameplates

19: Electrically Heated or Gas Fired Jacketed Steam Kettles

20: Hubs of Tubesheets and Flat Heads Machined From Plate

21: Jacketed Vessels Constructed of Work-Hardened Nickel

22: Integrally Forged Vessels

23: External Pressure Design of Copper, Copper Alloy, and Titanium Alloy Seamless Condenser and Heat Exchanger Tubes with Integral Fins


257


24: Design Rules for Clamp Connections

25: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Valves

26: Pressure Vessel and Heat Exchanger Expansion Joints

27: Alternative Requirements for Glass-Lined Vessels

28: Alternative Corner Weld Joint Detail for Box Headers for Air-Cooled Heat Exchangers When Only One Member Is Beveled


258


30: Rules for Drilled Holes Not Penetrating Through Vessel Wall

31: Rules for Cr-Mo Steels With Additional Requirements for Welding and Heat Treatment

32: Local Thin Areas in Cylindrical Shells and in Spherical Segments of Shells

33: Standards Units for Use in Equations

34: Requirements for Use of High Silicon Stainless Steels for Pressure Vessels



35: Rules for Mass-Production of Pressure Vessels

36: Standard Test Method for Determining the Flexural Strength of Certificated Material Using Three-Point Loading

37: Standard Test Method for Determining the Tensile Strength of Certificated Impregnated Graphite Materials

38: Standard Test Method for Compressive Strenth of Impregnated Graphite

39: Testing the Coefficient of Permeability of Impregnated Graphite


259


40: Thermal Expansion Test Method for Graphite and Impregnated Graphite

41: Electric Immersion Heater Element Support Plates

42: Diffusion Bonding


260

261

Apêndice não obrigatórios

A: Basis for Establishing Allowable Loads for Tube-to-Tubesheet Joints

C: Suggested Methods for Obtaining the Operating Temperature of Vessel Wall in Service

D: Suggested Good Practice Regarding Internal Structures

E: Suggested Good Practice Regarding Corrosion Allowance

F: Suggested Good Practice Regarding Linings

G: Suggested Good Practice Regarding Piping Reactions and Design of Supports and Attachments


262

Apêndice não obrigatóriosH : Guidance to Accommodate Loadings Produced by DeflagrationK: Sectioning of Welded JointsL: Examples Illustrating the Application of Code Formulas and RulesM: Installation and OperationP: Basis for Establishing Allowable Stress ValueR: PreheatingS: Design Considerations for Bolted Flange ConnectionsT: Temperature ProtectionW: Guide for Preparing Manufacturer´s Data Reports


263


Y: Flat Face Flanges With Metal-to-Metal Contact Outside the Bolt Circle

DD: Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization

EE: Half-Pipe Jackets

FF: Guide for the Design and Operation of Quick-Actuating (Quick-Opening) Closures

GG: Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code

HH: Tube Expanding Procedures and Qualification


264


JJ: Flowcharts Illustrating Impact Testing Requirements and Exemptions From Impact Testing by the Rules of UHA-51

KK: Guide for Preparing User’s Design Requirements

LL: Graphical Representations of Ft,min and Ft,max

MM: Alternative Marking and Stamping of Graphite Pressure Vessels


265

• Exemplo:

• Vaso projetado segundo critérios do código ASME Seç.VIII - Div.1 Ed. 1995, Construção soldada com material base em aço carbono

• Seções a consultar:

U - UG - UW - UCS


266

UG

1. Requisitos gerais para chapas, forjados, tubos, etc,... comprocedimentos de fabricação e fornecimento

2. Certificação de materiais3. Pré-fabricação de componentes4. Construções especiais5. Definição de temperatura e pressão de projeto6. Carregamentos7. Indicação de onde retirar os valores de tensões máximas

admissíveis8. Corrosão9. Dimensionamento a pressão interna e externa10. Aberturas e reforços


267

UG

11. Resistência de reforços de abertura12. Múltiplas aberturas13. “Standards” para flanges e tubos14. Ligamentos15. Tolerâncias de fabricação16. Requisitos para teste de impacto17. Teste hidrostático18. Teste pneumático19. “Proof test” para estabelecimento de pressões máximas

admissíveis


268

UW

1. Categorias de juntas2. Projeto de juntas soldadas3. Exames de Radiografia e ultra-som4. Detalhes de solda permitidos5. Detalhes de bocais permitidos6. Plug welds7. Soldas de filete8. Requisitos para procedimentos de soldagem9. Requisitos para qualificação de procedimentos10. Tolerâncias de alinhamento de soldas11. Reparo de soldas12. Procedimentos para tratamento térmico após soldagem


269

UCS

1. Materiais2. Procedimentos para tratamento térmico após soldagem3. Operação em baixa temperatura


270


271

• Projeto alternativo devasos de pressão;

• Aplicado quando se exigemaiores pressões deprojeto e equipamentos demaior responsabilidade noprocesso.


272

• Regras são mais restritivas quanto ao tipo dematerial a ser utilizado, mas permite-se a utilizaçãode maiores valores de intensificação de tensões deprojeto na faixa de temperaturas na qual este valoré limitado pelo limite de resistência ou escoamento;

• Procedimentos mais precisos de cálculo sãonecessários; os procedimentos permissíveis defabricação são especificamente delineados e maiscompletos métodos de inspeção e teste sãoexigidos.


273

Part 1 - General Requirements

Part 2 – Responsibilities and Duties

Part 3 – Materials Requirements

Part 4 – Design by Rules Requirements

Part 5 – Design by Analysis Requirements

Part 6 – Fabrication Requirements

Part 7 – Inspection and Examination Requirements

Part 8 – Pressure Testing Requirements

Part 9 – Pressure Vessel Overpressure Protection


274

• A filosofia de projeto da Divisão 2 estabelece regrasespecíficas para o caso do projeto de vasos maiscomuns, assim como a Divisão 1. Quando isto nãoocorre uma completa análise de tensões enecessária e pode ser feita de acordo com osprocedimentos estabelecidos pelo código.


275

• Houve alteração do fatores de segurança, resultando em uma redução de espessura de material, porém, com maiores exigências de fabricação, controle de qualidade e inspeção.


276

• Nesta revisão foi introduzido o conceito de eficiência de junta, característico do ASME Seção VIII – Divisão 1. Assim, é admitida em algumas condições específicas, a radiografia parcial e o ensaio de US em substituição ao ensaio de RX.


277

• Outra possibilidade incorporada à revisão de 2007 do ASME Seção VIII – Divisão 2 é o tratamento de algumas não conformidades de fabricação através do API 579 / ASME FFS-1. Neste caso, o proprietário do equipamento deve aprovar sua utilização.


278

• O código ASME - Seção VIII - Divisão 3 complementa as regras da Divisão 2, definindo critérios adicionais para equipamentos de altas pressões de trabalho. Além de requisitos de material, são previstos critérios para a utilização da mecânica da fratura no projeto.


279

Part KG - General Requirements

Part KM – Materials Requirements

Part KD – Design by Rules Requirements

Part KF – Fabrication Requirements

Part KR – Pressure Relief Devices

Part KE – Examination Requirements

Part KT – Testing Requirements

Part KS – Marking, Stamping, Reports and Records


280


1: Nomenclature

2: Quality Control Systems

3: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee

4: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Devices

5: Adhesive Attachment of Nameplates

6: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds

7: Standard Units for Use in Equations


281


A: Guide for Preparing Manufacturer’s Data Reports

B: Requalification

C: Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization

D: Fracture Mechanics Calculations

E: Construction Details

F: Approval of New Materials Under the ASME Boiler and Pressure Vessel Code

G: Design Rules for Clamp Connections

H: Openings and Their Reinforcement


282


I: Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code

J: Stress Concentration Factors for Cross-Bores in Closed-End Cylinders and Square Blocks


283

Capítulo 8

Tensões Admissíveis

284

• Tensões admissíveis: são as tensões máximasadotadas no dimensionamento de um vaso depressão.

• Tensões admissíveis para temperaturas abaixo da temperatura de fluência estão relacionados com o limite de escoamento ou com o limite de resistência do material de construção do equipamento.

• Para temperaturas elevadas depende do comportamento à fluência, sendo determinante a taxa de deformação na temperatura e o tempo para a falha.


285

Código de Projeto

Abaixo T creep

Acima T creep

ASME VIII –Div.1(FS = 4,0 antes de 1998)

Sr / 3,5(@ Tprojeto)

100% da tensão média que provoca umavelocidade de deformação de 0,01% em 1000 h67% da tensão média que provoca ruptura após100.000 h.80% da tensão mínima que provoca rupturaapós 100.000 h

(2/3)Sy

(@ Tprojeto)

ASME VIII –Div.2 (FS = 3,0 antes de 2007)

Sr / 2,4(@ Tambiente)

Até a revisão de 2007, não existiam critériospara a região de comportamento à fluência.Após 2007, os critérios são semelhantes aos daDivisão 1.

(2/3)Sy

(@ Tprojeto)


286

Código de Projeto

Abaixo T creep

Acima T creep

PD-5500

Sy / 1,5 (@ Tprojeto) 1 / 1,3 da tensão média que provoca ruptura

num tempo t, numa temperatura T, de acordocom o materialSr / 2,35

(@ Tambiente)

AD -Merkblatter

Sy / 1,5 (@ Tprojeto)

100% da tensão média que provoca umavelocidade de deformação de 0,01% em 1000 h.67% da tensão média que provoca ruptura após100.000 h.


287

• A tabela a seguir exemplifica as diferenças no valor da tensão admissível e peso do equipamento para um material de especificação SA-516 Gr.60, que possui as propriedades mecânicas abaixo descritas para a condição de temperatura ambiente.

• Tensão de escoamento mínima = 32,0 ksi

• Limite de resistência = 60,0 ksi


288

Código EdiçãoTensões

Adm. [ksi] Redução

de Peso []

ASME Seç.VIII – Divisão 1 Antes 1998 15,0 0 %

ASME Seç.VIII – Divisão 1 Após 1998 17,1 12,3 %

ASME Seç.VIII – Divisão 2 Antes 2007 20,0 25,0 %

ASME Seç.VIII – Divisão 2 Após 2007 21,3 29,6 %

PD-5500 21,3 29,6 %

AD-Merkblatter 21,3 29,6 %


289

TABLE 1A Section I; Section III, Class 2 and 3; and Section VIII, Division 1

Maximum Allowable Stress Values S for Ferrous Materials


290

TABLE 1A Section I; Section III, Class 2 and 3; and Section VIII, Division 1

Maximum Allowable Stress Values S for Ferrous Materials


291

Capítulo 9

Juntas Soldadas

292

• Código ASME (Tabela UW-12) :– Juntas de topo com cordão duplo (Tipo 1);– Juntas de topo com cordão simples e cobre junta

(Tipo 2);– Juntas de topo com cordão simples (Tipo 3);– Junta sobreposta com solda dupla em angulo

(integral) ( Tipo 4);– Junta sobreposta com solda simples em angulo

(integral) e solda de tampão (Tipo 5);– Junta sobreposta com solda simples em angulo

(integral) (Tipo 6).

Tipos de Juntas Soldadas

293


Somente para solda de fechamento

(vasos pequenos)

Nota: Considerado com Tipo 1, se a qualidade

e a penetração total, da raiz, for garantida

(Via Processo de Soldagem / Procedimento de Soldagem)

Só p/ juntas circ. t ≤

16mm e Ø ≤ 600mm

294


295


DETALHES NÃO PERMITIDOS

296


297

• Categoria da junta: define a localização noequipamento, não define o tipo de junta soldada.– Categoria A - Juntas longitudinais do costado e botas,

transições de diâmetros, pescoço de bocais. Todas asjuntas do corpo da esfera. Soldas circunferenciaisligando tampos hemisféricos ao costado;

– Categoria B - Juntas circunferenciais do costado ebotas, transições de diâmetros, pescoço de bocais.Soldas de ligação entre tampos, exceto o hemisférico,ao costado;

– Categoria C - Juntas conectando flanges, espelhos,tampos planos;

– Categoria D - Juntas de ligação de pescoço de bocais ebotas ao costado.

Categorias de Juntas

298

Categorias de Juntas

299

(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)(1) Todas as juntas de topo em costado e tampos em

vasos com “Serviço Letal”;(2) Todas as juntas de topo em componentes

pressurizados de vasos em que a espessuranominal na região da junta exceda 1 ½ in, ouexceda os limites estabelecidos em UCS-57, UNF-57, UHA-33, UCL-35 ou UCL-36;

(3) Todas as soldas de topo em costado e tampos em“unfired steam boilers” tendo pressão de projetosuperior a 50 psi;

Inspeção de Fabricação

300

(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)

(4) Todas as soldas de topo em bocais, botas, etc,...conectando em seções de vasos ou tampos queexigem radiografia total conforme itens (1) e (2)acima;


301

(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)(5) Todas as juntas de Categorias A & D em seções de

vasos ou tampos onde a eficiência utilizada noprojeto é permitida por UW-12(a), neste caso :

(a) Soldas de Categorias A & B conectando seções de vasos outampos deverão ser do Tipo (1) ou Tipo (2) da Tab. UW-12;

(b) Soldas de Categorias B ou C que interceptam juntas deCategoria A em seções de vasos ou tampos ou conectandoseções ou tampos sem costura devem ser, no mínimo,radiografadas por pontos de acordo com UW-52;


RT 100%

“Spot–min.

“Spot–min.

302

(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)(6) Todas as soldas de topo unidas por eletro gás com

passe único maior que 1 ½ in e todas as soldas poreletroescória;

(7) Exame de ultra-som de acordo com UW-53 poderásubstituir o ensaio radiográfico para a solda final defechamento de um vaso que não permite acessopara o filme. A dificuldade de utilização daradiografia não pode ser justificativa para suasubstituição.


Code Case 2235: Permite utilizar Ultra-som com Registro no lugar da Radiografia para todo o vaso

303

(b) - Radiografia por Pontos (Conforme UW-52)

Exceto quando requerido em (a)(5)(b) acima, juntasde topo dos Tipos (1) ou (2) da Tabela UW-12 quenão são requeridas radiografia total, conforme item(a), podem ser examinadas por pontos. Seradiografia por pontos é especificada para o vasointeiro, ensaio radiográfico não é requerido para asjuntas de Categorias B & C em bocais ou botas queexcedem NPS 10 nem 1 1/8 in de espessura.


304

(c) - Sem Radiografia

Exceto como requerido em (a) acima, nenhumaradiografia é requerida para juntas de vasosprojetados apenas para pressão externa, ou quandoo projeto da junta está de acordo com UW-12 (c).


305


Table UCS-57 Thickness above which full radiographic examination of butt-welded joints is mandatory

P-No & Group No.Classification of

Material

Nominal thickness above which butt-welded joints shall be fully

radiographed, in (mm)

1 Gr. 1, 2, 3 1 ¼ (32)

3 Gr. 1, 2, 3 3/4 (19)

4 Gr. 1, 2 5/8 (16)

5A Gr. 1, 2 0 (0)

5B Gr. 1, 2 0 (0)

5C Gr. 1 0 (0)

Ex. 2 ¼ Cr – 1 Mo

Ex. 5 Cr – 1 Mo

Ex. 2 ¼ Cr – 1 Mo - V

306


Table UCS-57 Thickness above which full radiographic examination of butt-welded joints is mandatory

P-No & Group No.Classification of

Material

Nominal thickness above which butt-welded joints shall be fully

radiographed, in (mm)15E, Gr.1 0 (0)9A Gr. 1 5/8 (16)9B Gr. 1 5/8 (16)

10A Gr. 1 3/4 (19)10B Gr. 1 5/8 (16)10C Gr. 1 5/8 (16)10F Gr. 1 3/4 (19)

307

Observação:P-Number é um número que caracteriza grupos de materiais com a mesma soldabilidade. Group Number se fixa características de tratamento térmico e do exame radiográfico de um equipamento. Nas tabelas de tensão admissível constantes das normas encontram-se a indicação do P-Number e Group Number de cada material.


308

Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta

(a)Full2

(b)Spot3

(c)Sem

(1)

Juntas de topo com dupla soldagem ou obtida de modo a manter a mesma qualidade de metal depositado interna e externamente de forma a estar de acordo com os requisitos de UW-35. Soldas utilizando mata-juntas que permaneçam no local são excluídas.

Nenhuma A, B, C & D 1,00 0,85 0,70

Eficiência de Junta Soldada

309


(a)Full2

(b)Spot3

(c)Sem

(2)

Solda simples em juntas de topo com utilização de mata-juntas ou outro tipo que os incluídos em (1)

(a) Nenhuma exceto como em (b) abaixo;

A, B, C & D

0,90 0,80 0,65

(b) Juntas de topo circunferenciais com um “offset”, conforme UW-13(b)(4) e Figura UW-13.1 sketch (k)

A, B & C 0,90 0,80 0,65


310


(a)Full2

(b)Spot3

(c)Sem

(3)

Solda simples em juntas de topo sem utilização de mata-juntas

Somente em juntas de topo circunferenciais, com espessuras abaixo de 5/8 in e com diâmetros inferiores a 24 in

A, B & C NA NA 0,60

(4)Solda de filete (sobreposta) dupla

(a) Juntas longitudinais com espessura abaixo de 3/8 in;

A NA NA 0,55

(b) Juntas circunferenciais com espessuras abaixo de 5/8 in

B & C6 NA NA 0,55


311


(a)Full2

(b)Spot3

(c)Sem

(5)

Solda de filete(sobreposta)simples com“plug welds”conforme UW-17

(a) Juntas circunferenciais parajunção de tampos comdiâmetros externos nãosuperiores a 24 in e costadocom espessuras inferiores a ½in.

B NA NA 0,50

(b) Juntas circunferenciais4 parajunção de costados ou jaquetascom espessuras nominaisinferiores a 5/8 in, onde àdistância do centro do “plugweld” para a extremidade dachapa não é menor que 1 ½ odiâmetro do furo para o “plug”.

C NA NA 0,50


312


(a)Full2

(b)Spot3

(c)Sem

(6)

Solda defilete simplessem “plugwelds”

(a) Para junção de tampos compressão atuante no lado convexoem costados com espessurarequerida não superiores a 5/8 in,somente com o uso de solda defilete interno ao costado;

A & B NA NA 0,45

(b) Para junção de tampos tendopressão em ambos os lados emcostados com diâmetros internosnão superiores a 24 in e comespessura requerida não superioresa ¼ in com solda de filete no ladoexterno do tampo flangeadosomente.

A & B NA NA 0,45


313


(a)Full2

(b)Spot3

(c)Sem

(7)

Juntas de canto,penetração total,penetração parcial,ou solda de filete.

Como limitadopela figura UW-13.2 e figura UW-16.1.

C & D7 NA NA NA

(8) Junta em ângulo

Projeto peloparágrafo U-2(g)para juntasCategoria B e C.

B, C & D NA NA NA


314

• Conforme Código ASME Seç.VIII – Divisão 2 (Article D-4), as soldas pressurizadas do equipamento devem ser totalmente radiografadas, sendo admitido o uso de radiografia parcial para algumas condições específicas (aço carbono e espessuras reduzidas).


315

• Os tipos de juntas permitidas para o ASME Seção VIII – Divisão 2, são as seguintes :

• Categoria A: Todas as juntas de cat. A devem ser do tipo 1;

• Categoria B: Todas as juntas de cat. B devem ser do tipo 1 ou tipo 2;

• Categoria C: Todas as juntas de cat. C devem ser do tipo 1 de topo, em ângulo com penetração total, ou para aplicações limitadas às juntas cat. C podem ser de filete.


316

• Categoria D: Todas as juntas de cat. D devem ser do tipo 1 de topo ou em ângulo com penetração total.

• Os itens do Article D-4 do ASME Seç.VIII – Div.2 apresentam todas as limitações e exceções de geometria de juntas soldadas permitidas.


317


318

Capítulo 10

Condições de Operação e de Projeto de Vasos de Pressão

319

• A pressão atuante num vaso pode ser definida em várias etapas ao longo do ciclo de operação do equipamento, de tal forma que definimos uma série de conceitos para identificar cada etapa:– mínima de operação;

– máxima de operação;

– de projeto;

– máxima de admissível;

– abertura da válvula de segurança;

– teste hidrostático.

Condições de Projeto

320

• A pressão máxima admissível por ser ainda definida para diversas condições diferentes da vida útil e da condição operacional do equipamento:– PMACQ – condição de equipamento totalmente corroído

(último dia de operação) e na temperatura de projeto;

– PMACF – condição de equipamento totalmente corroído (último dia de operação) e na temperatura ambiente;

– PMANQ – condição de equipamento novo (primeiro dia de operação) e na temperatura de projeto;

– PMANF – condição de equipamento novo (primeiro dia de operação) e na temperatura ambiente.


321

• As pressões máximas admissíveis são utilizadas pelo código de projeto para a definição das condições de teste hidrostático do equipamento na fábrica:– PMACQ – utilizada para a determinação da pressão de

teste hidrostático padrão;

– PMANF – utilizada para a determinação da pressão de teste hidrostático alternativo.

– PMACF e PMANQ – não são calculadas


322

• As pressões de teste hidrostático definidas para o equipamento na fábrica são denominadas Padrão e Alternativa.

• A pressão de teste hidrostático Padrão utiliza a pressão máxima admissível do equipamento na condição corroída e quente e é validada para o último dia de operação;

• A pressão de teste hidrostático Alternativa utiliza as pressões máximas admissíveis dos componentes principais do equipamento na condição novo e frio e é validada para o primeiro dia de operação.


323

• Da mesma forma, as temperaturas de metal sãodecorrentes de várias etapas:– temperatura normal de operação;

– máxima de operação;

– mínima de operação;

– de projeto.


324

• Pressão e temperatura de operação

• A pressão e temperatura de operação são as suas“condições de operação”, isto é, os pares de valoressimultâneos de pressão e temperatura nos quais ovaso deverá operar em condições normais.

• As pressões são definidas como medidas no topo dovaso, devendo-se quando for o caso, acrescentar apressão equivalente à coluna hidrostática do líquidocontido no vaso.


325


• Devemos distinguir os valores normais de operaçãodos valores máximos. Os primeiros são valores deregime normal, enquanto os outros são os valoresmáximos que podem ocorrer ao equipamento,mesmo em condições transitórias.


326


• Eventualmente, um vaso poderá estar sujeito a maisde uma condição de regime. Quando for este ocaso, todas as condições deverão ser consideradas,inclusive para dimensionamento do equipamento àfadiga (ASME, Seção VIII, Divisão 2, AD-160).


327

• Pressão e temperatura de projeto

• A temperatura, da mesma forma, deve serconsiderada para projeto do equipamento.

• As temperaturas normal e máxima de parede sãoconsideradas na definição da temperatura deprojeto, normalmente acrescentando-se umamargem de segurança em relação à condiçãonormal de operação do fluido.


328


• Se a condição de temperatura máxima for devida àuma condição anômala, podendo ocorrersimultaneamente à condição de operação, então, oequipamento poderá ser projetado por estacondição, visto que o mesmo deve suportar TODASas condições previstas durante a sua vida útil.


329


• Seja em condição normal ou eventual, atemperatura mínima de operação deverá serconsiderada na seleção do material, visto que deacordo com o ASME, Seção VIII, Divisão 1, parágrafoUCS-66, em função da “classe” do material e da suaespessura, poderá ocorrer a modificação docomportamento de dúctil para frágil, podendoocorrer a ruptura frágil em operação, ou mesmodurante o teste hidrostático.


330


• Denominam-se “Condições de Projeto” ao parpressão e temperatura que definiram odimensionamento do equipamento, bem como paraseleção do material de construção.

• De acordo com o parágrafo UG-21 do Código, acondição de projeto é a “pressão correspondente àscondições mais severas de pressão e temperaturacoincidentes que possam ser previstas em serviçonormal”.


331

• Poderá ocorrer que determinado equipamentopossa vir a ser submetido à condições simultâneasde pressão interna e externa, por exemplo, vasospara exploração submarina de petróleo. Ora, emcondição tal que é garantida a existência desimultaneidade nas pressões interna e externa,então o equipamento poderá ser calculado pelapressão diferencial.


332

• Em condições normais, tal não ocorre e oequipamento deverá ser projetado considerando-seseparadamente cada condição.


333

• No caso de vasos de pressão interna, é usual estabelecermos para a pressão de projeto o maior dentre os seguintes patamares:

– 105% da pressão máxima de operação (o dispositivo de alívio for operado por válvula piloto)

– 110% da pressão máxima de operação (demais casos)

– 1,5 kgf/cm2 manométrico.


334

• Para vasos submetidos à pressão externa é usualconsiderar-se a condição de vácuo total, emboraisto não seja exigido pelo Código.

• Esta situação poderá prevenir a ocorrência decondensação de produto em um ambienteconfinado, provocando redução do volumeespecífico com conseqüente geração de vácuoparcial.


335

Colapso em um tampo toroesférico

www.mech.uwa.edu.auCargas impostas - FEA


336

• Situação anômalas a serem consideradas noprojeto, se existentes:– Despressurização súbita de gás a alta pressão, devida a

falha de uma junta de vedação,– Geração de vácuo, devida à interrupção da fonte quente

em uma torre fracionadora, provocando a condensaçãodas frações gasosas;

– Condição de “explosão” dentro do vaso, provocada pelavaporização súbita de um líquido, ou pela rupturacompleta de um tubo em um trocador de calor, gerandouma onda de choque devida à súbita expansão.


337

• Pressão máxima admissível (PMA) e Pressão de abertura da Válvula de Segurança

• A PMA de um vaso é a menor pressão dentre as máximas pressões suportadas por cada componente do equipamento.


338

• Resumindo (passo a passo):–1 – Definição das espessuras corroídas de cada

componente espessuras calculadas (projeto)ou medidas no campo (inspeção);

–2 – Determinação da pressão máxima admissívelde cada componente, considerando-se a suatensão admissível tabelada para a condição detemperatura de projeto;

–3 - A menor dentre as pressões máximasadmissíveis dos componentes, descontada acoluna máxima de líquido em operação, édefinida como a pressão máxima admissível doequipamento.


• Dispositivos de alívio de pressão:

São geralmente válvulas calibradas (PSV – Pressure Safety Valves) que devem ser ajustadas de modo a se abrirem a uma determinada pressão (pressão deInício de Abertura ou “SET” da Válvula) e a estarem completamente abertas (Abertura Plena) quando a pressão atinge um determinado limite permitido pelo Código, para cada condição anormal prevista para o equipamento.


339

340

• O parágrafo UG-125 (c) do Código ASME cita que um vaso com um único dispositivo de alívio poderá atingir, após total abertura desta PSV, até 10% ou 3 psig (o maior dentre estes valores) acima da PMA.

• Quando vários dispositivos são utilizados, tal valor pode chegar a 16% ou 4 psig.

• Tabela - valores máximos da pressão de ajuste, permitidos pelo Código (conforme UG-125 e UG-134), para cada condição anormal, com relação aos seguintes tipos de válvula:


• Válvulas Operacionais – utilizadas para atender a condições anormais de operação

&

• Válvulas para Condição de Fogo – utilizadas para atender a condição de pressão excessiva provocada por fogo externo ao equipamento (quando requerido pelo Projeto Básico).


341

342


343

Capítulo 11

Dimensionamento de Vasos de Pressão

344

t – espessura req., calculada para as condições deprojeto.

P – pressão de projeto;S – tensão admissível na temperatura de projeto;R – raio interno do componente;Ro – raio externo do componente;D – diâmetro interno do componente;Do – diâmetro externo do componente;L – raio interno para o tampo hemisférico ou raio

interno da coroa para o tampo toro-esférico;Lo – raio externo para o tampo hemisférico ou raio

externo da coroa para o tampo toro-esférico;

Dimensionamento

345

- semi-ângulo interno da parte cônica, de umtampo cônico ou toro-cônico, em relação aocentro;

r – raio interno da parte tórica;h – semi-eixo menor do tampo elipsoidal ou sua

profundidade medida a partir da linha detangência;

E – eficiência de junta

Dimensionamento

346

Tensões circunferenciais Tensões longitudinais

P 0,385SE P 1,25SE

Espessura mínima requerida P4,0SE

PR

P6,0SE

PRt o

P4,1SE2

PR

P4,0SE2

PRt o

Pressão máxima admissível

t4,0R

tSE

t6,0R

tSEP

o

t4,1R

tSE2

t4,0R

tSE2P

o

t R / 2

Tensões atuantes

tE

t4,0RP

tE

t6,0RPS o

tE2

t4,1RP

tE2

t4,0RPS o

P > 0,385SE P > 1,25SE

Espessura mínima requerida

21

21

o2

1

Z

1ZR

1ZRt

PSE

PSEZ

21

21

o2

1

Z

1ZR

1ZRt

1SE

PZ


2

2

2

2

b1

b1SE

1a

1aSEP

1R

ta 1

R

tb

o

2

22

b

b1SE1aSEP

1R

ta 1

R

tb

o

t > R / 2

Tensões atuantes

2

2

2

2

b1E

b1P

1aE

1aPS

2

2

2 b1E

b1P

1aE

PS

Costado cilíndrico

Dimensionamento

347

Tensões circunferenciais Tensões longitudinais

P 0,385SE P 1,25SE

Espessura mínima requerida P4,0SE

PR

P6,0SE

PRt o

P4,1SE2

PR

P4,0SE2

PRt o


t4,0R

tSE

t6,0R

tSEP

o

t4,1R

tSE2

t4,0R

tSE2P

o

t R / 2

Tensões atuantes

tE

t4,0RP

tE

t6,0RPS o

tE2

t4,1RP

tE2

t4,0RPS o

P > 0,385SE P > 1,25SE


21

21

o2

1

Z

1ZR

1ZRt

PSE

PSEZ

21

21

o2

1

Z

1ZR

1ZRt

1SE

PZ


2

2

2

2

b1

b1SE

1a

1aSEP

1R

ta 1

R

tb

o

2

22

b

b1SE1aSEP

1R

ta 1

R

tb

o

t > R / 2

Tensões atuantes

2

2

2

2

b1E

b1P

1aE

1aPS

2

2

2 b1E

b1P

1aE

PS

Costado cilíndrico

Dimensionamento

348

Casco e tampo esférico

t 0,356LP 0,665SE


t = P.L / (2.S.E – 0,2.P) = P.Lo / (2S.E + 0,8.P)


P = 2.t.S.E / (L + 0,2.t) = 2.t.S.E / (Lo – 0,8.t)

Tensões atuantes

S = P.(L + 0,2.t) / (2.t.E) = P.(Lo – 0,8.t) / (2.t.E)

Dimensionamento

349

Tampo elipsoidal

K = (1/6).{2+[D/(2.h)]2}Para o tampo padrão :D / (2.h) = 2 K = 1

Espessura mínimarequerida

t = P.D.K/(2.S.E–0,2.P) = = P.Do.K/[2.S.E+2.P.(K–0,1)]

Pressão máximaadmissível

P = 2.t.S.E/(D.K+0,2.t) = = 2.t.S.E/[Do.K – 2.(K – 0,1)]

Tensões atuantes S = P.(D.K+0,2.t)/(2.t.E) == P.[Do.K–2.(K–0,1)]/(2.t.E)

D / 2h 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0

K 1,83 1,73 1,64 1,55 1,46 1,37 1,29 1,21 1,14 1,07 1,00

D / 2h 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0

K 0,93 0,87 0,81 0,76 0,71 0,66 0,61 0,57 0,53 0,50

Dimensionamento

350

Tampo toroesféricoM = (1/ 4).[3 + (L / r)1/2]

Espessura mínimarequerida

t = P.L.M/(2.S.E – 0,2.P) == P.Lo.M / [2.S.E + P.(M – 0,2)]

Pressão máximaadmissível

P = 2.t.S.E / (L.M + 0,2.t) == 2.t.S.E / [Lo.M – (M – 0,2)]

Tensões atuantes S = P.(L.M + 0,2.t)/(2.t.E) == P.[Lo.M – (M – 0,2)]/(2.t.E)

L / r 1,0 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50

M 1,00 1,03 1,06 1,08 1,10 1,13 1,15 1,17 1,18 1,20 1,22

L / r 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0

M 1,25 1,28 1,31 1,34 1,36 1,39 1,41 1,44 1,46 1,48 1,50

L / r 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 16 2/3

M 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62 1,65 1,69 1,72 1,75 1,77

Dimensionamento

351

Tampo conico

30o

Espessura mínima requerida t = P.D/[2.cos.(S.E–0,6.P)]

Pressão máxima admissível P = 2.t.cos.S.E/(D+1,2.t.cos)

Tensões atuantes S = P.(D+1,2.t.cos)/(2.t.cos.E)

> 30o

Análise especial

Dimensionamento

352

• Devem ser adotadas de preferência, como espessuras nominais(comerciais) os seguintes valores, em milímetros : 4,75 / 6,3 / 8,0 / 9,5 / 11,2 / 12,5 / 14,0 / 16,0 / 17,5 / 19,0 / 20,6 / 22,4 / 23,6 / 25,0 / 28,6 / 31,5 / 34,9 / 37,5 / 41,3 / 44,4 / 47,5 / 50,0.

• Para espessuras superiores a 50,0 mm devem ser adotados valores inteiros em milímetros.

Espessuras

353

• As tolerâncias de fornecimento das chapas não precisam ser consideradas, desde que as chapas estejam de acordo com as normas ASTM A-20 e PB-35.

Espessuras

354

• Para tampos abaulados e outras peças prensadas ou conformadas, deve ser previsto um adequado acréscimo na espessura das chapas, para compensar a perda de espessura na prensagem ou na conformação, de forma que a espessura final da peça acabada tenha no mínimo o valor calculado ou o valor que consta nos desenhos.

Espessuras

355

• Nos vasos em que forem previstas diferentes espessuras de chapas para os diversos anéis, permite-se ao projetista modificar para mais essas espessuras, com a finalidade de acertar as alturas dos anéis, com as dimensões comerciais das chapas.

Espessuras

356

• Devem sempre ser acrescentada uma adequada sobrespessura para corrosão exceto quando, para o serviço e o material em questão, a corrosão for reconhecidamente inexistente ou desprezível, ou quando houver um revestimento interno anticorrosivo adequado.

• As sobrespessuras para corrosão devem ser baseadas na vida útil do equipamento, conforme a tabela a seguir. Como regra geral, quando a taxa de corrosão prevista for superior a 0,3 mm/ano recomenda-se que seja considerado o emprego de outros materiais mais resistentes a corrosão.

Espessuras

357

Classe dos EquipamentosRefinarias, Terminais e outras Instalações não

Petroquímicas

Unidades Petroquímicas

Equipamentos de grande porte, grande custo ou essenciais ao funcionamento da unidade industrial (reatores, torres, permutadores ou vasos importantes)

20 anos 15 anos

Outros equipamentos não incluídos na classe acima

15 anos 10 anos

Peças desmontáveis ou de reposição (feixes tubulares, internos de torres, etc,...)

8 anos 5 anos

Espessuras

358

• Exceto quando especificado de outra forma, devem ser adotados os seguintes valores mínimos para a sobrespessura para corrosão, para as partes construídas em aço carbono ou em aços de baixa liga:

• (a) Torres, vasos e permutadores em geral para serviços hidrocarbonetos: 3 mm;

• (b) Potes de acumulação (botas) para os vasos acima: 6 mm;

• (c) Vasos em geral para vapor e ar: 1,5 mm;• (d) Vasos de armazenamento da gases liquefeitos de

petróleo: 1,5 mm

Espessuras

359

Capítulo 12

Teste de Vasos de Pressão

360

• Os testes de pressão são a última prova por que passam os vasos de pressão antes que sejam entregues a operação. São realizados para verificar se a estanqueidade de todas as juntas soldadas e conexões do equipamento e submetê-lo a um nível de tensões superior ao que estará sujeito em condições normais, pela primeira vez, promovendo alívio de tensões provenientes de descontinuidades geométricas.

Teste de Pressão

361

• Pode-se realizar testes hidrostáticos, pneumáticos ou mistos, sendo os mais comuns os primeiros. O teste pneumático ou o misto, só deverão ser realizados em casos excepcionais, devido ao grande perigo que representam.

Teste de Pressão

362

• Definição

• Teste de Pressão - Teste por meio de fluido compressível ou incompressível ou uma mistura de ambos, até um dado valor de pressão, com a finalidade de aliviar as tensões residuais, avaliar a integridade e a resistência estrutural dos componentes sujeitos a pressão, dentro das condições estabelecidas para a sua realização.

Teste de Pressão

363

• Procedimento de Teste: Durante os testes de pressão muito importante que sejam tomadas todas as medidas de segurança necessárias para que se tenha um total controle da situação e sejam evitados acidentes. Entre essas medidas incluem-se as seguintes:

Teste de Pressão

364

• Ocasião do Teste: O teste só pode ser realizado depois de decorrido um prazo de 48 horas após a execução da última soldagem em partes pressurizadas e partes de sustentação do equipamento.

Teste de Pressão

365

• Água: Deve ser verificado com o projetista quais as características de pureza da água adequada e feito o controle dessas características. O teor máximo de cloretos permitidos na água deve ser definido pelo projetista, porém nunca superior a 50 ppm, para equipamentos de aços inoxidáveis austeníticos ou com revestimento interno desses materiais.

Teste de Pressão

366

• Temperatura do Teste: A temperatura da água deve estar compatível com a temperatura de projeto, para equipamentos que operam em baixas temperaturas.

Teste de Pressão

367

• Temperatura do Teste: Para evitar risco de fratura frágil durante o teste, devem ser respeitadas as seguintes condições de temperatura do metal:

• a) equipamentos com espessura de parede maior ou igual a 50,8 mm (2”):

– A temperatura do metal deve ser mantida a, pelo menos, 17°C acima da temperatura de projeto mínima do metal ou, no mínimo, a 15 °C, o que for maior;

Teste de Pressão

368

• Temperatura do Teste:

• b) equipamentos com espessura de parede menor que 50,8 mm (2”):

– A temperatura do metal deve ser mantida a, pelo menos, 6 °C acima da temperatura de projeto mínima do metal ou, no mínimo, a 15 °C, o que for maior.

Teste de Pressão

369

• Nota: A temperatura de teste deve ser igual ou

superior aos valores estabelecidos, a menos que

existam informações sobre características frágeis do

material do equipamento, indicando que uma

temperatura de teste diferente da recomendada

seja aplicável.

Teste de Pressão

370

• Manômetros: Devem ser utilizados no mínimo 3

manômetros para acompanhamento do teste,

sendo um deles registrador. Pelo menos um deles

deve ficar a uma distância segura do equipamento,

devendo ser instalados bloqueios entre os

manômetros e o equipamento para permitir sua

substituição, caso necessário.

Teste de Pressão

371

• A localização e quantidade de manômetros e

registradores utilizados para a realização do teste

devem ser definidas pelo Profissional Habilitado em

função das dimensões, do período de teste e acesso

ao equipamento ou conjunto a ser testado.

Teste de Pressão

372

• Segurança: Devem ser previstas condições de segurança antes e durante a execução do teste. A área deve ser isolada e serão proibidos soldas sobre o equipamento ou sobre qualquer parte em contato elétrico com o mesmo, enquanto o equipamento contiver água.

• Pressão de teste: Devem ser utilizados os valores de pressão de teste determinados pelo projeto mecânico do equipamento.

Teste de Pressão

373

• Pressão de teste

• Os seguintes aspectos devem ser considerados quando da definição de pressão de teste pelo Profissional Habilitado:

– a) código e norma de projeto de fabricação;

– b) código de inspeção em serviços aplicáveis;

– c) relação entre as condições de projeto e condições de operação;

– d) potencial de risco e localização do vaso na unidade industrial;

Teste de Pressão

374

• Pressão de teste

– e) histórico de resultados das inspeções de segurança internas e externas anteriores;

– f) histórico de resultados de testes de pressão anteriores;

– g) possibilidade da existência de defeitos subcríticos;

– h) avaliação da PMTA na condição atual do equipamento.

Teste de Pressão

375

• Recalque: Durante o teste hidrostático deve ser prevista a proteção do equipamento em relação a pressões superiores a pressão de teste ou quanto a possibilidade de vácuo; deve ser também acompanhado e medido o recalque da fundação.

Teste de Pressão

376

• Execução do Teste: Recomenda-se o seguinte procedimento de teste: [Prática Recomendada].

• a) elevar a pressão até 50 % da pressão de teste;

• b) inspecionar o vaso;

• c) elevar gradativamente a pressão até a condição de teste;

Teste de Pressão

377

• d) manter o vaso pressurizado neste patamar pelo tempo mínimo de 30 minutos e por motivo de segurança, nenhuma inspeção deve ser executada durante este período;

• e) reduzir gradativamente a pressão para um valor de até 65 % da pressão de teste;

• f) inspecionar o vaso;

• g) reduzir gradativamente a pressão de teste até a pressão atmosférica, devendo ser abertos os bocais superiores para evitar vácuo no interior do vaso.

Teste de Pressão

378

• Inspeção após o Teste: Após o teste em equipamentos cladeados ou revestidos com tiras soldadas (“strip lining”), recomenda-se a realização de inspeção visual internamente para a avaliação da integridade do revestimento. [Prática Recomendada]

Teste de Pressão

379

Determinação da Pressão de Teste (ASME Seção VIII -Divisão 1)

• Teste Hidrostático Padrão (Ptp)

• Neste teste a pressão em qualquer ponto do equipamento deve ser no mínimo igual ao seguinte valor:

• Ptp = Fth.PMAcq.(Sf / Sq)

Teste de Pressão

380

• onde:

• Fth = 1,5 para vasos projetados anteriormente à edição de 1998; = 1,3 para vasos projetados posteriormente à edição de 1998 do ASME Div.1;

• PMAcq = pressão máxima admissível de trabalho do equipamento na situação corroída na temperatura de projeto;

• Sf = tensão admissível do material a temperatura do teste;

• Sq = tensão admissível do material na temperatura de projeto.

Teste de Pressão

381

Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div.1)

• Teste Hidrostático Padrão (Ptp)

• Este valor é o mínimo estabelecido pelo código, mas a critério do projetista e usuário do equipamento, ele poderá ser testado de acordo com uma pressão de teste determinada através de um procedimento alternativo. Qualquer valor de pressão entre o procedimento padrão e o alternativo pode ser adotado, de acordo com o ASME.

Teste de Pressão

382

Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div 1)• Teste Hidrostático Alternativo (Pta)• A pressão de teste alternativo, atuando no topo do

vaso, será calculada da seguinte forma:• Determina-se a PMA para cada parte constituinte

do equipamento, na condição não corroída e na temperatura do teste (PMAnf para cada componente) ; multiplicamos cada um desses valores por 1,3 ou 1,5, a depender da edição do código; desconta-se a altura hidrostática atuando em cada parte, em relação ao topo do equipamento, adota-se o menor valor calculado.

Teste de Pressão

383

Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div 1)

• Observações

• As condições do teste devem ser claramente definidas entre fabricante e usuário. Deve ficar claro se a pressão de teste é referente ao vaso novo ou corroído, assim como se a pressão de teste referente ao vaso na posição horizontal ou vertical (Para os vasos verticais exige-se a determinação dos valores da pressão de teste nas duas posições).

Teste de Pressão

384

• O código não limita superiormente a pressão de

teste, porém pressões acima dos valores de Ptp ou

Pta, poderão provocar deformações excessivas

causando a rejeição do equipamento.

Teste de Pressão

385


• Observações

• É importante lembrar que, na condição de teste hidrostático, a tensão máxima poderá atingir 80% ou 90% do limite de escoamento do material na temperatura ambiente, nas partes pressurizadas. Nas partes não pressurizadas pode-se considerar a tensão admissível básica acrescida de 33 1/3%.

Teste de Pressão

386


• Vasos submetidos à pressão externa deverão também ser submetidos a um teste hidrostático ou quando este for impraticável a um teste pneumático. Em qualquer caso a pressão de teste não deverá ser inferior a 1,5 vezes a diferença entre a pressão atmosférica normal e a mínima pressão absoluta interna; a pressão interna máxima admissível é calculada da mesma maneira que para os vasos sujeitos a pressão interna.

Teste de Pressão

387

Teste Pneumático ou Hidropneumático

• Cabe ao Profissional Habilitado avaliar as condições de risco e aprovar ou não a alternativa de aplicação do teste com fluido compressível. No caso de aplicação, o teste deve ser supervisionado por Profissional Habilitado.

Teste de Pressão

388

• Nota: A aplicação de teste de pressão com fluido compressível (teste pneumático) ou mistura de fluido compressíveis e incompressíveis (teste hidropneumático) é válida, porém deve ser considerado que um equipamento submetido a teste com fluido compressível tem uma energia armazenada muito maior que o mesmo vaso submetido a teste hidrostático na mesma pressão. Visto que o potencial de risco numa eventual liberação não controlada dessa energia é muito maior, a aplicação de teste pneumático ou hidropneumático deve ser restrita àquelas condições em que um fluido líquido é inviável, ou quando a pressão de teste é de tal ordem que a energia armazenada é comparável àquela existente no vaso na sua condição de operação normal.

Teste de Pressão

389

Teste Pneumático ou Hidropneumático• O sistema para pressurização deve conter, no

mínimo:• a) dispositivo de controle de pressão instalada à

montante do sistema sob teste, ajustada para a pressão de ensaio, de modo a impedir que haja sobrepressão;

• b) válvulas de fechamento rápido, instaladas à montante e à jusante do sistema sob teste.

• Nota: Recomenda-se a utilização de dispositivo de alívio automático contra sobrepressão adequado ao sistema sob teste. [Prática Recomendada]

Teste de Pressão

390

Teste Pneumático ou Hidropneumático• Pressão de teste: Os seguintes aspectos devem ser

considerados quando da definição de pressão de teste pelo Profissional Habilitado:

• a) código e norma de projeto de fabricação;• b) código de inspeção em serviços aplicáveis;• c) relação entre as condições de projeto e

condições de operação;• d) potencial de risco e localização do vaso na

unidade industrial;• e) histórico de resultados das inspeções de

segurança internas e externas anteriores;

Teste de Pressão

391


• Pressão de teste: Os seguintes aspectos devem ser considerados quando da definição de pressão de teste pelo Profissional Habilitado:

• f) histórico de resultados de testes de pressão anteriores;

• g) possibilidade de existência de defeitos subcríticos;

• h) avaliação da PMTA na condição atual do equipamento.

Teste de Pressão

392


• Execução do Teste:

• Recomenda-se o seguinte procedimento de teste: [Prática Recomendada]

• a) elevar a pressão até 102 kPa (1,02 kgf/cm2) ou 10 % da pressão de teste, o que for menor;

• b) inspecionar o vaso;

• c) elevar gradativamente a pressão até a condição de teste;

Teste de Pressão

393



• Recomenda-se o seguinte procedimento de teste: [Prática Recomendada]

• d) manter o vaso pressurizado neste patamar pelo tempo mínimo de 30 minutos e por motivo de segurança, nenhuma inspeção deve ser executada durante este período;

• e) reduzir gradativamente a pressão para um valor de até 80 % da pressão de teste;

Teste de Pressão

394



• f) inspecionar o vaso;

• g) reduzir gradativamente a pressão de teste até a pressão atmosférica, devendo ser abertos os bocais superiores para evitar vácuo no interior do vaso.

Teste de Pressão

395

• É um teste de grande periculosidade e substituirá o teste hidrostático quando:

• - O vaso ou seus suportes não forem dimensionados para suportar o peso do teste hidrostático.

• - Qualquer traço d’água ou do fluído utilizado no teste prejudicar o processo.

Teste de Pressão

396


• A pressão do teste pneumático será no mínimo:

• Pteste > Fth.PMAcq.(Sf / Sq)

• Fth = 1,25 para vasos projetados anteriormente à edição de 1998; = 1,1 para vasos projetados posteriormente à edição de 1998 do ASME Div.1.

Teste de Pressão

397

Capítulo 13

Exemplo de Cálculo de Vaso de Pressão

398

Determine para o vaso a seguir representado, as seguintes informações:

• Espessuras mínimas requeridas e nominais• Pressões máximas admissíveis do equipamento

abaixo descrito, para a condição do equipamento corroído e temperatura de projeto (PMAcq);

• Pressão de ajuste de PSV máxima do equipamento.• Pressão de teste hidrostático do equipamento na

fábrica;• Pressão de teste hidrostático do equipamento ao

final de sua vida útil.

Exemplo de Cálculo

399

8,0 m

2,0 m

Nível máximo de líquido em operação

15,0 m

Exemplo de Cálculo

400

Tipo tampos: Torisféricos 2:1 Data de início de operação

L = 0.904.D / r = 0.173.D / h = 0.250.D

2004

Sobrespessura de corrosão Dens. fluido em operação

C = 3,0 mm d = 0,96

Material costado e tampos Eficiência juntas soldadas

SA-516 Gr.60 E = 0,85

Temperatura de projeto Pressão de projeto

T = 400,0oC P = 11,5 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

401

• Solução: Para o material do equipamento, a tensão admissível na temperatura de projeto é de 13,0 ksi (= 914,0 kgf/cm2), e na temperatura ambiente é de 17,1 ksi (= 1.202,0 kgf/cm2) e a tensão de escoamento na temperatura ambiente é de 32,0 ksi (2.250,0 kgf/cm2) (ASME Seç.II – Part D).

Exemplo de Cálculo

402

1 – Determinação das espessuras mínimas requeridas.P = .h / 10 [kgf/cm2; m]P = pressão devido a coluna de líquido em operação [kgf/cm2]; = densidade do fluido em operação;h = altura da coluna de líquido em operação, atuando no componente [m].

Exemplo de Cálculo

403

1.1 - Costado cilíndrico- Pressão de cálculo:P = Pproj + P = 11,5 + 0,96 x 8,0 / 10,0 12,27 kgf/cm2

- Espessura mínima requerida:t = P.(R+C)/(S.E – 0,6.P) = = 12,27 x (1.000,0 + 3,0)/ (914,0 x 0,85 – 0,6 x 12,27) = = 16,0 mm- Espessura mínima de chapa:tmin = t + C = 16,0 + 3,0 = 19,0 mm- Espessura nominal de chapa: tnom = 22,4 mm (valor adotado para a espessura comercial da chapa a ser utilizada no costado do equipamento).

Exemplo de Cálculo

404

1.2 - Tampo Torisférico - superior- Pressão de cálculo:P = Pproj = 11,5 kgf/cm2

- Espessura mínima requerida:L = 0,904.D = 0,904 x 2.000,0 = 1.808,0 mmr = 0,173.D = 0,173 x 2.000,0 = 346,0 mmM = (1/ 4).[3 + (L / r)1/2] =

= (1/ 4).[3 + (1.808,0 / 346,0)1/2] = 1,32 t = P.(L + C).M/(2.S.E – 0,2.P) = = 11,5x(1.808,0+3,0)x1,32 / (2x914,0x0,85 – 0,2x11,5) = 17,7 mm

Exemplo de Cálculo

405

1.2 - Tampo Torisférico - superior

- Espessura mínima de chapa:

tmin = t + C + Cf = 17,7 + 3,0 + 2,0 = 22,7 mm

Cf = 2,0 mm (perda de espessura por conformação)

-Espessura nominal de chapa:

tnom = 25,0 mm (valor adotado para a espessura

comercial da chapa a ser utilizada no tampo superior

do equipamento).

-Espessura nominal do tampo:

tnom = 25,0 – 2,0 = 23,0 mm

Exemplo de Cálculo

406

1.3 - Tampo Torisférico - inferior- Pressão de cálculo:P = Pproj + P = 11,5 + 0,96 x (8,0 + 0,5) / 10,0 12,32 kgf/cm2

- Espessura mínima requerida:L = 0,904.D = 0,904 x 2.000,0 = 1.808,0 mmr = 0,173.D = 0,173 x 2.000,0 = 346,0 mmM = (1/ 4).[3 + (L / r)1/2] =

= (1/ 4).[3 + (1.808,0 / 346,0)1/2] = 1,32 t = P.(L + C).M/(2.S.E – 0,2.P) = = 12,32x(1.808,0+3,0)x1,32/(2x914,0x0,85–0,2x12,32) = 19,0 mm

Exemplo de Cálculo

407

1.3 - Tampo Torisférico - inferior

-Espessura mínima de chapa:

tmin = t + C = 19,0 + 3,0 + 2,0 = 24,0 mm

Cf = 2,0 mm (perda de espessura por conformação)

-Espessura nominal de chapa:

tnom = 25,0 mm (valor adotado para a espessura

comercial da chapa a ser utilizada no tampo inferior do

equipamento).

-Espessura nominal do tampo:

tnom = 25,0 – 2,0 = 23,0 mm

Exemplo de Cálculo

408

2 – Determinação das pressões máximas admissíveis.2.1 - Costado cilíndrico- Pressão máxima admissível – nova e fria:P = t.S.E / (R + 0,6.t) =

= 22,4 x 1.202,0 x 0,85 / (1.000,0 + 0,6 x 22,4) = = 22,6 kgf/cm2

- Pressão máxima admissível – corroída e quente:P = t.S.E/(R + 0,6.t) == (22,4–3,0)x914,0x0,85/[(1.000,0+3,0)+0,6x(22,4–3,0)] = 14,9 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

409

2.2 – Tampo superior

- Pressão máxima admissível – nova e fria:

P = 2.t.S.E / (L.M + 0,2.t) =

= 2 x 23,0x1.202,0 x 0,85/(1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)

= 19,7 kgf/cm2

- Pressão máxima admissível – corroída e quente:

P = 2.t.S.E/(L.M+0,2.t) =

= 2x(23,0–3,0)x914,0x0,85 / [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 +

0,2 x (23,0 - 3,0)] = 13,0 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

410

2.3 – Tampo inferior

- Pressão máxima admissível – nova e fria:

P = 2.t.S.E / (L.M + 0,2.t) =

= 2 x 23,0x1.202,0 x 0,85/(1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)

= 19,7 kgf/cm2

- Pressão máxima admissível – corroída e quente:

P = 2.t.S.E/(L.M+0,2.t) =

= 2x(23,0–3,0)x914,0x0,85 / [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 +

0,2 x (23,0 - 3,0)] = 13,0 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

411

3 – Pressão de ajuste da PSV

A pressão de ajuste da PSV poderá ser definida em

qualquer valor entre a pressão de projeto e a pressão

máxima admissível corroída e quente do equipamento.

Como valor limite, adequada para toda a vida útil

estimada do equipamentos, a pressão máxima

admissível corroída e quente é definida como:

PMAcq:

menor valor entre [PMAcq(comp.)]refer. ao topo do equipamento

Exemplo de Cálculo

412

Pressão [kgf/cm2]

ComponentePMAcq

(componente)P (coluna de

fluido)PMAcq(ref. ao

topo)

Tampo superior 13,0 0,0 13,0

Costado 14,9 0,77 14,1

Tampo inferior 13,0 0,82 12,2

PMAcq (equipamento) [kgf/cm2] 12,2

• A pressão máxima admissível do equipamento, para a condição corroída e quente é 12,2 kgf/cm2, que pode ser definida como a pressão máxima de ajuste da PSV.

Exemplo de Cálculo

413

4 – Determinação da pressão de teste hidrostático de fábrica.A pressão de teste hidrostático a ser aplicada na fábrica, deverá ser o valor mais elevado entre as pressões de teste padrão e alternativa, determinadas de acordo com o código de projeto (ASME Seção VIII –Divisão 1). A tensão atuante em cada componente durante o teste hidrostático não poderá ultrapassar um valor limite equivalente a 90% da tensão de escoamento do material, na temperatura ambiente.

Exemplo de Cálculo

414

4.1 – Pressão de Teste Hidrostático Padrão.

A pressão de teste hidrostático padrão é determinada

conforme a equação a seguir.

Ptp = Fth.PMAcq.(Sf / Sq)

Exemplo de Cálculo

415

4.1 – Pressão de Teste Hidrostático Padrão.Fth = 1,3 para vasos projetados posteriormente à edição de 1998;PMAcq = pressão máxima admissível de trabalho do equipamento na situação corroída na temperatura de projeto = 12,2 kgf/cm2;Sf = tensão admissível do material a temperatura do teste = 1.202,0 kgf/cm2;Sq = tensão admissível do material na temperatura de projeto = 914,0 kgf/cm2.Ptp = 1,3 x 12,2 x (1.202,0 / 914,0) = 20,9 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

416

4.2 – Pressão de Teste Hidrostático Alternativa.

A pressão de teste alternativa é determinada

conforme a equação a seguir.

Pta = menor valor entre [Fth.PMAnf(componente) –

Págua]

Exemplo de Cálculo

417

4.2 – Pressão de Teste Hidrostático Alternativa.

Fth = 1,3 para vasos projetados posteriormente à

edição de 1998;

PMAnf(componente) = pressão máx. adm. de trabalho

do componente na situação nova e fria;

Págua = pressão da coluna de água durante o teste

hidrostático atuando no comp. = .h/10 [kgf/cm2; m]

= densidade da água;

h = altura da coluna de líquido durante o teste

hidrostático, atuando no componente [m].

Exemplo de Cálculo

418

ComponentePMAnf(comp.)

[kgf/cm2]H [m]

Págua

[kgf/cm2]

1,3.PMAnf(comp.)

- Págua

[kgf/cm2]

Tampo superior 19,7 0,5 0,05 25,6

Costado 22,6 15,5 1,55 27,8

Tampo inferior 19,7 16,0 1,60 24,0

Pteste alterntativo (equipamento) [kgf/cm2]

24,0

Exemplo de Cálculo

419

4.3 – Verificação dos componentesA pressão de teste hidrostático a ser aplicado na fábrica deverá corresponder ao valor máximo, calculado entre a pressão de teste padrão e a alternativa.Pth = 24,0 kgf/cm2

- Tampo superiorP = Pth + P = 24,0 + 0,05 = 24,05 kgf/cm2

S = P.(L.M + 0,2.t) / (2.t.E) == 24,05 x (1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)/(2 x 23,0x0,85) = = 1.470,8 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

420

4.3 – Verificação dos componentes- CostadoP = Pth + P = 24,0 + 1,55 = 25,55 kgf/cm2

S = P.(R + 0,6.t) / (t.E) = = 25,55 x (1.000,0 + 0,6 x 22,4) / (22,4 x 0,85) = = 1.359,9 kgf/cm2

- Tampo inferiorP = Pth + P = 24,0 + 1,6 = 25,6 kgf/cm2

S = P.(L.M + 0,2.t) / (2.t.E) == 25,6 x (1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)/(2 x 23,0 x 0,85) = = 1.565,7 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

421

Tensão [kgf/cm2]

Componente S 90% Sy Ok!

Tampo superior 1.470,8 2.025,0 Sim

Costado 1.359,9 2.025,0 Sim

Tampo inferior 1.565,7 2.025,0 Sim

• A pressão de 24,0 kgf/cm2 pode ser aplicada durante o teste hidrostático do equipamento, na fábrica.

Exemplo de Cálculo

422

5 – Determinação da pressão de teste hidrostático ao final da vida útil.A pressão de teste hidrostático a ser aplicada ao final da vida útil do equipamento, deverá ser o valor da pressão de teste padrão, determinada de acordo com o código de projeto (ASME Seç.VIII – Div.1). A tensão atuante em cada componente durante o teste hidrostático não poderá ultrapassar um valor limite equivalente a 90% da tensão de escoamento do material, na temperatura ambiente.

Exemplo de Cálculo

423

5.1 – Verificação dos componentes

A pressão de teste hidrostático deverá corresponder

ao valor calculado da pressão de teste padrão.

Pth = 20,9 kgf/cm2

- Tampo superior

P = Pth + P = 20,9 + 0,05 = 20,95 kgf/cm2

S = P.(L.M + 0,2.t)/(2.t.E) =

= 20,95 x [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 + 0,2 x (23,0 – 3,0)] /

[2 x (23,0 – 3,0) x 0,85] = 1.475,4 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

424

5.1 – Verificação dos componentes- CostadoP = Pth + P = 20,9 + 1,55 = 22,45 kgf/cm2

S = P.(R + 0,6.t) / (t.E) = = 22,45 x [(1.000,0 + 3,0) + 0,6 x (22,4 - 3,0)] /

[(22,4 - 3,0) x 0,85] = 1.381,4 kgf/cm2

- Tampo inferiorP = Pth + P = 20,9 + 1,6 = 22,50 kgf/cm2

S = P.(L.M + 0,2.t)/(2.t.E) == 22,50 x [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 + 0,2 x (23,0 - 3,0)] /

[2 x (23,0 - 3,0) x 0,85] = 1.584,6 kgf/cm2

Exemplo de Cálculo

425

Tensão [kgf/cm2]

Componente S 90% Sy Ok!

Tampo superior 1.475,4 2.025,0 Sim

Costado 1.381,4 2.025,0 Sim

Tampo inferior 1.584,6 2.025,0 Sim

• A pressão de 20,9 kgf/cm2 pode ser aplicada durante o teste hidrostático do equipamento, ao final de sua vida útil.

Exemplo de Cálculo

426

Capítulo 14

Seleção de Materiais

427

• Existem vários fatores envolvidos na seleção dos materiais:– resistência mecânica– resistência à corrosão;– custo;– facilidade de fabricação (conformação, usinagem,

soldagem, etc);–peso, etc.

• Portanto, cabe ao projetista a análise criteriosa destes fatores e a comparação da importância relativa entre eles.

Introdução

428

Fatores gerais de influência

• Fatores relativos à resistência mecânica do material

–Devemos estabelecer os limites de resistência à ruptura, ao escoamento, ductilidade, bem como tenacidade, dureza, resistência à fluência e à fadiga.

Introdução

429

Fatores gerais de influência

• Fatores relativos ao serviço

– Temperatura;

–Ação dos fluidos;

– Efeito dos resíduos da corrosão

–Nível de tensões;

–Natureza dos esforços mecânicos;

Introdução

430

Fatores relativos à fabricação• Montagem

– Conformação das chapas e forjados;– Usinagem;– Soldabilidade.

• Disponibilidade• Custo• Experiência prévia• Expectativa de vida útil• Estabilidade dimensional• Segurança

Introdução

431

• Podemos, de maneira muito simplista, agrupá-los nas seguintes classes:

– Metais ferrosos:

• Aço carbono

• Aço liga

• Aço inoxidável

Classificação dos Metais

432

– Metais não-ferrosos

• Alumínio e ligas

• Cobre e ligas

• Níquel e ligas

• Titânio, Zircônio (Metais exóticos)

Classificação dos Metais

433

• Definimos especificação de material a umdocumento normativo emitido por uma Sociedadede Normalização reconhecida, pública ou particular.Por exemplo, temos a ASTM e o ASME.

• O atendimento aos requisitos de uma Especificaçãode Material deve ser registrado em outrodocumento: CERTIFICADO DE QUALIDADE.

Especificações de materiais

434

Certificado de Material

Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007

Especificações de materiais

435

Resistência mecânica

• A resistência mecânica dos metais é caracterizada principalmente por:

– resistência à tração e ao escoamento;

– ductilidade

– tenacidade

– resistência à fluência

– resistência à fadiga

– dureza.

Propriedades mecânicas

436

Curva tensão- deformação de engenharia

• É usual definirmos a tensão de escoamento como a tensão que provoca uma certa deformação residual (0,2%).


437

Recursos para melhorar as propriedades mecânicas

• Vários recursos podem ser adotados para modificar algumas características mecânicas:

─ composição química;

─processos de fabricação;

─ tamanho de grão;

─ tratamentos térmicos


438

Processos que conduzem a falhas em serviço• Processos mecânicos:

–deformação permanente por carregamento primário;

– fratura frágil– fluência;– fadiga;–plastificação incremental.

• Processos químicos e/ou eletroquímicos:– corrosão;–oxidação;


439

Efeito da temperatura no comportamento mecânico dos metais

• Na prática, todos os metais apresentam limites detemperaturas para seu emprego.

• Estes limites serão tanto para temperaturaselevadas como para temperaturas baixas.


440

Variação das propriedades mecânicas com a temperatura(fonte ESDEP)


441

Propriedades mecânicas em temperaturas elevadas

• De um modo geral, o aumento de temperatura REDUZ os limites de escoamento e de ruptura dos metais.


442

• A elevação da temperatura aumenta a ductilidadedos metais, razão pela qual é explicada aconformação preferencial do aço carbono emtemperaturas mais elevadas, acima da temperaturade recristalização, ou posterior tratamento térmicode alívio de tensões.

• Um efeito conhecido deste fenômeno é a fluência(creep).


443

Fluência

• Denomina-se fluência (creep) a um fenômeno dedeformação permanente, lenta e progressiva, quese observa nos metais, com o decorrer do tempo,quando submetidos a um esforço constante detração em temperatura elevada.

• Corresponde a um acúmulo de deformaçõesplásticas decorrente da redução, pela temperatura,da energia envolvida em contornos de grão einclusões na matriz em manter o equilíbrio entre oencruamento e o amolecimento do material.

Altas Temperaturas

444

Fluência

• Em termos práticos

A fluência é importante acima de 0,3.Tf

onde Tf é a temperatura de fusão, em graus Kelvin;

para aços carbono a temperatura de fluência situa-se em torno de 370oC.

• Relacionando-se a progressão da deformação por fluência com o tempo decorrido, obtém-se o que denominamos a curva típica de fluência, representada na figura a seguir.

Altas Temperaturas

445

Fluência

TEMPERATURA

ELEVADA

TEMPO

CAMPO DE

TENSÕES

Altas Temperaturas

446

• A faixa de temperaturas quando a fluência passa a ser significativo denomina-se “faixa de fluência” (creep range).

• Relacionando-se a progressão da deformação, teremos três estágios:

–etapa inicial: a taxa de progressão da deformação diminui com o tempo;

–2º estágio: progressão constante (mínima taxa de deformação);

–3º estágio: taxa da deformação é crescente.

Altas Temperaturas

447

Altas Temperaturas

448

Fluência

• A fim de prevenir-se excessivas deformações e uma ruptura prematura, no código ASME Seção VIII, Divisão 1 foram estabelecidos limites satisfatórios para as tensões em temperaturas acima da temperatura de fluência.

Altas Temperaturas

449

Fluência

• Tensão admissível o menor valor entre:

- 100% da tensão média para produzir uma taxa de deformação dε/dt de 0,01% em 1.000 horas.

- 67% da tensão média para ruptura em 100.000 horas.

- 80% da tensão mínima para ruptura em 100.000 horas.

Altas Temperaturas

450

Tensão que causa 1% de deformação em 100.000 h

Limite Resistência / FS

Limite Resistência

FluênciaEfeito Dominante

Temperatura

Tensão Admissível

Altas Temperaturas

451

Fluência

• Os ensaios de fluência são considerados de longa

duração (acima de 1.000 horas), e para que

representem o comportamento do material exposto

a tempos mais elevados de operação na

temperatura, são utilizadas extrapolações com o

aumento da temperatura do ensaio tornando-o

acelerado.

Altas Temperaturas

452

Fluência

• A equação de Larson-Miller permite esta

extrapolação com base na dependência do estágio

secundário de comportamento com a energia de

ativação, temperatura e estrutura do material.

Como a energia de ativação é dependente da

tensão aplicada, os ensaios são realizados no

mesmo nível de tensão do componente em

operação, com a extrapolação realizada através do

aumento da temperatura, exclusivamente.

Altas Temperaturas

453

• Fluência

• P - parâmetro de Larson-Miller;

• T - temperatura absoluta (ºK ou ºR);

• C - constante do material;

• t - tempo de ruptura (horas).

• Para uma condição de operação (T, t), equivalente a um valor do parâmetro P, pode-se realizar uma extrapolação da temperatura a ser empregada no ensaio para definir um ensaio com duração adequada.

310xtlogC.TP

Altas Temperaturas

454

• Exemplo: Determinar a temperatura de ensaio para um material de um componente projetado para operar durante 20,0 anos na temperatura de 1100oF. Dimensionar o ensaio para um tempo de ensaio equivalente a 30 dias.

• 20.0 anos = 175.200 horas

• 30 dias = 720 horas

Altas Temperaturas

455

• Toperação = 1100oF = 866oK

86,2110x)200.175log(20x866

10xtlog20.TP

3

3

F1262K37,956

10x)720log(20

86,21

10xtlog20

PT

oo

33

Altas Temperaturas

456

Curvas de Creep - Texas Research International

Altas Temperaturas

457

Testes de “Stress rupture”• Estes testes são usados para determinar o tempo

até ocorrer a falha.• Os dados são plotados em uma carta log-log (como

mostrado a seguir).• Uma linha reta é normalmente obtida em cada

temperatura e esta informação pode ser utilizadapara extrapolação de falha em tempos mais longos.

• Mudanças na inclinação das linhas são devidas amudanças estruturais no material e sãosignificantes no sentido de indicar que ainterpolação além deste ponto pode levar a errosgrosseiros.

Altas Temperaturas

458

Curvas de Stress rupture - Materials Engineer.com

Altas Temperaturas

459

A fluência e o projeto de equipamentos

• Os materiais utilizados não devem atingir o 3˚estágio da fluência dentro da vida útil estimada.

• As tensões admissíveis estabelecidas pelo Códigoadmitem que se alcance o 2º estágio de fluência(menor taxa de deformação).

• Usualmente, as tensões admissíveis são baseadasna deformação de 1% ao fim de 100.000 h (poucomais de 11 anos).

Altas Temperaturas

460

• De um modo geral, a granulação grosseira (coarse grain) é mais resistente a deformação por fluência, motivo pelo qual selecionamos aços com maior tamanho de grão para serviços com temperaturas elevadas. Por exemplo, o ASTM A-515 Gr 60.

• As normas API utilizam o parâmetro de “Larson-Miller” como técnica de extrapolação de resultadosde resistência à fluência.

Altas Temperaturas

461

• Existem técnicas que permitem a avaliação dos danos por fluência em condições variáveis, sendo a mais conhecida a “regra da fração de vida”:

(ti / tri) 1

─ ti = tempo de atuação da tensão na temperatura T;

─ tri = tempo para atingir o ponto de iniciação de

trincas naquela tensão e temperatura.

• Assim, a fração (ti / tri) representa o dano acumulado antes da nucleação de uma trinca.

Altas Temperaturas

462

Serviços em temperatura elevada

• Devemos considerar os seguintes fatores:– temperatura – limite;– tempo previsto naquela faixa de temperatura;– resistência mecânica do metal naquela

temperatura;– resistência à fluência;– resistência à corrosão no meio na temperatura;–modificações na estrutura metalúrgica.

• Mesmo condições eventuais ou transitórias devem ser consideradas na avaliação.

Altas Temperaturas

463

Fragilidade à baixa temperatura

• Algumas estruturas cristalinas apresentam comportamento frágil em temperaturas baixas.

• Este fenômeno é conhecido como “fragilização à baixa temperatura” (cold brittleness).

Baixas Temperaturas

464

Introdução

• As fraturas frágeis dão-se por clivagem do material e, por isso, a energia absorvida é muito pequena.

• A velocidade de propagação de uma trinca em um metal “frágil” dá-se com a velocidade do som naquele metal (cerca de 1300 m/s no aço carbono).

• Assim, a propagação de uma trinca em um vaso de pressão de maneira frágil dá-se de forma catastrófica.

Baixas Temperaturas

465

Fratura frágil em vaso de pressão durante teste hidrostático

Ano: Dezembro/65

Material Cr-Mo-V

Espessura 150 mm

Temperatura: 10ºC

Baixas Temperaturas

466

Navio TITANIC

Baixas Temperaturas

467

Por que o navio afundou tão rápido (em menos de 3 horas)?

Qual a natureza do dano no casco devido ao impacto com o iceberg?

Qual a sequencia de enchimento dos compartimentos?

O navio quebrou ao meio na superfície, ou afundou intacto?

Existiam trincas da fabricação que poderiam ser evitadas?

As perguntas que foram feitas em 85 anos de pesquisas foram as seguintes:

Baixas Temperaturas

468

Baixas Temperaturas

469

Baixas Temperaturas

470

Brittle / Ductile Transition Curves

Titanic Longitudinal

Titanic Transversal

Transition

Temperatures

A36 Steel

190

163

136

108

81

54

27

140

120

100

80

60

40

20

0

Im

pac

t E

ne

rgy (

Jo

ule

s)

Temperature (oC)

Im

pact

En

erg

y (

ft-l

bs)

-100 0 100 200

Titanic

Longitudinal

Titanic

Transversal

A36 Steel

120

100

80

60

40

20

0 -50 0 50 100 150

Temperature (degrees oC)

%

Sh

ear

Fra

ctu

re

Baixas Temperaturas

471

O Departamento de Metalurgia doNational Institute of Standards andTechnology realizou uma análisemetalúrgica e mecânica dos materiaisdo casco e rebites do Titanic. Oresultado indicou que o aço utilizadopossuía uma temperatura de transiçãodúctil-frágil elevada, tornando-oinadequado para as temperaturas emque navegou. Em relação aos rebites, oaço fundido utilizado possuía um nívelelevado de impurezas e inclusões queexplicaram o dano acumulado devido àcolisão com o iceberg.

Baixas Temperaturas

472

Tanque de gás natural liquefeitoFalhou com vazamento do produto que vaporizou e se incendiou, ocasionando uma bola de fogo de grande extensão. Algo próximo a 3 km2 foi afetado pelo incêndio com total destruição de 79 casas, 2 fábricas, 217 carros destruídos, 131 pessoas mortas, 300 feridas (1944 –Cleveland).

Baixas Temperaturas

473

Ponte (Silver Bridge) (1967 – Point Pleasant, W. Virginia).

Baixas Temperaturas

474

Ponte (Silver Bridge) ligando o estado W. Virginia a Ohio, com vão central com mais de 130 metros. Em lugar de cabos, a ponte era suspensa por correntes ligadas por pinos. Um dos elos da corrente se rompeu por clivagem devido ao clima frio e sobrecarga, causando a ruptura dúctil de um dos pinos. Com a falha de uma das correntes, toda a estrutura colapsou, causando a morte de 46 pessoas. A ruptura foi causada por micro trincas que cresceram por fadiga e corrosão combinada. O desastre da ponte Silver Bridge tornou-se um marco, pois foi a primeira estrutura civil a ter o colapso investigado com aplicação dos conceitos modernos da mecânica da fratura (1967 – Point Pleasant, W. Virginia).

Baixas Temperaturas

475

Navios da Classe Liberty

Baixas Temperaturas

476


Baixas Temperaturas

477


Baixas Temperaturas

478

Quando da ocasião da 2a guerra mundial, se iniciou uma nova

fase em termos da fabricação, com a construção dos navios de

carga da classe “Liberty”, que se tornaram lendários por terem

sido projetados para fabricação em série, de modo a agilizar o

tempo construtivo (2700 foram construídos, sendo que no final

da guerra o tempo médio de construção era 5 dias) com a

presença de estruturas totalmente construídas por juntas

soldadas em substituição aos rebites.

Baixas Temperaturas

479

Ocorreram a uma série de fraturas catastróficas: de 2700

navios construídos, 400 fraturaram, 90 dos quais foram

considerados graves e 10 quebraram em 2 partes. 1000 navios

sofreram falhas significativas entre 1942-1946 devido às

baixas temperaturas, enquanto que 200 sofreram sérias

fraturas entre 1942-1952. No início 30% deles afundaram com

ruptura catastrófica (no final da guerra a taxa caiu para 5%). A

taxa de falha era muito alta no Atlântico Norte e não existente

em águas mais quentes no Pacífico Sul.

Baixas Temperaturas

480

Estas fraturas ocorriam em condições de baixo carregamento,

o que levou estudiosos a concluírem pela causa relacionada a

presença de defeitos, concentradores de tensão, tensões

residuais de soldagem elevadas e materiais com baixa

tenacidade, falta de experiência dos soldadores e reduzido

tempo de treinamento. Com a utilização de materiais de mais

alta resistência, as tensões de operação tornaram-se mais

elevadas e os fatores de segurança menores, o que levaria a

conseqüências inevitáveis em relação a fraturas e condições

críticas de utilização.

Baixas Temperaturas

481

Tem-se início então as primeiras investigações sistemáticas

patrocinadas pela American Bureau of Shipping, onde se

conclui que a fratura catastrófica era relacionada a 3 fatores:

má qualidade do aço, concentradores de tensão e soldas

defeituosas. Surge, em 1947, primeira norma restritiva quanto

à composição química dos aços empregados na construção

naval (1942-52).

Baixas Temperaturas

482

INÍCIO DA FRATURA

‘marcas de sargento’

apontam para o início da fratura

Baixas Temperaturas

483

Ocorrência de baixas temperaturas

• As baixas temperaturas podem ocorrer comocondição normal de operação ou como condiçãoeventual:

–descompressão de um gás liquefeito, ex GLP;

– teste hidrostático;

Baixas Temperaturas

484

Serviços em baixas temperaturas: considerações

• Os seguintes pontos devem ser considerados:– temperaturas mínimas e condições de pressão/

carregamento;– seleção de materiais (função da espessura);– testes de impacto;– tratamento térmico (alívio de tensões e

normalização)– inspeção de matéria-prima e fabricação;– “segurança versus custos”–detalhes de projeto e de fabricação;

Baixas Temperaturas

485

Teste de Impacto

• A tenacidade de um material é uma propriedade que mede sua resistência à fratura frágil. Para tanto existem diversos ensaios normalizados e adequados conforme a aplicação, tipo de material e estado de tensões na estrutura analisada. O teste de impacto, apesar de não ser um ensaio de tenacidade, é certamente o de maior utilização, principalmente na seleção e adequação de materiais para o projeto.

Baixas Temperaturas

486

Teste de Impacto

• Os principais fatores que afetam a fratura frágil são a temperatura, taxa de carregamento e estado de tensões. A diminuição da temperatura está normalmente associada à perda de tenacidade do material, assim materiais dúcteis à altas temperaturas ou na temperatura ambiente podem ter comportamento frágil em baixas temperaturas.

Baixas Temperaturas

487

Teste de Impacto

• O teste de impacto utiliza carregamentos submetidos a altas taxas de aplicação em corpos de provas padronizados na presença de entalhe na linha de ação do pêndulo.

• Ensaios de impacto Charpy (ASTM E23 e NBR 6157):

Entalhe em V - CVN (Charpy V Notch)

Entalhe em U

Entalhe fechadura (keyhole) (ASTM)

Baixas Temperaturas

488

Ensaio Charpy com entalhe em V.

Baixas Temperaturas

489

Baixas Temperaturas

490

• Os entalhes dos corpos de prova são usinados com dimensões padronizadas, como na figura a seguir para o Charpy tipo “V”.

Baixas Temperaturas

491

L/2

L

D C

W

R

DETALHE DO ENTALHE

DIMENSÃO [in] [mm]

L - Comprimento do C.P. 2,165 0,002 55,0 0,050

L / 2 - Localização do entalhe 1,082 0,002 27,5 0,050

C - Seção reta (profundidade) 0,394 0,001 10,0 0,025

W - Seção reta (largura) 0,394 0,001 10,0 0,025

D - Distância ao fundo do entalhe 0,315 0,001 8,0 0,025

R - Raio do entalhe 0,010 0,001 0,25 0,025

- Ângulo do entalhe 45o 1o

Baixas Temperaturas

492

Fratura FrágilFratura Dúctil

Baixas Temperaturas

493

Teste de Impacto

• Para altas taxas de carregamento as discordâncias presentes na estrutura do material não acompanham a liberação de energia, não sofrendo deformação plástica sensível. O estado de tensões também altera a formação da zona plástica podendo favorecer a fratura frágil do material.

Baixas Temperaturas

494

Teste de Impacto

• Os resultados do ensaio Charpy para baixas (altas) temperaturas são obtidos através do resfriamento (aquecimento) dos corpos de prova em um líquido, tais como álcool e nitrogênio ou acetona e gelo seco (óleo), para a refrigeração (aquecimento) do C.P.

Baixas Temperaturas

495

Teste de Impacto

• Resultados obtidos com o ensaio Charpy:

• Energia Absorvida - A energia absorvida na fratura pode ser determinada através da diferença de energia potencial do pêndulo entre as posições inicial e final do curso do martelo. Normalmente expressa em J, Kgm ou ft-lb, a energia é lida diretamente na escala da máquina. Quanto maior a energia absorvida maior a tenacidade à fratura do material;

Baixas Temperaturas

496

Teste de Impacto

• Percentagem da Fratura Dúctil (cisalhamento) - A percentagem da fratura dúctil é obtida através do exame da fratura após o ensaio. A superfície de uma fratura dúctil apresenta-se fibrosa e opaca, enquanto que a fratura frágil, facetada e brilhante. A superfície do corpo de prova pode apresentar variação entre 100% dúctil (totalmente opaca) à 100% frágil (totalmente brilhante).

Baixas Temperaturas

497

Teste de Impacto• Percentagem da Fratura Dúctil (cisalhamento) - O

valor da percentagem da fratura dúctil é determinada pela comparação da superfície da fratura com cartas ou padrões como os fornecidos pela ASTM;

Baixas Temperaturas

498

Teste de Impacto

• Expansão Lateral - Após a fratura, o corpo de prova

sofre deformação na região oposta ao entalhe por

compressão e, a depender da ductilidade do

material, uma expansão lateral do corpo de prova

na mesma região. Quanto maior a deformação

sofrida pelo corpo de prova maior sua expansão

lateral.

Baixas Temperaturas

499

ENTALHE

ÁREA DE CLIVAGEM (BRILHANTE)

ÁREA DE CISALHAMENTO (OPACA)

A B

A + B = EXPANSÃO LATERAL

Baixas Temperaturas

500

Teste de Impacto

• A repetição de ensaios no mesmo material, para diversas temperaturas diferentes, possibilita o levantamento de uma curva de variação da energia liberada na fratura. Na região do gráfico denominada como patamar superior, a fratura ocorre de maneira dúctil, ao longo da região de transição entre os patamares superior e inferior ocorre uma variação da percentagem de fratura dúctil decrescente com a temperatura, e para o patamar inferior registra-se a ocorrência de fratura frágil.

Baixas Temperaturas

501

100%

50%

0%

Temperatura

Patamar Superior

Patamar Inferior

Aparência

da Fratura

NDT FTP

Fratura por

Clivagem % Energia

Absorvida

FRATURA FRÁGIL

REGIÃO DE TRANSIÇÃO

DÚCTIL - FRÁGIL FRATURA DÚCTIL

Baixas Temperaturas

502

Temperatura de transição – testes de impacto

• É usual definirmos a temperatura de transiçãocomo sendo a temperatura mínima em que umdeterminado corpo de prova (definido em norma)resiste a um impacto, com um determinado valorde energia absorvida, SEM que haja a fratura frágil.

Baixas Temperaturas

503

Temperatura de transição

• De maneira a caracterizar a temperatura de transição, ela é definida como:

–A temperatura na qual um determinado valor de energia é atingido no teste de impacto com entalhe (exemplo: T27 J ou T40 Joules); ou

–A temperatura na qual metade da máxima energia de impacto é atingida (T50%); ou

–A aparência da fratura corresponde a 50% de fratura dútil (FATT 50: Fracture Appearance Transition Temperature, 50% ductile fracture).

Baixas Temperaturas

504

Teste de Impacto

• A temperatura NDT indica o início do patamar inferior. Representa o ponto onde o corpo de prova fratura com 100% de deformação por clivagem (0% de deformação plástica). Nesse caso as tensões elásticas são capazes de iniciar e propagar uma fratura, ou seja, o material não apresenta nenhuma ductilidade (capacidade de deformação plástica).

Baixas Temperaturas

505

Teste de Impacto

• Acima da temperatura FTP a fratura do corpo de prova ocorre com 100% de fratura dúctil, determinando que o início e propagação de fraturas exijam deformação plástica. Dentro da região intermediária, a iniciação da trinca exige deformação plástica, mas a propagação ocorre com tensões elásticas.

Baixas Temperaturas

506

Teste de Impacto

• Em alguns casos, torna-se necessário uma propagação também estável como, por exemplo, em gasodutos em altas pressões, permitindo a ocorrência uma despressurização lenta do gás o que reduz a extensão da fratura. Neste caso, se o material fraturar de maneira instável a propagação irá se estender por longas distâncias.

Baixas Temperaturas

507

Teste de Impacto

• As necessidades da aplicação de requisitos de energia de impacto mínimas são estabelecidas pelos códigos de projeto, em função do material, espessura e temperatura de operação do componente ou equipamento.

Baixas Temperaturas

508

O gráfico apresenta, para alguns gases, as temperaturas de equilíbrio em função da pressão. Como exemplo, um volume pressurizado com etano à 40,0 kgf/cm2 possui uma temperatura de equilíbrio de 20oC, podendo alcançar uma temperatura próxima a -90oC em um vazamento.

Metano

Etileno

Etano

Propileno

Propano

i-Butano n-Butano

1.0 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 60 80 100

+40

+20

0

-20

-40

-60

-80

-100

-120

-140

-160

Pressão [kgf/cm2]

Tem

pera

tura

[oC

]

Baixas Temperaturas

509

Fatores de influência no ensaio Charpy-V

• Efeito combinado dos seguintes fatores:

–natureza e nível de tensões;

–espessura da peça (estado triaxial de tensões);

– concentradores de tensão (entalhes);

–estrutura metalúrgica (composição química e tamanho de grão);

– tratamentos térmicos (alívio de tensões e refino de grão).

Baixas Temperaturas

510

• Ressalta-se que variações de composição química, tamanho de grão e demais tratamentos impostos ao material podem alterar significativamente a sua qualidade definida pela energia Charpy-V. Os gráficos a seguir apresentam alguns destes fatores e sua influência no material.

Baixas Temperaturas

511

140

100

60

20

-20

-60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Tem

pera

tura

de T

ran

siç

ão

[oC

]

Teor de Carbono [%]

vTrs

vTrE

vTr15

Composição química do aço: 0.99-1.02 Mn, 0.22-0.28 Si, aquecido a 900oC e resfriado a 14oC / min.

Efeito do Teor de Carbono na Energia Charpy-V

Temperatura de Transição

vTrs – 50% de cisalhamento na fratura;

vTrE – metade da energia upper-shelf;

vTr15 – 15 lb-ft de energia

Baixas Temperaturas

512

Baixas Temperaturas

513

Efeito do Teor de Níquel na Tenacidade de Aços Liga Normalizados

13% Ni

8 ½% Ni

0% Ni

7% Ni

2% Ni

5% Ni

3 ½% Ni

-250 -200 -150 -100 -50 0 50

Temperatura [oC]

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

En

erg

ia C

harp

y-V

[kg

.m]

Baixas Temperaturas

514

30

20

10

0

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

Quenched and Tempered

Normalized

As-rolled

Test Temperature [oC]

Ch

arp

y V

-No

tch

Imp

act V

alu

e [k

g.m

]

30

20

10

0

-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40

Quenched and Tempered

Normalized

As-rolled

Test Temperature [oC]

Ch

arp

y V

-No

tch

Imp

act V

alu

e [k

g.m

]

Efeito do tratamento térmico na energia de impacto

Baixas Temperaturas

515

Variação na energia absorvida CVN com a temperatura para aço carbono normalizado de diversos teores de carbono.

Baixas Temperaturas

516

Variação de energia absorvida CVN em função do teor de Mn em aço Fe-Mn-0.05C

Baixas Temperaturas

517

A necessidade de controle do tamanho de grão

• As propriedades mecânicas do aço são afetadaspelo tamanho de grão.

• A redução do tamanho de grão aumenta aresistência ao escoamento, além de acarretar umprofundo efeito na temperatura de transição dútil/frágil. (veja slide a seguir)

• Desta forma, obtém-se uma série de benefícios coma mesma mudança micro-estrutural.

Baixas Temperaturas

518

A necessidade de controle do tamanho de grão

• De maneira geral, esta é uma circunstância nãousual, pois geralmente, o aumento em umapropriedade mecânica significa a piora em outra,exigindo um compromisso na obtenção daquelaspropriedades necessárias ao serviço.

• Por exemplo, o aço ASTM A-516 geralmenteapresenta propriedades mecânicas para o seu usoem baixas temperaturas.

Baixas Temperaturas

519

Baixas Temperaturas

520

Valores de tenacidade na iniciação de trinca: KIc versus temperatura em aços 2¼ Cr–1 Mo e A 508.

• Bouyne, E., Joly, P., Houssin, B., Wiesner, C. S. & Pineau, A.Mechanical and microstructural investigations into the crack arrest behaviour of a modern 2¼Cr-1 Mo pressure vessel steel.Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 24 (2), pg 105.

Baixas Temperaturas

521

Considerações para projeto

• O Código ASME, Seção VIII, Div. 1, apresenta afigura UCS-66 onde estão associadas astemperaturas de transição de “famílias” de açoscom a espessura necessária para a parede do vasode pressão. Esta curva é indicativa para a prevençãoda fratura frágil.

Baixas Temperaturas

522

Baixas Temperaturas

523

Baixas Temperaturas

524

Baixas Temperaturas

525

Baixas Temperaturas

526

• A fig. UCS-66 do ASME Seção VIII – Div.1 pode ser corrigida para componentes em que a espessura seja superior ao valor mínimo exigido para resistir aos carregamentos de projeto:

– Fig. UCS-66.1 – Divisão 1 (antes e após 1998)

• Estas figuras definem de quanto a temperatura requerida para teste de impacto pode ser reduzida sem que o teste seja obrigatório.

Baixas Temperaturas

527

Baixas Temperaturas

528

Baixas Temperaturas

529

Baixas Temperaturas

530

Baixas Temperaturas

531

• Quando utilizada a curva de exceção da UCS-66,

para materiais P1 Group number 1 e 2, a

temperatura obtida poderá ser reduzida de 17oC

(30oF) para equipamento que possuam tratamento

térmico de alívio de tensões, desde que não exigido

pelo código devido à espessura do componente.

Baixas Temperaturas

532

• Vasos fabricados conforme código ASME Seç.VIII –Div.1, que atendem aos requisitos abaixo descritos não necessitam ter avaliado o valor de temperatura de referência.

• 1 – O material é limitado ao P-No 1, Gr.no1 ou 2, como definido pelo código ASME Seç.IX, e a espessura, não excede aos valores abaixo.– 12,7 mm para materiais listados na Curva A da Figura

UCS-66;

– 25,4 mm para materiais listados nas Curvas B, C ou D da Figura UCS-66.

Baixas Temperaturas

533

• 2 – O vaso foi testado hidrostaticamente em uma pressão 1,5 vezes maior que a pressão de projeto do equipamento, para vasos fabricados anteriores a 1999, e 1,3 vezes para vasos fabricados após 1999.

• 3 – A temperatura de projeto é inferior a 343oC (650oF) e superior a –29oC (-20oF). Temperaturas ocasionais abaixo de –29oC (-20oF) são aceitáveis quando ocorrem devido a variações da temperatura ambiente.

• 4 – Carregamentos de choque térmico ou mecânico não são previstos ocorrerem;

• 5 – Não ocorrem variações de carregamento caracterizando um serviço sujeito à fadiga.

Baixas Temperaturas

534

• Definição e propriedades: liga de Fe e 0,05 a 1,5% de C, com limite de resistência em temperatura ambiente de 314 a 647 MPa e escoamento de 167 a 274 MPa e alongamento de 18 a 35%.

Aços Carbono

535

Efeito da composição química

• Variações, decorrentes da composição química:

– Aumento de C:

• aumento nos limites de ruptura e escoamento,

• aumento da dureza,

• diminuição da soldabilidade, devido aoaumento da temperabilidade acima de 0,26%de C (para vasos de pressão).

Aços Carbono

536

• O controle no teor de Carbono permite a garantia de uma maior soldabilidade.

• Caso tenhamos que trabalhar com aços com teores superiores a 0,35% C, então cuidados suplementares serão necessários durante a soldagem.


Aços Carbono

537

– Aumento de Mn:

• aumento de dureza,

• maior limite de ruptura e escoamento,

• maior soldabilidade, até Carbono Equivalente

(CE) < 0,45%, pois aumenta tenacidade pela redução da temperatura de transição dútil -frágil.

CE= C + Mn / 16 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu) /15

Aços Carbono

538

– Si e Al: são agentes desoxidantes, utilizadosdurante a solidificação do metal em fusão:

• acalmados: totalmente desoxidados (fully-killed steel);

• semi-acalmados: parcialmente desoxidados;

• efervescentes: (rimmed steel).

Aços Carbono

539

–A desoxidação com Si (mais barato) e com Al(adicional) é para obtenção de aços comcaracterísticas próprias, por exemplo, o aço SA-516 Gr 60 é desoxidado com Si e Al paraobtenção de aços com grão fino para baixatemperatura.

Aços Carbono

540

Soldabilidade e tratamentos térmicos

• Aços carbono são aços de solda fácil, exigindoapenas alguns cuidados:

–Pré-aquecimento a 110°C e manutenção datemperatura inter-passes;

– Tratamento térmico a 590°C, quando a espessuraé superior a 38mm;

– Emprego de eletrodos de baixo hidrogênio

–Radiografia total das soldas de pressão quando aespessura é superior a 31 mm.

Aços Carbono

541

Efeitos da temperatura elevada

• Temos a queda nos limites de ruptura e escoamentoe em temperaturas elevadas (acima de 370°C) umaumento na deformação a carga constante(fluência). Em temperaturas acima de 420°C ocorreo fenômeno de grafitização, favorecido pelapresença de Al.

• O aquecimento em temperaturas acima de 600°Cpode gerar o crescimento exagerado de grão e aesferoidização que diminuem a resistênciamecânica.

Aços Carbono

542

Efeito das baixas temperaturas

• A faixa de transição dútil-frágil é afetada por umasérie de fatores, tais como composição química etamanho de grão.

• De maneira geral, aços carbono especialmenteprojetados para serviço a baixa temperatura, taiscomo o SA-516 normalizado, são utilizáveis emtemperaturas até -45°C.

• Podemos encontrar aços carbono utilizáveis até atemperatura de -60°C, mas são de difícil obtençãono Brasil.

Aços Carbono

543

Indicações de uso para alguns meios corrosivos

• a) Hidrocarbonetos:

• b) Soda cáustica

• c) Hidrogênio

• d) H2S

• e) Amônia

• f) Aminas

Aços Carbono

544

Tipos de aço carbono

a) Aços de baixo carbono: até 0,25 % C: utilizados para fabricação de tubos de pequeno diâmetro;

b) Médio C, não acalmados: C até 0,35%:

c) Médio C, acalmados para temperaturas elevadas: limitados até 400°C, para vasos de pressão;

d) Aços para baixa temperatura: limitado seu uso até -45°C, para vasos de pressão;

e) Aços de qualidade estrutural: apenas para componentes estruturais.

Aços Carbono

545

f) Aços de alta resistência:

– aços especiais, onde elementos micro-ligados,tais como V e Nb aumentam os limites deruptura e de escoamento, pela formação decarbonetos.

– São aços de soldabilidade difícil e que exigemconhecimento específico de fabricação paraconformação, devido ao elevado limite deescoamento.

Aços Carbono

546

f) Aços de alta resistência:

–A obtenção de características de alta resistênciatambém pode ser obtida por tratamentostérmicos específicos durante a fabricação do aço.Contudo, o fabricante do vaso de pressão deveter grande experiência na conformação,usinagem e soldagem destes aços.

Aços Carbono

547

• Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007

• Alguns exemplos de aços carbono e baixa liga utilizáveis

Aços Carbono

548

Classificação e casos de emprego dos aços liga

• Todos os aços que possuam qualquer quantidade de outros elementos que não os comumente encontrados no aço carbono.

• Distinguimos:

• baixa liga – até 5% de elementos de liga;

• média liga: entre 5% a 10%;

• alta liga: mais de 10%.

Aços Liga

549

• Principais casos de emprego:

–Alta temperatura – aços Cr-Mo

–Baixas temperaturas: para uso em temperaturas inferiores a -45ºC. Exemplo: aços ligados ao Ni (3,5%)

–Alta corrosão:

–Necessidade de não contaminação

– Segurança

–Alta resistência.

Aços Liga

550

Aço-liga ao Mo e ao Cr-Mo

• São aços contendo até 1% de Mo e até 9% de Cr. São de estrutura ferrítica.

• O principal efeito na adição de Cr é uma sensível melhora na resistência à oxidação e na corrosão. Portanto, são utilizados em serviços com alta temperatura (até 600ºC – 9%Cr).

Aços Liga

551

Aço-liga ao Mo e ao Cr-Mo

• A adição de Mo melhora a resistência à fluência.

• Todos os aços Cr-Mo são soldáveis, contudo são altamente temperáveis, exigindo tratamento térmico após a soldagem.

Aços Liga

552

Efeito da temperatura nos aços-liga Mo e Cr-Mo

• Os aços Mo e Cr-Mo são específicos para serviço a alta temperatura, devido a sua resistência superior à fluência e à oxidação.

• É comum a utilização de aços 2¼Cr para temperaturas até 450ºC.

Aços Liga

553

Emprego dos aços-liga Mo e Cr-Mo

• Aços com até 2,5%Cr são específicos para serviços de alta temperatura e grandes esforços mecânicos e baixa corrosão.

• Aços com maior quantidade de Cr são específicos onde ocorre oxidação intensa, com esforços reduzidos.

Aços Liga

554

• Aços CrMo podem exigir energia maior no ensaioCharpy, como podemos visualizar na tabela 3.3 doASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007.

Aços Liga

555

Aços-liga Níquel

• Específicos para serviço com baixa temperatura:

• 3,5% Ni – até -100ºC;

• 9% Ni - até -196ºC.

• Estes aços devem ser normalizados ou temperados e revenidos, para refinamento do grão.

• Não são facilmente soldáveis exigindo limpeza rigorosa (inclusive com segregação de área de trabalho)

• Exigem tratamento térmico após soldagem.

Aços Liga

556

Aços inoxidáveis

• Aços com mais de 12% Cr. A presença de Cr permite a formação de uma película de óxido, aderente, plástica e com baixa porosidade e resistente à corrosão atmosférica (passivação).

• Os tipos mais convencionais:

– aços inox austeníticos;

– inox ferríticos;

– inox martensíticos.

Aços Inoxidáveis

557

Aços Inoxidáveis

558

Aços Inoxidáveis

Diagrama de Schaeffler

Cr equivalent = (Cr) + 2(Si) + 1.5(Mo) + 5(V) + 5.5(Al) +

+ 1.75(Nb) + 1.5(Ti) + 0.75(W)

Ni equivalent = (Ni) + (Co) + 0.5(Mn) + 0.3(Cu) +

+ 25(N) + 30(C)

559

• Diagrama de Schaeffler - de Long

560

Aços inoxidáveis austeníticos

• Apresentam estrutura Fe em qualquer temperatura,

• Não apresentando temperatura de transformação alfa-gama, portanto não são temperáveis.

• A estabilização da austenita é conseguida pela adição de 7% de Ni.

• Os aços inox austeníticos convencionais são denominados pelo AISI de série “300” e “200”.

• A série 300 abrange aços com 16 a 25% de Cr e 7 a 22% de Ni.

Aços Inoxidáveis

561

• Dentre os aços inox austeníticos, o “304” é o mais comum, por apresentar excelente combinação de resistência à corrosão com propriedades mecânicas e custo aceitável.

• Aços inox contendo Mo (inox 316) apresentam melhor resistência à fluência e obrigam ao uso de teores maiores de Ni para manter a estrutura austenítica.

Aços Inoxidáveis

562

Aços austeníticos – propriedades gerais

• Devido à estrutura austenítica, estes aços sãonão-magnéticos e apresentam grande coeficientede dilatação (cerca de 50% superior aos açosferríticos).

• A estrutura cristalina CFC do Fe apresenta melhorresistência à fluência do que a estrutura CCC doFe. Os aços inox com Mo (316 e 317) bem como osestabilizados (ao Ti 321 e ao Nb 347) apresentamboa resistência à fluência, sendo sua utilização emalta temperatura superior ao 304.

Aços Inoxidáveis

563

Aços austeníticos – propriedades gerais

• A temperatura limite de utilização do inox 304 é de815ºC, conforme Código ASME. Mas apresentarestrições devido à queda acentuada na resistênciamecânica após os 600ºC. Os aços inox austeníticossão muito sensíveis ao fenômeno de sensitização,após os 450ºC, devendo o projetista estar muitoatento a este modificação em sua resistência àcorrosão.

Aços Inoxidáveis

564

Conformação:

• Os aços inox austeníticos são dúteis, de fácilconformação. Não apresentam transiçãodútil-frágil, podendo ser utilizados, sem restrição,em serviços com baixa temperatura (até -195°C),sendo desnecessário a solicitação de ensaio deimpacto, exceto para peças fundidas.

Aços Inoxidáveis

565

• Aços com mais de 17% de Cr podem apresentar a

formação de um composto intermetálico Fe-Cr,

denominado fase “sigma”, quando aquecidos por

longo período entre 560°C e 900°C.

• Esta fase é frágil e extremamente dura, tornando o

aço quebradiço e propiciando o aparecimento de

trincas durante o resfriamento na soldagem.

Aços Inoxidáveis

566

• A fase sigma é principalmente proveniente da

ferrita e sua formação é favorecida pela presença

de elementos ferritizantes, como o Cr.

• A presença de mais de 10% de ferrita no aço inox

austenítico torna-o sujeito à fragilização pela fase

sigma.

Aços Inoxidáveis

567

• Os aços inox austeníticos são de fácil soldabilidade,

contudo, alguns cuidados são necessários, tais

como limpeza rigorosa, para evitarmos

contaminação com aço carbono, bem como Cobre

e Zinco (fragilização).

Aços Inoxidáveis

568

• Aços sujeitos a temperaturas superiores a cerca de450°C e até 650°C podem apresentar precipitaçãode carbonetos de Cr no contorno de grão,provocando o que denomina-se “sensitização”.

Aços Inoxidáveis

569

Mecanismo de sensitização

Formação de Carbetos de Cr

Aços Inoxidáveis

570

Curva de sensitização

Efeito do Carbono na sensitização (Gooch, 1975).

www.msm.cam.ac.uk

Aços Inoxidáveis

571

Aços austeníticos – corrosão em geral

• Como a formação da camada passivada dá-se pelaformação de óxidos de Cr, a sua resistência àcorrosão é boa em meios oxidantes (ricos em O).Em meios redutores, ou pobres em Oxigênio, seocorrer a ruptura da camada passivada, poderáocorrer a formação de pilhas galvânicas e aocorrência de corrosão por pites ou sob tensão.Algumas cinzas fundidas presentes em fornos(óxidos de Vanádio) também podem romper acamada passivada, gerando corrosão por pites.

Aços Inoxidáveis

572

Aços austeníticos – sensitização e corrosão intergranular

• A sensitização é a formação de carbonetos de Cr, nocontorno dos grãos, na faixa de temperatura de450°C e 650°C.

• A formação destes carbonetos torna o contorno degrão pobre em Cr, impedindo a formação dacamada passivada e tornando a região anódica emrelação ao grão e portanto, o aço mais suscetível aoataque.

Aços Inoxidáveis

573

• A corrosão intergranular resultante é caracterizada pelo aparecimento de trincas entre os grãos. A medida que a trinca avança, os grãos vão se destacando, permitindo o ataque aos grãos seguintes, até a ruptura da peça.

Aços Inoxidáveis

574

• A corrosão intergranular ocorre principalmente nos meios ácidos:

– ácido sulfúrico, nítrico, fosfórico;

– ácidos orgânicos, tais como acético, cítrico, lático;

– cloreto ferroso, sulfato de Cobre, nitrato de amônia.

Aços Inoxidáveis

575

• A sensitização é tanto mais rápida e mais intensa quanto maior o teor de Carbono no aço. Assim, aços inox austeníticos “comuns”, com até 0,08%C, podem ser sensitizados durante a operação de soldagem.

• Duas formas de evitarmos a sensitização:

– aços de baixo carbono – reduzindo o teor de C até 0,04%;

– aços estabilizados ao Ti e ao Nb.

Aços Inoxidáveis

576

• O objetivo de ambos os métodos é evitar a

formação de carbonetos de Cr durante a soldagem,

pela restrição de C livre, seja pelo teor baixo de C,

seja pela formação preferencial de carbonetos de Ti

e de Nb.

Aços Inoxidáveis

577

• Para os aços estabilizados:

–durante o resfriamento no ciclo térmico desoldagem, a formação destes carbonetos de Ti ede Nb ocorrerão em temperaturas mais altas,limitando o Carbono livre para a formação decarbonetos de Cr;

–Contudo, nos casos em que estes aços irão operarcontinuamente em altas temperaturas, devemossolicitar sua estabilização durante a suafabricação (requisito suplementar).

Aços Inoxidáveis

578

• Os aços inoxidáveis com baixo C (304L) e os aços estabilizados (321 e 347) não são totalmente imunes à sensitização.

• Devemos escolhê-los em função das temperaturas e períodos a que estarão sujeitos.

Aços Inoxidáveis

579

Aços austeníticos – corrosão com Halogênios

• A possibilidade de corrosão sob tensão e decorrosão por pites é o grande problema de corrosãodestes aços.

• Quando estão sujeitos ao contato com meioscontendo Halogênios (Cl, Flúor, Iodo,Bromo) estesaços perdem a camada passivada, pela propriedadedestes elementos deslocarem o Oxigênio,destruindo os óxidos de Cr.

Aços Inoxidáveis

580

Aços austeníticos – corrosão com Halogênios

• Pela sua maior ocorrência, os cloretos são os meiosmais preocupantes. Água não tratada, água salgada,atmosfera marinha podem promover a corrosão.

Aços Inoxidáveis

581

• A corrosão sob tensão é acelerada pelatemperatura, bem como pela concentração do meioagressivo.

• Contudo, ela exige a presença de umidade, sendoimportante ressaltar que para temperaturas acimado ponto de orvalho não ocorreria corrosão sobtensão, no caso de corrosão atmosférica porambiente salino.

Aços Inoxidáveis

582

• Para temperaturas inferiores a 50°C é consenso quetemos pequeno risco de corrosão sob tensão.Contudo, devemos lembrar que tubulações em inoxaustenítico expostas ao sol em ambiente marinhopodem atingir temperaturas de metal superioresaos 50°C.

• A corrosão sob tensão exige um tempo deincubação, mas uma vez iniciada ocorrerapidamente.

Aços Inoxidáveis

583

Aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos

• Estes aços inox apresentam teor de Cr superior a12%. A maioria é isenta de Ni.

• Os aços inox ferríticos apresentam Fe emqualquer temperatura, não sendo temperáveis.Contudo, podem apresentar endurecimento porencruamento (deformação a frio).

Aços Inoxidáveis

584

Aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos

• Já os aços inox martensíticos apresentam Fe(abaixo da temperatura de transformação) e Fe(acima), sendo temperáveis. Sua dureza e limite deruptura são elevados. Aços de estrutura mista,ferrítico-martensítica, são capazes de têmperaparcial.

Aços Inoxidáveis

585

• Como a resistência à fluência destes aços é inferioraos aços inox austeníticos, as temperaturas limitesde utilização para vasos de pressão também sãoinferiores:

• Para o aço ferrítico inox 405: 540ºC conforme oCódigo ASME, sendo a resistência mecânicaaceitável até 480ºC.

Aços Inoxidáveis

586

• O comportamento destes aços a baixa temperaturasão similares aos do aço carbono.

• Seu coeficiente de dilatação é muito próximo ao doaço carbono, prestando para isto pararevestimentos anticorrosivos de vasos de pressão.

• A soldabilidade destes aços é relativamente difícil,devido à degradação de suas propriedades pelocrescimento elevado do grão.

Aços Inoxidáveis

587

• Estes aços estão sujeitos ao fenômeno defragilização nos 475°C (ou 885°F), principalmenteaqueles com mais de 15%Cr.

• Os aços com mais de 17%Cr também são sujeitos aformação de fase sigma, quando aquecidos na faixade 560°C e 900°C. A formação de fase sigma é bemmais rápida nos aços inox ferríticos que nos açosinox austeníticos.

• Estes aços também estão sujeitos a sensitização,apenas em temperaturas muito superiores (cercade 925°C), sendo por isto incomum este fenômeno.

Aços Inoxidáveis

588

Aços ferríticos e martensíticos – corrosão em geral

• De maneira geral, apresentam resistência àcorrosão inferior aos aços inox austeníticos.

• Também estão sujeitos à corrosão por pites napresença de Halogênios, sendo este tipo de ataquemenos intenso e menos freqüente que nos açosinox austeníticos.

• Os aços martensíticos estão sujeitos à fragilizaçãona presença de Hidrogênio, sendo seu uso evitadoem meios ricos em H2S ou H2.

Aços Inoxidáveis

589

Aços Inoxidáveis

590

• Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007

• Alguns aços inoxidáveis utilizáveis

Aços Inoxidáveis

591

Capítulo 15

Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos

592

• Recomendações para trocadores de calor

–Nos trocadores de calor existem componentes em contato com os dois fluidos.


593

• Por exemplo, os tubos de troca térmica. Assim,estes tubos devem ser resistentes aos dois fluidos.Não adicionamos nenhuma espessura adicionalpara compensarmos a corrosão.

• Da mesma forma, os espelhos devem ser dematerial compatível com ambos os fluidos, mascom uma sobreespessura para corrosão, ourevestimento anti-corrosivo do lado dos tubos.


594

• Os demais componentes, sujeitos ao ataque deapenas um dos fluidos devem ser escolhidosapropriadamente.


595

• Serviço com água doce

–A água doce, ou água de resfriamento, é um fluido tratado e portanto pouco corrosivo. Contudo, em temperaturas superiores a 60ºC, na condição aerada, apresenta liberação de Oxigênio e, portanto, é corrosiva.


596

–Para trocadores de calor, na condição normal, selecionamos aço carbono. Na condição de temperatura superior a 60ºC, selecionamos latão para os tubos de troca térmica e bronze para os espelhos.

–Cuidado especial deve ser tomado no caso de depósitos, portanto a “dureza” da água (teor de carbonatos) deve ser analisada.


597

• Serviço com Hidrocarbonetos

–A seleção de material para serviço comhidrocarbonetos é função dos contaminantespresentes no fluxo, tais como sais (cloretos, deamônio,etc), compostos sulfurosos e H2S.


598

• Serviços em temperaturas elevadas

–A seleção de matérias é feita em função:

• Resistência à fluência

• Oxidação


599

• Serviços em baixas temperaturas

–Distinção entre:

• temperaturas até -45ºC: baixa temperatura;

• temperaturas inferiores a -45ºC : serviço criogênico.

–A norma ASME, de forma a evitar o risco defratura frágil, indica para serviços com baixatemperatura a seleção através do uso da fig.UCS-66 (slide 31).


600

–Para serviços criogênicos, a seleção recairia entreaço inox austenítico e ligas de Ni, em função decusto de aquisição, fabricação e manutenção.


601

Capítulo 16

Corrosão

602

Generalidades sobre corrosão

• Corrosão é definida como o conjunto de fenômenos de deterioração progressiva dos materiais, em conseqüência de reações químicas ou eletroquímicas entre o material e o meio ambiente.

Corrosão

603

Corrosão metálica: eletroquímica e química

• A corrosão eletroquímica é devida a ocorrência de reações que envolvem o transporte de correntes elétricas através de um eletrólito, ocorrendo necessariamente em meios úmidos.

• Já o ataque químico é devido a reações químicas diretas do material com o meio corrosivo, por exemplo, o ataque de gases a alta temperatura.

Corrosão

604

• Exemplo clássico de célula eletroquímica:

Zn(s) + CuSO4 (aq)

gerando

Cu(s) + ZnSO4 (aq)

Corrosão

605

Causas da corrosão eletroquímica

• Para que as reações eletroquímicas ocorram é necessário um circuito elétrico completo:

– anodo;

– cátodo;

–eletrólito;

– contato metálico (elétrico).

• Obviamente, a existência do anodo e do catodo implica na diferença de potencial entre estes dois metais.

Corrosão

606

Corrosão

Esquema de pilha de eletrodos diferentes

Resultado da Experiência, após cerca de 10 dias: formação de Fe2O3H2O devido a corrosão do ferro (anodo)

607

Corrosão

Esquema da proteção catódica com anodos galvânicos ou de sacrifício

Resultado da Experiência, após cerca de 7 dias: comparação entre ferro ligado a cobre e ferro ligado a zinco. No último caso, o ferro está catodicamente protegido pelo zinco; o precipitado branco entre o zinco e o ferro é o produto de corrosão do zinco Zn(OH)2

608

Corrosão

Esquema da pilha de aeração diferencial

Resultado da Experiência, após cerca de 30 minutos: área central menos aerada (área anódica, coloração azulada) e área externa mais aerada (área catódica, coloração avermelhada)

609

• A diferença de potencial entre o anodo e o cátodo pode originar-se de numerosas causas:

– contato entre metais diferentes ou com potenciais diferentes;

– diferença de aeração (ou concentração de produto) – corrosão por fresta;

– diferença no estado de tensões, ou tratamento térmico;

–defeitos nos revestimentos protetores (ou camada passivada), etc.

Corrosão

610

• As causas acima citadas podem ser chamadas de“pilhas de ação local”, pela diferença localizadaentre o mesmo componente, ou chamadas “pilhasativo-passivo” quando elementos diferentes estãoatuando (no caso de metais diferentes). (verCorrosão – Vicente Gentil)

Corrosão

611

Formas de corrosão eletroquímica• Uniforme• Localizada:

–Macroscópica:• Por pites• Galvânica• Seletiva• Por frestas• Corrosão-erosão• Bacteriana

Corrosão

–Microscópica:• Sob tensão• Intergranular• Incisiva

612

Corrosão

Peça não corroída Corrosão uniforme Corrosão por pites

Corrosão galvânica Corrosão por frestas Corrosão-erosão

Metal anódico

Metal catódico

Cavidade confinada

Jato de fluido corrosivo

Corrosão seletiva Corrosão sob tensão Corrosão intergranular

Estrutura esponjosa

Trincas ramificadas microscópicas

Tensão trativa

Grãos destacados

613

Corrosão uniforme e corrosão por pites

• a) corrosão uniforme– Manifesta-se aproximadamente igual em toda a

superfície. Pode ser medida e portanto, prevista.

• b) corrosão por pites:– Consiste na formação de pequenas cavidades de

pequeno diâmetro e maior profundidade na peçametálica. Distribuição irregular, de difícil estimativa. Acorrosão por pites é característica dos materiaispassiváveis, mas não exclusiva destes.

Corrosão

614

Corrosão sob tensão

• É uma forma de corrosão (trincamento) provocadapela existência de tensões de valor elevado emregiões da peça e na presença de determinadomeio corrosivo. Desta forma, necessitamos:

–material suscetível;

–meio corrosivo;

– tensões de tração elevadas (fração alta doescoamento – p. ex., os ensaios são realizadosem 80% Sy).

Corrosão

615

• Foto de trinca por corrosão sob tensão e dispositivo normalizado para ensaio NACE TM-0177

www.caltechindia.com

www.corrosion-doctors.org

Corrosão

616

Outras formas de corrosão

• a) Corrosão Galvânica

–Característica da existência de uma pilha emcontato metálico imersos em um eletrólito.

Corrosão

617


• b) Corrosão Seletiva

–Quando apenas um dos elementos de uma liga écorroído. Essa forma de corrosão ocorre emalgumas ligas com grande diferença de potencialentre os dois elementos constituintes da liga.Exemplo, latões com mais de 20% de Zinco, emcontato com água salgada e com ácidos, sofre umprocesso de dezincificação.

Corrosão

618


• c) Corrosão por Frestas (Crevice Corrosion)– Provocada pela concentração diferencial do meio

corrosivo, devido à estagnação ou aeração diferencial,criando um potencial diferente entre as diferentesregiões do metal.

Corrosão

619

Corrosão por frestas

Corrosão

620

• d) Corrosão Intergranular

–Devida a formação de trincas microscópicas aolongo do contorno dos grãos, não havendoalteração na espessura da peça.

–Ocorre principalmente, nos aços inoxidáveis, emalguns meios corrosivos, principalmente ácidos,quando a periferia do grão fica com menorquantidade de Cromo (Cr) livre que o interior dogrão (sensitização), tornando-se anódica emrelação a este.

Corrosão

621

• Trincas intergranulares em liga de Alumínio contendo Cobre

Corrosão

622

• e) Corrosão Incisiva

– Também conhecida como “knife-edge corrosion”(ou “knife-line”) é uma variante da corrosãointergranular que ocorre em aços inoxidáveisestabilizados (adição de Nb ou Ti). Apresenta-seao longo das soldas, numa faixa muito estreita(fio de faca). É provocada pela formação decarbetos de Cr, na Zona Termicamente Afetada(ZTA).

Corrosão

623

• f) Corrosão-Erosão

–Provocada pela ação conjunta da erosão(velocidade alta) com corrosão. A erosão podeprovocar a remoção do filme passivado,provocando a corrosão, ou a corrosão podeprovocar o enfraquecimento do metal sujeito aação da velocidade do fluido.

Corrosão

624

• Foto de Canadian Cooper and Brass Development Association

Corrosão

625

• g) Corrosão Bacteriológica

–Devida à ação de bactérias que podem aderir àsuperfície metálica e liberar ácidos orgânicosque atacam o metal, ou mesmo provocarcorrosão por fresta (aeração diferencial). Muitocomum em águas pouco tratadas ou sistemas deresfriamento utilizando água do mar.

Corrosão

626

Corrosão por vida marinha em duto submarino

Corrosão

627

Corrosão por gases em temperatura elevada

• Várias reações entre os gases e os metais podem ser enumeradas: oxidação, sulfetação, carbonetação, etc.

• Geralmente, assume a forma de corrosão generalizada uniforme, portanto, é previsível.

Corrosão

628

Fatores que influenciam a corrosão

– características do fluido em contato

– concentração, pH, presença de impurezas ousólidos em suspensão, oxidação (caráter oxidanteou redutor), pressão;

– temperatura

–umidade

– velocidade

–esforços cíclicos

– tensões mecânicas

Corrosão

629

Fatores que influenciam a corrosão

– condições da superfície metálica (corrosão porpites)

– interface entre líquido e gás (dentro do vaso) esolo-atmosfera

– corrosão atmosférica.

Corrosão

630

Controle da corrosão

• Podemos adotar dois caminhos no controle do processo corrosivo:

– eliminar a causa;

– tolerar a existência da corrosão, adotando-se maiores espessuras para a corrosão.

Corrosão

631

Meios de controle da corrosão

• Adotaremos três linhas de ações, que poderão ser adotadas isolada ou simultaneamente:

– projeto contra a corrosão;

– providências relativas quanto à fabricação;

– providências relativas à operação do equipamento.

Corrosão

632

Projeto contra a corrosão

• Emprego de materiais mais resistentes;

• Revestimentos protetores;

• Proteção catódica.

Corrosão

633

• Providências quanto à fabricação

– Tratamentos térmicos;

– Indução de tensões compressivas (martelamento);

– Soldagem;

– Acabamento superficial.

Corrosão

634

• Providências quanto à operação do equipamento

– Modificações no meio corrosivo, tais como inibidores de corrosão, tratamento no meio corrosivo (desaeração, bactericidas, etc)

– Controle da temperatura

– Controle dos fluidos de processo

Corrosão

635

Corrosão

Detalhe Não Permitido Detalhe Permitido

Detalhes de projeto

VazioSoldas de Penetração parcial

Soldas de Penetração total

Solda descontínua Solda contínua

636

Detalhes de projeto

Corrosão

Detalhe Não Permitido Detalhe Permitido

Estrangulamento de seção

Impacto contra a parede Defletor

Dreno sem projeção internaArrendondamento

Fundo com declividade

Aba voltada para baixo

Dreno com projeção interna

Líquido acumulado

Aba voltada para cima

637

Detalhes de projeto

Corrosão

Detalhe Não Permitido Detalhe PermitidoMetais diferentes Metais diferentes

Bucha isolante

Arruela isolante

Solda dissimilar fora da parede de pressão

Anel da saia do mesmo material do equipamento

Metais diferentes

Saia de suportação

Parede de pressão do equipamentoSolda

dissimilar

638

Margem para corrosão

• No caso de corrosão uniforme (e previsível), podemos adotar uma espessura superior aquela necessária para resistir à pressão, de tal forma que esta espessura excedente venha a ser consumida durante a vida útil do equipamento.

Corrosão

639

Recursos para controlas as diversas formas de corrosão

• corrosão uniforme: seleção de materiais mais nobres para os casos mais severos;

• corrosão por pites: seleção de materiais, detalhes de projeto, tais como acabamento superficial;

• corrosão sob tensão: tratamento térmico de alívio de tensão;

• corrosão seletiva: seleção de materiais;

Corrosão

640

Recursos para controlas as diversas formas de corrosão

• corrosão galvânica: evitar materiais com potencial diferentes na presença de um eletrólito forte;

• corrosão por frestas: detalhes de projeto;

• corrosão intergranular: seleção de materiais;

• corrosão-erosão: detalhes de projeto.

Corrosão

641

Capítulo 17

Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade

642

Introdução

• Os vasos de pressão são fabricados, normalmente,em parede única (single wall), mas há algunsexemplos de vasos fabricados em paredes múltiplas(multi-wall), havendo inclusive, um capítuloespecífico sobre este processo, no Código ASME.

• A diferença entre estes processos pode serexplicada pelo avanço nas aciarias em fabricar açosde grande espessura com controle de composiçãoquímica mais apurada.


643

Introdução

• Da mesma forma, os processos de soldagemevoluíram acentuadamente: eletrodo submerso,arco-submerso, eletro-escória, etc foram sendodesenvolvidos e compreendidos.


644


645


646

• Os efeitos do tratamento térmico, pré-aquecimento, chanfros, etc, levaram adesenvolvimento de procedimentos de soldagemque permitiram soldagens de grandes espessuras(250 mm) com aporte térmico relativamentepequeno, por exemplo, o processo Ultra NarrowGap, com chanfros de 4°.


647

• Narrow Gap MIG Welding (foto de Babcock-Hitachi Co)

www.bhk.co.jp


648

• Processos de conformação mecânica, como ringforging, ou hollow ingot, permitiram a obtenção deforjados de grandes dimensões (até 6m) dediâmetro que permitiram a fabricação de vasos degrande espessura para uso em serviços severos,evitando-se soldas longitudinais (mais solicitadas).


http://www.forging.org/facts/faq9.htm



http://www.industeel.info/products/ingots.asp



649

• Anéis forjados de grande diâmetro


650(Foto Nuovo Pignone)


651

Etapas da fabricação

• De maneira geral, a fabricação e montagem de umvaso de pressão inclui as etapas a seguir:

– Levantamento da matéria-prima necessária,inclusive consumíveis de soldagem;

– Encomenda ou requisição da matéria-prima,através de especificações de compra;


652

Etapas da fabricação

–Recepção e identificação da matéria-prima,verificação dos certificados de qualidade, emconformidade com as especificações de compra,inspeção dimensional, existência de reparos emarcação codificada da matéria-prima,identificação do material (por exemplo, flangeØ24”, 150 #, A-105, lote n° 00CXX);


653

– Estocagem da matéria-prima, inclusive dosconsumíveis de soldagem em estufas, apóssecagem;

– Traçagem sobre as chapas, identificando aposição dos bocais e verificando existência deinterferências entre as soldas;

– Corte das chapas e preparação dos chanfros;

– Conformação das chapas e verificaçãodimensional para checar circularidade edesalinhamentos;


654

– Seleção dos procedimentos de soldagem jáqualificados, bem como dos procedimentos dereparo;

– Seleção dos soldadores qualificados;

– Seleção dos inspetores de Ensaios NãoDestrutivos (END);

– Preparação do Mapa de Soldagem, bem comodo Plano de Inspeção;


655

– Preparação para a soldagem, estudo daseqüência, montagem dos dispositivosauxiliares;

– Usinagem das faces dos bocais, preparação daspeças a serem soldadas (suportes internos,reforços, selas), etc;

– Soldagem das chapas em anéis completos e dostampos;

– Soldagem dos bocais, reforços, suportes eoutros acessórios;


656

– Inspeção dimensional;

– Inspeção por END;

– Reparos das soldas não aprovadas;

– Re-inspeção por END;

– Tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT);

– Limpeza interna e externa;

– Teste hidrostático;

– Inspeção dimensional final;


657

– Preparação para pintura (jateamento) ou revestimento interno (se for aplicável);

– Inspeção final e condicionamento paraembarque (atmosfera inerte, no caso de vasoscladeados com inox austenítico e sujeitos aviagens marítimas);

– Transporte.


658

Conformação

• A conformação das chapas, perfis, forjados e outroscomponentes compreende a calandragem,prensagem, rebordeamento, dobramento,estampagem e curvamento para a fabricação deanéis cilíndricos, tampos de qualquer perfil, bemcomo peças internas ou externas, soldadas aocostado.


659

Conformação

• A calandragem para a conformação dos anéiscilíndricos ou cônicos é feita a partir das chapas emcalandras de três rolos (ver figura), onde os rolosinferiores são os motrizes e o superior é livre.Deslocando-se os rolos na horizontal e na vertical,ajusta-se a máquina para a etapa de conformação,em função da espessura e do diâmetro desejado.


660

Processo de calandragem e Calandra


661

• O Código ASME (Seção VIII, Divisão 1, parágrafo UG-80) define alguns desvios aceitáveis em relação aodimensional do vaso de pressão.

• A maior diferença entre os diâmetros mínimo emáximo (ou falta de circularidade) aceitável é de0,01D (1% do diâmetro).

• Reproduzimos a seguir a figura UW-80.2, ondeestão representados estes valores


662

Figura UCS-80.2: Falta de circularidade


663

• Da mesma maneira que o casco cilíndrico, o Códigodefine no parágrafo UG-81 as tolerâncias máximasadmissíveis para os tampos: 0,0125 D (1,25% dodiâmetro).

• Da mesma forma, a Divisão 2 também apresentaalguns limites aceitáveis. (ver ASME, Seção VIII,Divisão 2, item 4.3.2)


664

e 0,0125 DiDi

GABARITO PARA MEDIR PELO LADO INTERNO

e < 0,00625 De

De

GABARITO PARA MEDIR PELO LADO EXTERNO

OBS. Di = diâmetro interno.De = diâmetro externo.e = folga medida.


665



666



667

Soldagem

• A soldagem do costado não envolve apenas a soldadas chapas propriamente dita.

• Antes da realização da primeira solda, oprocedimento de soldagem deverá ser devidamentequalificado.


668

Soldagem

• Devidamente qualificado por instituiçãorepresentativa, um técnico de soldagem iráselecionar os procedimentos cabíveis, bem comoespecificar o processo de soldagem mais adequadopara a fabricação do equipamento.

• No caso do Brasil, a instituição certificadora é aFBTS (Fundação Brasileira de Tecnologia deSoldagem).


669

• O planejamento antecipado das operações desoldagem deve ser previamente discutido eaprovado para a realização das etapas de soldagem,de maneira a minimizar operações dispendiosas dereparo, além de provocar atraso na fabricação.

• A correta seleção do consumível, sua secagem, bemcomo sua conservação em estufa, a manutenção desuas propriedades durante a fabricação (corpos deprova de fabricação) são garantias do Sistema deGarantia da Qualidade do fabricante.


670

• Garantindo as boas práticas de fabricação e aobtenção de resultados satisfatórios ao final doprocesso, minimizamos os reparos posteriores.


671

• O Código ASME, Seção IX, define as variáveisessenciais de soldagem para cada processo (SAW,SMAW,TIG) durante o processo de execução.

• Estas variáveis devem ser mantidas conforme oprocedimento qualificado, sob pena dedescaracterizar o procedimento.

• Como exemplo de variáveis essenciais, temos:

– O P-Number;

– O aporte térmico;

– A exigência de tratamento térmico.


672

• Algumas variáveis no processo de soldagem (porexemplo, a duração ou a temperatura dotratamento térmico (TTAT)) são variáveis essenciaissuplementares, cuja modificação afetará atenacidade da solda.

• Se o usuário definir na sua Especificação de Compraque o equipamento deverá apresentar garantia detenacidade, então estas variáveis deverão serobedecidas durante a execução do processo defabricação.


673

• As soldas devem ser conduzidas o maissimetricamente possível em relação ao eixo neutrodo vaso, para reduzir as distorções decorrentes doresfriamento da solda.

• A soldagem em passes sucessivos, para grandesespessuras apresenta vantagens interessantes, jáque o depósito seguinte, promove o revenimentodo passe anterior, devido à superposição dos ciclostérmicos dos diversos passes.


674

• De maneira a minimizar o trincamento das soldasseja devido a:

– transformações metalúrgicas na ZonaTermicamente Afetada (ZTA), ou

–pela presença de Hidrogênio durante a deposiçãodo metal fundido,

• Costuma-se promover o pré-aquecimento e/ ou opós-aquecimento das partes a soldar, procurandodesta maneira, suavizar as curvas de resfriamentodo metal.


675

Pré-aquecimento das soldas(COMETARSA – Argentina)


676

• Na prática de fabricação, as técnicas de soldagemautomática (arco submerso (SAW)) de grandeprodução são preferidas para a fabricação dos anéiscilíndricos, enquanto são selecionados os processosmanuais (eletrodo revestido (SMAW)) para asoldagem de bocais e/ ou acessórios, pois sãosoldas de pequena extensão.


677

Arco submerso (Submerged arc welding - SAW)


678

Diagrama esquemático do dispositivo de soldagem por arco submerso


679

• Por exemplo, a soldagem dos tubos no espelho deum trocador de calor pode ser realizada porprocesso automático (Tungstênio com gás inerte(TIG)) já que o processo é repetitivo, eliminando-seassim, quaisquer diferenças decorrentes do cansaçodo operador, durante o processo manual.


680

Solda TIG orbital dos tubos no espelho de trocador de calor


681

Exames Não Destrutivos

• Todas as soldas, depois de completadas, devem serinspecionadas para verificar a existência depossíveis defeitos através de Ensaios NãoDestrutivos (END).

• A realização dos ensaios deve ser após decorridas48 horas após a soldagem, para permitir que trincasdevidas à fragilização pelo Hidrogênio possam vir aser nucleadas e detectadas pelo métodos de ensaio.


682


• São os seguintes os métodos usuais de inspeção:

–Visual;

– Líquido penetrante (dye penetrant test)(PT);

–Partícula magnética (magnetic particles)(PM);

– Inspeção por ultra-som (UT);

– Inspeção radiográfica (RX).


683


• Quaisquer que sejam os métodos de inspeçãoadotados, é sempre exigido que seja feita aqualificação do procedimento de exame, bem comoa qualificação dos operadores e inspetores porentidade reconhecida.


684


• No caso do Brasil, a certificação dos inspetores deEND fica a cargo da ABENDE (Associação Brasileirade Ensaios Não Destrutivos).

• Esta qualificação tem a finalidade de assegurar aadequação do método de ensaio para o tipo desolda a inspecionar, bem como a capacitaçãoprofissional dos inspetores e operadores do ensaio.


685


• Por exemplo, soldas em chapas de espessura fina(t < 9,5 mm) não apresentam bom resultado emexame por ultra-som, devido à existência de ruídodevido ao acoplamento.

• Desta forma, defeitos sub-superficiais também sãode difícil detecção no ultra-som.


686


• A Seção V do Código ASME descreve osprocedimentos para vários processos de END emvasos de pressão e contém exigências,recomendações e detalhes específicos dessesexames.


687

Inspeção visual

• É sempre exigida e deve ser feita obrigatoriamenteem todas as soldas.

• Essa inspeção é capaz de descobrir os defeitossuperficiais (trincas, mordeduras, etc).

• O inspetor também deve ser qualificadopreviamente.


688

Inspeção com Liquido Penetrante

• Utilizada para detecção de defeitos superficiais,recomendada como método auxiliar em soldas deresponsabilidade.

• Devido ao seu baixo custo e facilidade de execução,a inspeção com (LP) é muito usada para o exameentre passes de cada camada de solda, emparticular para o passe de raiz.

• É obrigatoriamente feita em soldas de açoinoxidável austenítico, devido a característica nãomagnética deste aço.


689

Inspeção por líquido penetrante em espelho de trocador de calor


690

Inspeção com Partícula Magnética

• Apresenta maior sensibilidade a defeitossuperficiais do que a (LP) e detecta defeitossub-superficiais que seriam impossíveis deidentificar pelo (LP).

• Não é recomendada para aços inoxidáveisausteníticos, pois são não-magnéticos.

• Exige razoável grau de conhecimento do operadorpara gerar o campo magnético de forma aidentificar a descontinuidade.


691

Inspeção com Partícula Magnética

• O uso de eletrodos para posições de difícil acessoexige certo grau de habilidade do operador paraevitar abrir o arco elétrico e danificar a superfíciedo costado.


692

Exame por partícula magnética com o uso de yoke


693

• O Código ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007passou a ser mais exigente em relação ao materialrecebido.

• Por exemplo, forjados que tenham sido usinadosdevem ter as superfícies acessíveis inspecionadospor Partículas Magnéticas, conforme ASTM A-275.


694

Transcrição do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007


695

Inspeção por Ultra-som

• O ultra-som é um processo extremamente sensível,aplicando-se muito bem a espessuras maiores e degeometria mais elaborada.

• Até há pouco tempo, o Code Case n° 2235 permitiao seu uso em substituição à radiografia paraespessuras superiores a 100 mm (4”).


696

Inspeção por Ultra-som

• Mais recentemente, o mesmo documento permitiusua utilização para espessuras superiores a12.7 mm (1/2”), ressalvando-se a exigência danecessidade de método automático e registrável,exigindo cabeçotes em tandem, fazendo-se avarredura tanto com cabeçotes retos quantoangulares.

• A interpretação do ensaio ultrassônico é mais difícildo que a radiografia.


697

Time Of Flight Diffraction (TOFD)• O resultado da aceitação do Code Case 2235 é que,

a partir de agora, técnicas de inspeção por ultra-som, tais como o TOFD, podem ser utilizadas comosubstituição à radiografia.


698

• Em contrapartida, as chapas utilizadas passaram aser mais inspecionadas no recebimento.

• Ensaios de recebimento de material passaram a sermais rigorosos.

• O Código ASME Seção VIII, Div. 2 passou a exigir queas chapas com espessura superior a 50 mm sejamexaminadas por ultra-som, conforme SA-578, nívelB (descontinuidades circunscritas em um círculocom diâmetro inferior a 76 mm).


699

Transcrição do ASME, Seção VIII, Div. 2


700

Radiografia ou Gamagrafia

• É o processo mais usual de ensaio.

• Embora as soldas não radiografadas sejampermitidas em alguns casos pela Divisão 1, é práticausual a exigência de radiografia parcial (spot) dassoldas de vasos de pressão.


701

• Para a Divisão 2, o critério é um pouco diferente.

• Em função do “Examination Group”, é determinadaa extensão exigida de ensaio e qual a eficiência dejunta a adotar.


702


• Exame da junta soldada


703


704

• Após a fabricação, o vaso será inspecionado para recebimento. Os END utilizados deverão seguir os critérios adotados nos parágrafos correspondentes.


705



706

Critério de aceitação de defeito encontrado no RX



707

• Exemplos de indicações aceitáveis no exameradiográfico (ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição2007)


708

• Quando especificada radiografia total, deve-se ter ocuidado de indicar juntas soldadas facilmenteradiografáveis.

• Para espessuras superiores a 70 mm a radiografia épossível, mas extremamente onerosa, pois o uso defontes especiais de radiação (gamagrafia) aumentaimensamente as dificuldades de realização doensaio.


709

• O uso de aceleradores lineares tem sido maisfreqüente para espessuras elevadas, permitindoobtenção de registros de elevada qualidade.

• Contudo, a necessidade de bunkers de concretopara proteção da elevada radiação restringe seu usoa poucos fabricantes especializados.


710

• Radiografia com acelerador linear


711

• O exame radiográfico é capaz de identificar defeitosinternos nas soldas, tais como trincas, porosidades,etc.

• O critério de aceitação no exame radiográfico éindicado no Código, nos apêndices 4 (Divisão 1) e 8(Divisão 2).

• Uma das grandes vantagens da radiografia é aexistência de registros, ou seja, filmes radiográficosque são documentos permanentes de consulta.


712

•Radiografia digital


713

• O uso de radiografia digital ainda não estátotalmente desenvolvido e descrito em Códigos deProjeto.

• Por este motivo, só tem sido utilizado em examesradiográficos durante a operação do equipamento,não sendo ainda aceito para fins de projeto.


714

Tratamento Térmico

• O Tratamento Térmico de Alívio de Tensões (TTAT)consiste no aquecimento do equipamento até umatemperatura acima da temperatura derecristalização (temperatura de encharcamento –soaking temperature), mantendo-se durante umdeterminado intervalo de tempo de maneira agarantir o relaxamento e redistribuição das tensõesdecorrentes da soldagem, pela plastificaçãoresultante da redução do limite de escoamento.


715

• Tratamentos térmicos

• De maneira geral os métodos térmicos de alívio de tensões residuais podem ser divididos em: – Tratamentos realizados no interior de fornos (toda a

peça ou a peça em partes);

– Tratamentos utilizando um aquecimento interno à estrutura e tratamentos localizados.


716

• a) Tratamento térmicos no interior de fornos.

• Este é o procedimento preferível e deverá ser utilizado sempre que possível; durante a realização do tratamento térmico deverão ser controladas principalmente as seguintes variáveis:

– Taxa de aquecimento.

– Temperatura de tratamento.

– Tempo de permanência na temperatura de tratamento.

– Taxa de resfriamento.


717

• a) Tratamento térmicos no interior de fornos.

• Um aspecto que deverá merecer atenção será o suporte da própria estrutura no interior do forno; em certas situações, principalmente no caso de vasos de paredes finas, grande diâmetro e formas mais complexas, será inevitável a utilização de suportes e reforços provisórios durante o tratamento.


718

Forno para tratamento térmico (foto Nuovo Pignone)


719

Tratamento térmico de tampo torisférico


720

• b) Tratamentos térmicos por aquecimento interno

• Neste caso a estrutura soldada será ela própria o forno. As esferas de armazenamento de GLP são tradicionalmente tratadas dessa maneira, conforme figura a seguir.

• Neste caso, a expansão radial durante o tratamento térmico será facilitada pela utilização de roletes ou chapas deslizantes sob as colunas de sustentação.


721

1 – Queimador principal;2 – Abafador (“damper”) com regulagem na boca de visita superior;3 – Queimador piloto;4 – Painel de comando;5 – Alimentação do gás propano para o queimador piloto;6 – Compressor de ar;7 – Reservatório de ar;8 – Alimentação de ar;9 – Alimentação de óleo diesel


722

Tratamento térmico de esferas (on-site)


723

• c) Tratamentos Térmicos Localizados• Em diversas situações não é possível, por motivos

construtivos ou técnicos, o tratamento térmico de alívio de tensões da estrutura completa no interior de um forno, como nos seguintes casos:– Estrutura de grandes dimensões, incompatíveis com as

dimensões dos fornos disponíveis. – Vaso fabricados em seções, cada seção tratada

térmicamente com soldas de fechamento na obra.– Reparos por solda, para os quais o código exige

tratamento térmico de alívio de tensões, realizados durante a montagem de estruturas já tratadas térmicamente.


724

• c) Tratamentos Térmicos Localizados

• Soldas de manutenção, quando em situação análoga a anterior.

• O tratamento localizado é normalmente realizado por meio de aquecimento por resistência elétrica.

• Adotamos para o tratamento térmico localizado a temperatura de tratamento e o tempo de permanência normalmente recomendados para um tratamento térmico de alívio de tensões no interior de fornos.


725

• c) Tratamentos Térmicos Localizados

• O tratamento térmico localizado produzirá deformações plásticas na estrutura tratada: o gradiente térmico durante o aquecimento localizado devera ser cuidadosamente controlado para evitar a introdução na estrutura soldada, de um estado de tensões residuais mais perigoso do que o existente anteriormente ao tratamento.


726


727

• Conforme Subseção UCS do código ASME Seç.VIII –Div.1, os requisitos específicos de material para realização do tratamento térmico de alívio de tensões são definidos (UCS-56).

• A necessidade de tratamento térmico é definida em função da espessura nominal considerada e do tipo de material do vaso (P-Number). As temperaturas e tempos de tratamento estão contidas nas Tabelas UCS-56 e UCS-56.1.


728


729


730

• Quando materiais com P-Number diferentes forem soldados, o tratamento térmico será feito de acordo com os requisitos

para o material que necessitar de maior temperatura de

tratamento.

• O ciclo térmico do tratamento, conforme o parágrafo UCS-

56, item (d) está esquematizado na Figura a seguir.

Abaixo de 800oF não há limites para as taxas de aquecimento e resfriamento

Temperatura e Tempo de permanência definidos na tabela UCS-56

Taxa de AquecimentoT < 400 oF/h inT < 400 oF/h

Taxa de ResfriamentoT < 500 oF/h inT < 500 oF/h

Tempo

Abaixo de 800oF não há limites para as taxas de aquecimento e resfriamento

Temperatura e Tempo de permanência definidos na tabela UCS-56

Taxa de AquecimentoT < 400 oF/h inT < 400 oF/h

Taxa de ResfriamentoT < 500 oF/h inT < 500 oF/h

Tempo


731

• A duração do TTAT, bem como a temperatura deencharcamento, é uma variável essencialsuplementar, portanto, afetará a tenacidade finaldo aço.

• Por isto, alguns aços sujeitos a serviços quedemandam garantia de tenacidade, devem serqualificados para sucessivos TTAT, previstos durantea fabricação.

• Esta qualificação deve garantir as propriedadesmecânicas ao final da fabricação ou da vida útil, nocaso de reparos ao longo da vida do equipamento.


732

• A tabela UCS 56.1 admite que a temperatura deTTAT possa ser inferior à mínima temperaturarecomendada na tabela UCS 56, desde quecompensado por um aumento no tempo depatamar.

• Desta forma, a diminuição na temperatura podefavorecer algumas situações como o TTAT de vasosde pressão verticais já montados no campo e quepoderiam sofrer algum tipo de deformação devidoao peso próprio.


733


734

• Contudo, cuidado especial é necessário, pois paraalguns aços (por exemplo, o aço 1¼ Cr ½Mo (P-No.4)) a tabela UCS 56.1 não pode ser utilizada, devidoà transformações metalúrgicas (precipitação decarbonetos) ocorridas em temperaturas inferiores àadmitida pela tabela UCS 56.

• Da mesma forma, apenas os aços carbono (P-No. 1)admitem redução superior à 83°C (150°F) comoindicado nas notas da tabela UCS 56.1.


735

• Ou, em outras palavras, a utilização da redução natemperatura de patamar do TTAT deve sercriteriosamente estudada, de maneira a evitar-sedanos no equipamento.


736

• - Conformação de cascos e tampos (UCS-79)

• Partes conformadas de vasos de pressão, em aço carbono ou aço liga, que tenham um alongamento máximo da fibra externa superior a 5% deverão sofrer alívio de tensões antes de operações subseqüentes.

• Para materiais de P-Number 1 e Group Number 1 e 2, o alongamento máximo da fibra extrema pode chegar a 40%, se nenhuma das condições de (1) a (5), listadas abaixo, ocorre:


737

– 1 - O vaso contém substâncias letais;

– 2 - A espessura, antes da operação de conformação, e superior a 5/8”;

– 3 - O material requer teste de impacto;

– 4 - A redução de espessura, na conformação a frio, a partir da condição de como laminado, excede 10%.

– 5 - A temperatura do material durante a conformação está entre 250oF (121oC) e 900oF (482oC)


738

• - Conformação de cascos e tampos (UCS-79)

• O alongamento máximo da fibra extrema pode ser determinado pelas seguintes fórmulas:

• Para seções com dupla curvatura:

• % = (75.t/Rf).(1 – Rf / Ro)

• Para seções com curvatura simples:

• % = (50.t/Rf).(1 – Rf / Ro)

• t - espessura da chapa

• Rf - raio final de curvatura

• Ro - raio inicial de curvatura (Ro = , chapa plana)


739

Capítulo 18

NR-13

740

• Em 1977 foi assinada a Lei n 6514, alterando o capítulo V do Título II da Consolidação das Leis do Trabalho, relativa à segurança e medicina do trabalho. Essa lei contem seções com vários assuntos, sendo que a Seção XII trata de Caldeiras, Fornos e Recipientes Sob Pressão.

NR-13

741

• Em 1978 o Ministério do Trabalho aprovou as Normas Regulamentadoras (NR), previstas na Lei 6514, visando detalhar as disposições daquela lei. Dentre as 28 Normas Regulamentadoras somente as NR-13 - VASOS DE PRESSÃO e NR-14 - FORNOS tratavam diretamente dos equipamentos industriais. Apesar do título, a NR-13 tratava apenas de caldeiras e era simplesmente uma cópia da antiga portaria n20, com todos os seus problemas.

NR-13

742

• Em 1983 o Ministério do Trabalho resolveu estender a NR-13 a outros vasos de pressão, como: compressores, tanques de ar comprimido, vasos de ar comprimido, reservatórios em geral de ar comprimido e outros com auto-claves, que são tão perigosos quanto as caldeiras.

• Em 1984 e 1985 a NR-13 sofreu algumas alterações, continuando com vários problemas que praticamente inviabilizavam a sua utilização.

NR-13

743

• Em 1995 a NR-13 sofreu novas alterações, agora com a participação de técnicos de algumas industrias e foi totalmente modificada, sendo introduzida nesta, conceitos existente em Normas Européia. A atual NR-13 classifica os vasos de pressão em função dos dados de projeto e estabelece entre outros itens a freqüência de inspeção e a periodicidade de testes.

NR-13

744

• Atualmente no Brasil as Normas Regulamentadoras são os instrumentos legais que exigem inspeção em vasos de pressão e por sua natureza tem força de lei. A NR-1 descreve que as Normas Regulamentadoras são de observância obrigatória pelas empresas privadas e públicas e pelos órgãos públicos da administração direta e indireta, bem como pelos órgãos dos poderes legislativo e judiciário, que possuam empregados regidos pela Consolidação das Leis Trabalhistas (CLT).

NR-13

745

• Comentários da NR-13, referentes a Vasos de Pressão

• A seguir serão feitos alguns comentários referentes às exigências da NR-13, da parte referente a vasos de pressão.

• a) A principal modificação introduzida na NR-13 é a adoção da classificação dos vasos de pressão em CATEGORIAS DE INSPEÇÃO, em função do: tipo de fluido armazenado, produto da pressão máxima de operação do vaso e seu volume geométrico e o grupo potencial de risco do vaso.

NR-13

746

CLASSE DE FLUIDO

GRUPO DE POTENCIAL DE RISCO

1PV 100

2100 > PV 30

330 > PV 2,5

42,5 > PV 1

5PV < 1

A- Fluido inflamável- Combustível com temperatura igual ou superior a 200oC- Tóxico com limite de tolerância 20 ppm;- Hidrogênio;- Acetileno.

I I II III III

B- Combustível com temperatura < 200C;- Tóxico com limite de tolerância > 20 ppm.

I II III IV IVC

- Vapor de água;- Gases asfixiantes simples;- Ar comprimido.

I II III IV V

D- Água ou outros fluidos não enquadrados nas classes A, B, ou C, com temperatura >50C.

II III IV V V

NR-13

747

• b) As categorias de inspeção variam de I a V, sendo mais rigorosa quanto MENOR for sua categoria. Assim um vaso enquadrado na categoria I é aquele que estará submetido aos maiores rigores da Norma.

• c) A Norma NR-13, na parte referente a vasos de pressão aplica-se, basicamente, a vasos de pressão, estacionários, não sujeitos a chama, cujo produto da pressão máxima de operação (KPa) e seu volume geométrico (m3) seja superior a 8 ou que armazene fluido classe A.

NR-13

748

• d) Independente da categoria, todos os vasos devem possuir:

• - Placa de identificação: placa fixada no vaso, em local visível que deve conter algumas informações, referentes às condições de projeto do vaso, selecionadas pela Norma.

• - Prontuário: são os dados de projeto do vaso.

• - Registro de Segurança: registro de todas as ocorrências que possam influir na segurança do vaso.

NR-13

749

• - Projeto de Instalação: características das instalações onde o vaso está localizado.

• - Projeto de Alterações ou Reparos: registro dos reparos realizados no vaso que possam interferir na sua segurança e do procedimento de reparo utilizado.

• - Relatórios de Inspeção: registro de alterações do vaso que estejam em desacordo com sua placa de identificação.

NR-13

750

• e) Todo vaso enquadrado nas categorias I e II, deve possuir um manual de operação que contenha os procedimentos específicos adotados para o vaso em manobras operacionais, como: paradas, partidas, emergências, etc. Além disso, os operadores devem ser treinados, conforme os requisitos especificados na Norma.

NR-13

751

• f) Todos os reparos ou alterações devem respeitar o respectivo código de projeto e construção do vaso.A critério do Profissional Habilitado, podem ser utilizadas tecnologias de cálculo ou procedimentos mais avançados em substituição aos previstos pelos códigos de projeto e construção.

NR-13

752

• g) A periodicidade de inspeção exigida pela Norma, depende da categoria do vaso e se a empresa possui Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos. A tabela a seguir mostra os prazos de inspeção e exigências de teste hidrostático para vasos de pressão.

NR-13

753

Categoria do Vaso

Exame Externo Exame Interno Teste Hidrostático

Com SPIE Sem SPIE Com SPIE Sem SPIE Com SPIE Sem SPIE

I 3 anos 1 ano 6 anos 3 anos 12 anos 6 anos

II 4 anos 2 anos 8 anos 4 anos 16 anos 8 anos

III 5 anos 3 anos 10 anos 6 anos A critério 12 anos

IV 6 anos 4 anos 12 anos 8 anos A critério 16 anos

V 7 anos 5 anos A critério 10 anos A critério 20 anos

Com SPIE = empresas Com Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos.Sem SPIE = empresas Sem Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos.

NR-13

754

• h) As válvulas de segurança devem ser desmontadas, inspecionadas e recalibradas durante o exame interno do vaso.

• i) Em situações que possam alterar as condições iniciais do vaso este deve ser submetido a uma inspeção de segurança extraordinária. Por exemplo: quando houver alteração de local do vaso.

NR-13

755

• j) Após a inspeção deve ser emitido relatório de inspeção contendo no mínimo o seguinte:– identificação do vaso;– fluido de serviço e categoria do vaso;– tipo do vaso;– data de início e término da inspeção;– tipo de inspeção executada;– descrição dos exames e testes executados;– resultados das inspeções e intervenções

executadas;

NR-13

756

– conclusões;– recomendações e providências necessárias;– data prevista para a próxima inspeção;– nome e assinatura do profissional habilitado;– nome e assinatura dos técnicos que participaram

da inspeção.

NR-13

757

• Fiscalização e Penalidades• As delegacias Regionais do Trabalho (DRT) cabem

executar as atividades relacionadas com a segurança e medicina do trabalho e a fiscalização do cumprimento dos preceitos legais e regulamentares sobre a segurança e higiene do trabalho.

• A fiscalização quanto ao cumprimento dos requisitos da NR 13 pode ser feita pelos empregados da empresa ou seus sindicatos de classe, mediante solicitação formal a empresa, ou através de denuncia ao ministério público.

NR-13

758

• Fiscalização e Penalidades• Cabe, portanto, as DRT’s impor penalidades,

embargar, interditar etc. em função da inobservância das Normas Regulamentadoras.

• A NR-1 estabelece também que cabe ao empregador cumprir e fazer cumprir as disposições legais e regulamentares, sob pena de aplicação das penalidades previstas na legislação pertinente.

NR-13

759

• Fiscalização e Penalidades

• Ao empregado cabe cumprir essas disposições. A recusa injustificada constitui ato faltoso.

• Merece destaque o não cumprimento dos itens da NR 13 considerados como risco grave e iminente, nesses casos a empresa está sujeita a interdição total ou parcial de suas atividades enquanto esses itens não forem atendidos. Os critérios de interdição para embarco de obras ou interdição de unidades operacionais estão descritos na Norma Regulamentadora NR 3.

NR-13

760

• Fiscalização e Penalidades

• A interdição e embargo poderão ser requeridos pelo Setor de Segurança e Medicina do Trabalho da DRT ou por entidade sindical.

NR-13

761

• Fiscalização e Penalidades• As penalidades que as empresas e profissionais

habilitados estão sujeitos por não atendimento aos requisitos da Norma Regulamentadora No 13 estão descritas na Norma Regulamentadora No 28.

• São exemplos de risco grave e emitente a falta de dispositivos de segurança, de indicadores de pressão, etc.

NR-13

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