UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO (UFPE)

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCINCIAS (CTG)

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA (DEMEC)

TUBULAES INDUSTRIAIS

Recife, Fevereiro 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO (UFPE)

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCINCIAS (CTG)

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA (DEMEC)

Cleyton Albuquerque de Arajo

Relatrio entregue ao professor Jos Laurenio Accioly Filho, ministrante da disciplina de Tubulaes Industriais , Turma MM, do curso de Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Pernambuco.

Recife, Fevereiro 2015

Agradecimentos

Agradeo ao professor e ministrante da presente cadeira Jos Laurenio Accioly Filho.

SUMRIO

1. Introduo.......................................................................................4

2. Definio.........................................................................................5

3. Cargas Atuantes.............................................................................5

4. Distribuio das Tenses................................................................5

5. Tenses Admissveis......................................................................6

6. Tenses Primrias e Secundrias .....................................................8

7. Stress Range..................................................................................9

8. Espessura de Parede do Tubo.......................................................9

9. Critrio de Projeto..........................................................................10

10. Flexibilidade de uma Tubulao....................................................11

11. Concluso......................................................................................14

12. Referncias Bibliogrficas..............................................................15

1. Introduo

Neste breve trabalho ser mostrado um resumo das aulas lecionadas pelo professor em questo, referente disciplina de Tubulaes industriais, com o intuito de abordar todos os conhecimentos adquiridos em sala de aula.

2. Definio

Tubulao conjunto de tubos e acessrios voltados ao processo industrial. Podendo ser utilizados para transporte de gases, leos, vapores, lubrificantes dentro outros lquidos industriais. Chegam a representar 70% do custo dos equipamentos, ou 25% do custo total de instalao.

Podem-se encontrar tubulaes nas mais diversas indstrias, como por exemplo, qumica, petroqumica, alimentcias, dentre outras. As tubulaes industriais so utilizadas para transportar fludos de uma entrada para uma sada.

3. Cargas Atuantes

Diversas cargas atuam sobre as tubulaes. As cargas predominantes so: presso (interna ou externa), pesos (do tubo, do fluido, dos acessrios etc.) e dilataes trmicas, que ocorrem devido variao de temperatura. Porm existem outras cargas atuantes na tubulao como, por exemplo, atrito nos suportes, vibraes, reaes de juntas de expanso, tenses decorrentes da montagem, desnivelamento de suportes ou de vaso ou equipamentos, aes dinmicas, entre outras.

Na busca de evitar ou atenuar as cargas um srie de medidas devem ser tomadas como, por exemplo, adotar vos adequados entre os suportes, limitar as sobrecargas, dar flexibilidade adequada ao sistema, colocar guias e contraventos, diminuir o atrito nos suportes, executar a montagem com cuidado, construir as fundaes com cuidado para minimizar recalques etc.

4. Distribuio das Tenses

Um estudo de grande importncia no calculo do projeto de uma tubulao a anlise das tenses nas paredes dos tubos. Ao realizar a anlise possvel observar diversas tenses de origens distintas como, por exemplo, as tenses longitudinal , circunferencial e radial .

Figura 1 - Tenses na parede do Tubo

A tenso longitudinal tende a provocar um rompimento do tubo segundo uma circunferncia. Tal tenso tem origem devido presso, momentos fletores e cargas axiais.

A tenso circunferencial tende a provocar o rompimento do tubo de maneira longitudinal. Essa tenso tem origem devido presso (geralmente a tenso predominante) e devido ao achatamento do tubo.

Enquanto isso a tenso radial proveniente da presso, porem por ser relativamente pequeno quando comparada as outras tenses costuma ser desprezada nos clculos.

Figura 2 - Tenses atuantes por presso interna nos tubos

5. Tenses Admissveis

Diversas sees da norma ANSI B.31 contm tabelas que servem para um grande nmero de materiais usuais de tubulaes. Um critrio importante ao projetar uma tubulao so as tenses admissveis em funo da temperatura. Os valores das tabelas so as tenses admissveis bsicas, que devem ser adotadas para os esforos de trao, compresso, flexo, estticos e permanentes.

Para outros tipos de esforos a norma estabelece algumas variaes em relao s tenses admissveis bsicas:

Esforos estticos e permanentes de cisalhamento puro e de toro: 80% das tenses admissveis bsicas;

Tenses secundarias, no permanentes, devidas s dilataes trmicas: valores mais elevados.

Seo B31.1: 15% para esforos que atuem durante 10% do tempo, em 24 horas e 20% para esforos que atuem at 1% do tempo, em 24 horas;

Seo B.31.3: 33% para esforos que atuem durante at 10 horas seguidas, com o mximo de 110 horas em um ano e 20% para esforos que atuem durante at 50 horas seguidas, com no mximo 500 horas em um ano.

Em resumo, os seguintes critrios de estabelecimento das Tenses Admissveis Bsicas para tubos de ao:

Figura 3 - Relaes para as tenses admissveis segundo norma ANSI B.31.3

Na tabela acima se tem para todos os casos:

LR: Valor mnimo do limite de resistncia do material na temperatura considerada;

LE: Valor mnimo do limite de elasticidade do material na temperatura ambiente;

Tdf: Tenso mnima que causa uma deformao por fluncia de 1% ao fim de 100.000 horas, na temperatura considerada;

Tdm: Tenso mdia que causa uma deformao por fluncia de 1% ao fim de 100.000 horas, na temperatura considerada;

Trf: Tenso mnima que causa ruptura do material, em consequncia de deformao por fluncia ao fim de 100.000 horas, na temperatura considerada;

A seguir so apresentados os valores para as tenses admissveis dos principais aos carbono aplicados em tubulaes de acordo com a ANSI B.31.1.

Figura 4 - Ilustraes originais da norma ASME B31.3 para tenses admissveis em diferentes temperaturas

6. Tenses Primrias e Secundrias

Uma tubulao pode romper (falhar) de diversos modos e razes. Na busca de sintetizar o estudo destas falhas e de suas causas, as principais normas relativas ao sistema de tubulaes procuram classificar as tenses quanto a sua origem e a alterao que possam causar.

Tais tenses so classificadas em:

6.1. Tenses Primrias: referem-se aquelas geradas pela imposio de cargas mecnicas, ou seja, as tenses de compresso, flexo, cisalhamento ou toro. Eventualmente, o nvel de tenses primaria um indicativo expressivo da capacidade real de um sistema de tubulao resistir, com segurana, s cargas impostas.

As tenses primrias podem ter sua origem devido a cargas ociosas, que se referem aquelas cargas que atuam no sistema esporadicamente como, por exemplo, terremotos, tufes etc. Porm as cargas de servio tambm contribuem para o surgimento de tais tenses. As cargas de servio so peso do fluido contido no tubo, peso do tubo, entre outras.

6.2. Tenses Secundrias: So produzidas devido ao movimento causado pela expanso trmica restringido, reflexos de esforos sobre um elemento, ou, por dilataes diferenciais de outros equipamentos ou sistemas conectadas a tubulao. Essas tenses podem ser aliviadas em consequncia de pequenas deformaes plsticas ou de escoamento local do material. Entretanto, sendo a aplicao da carga cclica esta deve ser controlada, pois passam a constituir uma fonte potencial de falha por fadiga.

7. Stress Range

Refere-se a faixa de tenso de um sistema de tubulao. Adotando os valores mximos e mnimos de , possvel calcular o stress range de determinado material com ser utilizado na construo do tubo.

8. Espessura de Parede do Tubo

Outro parmetro importante no projeto a espessura do tubo. Abaixo sero exposta algumas formulas para a realizao de tal calculo.

Onde:

: Tenso circunferencial;

: Tenso longitudinal;

: Presso Interna;

: dimetro mdio do cilindro;

: espessura da parede.

Pode-se notar que , portanto ser a tenso limitante.

Fazendo obtm-se para resistir presso interna do tubo. Tais formulas s podem ser aplicadas para D>6t.

Para D/t entre 4 e 6 utiliza-se a Frmula de Lam

Para paredes espessas utiliza-se a Frmula de Clavarino

Onde:

D: dimetro externo

Mdulo de Poisson

Para baixas presses, em temperatura moderada, o clculo resulta em espessuras muito pequenas. Visando garantir a resistncia estrutural do tubo geralmente so adotadas as seguintes espessuras mnimas:

Segundo a norma ANSI/ASME B.31 o calculo da espessura de parede deve ser realizado segundo formula abaixo. Tais formulas no podem ser aplicadas quando P/SE>0,385 e tambm quando t>D/6.

ou

Onde:

P: presso interna de projeto;

D: dimetro externo;

d: dimetro interno;

: tenso admissvel do material na temperatura de projeto;

E: coeficiente de eficincia de solda;

Y: coeficiente de reduo de acordo com o material e a temperatura;

C: soma das sobreespessura para corroso, eroso e abertura de roscas.

9. Critrio de Projeto

Uma serie de especificaes devem ser seguidas na realizao de um projeto de tubulao industrial. A ANSI.B.31 so as normas que regem as normas para tubulaes de presso. Entre os aspectos controlados pela norma esto: clculo de espessura, flexibilidade, acessrios, fabricao, montagem, inspeo e teste.

A seo ANSI.B.31.1 trata de tubos para gerao de vapor, enquanto a seo ANSI.B.31.3 trata de tubulaes de refinaria, terminais, instalaes de processo, armazenamento e carregamento de produtos de petrleo.

Levando em considerao os esforos existentes no tubo, a composio dos mesmos ser realizada da seguinte forma:

Para tenses primrias pode-se desprezar e .

Para tenses secundrias todos os valores podem ser significativos, porm na maioria dos casos despreza-se .

Aps analise de esforos possvel compor o vetor de esforos em um n. Tal vetor esta descrito abaixo.

Onde:

: fora axial

toro

Sendo a tenso admissvel na temperatura de projeto, segue-se alguns critrios de projeto segundo ANSI B.31.3.

i) Para tenses primrias

a.

b.

ii) Para tenses secundrias

Onde:

10. Flexibilidade de uma Tubulao

A flexibilidade de uma tubulao definida pela capacidade de absorver as dilataes provenientes das variaes de temperatura e, em alguns casos, impedir a propagao de vibraes ou de esforos mecnicos so utilizados elementos que aumentam a flexibilidade das tubulaes.

Os elementos que propiciam essa flexibilidade so as juntas e curvas de expanso. As juntas de expanso apresentam trs tipos de movimentos, axial, angular, lateral.

Figura 5 - Tipos de movimento nas juntas de expanso

Existem dois tipos gerias de juntas de expanso, de telescpio e de fole. A junta de telescpio s pode ser empregada em tubulaes para servio de baixa responsabilidade, enquanto as juntas de fole podem ser empregadas em quaisquer dos casos de emprego.

As juntas de expanso de telescpio consistem basicamente em dois pedaos de tubo concntricos, que deslizam um sobre o outro. Enquanto isso as juntas de fole apresentam essencialmente um fole com uma serie de gomos feitos de uma chapa fina flexvel.

Figura 6 - Junta de Expanso Telescpio

Figura 7 - Junta de Expanso Fole

As juntas de expanso de fole so divididas em simples, com anis de equalizao, articuladas e duplas.

Alm das juntas de fole e telescpio existem as juntas de expanso de tecido. Tais juntas so constitudas de um elemento flexvel capaz de absorver os movimentos impostos pela tubulao.

Figura 8 - Junta de Expanso de Tecido

11. Concluso

Hoje em dia v-se de forma clara e objetiva o porqu da importncia de tubulaes industriais em uma instalao. As empresas cada vez investem mais nesse tipo conjunto de tubos e seus respectivos acessrios. Tem-se tambm a concepo da importncia no negcio desde o planejamento, passando pelas instalaes propriamente ditas e chegando finalmente na fase final de acompanhamento do processo.

Outro fator tambm bastante determinante, alm da questo da segurana, a relao custo/benefcio. Ns futuros engenheiros devemos sempre procurar um ponto de timo, onde se tenha essa melhor correlao com intuito de sempre inovar mantendo a manuteno do processo e buscando cada vez mais o advento de novas tecnologias para dar continuidade ao pleito.

12. Referncias

http://pt.slideshare.net/michellle_paulina/tubulaes-industriais-senai-rj#

ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM141/aula01.pdf

Pedro C. Silva Telles, 10 edio. Tubulaes Industriais. Materiais, Projeto, Montagem.

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