Tubulações Industriais

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 9-10 – TUBULAÇOES COMO ELEMENTOS ESTRUTURAIS

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

Prof.: Kaio Dutra

o Do ponto de vista da Resistência dos Materiais, cadatrecho de tubulação pode ser considerado comosendo um elemento estrutural.

o São as seguintes as principais agindo sobre umatubulação:o Pressão interna exercida pelo fluido.o Pressão externa (tubulações em ambientes sob pressão

ou operando com vácuo).o Peso próprio da tubulação, peso do fluido contido, das

conexões, válvulas etc., integrantes da tubulação e doisolamento térmico. Em tubulações de vapor, ar eoutros gases, deve ser considerado também o peso daágua para o teste hidrostático, a menos que sejamprevistos suportes provisórios adicionais para esse fim.

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

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o São as seguintes as principais agindo sobre umatubulação:o Sobrecargas diversas agindo sobre a tubulação, tais

como peso de outros tubos, plataformas e estruturasapoiadas nos tubos, gelo e neve sobre os tubos, peso daterra, pavimentação e veículos (no caso de tubosenterrados), peso de pessoas sobre a tubulação etc.

o Dilatações térmicas (ou contrações) da própriatubulação ou de outras tubulações ligadas à tubulaçãoem questão, devido a variações de temperatura.

o Movimentos de pontos extremos da tubulaçãocausados por dilatação de outras tubulações, dilataçãoprópria de equipamentos (tanques, vasos, bombas etc.)ligados à tubulação em questão, ou por outras causas:vento, movimento de marés etc.

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

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o São as seguintes as principais agindo sobre umatubulação:o Atrito da tubulação nos suportes.o Ações dinâmicas provenientes do movimento do

fluido na tubulação, tais como golpes de aríete,acelerações, impactos etc.

o Ações dinâmicas externas: vento, terremoto etc.o Vibrações.o Reações de juntas de expansão, por não só ao

esforço necessário para impor deslocamento àsmesmas, como também ao efeito de pressãointerna (empuxo).

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

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o São as seguintes as principais agindo sobreuma tubulação:o Tensões decorrentes da montagem, tais como

alinhamentos forçados, desalinhamentos edesnivelamento de suportes, tensõesresiduais de soldagem, aperto exagerado oudesigual de flanges e de roscas, erros deajuste de suportes de molas etc.

o Desnivelamento de suportes ou de vasos ouequipamentos ligados à tubulação,conseqüentes de recalque de fundações.

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

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o Evidentemente, tanto no projeto como namontagem deve-se, na medida do possível, evitarou atenuar as tensões provenientes da maiorparte dos fatores acima relacionados. Com esseobjetivo procura-se, por exemplo:o Adotar vãos adequados entre os suportes.o Colocar válvulas, derivações pesadas e outras cargas

concentradas importantes próximo aos suportes.o Limitar as sobrecargas.o Colocar os tubos enterrados na profundidade

apropriada.o Dar flexibilidade adequada ao sistema para reduzir

os esforços oriundos das dilatações.

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

Prof.: Kaio Dutra

o Evidentemente, tanto no projeto como na montagemdeve-se, na medida do possível, evitar ou atenuar astensões provenientes da maior parte dos fatoresacima relacionados. Com esse objetivo procura-se,por exemplo:o Colocar guias e contraventos para manter o alinhamento

dos tubos.o Absorver as vibrações por meio de amortecedores,

ancoragens ou juntas de expansão.o Colocar placas de deslizamento ou suportes de rolos nos

casos em que o atrito for muito grande ou for prejudicial.o Executar a montagem com os devidos cuidados para

reduzir os valores das tensões resultantes da montagem.

Cargas Que Atuam Sobre as Tubulações

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o Devido ao grande número dessas cargas, à complexidadeinerente a algumas delas, e também à variedade deconfigurações que podem ter as tubulações, o cálculorigoroso da ação simultânea de todas as cargas que possamestar atuando é bastante difícil, e raramente justifica-sefazê-lo. Na prática, via de regra, faz-se apenas o cálculo dascargas predominantes, adotando-se tensões admissíveisinferiores às que o material permitiria, a fim de compensaros esforços não-considerados.

o Para a grande maioria das tubulações industriais, énecessário e suficiente considerar apenas as seguintescargas:o Pressão (interna ou externa).o Pesos e sobrecargas.o Efeito combinado das dilatações da própria tubulação e de outras

tubulações ou equipamentos ligados à tubulação em questão.

Tensões Nas Paredes dos Tubos

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o No caso geral de um tubo submetido a urnasérie de cargas simultâneas, o estado detensões em cada elemento da parede dotubo é caracterizado por três tensõesnormais e três tensões tangenciais decisalhamento.

o As tensões normais usualmenteconsideradas são:o tensão longitudinal Slo tensão circunferencial Seo tensão radial Sr

• A tensão radial Sr. é causadaexclusivamente pela pressão; seu valor égeralmente baixo, e por isso costumaser desprezado nos cálculos.

Tensões Nas Paredes dos Tubos

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o Para os materiais dúcteis, como é o caso de todos osaços e da maioria dos metais não-ferrosos, a teoriaque melhor se ajusta aos dados experimentais é adenominada de cisalhamento máximo. De acordocom essa teoria, a falha do material ocorre quando atensão de cisalhamento máxima ultrapassar ametade do valor mínimo do limite dê escoamento.

o Para os materiais não-dúcteis, como é o caso, porexemplo, do ferro fundido e dos ferros-ligados, ateoria da ruptura adotada é a denominada demáxima tensão normal. Segundo essa teoria, aruptura acontece quando a máxima tensão normal(Smáx) ultrapassar um determinado valor. Para essesmateriais, a comparação será feita entre a tensãonormal máxima e a tensão admissível.

Tensões Primárias e Secundárias

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o As tensões que aparecem nas paredes de um tubo, emconseqüência dos diversos carregamentos, podem serclassificadas em duas categorias, denominadas tensõesprimárias e tensões secundárias.

o Tensões primárias as tensões necessárias para satisfazer ascondições de equilíbrio estático em relação aos diversoscarregamentos externos agindo sobre a tubulação, taiscomo pressão interna ou externa, pesos, sobrecargas etc.

o Tensões secundárias são as que resultam não decarregamentos externos, mas do fato de a tubulação nãoser nunca inteiramente livre de se dilatar, se contrair e semovimentar, em conseqüência das variações detemperatura e/ou dos movimentos de pontos extremos datubulação.

Relaxamento Espontâneo

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o As tensões primárias têm cornocaracterística básica o fato de não seremautolimitantes e de terem um valordiretamente proporcional à carga de que seoriginam. Assim, se a carga aumenta, atensão aumentará na mesma proporção,podendo chegar à ruptura do material.

o As tensões secundárias, pelo contrário,tendem a diminuir de intensidade com opassar do tempo, em conseqüência dofenômeno do relaxamento espontâneo.

Tensões Admissíveis e Coeficiente de Segurança

Prof.: Kaio Dutra

o Denominam-se tensões admissíveis aos valoreslimites de tensões que se adotam para o cálculo datubulação quando considerada como um elementoestrutural.

o As tensões admissíveis são valores estabelecidospelas normas de projeto para cada material e cadaclasse de tubulações. É evidente que as tensõesadmissíveis devem ser menores do que os limites deresistência e de escoamento do material natemperatura considerada.

o Essas tensões são o limite de resistência, ou o limitede escoamento, divididos por um certo número, queé o chamado coeficiente de segurança.

Tensões Admissíveis e Coeficiente de Segurança

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o São os seguintes os principais fatores queinfluenciam o coeficiente de segurança aadotar, e portanto as tensões admissíveis:o Tipo do material;o Critério de cálculo;o Tipo de carregamento;o Variações nas condições de operação;o Incerteza nas qualidades do material;o Desvios de forma devidos a defeitos de

matéria-prima e de fabricação e demontagem;

o Grau de segurança necessário.

Tensões Admissíveis da Norma ASME B31

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o As diversas seções da norma ASME B 31contêm tabelas que dão, para todos osmateriais de tubulação que são aceitospela norma, as tensões admissíveis emfunção da temperatura, até atemperatura limite de utilização de cadamaterial.

Tensões Admissíveis da Norma ASME B31

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Tensões Admissíveis da Norma ASME B31

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o A norma estabelece as seguintes variações emrelação às tensões admissíveis básicas:o Tensões estáticas e permanentes de cisalhamento

puro e de torção: 80% das tensões admissíveisbásicas.

o Tensões provenientes de cargas transitórias oueventuais de curta duração como a ação do vento,teste hidrostático, dilatações térmicas e de condiçõesanormais de operação. Permitem-se os seguintesacréscimos sobre a tensão admissível básica:

o Seção B 31.1: 15% para esforços que atuem durante até 10%do tempo, em 24 horas.

o Seção B 31.3: 33% para esforços que atuem durante até 10horas seguidas, com o máximo de 100 horas em um ano.

Pressão e Temperatura de Projeto

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o Chamam-se pressão de projeto etemperatura de projeto os valores dapressão e da temperatura consideradospara efeito de cálculo e projeto datubulação. Não devem ser confundidoscom a pressão e temperatura deoperação (ou de trabalho), que são ascondições nas quais de fato deverátrabalhar a tubulação.

Pressão de Projeto

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o Pressão de projeto: A norma ASME B 31 definepressão de projeto como sendo a pressão internaou externa correspondente à condição maissevera de pressão e temperatura simultâneas,que possam ocorrer em serviço normal.

o Para cada condição diferente de trabalho, apressão de operação deverá ser tomada como omaior dos dois seguintes valores:o Pressão de abertura de qualquer válvula de

segurança ou de alívio que esteja ligada à linha.o Pressão máxima de recalque de bombeamento

(vazão nula).

Temperatura de Projeto

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o Temperatura de projeto: A norma ASMEB 31 define como temperatura de projetoa temperatura de operaçãocorrespondente à pressão de projeto. Atemperatura de projeto é a que deve serconsiderada para efeito de cálculo daespessura de parede, cálculo das tensõesnos tubos resultantes de quaisqueresforços e demais cálculos estruturais.

Condições Transitórias de Trabalho de Uma Tubulação

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o No estabelecimento das condições de projeto devemser consideradas todas as situações, mesmotransitórias ou eventuais, a que a tubulação possaestar sujeita.

o Podemos citar, entre outras, as seguintes situaçõestransitórias desse tipo:o Período transitório de partida de um sistema, até ser

atingida e estabilizada a condição normal de operação, etambém período de parada do sistema, inclusive paradasde emergência, quando muitas vezes acontecemflutuações maiores de temperatura e/ou de pressão.

o Falhas em sistemas de proteção ou de controle, bemcorno erros de operação (abertura ou fechamentoindevidos de urna válvula, por exemplo).

Condições Transitórias de Trabalho de Uma Tubulação

Prof.: Kaio Dutra

o Podemos citar, entre outras, as seguintes situaçõestransitórias desse tipo:o A paralisação repentina da circulação de um líquido

causa urna sobrepressão (golpe de aríete).o A parada brusca da circulação de um líquido pode

causar, também, um vácuo a jusante do ponto ondese deu a parada.

o O resfriamento de gases contidos em uma tubulaçãoprovoca uma queda de pressão que pode tambémproduzir um vácuo.

o A expansão de um líquido contido em umatubulação, por efeito do aumento de temperatura,pode gerar pressões elevadíssimas dentro dos tubos,caso o líquido esteja bloqueado e não existamdispositivos de segurança para alívio de pressão.

Exercícios

Prof.: Kaio Dutra

1. Elenque e comente sobre as principais cagas que podem atuar sobre uma tubulação.

2. Existem formas de atuar ou evitar a atuação de cagas sobre tubulação, cite e comente sobrealgumas dessas medidas.

3. Quais são tensões normais que atual em um tubo, faça um desenho e posicione corretamenteno plano xyz.

4. Defina tensões primárias e secundárias e explique o que seria relaxamento espontâneo.

5. Relacione os principais fatores que influenciam no coeficiente de segurança de tubulaçõesindustriais.

6. Defina pressão e temperatura de projeto.

7. Elenque situações nas operações que geram condições transitórias em tubulações industriais.