Tubulações Industriais

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 1-2 – MATERIAIS E PROCESSOS DE FABRICAÇÃO

Tubos e Tubulações

Prof.: Kaio Dutra

oTubos são condutos fechados, destinados principalmente aotransporte de fluidos.

oChama-se “tubulação” um conjunto de tubos e de seus diversosacessórios.

oUsa-se tubulações para o transporte de todos os matériascapazes de escoar, sejam eles líquidos, ou gasosos, assim comomateriais pastosos com sólidos em suspensão.

oNa indústria de processo, o valor das tubulações representam,em médias 20 a 25% do custo total da instalação.

Classificação das Tubulações

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oClassificação quanto ao emprego dentro dasinstalações industriais:oProcesso – fluidos para processamento: óleo em

refinarias e vapor em unidades de geração;oUtilidades – Fluidos para atividades secundárias:

sistemas de refrigeração, aquecimento,resfriamento, vapor para acionamento de máquinas;

oInstrumentação – Transmissão de ar comprimidopara acionamento de instrumentos;

oTransmissão Hidráulica – Transmissão paraacionamento de mecanismos hidráulicos;

oDenagem – Condução dos diversos efluentes fluidosdos processos industriais;

Classificação das Tubulações

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oClassificação quanto ao emprego fora dasinstalações industriais:oAdução – Transporte de água para

abastecimento industrial;oTransporte – Transporte de óleo gases ou

outros fluidos para abastecimento danecessidade industrial;oDrenagem – Coletores para drenagem

industrial;oTubulações de distribuição – Representam

as redes ramificadas fora de instalaçõesindustriais; podem ser de distribuição(água, gás, vapor etc)

Classificação das Tubulações

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oClassificação quanto a fluido conduzido:

Materiais para Tubos

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oPrincipais materiais para tubos:

Processos de Fabricação

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oHá quatro grupos de processos industriais de fabricação:

oOs processos de laminação e de fabricação por solda são os demaior importância, e por eles são feitos mais de 2/3 de todos ostubos usados em instalações industriais.

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos por Laminação:oO processos de laminação é o mais importante na

fabricação de tubos de aço sem costura;

oProcesso de laminação Mannesmann:o1 – Lingote aquecido a cerca de 1200°C e levado ao

laminador;

o2 – O tubo passa pelos laminadores formados por rolosde cone duplo e é pressionado por uma ponteiratambém cônica

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos por Laminação:oProcesso de laminação Mannesmann:o3 – O tubo ainda quente passa por outros

bancos de laminadores para reduzir suasdimensões e alongar seu comprimento;o4 – Neste momento o tubo possui uma série de

defeitos como empenos e corrugamentos, esteentão passa por laminadores para regularizar;o5 – Para finalizar o tubo passar por

acabamentos em processos de calibragem dasdimensões, esta operação também é feita emlaminadores.

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos por Extrusão:oNeste processo um tarugo maciço do

material em alta temperatura é posto emuma câmara, posteriormente é furado poruma haste e forçado por uma prensa apassar por uma matriz que contém oformato da tubulação. Em seguida o tubopassa por laminadores para regularizarsuas medidas.

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos por Fundição:oNeste processo o material do tubo, em estado líquido, é despejado em

moldes especiais, onde solidifica-se adquirindo a forma final detubulação.

oEste processo utiliza ferros fundidos ou materiais não ferrosos, os moldespodem ou não ser centrifugados (girar enquanto solidifica);

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos com costura:oEste processo é utilizado para vários diâmetros, espessuras e

comprimentos;oExistem duas disposições da costura:oLongitudinal;oHelicoidal.

oQuanto aos processos de solda, normalmente usa-se:oArco submerso;oTIG;oResistência elétrica.

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos com costura:oSoldagem longitudinal:oPara pequenos e médios diâmetros (até 450 mm)

utiliza-se bobinas, neste processo a chapa passa porrolos conformadores deformando-se até o formato datubulação e então é feito a costura. Neste casonormalmente usa-se soldagem por resistênciaelétrica;

oPara grades diâmetros, usa-se chapas avulsas que sãoconformadas por prensas ou por calandras, deixando-as no formato da tubulação para a soldagem. Nestecasa normalmente usa-se soldagem por arcosubmerso ou TIG.

Processos de Fabricação

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oFabricação de tubos com costura:oSoldagem Helicoidal:oNeste caso uma bobina é enrolada em formato

helicoidal e então soldado formando a tubulação.

oA soldagem pode ser feita por dentro e por fora ousomente por fora, a depender da qualidade desejada.Normalmente usa-se arco submerso.

oNormalmente este processo é utilizado paratubulação de grandes diâmetros e submetidas abaixas pressões;

Tubos de Aço-Carbono

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oEntre todos os materiais industriais existentes, o aço carbono é o queapresenta menor relação custo/resistência mecânica além de possuir ótimasqualidades como:oSoldabilidade;oMaleabilidade;oBaixo custo.

oPor todo estes motivos, o aço carbono é chamado de “material de uso geral”.

oEm uma refinaria de petróleo, por exemplo, mais de 90% de toda tubulação éde aço-carbono.

oEmpregasse tubulações de aço carbono em:oÁgua doce; Vapor a baixa pressão; Condensado; Ar comprimido; óleos; gases.

Tubos de Aço-Carbono

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oA resistência mecânica do aço-carbono começa a sofrer redução por fluência apartir de 370°C, isto deve ser considerado no momento da escolha da tubulação.

oEm temperaturas acima de 530°C o aço-carbono sofre uma intensa oxidaçãoquando exposto ao ar, com formação de grossas crostas de óxidos.

oEm temperaturas abaixo de -0°C o aço-carbono apresenta a transição de fraturadúctil para frágil, alguns aços-carbonos podem chegar até -45°C sem ocorrer atransição.

oPor estes motivos, recomenda-se os seguintes limites máximos detemperaturas:oTubulações principais, serviço contínuo: Tmax = 450°C;oTubulações secundárias, serviço contínuo: Tmax = 480°C;oMáximos eventuais de temperatura, em curta duração e não coincidentes com grandes

esforços mecânicos: Tmax: 520°C.oTubulações em geral, serviço contínuo: Tmin = 0°C.

Tubos de Aço-Carbono

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oO aço-carbono é um material de baixaresistência à corrosão, por esta razão, équase sempre necessário o acréscimo dealguma sobreespessura para combater acorrosão, seja este interna ou externa.

oO contato direto com o solo causa não só aferrugem como uma corrosão por pitespenetrantes, que é mais grave em solosúmidos ou ácidos, o que deve ser sempreevitado.

Especificação de Material para Tubos de Aço-Carbono

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oEspecificação ASTM (American Societyfor Testing and Materials):oA53 – Tubos de qualidade média. Os tubos

podem ser pretos (sem nenhumacabamento superficial) ou galvanizado.Podem ser com costura ou sem costura,pode ter graus A e B a depender daresistência mecânica;

oA106 - Tubos de alta qualidade, semcostura, para temperaturas elevadas.Estruturas sempre acalmadas com Si.Possuem graus A, B e C:

Especificação de Material para Tubos de Aço-Carbono

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oEspecificação API (Amirican Petroleum Institute):oAPI 5L – Tubos de qualidade média. Podem ser com costura ou sem costura, pode ter

graus A e B a depender da resistência mecânica;

oAPI 5LX - Tubos de alta resistência, especial para oleodutos e gasodutos, abrangemoitos graus de material.

Aço-Liga e Aços Inoxidáveis – Casos Gerais de Emprego

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oTodos os tubos de aço-liga são bem mais caros do que os de aço-carbono, devido ao valor da produção da liga e da fabricação dos tubos.Além disso, a montagem e soldagem desses tubos é também em geralmais difícil e mais cara.

oOs principais casos que justificam o emprego dos aços especiais são:oAltas temperaturas, normalmente aliados a alto esforço mecânico;oBaixas temperaturas, inferiores a -45°C;oAlta corrosão, com fluidos corrosivos, por exemplo;oExigências de não-contaminação, produtos farmacêuticos, alimentares,

por exemplo;oSegurança, para fluidos perigosos, como inflamáveis, tóxicos e explosivos;

Tubos de Aço-Liga

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oDuas classes de aço-liga são importantes como matérias paratubulações:oAço-liga molibdênio e cromo-molibdênio;oAço-liga níquel.

oO cromo causa principalmente uma melhora na resistência acorrosão, inclusive par altas temperaturas;

oO molibdênio melhora a resistência mecânica e a resistência acorrosão por pites;

oO níquel reduz o ponto de transição de fratura dúctil para frágil.

Tubos de Aço Inoxidáveis

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oExistem duas classes principais de aços inoxidáveispara tubulação:oAuteníticos (não magnéticos): 16-26% Cr e 6-22% Ni;oFerríticos (magnéticos): 12-30%Cr.

oOs auteníticos são os mais importantes, possuemgrande resistência a corrosão e à fluência. Estes açostambém apresentam comportamento dúctil abaixíssimas temperaturas (em torno de -195°C);

oOs aços inoxidáveis em geral (exceto os estabilizadose os de baixo carbono) estão sujeitos a sensitização,quando submetidos a temperaturas acima de 450°C,provocando corrosão intergranular.

Diâmetros Comerciais dos Tubos de Aço

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oOs diâmetros comerciais dos “tubos paracondução” de aço estão definidos pela normaASME B36.10 para os aços em geral e ASMEB36.19 para os inoxidáveis.

oSão padronizados duas designações pararepresentação dos diâmetros:oNPS (Nominal pipe size – in);

oDN (Nominal Diameter – mm)

Diâmetros Comerciais dos Tubos de Aço

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oPara cada diâmetro nominal fabricam-setubos com várias espessuras de parede,denominadas “series” (schedule).Entretanto, para cada série de mesmodiâmetro nominal o diâmetro externo é omesmo, modificando apenas seu diâmetrointerno.

oAs séries também podem ser encontradasnas seguintes designações: Peso Normal(Standard-S), Extraforte (Extra-Strong – XS)e Duplo extraforte (Duble extra-estrong –XXS)

Espessura da Parede dos Tubos de Aço

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oO número da série que designa a espessura da tubulação podeser calculada aproximadamente pela seguinte expressão:

oA norma padronizou as séries abaixo, porém apenas algumasdessas espessuras são fabricadas.

Onde:P=Pressão de trabalho em psig;S=tensão admissível do material em psi.

Tubos de Ferro Fundido e de Ferro Forjado

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oOs tubos de ferro fundido são usadospara condução de:oÁgua doce e salgada;oGás;oRejeitos industriais com particulado

sólido;oEsgoto;

o Em condições normalmente de:oBaixa pressão;oTemperatura ambiente;oBaixos esforços mecânicos.

oNormalmente são fabricados comdiâmetros a partir de 2” até 24”

oOs Tubos de Ferros forjado (ferrogalvanizado) são usados em:oÁgua doce ou salgada;oAr comprimido;oGás;oÓleos;oCondensados.

oEstes tubos são amplamente utilizadosem instalações prediais e sãonormalmente fabricados em diâmetrosmenores que 4”.

oEm comparação aos tubos de aço-carbono, possuem melhor resistência acorrosão.

Tubos de Metais Não-Ferrosos

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oEm geral os materiais não-ferrosos apresentam maior curto em comparaçãocom os aços-carbono, porém apresentam peculiaridades que justificam seuuso em casos específicos, tais como:oCondutividade térmica;oResistência a corrosão;o Leveza.

oSegue os principais materiais não-ferrosos utilizados:oCobre e suas ligas: Fabricam tubos com uma grande variedade desses

materiais, como: cobre, latão (cobre-zinco) e cobre-níquel. Estes tubosapresentam boa resistência a corrosão e boa condutividade térmica.Podem ser empregados em linhas de gás, ar comprimido, água salgada eácidos diluídos. Não podem ser usados com produtos alimentícios oufarmacêuticos;

oAlumínio e suas ligas: São tubos muito leves, boa resistência a corrosão ealta transferência de calor. É amplamente utilizado para linhas de baixastemperaturas, pois são mais baratos que alguns aços liga e suportamtemperaturas de até -270°C. Porém, devido seu baixo ponto de fusão, nãopodem ser aplicados para temperaturas acima de 200°C.

Tubos de Metais Não-Ferrosos

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oSegue os principais materiais não-ferrosos utilizados:oChumbo: Estas tubulações são de pouca aplicação por

apresentarem baixas propriedades mecânicas e baixo ponto defusão, mas possuem elevadas resistência à corrosão e grandeflexibilidade.oNíquel e suas ligas: São aplicados em linhas que necessitam de

alta resistência a corrosão e boas resistência mecânica. Sãoempregados normalmente no transporte de ácidos na indústriaquímica, principalmente quando necessita-se de temperaturaselevadas. A liga mais utilizada é o metal Monel. Seu alto custolimita usa utilização a casos especiais.oTitânio, zircônio e suas ligas: Estes materiais possuem

extraordinária resistência à corrosão, resistência às altastemperaturas e qualidades mecânicas, mas seu alto custo aindaé uma grande limitação.

Diâmetros e Espessuras dos Tubos Não-Ferrosos

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oOs tubos de cobre, alumínio e suas ligas apresentam sãofabricados em duas series de espessuras:oDiâmetros de ¼” a 12”, medidos pelo diâmetro externo, comespessuras variadas;

oDiâmetros nominais de ½” a 12” e espessuras em series 20 e40, como o padrão para aço.

oTubos de chumbo são fabricados em diâmetros de ¼” a 12”medidos pelo diâmetro interno com várias espessuras;

Tubos Não-Metálicos

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oFabricam-se tubos de uma grande variedade de materiaisnão-metálicos, segue alguns:oMateriais plásticos;

oCimento-amianto: Fabricados com argamassa de cimento eareia com armação de fibras de amianto;

oConcreto armado: Fabricados com concreto com armação devergalhões de aço;

oVidro e cerâmicas: tubos de fabricação rara quando necessita-se elevadíssima pureza do fluido conduzido.

Tubos de Materiais Plásticos

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oO emprego desses materiais tem crescido muito principalmentesubstituindo os aços inoxidáveis e materiais não ferrosos. Oaumento constante dos preços dos metais e o aperfeiçoamentocontínuo dos plásticos tendem a tornar maior ainda a expansãodos plásticos.

oDe forma geral, os plásticos apresentam as seguintes vantagens:oPouco denso;oAlta resistência a corrosão;oBaixo custo;oBaixo coeficiente de atrito;oFacilidade de fabricação;oBaixa condutividade térmica.

Tubos de Materiais Plásticos

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oSegue as desvantagens:oBaixa resistência ao calor;oBaixa resistência mecânica;oPouca estabilidade dimensional;oAlto coeficiente de dilatação (15 vezes maior que o aço);oAlguns plásticos são facilmente inflamáveis;

oExistem basicamente duas classes gerais de plásticos:oOs termoplásticos: Amolecem com o aumento da temperatura;oTermoestáveis: Não deformam com o aquecimento.

oDe modo geral, resistem bem aos ácidos diluídos, à água salgada, e vários outrosprodutos químicos. Não há praticamente ataque algum com a atmosfera e a água,podem ser usados em contato direto com o solo, mesmo húmido ou ácidos.Quando expostos a luz solar sofrem um processo de degradação, tornando-sequebradiços.

Principais Materiais Plásticos para Tubulações

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oPolietileno: É o termoplástico mais leve e o mais barato. Tem boa resistênciaaos ácidos minerais e água salgada. Material combustível de baixa resistênciamecânica com limites de temperatura variando entre -30° a 80°C. Usado nafabricação de tubos flexíveis (mangueiras) de baixo custo;

oCloreto de Polivinil (PVC): Termoplástico de grande uso, sua resistênciamecânica é equivalente ao polietileno, porém com resistência mecânica maiselevada. Pode trabalhar a uma faixa de temperatura entre -40 a 65°C. Podemser fabricados tubos rígidos ou flexíveis com várias aplicações como: água,esgoto, ácidos e outros produtos corrosivos;

oAcrílico Butadieno-estireno (ABS), Acetato e celulose: São termoplásticos dequalidades semelhantes ao PVC usados em tubos de pequeno diâmetro, amboscombustíveis.

oEpóxi: Material termoestável de uso em grandes diâmetros. Os tubos têm aparede de construção laminada, em camadas sucessivas da resina plástica e fibrasde vidro. Possuem propriedades mecânicas melhores em relação a outrosplásticos, boa resistência à corrosão, queimam lentamente e suportamtemperaturas até 150°C.

Tubos de Aço com Revestimento Interno

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oOs objetivos do revestimento é sempre aliar asvantagens do revestimento com o baixo custo doaço-carbono

oOs revestimentos em tubos de aço podem ter asseguintes finalidades:oAnticorrosivos;oAntiabrasivos e antierosivos;oRevestimento refratário (isolamento térmico)

o A grande maioria dos revestimentos é aplicada nointerior dos tubos depois da fabricação, comexceção do zinco (galvanização) e tubos fabricadoscom chapas cladeadas (união por solda com camadade outro material) que é feito durante a fabricação

Exercícios:

Prof.: Kaio Dutra

1. Como podem ser classificadas as tubulações dentro das instalaçõesindustriais? Comente cada classe.

2. Quanto ao material, as tubulações podem ser classificadas em três tipos,quais são? Fale sobre suas aplicações, vantagens e desvantagens.

3. Quais são os quatro processos de fabricação de tubulações, como cada umfunciona?

4. Fale sobre as tubulações de aço-carbono, vantagens e desvantagens, façoum paralelo com as tubulações de aço inoxidável e ferro fundido.

5. Quais são os principais materiais não ferrosos utilizados na fabricação detubulações? Comente suas aplicações e características.

6. Com relação as tubulações plásticas, quais suas vantagens e desvantagensperante outros materiais? Cite pelo menos dois tipos de plásticos e suascaracterísticas quando aplicados na fabricação de tubulações.