vasos de pressao - ntt parte 1

NTT - VASOS DE PRESSO

CURSO DE VASOS DE PRESSO

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1 INTRODUO 2 NORMAS DE PROJETO 3 TENSES EM VASOS DE PRESSO 4 FADIGA EM VASOS DE PRESSO 5 CONDIES DE OPERAO E DE PROJETO DE VASOS DE PRESSO 6 DIMENSIONAMENTO DE VASOS DE PRESSO 7 TESTES DE PRESSO EM VASOS DE PRESSO 8 ACOMPANHAMENTO DE VASOS DE PRESSO 9 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO E DA CONSTRUO DE VASOS DE PRESSO 10 SELEO DE MATERIAIS 11 CORROSO 12 AOS CARBONO 13 AOS LIGA 14 AOS INOXIDVEIS 15 DETALHES E ACESSRIOS EM VASOS DE PRESSO CONVENCIONAL 16 DETALHES EM VASOS ESPECIAIS 17 DESENHOS DE VASOS DE PRESSO 18 FABRICAO, MONTAGEM E CONTROLE DE QUALIDADE 19 RECOMENDAES DE MATERIAIS DE ALGUNS SERVIOS 2 TPICOS


Captulo 1

Introduo

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Definio A expresso vasos de presso (pressure vessel) designa genericamente todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, com dimenso principal (dimetro) superior a 150 mm (06 polegadas), formato (normalmente de seo circular) e finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado (acima de 1,0 kgf/cm2 ou 15 psi).4


Projeto dos vasos de presso A grande maioria dos vasos de presso so itens projetados e construdos taylor-made, ou seja, por encomenda. Desta forma, so dimensionados, projetados e fabricados para atender determinadas condies de processo, presso e temperatura, bem como tendo seu material selecionado para operar com determinado fluido e condio de corroso.5


Nas

principais indstrias, trs condies apresentam-se que tornam necessrio um elevado grau de confiabilidade:Regime contnuo de trabalho; Cadeia contnua de produo; Condies de grande risco, onde entendemos risco como a probabilidade de ocorrncia de grande perigo ou dano.

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Armazenamento de gases sob pressoOs gases so armazenados sob presso para que se possa ter um grande peso num volume relativamente pequeno.

Acumulao intermediria de lquidos e gasesIsto ocorre em sistemas onde necessria a armazenagem de lquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos.

Processamento de gases e lquidosInmeros processos de transformao em lquidos e gases precisam ser efetuados sob presso.

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Indstrias qumicas e

petroqumicas Indstrias alimentares e farmacuticas Refinarias Terminais de armazenagem e distribuio de petrleo e derivados. Estaes de produo de petrleo em terra e no mar.8


Classes e finalidades Inicialmente faremos uma pequena separao entre os vasos de presso:Sujeitos chama (ASME, Seo I); No sujeitos chamas (ASME, Seo VIII); Sujeitos radiao nuclear (ASME, Seo III) Nosso

enfoque ser exclusivamente para aqueles vasos de presso no sujeitos chama, nem radiao nuclear.

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Vasos no sujeitos a chama :Vasos de armazenamento e acumulao; Torres de destilao fracionada, retificao, absoro, etc,... Reatores diversos; Esferas de armazenamento de gases; Permutadores de calor; Aquecedores; Resfriadores; Condensadores; Refervedores; Resfriadores a ar

Vasos sujeitos a chama:Caldeiras; Fornos.

Classificao didtica

diferenciar vasos de presso de tanques de armazenamento :0 - 0,5 psig : API-650 0,5 - 15,0 psig : API-620 > 15,0 psig e vcuo : ASME, BS-5500, AdMerkblatter, etc,...

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Corpo (casco ou costado): Normalmente cilndrico, cnico, esfrico ou combinao dessas formas. Tampos: Normalmente nos tipos semi-elpticos, toroesfricos, semi-esfricos. cnicos, toro-cnicos, toroesfricos e planos.

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Teoricamente,

o formato ideal para um vaso de presso uma esfera, com a qual se chega menor espessura de parede e, portanto, ao menor peso, para um mesmo volume interno.

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Entretanto,

os vasos esfricos so caros e difceis de fabricar, justificando-se, somente, em condies de grande volume interno e/ ou elevada presso, quando sua menor espessura justificvel economicamente. Atualmente, s podemos fabricar esferas em duas peas forjadas com um dimetro inferior a trs metros (03 m). Contudo, estas peas forjadas so importadas e de elevado custo.13


Esfera

de GLP:

Dimetro: 19m Presso: 20 bar Espessura: 76 mm

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Desta

forma, os vasos cilndricos so preferencialmente utilizados. As dimenses que o caracterizam so:o seu dimetro interno (DIC) o seu comprimento entre tangentes (CET).

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Casco cilndrico

www.cessco.ca/cessco/main_images

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Tampos As peas de fechamento dos cascos cilndricos so denominadas tampos. Os mais usuais so:Elipsoidal; Toroesfricos Esfrico; Cnico; Plano.17


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Tampos elipsoidais com relao entre semi-eixos de 2:1 tampos elipsoidais padro. Tampos toroesfricos com relao de semi-eixos 2:1 preferencialmente do tipo conhecido como falsa elipse. O cdigo ASME permite que tampos torisfricos falsoelipse possam ser dimensionados atravs das equaes de clculo para tampos semi-elpticos.Tampos Toroesfricos L r D 0,06.D D 0.904.D 0,10.D 0.173.D h 0,169.D 0,194.D 0.250.D (Falsa elipse)

Geometria ASME 6% ASME 10% ASME 2:119


A fabricao de tampos semi-elpticos possui um custo mais elevado pela necessidade de uma matriz especfica para o dimetro e relao de eixos da geometria. Os tampos torisfricos so obtidos pela conjugao de 2 diferentes geometrias: calota esfrica central, obtida por prensagem e raio da regio trica, obtida por rebordeamento da chapa. Os tampos semi-esfricos podem ser empregados em equipamentos com presses mais elevadas, onde o lay-out permita. A vantagem est relacionada ao menor nvel de tenses atuantes.

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Os tampos cnicos possuem resistncia mecnica inferior ao costado cilndrico, o que exige maiores espessuras. Para cones com semi-ngulos superiores a 30o exigida uma anlise de tenses para o dimensionamento, no sendo mais vlidas as equaes de clculo do cdigo ASME e outros. A utilizao de uma transio trica entre o tampo cnico e o costado cilndrico permite uma melhor acomodao das tenses existentes nas mudanas geomtricas e confere uma resistncia maior a transio entre os componentes.

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Tampos

elipsoidais podem ser construdos com chapas da mesma espessura utilizadas na fabricao do casco, descontada a perda pela conformao. Na realidade, atualmente, tampos elipsoidais com dimetro de 1,8 m so possveis de construir com uma nica pea.

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Preparando o chanfro para soldagem de um tampo elipsoidal

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Os

tampos toroesfricos so constitudos por uma calota esfrica central (crown) de raio Rc e por uma seo toroidal de concordncia (knuckle) de raio Rk. O tampo toroesfrico de fabricao mais fcil do que o elptico. O tampo toroesfrico tanto mais resistente quanto mais prximo de uma elipse se aproximar.24


Tampo toro-esfrico

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Tampos

esfricos, fabricados a partir da soldagem de chapas prensadas, apresentam quase a metade da espessura do casco cilndrico e so utilizados normalmente, quando temos grande volume e alta presso.

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Soldagem de tampo hemisfrico27


Tampos

cnicos, embora fceis de construir, so pouco utilizados, pois so menos resistentes. Seu emprego restrito praticamente ao tampo inferior de vasos verticais, quando queremos garantir o escoamento do fluido. O Cdigo de projeto ASME prope o uso de tampos cnicos at o semi-ngulo de 30. Isto no significa que no podemos projetar tampos cnicos com ngulos superiores, apenas que seu clculo fica muito complexo.28


Tampo cnico em um Tambor de Coque

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Os

tampos planos so utilizados, normalmente, quando temos presso baixa e, normalmente, so do tipo removvel para facilitar o acesso para manuteno.(vide figuras).

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Tampos

Figura UG-34, extrada do ASME, Seo VIII, Div.1

planos ligao com o costado

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Costado cilndrico com espessura mnima requerida de 25,0 mm, conectado ao tampo:Tipo de tampo de fechamento do costado Elipsoidal 2:1 Torisfrico 6% Torisfrico 10% Torisfrico Falso elipse Semi-esfrico Cnico 10o Cnico 20o Cnico 30o32

Espessura mnima requerida (aproximada) 25,0 mm 44,3 mm 38,5 mm 29,8 mm 12,5 mm 25,4 mm 26,6 mm 28,9 mm

NTT - VASOS DE PRESSOTipo Tampo Semi-elptico Caractersticas Resistncia igual ao casco cilndrico de mesmo dimetro; Geralmente com relao 2:1 Raio int. mx. da calota esfrica = dimetro externo do casco; Raio mn. concordncia trica : 6% do dimetro int. da calota; Mais fracos do que os semi-elpticos; Mais fceis de fabricar. Melhor resistncia mas com construo difcil; Empregados quando os dimetros so muito grandes (>6,0 m) e quando o espao permite. Baixa resistncia mas com construo bastante fcil; Podem ter concordncia trica; Empregados por exigncia do processo, dimetros mdios e baixa presso. Vrios tipos, removveis ou no; Baixa resistncia sendo exigidas grandes espessuras; Empregados em dimetros pequenos e tampos removveis

Toro-esfrico

Semi-esfrico

Cnico

Plano

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Transio de forma e de espessura Qualquer transio geomtrica (forma e/ ou espessura) resulta em uma distribuio irregular e concentrao de tenses nesta regio. Por este motivo, os Cdigos de projeto fazem uma srie de exigncias de maneira a minorar este efeito.

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Na

ligao de um corpo cilndrico com um tampo esfrico, por exemplo, exigido que a diferena entre as bordas seja de 3y (ver figura), de tal maneira a suavizar a transio de forma. Contudo, devemos nos lembrar que esta transio deve ser feita do lado do tampo esfrico, de forma a garantir a continuidade de espessura do casco cilndrico.35


Extrado do ASME, Seo VIII, Diviso 1, figura UW-13.1

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Da

mesma maneira, para tampos elipsoidais ou toroesfricos, a transio de forma abrupta, motivo pelo qual exigimos uma seo cilndrica integral com o tampo, com cerca de 50 mm para garantir uma certa distncia entre a linha de solda e a linha de tangncia.

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Para

tampos cnicos ou transies tronco-cnicas, tem-se uma severa transio de forma, motivo pelo qual o Cdigo de projeto exige a verificao de necessidade de reforo para compensar as severas tenses geradas pela descontinuidade de forma. Estes reforos devero ser localizados prximos da transio de forma, de maneira a garantir a sua efetividade.

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Extrado

do ASME, Seo VIII, Diviso I, UG-36

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Bocais (nozzles) : Ligao com tubulaes de entrada e sada de produto. Instalao de vlvulas de segurana. Instalao de instrumentos, drenos e respiros. Podem ainda existir aberturas feitas para ligao entre o corpo do vaso e outras mesmo vaso; por exemplo, ligao a drenagem (sumps). permitir a partes do potes de

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um ponto de concentrao de tenses. Necessria a colocao de reforos junto as aberturas feitas num vaso de presso. Reforos normalmente utilizados : Disco de chapa soldado ao redor da abertura. Utilizao de maior espessura de parede para o vaso ou bocal. Peas forjadas integrais. Pescoo tubular com maior espessura41


Disco

de chapa soldado ao pescoo tubular e a parede do vaso permitido para qualquer dimetro mas no deve ser usado quando a espessura da parede do vaso e igual ou superior a 50,0 mm. No recomendado para servios com baixa temperatura ou servios cclicos.42

NTT - VASOS DE PRESSO(A) Anel de chapa soldado ao pescoo tubular e parede do vaso: Permitido para qualquer dimetro mas no deve ser usado quando a espessura da parede do vaso igual ou superior a 50 mm. No recomendado para servios em baixa temperatura ou para servios cclicos. (B) Disco de chapa de maior espessura, soldado de topo no vaso: Permitido para qualquer dimetro e pode ser usado nos casos em que o anel de chapa no permitido ou no recomendado. (C) Pea forjada integral: Permitido para qualquer dimetro, sem limitaes, sendo entretanto sempre de custo elevado.

(D) Pescoo tubular de maior espessura: Permitido, sem limitaes, para dimetros nominais at 10, inclusive, devendo o pescoo tubular ser de tubo sem costura ou de tubo forjado (o tubo forjado preferido para esses casos).

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Variedade

de tipos e detalhes de peas internas em vasos de presso muito grande. Todas as peas internas que devam ser desmontveis, (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores de nvoa, etc...) devem ser obrigatoriamente subdivididas em sees.44


Reforos

de vcuo. Anis de suporte de isolamento trmico externo. Chapas de ligao, orelhas ou cantoneiras para suportes de tubulao, plataformas, escadas ou outras estruturas. Suportes para turcos de elevao de carga. Turcos para as tampas de bocas de visita e outros flanges cegos.45


verticais : saia de chapa sapatas ou colunas. Esferas para armazenagem de gases: colunas Vasos horizontais : dois beros (selas) Permutadores de calor: Selas Estruturas superpostas46

Vasos

Tampo Costado cilndrico Costado cnico CET Costado cilndrico Suporte

Suporte Di De

De Costado cilndrico Di

CET

Cilndrico Vertical Cilndrico Vertical CET De Di CET De Di

Suporte Cilndrico Inclinado Cilndrico Horizontal

Di CET De

Di

De

Suporte

Suporte

Cilndrico Cnico

ESfrico


H(mm) Saia de Suporte 6000

2000

Colunas de Suporte

300

2000

3000

D(mm)

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D : dimetro H : comprimento entre linhas de tangncia


Torres

devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter um trecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligao com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes casos: Temperatura de projeto abaixo de 10oC. Temperatura de projeto acima de 250oC. Servios com Hidrognio. Vasos de aos-liga, aos inoxidveis e materiais no ferrosos.

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Trocadores de calor casco e tubos Os trocadores de calor so vasos de presso com caractersticas prprias. Apenas a ttulo ilustrativo, apresentaremos a tabela do TEMA para classificao dos tipos de trocadores.

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Tabela

para classificao de trocadores de calor

TEMA

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A

seleo do tipo de trocador de calor afetada por caractersticas de servio, tais como presso, temperatura, material selecionado, limpeza, etc. Todas as exigncias e recomendaes sobre materiais, detalhes de projeto do Cdigo ASME so observados nos projetos dos trocadores TEMA.

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Dentro

das seguintes limitaes:

casco com dimetro de 1524 mm ( 60 polegadas); presso de projeto at 204 kgf/cm2 (3000 psig); produto do dimetro interno do casco (em polegadas) pela presso (em psig) at 60.000.

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A

norma TEMA abrange trs classes de trocadores, caracterizados pelo servio a que se destinam:Classe R: refinarias, petroqumicas; Classe C: servio qumicos; Classe B: servios com menor responsabilidade.

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Montagem

Argentina)

de trocador de calor (foto COMETARSA

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Processos de fabricao A imensa maioria dos vasos de presso fabricada a partir de chapas de ao, ligadas entre si por soldagem. Como a dimenso usual para as chapas de ao de 12,40 m x 2,44 m, podemos deduzir as dimenses possveis para a utilizao de uma nica chapa.56


A

utilizao de vrias chapas conformadas no dimetro necessrio para a construo do vaso nos permite a fabricao de vasos com as mais diversas dimenses. Contudo, devemos sempre nos lembrar de defasar as soldas longitudinais, de maneira a evitar a propagao de alguma trinca ao longo de um caminho preferencial.

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Vasos

com dimenses mnimas (at DIC de 12 polegadas) so usualmente fabricados de tubos sem costura. At 610 mm (cerca de 24 polegadas), a utilizao de tubos com costura no incomum, ressalvado o fator econmico.

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Os

tampos elpticos ou toroesfricos podem ser calandrados em uma nica pea de dimetro de 1,80 m, utilizando-se uma nica chapa. (foto ATB - Itlia)59


Para

valores superiores seria necessria a soldagem de vrias chapas. Contudo, devemos salientar que devemos evitar a existncia de uma solda integralmente dentro da regio de maior curvatura do tampo (cerca de 75% do raio externo).

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Os

tampos normalmente so fabricados por prensagem da calota central e rebordeamento nas margens. Caso a sua conformao provoque uma deformao nas fibras externas superior a 5%, o Cdigo ASME exige a realizao de um tratamento trmico de alvio de tenses.

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Captulo 2 Normas de projeto

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Natureza e finalidade das normas de projeto So textos normativos desenvolvidos por associaes tcnicas ou sociedades de normalizao pblicas ou particulares de diversos pases.

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As

normas americanas de vasos de presso (Cdigo ASME) abrangem no s critrios, frmulas de clculo e exigncias de detalhes de projeto, mas tambm regras, detalhes e exigncias de fabricao e montagem, inclusive inspeo.

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escopo ou o campo de aplicao de cada norma definido previamente, por exemplo, o Cdigo ASME no aplicado para vasos com presses inferiores a 1,05 kgf/cm2 (15 psi) manomtricos. Devemos lembrar que as normas foram garantir estabelecidas para principalmente condies mnimas de segurana para a operao.

O

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Qualquer

norma um conjunto coerente, ou seja, suas exigncias so todas inter-relacionadas e mutuamente interdependentes. Este ponto extremamente importante: NO PODEMOS MISTURAR CDIGOS DIVERSOS.

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Comentrios A

filosofia geral das normas consiste em limitar as tenses nos componentes elementares do vaso a uma frao de uma caracterstica mecnica do material (limite de ruptura, limite de escoamento, deformao por fluncia). Desta forma, a filosofia de projeto embutida no Cdigo.67


Do

Cdigo ASME, por exemplo, citada a expresso vazar antes de romper (leak before break). Est implcita, assim, a sua limitao sobre a tenso de escoamento do metal e seu cuidado de no atingir uma regio de comportamento frgil deste material.

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Contudo,

nenhuma norma de projeto destina-se a substituir ou a diminuir a responsabilidade do projetista. Caber a ele a aplicao criteriosa do Cdigo e sua ser a responsabilidade integral.

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interessante notar que as normas so documentos dinmicos, submetidos rotineiramente a revises e atualizaes, acrscimos e at possveis correes. Por este motivo, o projetista deve estar atento ltima edio da norma e das variaes que ela sofreu.

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Entre 1870 e 1910, pelo menos 10.000

exploses em caldeiras foram registradas na Amrica do Norte. Aps 1910, a taxa se elevou para 1.300 a 1.400 falhas ao ano. Em 1905, ocorreu um exploso de caldeira em uma fbrica de sapatos em Brockton, Massachusetts (EUA), que motivou a criao de norma regulatria, denominada Massachusetts Rules, sobre o projeto e construo de caldeiras, emitida em 1907.71


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

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


O Comit de Caldeiras do ASME foi criado em 1911, com publicao da primeira edio do cdigo em 19141915, exclusivamente para Caldeiras Estacionrias (Seo I). Em 1924, seria publicada a Seo VIII, referente a vasos de presso no sujeitos a chama. Nesta poca j existiam normas europias para caldeiras e vasos de presso. At a dcada de 60, os cdigos eram baseados em critrios ditados pela experincia, pouca base terica e mecanismos de falha mais simples. Simplesmente era exigido que a espessura do equipamento fosse capaz de suportar a tenso mxima atuante, e que o material fosse suficientemente dctil de forma a acomodar, sem riscos imediatos, tenses de pico e tenses geradas em regies de descontinuidades geomtricas.

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Outro grupo, mais recentemente desenvolvido, tem por filosofia a adoo de maiores tenses de projeto, associadas a uma rigorosa e criteriosa anlise de tenses, aplicao de teoria da plasticidade, conceitos de mecnica da fratura e da avaliao da vida til a fadiga dos equipamentos. A motivao para este desenvolvimento decorreu do seguinte: O advento e difuso da tecnologia com a construo de reatores nucleares, que exigiam um maior conhecimento de mecanismos de falha, anlise e a classificao das tenses associadas a equipamentos, considerando a elevada conseqncia de um vazamento do fluido; Necessidade de reduo do conservadorismo no projeto convencional de vasos de presso e na identificao de critrios deficientes para a definio do comportamento estrutural.


Com a reduo do nvel de insegurana na definio do comportamento estrutural dos equipamentos, permitiu-se o estabelecimento de fatores de segurana mais adequados. O ASME Se.III, editado em 1963, foi o primeiro cdigo a utilizar tais desenvolvimentos. Como resultado da abordagem proposta foram identificados 2(dois) diferentes critrios de projeto: Projeto convencional (design by rules): que emprega solues analticas consagradas para o dimensionamento de vasos com detalhes padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, ..); Projeto alternativo (design by analysis): que inclui componentes com geometrias e/ou carregamentos no convencionais, onde o dimensionamento depende de uma anlise e classificao das tenses atuantes e comparao com valores admissveis. O ASME Se.VIII Diviso 2 incorporou este critrio de projeto em sua primeira edio em 1968.

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Foram identificados, na poca, 8 diferentes modos de falha, assim denominados: Deformao elstica excessiva incluindo instabilidade elstica; Deformao plstica excessiva; Fratura frgil; Deformao e tenses a altas temperaturas (creep); Instabilidade plstica (colapso incremental); Fadiga de baixo ciclo; Corroso sob tenso; Corroso-fadiga.

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Nesta poca, os clculos eram basicamente analticos e desenvolvidos segundo teoria de cascas e placas. O clculo numrico, com ferramentas mais poderosas, tais como o mtodo dos elementos finitos era ainda restrito a trabalhos cientficos mais especficos. Isto explica a definio de tenses admissveis e mecanismos de falha com regras simples, baseadas em teorias de viga e cascas, que prevalece at hoje, por exemplo no cdigo ASME. Os mecanismos de falha identificados pelo ASME so evitados, para equipamentos novos, com adoo de tenses admissveis e critrios de dimensionamento, substanciados por fatores de segurana adequados.

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Para o caso de deformao elstica excessiva e instabilidade elstica, no apenas a tenso atuante no equipamento deve ser limitada, mas tambm consideraes sobre a rigidez do componente so fundamentais para que estes mecanismos de falha no ocorram. A fratura frgil melhor evitada com a seleo e qualificao de materiais com maior tenacidade, no susceptveis a uma fratura brusca. A fadiga de baixo ciclo, corroso sob tenso e corroso-fadiga esto relacionados a seleo adequada dos materiais base e junta soldada, requisitos de fabricao, detalhes de projeto, etc,... A deformao plstica excessiva e o colapso plstico incremental so evitados atravs do dimensionamento dos componentes, considerando os diversos tipos de tenses e seus efeitos.


Os principais cdigos de projeto, fabricao, montagem e testes de vasos de presso so os seguintes:Cdigo ASME Boiler & Pressure Vessel Code PD 5500 Unfired Fusion Welded Pressure Vessels AD Merblatter ANCC Regeis Voor Toestellen Tryckkarls kommissionen AS 1210 Unfired Pressure Vessels IBN Construction Code for Pressure Vessels MITI Code SNCT Construction Code for Unfired Pressure Vessels P-NB-109 ASME British Standard Institute Arbeitsgemeinschaft Druckbehalter Associazione Nationale Per Il Controllo Peula Combustione Dienst voor het Stoomvezen Swedish Pressure Vessel Commission Standards Association of Australia Belgian Standards Institute Ministry of International Trade and Industry Syndicat National de la Chaudronnerie et de la Tuyauterie Industrielle ABNT Instituio Responsvel

Pas U.S U.K Germany Italy Netherlands Sweden Australia Belgium Japan France Brasil

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Elaborado pela British Standards Institution : materiais, projeto, fabricao, inspeo e testes dos vasos de presso. SEO 1 - Parte Geral; SEO 2 - Materiais; SEO 3 - Projeto; SEO 4 - Fabricao e Montagem; SEO 5 - Inspeo e Testes

Apndices principais :Apndice A - Anlise de Tenses, similar ao ASME Se.VIII Div.2; Apndice B - Efeito combinado de outros carregamentos; Apndice C - Fadiga; Apndice G - Cargas localizadas.

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Elaborado pela Associao dos Construtores de Vasos de Presso. SRIE G - Parte Geral; SRIE A - Acessrios; SRIE B - Projeto; SRIE W - Materiais. SRIE HP Fabricao e Testes SRIE N Materiais no metlicos SRIE S Casos especiais Informaes gerais : Dimensionamento atravs de tenses de membrana frmulas simplificadas; Tenso calculada corrigida atravs de fatores de forma; Tenses admissveis mais elevadas que o cdigo ASME, por exemplo; Maiores exigncias sobre o material, fabricao e inspeo. 81


Cdigo ASME, Seo VIII, Diviso 1 a norma de projeto mais difundida no Brasil. Esto excludos do seu escopo:vasos sujeitos a chama; vasos sujeitos a ocupao humana; vasos com presso de operao interna entre 0 a 15 psig ou acima de 3000 psig (210,9 kgf/cm2 man.); vasos com dimetro inferior a 6 polegadas; vasos para gua pressurizada com presso de operao at 300 psig (cerca de 21 kgf/cm2 man); vasos para gua quente com capacidade de at 120 gales (0,454 m3) e temperatura at 210F (99C).82


Esto

includos os evaporadores e os trocadores de calor (sem chama) onde h gerao de vapor e outros vasos nos quais possa haver gerao de vapor, desde que no sujeitos chama, e desde que atendam os requisitos PG58, PG 59, PG-60, PG 61 e PG-67 at PG-73 do Cdigo ASME , Seo I, conforme o Code Case 1855.

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Embora

as frmulas explicitadas no Cdigo considerem apenas a presso (interna ou externa), os demais carregamentos (pesos, ao do vento, etc) devem ser considerados pelo projetista (ver U-2 (g)). Ou seja, a responsabilidade do projetista estende-se anlise das cargas a considerar e o modo como sero analisadas.84


A

estrita aplicao do Cdigo ASME exige que:o fabricante seja formalmente autorizado pelo ASME (selo ou stamp); seja feita uma inspeo formal, por Inspetor qualificado; seja feito um relatrio (Manufacturers Data Report) de acordo com os formulrios do apndice W; sejam estabelecidas formalmente as condies de projeto do equipamento: margem de corroso; indicao de servio com fluido letal; necessidade de tratamentos trmicos, alm daqueles exigidos pelo Cdigo; observncia dos pargrafos PG-59 a PG-61 do Cdigo ASME, Seo I, para os vasos includos em sistemas de gerao de vapor.

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Seo I

Contedo Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers)Part A Ferrous Material Specifications Part B Nonferrous Material Specifications Materiais Part C Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler Metals (Materials) Part D Properties (Customary) Part D Properties (Metric) Subsection NCA General Requirements for Division 1 and Division 2 Division 1 Subsection NB Class 1 Components Subsection NC Class 2 Components Instalaes Subsection ND Class 3 Components nucleares Subsection NE Class MC Components Subsection NF Supports (Div.1 e Subsection NG Core Support Structures Div.2) 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

II

o cdigo tradicionalmente utilizado no Brasil : materiais, projeto, fabricao, montagem e testes da maioria dos vasos de presso, permutadores e caldeiras utilizadas na indstria do petrleo.

III

IV

Caldeiras para aquecimento (Rules for Construction of Heating Boilers)

VVI VII

Ensaios no destrutivos

Instalao e recomendaes para operao de caldeiras para aquecimento (Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers)

Instalao e recomendaes para operao de caldeiras (Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers)

VIII IXX XI

Vasos de Rules for Construction of Pressure Vessels presso Division 1 (Div.1, Division 2 Alternative Rules Div.2 e Division 3 Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels Div.3) Qualificao de soldagem (Welding and Brazing Qualifications)Vasos de presso de plstico (Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels)

Recomendaes para inspeo de instalaes nucleares (Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components)

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XII

Recomendaes para fabricao e extenso de uso de tanques transportveis (Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks)


o projeto convencional dos vasos de presso. A filosofia de projeto da Diviso 1 est bem explcita no pargrafo UG-23 (c), do cdigo, onde se l : A espessura de parede de um vaso de presso dimensionado de acordo com as regras estabelecidas nesta diviso deve ser tal que a tenso mxima primria geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o equipamento durante sua operao normal no exceda os limites de tenso admissvel do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais os carregamentos a que esteja sujeito o vaso no provoquem uma tenso primria de membrana mais flexo superior a 1 da tenso mxima admissvel do material do vaso. sabido que podem ocorrer elevadas tenses nas descontinuidades nos vasos de presso, mas as regras de projeto e de fabricao desta diviso foram estabelecidas de modo a limitar tais tenses a um nvel seguro consistente com a experincia adquirida.

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Subsection A - General Requirements Requisitos gerais, aplicveis a todos os vasos de presso. Part UG - General Requirements for All Methods of Construction and All Materials: Scope / Materials / Design / Openings and Reinforcements / Braced and Stayed Surfaces / Ligaments / Fabrication / Inspection and Tests / Marking and Reports / Pressure Relief Devices

Subsection B : Requirements Pertaining to Methods of Fabrication of Pressure Vessels Requisitos especficos, aplicveis em funo do mtodo de fabricao. Part UW : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Welding Part UF : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Forging Part UB - Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Brazing

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NTT - VASOS DE PRESSOSubsection C : Requirements Pertaining to Classes of Materials Requisitos especficos, aplicveis em funo do tipo de material utilizado na fabricao. Part UCS : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Carbon and Low Alloy Steels Part UNF : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Nonferrous Materials Part UHA : Requirements for Pressure Vessels Constructed of High Alloy Steel Part UCI : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Cast Iron Part UCL : Requirements for Welded Pressure Vessels Constructed of Material With Corrosion Resistant Integral Cladding, Weld Metal Overlay Cladding or With Applied Linings Part UCD : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Cast Ductile Iron Part UHT : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Ferritic Steels With Tensile Properties Enhanced by Heat Treatment Part ULW : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Layered Construction Part ULT : Alternative Rules for Pressure Vessels Constructed Having Higher Allowable Stresses at Low Temperature Part UHX : Rules for Shell-and-Tube Heat Exchangers

89

NTT - VASOS DE PRESSORequisitos Relativos ao Mtodo de Fabricao

Subseo B UFForjamento

UBBrazagem

UWSoldagem

ULT

Aos para baixas temperaturas

UCSAos carbono e baixa liga

ULW Subseo ARequisitos Gerais Vasos de paredes mltiplas

UNFMateriais no ferrosos

UHTAos de alta resistncia

UHAAos de alta liga

UCD UCIFerro fundido

UCLAos cladeados ou revestidos

Ferro fundido malevel

90

Subseo C

Requisitos Relativos aos Materiais

Apndices Obrigatrios NTT - VASOS DE PRESSO 1: Supplementary Design Formulas 2: Rules for Bolted Flange Connections With Ring Type Gaskets 3: Definitions 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) 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 18: Adhesive Attachment of Nameplates 19: Electrically Heated or Gas Fired Jacketed Steam Kettles

91

Apndices Obrigatrios NTT - VASOS DE PRESSO 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 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 29: Requirements for Steel Bars of Special Section for Helically Wound Interlocking Strip Layered Pressure Vessel 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

92

Apndice no obrigatrios NTT - VASOS DE PRESSO 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 K : Sectioning of Welded Joints L : Examples Illustrating the Application of Code Formulas and Rules M : Installation and Operation P : Basis for Establishing Allowable Stress Value R : Preheating S : Design Considerations for Bolted Flange Connections T : Temperature Protection W : Guide for Preparing Manufacturers Data Reports 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

93


Exemplo : Vaso projetado segundo critrios do cdigo

ASME Se.VIII - Div.1 Ed. 1995, Construo soldada com material base em ao carbono Sees a consultar : U - UG - UW - UCS

94


UG1. Requisitos

UG1. Dimensionamento

UW

UW1. Tolerncias

gerais para chapas, forjados, tubos, etc,... com procedimentos de fabricao e fornecimento 2. Certificao de materiais 3. Pr-fabricao de componentes 4. Construes especiais 5. Definio de temperatura e presso de projeto 6. Carregamentos 7. Indicao de onde retirar os valores de tenses mximas admissveis 8. Corroso

a 1.Categorias de juntas presso interna e 2.Projeto de juntas soldadas externa 2. Aberturas e reforos 3.Exames de 3. Resistncia de Radiografia e ultrareforos de abertura som 4. Mltiplas aberturas 4.Detalhes de solda 5. Standards para permitidos flanges e tubos 5.Detalhes de bocais 6. Ligamentos permitidos 7. Tolerncias de 6.Plug welds 7.Soldas de filete fabricao 8. Requisitos para teste 8.Requisitos para de impacto procedimentos de soldagem 9. Teste hidrosttico 10.Teste pneumtico 9.Requisitos para 11.Proof test para qualificao de estabelecimento de procedimentos presses mximas admissveis

alinhamento soldas 2. Reparo de soldas 3. Procedimentos para tratamento trmico aps soldagem

de de

UCS1. Materiais 2. Procedimentos

para tratamento trmico aps soldagem 3. Operao em baixa temperatura

95


Projeto

alternativo de vasos de presso; Regras so mais restritivas quanto ao tipo de material a ser utilizado, mas permite-se a utilizao de maiores valores de intensificao de tenses de projeto na faixa de temperaturas na qual este valor limitado pelo limite de resistncia ou escoamento; Procedimentos mais precisos de clculo so necessrios; os procedimentos permissveis de fabricao so especificamente delineados e mais completos mtodos de inspeo e teste so exigidos.96


ASME Section VIII Division 2 Part AG - General Requirements Part AM - Material Requirements Part AD - Design Requirements Part AF - Fabrication Requirements Part AR - Pressure Relief Devices Part AI - Inspection and Radiography Part AT - Testing Part AS - Marking, Stamping, Reports and Records

Filosofia de projeto da Diviso 2 regras especficas para o projeto de vasos mais comuns. Quando isto no ocorre uma completa anlise de tenses necessria e pode ser feita de acordo com os procedimentos estabelecidos nos apndices.97


Apndices Obrigatrios 1: Basis for Establishing Design Stress Intensity Values 2: Charts for Determining Shell Thickness for Cylindrical and Spherical Vessels Under External Pressure 3: Rules for Bolted Flange Connections 4: Design Based on Stress Analysis 5: Design Based on Fatigue Analysis 6: Experimental Stress Analysis 8: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds 9: Nondestructive Examination 10: Capacity Conversions for Safety Valves98


Apndices Obrigatrios 18: Quality Control System

19: Definitions 20: Requirements for Hubs of Tubesheets and Flat Heads Machined From Plate 21: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee 22: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Valves 23: Adhesive Attachment of Nameplates 24: Requirements for Steel Bars of Special Section for Helically Wound Interlocking Strip Layered Pressure Vessel 25 : Rules for Drilled Holes Not Penetrating Through Vessel Wall 26 : Rules for Cr-Mo Steels With Additional Requirements for Welding and Heat Treatment 27 : Standard Units for Use in Equations99

NTT - VASOS DE PRESSOApndices no obrigatrios A : Installation and Operation B : Temperature Protection C : Suggested Methods for Obtaining the Operating Temperature of Vessel Wall in Service D : Preheating E : Temperatures Ranges for Annealing and Hot Working and Limited Service Temperatures for Nonferrous Materials G : Examples Illustrating the Application of Code Formulas and Rules I : Guide for Preparing Manufacturers Data Reports J : Basis for Establishing External Pressure Charts K : Selection and Treatment of High Alloy Steels L : Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization M : Flange Rigidity N : Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code

100

a) Espessura mnimaPRESSO b) Anlise de Fadiga NTT - VASOS DE de parede - A diviso 1 utiliza frmulas de clculo - A diviso 2 considera a possibilidade de falha por simplificadas, baseadas na teoria da membrana; fadiga e fornece regras para esta anlise - A diviso 2 exige uma anlise de todas as (apndice 5); tenses atuantes em cada parte do vaso (apndice 4); c) Escolha dos materiais d) Processo de fabricao - A diviso 2 faz exigncias adicionais para a - A diviso 2 exige requisitos adicionais referentes certificao do material a ser utilizado na a procedimentos de soldagem, tratamento fabricao do equipamento (Parte AM); trmico, etc, (artigos AF-1 a AF-8). Exemplo : Maior nmero de corpos de prova nos exames destrutivos ou maior quantidade de exames no-destrutivos (requisitos adicionais AM-2 a AM-5) - A diviso 2 mais restrita na escolha de materiais, porm permite que sejam atingidas tenses admissveis mais elevadas. e) Inspeo e testes f) Geral - Embora os critrios de aceitao sejam os - A diviso 2 no limita a presso mxima de mesmos para as duas divises, a diviso 2 no operao, enquanto a diviso 1 a limita em aceita as limitaes de abrangncia de exames 3.000,0 psi (212,0 Kgf/cm2). no-destrutivos permitidas na diviso 1. Exemplo : A diviso 2 no admite radiografia parcial (spot) em juntas soldadas.

101


Captulo 3 Tenses em Vasos de Presso

102


Tenses

admissveis : so as tenses mximas adotadas no dimensionamento de um vaso de presso. Coeficiente de segurana (CS) ou fator de segurana (FS), relao entre o limite de escoamento (Sy) ou de resistncia (Sr) e a tenso admissvel (Sadm) de um determinado material. Tenses admissveis para temperaturas abaixo da temperatura de fluncia esto relacionados com o limite de escoamento ou com o limite de resistncia do material de construo do equipamento.

103


Fatores que afetam a fixao dos valores das tenses admissveis : Tipo de material : Para materiais frgeis adota-se um fator de segurana mais elevado que os adotados para materiais dteis; Critrio de clculo : Uma tenso admissvel s dever ser aplicada em combinao com o critrio de clculo para o qual foi estabelecida. Clculos grosseiros e grandes aproximaes exigem fatores de segurana maiores; Tipo de carregamento : A considerao de esforos cclicos e alternados, choques e vibraes exige uma reduo no valor da tenso admissvel determinada para esforos normais; 104


Segurana : Equipamentos de grande periculosidade envolvendo srio risco humano e material exigem elevados fatores de segurana; Temperatura : A resistncia mecnica de um material diminui com o aumento de temperatura e consequentemente a tenso admissvel tambm cair. Em temperaturas baixas o comportamento de vrios materiais se altera, peas que sofreriam uma fratura dctil em temperatura ambiente passam a sofrer fratura frgil com o abaixamento dessa temperatura.105

C - VASOS NTT digo de DE PRESSO de creep Abaixo da faixa Projeto Sr / 3,5 (temp. ambiente) ASME VIII Div.1 : Allowable Stress Values Sr / 3,5 (temp. de projeto)

Acima da faixa de creep

100% da tenso mdia que provoca uma velocidade de deformao de 0,01% em 1000 h

67% da tenso mdia que provoca ruptura aps 100.000 h.

(2/3)Sy (temp. ambiente) 80% da tenso mnima que provoca ruptura aps (2/3)Sy (temp. de projeto) 100.000 h para a regio

Sr / 3,0 (temp. ambiente) ASME VIII Div.2: Design Sr / 3,0 (temp. de projeto) No existem critrios Stress Intensity (2/3)Sy (temp. ambiente) comportamento fluncia Values (2/3)Sy (temp. de projeto) BS-5500

de

Sy / 1,5 (temp. de projeto) 1 / 1,3 da tenso mdia que provoca ruptura num tempo Sr / 2,35 (temp. ambiente) t, numa temperatura T, de acordo com o material Sy / 1,5 (temp. de projeto)

AD-Merkblatter

100% da tenso mdia que provoca uma velocidade de deformao de 0,01% em 1000 h.

67% da tenso mdia que provoca ruptura aps 100.000 h.

106

Antes da edio de 1998, o cdigo ASME utilizava um fator 4,0 ao lugar de 3,5, aplicado ao limite de resistncia do material para a definio das tenses admissveis para clculo.


Exemplo: diferenas no valor da tenso admisvel e peso do equipamento para um material de especificao SA-516 Gr.60. Propriedades mecnicas @ temperatura ambiente.Tenso de escoamento mnima = 32,0 ksi Limite de resistncia = 60,0ksi

Tenses Admissveis [ksi] Reduo de Peso do @ Temperatura Ambiente Equipamento ASME Se.VIII Diviso 1 Edio anterior a 1998 ASME Se.VIII Diviso 1 Edio posterior a 1998 ASME Se.VIII Diviso 2 BS-5500 AD-Merkblatter107

15,0 17,1 20,0 21,3 21,3

0% 12,3 % 25,0 % 29,6 % 29,6 %


A Edio de 1998 Adenda 1999 do cdigo ASME alterou o fator de segurana a ser aplicado ao limite de resistncia dos materiais para projetos utilizando a Seo VIII Diviso 1. O valor foi reduzido de 4,0 para 3,5, aps 55 anos de evoluo dos materiais, processos de soldagem e projeto dos equipamentos. O fator de segurana em 1914, quando do lanamento da primeira Edio do cdigo era 5,0 e foi mantido at 1944, quando da II Guerra Mundial e a necessidade de reduzir o conservadorismo dos projetos. A justificativa na poca para a reduo do fator de segurana foi a seguinte: "great improvements in the art of welding." Assim o fator foi reduzido para 4,0 e o teste hidrosttico foi alterado de um fator 2,0 para 1,5.

108


Estas alteraes no possuiam base tcnica slida e foram motivadas mais por razes econmicas e emocionais do que na qualidade intrnseca das soldagens realizadas nos equipamentos. Muitos dos processo de soldagem atualmente utilizados eram apenas desenvolvimento na dcada de 40 (gas metal arc, gas tungsten arc, and submerged processes, low hydrogen electrodes, flux core process, electro-slag process, electron beam process, and laser welding process). Aps a Guerra, o fator retornou a 5,0, se mantendo at a Edio de 1951 do cdigo que estabeleceu definitavemente o valor de 4,0 para o fator de segurana. A atual mudana no fator foi realizada com base na qualidade dos materiais, melhoria dos processos de soldagem, consumveis, mtodos de inspeo e em cdigos de outros pases.

109


Em

1944, o conceito de tenacidade do material era restrito a laboratrios, sem aplicao industrial de projetos e conceitos baseados na mecnica da fratura. O alvio de tenses residuais e o pr-aquecimento na soldagem somente passaram a ser incorporados no cdigo ASME a partir da Edio de 1962. O nico ensaio no-destrutivo disponvel em 1944 era a radiografia, em estgios iniciais de desenvolvimento. O ensaio de ultra-som apenas em 1947 teve um maior importncia com o desenvolvimento do cabeote angular.

110


O

Governo Americano patrocinou um estudo para determinar as causas das falhas e avaliar fatores metalrgicas que contriburam para estas falhas. Preliminarmente foi determinado que a causa das falhas era geralmente relacionada a fratura frgil. O estudo tambm mostrou que altos nveis de carbono, fsforo, molibdnio e arsnico na composio, aumentam a temperatura de transio, enquanto que o nquel, silcio, mangans e cobre reduzem a temperatura de transio do material. Os resultados deste e outros estudos auxiliaram a compreender a importncia da tenacidade a fratura para a preveno de falhas em componentes pressurizados. Apesar disso, estas informaes no eram disseminadas em 1944.

111


O

teste de drop weight no foi desenvolvido at o final dos anos 40, e os conceitos de mecnica da fratura eram uma curiosidade de laboratrio de 1944. A aplicao da mecnica da fratura para vasos de presso e as informaes necessrias para tornar o mtodo vivel para a determinao da adequao ao uso foram extensivamente discutidas em uma publicao de 1967 do Oak Ridge National Laboratory. Este documento motivou a formao do programa Heavy Section Steel Technology, que transformou os conceitos de mecnica da fratura em procedimentos para uso prtico.112


A mecnica da fratura utilizada pela Section XI of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code para determinar a integridade de vasos de presso da rea nuclear. A experincia na utilizao destes conceitos foram base das recentes revises nos requisitos de tenacidade da Seo VIII e para as consideraes de projeto da Diviso 3 do ASME Seo VIII, para altas presses. O efeito da reduo do fator de segurana de 4 para 3,5 e o aumento das tenses admissveis, obtidas nas tabelas 1A e 1B da Seo II Parte D, foram da ordem de 14,3% na faixa de temperatura em que as propriedades mecnicas so inalteradas com o tempo, abaixo da zona de creep. No foram alteradas as tenses em temperaturas sob a influncia do creep. O conservadorismo da Seo I e Seo VIII Diviso 1 continua significante. A probabilidade de falha de um componente devido a tenso excessiva considerada reduzida.

113


Em um ensaio de trao simples existe um ponto determinado no diagrama tenso x deformao em que o material inicia a se deformar plasticamente. Nesse caso a tenso uniaxial.Curva de Verdadeira

= P/Ao , P/A f

Su Sy Se E

Curva de Engenharia

E mdulo de elasticidade Sy limite de escoamento 0,2% ou 0,5% Su limite de resistncia a trao f resistncia trao verdadeira; f alongamento aps a fratura; f reduo precentual de rea = 100.(Ao Af)/Ao; f alongamento aps a fratura real (ductilidade fratura). = L/L

114

0,2% 0,5% p e t = e + p

f


A ocorrncia de um estado triaxial de tenses

acarreta um comportamento de material diferente do obtido anteriormente. Existe portanto a necessidade de traduzir um estado de tenses complexo em um valor equivalente que poderia ser comparado com as propriedades do material determinadas no ensaio de trao. A essa equivalncia denomina-se Critrio de Escoamento.115


Considere

como exemplo o cilindro de parede fina que est submetido a um esforo de trao P, um momento de toro T e uma presso interna p.p T T P

P

Pela

variao de presso, fora axial e momento de toro possvel obter vrias combinaes de tenses, que resultam em diferentes direes principais. Como determinar se uma combinao de carregamentos qualquer gera plastificao no cilindro?

116


Os

critrios de escoamento so representaes desses estados de tenses de acordo com diversas teorias de plastificao. Sero apresentados 3(tres) Critrios de Escoamento : Teoria da Tenso Mxima ou Critrio de Rankine, Teoria da Tenso Cisalhante Mxima ou Critrio de Tresca e a Teoria de Energia de Distoro ou Critrio de Von Mises.

117


-Teoria de Tenso Mxima ou Critrio de Rankine (W.

Rankine 1850) Esta teoria assume que o escoamento vai ocorrer quando a mxima tenso atuante em um material atingir a tenso de escoamento do material. Para um material que possua os mesmos valores para o escoamento trao e compresso, temos : 1 > 2 > 3 1 = y A representao grfica para um estado biaxial de tenses dada pelo quadrado. (Critrio utilizado pelo cdigo ASME Seo VIII Diviso 1).

118


- Teoria de Tenso Cisalhante Mxima ou Critrio de Tresca (H Tresca 1868) Esta teoria assume que o escoamento vai ocorrer quando a mxima tenso cisalhante em um material, submetido a uma combinao qualquer de cargas, atingir a metade da tenso de escoamento do material: max = y/2 Utilizando-se o Crculo de Mohr verifica-se que max pode ser dado por , para um estado = 1 de tenses. max biaxial 2 2 Generalizando temos que: 1 - 2 = y ou 1 - 2 = + y 1 - 2 = - y (Critrio utilizado pelo cdigo ASME Seo VIII Diviso 2).

119


- Teoria da Energia de Distoro ou Critrio de Von Mises (R von Mises 1913) Segundo este critrio o estado limite para o escoamento ocorre quando a energia de distoro se iguala energia de distoro quando do escoamento do material em um ensaio de trao uniaxial. A energia de distoro dada pela equao abaixo.

I2 Ud = 2.G

Onde : G = E/2(1+) - mdulo de cisalhamento. I2 - invariante de tenses O invariante de tenses pode ser expresso da seguinte forma.

120

1 2 2 2 I2 = (1 2 ) + ( 2 3 ) + (1 3 ) 6

[

]


Na condio de trao uniaxial, temos.

2 = 3 = 0 I2 = y2 / 3 Portanto o Critrio de Von Mises pode ser escrito como.y 1 2 2 2 (1 2 ) + ( 2 3 ) + (1 3 ) = 6 3

1 = y

[

]

2

Para um estado biaxial de tenses: 12

- 1.2 + 22 = y2 Esta equao representa uma elipse de Von Mises no plano 12

121


(Y) B1,0

A F2 / y

-1,0

E G1 / y 1,0

(X)

Comparando-se as superfcies de escoamento de Von Mises e Tresca, temos uma diferena mxima de 15%.

H CA-B-C-D A-F-G-C-H-E A-F-G-C-H-E -1,0

D

122

Maximum stress theory Maximum shear theory Distortion energy theory


- EXEMPLO: Aplicao dos Critrios de Escoamento em um Vaso Cilndrico Um vaso cilndrico com dimetro interno de 2.000,0 mm e espessura de parede de 12,5 mm submetido a uma presso interna de 2,5 MPa. Calcular o fator de segurana para o escoamento na parede do costado, remoto de descontinuidades. O material do costado o SA516 Gr.70, que possui uma tenso de escoamento a temperatura ambiente de 260,0 MPa.

pD 2,5 x 2.000,0 1 = = = 200,0 MPa (tenso circunferencial) 2t 2x12,5pD 2,5 x 2.000,0 2 = = = 100,0 4t 4 x12,5123

MPa (tenso longitudinal) (tenso radial)

3 = -2,5 MPa


Critrio de Tresca ou da Mxima Tenso Cisalhante: max y 1 3 = = 2 2.FS y y 260,0 = 1 3 = FS = = = 1,28 FS 1 3 200,0 ( 2,5 )

eqv

Critrio de Von Mises ou da mxima energia de distoro

eqv = + + 1 2 1 3 2 3 = FS y FS = 2 2 1 + 2 + 3 1 2 1 3 2 3 22 1 2 2 2 3

y

FS =

260,0 200,0 2 + 100,0 2 + ( 2,5 ) 200,0 x100,0 200,0 x( 2,5 ) 100,0 x( 2,5 )2

= 1,48

Observa-se um resultados menos conservativo quando utlizado o critrio de Von Mises.124


- EXEMPLO: Aplicao dos Critrios de Escoamento em um Costado Cilndrico Vaso cilndrico fechado na extremidade inferior e com uma chapa na extremidade superior mantida na posio pela ao de um peso agindo contrria a fora hidrosttica. p = 60,0 psi R = 240,0 in t = in rea interna de seo: A = R2 = x 240,02 = 180.956,0 in2 Fora hidrosttica: F = p.A = 60,0 x 180.956,0 = 10.857 kips Para garantir que no haja levantamento da chapa de fechamento do cilindro, utilizado um peso equivalente a 20.000 kips. Avaliar se o projeto seguro.125


As tenses principais atuantes no cilindro so as seguintes: Tenso circunferencial: 1 = p.R / t = 60,0 x 240,0 / 0,5 = 28,8 ksi Tenso longitudinal: 2 = p.R / 2t W / (2Rt) = = 60,0x 240,0/(2 x 0,5) 20.000.000/(2 x x 240,0 x 0,5) = -12,1 ksi Para uma limite de escoamento do material, obtido em ensaio de trao uniaxial, equivalente a Y = 36,0 ksi, temos: 1 / Y = 0,8 (Y) 1,0 2 / Y = -0,34 A B F / Verifica-se que as tenses principais, isoladamente so inferiores ao limite E -1,0 / de escoamento do material, mas no G 1,0 grfico correspondente aos critrios de escoamento, percebe-se que o H D C -1,0 cilindro est em condio de falha.2 y 1 y

(X)

126

A-B-C-D A-F-G-C-H-E A-F-G-C-H-E

Maximum stress theory Maximum shear theory Distortion energy theory


Os

cdigos de projeto, geralmente, classificam as tenses em 3(trs) categorias com caractersticas diferentes : Notao (ASME Se.VIII Div.2 Apndice 4) : Pm tenso generalizada de membrana primria Pl tenso localizada de membrana primria Pb tenso de flexo primria Q tenso secundria (membrana ou flexo) F tenso de pico127


A - Tenses primrias : Necessrias para satisfazer as leis de equilbrio da estrutura, desenvolvidas pela ao de carregamentos impostos. Principal caracterstica : no auto-limitante, enquanto o carregamento estiver sendo aplicado a tenso continua atuando no sendo aliviada por deformaes da estrutura. Como exemplo temos as tenses de membrana circunferenciais e longitudinais em vasos cilndricos submetidos ao carregamento de presso interna. Podem ser de membrana ou de flexo. Tenso de membrana : componente constante atravs de toda a espessura da parede do vaso. Tenses de flexo : resultantes da flexo das paredes do equipamento, e so variveis atravs da espessura, sendo proporcionais a distncia do ponto em que esto sendo analisadas ao centride da seo considerada.128


Exemplos : tenso de membrana num casco cilndrico ou tenses de flexo no centro de um tampo plano causadas pela presso interna. As tenses primrias de membrana so classificadas em tenses gerais de membrana, caso estejam atuando em todo o equipamento, e em tenses locais de membrana, caso estejam atuando numa parte limitada do equipamento. Uma tenso pode ser considerada como local se a distncia na direo meridional, na qual a intensidade de tenses ultrapassa 1,1.Sm no excede (R.t)1/2. Um exemplo a tenso de membrana no casco de um vaso causada por fora ou momento num bocal.

129


B - Tenses secundrias : So as tenses desenvolvidas por restries a deformaes e compatibilidade de deslocamentos em pontos de descontinuidades. A caracterstica bsica desse tipo de tenso sua capacidade de auto-limitao pela deformao. Como exemplo temos tenses devido dilatao trmica restrita ou tenses residuais de soldagem. C - Tenses de pico : So tenses extremamente localizadas que causam deformaes e distores reduzidas podendo contribuir exclusivamente para fenmenos cclicos e para intensificao de tenses para efeitos de fratura frgil.

130


Permite a separao entre tenses que podem estar atuando em um determinado ponto da estrutura, mas que possuem efeitos diferentes sobre a mesma; Podemos identificar : tenses primrias x colapso plstico da estrutura; tenses secundrias x capacidade de acmulo de deformaes. possvel estabelecer tenses admissveis diferentes para cada parcela projetando o componente de forma adequada. Conceitos necessrios para a avaliao de regies na presena de defeitos : tenses primrias e secundrias possuem efeitos distintos sobre a abertura do defeito.

131


Tenses primrias e secundrias podem ser de membrana e/ou flexo. Tenso de membrana (Pm / Qm) a componente de tenso uniforme e igual ao valor mdio da distribuio de tenses ao longo da seo. A tenso de flexo (Pb / Qb) a componente de tenso que varia atravs da seo transversal, correspondente parcela linear da distribuio de tenses.

132


A

identificao, classificao e separao das tenses atuantes dependente do tipo de carregamento e geometria do componente. O cdigo ASME Se.VIII Div.2 em seu Apndice 4 possui uma tabela indicando a classificao de tenses recomendada. Para cada combinao de tenses atuantes existe uma tenso admissvel, vlida para o dimensionamento do componente. As tenses na parede do equipamento podem ser analisadas a partir de um mtodo de separao. As parcelas de membrana, flexo e tenses de pico devem ser estimadas pela linearizao da distribuio de tenses no componente.133


O mtodo de tenses em uma linha, estabelece uma linha de tenses na seo considerada para o estudo e parte da distribuio das tenses sobre esta linha para obteno de tenses de membrana, flexo e total, separadas conforme exigido nos cdigos de projeto. Para a classificao destas tenses existe a necessidade de uma linearizao da distribuio real sobre a linha. Para a seleo de uma linha de tenses conveniente deve-se tentar relacionar uma srie de fatores que indicam as provveis localizaes e orientaes conforme a geometria, ponto de tenso mxima, tipo de carregamento, etc. A localizao de uma das linhas de tenses deve, sempre que possvel, passar pelo ponto de tenso mxima que efetivamente corresponde a um lugar de anlise obrigatria. Esta linha tem como objetivo determinar a posio e as direes das tenses no componente que sero analisadas.

134

NTT - VASOS DE PRESSOCostado cilndrico Linha de tenses L2 L1

L2

L1

Anel suporte Tenso Flexo Membrana Flexo Membrana Espessura Linha de Tenses L1 L1 Pico Tenso Pico Flexo Membrana Flexo Membrana

135

Espessura Linha de Tenses L2 L2

Componente Localizao NTT - VASOS DE PRESSOOrigem da Tenso Chapa do costado, Presso interna remoto de descontinuidades Gradiente trmico axial Juno com tampo Presso interna ou flange Momento ou carga externa ou presso interna Momento ou carga externa

Tipo de Tenso Membrana geral Gradiente ao longo da espessura Membrana Flexo Membrana Flexo Membrana geral ao longo da seo. Componente de tenso perpendicular seo transversal Membrana geral ao longo da seo. Componente de tenso perpendicular seo transversal Membrana local Flexo Pico Membrana Flexo Membrana Flexo Membrana Flexo

Classificao Pm Q Q Q PL Q

Costado cilndrico ou esfrico

Qualquer seo transversal do costado Qualquer costado ou tampo

Pm

Pm PL Q F Q Q Pm Pb PL Q

Momento ou carga Prximo a bocal ou externa ou presso outra abertura interna Qualquer localizao Diferena de temperatura entre costado e tampo Presso interna Presso interna

Tampo conformado ou cnico 136

Centro Juno com o costado e toro

Componente Localizao NTT - VASOS DE PRESSO Regio central Tampo plano Juno com o costado

Origem da Tenso

Tipo de Tenso Membrana Flexo Membrana Flexo Membrana Flexo Pico Membrana Flexo Pico Membrana geral. Componente de tenso perpendicular seo. Flexo atravs da seo do bocalMembrana geral Membrana local Flexo Pico Membrana Flexo Pico

Classificao Pm Pb PL Q Pm Pb F Q F F Pm PmPm PL Q F Q Q F

Presso interna Presso interna

Tampo ou costado perfurado

Ligamento tpico em Presso um padro uniforme Ligamento atpico ou Presso isolado Seo transversal perpendicular ao eixo do bocalMomento ou carga externa ou presso interna Momento ou carga externa

Bocal Parede do pescoo

Presso interna

Expanso diferencial Clad Qualquer Qualquer Qualquer Qualquer Qualquer Expanso diferencial Distribuio de temperatura radial Qualquer

Membrana Flexo Tenso linear equivalente Distribuio no linear de tenses Concentrao de tenses

F F Q F F

137

NTT - VASOS DE PRESSO Categoria deTensesDescrio (Para exemplos, ver a Tabela 4-120.1)

Membrana Geral

Primrias Membrana LocalTenso mdia atravs qualquer seo. Considera descontinuidades mas no concentraes. Produzida somente por cargas mecnicas.

FlexoComponente das tenses primrias proporcional distncia para o centride da seo. Exclui descontinuidades e concentraes. Produzida somente por cargas mecnicas.

Membrana + Flexo SecundriaTenses autoequilibradas necessrias para satisfazer a continuidade da estrutura. Ocorre em descontinuidades estruturais. Podem ser causadas por cargas mecnicas ou expanso trmica diferencial.

Pico(1) Incremento s tenses primrias ou secundrias devido a uma concentrao de tenses; (2) Certas tenses trmicas que podem causar fadiga mas no distoro de forma do vaso.

Tenso primria mdia atravs da seo. Exclui descontinuidades e concentrao de tenses. Produzida somente por cargas mecnicas.

Smbolo (nota 3) Combinao de componentes de tenses e limites admissveis de intensidade de tenses.

Pm

PL

Pb

Q

F

Pm

Sm PL + P b + Q PL1,5Sm 3.Sm

Nota 1

Cargas de Projeto

Nota 2

138

Cargas de operao

PL + P b

1,5Sm

PL + P b + Q + F

Sa


Para

que ocorra o colapso do componente necessrio que toda a seo transversal do mesmo alcance o escoamento.

139


Supondo a fora N e o momento M, aplicados no elemento, que possui uma largura b e espessura 2h. Seja (z) a tenso circunferencial atuante em qualquer ponto z, ao longo da espessura do componente. Para um comportamento puramente elstico, a tenso pode ser obtida pela teoria de vigas : (Z) = N / A + M.z / I A = 2h.b I = (2/3)b.h3

140


Supondo um material elstico perfeitamente plstico com escoamento y, com a atuao da carga N, o primeiro escoamento da seo ocorre na fibra externa (z = +h). N / (2h.b) + (3/2).M.z / (b.h2) = y (1) Aumentando-se o carregamento, a plasticidade ir se expandir ao longo de toda a seo. Para um material elstico perfeitamente plstico, o estado limite do componente corresponde a uma plastificao total ao longo da seo.

141


Matemticamente, a distribuio de tenses expressa como : y (z) = -y z > - ho z < - hoh

Nas equaes de equilbrio : ho h M = b y zdz + ( y )zdz ho h

M = b zdzh

ho 2 z 2 h z M = y b 2 ho 2 h

h2 h2 h2 h2 o o M = y b 2 2 2 2 142

M = y b h2 h2 o

(

)


ho h N = b y dz + y dz = b y {(h + h o ) ( h o + h)} ho h

N = 2bhoy

N ho = 2b y 2

N 2 M = y b h 2b y M N2 = h 2 1 2 2 2 yb 4b h y 143

2


A

condio para que isso ocorra pode ser obtida pelo equilbrio como : M / (y.b.h2) + [N / (2.b.h.y)]2 = 1 (2) ainda as seguintes restries : M / (y.b.h2) 1 [N / (2.b.h.y)]2 1

Considerando

144

possvel obter o grfico de interao de carregamentos.

NTT - VASOS DE PRESSO1 ( M /.1 y.b.h2) 1 .0 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1

D ia g ra m a d e In te ra o

C o n d i o L im ite

E s c o a m e n to In ic ia l

145

0 .0 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9N/(2.y.b.h)

1 .0

1 .1


Para

uma viga em flexo pura (N = 0), o momento limite dado por : ML = y.b.h2 Se utilizada a equao (1), verifica-se que o momento necessrio para o incio do escoamento na fibra mais externa : MY = (2/3).y.b.h2. Conclui-se que ML / MY = 1,5.

146


Seo Qualquer

Esforo Trao

Razo [Escoamento Inicial/Rtula Plstica]

1 1,5

Retangular

CircularX

Y X Y

1,7FlexoY

Tubular D/t >>

1,27 1,14 (X-X) ou 1,60 (Y-Y)

Perfil I147

X Y

X


Se

substituirmos N / 2.b.h = Pm (tenso elstica de membrana) e 3M / (2.b.h2) = Pb (tenso elstica de flexo, possvel modificar o grfico anterior. Atravs da equao (1), temos : Pm + Pb = y Condio do incio do escoamento A condio limite dada pela equao (2) : (2/3)(Pb / y) + (Pm / y)2 = 1 Considerando as limitaes adicionais : Pm (2/3)y (Pm + Pb) y Obtm-se o grfico utilizado pelo cdigo ASME para limites de tenses para carregamentos primrios.148

NTT - VASOS DE PRESSO maxyPm + Pb = 1,67 y

=

Pm + Pb y2 Pb Pm + =1 3 y y 2

Pm = Pb =

N 2bh 3 M 2 bh2

(Pm + Pb ) = 1y

1,0

CONDIO LIMITE ESCOAMENTO INICIAL

Pm + Pb y

REGIO DE PROJETO

Pm =1 y

149

0

Pm 2 y 3

( )

2/3

1,0

Pm y


Para as tenses secundrias, o limite de

tenses funo do comportamento da acomodao de tenses. No primeiro ciclo de tenses trmicas ocorre uma plastificao e reduo do nvel de tenses devido caracterstica auto-limitante das tenses secundrias. Essa acomodao permite que as tenses possam alcanar um limite correspondente ao range elstico do material (limite de shakedown), equivalente a 2.Sy (duas vezes a tenso de escoamento.150

NTT - VASOS DE PRESSO2 .0

1 .5

L im ite d e S h a k e d o w nA B

1 .0

S / Sy

0 .5

0 .0

R a n g e e l s tic o = 2 .S y

-0 .5

P m + P b + Q < 3 .S m-1 .0

C0 .0 0 .5 1 .0 1 .5 2 .0

151

/ y


Se

ultrapassado o limite de range elstico, o componente pode apresentar um comportamento descrito como Plasticidade Reversa, onde deformaes plsticas alternadas ocorrem a cada ciclo, propiciando o fenmeno de fadiga de baixo ciclo.

152


P la s tic id a d e R e v e rs a1 .5

1 .0

A E

B

S / Sy

0 .5

0 .0

R a n g e e l s tic o = 2 .S y-0 .5

P m + P b + Q < 3 .S m D0 .0

-1 .0

C0 .5 1 .0 1 .5 2 .0 2 .5

153

/ y


Para

tenses atuantes ainda maiores, ocorre um acmulo de deformaes a cada ciclo, ocasionando o comportamento denominado de colapso incremental ou ratchetting.

154


C o la p s o In c re m e n ta l1 .5

1 .0

A

E

B I

F M

J

S / Sy

0 .5

0 .0

R a n g e e l s tic o = 2 .S y-0 .5

P m + P b + Q < 3 .S m D0 .0

-1 .0

H C0 .5

L G

K1 .0 1 .5 2 .0 2 .5 3 .0

155

/ y


Ssecundria/Sy

2 Fadiga de Baixo Ciclo

Ratchetting Colapso

1

0 Shakedown elstico

Comportamento totalmente elstico

156

0

1

Sprimria/Sy


Captulo 4 Fadiga em Vasos de Presso

157


158

A presena de carregamentos cclicos com tenses geradas abaixo do escoamento do material, pode ser suficiente para a nucleao de trincas em pontos de concentrao de tenses e sua posterior propagao. A taxa de crescimento de trincas possui grande dependncia de fatores metalrgicos, sendo portanto necessrio um estudo baseado em resultados muitas vezes obtidos em laboratrios. O desenvolvimento progressivo de uma trinca sob influncia de aplicaes repetidas de tenso, que muitas vezes so inferiores s necessrias para provocar a fratura do componente sob carga monotonicamente crescente ou tenso de escoamento do material.


A fadiga de alto ciclo caracterizada por variaes de tenses controladas e inferiores ao escoamento do material, a deformao plstica limitada a pontos de concentrao de tenses (pequenas deformaes plsticas). A variao de tenso a varivel controlada. A fadiga de baixo ciclo, ao contrrio da anterior, se caracteriza por deformaes plsticas em nvel mais elevado, no se restringindo apenas aos pontos de concentrao de tenses. A variao de tenses nesse caso superior ao escoamento do material. A deformao a varivel controlada.

159


160


161


162

A curva do cdigo ASME Se.VIII Div.2 Apndice 5 baseada em variaes de deformao. A tenso calculada como um valor fictcio : = .E A curva do ASME pode ser descrita pela frmula a seguir : E 100 . ln a = + D 4. N 100 A Onde : a amplitude da variao de tenses (tenso alternada); N nmero de ciclos at a fratura; D limite de resistncia fadiga; A reduo de rea;


Considerando uma variao de tenses constante entre um valor mximo (mx) e um valor mnimo (mn), pode-se definir a amplitude da variao de tenses (a) e a tenso mdia (m), como abaixo.

Tenso

mx Tempo

mn

a = (mx - mn) / 2 m = (mx + mn) / 2 O range de variao de tenses corresponde a : 2.a = (mx - mn).163


90

A figura a seguir apresenta um exemplo de variao de carregamentos em uma estrutura, onde possvel verificar o seu aspecto randmico.

80

Presso [Kgf/cm2]

70 60 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Eventos

164


Os resultados de uma metodologia de fadiga baseado em tenses (SN) ou deformaes (N), normalmente so obtidos para ensaios em corpos de prova com tenso mdia baixa ou nula. A tenso mdia possui efeito na vida til do componente com reduo do nmero de ciclos at a falha.

P

P

165


Tenso Alternada

A figura a seguir apresenta algumas curvas que demonstram a influncia da tenso mdia.

Diagrama de Influncia da Tenso MdiaSa 1 Sy

Parbola de Gerber Diagrama de Goodman Diagrama de Soderberg0.75 Sd

Sn 0.5

0.25

0

Sm0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2

Smc

Sy

Sr

Tenso Mdia

166

Parbola de Gerber : a = d.[1 (m / r)2] Diagrama de Goodman : a = d.[1 - m / r] Diagrama de Soderberg : a = d.[1 - m / e]


167

As metodologias de projeto fadiga utilizam a definio de classes para as juntas soldadas, que consideram a geometria, a direo das tenses alternadas e os mtodos de fabricao e inspeo da junta soldada. As tabelas de classificao do detalhe estrutural soldado das normas so baseadas na geometria da junta e na direo dominante do carregamento. Conforme norma inglesa PD-5500 Anexo C, as curvas de fadiga so definidas pela equao: Srm.N = A Onde: Sr range de variao de tenses; m inclinao da curva (m = 3,0 para curvas de espcimes soldados; m = 3,5 para a curva C, correspondente a espcimes sem solda);


168


Table C.1 Details of fatigue design curvesConstants of S-N curve Class C[1] D E F F2 G W for N < 107 cycles m 3.5 3 3 3 3 3 3 A[2] 4.22 x 1013 1.52 x 1012 1.04 x 1012 6.33 x 1011 4.31 x 1011 2.50 x 1011 1.58 x 1011 for N > 107 cycles m 5.5 5 5 5 5 5 5 A[2] 2.55 x 1017 4.18 x 1015 2.29 x 1015 1.02 x 1015 5.25 x 1014 2.05 x 1014 9.77 x 1013 Stress range at N = 107 cycles N/mm2 78 53 47 40 35 29 25

[1] If Sr > 766 N/mm2 or N < 3380 cycles, use class D curve [2] for E = 2.09 x 106 N/mm2169


A obteno de uma curva SN depende de uma estatstica de inmeros dados experimentais de corpos de prova em espcimes que so ensaiados em diversos nveis de variaes de tenses. Os ensaios registram o nmero de ciclos necessrios para iniciar, propagar e falhar o defeito no corpo de prova. A relao entre as variaes de tenses e nmero de ciclos, plotados em um grfico log x log pode ser representado normalmente por uma reta.log

1 m

170

log N


O modelo da curva S-N, apresentado na figura pode ser escrito por:log(N) = log a m. log = log a m. log log(N) = log a log m = log a m

()

()

(

)

Onde:

log a = log(a ) d.s

()

N: nmero de ciclos registrado no ensaio do corpo de prova; a, m: parmetros do material ensaiado; : variao de tenses aplicada no ensaio; d: nmero de desvios padres em relao a curva mdia dos pontos experimentais (d = 1 corresponde a 84,1% de sobrevivncia; d = 2 corresponde a 97,7% de sobrevivncia); s: valor do desvio-padro das medidas.

171


172

As curvas adotadas pelo ASME so ajustadas de forma a no ser necessria considerao da tenso mdia. As curvas so ajustadas para um nmero de ciclos N para a falha, em uma tenso alternada n, sem a necessidade de considerar a tenso mdia atuante no ciclo.


173


Exemplo de clculo para a fadiga de um ponto da lana utilizando procedimento do IIW (International Institute of Welding)

A B C SA = 125 MPa SA = 80 MPa N = C / ()m m=3 C definido para cada classe Exemplo: C = 3,91 x12

SA = 50 MPa

174

105

2 x 106

5 x 106

N


Calcular o dano no ponto crtico da estrutura: Detalhe de solda da classe 50 106 ciclos de = 30 MPa 103 ciclos de = 70 MPa N = C / ()m m=3 C = 2,5 x 1011 N30 = N30 = 9,3 x 106 N70 = 7,3 x 105 D = di = ni / Ni = n30 / N30 + n70 / N70 D = 106 / + 103 / 7,3 x 105 = 1,37 x 10-3 Dcrtico = 1 = Datual + Dfuturo = X.Danual X = 30 porque X = 729 > 30

175


Captulo 5 Condies de Operao e de Projeto de Vasos de Presso

176


A presso atuante num vaso pode ser definida em vrias etapas ao longo do ciclo de operao do equipamento, de tal forma que definimos uma srie de conceitos para identificar cada etapa:presso normal de operao; mxima de operao; mnima de operao; de projeto; mxima de trabalho admissvel; abertura da vlvula de segurana; teste hidrosttico.

Diversos conceitos de presso e temperatura

Da

mesma forma, as temperaturas de metal so decorrentes de vrias etapas:temperatura normal de operao; mxima de operao; mnima de operao; de projeto.

177


Presso e temperatura de operao A presso e temperatura de operao so as suas condies de operao, isto , os pares de valores simultneos de presso e temperatura nos quais o vaso dever operar em condies normais. As presses so definidas como medidas no topo do vaso, devendo-se quando for o caso, acrescentar a presso equivalente coluna hidrosttica do lquido contido no vaso. Devemos distinguir os valores normais de operao dos valores mximos. Os primeiros so valores de regime normal, enquanto os outros so os valores mximos que podem ocorrer ao equipamento, mesmo em condies transitrias. Eventualmente, um vaso poder estar sujeito a mais de uma condio de regime. Quando for este o caso, todas as condies devero ser consideradas, inclusive para dimensionamento do equipamento fadiga (ASME, Seo VIII, Diviso 2, AD-160).178


A

temperatura, da mesma forma, deve ser considerada para projeto do equipamento. As temperaturas normal e mxima de parede so consideradas na definio da temperatura de projeto, normalmente acrescentando-se uma margem de segurana em relao condio normal de operao do fluido. Se a condio de temperatura mxima for devida uma condio anmala, podendo ocorrer simultaneamente condio de operao, ento, o equipamento poder ser projetado por esta condio, visto que o mesmo deve suportar TODAS as condies previstas durante a sua vida til.179


Seja

em condio normal ou eventual, a temperatura mnima de operao dever ser considerada na seleo do material, visto que de acordo com o ASME, Seo VIII, Diviso 1, pargrafo UCS-66, em funo da classe do material e da sua espessura, poder ocorrer a modificao do comportamento de dtil para frgil, podendo ocorrer a ruptura frgil em operao, ou mesmo durante o teste hidrosttico.

180


181

Figura UCS-66(ASME, Seo VIII, Diviso 1


Em

funo do material ser determinada a energia mnima exigida no ensaio Charpy-V, conforme fig. UG84.1 (ASME, Seo VIII, Diviso 1)

182


Presso e temperatura de projeto Denominam-se

Condies de Projeto ao par presso e temperatura que definiram o dimensionamento do equipamento, bem como para seleo do material de construo. De acordo com o pargrafo UG-21 do Cdigo, a condio de projeto a presso correspondente s condies mais severas de presso e temperatura coincidentes que possam ser previstas em servio normal.183


Poder

ocorrer que determinado equipamento possa vir a ser submetido condies simultneas de presso interna e externa, por exemplo, vasos para explorao submarina de petrleo. Ora, em condio tal que garantida a existncia de simultaneidade nas presses interna e externa, ento o equipamento poder ser calculado pela presso diferencial. Em condies normais, tal no ocorre e o equipamento dever ser projetado considerando-se separadamente cada condio.184


No

caso de vasos de presso interna, usual estabelecermos para a presso de projeto o maior dentre os seguintes patamares:

105% da presso mxima de operao (o dispositivo de alvio for operado por vlvula piloto) 110% da presso mxima de operao (demais casos) 1,5 kgf/cm2 manomtrico.

185


Para

vasos submetidos presso externa usual considerar-se a condio de vcuo total, embora isto no seja exigido pelo Cdigo. Esta situao poder prevenir a ocorrncia de condensao de produto em um ambiente confinado, provocando reduo do volume especfico com conseqente gerao de vcuo parcial.186


Colapso em um tampo toroesfrico Cargas impostas - FEAwww.mech.uwa.edu.au

187


Desta

forma, o projetista do equipamento deve conhecer todas as situaes passveis de ocorrncia no equipamento, de forma a prevenir quaisquer situaes anmalas no consideradas no projeto, tais como:despressurizao sbita de gs a alta presso, devida a falha de uma junta de vedao, gerao de vcuo, devida interrupo da fonte quente em uma torre fracionadora, provocando a condensao das fraes gasosas; condio de exploso dentro do vaso, provocada pela vaporizao sbita de um lquido, ou pela ruptura completa de um tubo em um trocador de calor, gerando uma onda de choque devida sbita expanso.

188


Presso mxima de trabalho admissvel (PMTA) e Presso de abertura da Vlvula de Segurana A PMTA de um vaso a menor presso dentre as mximas presses suportadas por cada componente do equipamento. Traduzindo, passo a passo:definimos as espessuras corrodas de cada componente; calculamos a presso mxima de trabalho admissvel para cada componente, considerando-se a sua tenso admissvel tabelada para a condio de temperatura de projeto; a menor dentre as mximas presses admissveis ser a maior presso de trabalho do equipamento.

189


definio, o maior valor possvel para set para incio da abertura da vlvula de segurana ser a PMTA do equipamento. O pargrafo UG-125 (c) do Cdigo ASME cita que um vaso com um nico dispositivo de alvio poder atingir, aps total abertura desta PSV, at 10% ou 3 psig (o maior dentre estes valores) acima da PMTA. Quando vrios dispositivos so utilizados, tal valor pode chegar a 16% ou 4 psig. Por190


Todos

os vasos de presso projetados de acordo com o Cdigo ASME Seo VIII - Div. 1, inclusive as estruturas de suporte, devem ser verificados para as seguintes condies:

191

NTT - VASOS DE PRESSOTENSES DE MEMBRANA ESPESSURAS ADMISSVEIS TRAO (v.nota 7) Tenses admissveis das tabelas da norma para o material do vaso na temperatura ambiente, acrescidas de 20%. A tenso mxima no pode exceder 80% do limite de elasticidade do material na temperatura ambiente. Para partes no pressurizadas, pode ser considerada a tenso admissvel bsica acrescida de 33 1/3%. Espessuras nominais das chapas (v.nota 6).

CONDIO

CARREGAMENTOS

I - MONTAGEM

Considerao simultnea dos seguintes carregamentos ativos: a) peso prprio do vaso (v.nota 1); b) esforos devido ao do vento ou terremoto (v.nota 2).

Considerao simultnea dos seguintes carregamentos atuantes: a) presso interna de teste hidrosttico; II TESTE b) peso do vaso completamente HIDROSTTICO cheio de gua (v.nota 1); c) peso de todas as cargas permanentes suportadas pelo vaso durante o teste (v.nota 3).

Espessuras nominais ou espessuras corrodas (v.nota 6).

192

NTT - VASOS DE PRESSOCONDIO CARREGAMENTOS TENSES DE MEMBRANA ADMISSVEIS TRAO (v.nota 7) ESPESSURAS

Considerao simultnea dos seguintes carregamentos atuantes: a) presso interna ou externa de projeto na temperatura de projeto; III OPERAO b) peso do fluido no nvel de operao; NORMAL (v.nota 5). c) peso prprio do vaso; d) peso de todas as cargas permanentes suportadas pelo vaso (v.nota 4); e) esforos devido ao do vento ou terremoto (v.nota 2). Considerao simultnea dos seguintes carregamentos atuantes: a) peso prprio do vaso; b) peso de todas as cargas permanentes suportadas pelo vaso (v.nota 4); c) esforos devido ao do vento ou terremoto (v.nota 2).

Tenses admissveis das tabelas da norma para o material do vaso na temperatura de projeto, exceto no trecho inferior ao estabelecido para saia de suporte.

Espessuras corrodas, isto , espessuras nominais menos as sobrespessuras de corroso (v.nota 6).

IV - PARADA

Tenses admissveis das tabelas da norma para o material do vaso na temperatura ambiente, acrescidas de 20%.

Espessuras corrodas.

193


Notas: 1. Inclui o casco e acessrios soldados; exclui acessrios externos e internos removveis; 2. Os esforos devidos ao vento no precisam ser considerados para o projeto dos vasos horizontais, devem, entretanto, ser considerados no projeto das suas fundaes e estruturas; 3. Inclui internos removveis; exclui isolamento interno ou externos e acessrios externos; 4. Inclui internos removveis, isolamento interno ou externo, acessrios externos e tubulaes; 5. Em casos especiais, a critrio do projetista, pode ser necessrio considerar na condio III o efeito simultneo de outros carregamentos atuantes, tais como : dilataes trmicas do prprio vaso, dilataes trmicas de tubulaes e outras estruturas ligadas ao vaso, flutuaes de presso, esforos dinmicos causados pelo movimento de fluidos internos e vibraes; 6. Para as partes que sofrem reduo de espessura no processo de fabricao, devem ser consideradas as espessuras mnimas esperadas; 7. A tenso longitudinal de compresso admissvel, para todas as condies de carregamento, para o vaso e para as saias de suporte, deve ser determinada de acordo com o cdigo ASME Section VIII Division 1, pargrafo de valores 194 de tenso mxima admissvel.


Captulo 6

Dimensionamento de Vasos de Presso

195


Uma

casca pode ser definida como um componente estrutural com duas dimenses sensivelmente maiores que uma terceira (espessura), podendo ter uma curvatura em uma ou duas direes. Se no h curvatura este componente estrutural chamado de placa. Os vasos de presso com espessuras bastante inferiores as suas demais dimenses, oferecem pouca resistncia a momentos fletores perpendiculares a sua superfcie e comum, para o seu dimensionamento, que sejam considerados como membranas. As tenses calculadas, desprezando-se as tenses de flexo so denominadas tenses de membrana.

196


Cascas finas (membranas) tentaro equilibrar as foras ou

carregamentos a que esto sujeitas somente por tenses de trao (ou compresso). at desejvel que sejam pouco resistentes s tenses de flexo, pois isto permitir que o vaso de deforme rapidamente sem o surgimento de altas tenses de flexo nas descontinuidades. Tenses de membrana so tenses mdias de trao (ou compresso) atuando ao longo da espessura do vaso e tangencialmente a sua superfcie. Assim as equaes para dimensionamento de componentes de parede fina submetidos presso interna utiliza a teoria de cascas e tenses de membrana.197


sabido que podem ocorrer elevadas tenses nas descontinuidades nos vasos de presso, mas regras de projeto e de fabricao desta diviso foram estabelecidas de modo a limitar tais tenses a um nvel seguro consistente com a experincia adquirida. Em regies de descontinuidade geomtrica existe uma diferena entre a rigidez dos componentes, o

vasos de pressao - ntt parte 1

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