Dimensionamento de tubulações

Parte I

DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS)

Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPSDefinidos pela norma: ANSI B 36.10 - Aços carbono e aços liga, Ø (1/8” a 36”) ANSI B 36.19 - Aço inoxidável, Ø (1/8” a 12”)

Obs. Para o mesmo diâmetro externo (diâmetro nominal) tem-se diferentes opções de parede → Diferentes diâmetros internosA espessura é definida por: série, no , #, ou Schedule (SCH)Schedule number (SCH), “série”, regido pela ANSI B36-10. .

Schadules disponíveis, # 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160.Diâmetros nominais comuns; 1/8”, 1/4”, 3/8”,1/2”, 3/4” , 1”, 1 1/2”, 2”, 3”, 4”, 6”.......26”, 30”e 36”.

Menos comuns: 1 1/4” , 2 1/2” , 3 1/2”, 5”.

Iron Pipe Sise – IPSP = pressão interna psig

S = Tensão admissível em psi.S

P1000 Série =

DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DE PAREDE

Norma ANSI B. 31

cPYSE

DPtm 2

Onde: t m = espessura (mínima) de parede (pol) (mm)

P = Pressão interna de projeto (psi) MPaD = Diâmetro externo (pol) (mm)SE = coeficiente de stress (psi) MPa, Onde : S, Tensão admissível para o material, excluso qualidade de solda e fator de junta. E, fator de qualidade de fundição ou de solda. Eficiência de solda (para tubos sem costura = 1)Y = Coeficiente de redução (varia com o material e a temperatura). Ex. aço carbono até 480º C , Y=0,4c = Soma de sobre-corrosão, erosão,...profundidade de roscas, Obs. 1- Dimensões espessura de rosca ANSI B2.1 2- Se a tolerância não for especificada adotar 0.02” (0,5mm)

Obs, para t ≤ D/4 .................. t = tm - c

Exemplo: Calcular a espessura mínima necessária para um tubo de diâmetro nominal 8” (8,625, Ø externo (tabela) aço carbono s/ costura, Tensão admissível na T proj. = 12350 psi. e P proj. 800psi, T projeto 600º F, com sobrespessura de corrosão c= 0,05”.

05,04,08001*123502

625,8800t

Obs. Ver tensão admissível Perry 6ª ed. Item 23

Aplicando uma tolerância de 12,5 % a 1,125 x 0,322 = 0,362”

Para atender a esta espessura, Tubo # 80 espessura = 0,500” # 60 = 0,406” # 40 = 0,322”

Para ANSI A – 53 B ( S =15500)...... t = 0,268”→ tm = 0,301 “Neste caso, a série # 40 atenderia, pois tem espessura de 0,332”

= 0,322” *ASTM A 53 A (S =12350)

TENSÃO MÁXIMA EM UM TUBO DE ESPESSURA t , SUBMETIDO A UMA PRESSÃO P.

)0125,1(2

225,2125,1

ctE

tcYDPS

E

L

AP

P =empuxo sobre os pontos de fixação (Kg ou T)A = área da seção transversal (cm2)δ = dilatação livre do tubo (cm)L = comprimento do tubo (cm)E = módulo de elasticidade do material (kg/cm2)

Analisando o efeito da força gerada pela dilatação térmica

Temos que:

tensão interna (kg/cm2) P = S. A SAP

eL dilatação unitária (cm/cm)

Logo, a equação acima poderá ser escrita

Ee

S ,ou então

S = e .E

**3,208.............*03,0

2ou

UL

YD

c

a

E

S

UL

YD .302

Obs. Disposição tridimensional é mais flexível que a plana. O efeito de torção é cerca de 30% mais eficiente do que a flexão. Ainda, quanto mais simétrico é o arranjo melhor o traçado. Sistema tridimensional permite maior liberdade de movimento à tubulação.

Fórmula original

Onde: Sa = limite admissível para a resultante das tensões secundárias combinadasEc = módulo de elasticidade na temperatura de trabalhoD = Ø nominal externo * ( pol) **(mm)Y = Somatório das dilatações * (pol) **(mm) L = Comprimento da tubulação * (ft) **(m) U = distância entre os pontos fixos * (ft) **(m)

* sistema inglês

FLEXIBILIZAÇÃO DE UMA TUBULAÇÃO SUJEITA A UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

Fórmula simplificada Teste rápido (ANSI B 31- 10)

** sistema internacional )25,025,1( hca SSfS

Controlando a dilatação térmica

Não utilizar segmento em linha reta entre dois pontos Empregar acessórios deformáveis (juntas de expansão) Quando espaço é reduzido, grande dilatação e tubulação de grande diâmetro Pretensionamento

Adequando um traçado de uma tubulação

Quanto maior o comprimento desenvolvido para a tubulação, em relação aos pontos fixos, melhor a flexibilidade Quanto mais simétrico melhor a distribuição dos esforços Quanto menor a desproporção, entre os seguimentos , idem Sempre que possível adotar arranjo tridimensional

Pressão de Projeto*

Definida na Norma ANSI B-31. *Tensão admissível nas condições extremas de projeto (diferente de operação). Condição simultânea de maior severidade.

Temperatura de projeto Correspondente aquela da pressão de projeto eleita. Ex. duas condições distintas 1ª - 800º F e 300 psi Sh= 6500psi 2ª - 70º F e 900psi Sh= 20000psi

* Escolhe-se a condição mais crítica, na qual a tensão admissível apresenta menor valor. No exemplo colocado, a 1ª condição.

PRESSÃO E TEMPERATURA DE PROJETO

Pressão de choque (golpe de aríete) Situações onde estão sujeitas elevações bruscas de pressão: Parada brusca , partidas de bombas,etc...

Obs. 1) Pressão de choque : A Norma sugere Valor de P = 60 vezes o valor da velocidade em (ft/s). 2) Para tubos ferro fundido)* Valor da pressão =∑ (P máx. operação + P.choque)

Condições transitórias passíveis de causar fadiga, Elevação de pressão,....Parada/partida de bomba: Aríete Vácuo (sucção)Resfriamento de fluido gasoso → vácuoExpansão por elevação da temperaturaCongelamento – Dilatação do fluido x contração/fragilização do metal.

CONSIDERAÇÕES DE PROJETO

Considerações quanto a temperatura de operação

É pratica adotar no projeto uma temperatura um pouco superior aquela temperatura máxima de operação da linha (temperatura do fluido circulante)

Temperatura considerada para tubos, válvulas e acessórios

Se temperatura do fluido for superior a 0° C Tubos não isolados:

Se rosqueados (tubos válvulas e acessórios) 95% da temperatura do fluido

Se flangeados (tubos, válvulas e acessórios flangeados) 90% da temperatura do fluido

Parafusos e porcas dos flanges 80 % da temperatura do fluido

Tubos isolados Isolamento térmico externo Temperatura igual a do fluido Isolamento interno Deduzir perda térmica equivalente através do isolamento

Se a temperatura do fluido for inferior a 0° C Materiais com temperatura igual a temperatura do fluido

Principais esforços mecânicos a que podem estar submetidas tubulações industriais

Pressão interna e externa Peso Tubo, Fluido Acessórios, válvulas, isolamento, Fluidos durante teste hidrostático Peso de outros tubos suportados ou apoiados Plataformas , pessoas, neve , terra (soterrados), veículos,etc.. Ação dinâmica Movimento do fluido, Ventos Impactos de natureza mecânica , golpes de ariete, Vibrações Dilatações térmicas Tubulação, Equipamentos aos tubos conectados, Tensões residuais de montagem da linha, Atrito dos suportes, Esforços de desalinhamentos, etc..

Algumas formas de correção

Instalar de forma adequada os suportes Instalar acessórios sempre que possível próximos aos pontos de sustentação Evitar e minimizar cargas externas Instalar guias e contraventos Colocar patins ou roletes Instalar amortecedores de vibração Flexibilizar de forma adequada a linha

Esforços mais relevantes Pressão Dilatação

Principais formas de tensão presentes em uma tubulação

Tensão longitudinal Conseqüência da pressão, movimento fletor, (pesos, dilatações, equipamentos) e esforço residual de montagem. Tensão circunferencial Conseqüência da pressão, deformação por achatamento resultante de esforços fletores atuantes Tensão radial Tensão de cisalhamento circunferencial Conseqüência de esforços de torção

Tensão primária X Tensão secundária

Primária , esforço externo e internos permanentes................ Valor constante.Secundárias, (cíclicas), dilatações, movimento de equipamentos a custa de dilatação.....................Diminuem devido ao relaxamento espontâneo ao longo do tempo .........acomodação dos esforços

Tensão admissível X fator de segurança

O critério para escolha do fator de segurança depende:Tipo de materialCritério de cálculo : > ou < grau de arbitrariedadeTipos e freqüência de esforçosIncerteza do materialDefeitos de fabricação do material, montagem, etcSegurança

Tensão admissível

Obs. Dados tabelados referem-se a tensões básicas de tração e flexão, para esforços estáticos e permanentes

Condições transitórias de trabalho ou diferentes tipos de esforços

Esforço transitório de cisalhamento e torção Adota-se 80% da tensão admissível básica

Tensões secundárias não permanentes de curta duração, A custa de vento, condições anormais de operação, etc

Ciclo de 10h consecutiva em um total de 110 h/ano Adota-se fator de 1,33% da tensão admissível

Ciclo de 50h consecutiva em um total de 500 h/ano Adota-se fator de 1,20% da tensão admissível

Cada seção da norma adota diferentes critérios na adoção das tensões admissíveis de acordo com a severidade e risco da operação como mostra a tabela a seguir

Apêndice

Critério para a utilização da Tensão admissível para tubos de aço

Seção daANSI

Áreas Tensão admissíveis básicas(o menor dos valores obtidos)

B.31.1 Centrais de vapor Tr/4 Te/6 Tdf 0,8Trf

B.31.2 Tubulações de ar e gases Tr/2,66 ----- ----- -----

B.31.3 Refinarias e Instalações petrolíferas Tr/3 Te/1,6 Tdf 0,8Trf

B.31.4 Oleodutos ----- Te/1,39 ----- -----

B.31.5 Refrigeração Tr/4 Te/1,6 ----- -----

B.31.6 Industrias Químicas Tr/3 Te/1,6 Tdf 0,8Trf

B.31.7 Centrais Nuclares Tr/3 Te Tdf 0,8Trf

B.31.8 Transporte e distribuição de gases ----- Te/1,1 ----- -----

Resumo sobre valores adotados para tensão admissívelde acordo com a severidade das condições operacionais

Obs. Valores básicos são aqueles adotados para esforços de tração, de torção e de flexão, estático e permanentes

Esforços estáticos e permanentes de cisalhamento, Empregar 80% das tensões admissíveis básicas

Situações adversas

Variações ocasionais acima das condições de projeto deverão permanecer dentro dos seguintes limites em relação a pressão de projeto:Sob restrição, é permitido exceder a faixa de pressão ou a tensão admissível para a pressão de projeto na temperatura da referida condição por não mais que:

33% para não mais que 10h em condição contínua e não mais que 100h/ano.

20% para não mais que 50h em condição contínua e não mais que 500h/ano.

Referência

Tubulações Industriais Pedro Carlos da Silva TellesLivros Técnicos e Científicos Editor S.A.4ª Edição - 1976