projeto de uma bancada hidrÁulica para...
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PROJETO DE UMA BANCADA HIDRÁULICA PARA
TREINAMENTO DE OPERADORES DE OLEODUTOS
LUCAS BARROS GONÇALVES
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Mecânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro
Orientador: Prof. Reinaldo de Falco, M.Sc.
Rio de Janeiro
Março de 2018
iii
Gonçalves, Lucas Barros
Projeto de uma Bancada Hidráulica para Treinamento de
Operadores de Oleodutos/ Lucas Barros Gonçalves. – Rio
de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2018.
XIII, 55 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Reinaldo de Falco
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 54-55
1. Projeto Hidráulico. 2. Simulação Hidráulica. 3.
Transiente Hidráulico. I. De Falco, Reinaldo. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Mecânica. III. Título.
iv
Agradecimentos
À minha família, Tadeu, Gloria e Felippe, com quem desde cedo aprendi o
valor do estudo.
À minha namorada Hegly, por todo o apoio durante a graduação e a
execução deste trabalho.
Aos meus amigos, pelo companheirismo.
À UFRJ que proporcionou grandes oportunidades.
À toda equipe do SIMDUT (Núcleo de Simulação Termo-hidráulica da PUC-
Rio), pelo incentivo e suporte técnico.
Ao meu orientador Reinaldo de Falco, pela orientação e os conhecimentos
transmitidos.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro
Mecânico.
PROJETO DE UMA BANCADA HIDRÁRULICA PARA
TREINAMENTO DE OPERADORES DE OLEODUTOS
Lucas Barros Gonçalves
Março/2018
Orientador: Prof. Reinaldo de Falco, M.Sc.
Curso: Engenharia Mecânica
Com a operação de oleodutos de forma remota e centralizadamente, o
treinamento da mão de obra especializada dos operadores de oleoduto passa por
várias etapas. Observando a validade do treinamento prático e da criação de
novas instalações que forneçam a estrutura necessárias para esses cursos
práticos, o presente trabalho desenvolve o projeto de uma bancada hidráulica
objetivando oferecer a estrutura necessária para o desenvolvimento de cursos
práticos com a visualização de operações e fenômenos comuns ao dia a dia de
trabalho desses profissionais. Esta bancada também servirá como estrutura
básica para a montagem de experimentos clássicos de Mecânica dos Fluidos para
ser utilizada em cursos de graduação em engenharia mecânica e civil.
Palavras-chave: Bomba, Bancada Hidráulica, Treinamento de Operadores de Oleoduto, Simulação Hidráulica, Transiente Hidráulico.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment
of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
DESIGN OF A HYDRAULIC BENCH TO
OIL PIPELINE OPERATOR TRAINING
Lucas Barros Gonçalves
March/2018
Advisor: Reinaldo de Falco, M.Sc.
Course: Mechanical Engineering
With the remote and centralized oil pipeline operation, the training of the
specialized workforce of the oil pipeline operators goes through several steps.
Noting the validity of practical training and the creation of new facilities that
provides the necessary structure to these practical courses, the present work
develops the design of a hydraulic bench aiming to provide the necessary structure
to the development of these practical courses with the visualization of the common
operations and physical phenomena faced on the field. This hydraulic bench will
also serve as base to the assembly of classic fluid mechanics experiments to be
used in graduations courses of mechanical and civil engineering.
Keywords: Pump, Oil Pipeline Operator Training, Hydraulic Bench, Hydraulic Simulation; Hydraulic Transient.
vii
Sumário
1 Introdução 1
2 Revisão Bibliográfica 3
3 Objetivo e Estrutura do Trabalho 6
4 Projeto Conceitual da Bancada 7
4.1 Premissas 7
Limitações do Projeto 7
Considerações Iniciais 7
Seleção de Experimentos 8
4.2 Descrição da Bancada 14
5 Projeto Mecânico dos Tubos 23
5.1 Tubos de Acrílico 23
5.2 Tubos de PVC 23
6 Projeto Hidráulico 25
6.1 Curva de Head do Sistema 25
6.2 Seleção da Bomba 29
6.3 Simulações Hidráulicas de Cenários Operacionais 32
Premissas das Simulações 33
Modelagem dos Elementos da Bancada 34
Cenários Operacionais Normais 36
Cenários Operacionais Incidentais 38
Pressões Máximas do Sistema 43
Ajuste da Pressão de Ajuste da Válvula de Alívio 45
7 Especificação dos Elementos da Bancada 48
7.1 Conexões de Tubos 48
7.2 Válvulas de Bloqueio Manuais 48
7.3 Válvulas de Bloqueio Motorizadas 49
7.4 Válvulas de Controle 49
viii
7.5 Válvulas de Retenção 50
7.6 Inversores de Frequência 50
7.7 Levantamento dos Componentes Necessários para Construção da Bancada 51
8 Conclusões 53
9 Referências Bibliográficas 54
10 Anexos 56
10.1 Catálogo da Tigre de Tubulação de Água Fria 56
10.2 Catálogo das Bombas Dancor CAM-W16 62
10.3 Catálogo das Bombas Dancor CHS-17 64
10.4 Catálogo das Bombas Dancor HAD-W7C 66
10.5 Catálogo das Válvulas de Bloqueio Manuais 68
10.6 Catálogo das Válvulas de Bloqueio Motorizadas 69
10.7 Catálogo das Válvulas de Controle 72
10.8 Catálogo das Válvulas de Retenção 73
10.9 Catálogo dos Inversores de Frequência 74
ix
Lista de Figuras
Figura 1 – Oferta interna de energia por fonte primária de energia (Fonte: [1]) .... 1
Figura 2 – Consumo final de energia por fonte (Fonte: [1]) ................................... 1
Figura 3 – Centro Nacional de Controle Logístico (CNCL) (Fonte: http://www.transpetro.com.br/pt_br/imprensa/noticias/cnco-monitora-dutos-operados-pela-transpetro.html) ............................................................................. 2
Figura 4 – Laboratório de Operações Unitárias Oswaldo Bonfanti (Fonte: [4]) ..... 4
Figura 5 – Centro de Tecnologia em Dutos (CTDUT) (Fonte: [5]) ......................... 4
Figura 6 – Modelo comercial de um pig de limpeza (Fonte: [6]) ............................ 9
Figura 7 – Canhão de lançamento e/ou recebimento de pig (Fonte: [6]) ............ 10
Figura 8 – Desenho esquemático de uma válvula de alívio de pressão do tipo mola (Fonte: [7]) ........................................................................................................... 11
Figura 9 – Válvula de alívio de pressão do tipo mola em acrílico (Fonte: [8]) ..... 12
Figura 10 – Coeficiente de descarga em função da abertura da válvula de alívio de acrílico ............................................................................................................ 13
Figura 11 – Visão geral da bancada hidráulica ................................................... 15
Figura 12 – Fluxograma da bancada hidráulica .................................................. 16
Figura 13 – Trecho principal da bancada ............................................................ 17
Figura 14 – Representação das válvulas do sistema de lançamento e recebimento de pig ................................................................................................................... 17
Figura 15 – Posicionamento da válvula de alívio na bancada ............................. 19
Figura 16 – Trecho vertical da bancada .............................................................. 19
Figura 17 – Trecho móvel da bancada ................................................................ 20
Figura 18 – Parque das bombas da bancada ...................................................... 21
Figura 19 – Tanque de água na bancada ............................................................ 26
Figura 20 – Ábaco de Moody (Fonte: [9]) ............................................................ 28
Figura 21 – Curva de head do sistema ................................................................ 29
Figura 22 – Curva de head das bombas comparadas ......................................... 30
Figura 23 – Pressões para os cenários operacionais normais ............................ 37
x
Figura 24 – Vazões de regime permanente ........................................................ 38
Figura 25 – Pressões para o fechamento da válvula de controle de recebimento em 1 s .................................................................................................................. 39
Figura 26 – Pressões para o fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento em 0.1 s .......................................................................................... 40
Figura 27 – Pressões para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento com uma bomba operando sozinha .............................. 41
Figura 28 – Pressões para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento com arranjo de bombas em paralelo ............................ 41
Figura 29 – Pressões para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento com arranjo de bombas em série ................................. 42
Figura 30 – Composição da pressão máxima de operação ................................ 44
Figura 31 –Pressões máximas ao longo da bancada .......................................... 44
Figura 32 – Influência da válvula de alívio nas pressões máxima no fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento .................................................. 47
xi
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Comprimentos de duto reto da bancada ........................................... 26
Tabela 2 – Comprimentos equivalentes dos acessórios da bancada ................. 27
Tabela 3 – Cálculo da curva de head do sistema ............................................... 28
Tabela 4 – Cálculo do NPSH disponível das bombas comparadas .................... 31
Tabela 5 – Dados das bombas comparadas ....................................................... 32
Tabela 6 – Coeficiente de vazão calculado das válvulas .................................... 36
Tabela 7 – Pressões na entrada da válvula de alívio de pressão de acrílico nos cenários operacionais normais ............................................................................ 45
Tabela 8 – Pressões na entrada da válvula de alívio de pressão de acrílico para o fechamento da válvula de bloqueio do scraper de recebimento em 10 segundos46
Tabela 9 – Lista de componentes necessários para construção da bancada ..... 51
xii
Lista de Símbolos
- Área interna do tubo
- Velocidade de propagação da onda sonora na tubulação
– Coeficiente de descarga
– Coeficiente de vazão
– Diâmetro interno do tubo
– Diâmetro do orifício de entrada da válvula de alívio de pressão
– Diâmetro externo do tubo
– Coeficiente de atrito
– Fator de segurança
- Aceleração da gravidade
– Altura manométrica total
– Altura manométrica da sucção
– Perda de carga total
– Perda carga na linha de descarga
– Perda carga na linha de sucção
– Comprimento
– Carga positiva líquida de sucção disponível
– Carga positiva líquida de sucção requerido
– Pressão interna
– Pressão atmosférica
– Pressão manométrica de descarga
– Pressão manométrica de sucção
– Pressão de vapor do líquido
– Vazão volumétrica
– Número de Reynolds
xiii
– Resistência máxima à tração
- Densidade
– Espessura
– Velocidade
– Altura estática da descarga
– Altura estática da sucção
∆ – Tempo de travessia da onda no duto
µ - Viscosidade dinâmica do fluido
- Eficiência
– Massa específica do fluido
– Peso específico do fluido
1
1 Introdução
Sendo a energia um dos pilares que sustentam a economia de um país,
entende-se a importância do petróleo para o Brasil e para o mundo pela larga
parcela da energia consumida para ambos advinda deste produto.
A Empresa de Pesquisa Energética (EPE) anualmente disponibiliza o
Balanço Energético Nacional contendo dados da oferta e consumo de energia no
Brasil. Segundo o Balanço Energético Nacional 2017 [1] produzido com dados
referentes ao ano de 2016, brevemente ilustrado na Figura 1 e na Figura 2, apenas
o petróleo é responsável por 36,5% da oferta interna de energia. Além do mais,
tem-se o etanol produzindo 5,6% do consumo final de energia.
Figura 1 – Oferta interna de energia por fonte primária de energia (Fonte: [1])
Figura 2 – Consumo final de energia por fonte (Fonte: [1])
2
Para que o petróleo e seus derivados e também o etanol possam ser levados
de suas áreas de produção para o consumidor, passando pelo refino no caso do
petróleo, a Petrobras Transporte S.A. – Transpetro [2] conta com 7.719 km de
oleodutos que transportam 603,3 milhões de m³ de petróleo, derivados e etanol
por ano.
No Centro Nacional de Controle Logístico (CNCL), a Transpetro, remota e
centralizadamente, faz o monitoramento e controle de toda essa extensão de
oleodutos sobre sua responsabilidade. Essa operação centralizada visa aumentar
a eficiência e segurança do processo. Assim, os técnicos de operação controlam
a malha de dutos com operações como o ligamento e desligamento de bombas e
abertura e fechamento válvulas.
Figura 3 – Centro Nacional de Controle Logístico (CNCL) (Fonte: http://www.transpetro.com.br/pt_br/imprensa/noticias/cnco-monitora-dutos-
operados-pela-transpetro.html)
O treinamento dessa mão de obra especializada de operadores de
oleodutos atualmente é feito em simuladores, no campo e com a vivência no
trabalho. Porém, poucas instituições oferecem treinamentos práticos voltados
para a operação de oleodutos.
Nesse contexto, surge o interesse na criação de uma estrutura para o
treinamento prático dos técnicos de operação de oleodutos em novas instituições,
sobretudo no Rio de Janeiro, onde localiza-se o CNCL.
3
2 Revisão Bibliográfica
Objetivando entender mais sobre o escoamento de fluidos, atualmente é
comum o desenvolvimento das mais diversas bancadas hidráulicas para
realização de experimentos. Tal prática já é desenvolvida desde o começo século
XVIII, quando se intensificaram os estudos da hidrodinâmica e grandes nomes da
física usaram os avanços da matemática para descrever as percepções e
resultados experimentais dos fenômenos de escoamento de fluidos.
QUINNEY [3] aponta que, no começo do século XVIII, Bernoulli (1700-1782)
e Euler (1707-1783) procuravam entender mais sobre a relação entre o fluxo
sanguíneo e sua pressão. Para investigar essa relação, Bernoulli desenvolveu um
experimento no qual, em um furo na parede de tubo, foi inserido um canal com
final aberto. Assim, ele notou que a altura que o líquido se elevava no canal variava
com a pressão do fluido no tubo.
Prosseguindo com o desenvolvimento de experimentos, Venturi (1746-
1822) criou um dispositivo, o tubo de venturi, para medir a queda de pressão que
ocorria com o aumento da velocidade, por meio da medição da pressão em três
pontos: na entrada, na área de restrição e na saída. Enquanto Prandtl (1875-
1953), conduzindo experimentos de escoamentos de líquidos, notou a existência
da camada limite.
Seguido esse procedimento, inúmeros autores projetaram circuitos
hidráulicos para apoiar ou desenvolver suas pesquisas na área de Mecânica dos
Fluidos. Porém, há pouca referência na literatura sobre estruturas experimentais
voltadas para o treinamento de operadores de oleodutos. Então, são
apresentadas algumas das instituições que possuem uma estrutura voltada ou
compatível com essa finalidade no Brasil.
O Laboratório de Operações Unitárias Oswaldo Bonfanti [4] da Universidade
de Santa Cecíla – Unisanta, localizado na cidade de Santos em São Paulo, possui
mais de 60 unidades didáticas reproduzindo unidades industriais com a grande
maioria construídas em acrílico para permitir a visualização do experimento. As
unidades atendem a diversas áreas de engenharia bem como a operação de
4
oleoduto, tanto que, nesse laboratório são ministrados cursos de aperfeiçoamento
profissional para engenheiros e técnicos da Transpetro.
Figura 4 – Laboratório de Operações Unitárias Oswaldo Bonfanti (Fonte: [4])
O Centro de Tecnologia em Dutos (CTDUT) [5], localizado na cidade de
Duque de Caxias no Rio de Janeiro, é um centro tecnológico destinado à área de
dutos e terminais inaugurado em uma parceria entre Petrobras, Transpetro e
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ). O CTDUT conta com
instalações em tamanho real voltadas para pesquisa, testes, treinamento e
certificação de profissionais.
Figura 5 – Centro de Tecnologia em Dutos (CTDUT) (Fonte: [5])
Por fim, ressalta-se que existem empresas no mercado, como a ALGETEC
e a TecQuipment, que comercializam bancadas hidráulicas didáticas para
diversos experimentos. Entretanto, a opção de comprar uma bancada hidráulica
restringe o comprador à sua finalidade, tendo em vista os limites de projeto e de
operação.
5
Assim, verifica-se a importância do treinamento prático de operações de
oleodutos através do uso de bancadas hidráulicas que permitam a visualização e
fenômenos encontrados no dia a dia do trabalho. A criação dessas instalações no
Rio de Janeiro é pertinente tendo em vista que é a cidade onde se localiza o CNCL
e onde outras etapas do treinamento de seus profissionais já é feita, como o
treinamento em simuladores computacionais, bem como é próximo das
instalações em tamanho real do CTDUT. Além disso, ao construir essa bancada
numa universidade, será possível utilizá-la em experimentos clássicos de
Mecânica dos Fluidos em apoio às aulas nos cursos de graduação em engenharia.
6
3 Objetivo e Estrutura do Trabalho
Este trabalho tem como objetivo desenvolver o projeto hidráulico de uma
bancada hidráulica com a principal finalidade de produzir a estrutura necessária
para receber variados experimentos voltados para o treinamento prático de
operadores de oleodutos, permitindo a visualização da operação e fenômenos
estudados conforme os operadores interagem com a bancada.
A concepção deste projeto também visa atender à fins acadêmicos, de modo
a complementar cursos de graduação e pós-graduação, com a execução de
experimentos que possibilitem a reprodução e visualização de conceitos vistos em
sala de aula.
Ressalta-se que todo o projeto da bancada prioriza a segurança durante a
operação. Além disso, o projeto foi idealizado para ser construído em uma sala do
Núcleo de Simulação Termo-hidráulica de Dutos (SIMDUT) na universidade
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ). Com isso, algumas
limitações ao projeto são geradas, como por exemplo a altura da sala.
Baseando-se nos objetivos estabelecidos nesse capítulo, o capítulo 4
apresenta o projeto conceitual da bancada hidráulica a partir das premissas e
limitações atreladas ao projeto.
Então, no capítulo 5 é feito o projeto mecânico dos tubos da bancada,
apresentando as pressões de projeto dos tubos selecionados. Enquanto, no
capítulo 6 é apresentado o projeto hidráulico, começando pelo levantamento da
curva de head do sistema feito no projeto conceitual da bancada. Em seguida, é
feita a seleção das bombas usadas no circuito hidráulico e por fim, são conduzidas
simulações computacionais visando estabelecer as pressões máximas de
operação do sistema e a pressão de ajuste da válvula de alívio de acrílico.
No capítulo 7 são selecionados componentes a serem instalados na
bancada, tendo em mente as pressões máximas de operação obtidas no capítulo
6.
Por fim, no capítulo 8 são apresentadas as conclusões do trabalho e o
capitulo 9 reúne as referências bibliográficas utilizadas.
7
4 Projeto Conceitual da Bancada
4.1 Premissas
Como primeiro passo do projeto conceitual da bancada, fez-se o
levantamento das premissas que o governam. Primeiro, são apresentadas as
limitações impostas ao projeto e então são feitas considerações iniciais dentro das
quais o projeto é desenvolvido. Com base nessas informações, são selecionados
os experimentos para os quais a bancada está sendo concebida para realizar.
Limitações do Projeto
Conforme dito no capítulo 3, a bancada será instalada em uma sala do
Núcleo de Simulação Termo-hidráulica de Dutos (SIMDUT) na universidade
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ). Com isso, algumas
limitações são geradas. Primeiramente, essa sala possui uma altura de
aproximadamente 3,5 metros, o que vem a limitar a vaporização por diferença de
cota para muitos fluidos, bem como a água.
Além do mais, as tomadas instaladas nessa sala são monofásicas com
voltagem tanto de 127 V quanto de 220 V e especificadas para trabalhar com
corrente elétricas de até 20 A, limitando a potência dos aparelhos elétrico-
eletrônicos.
Por fim, para a operação com produtos diferente da água, deve-se pensar
em todas as questões de segurança, tanto na operação, quanto no
armazenamento.
Considerações Iniciais
Primeiramente, a bancada é projetada para trabalhar como um circuito
aberto. Contudo, os tanques de envio e recebimento serão os mesmos de modo
a não ter problemas para obtenção de uma alimentação contínua do fluido de
trabalho e nem de onde dispensá-lo.
8
Os fluidos de trabalho serão a água e o ar, onde a água é o fluido de trabalho
principal, com o tanque de envio sendo preenchido apenas de água, havendo a
possibilidade de se inserir o ar no meio do circuito hidráulico quando desejado.
Para as propriedades da água usadas durante o projeto, na temperatura e
pressão de referência de 20 °C e 1,033 kgf/cm2, são usados os valores de massa
específica igual a 1000 kg/m3, a viscosidade dinâmica igual a 0,001 Pa.s e pressão
de vapor igual a 2,34 kPa.
O material da tubulação onde deseja-se possibilitar a visualização do
escoamento para algum experimento será de acrílico. Enquanto nos segmentos
onde não é necessária a visualização do interior, serão usados tubos pvc, tendo
em vista o custo, o peso, a facilidade de montagem e a ampla disponibilidade de
conexões no mercado.
O diâmetro principal da tubulação será de 2”, visando possibilitar uma boa
visualização do escoamento interno, somado ao fato de ser uma dimensão padrão
para componentes hidráulicos, no qual fabricantes tendem a fornecer seus
produtos.
Por fim, a velocidade de trabalho base do sistema para a seleção de uma
bomba é definida pela velocidade requerida para o experimento da operação de
passagem de pig, que será apresentado no seguinte tópico, a qual deve estar
entre 1,5 e 2 m/s.
Seleção de Experimentos
Com base nas limitações e nas considerações iniciais deste projeto, é feita
a especificação dos principais experimentos para os quais a bancada hidráulica
será concebida.
4.1.3.1 Operação de Passagem de Pig
Pig são dispositivos que se movem no interior da tubulação, normalmente
impulsionados pelo fluxo com a finalidade de executar uma tarefa, como por
exemplo limpeza ou inspeção da integridade dos dutos. Algumas das tarefas que
um pig realiza são:
Limpeza interna do duto, aumentando assim a eficiência do
transporte;
9
Inspecionar o tubo internamente, procurando perda de espessura da
parede (causada por corrosão interna ou externa);
Remover água após a realização de um teste hidrostático;
Separar dois produtos sendo transportados em um duto.
A Figura 6 mostra um modelo comercial de pig de limpeza equipado com
tiras de abrasivas para remoção de depósitos mais duros.
Figura 6 – Modelo comercial de um pig de limpeza (Fonte: [6])
A passagem do pig em uma tubulação caracteriza-se pela inserção do pig
no lançador de pig (também conhecido como canhão ou scraper de lançamento
de pig). Então se direciona o fluxo do duto para que passe também pelo canhão
de lançamento, de modo que o pig seja impulsionado para dentro do duto.
Após o pig percorrer o tubo, ele encontra o recebedor de pig. O fluxo é
direcionado para passar também pelo canhão de recebimento de modo que o pig
é empurrado em sua direção, então o fluxo pode ser redirecionado para seu
caminho normal. Por fim, o canhão de recebimento deve ser despressurizado e
drenado, para que a retirada do pig pode ser feita.
A bancada deverá possui um circuito adequado para a instalação dos
canhões de lançamento e recebimento de pig e para a operação de passagem do
pig.
A Figura 7 apresenta um canhão de lançamento e recebimento comercial,
onde é possível ao centro a câmara de lançamento ou recebimento, na parte de
trás o tampão que permite o acesso ao interior da câmara. Na parte superior os
suspiros, usado para tirar ar de dentro da câmara, enquanto, na parte inferior o
dreno. Na lateral localizam-se as linhas by-pass, que quando abertas, liberam o
10
escoamento para passar pelo scraper e movimentam o pig para dentro ou para
fora da câmara. Por fim, na parte da frente tem-se a conexão com o duto.
Figura 7 – Canhão de lançamento e/ou recebimento de pig (Fonte: [6])
4.1.3.2 Operações com Válvula de Alívio de Pressão do Tipo Mola
Válvulas de alívio de pressão (PRV, do inglês, Pressure Relif Valves) são
dispositivos de segurança, projetados para trabalhar normalmente com fluidos
incompressíveis, que buscam a manutenção da pressão interna no sistema dentro
de níveis pré-estabelecidos. As válvulas de alívio de pressão do tipo mola são
dispositivos passivos que tem sua abertura e fechamento determinados pelo
balanço de forças entre a mola da válvula no sentido de fechamento e da pressão
interna do sistema no sentido de abertura.
A Figura 8 mostra o desenho esquemático de uma válvula de alívio de
pressão do tipo mola.
11
Figura 8 – Desenho esquemático de uma válvula de alívio de pressão do tipo mola (Fonte: [7])
Existe disponível no Núcleo de Simulação Termo-hidráulica de Dutos da
PUC-Rio uma válvula de alívio de pressão do tipo mola feita de acrílico. Procura-
se possibilitar a visualização da abertura dessa válvula de alívio conforme a
pressão de operação é elevada a níveis acima do estabelecido por causa
operação incidental do fechamento de uma válvula de bloqueio.
A válvula de acrílico é um modelo reduzido estudada por PÉREZ [8] em sua
dissertação de mestrado, o qual, por meio de medições experimentais, faz uma
comparação do coeficiente de descarga dessa válvula de alívio sob condições de
regime permanente e transiente rápido específicos.
Ressalta-se que essa válvula de alívio tem como finalidade apenas a
visualização da operação e estudo do comportamento de uma PRV, de modo que
ela não terá nenhuma função relacionada com a proteção do sistema contra o
aumento da pressão de operação acima de níveis suportados pelo sistema.
A Figura 9 apresenta a válvula de alívio de pressão fabricada em acrílico
que a ser instalada na bancada.
12
Figura 9 – Válvula de alívio de pressão do tipo mola em acrílico (Fonte: [8])
Dessa da forma, da dissertação de PÉREZ [8], foram retiradas as
informações dessa válvula de alívio, para que pudesse ser definido a pressão
alívio para as finalidades expostas acima. Foram obtidas informações geométricas
do dispositivo como o diâmetro do orifício de entrada ( ) igual à 9 mm, além do
diâmetro interno da passagem horizontal do escoamento principal e da descarga
iguais à 25 mm.
Também foi obtido o coeficiente de descarga ( ) em função da fração de
abertura, dado pela razão da abertura e o diâmetro do orifício de entrada. No caso,
foi utilizado a curva do coeficiente de descarga obtido para regime permanente
por PÉREZ [8], tendo em vista que o regime transiente usado por ele não é o
mesmo dos que podem ser desenvolvidos na bancada de teste. Assim, opta-se
pela tradicional descrição do comportamento da PRV baseado na análise em
regime permanente para diversas frações de abertura.
A curva do coeficiente de descarga ( ) em função da fração de abertura
pode ser vista na Figura 10.
13
Figura 10 – Coeficiente de descarga em função da abertura da válvula de alívio de acrílico
4.1.3.3 Demonstração de Padrões de Escoamentos Bifásicos
Quando uma fase líquida e uma fase gasosa, não necessariamente do
mesmo fluido, escoam juntas, obtemos um escoamento bifásico, onde a forma
que as fases se distribuem espacialmente no escoamento é chamado de padrão
do escoamento. Esses padrões dependem de variáveis operacionais e das
propriedades dos fluidos envolvidos.
Conforme dito no tópico 4.1.1, a altura da sala de aproximadamente 3,5
metros limita a vaporização por diferença de cota para muitos fluidos, bem como
a água, o fluido de trabalho da bancada. Tal limitação poderá ser contornado com
a instalação na bancada de uma compressor de ar que insira ar no circuito
hidráulico.
Assim, o projeto da bancada deve possibilitar a visualização dos padrões de
escoamento bifásico como, por exemplo, o escoamento com bolhas e o
escoamento com golfadas, bem como a visualização da mudança do padrão com
a inclinação de trechos da bancada.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Coe
fici
ente
de
Des
carg
a (C
d)
Vazão (m3/h)
14
4.1.3.4 Caraterísticas da Operação de Bombas Centrífugas
Bombas são máquinas hidráulicas que conferem energia ao líquido com a
finalidade de transportá-lo de um ponto para outro obedecendo às condições do
processo. Elas recebem energia de uma fonte motora e cedem parte dessa
energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética ou ambas. Isto é, elas
aumentam a pressão do líquido, a velocidade ou ambas. As bombas centrífugas
são aquelas em que a energia cedida ao fluido é primordialmente do tipo cinética,
seja por origem centrífuga, quanto de arrasto ou ambas, sendo posteriormente
convertida em grande parte em energia de pressão [9].
A bancada deve possibilitar a instalação da instrumentação necessária para
o levantamento das curvas características de uma bomba centrífuga (head,
potência e eficiência), bem como, efetuar a alteração da curva da bomba com a
rotação. Por fim, deve ser possível a execução de operações com a associação
das bombas em paralelo e em série e a operação com recirculação.
4.1.3.5 Cálculo da Perda de Carga em Componentes Hidráulicos
A energia cedida a um sistema hidráulico pela bomba é dissipada ao longo
do circuito. A dissipação de energia pode ocorrer tanto continuamente pelo atrito
viscoso quanto de forma localizada ao forçar o escoamento por mudanças súbitas
de área ou sentido. As perdas localizadas são encontradas nos diversos
componentes do sistema, como por exemplo curvas, tês e válvulas.
Essa energia dissipada pode ser mensurada pela perda de pressão, assim
como pela perda de carga, sendo a representação da energia perdida dividida
pelo peso do fluido no escoamento.
Assim, a bancada deve possibilitar a instalação da instrumentação
necessária para a medição da perda de carga nos diversos componentes
hidráulicos presentes, bem como permitir a instalação de novos componentes
para a medição da perda de carga.
4.2 Descrição da Bancada
Tendo em mente toda a informação levantada nesse capítulo, sobre as
limitações e considerações iniciais do projeto, dos experimentos a serem
realizados e dos equipamentos que serão instalados na bancada, foi desenvolvido
o projeto conceitual da bancada hidráulica. A Figura 11 apresenta uma visão geral
15
desse projeto conceitual da bancada, enquanto a Figura 12 apresenta um
fluxograma da mesma.
Figura 11 – Visão geral da bancada hidráulica
16
Figura 12 – Fluxograma da bancada hidráulica
Para a operação de passagem de pig (tópico 4.1.3.1), será usada a parte da
bancada chamada de trecho principal da bancada, o qual pode ser visto na Figura
13. Para que seja possível que o pig percorra todo o caminho do lançador ao
recebedor de pig, dois cuidados são tomados. Primeiro, todas as válvulas de
bloqueio usadas nesse trecho serão de passagem plena quando abertas, como
as válvulas esfera e gaveta. Segundo, todas as curvas possuirão o raio de
curvatura igual ou maior a duas vezes o diâmetro da tubulação. Além do mais,
todos os tubos desse trecho serão de acrílico para possibilitar a visualização da
operação.
17
Figura 13 – Trecho principal da bancada
O trecho principal conta com um tubo de 6 metros posicionado na horizontal
que vai da linha de alimentação até o trecho móvel (Figura 17) com 2 tubo de 1
metros e um tubo curvo com raio de curvatura também de 1 metro. Após o trecho
móvel, há outro trecho horizontal, com dois tubos de 2,5 metros e um tubo de
aproximadamente 0,7 metros, que leva até a linha de descarga.
Figura 14 – Representação das válvulas do sistema de lançamento e recebimento de pig
BV_SCRAPER_RECEB_2
1 m
1 m
18
Para que seja possível realizar a operação da passagem de pig, a bancada
contará com 3 válvulas de bloqueio instaladas em cada scraper, as válvulas
BV_SCRAPER_LANC_1, 2 e 3 e as BV_SCRAPER_RECEB_1, 2 e 3. De modo
que essas válvulas de bloqueio podem ser manuais ou motorizadas, a decisão
dependerá das pressões máximas internas alcançadas devido ao fechamento
incidental dessas válvulas. Esse cálculo será realizado no capítulo do Projeto
Hidráulico.
Essas válvulas de bloqueio dos scrapers tem a função de redirecionar o fluxo
normal do circuito hidráulico para passar pelas válvulas de lançamento e
recebimento, com o fechamento das válvulas BV_SCRAPER_LANC_2 e
BV_SCRAPER_RECEB_2 e a abertura das outras 4 válvulas, assim movendo o
pig.
Ressalta-se que neste trabalho não será desenvolvido o projeto mecânico
dos canhões de lançamento e recebimento de pigs (scrapers), para o qual um
projeto específico deverá ser desenvolvido.
Para as operações com a válvula de alívio do tipo mola fabricada em acrílico
(tópico 4.1.3.2), foi inserida no final do trecho principal uma ramificação para a
linha de alívio. Essa linha de alívio terá o diâmetro interno igual a 25 mm, conforme
o diâmetro a montante e a jusante da PRV usada. A Figura 15 apresenta uma
visualização da válvula de alívio instalada no circuito hidráulico.
Tendo em vista que a passagem da válvula de alívio usada é de 25 mm e a
bancada conta com uma tubulação de 2 polegadas, ao invés de posicionar a PRV
diretamente na tubulação, essa foi colocada em uma ramificação com sua saída
do escoamento principal fechada com um tampão, conforme pode ser visto na
Figura 15.
19
Figura 15 – Posicionamento da válvula de alívio na bancada
Para o experimento da demonstração dos padrões de escoamentos
bifásicos (tópico 4.1.3.3), também será usado o trecho principal, o qual será feito
todo em acrílico e possibilita a visualização do interior dos dutos. Para aumentar
a possibilidade de visualização de diversos padrões, foi inserido um trecho vertical
fixo com aproximadamente 1,5 metros de altura. Esse trecho é apresentado na
Figura 16, onde é possível ver que foram posicionadas válvulas de bloqueio para
que pudesse ser escolhido se o fluxo correrá pelo trecho principal ou se desviará
pelo trecho vertical.
Figura 16 – Trecho vertical da bancada
BV_SAIDA_PRV
BV_ENT_PRV
BV_TRECHO_VERT_4
BV_TRECHO_VERT_3
BV_TRECHO_VERT_1
BV_TRECHO_VERT_2
20
Além do trecho vertical, foi inserido como parte do trecho principal um trecho
com inclinação variável (móvel), Figura 17, para que possa ser observado a
mudança do padrão do escoamento bifásico com a inclinação.
Figura 17 – Trecho móvel da bancada
Para possibilitar todos os experimentos previstos relacionados à operação
de bombas centrífugas (tópico 4.1.3.4), são usadas duas bombas centrífugas
iguais no circuito, sendo que para efetuar a alteração da curva da bomba com a
rotação, cada bomba contará com um inversor de frequência.
Como pode ser visto na Figura 18, as bombas possuem tubulações e válvula
de bloqueio que permitem direcionamento do fluxo para a execução do arranjo de
bomba em paralelo, em série ou mesmo operar apenas uma das bombas. Além
do mais, cada bomba possui uma linha de recirculação.
Após cada bomba, há em ordem: uma válvula de retenção, para proteção
da bomba, uma válvula de bloqueio e uma válvula de controle.
BV_TRECHO_EXP_3
BV_TRECHO_EXP_4
21
Figura 18 – Parque das bombas da bancada
Por fim, para os experimentos de cálculo de perda de carga em
componentes hidráulicos (tópico 4.1.3.5), a bancada naturalmente já possui
diversos elementos em que, com a correta instalação da instrumentação, poderão
ser feitos os experimentos, como por exemplo, trecho de tubo reto, curvas, tês,
válvula de bloqueio e de controle.
Entretanto, pensou-se em possibilitar a medição em outros componentes
bem como a realização de experimentos diferente dos planejados aqui, para o
qual a circuito já terá a estrutura para executar. Então, a bancada contará com um
trecho experimental, onde será possível instalar novos módulos na bancada para
que novos experimentos sejam realizados.
Para isso, o trecho experimental tem sua entrada no início do trecho principal
e saída antes do início do trecho móvel, onde em ambas o diâmetro da tubulação
é de 2 polegadas. O trecho experimental pode ser visualizado Figura 11, tendo
dele instalado um tubo reto de 1 polegada. Enquanto, na Figura 13, é visto a
localização da sua entrada e saída em relação ao trecho principal, não tendo
nenhum aparato experimental instalado no trecho.
A inclusão desse trecho é favorecida pelo fato de que a bancada conta com
duas bombas que podem operar tanto em paralelo, quanto em série, sendo
controladas por inversores de frequência, além de que na descarga de ambas,
bem como antes do tanque na linha descarga, são instaladas válvulas de controle.
BV_TQ_ENV BV_SUC_B1
BV_SUC_B2
BV_RECIRC_B1
BV_RECIRC_B2
CV_B2
CV_B1
BV_BOMBAS
BV_DIS_B2
BV_DIS_B1
PCV_B1
PCV_B2
22
Assim, a bancada conta com uma boa amplitude de vazões e pressões em que
pode trabalhar, podendo atentar a uma maior gama de experimentos.
23
5 Projeto Mecânico dos Tubos
Este capítulo é dedicado ao cálculo das pressões de projeto dos tubos
selecionados para serem usados na bancada pelo projeto conceitual do capítulo
4.
5.1 Tubos de Acrílico
No projeto da bancada, os tubos de acrílico são empregados nos trechos
onde é necessária a visualização do escoamento, o trecho principal e o trecho
vertical, que possuem a tubulação toda de 2 polegadas
Com base nos fornecedores encontrados, para os tubos de 2 polegadas,
seleciona-se a maior espessura de parede disponível, a fim de aumentar as
pressões internas suportadas, medindo assim 60 mm de diâmetro externo e 5 mm
de espessura da parede.
Nos fornecedores de tubos de acrílico consultados, não é dada a informação
de pressão interna máxima de serviço dos tubos, entretanto é comum a
informação da resistência máxima à tração. Com base nessa informação, com o
uso da fórmula de Barlow é possível calcular a pressão máxima interna suportada.
Assim, para a resistência máxima à tração ( igual a 70 MPa e um fator de
segurança ( igual a 4, é calculada a pressão de projeto dos tubos de acrílico
( ).
2 2 70 5
60 42,917
29,742 /
(1)
5.2 Tubos de PVC
Os tubos de PVC são empregados nos trechos onde não é necessária a
visualização do interior da tubulação. Três trechos de tubulação PVC são
identificados, o primeiro trecho começa do tanque de envio indo até o início do
trecho principal, enquanto o segundo trecho começa no final do trecho principal
indo até o final do circuito, no tanque de recebimento. O último trecho é a linha
alívio, tanto à montante quanto à jusante da válvula de alívio de acrílico.
24
Para os tubos PVC é usado como referência o catálogo da Tigre da linha
soldável para tubulações de água fria. O anexo 10.1 apresenta o catálogo da Tigre
de tubulações de água fria, o qual traz informações de dimensões e pressão de
serviço dos tubos PVC usados.
No projeto conceitual da bancada, são usados 2 diâmetros diferentes de
tubos PVC. No primeiro e segundo trecho são usados tubos de 60 mm. Enquanto
para a linha de alívio, o terceiro trecho, são usados tubos de 32 mm. Ressalta-se
que os tubos da recirculação das bombas, contidos no primeiro trecho, também
são de 32 mm.
As pressões de projeto desses tubos são definidas conforme a indicação do
fabricante apresentada no catálogo presente no anexo 10.1. Assim, todos os tubos
PVC usados na bancada possuem pressão de projeto de 7,5 kgf/cm2.
25
6 Projeto Hidráulico
Neste capítulo será desenvolvido o projeto hidráulico da bancada.
Inicialmente é feito o levantamento da curva de head do sistema e a seleção da
bomba. Então, são realizadas simulações computacionais a fim de obter a pressão
máxima operacional ao longo do sistema, que posteriormente servirá para atestar
a seleção dos tubos feita no capítulo 5, assim com serão usadas como base para
a seleção dos demais componentes hidráulicos da bancada.
6.1 Curva de Head do Sistema
O cálculo da curva head do sistema é dado pelo cálculo da altura
manométrica total do sistema em função da vazão. Assim, é feito um levantamento
da altura manométrica total para sete vazões diferentes, que são usadas para a
interpolação da curva de head do sistema. A fórmula da altura manométrica é
dada pela equação 2.
(2)
Como o tanque de sucção e de descarga são abertos, ou seja, estão à
pressão atmosférica, o fator da pressão na equação é nulo.
A sucção e a descarga compartilham o mesmo tanque, entretanto suas
tubulações são localizadas em pontos diferentes, a sucção está ligada na parte
debaixo do tanque, enquanto tem-se uma descarga livre chegando no topo do
tanque. Uma visão do tanque é apresentada na Figura 19.
O tanque tem uma profundidade de 550 mm e a sucção encontra-se a uma
altura de 75 mm do fundo. Para fins de cálculo, foi considerada a condição na qual
o tanque encontra-se o nível de água de 350 mm, resultando na diferença entre a
altura da descarga e de sucção igual à 0,2 m.
26
Figura 19 – Tanque de água na bancada
Assim, resta o cálculo da perda de carga de sucção e de descarga, o qual
varia com a vazão, com base na equação de Darcy-Weisback (equação 3).
2
(3)
Para o cálculo das perdas localizadas é usado o método do comprimento
equivalente, o qual fixa um valor de comprimento de duto reto que reproduz a
mesma perda de carga para componentes hidráulicos para serem usados na
equação de Darcy-Weisback. Os valores de comprimento equivalente são usados
conforme os valores apresentados por DE MATTOS et al. [9].
A Tabela 1 apresenta os valores de comprimento de duto reto usados para
o levantamento da curva de head. Enquanto, a Tabela 2 os acessórios presentes,
a quantidade e o comprimento equivalente de cada, na qual pode ser observado
que a perda de carga do pig não é considerada no cálculo da perda de carga do
sistema.
Tabela 1 – Comprimentos de duto reto da bancada
Trecho Comprimento (m)
Das Bombas ao Trecho
Principal 3,20
Parte Horizontal do Trecho
Principal 11,70
PCV_RECEB
BV_TQ_ENV
27
Trecho Móvel 2,00
Do Trecho Principal até o
Tanque de Descarga 4,85
Total 21,75
Tabela 2 – Comprimentos equivalentes dos acessórios da bancada
Acessório Quantidade
Comprimento
Equivalente (m)
Comprimento
Equivalente Total
(m)
Joelhos de Raio Longo 18 1,07 19,26
Curva de 180° (r=10 D) 1 3,04 3,04
T com Fluxo pela
Ramificação 4 3,35 13,40
T com Fluxo Direto 10 1,07 10,70
Válvulas Esfera 9 1,07 9,63
Válvula de Controle
(Globo) 2 18,29 36,58
Válvula de Retenção 1 6,71 6,71
Entrada 1 1,37 1,37
Saída 1 2,74 2,74
Total - - 103,43
O Ábaco de Moody é usado para obtenção do coeficiente de atrito, de forma
que é considerada a hipótese de tubo liso para ambos os tubos de acrílico e PVC,
tendo em vista que o acrílico, que constitui a maior parte dos tubos usados, tem
rugosidade desprezível, enquanto a rugosidade do PVC, com um comprimento
menor de tubos, pouco influencia o coeficiente de atrito da faixa de vazões
estudadas. A Figura 20 apresenta o Ábaco de Moody.
28
Figura 20 – Ábaco de Moody (Fonte: [9])
A Tabela 3 apresenta o cálculo desenvolvido para a obtenção da curva de
head do sistema. Para cada uma das vazões, foi calculada a velocidade do
escoamento dentro de um tubo de 2 polegadas com o diâmetro interno de 50
milímetros.
4 (3)
Então, foi calculado o número de Reynolds para o uso no Ábaco de Moody.
(4)
Por fim, com o uso da equação de Darcy-Weisback é calculada a perda de
carga total, a qual é somada à diferença entre a altura da descarga e da sucção,
conforme a Eq. 2, encontrando o valor da altura manométrica total para cada uma
das vazões.
Tabela 3 – Cálculo da curva de head do sistema
(m3/h) 0 3 6 9 12 15 18
(m/s) 0,000 0,424 0,849 1,273 1,698 2,122 2,547
29
0 21221 42443 63664 84885 106106 127328
0,0000 0,0255 0,0215 0,0195 0,0185 0,0175 0,0170
(m) 0,000 0,588 1,985 4,050 6,831 10,097 14,124
(m) 0,200 0,788 2,185 4,250 7,031 10,297 14,324
A curva de head do sistema obtida é apresentada na Figura 21.
Figura 21 – Curva de head do sistema
6.2 Seleção da Bomba
A partir da curva de head do sistema e a vazão esperada para o ponto de
trabalho, definida nas considerações iniciais do projeto no tópico 4.1.2, é possível
fazer um levantamento de bombas que atendam o sistema.
Achou-se poucas bombas que atendem o par head e a vazão do sistema,
tendo em vista que normalmente as bombas com esse nível de head, fornecem
vazões bem menores. Por fim, chegou-se em 5 modelos de bombas da Dancor
que atendem o sistema, a CAM-W16 – 3/4 cv, a CAM-W16 – 1 cv, a CHS-17 – 1/2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Hea
d (
m.c
.a.)
Vazão (m3/h)
30
cv, a CHS-17 – 3/4 cv e a HAD-W7C – 1 cv. O catálogo dessas bombas são
apresentados nos anexos 10.2, 10.3 e 10.4.
A Figura 22 apresenta as curvas de head das bombas comparadas e do
sistema, onde os pontos amarelos na curva do sistema simbolizam as vazões
mínima e máxima para o ponto de operação.
Figura 22 – Curva de head das bombas comparadas
Como primeiro ponto da seleção das bombas, foi avaliado se ofereceria
problemas de cavitação. Do catálogo das bombas foi obtido o NPSH requerido de
cada bomba no seu ponto de trabalho com o sistema. Enquanto, o NPSH
disponível calculou-se com o uso das equações abaixo.
(5)
(6)
De modo que os valores calculados para NPSH disponível devem satisfazer
a condição apresentada abaixo.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20
Hea
d (
m.c
.a.)
Vazão (m3/h)
Sistema CAM-W16 - 3/4 cv CAM-W16 - 1 cvCHS-17 - 1/2 cv CHS-17 - 3/4 cv HAD-W7C - 1 cv
31
0,6 (7)
Relembrando que a altura manométrica da sucção é de 0,275 m e a pressão
manométrica no tanque de sucção é igual a 0 resta o cálculo da perda de carga
da linha de sucção.
O resultado obtido é que nenhuma das bombas oferece problemas de
cavitação tendo em vista a configuração do sistema. O cálculo do NPSH disponível
é apresentado na Tabela 4.
Tabela 4 – Cálculo do NPSH disponível das bombas comparadas
Bomba
(m3/h)
(m/s) (m)
(m)
(m)
(m)
CAM-W16
- 3/4 cv 12,8 1,81 90587 0,018 0,655 -0,380 9,711 1,5
CAM-W16
- 1 cv 13,7 1,94 96957 0,0175 0,729 -0,454 9,636 1,6
CHS-17
- 1/2 cv 11,4 1,61 80679 0,0185 0,534 -0,259 9,831 1,3
CHS-17
- 3/4 cv 14,7 2,08 104034 0,0175 0,839 -0,564 9,526 1,8
HAD-W7C
- 1 cv 11,7 1,66 82803 0,0185 0,562 -0,287 9,803 0,7
Continuando com a seleção, a bomba HAD-W7C - 1/3 cv não pode ser
escolhida pois não é acompanhada de um motor elétrico trifásico, que será
necessário para o uso do inversor de frequência utilizado nesse projeto.
Além disso, a CAM-W16 - 1 cv tem a potência no ponto de trabalho
consideravelmente mais elevado que as demais, sendo 45% maior que a que tem
o segundo maior consumo. Enquanto, a CHS-17 - 3/4 cv excede a faixa de vazão
estipulada para o ponto de operação.
Assim, a seleção ficou entre as bombas CAM-W16 – 3/4 cv e CHS-17 – 1/2
cv. Então, levando em conta a vazão, potência e eficiência no ponto de operação
32
foi selecionado a bomba CHS-17 - 1/2 cv, a qual dentre todas, tem o menor
consumo de energia no ponto de operação, consumindo pelo menos 30% a menos
que as demais. Além de que, quando comparada com a CAM-W16 - 3/4 cv, possuí
o menor preço de compra e o ponto de operação mais próximo da vazão no BEP,
o ponto de operação da bomba com maior eficiência.
A tabela apresenta os dados das bombas levados em conta na seleção.
Tabela 5 – Dados das bombas comparadas
No Ponto de Trabalho No BEP
Bomba
(m3/h)
(m/s) (cv)
(%)
(m3/h)
(%)
% acima
do BEP
CAM-W16
- 3/4 cv 12,8 1,81 1,0 34,0 9,2 46,9 39,1
CAM-W16
- 1 cv 13,7 1,94 1,6 26,0 9,2 46,9 48,9
CHS-17
- 1/2 cv 11,4 1,61 0,7 42,0 8,5 48,5 34,1
CHS-17
- 3/4 cv 14,7 2,08 1,1 44,0 11,2 49,4 31,3
HAD-W7C
- 1 cv 11,7 1,66 1,0 29,0 8,7 36,9 34,5
Ressalta-se que a bomba selecionada possui a tubulação da sucção e da
descarga com diâmetro externo de 50 mm, isto será levado em conta no projeto
hidráulico daqui em diante.
6.3 Simulações Hidráulicas de Cenários Operacionais
Antes do desenvolvimento dos simuladores transientes de escoamento em
dutos, a estimativa das pressões máximas alcançadas em um duto era
comumente calculada pela pressão em regime permanente somada à
sobrepressão gerada pelo fechamento instantâneo de uma válvula, estimada pela
equação de Joukowski.
33
Entretanto, essa metodologia desconsidera que o fechamento real de uma
válvula ocorre de forma gradual, de modo que caso o tempo desse fechamento
supere o tempo de travessia da onda no duto, a onda de pressão ao atingir a
extremidade do duto é refletida e quando retorna, pode ser parcialmente aliviada
caso a válvula ainda não se encontre totalmente fechada. Assim, há uma redução
nas máximas pressões geradas no transiente hidráulico do fechamento dessa
válvula.
Calculando a sobrepressão gerada pelo fechamento instantâneo de uma
válvula na bancada com o uso da equação de Joukowski para a vazão de
operação com uma bomba operando sozinha encontrada na seleção das bombas,
conforme a Tabela 5, obtém-se o valor de 23,839 kgf/cm2.
∆∆
1000 145011,4
36000,0019625
2,339 23,839 /
(8)
Entretanto, esse valor apenas é uma boa estimativa para tempos de
fechamento menor que o tempo de travessia e retorno da onda, que para o caso
da bancada é de 0,032 segundos.
∆2 2 23,32
14500,0322 (9)
Motivado por não precisar especificar todos os componentes da bancada
para uma alta pressão de operação estimada pela equação de Joukowski, fez-se
o uso de simulações hidráulicas computacionais para determinação das pressões
máximas de operação normal (PMO) e incidental (PMOI) da bancada.
Premissas das Simulações
A determinação das condições operacionais será realizada com o auxílio de
modelagem computacional utilizando um software de simulação comercial da
empresa DNV-GL, o Sinergy Pipeline Simulator (SPS). Este programa foi
escolhido tendo em vista que é um dos simuladores de escoamento monofásico
em dutos mais utilizados no mercado internacional.
O SPS é um simulador unidimensional para simulações em regime
permanente ou transiente. Pelo método das diferenças finitas, o programa resolve
o sistema de equações diferencias parciais de conservação de massa, quantidade
de movimento e energia para modelar o escoamento dentro do duto [10].
34
A simulação é feita para água como produto, a qual é feita com a
temperatura e pressão de referência de 20 °C e 1,033 kgf/cm2. As propriedades
da água são as mesmas que as usadas para a seleção da bomba, onde a massa
específica igual a 1000 kg/m3, a viscosidade dinâmica igual a 0,001 Pa.s e pressão
de vapor igual a 2,34 kPa.
O escoamento é isotérmico com temperatura igual à 20 °C e a distância
entre dois nós da simulação, onde as variáveis como vazão e pressão são
calculadas, é de 5 cm.
Para as simulações de avaliação das pressões máximas de operação
podem ser consideradas o fechamento das válvulas de controle (PCV) e das
válvulas de bloqueio dos scrapers (BV_SCRAPER_LANC_1, 2 e 3 e
BV_SCRAPER_ RECEB_1, 2 e 3), que devem ser operadas enquanto o sistema
está em funcionamento para possibilitar a execução da operação de passagem
de pig.
As outras válvulas de bloqueio não são consideradas na análise tendo em
vista que não deverão ser utilizadas durante a operação. Caso deseje-se mudar a
posição de uma dessas válvulas, antes as bombas deverão ser paradas.
Os tempos de abertura e fechamento das válvulas de bloqueio manuais são
definidos em 0,1 segundos e das válvulas de controle, que são todas manuais,
são definidos em 1 segundo. A diferença no tempo vem do fato que a válvula de
bloqueio do tipo esfera tem 90° de curso e a válvula globo de controle necessita
de algumas voltas para ser fechada. Enquanto, para as válvulas de bloqueio
motorizadas são testados diversos tempos de fechamento de 1 a 11 segundos.
Nas simulações para a avaliação das pressões máximas de operação
considerou-se apenas cenários em que a válvula de alívio de acrílico não está
ligada ao sistema, tendo em vista que ela não tem a finalidade de proteger o
sistema, mas apenas de visualização da sua operação.
Modelagem dos Elementos da Bancada
Destoando dos modelos comuns de oleodutos, que são dutos longos, as
perdas localizadas em curvas, tês e válvulas não podem ser desconsideradas em
dutos tão curtos quanto essa bancada hidráulica, onde a soma das perdas
localizadas possuei um comprimento equivalente mais que 4 vezes maior que o
comprimento de tubo reto.
35
Assim, todas as curvas, tês, reduções, expansões, entradas e saídas de
tanque foram modeladas como headers (objetos próprios do simulador que
introduzem uma perda de carga localizada, mas que seu comprimento não
interfere no tempo de propagação da onda de pressão), onde a perda de carga é
calculada com base no coeficiente de atrito retirado do Ábaco de Moody para a
vazão no ponto de operação de uma bomba operando sozinha, obtida no projeto
hidráulico inicial feito para a seleção da bomba.
Os trechos de duto reto são modelados utilizando os objetos Transfer Lines
do programa, onde a rugosidade foi configurada como aproximadamente zero
para a simulação de tubos lisos.
O projeto da bancada de teste prevê que o tanque de envio seja o mesmo
que o de recebimento e alívio, o programa não permite que um tanque seja de
envio e recebimento ao mesmo tempo, então os tanques foram modelados
separadamente.
Na bancada, os tanques estão abertos para a atmosfera, logo os tanques
de descarga e alívio tem sua pressão manométrica interna configurada como
aproximadamente zero, enquanto o tanque de envio tem sua pressão interna igual
a 0,0275 kgf/cm2, por causa da coluna de água de 275 mm no tanque de sucção
usado como base para o projeto hidráulico.
As válvulas de bloqueio e controle tem o cálculo de sua perda de carga dada
em função de seus coeficientes de vazão. Porém, a informação que foi usada no
projeto hidráulico inicial para seleção da bomba é do comprimento equivalente.
Assim, foi calculado o Cv equivalente ao comprimento equivalente para a vazão
no ponto de operação de uma bomba operando sozinha no projeto hidráulico
inicial com base nas equações 10 e 11.
∆ (10)
∆2
(11)
Os coeficientes de vazão usados na simulação computacionais, das
válvulas esfera de bloqueio e das válvulas globo de controle, podem ser vistos na
Tabela 6.
36
Tabela 6 – Coeficiente de vazão calculado das válvulas
Válvula Comprimento
Equivalente (m) Cv (gpm/psi0.5)
Esfera 60 mm 1,07 183,669
Globo 60 mm 18,29 44,424
As válvulas de bloqueio e controle tem suas curvas de abertura e
fechamento dadas por correlações lineares padrão do programa.
As válvulas de controle foram modeladas como Idealized Regulador –
Control Valve (RE), as quais foram configuradas para serem controladas pela sua
fração de abertura.
As válvulas de retenção são modeladas como Discharge Check em cada
uma das bombas, tendo sua perda de carga calculada com base na informação
dada ao programa da queda de pressão gerada para a vazão no ponto de
operação de uma bomba operando sozinha no projeto hidráulico inicial
As duas bombas modeladas têm suas curvas de head e potência dadas
pelas informações no catálogo do fabricante. O motor foi configurado para ter o
dobro da potência nominal da bomba, o que não restringir em nenhum momento
a operação da bomba em regime permanente.
Cenários Operacionais Normais
Para composição da pressão máxima de operação normal (PMO) foram
considerados 9 cenários, compostos pela combinação dos 3 arranjos de bomba
possíveis (1 bomba operando sozinha, bombas em paralelo e bombas em série)
e a válvula de controle do recebimento (PCV_RECEB) com 3 frações de aberturas
diferentes, totalmente aberta, 50 % aberta e totalmente fechada.
37
Figura 23 – Pressões para os cenários operacionais normais
Como pode ser visto na Figura 23, a condição da PCV_RECEB fechada com
o arranjo de bombas em série forneceu o cenário mais crítico dentre os cenários
de operação normal, conforme o esperado, tendo em vista que na condição de
shut off da bomba, o arranjo das bombas em série fornece ao sistema duas vezes
mais head que uma bomba sozinha ou que o arranjo das bombas em paralelo.
Dessa forma, a pressão máxima de operação normal (PMO) ao longo de
todo o sistema é dada pelo cenário da válvula de controle de recebimento fechada
com o arranjo de bombas em série.
38
Figura 24 – Vazões de regime permanente
A Figura 24 mostra as vazões de regime permanente do sistema para os 3
arranjos de bombas possíveis. Nota-se que a vazão para uma bomba operando
sozinha está uma pouco menor do que a encontrada no projeto hidráulico inicial
para seleção das bombas, tendo em vista que o modelo computacional criado usa
os tubos de 50 mm no parque das bombas (Figura 18) conforme a bomba
selecionada, diferentemente do projeto hidráulico inicial feito antes de selecionar
a bomba que usou tubos de 2 polegadas.
Cenários Operacionais Incidentais
O estudo dos regimes transientes para composição da pressão máxima de
operação incidental (PMOI) consistiu da simulação do fechamento completo da
válvula de bloqueio do canhão de recebimento de pig (BV_SCRAPER_RECEB_2)
e válvula de controle de recebimento (PCV_RECEB), considerando que as
bombas continuam operando durante todo o processo.
Primeiro, foram feitas as simulações do fechamento da válvula manuais de
controle de recebimento em 1 segundo.
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
0 5 10 15 20 25
Vaz
ão (
m3 /
h)
Comprimento (m)
1 Bomba Em Paralelo Em Série
14,7 m3/h
11,8 m3/h
10,3 m3/h
39
Figura 25 – Pressões para o fechamento da válvula de controle de recebimento em 1 s
A Figura 25 apresenta o comportamento das máximas pressões atingidas
no fechamento de uma válvula em um sistema equipado com válvula de retenção
na bomba. A sobrepressão gerada pela desaceleração do escoamento causado
pelo fechamento da válvula posicionada no final do duto, se propaga ao longo do
duto em direção à válvula de retenção. Ao atingir a válvula de retenção, a onda de
pressão provoca o fechamento dessa válvula, gerando uma nova desaceleração
no escoamento e uma nova onda de pressão.
Por isso, há dois picos nas pressões máximas alcançadas nesse transiente
hidráulico, um gerado pelo fechamento da válvula de controle e um gerado pelo
fechamento da válvula de retenção.
Por fim, a Figura 25 mostra que para o fechamento da válvula de controle
de recebimento, o arranjo em série apresentou as maiores pressões de operação.
A seguir, foi simulado o fechamento da válvula de bloqueio do scraper de
recebimento (BV_SCRAPER_RECEB_2) em 0,1 segundos, o tempo referente a
uma válvula de bloqueio manual.
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2)
Comprimento (m)
1 Bomba Em Paralelo Em Série
40
Figura 26 – Pressões para o fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento em 0.1 s
Como pode-se observar na Figura 26, o arranjo de bombas em paralelo gera
as maiores pressões no fechamento da válvula de bloqueio manual em 0,1
segundos, tendo em vista que esse transiente se aproxima do tempo de travessia
e retorno da onda no sistema de 0,032 segundos, sendo praticamente um
fechamento instantâneo.
Dessa forma, o fenômeno é praticamente modelado pela equação de
Joukowski, na qual a variação da velocidade é proporcionalmente linear ao
aumento de pressão gerado pelo fechamento da válvula. Como, o arranjo das
bombas em paralelo possui a maior vazão, é o que alcança maiores pressões.
Entretanto, as pressões alcançadas não satisfazem o uso de tubos PVC no
parque das bombas, onde são atingidas pressões de 30,4 kgf/cm2 para o arranjo
em paralelo. Assim, serão estudados tempos de fechamento superiores para a
seleção de válvulas de bloqueio motorizadas.
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2 )
Comprimento (m)
1 Bomba Em Paralelo Em Série
41
Figura 27 – Pressões para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento com uma bomba operando sozinha
Figura 28 – Pressões para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento com arranjo de bombas em paralelo
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2)
Comprimento (m)
1s 2s 2.5 s 3s 5s 10s 11s
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2)
Comprimento (m)
1s 2s 2.5 s 3s 5s 10s 11s
42
Figura 29 – Pressões para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento com arranjo de bombas em série
As Figura 27, Figura 28 e Figura 29 apresentam as pressões máximas de
operação para diversos tempo de fechamento da válvula de bloqueio do scraper
de recebimento, respectivamente, para a operação com uma bomba sozinha, com
o arranjo de bombas em paralelo e com o arranjo de bombas em série. Essas
figuras mostram que o arranjo de bomba em série gera as maiores pressões
dentre os 3 arranjos.
A chegada na onda de pressão na descarga da bomba provoca a redução
da vazão, de forma, que a pressão que a bomba entrega ao sistema se altera com
essa vazão. Quando a vazão na descarga da bomba chega a zero, a bomba entra
na condição de shut off.
Dessa forma, é visível a influência da pressão no shut off de cada arranjo de
bombas nas curvas para o tempo de fechamento de 10 e 11 segundos, onde as
pressões alcançadas aproximam-se da pressão de shut off de cada arranjo,
conforme a Figura 23.
Observa-se também, que o acréscimo de tempo de fechamento entre as
curvas de 10 e 11 segundos oferece pouco aumento nas pressões alcançadas,
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2)
Comprimento (m)
1s 2s 2.5 s 3s 5s 10s 11s
43
tendo em vista que 10 segundos já se trata de um transiente bem lento onde a
onda de pressão consegue ir à extremidade do duto e voltar aproximadamente
310 vezes, gerando uma alta amortização da pressão gerada no transiente
hidráulico.
Por fim, com a Figura 29 nota-se que até o tempo de fechamento de 2,5
segundos, pressões maiores que 7,5 kgf/cm2 são atingidas no parque das
bombas, localizada no comprimento 0 metros, onde são usados tubos PVC. Dessa
forma, para o uso de tubos PVC nessa parte da bancada deverá ser selecionada
uma válvula de bloqueio motorizada com tempo de fechamento maior ou igual que
3 segundos para as válvulas de bloqueio dos scrapers.
Pressões Máximas do Sistema
Com base nas simulações dos cenários operacionais normais e incidentais
e a obtenção da pressão máxima de operação normal (PMO) e incidental (PMOI),
pode-se avaliar as pressões máximas alcançadas no sistema. Essas pressões
serão usadas para atestar a seleção dos tubos feita no capítulo 5, assim com
serão usadas como base para a seleção dos demais componentes hidráulicos da
bancada.
A pressão máxima de operação normal é dada pelo cenário da válvula de
recebimento (PCV_RECEB) fechada com o arranjo de bombas em série. Os
cenários operacionais incidentais mais críticos para o fechamento de cada uma
das duas válvulas analisadas (PCV_RECEB e BV_SCRAPER _RECEB_2),
ambas com o arranjo de bombas em série, também são analisados.
Para o fechamento da válvula de bloqueio do scraper de recebimento é
usado o tempo de fechamento de 10 segundos, conforme a válvula motorizada
selecionada no tópico 7.3.
A Figura 30 apresenta uma comparação dos cenários analisados.
44
Figura 30 – Composição da pressão máxima de operação
Enquanto Figura 31 apresenta as pressões máximas alcançadas ao longo
da bancada, composta unicamente pelo cenário de fechamento da válvula de
controle de recebimento com o arranjo de bombas em série, onde a maior pressão
alcançada em todo o sistema é de 6,337 kgf/cm2.
Figura 31 –Pressões máximas ao longo da bancada
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2 )
Comprimento (m)
PCV_RECEB em 1s BV_SCRAPER_RECEB_2 em 10s PMO
4,5
4,7
4,9
5,1
5,3
5,5
5,7
5,9
6,1
6,3
6,5
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2 )
Comprimento (m)
45
Ajuste da Pressão de Ajuste da Válvula de Alívio
Como dito anteriormente, todo o estudo das pressões máximas na bancada
de teste não envolveu o uso da válvula de alívio de pressão (PRV) de acrílico,
tendo em vista que ela não tem fins de proteção do sistema, mas apenas de
visualização da sua operação.
Para avaliação da pressão de ajuste da válvula de alívio de acrílico para ser
usada na bancada, a Tabela 7 apresenta os valores de pressões na entrada da
PRV, que se posiciona no comprimento 18,47 metros, para os cenários
operacionais normais, conforme o tópico 6.3.3.
Tabela 7 – Pressões na entrada da válvula de alívio de pressão de acrílico nos cenários operacionais normais
Arranjo de Bombas PCV de Recebimento Pressão na PRV
1 Bomba sozinha Aberta 0,125 kgf/cm2
Bombas em Paralelo Aberta 0,284 kgf/cm2
Bombas em Série Aberta 0,174 kgf/cm2
1 Bomba sozinha 50 % Aberta 0,287 kgf/cm2
Bombas em Paralelo 50 % Aberta 0,527 kgf/cm2
Bombas em Série 50 % Aberta 0,411 kgf/cm2
1 Bomba sozinha Fechada 1,450 kgf/cm2
Bombas em Paralelo Fechada 1,450 kgf/cm2
Bombas em Série Fechada 2,950 kgf/cm2
Enquanto a Tabela 8 mostra os valores da máxima pressões na entrada da
PRV no transiente hidráulico do fechamento da válvula de bloqueio do scraper de
recebimento (BV_SCRAPER_RECEB_2) em 10 segundos, conforme o 6.3.4
46
Tabela 8 – Pressões na entrada da válvula de alívio de pressão de acrílico para o fechamento da válvula de bloqueio do scraper de recebimento em 10 segundos
Arranjo de Bombas Pressão na PRV
1 Bomba sozinha 2,239 kgf/cm2
Bombas em Paralelo 2,172 kgf/cm2
Bombas em Série 3,985 kgf/cm2
O critério para a definição da pressão de ajuste foi obter uma pressão que
possibilitasse a visualização da abertura da válvula de alívio para o transiente
hidráulico do fechamento da válvula de bloqueio motorizada do scraper de
recebimento apenas para o arranjo de bombas em série.
De modo que, em um curso prático com a PRV, ao realizar a operação do
fechamento da BV_SCRAPER_RECEB_2 com os 3 arranjos de bomba, o
operador verifique que a válvula de alívio não abriu para o arranjo em paralelo e
para a bomba operando sozinha, porque as pressões durante o transiente não
atingiram a pressão de ajuste.
Assim, pressão de ajuste da válvula de alívio de pressão de acrílico é
definida em 2,5 kgf/cm2, tendo pelo menos 10% de folga da pressão na entrada
da PRV dos transientes com o arranjo em paralelo e com a bomba operando
sozinha.
Para inserir a válvula de alívio de acrílico na modelagem computacional no
programa SPS, foi necessário informar a área do orifício de entrada e a curva do
coeficiente de vazão da válvula. Com base nas informações obtidas dessa válvula
na dissertação de PÉREZ [8], apresentadas no tópico 4.1.3.2, a curva do
coeficiente de vazão foi calculada pela curva do coeficiente pela equação abaixo
em unidades inglesas.
38 (12)
Por fim, a Figura 32 apresenta as pressões máximas alcançadas no
transiente de fechamento da válvula de bloqueio do scraper de recebimento com
e sem a válvula de alívio de acrílico estar conectada ao sistema. Com a PRV
conectada ao sistema, a pressão máxima no transiente hidráulico foi reduzida para
47
2,694 kgf/cm2, uma redução de mais de 30% para ser medida no experimento e
uma sobrepressão menor que 10% da pressão de ajuste.
Figura 32 – Influência da válvula de alívio nas pressões máxima no fechamento da válvula de bloqueio do scraper recebimento
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
(k
gf/c
m2 )
Comprimento (m)
Sem PRV Com PRV
48
7 Especificação dos Elementos da Bancada
A partir do resultado das pressões máximas alcançadas ao longo da
bancada obtido pelas simulações hidráulicas computacionais, checou-se que as
escolhas dos tubos de acrílico e de PVC, feitas no capítulo 5, suportam as
pressões internas do sistema, tendo em vista que, a maior pressão alcançada em
todo o sistema é de 6,337 kgf/cm2, enquanto o tubo PVC possui pressão de projeto
igual à 7,5 kgf/cm2 e o tubo de acrílico, 29,742 kgf/cm2.
Assim, com base nessas pressões, é feita a seleção dos demais
componentes que necessitam da especificação da pressão de serviço.
7.1 Conexões de Tubos
Ao longo da bancada são usadas diversas conexões de tubos, dentre elas
tem-se as curvas, tês e reduções. Relembra-se que as curvas presentes no trecho
principal devem ter raio de curvatura duas vezes maior ou igual ao diâmetro da
tubulação para que possibilitem a passagem do pig.
Tendo em vista que a maior pressão alcançada em todo o sistema é de
6,337 kgf/cm2, o uso de conexões PVC é possibilitado, os quais tem pressão
máxima de serviço de 7,5 kgf/cm2 para conexões até 50 mm de diâmetro e de 10
kgf/cm2 para conexões de diâmetro igual ou maior que 60 mm, conforme o
catálogo da Tigre de tubulações de água fria presente no anexo 10.1.
Além disso, é levado em conta na seleção dessas conexões a facilidade de
montagem, o peso e o custo quando comparados com conexões metálicas.
As conexões necessárias para a construção da bancada e a quantidade de
cada um podem ser vistas no tópico 7.7, onde é feito um levantamento de todos
os componentes necessários para construção da bancada.
7.2 Válvulas de Bloqueio Manuais
Na bancada são usadas válvulas de bloqueio tanto nos trechos com tubos
de acrílico quanto com tubos de PVC, porém, relembra-se que para o trecho com
tubos de acrílico as válvulas de bloqueio devem ser de plena passagem quando
49
abertas, para que possibilitem a passagem do pig, como a válvula esfera ou
gaveta.
Para todas as válvulas de bloqueio de manuais são usadas as válvulas
esferas de PVC da Tigre, cujo catálogo é apresentado no anexo 10.5. Esse
catálogo mostra que as válvulas esfera da Tigre possuem pressão de máxima de
serviço de 10 kgf/cm2 para diâmetros até 32 mm de diâmetro e de 16 kgf/cm2 para
diâmetro a partir de 40 mm, ambas acima da PMO ao longo do duto.
O uso dessas válvulas quando comparadas com válvulas de metal resultam
em uma redução no custo para execução do projeto, assim como no peso das
válvulas, sendo que a válvula esfera de PVC de 60 mm pesa apenas 400 gramas.
7.3 Válvulas de Bloqueio Motorizadas
Conforme visto no tópico 6.3.4, para a manutenção da pressão máxima
operacional (PMO) ao longo do sistema dentro dos níveis suportados pelos tubos
de PVC, 7,5 kgf /cm2, faz-se necessário o uso de válvulas motorizadas de bloqueio
nos canhões de lançamento e recebimento de pig (scrapers), cujas válvulas de
bloqueio são as únicas operadas com o sistema em funcionamento, para
possibilitar a execução da operação de passagem de pig.
Também foi analisado que essas válvulas motorizadas devem possuir
tempo de fechamento maior ou igual que 3 segundos. Assim, dentre as opções
presentes no mercado, com a informação do tempo de fechamento e a pressão
de serviço, é selecionada a válvula esfera motorizada Valworx, cujo catálogo é
apresentado no anexo 10.6.
Essa válvula possui tempo de fechamento de 10 segundos, gerando
pressões no cenário de seu fechamento abaixo de 4 kgf/cm2, e pressão de máxima
de operação de aproximadamente 16,3 kgf /cm2. Além disso, essa válvula possui
seu corpo feito em PVC, o que oferecia um preço de compra menor que as feitas
de metal.
7.4 Válvulas de Controle
Na bancada são usadas 3 válvulas de controle, uma na descarga de cada
bomba e uma antes do tanque de recebimento. Dentre as válvulas disponíveis no
mercado, optou-se pela válvula globo da Asahi, que com seu corpo em PVC,
oferece, para os diâmetros usados nesse projeto, uma pressão máxima de serviço
50
de aproximadamente 10 kgf /cm2, acima da PMO ao longo do duto. O catálogo
dessa válvula é apresentado anexo 10.7.
7.5 Válvulas de Retenção
No circuito hidráulico são usadas duas válvulas de retenção, uma da
descarga de cada bomba. Analogamente as conexões e as válvulas selecionadas,
tendo em vista a facilidade de montagem, o peso e o custo, são usadas válvulas
de retenção em PVC da Tigre, cujo catálogo é apresentado no anexo 10.8. Essas
válvulas possuem pressão máxima de serviço de 10 kgf /cm2, superando a maior
PMO ao longo do sistema.
7.6 Inversores de Frequência
Inversores de frequência são dispositivos eletrônicos que controlam a
velocidade de rotação de motores de indução assíncronos por meio da
transformação da corrente elétrica alternada fixa em corrente alternada variável
para controle da velocidade e potência consumida pelo motor através da variação
da frequência.
Conforme descrito no projeto conceitual da bancada, no tópico 4.2, cada
bomba deve ter um inversor de frequência para fazer a alteração da curva da
bomba pela rotação da bomba, sendo assim possível controlar a vazão do
sistema.
Para a seleção de um inversor de frequência, é necessário a informação da
corrente elétrica nominal do motor elétrico da bomba, o qual deverá ser menor que
a corrente nominal de saída do inversor, sendo sempre importante a folga no valor
da corrente de saída do inversor para o caso de sobrecarga do motor.
Para um motor trifásico modelo Jet Pump de 2 polos, 0,5 cv e 220V baseado
na norma Nema, modelo do motor usado na bomba selecionada, conforme seu
catálogo presente no anexo 10.3, a corrente nominal é de 2,4 amperes. Esse valor
é dado com base no catálogo online de motores elétricos da Weg [11], um dos
fabricantes que fornecem motores para serem usados com as bombas da Dancor,
Assim, seleciona-se o inversor de frequência modelo CFW08 com corrente
nominal de saída de até 4 amperes da WEG, com código CFW080040S2024PSZ.
Esse inversor possui tensão de alimentação monofásica de 220 V, conforme a
disponibilidade do local em que será instalado, descrito no tópico 4.1.1, e tensão
de saída trifásica de 220 V, conforme a bomba CHS-17.
51
O anexo 10.9 apresenta as folhas do catálogo com a descrição e a tabela
de seleção do inversor de frequência
7.7 Levantamento dos Componentes Necessários para Construção da Bancada
Por fim, este tópico tem como objetivo listar todos os componentes
necessários para a construção do circuito hidráulico que foi desenvolvido neste
trabalho.
Tabela 9 – Lista de componentes necessários para construção da bancada
Item Quantidade
Bomba Dancor CHS-17 1/2 cv 2
Tanque de água 1
Válvula de esfera Tigre 60 mm 10
Válvula de esfera Tigre 50 mm 5
Válvula de esfera Tigre 32 mm 3
Válvula esfera motorizada Valworx 2” 6
Válvula globo Asahi 2” 1
Válvula globo Asahi 1-1/2” 2
Válvula de retenção Tigre 50 mm 2
Inversor de frequência WEG CFW08 2
Tubos de acrílico 60 mm diâmetro externo e 5 mm de
espessura de 2 m de comprimento 5
Tubos de acrílico 60 mm diâmetro externo e 5 mm de
espessura de 1 m de comprimento 6
Curva de 180° com 500 mm de raio de curvatura de acrílico
com 60 mm diâmetro externo e 5 mm de espessura 2
Tubos de PVC Tigre 60 mm de 6 m de comprimento 2
52
Tubos de PVC Tigre 50 mm de 6 m de comprimento 1
Tubos de PVC Tigre 32 mm de 3 m de comprimento 3
Curva 90° de PVC Tigre 60 mm 15
Curva 90° de PVC Tigre 50 mm 12
Curva 90° de PVC Tigre 32 mm 9
Tê de PVC Tigre 60 mm 8
Tê de PVC Tigre 50 mm 8
Bucha de redução de PVC Tigre 60x50 mm 2
Bucha de redução de PVC Tigre 60x32 mm 1
Bucha de redução de PVC Tigre 50x32 mm 4
53
8 Conclusões
Conforme o objetivo do trabalho, foi desenvolvido o projeto de uma bancada
hidráulica para uso na complementação do treinamento de operadores de
oleoduto, visando fornecer a estrutura necessária o desenvolvimento de cursos
práticos com a visualização de operações e fenômenos comuns ao dia a dia de
trabalho desses profissionais.
Além disso, a bancada oferece a estrutura necessária para a realização de
variados experimentos, contando com duas bombas, que podem ser operadas
sozinhas, em série ou em paralelo, e com 3 modos de controle de vazão: os
inversores de frequência, as válvulas de controle na descarga das bombas e as
recirculações.
O uso de um simulador hidráulico computacional proporcionou o cálculo das
pressões máximas de operação do sistema, em contraposição ao método analítico
antes comumente utilizado em projeto de dutos. Dessa forma, evitou-se a seleção
de componentes superdimensionados.
A seleção de todas as conexões de tubos e válvulas em PVC, somado ao
uso dos tubos em PVC nos trechos onde a visualização do escoamento não é
necessário, fornecerá facilidade de montagem e redução de custos à construção
da bancada.
Como sugestão para trabalhos futuros, recomenda-se a execução dos
projetos da instrumentação e de automação necessários para realização dos
experimentos que a bancada deverá estar preparada para executar. Assim como,
o projeto mecânico de canhões de lançamento e recebimento de pig em acrílico
também deverá ser realizado, possibilitando a visualização de toda essa
operação. Além disso, o estudo dos procedimentos para apresentação dos
experimentos nos cursos práticos.
Em adição, será necessário a execução do orçamento dos componentes
listados no tópico 7.7 para a construção da bancada.
54
9 Referências Bibliográficas
[1] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (BRASIL). Balanço Energético
Nacional 2017: Ano base 2016. EPE, 2017.
[2] TRANSPETRO. Números. Disponível em: <http://www.transpetro
.com.br/pt_br/quem-somos/numeros.html>. Acessado em 11/02/2018.
[3] QUINNEY, Dr. D.A. Daniel Bernoulli and the making of the fluid equation.
Keele University, 1997. Disponível em: <https://plus.maths.org/content/ daniel-
bernoulli-and-making-fluid-equation>. Acessado em 11/02/2018.
[4] LABORATÓRIO DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS OSWALDO BONFANTI.
Disponível em: <http://cursos.unisanta.br/quimica/laborato/index .html>.
Acessado em 11/02/2018.
[5] CENTRO DE TECNOLOGIA EM DUTOS – CTDUT. Quem somos.
Disponível em: <http://www.ctdut.org.br/quem-somos/>. Acessado em
11/02/2018.
[6] PIGS UNLIMITED INTERNATIONAL. Disponível em: <http://www.
pigsunlimited.com/>. Acessado em 11/02/2018
[7] AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API STANDARD 520 Sizing,
Selection and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries. Eighth
edition, 2008.
[8] PÉREZ, M. J. B. Estudo do comportamento dinâmico de uma válvula de
alívio de pressão do tipo mola. Dissertação de Mestrado, Departamento de
Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, RJ, Brasil, 2016.
[9] DE MATTOS, E. E., DE FALCO, R. Bombas Industriais, 2ª edição. Rio
de Janeiro, Interciência, 1998.
[10] SYNERGI PIPELINE SIMULATOR. Synergi Pipeline Simulator 10.3.0
Help and Reference. DNV GL, 2016.
55
[11] WEG. Seleção de motores elétricos. Disponível em: <
http://www.weg.net/catalog/weg/BR/pt/Motores-El%C3%A9tricos/c/BR_MT>.
Acessado em 11/02/2018.
56
10 Anexos
10.1 Catálogo da Tigre de Tubulação de Água Fria
57
58
59
60
61
62
10.2 Catálogo das Bombas Dancor CAM-W16
63
64
10.3 Catálogo das Bombas Dancor CHS-17
65
66
10.4 Catálogo das Bombas Dancor HAD-W7C
67
68
10.5 Catálogo das Válvulas de Bloqueio Manuais
69
10.6 Catálogo das Válvulas de Bloqueio Motorizadas
70
71
72
10.7 Catálogo das Válvulas de Controle
73
10.8 Catálogo das Válvulas de Retenção
74
10.9 Catálogo dos Inversores de Frequência
75