Dimensionamento de tubulações

1. Dimensionamento de tubulações Parte I

2. DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS) Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPS Definidos 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”) P = pressão interna psig Iron Pipe Sise – IPS Série = S = Tensão admissível em psi. 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”. Obs. Para o mesmo diâmetro externo (diâmetro nominal) tem-se diferentes opções de parede → Diferentes diâmetros internos A espessura é definida por: série, no , #, ou Schedule (SCH) Schedule number (SCH), “série”, regido pela ANSI B36-10. .

3. DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DE PAREDE Norma ANSI B. 31 Obs, para t ≤ D/4 .................. t = tm - c Onde: t m = espessura (mínima) de parede (pol) (mm) P = Pressão interna de projeto (psi) MPa D = 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=0,4 c = 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)

4. 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”. = 0,322” *ASTM A 53 A (S =12350) 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”

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

6. Analisando o efeito da força gerada pela dilatação térmica P = S. A tensão interna (kg/cm2) Temos que: dilatação unitária (cm/cm) Logo, a equação acima poderá ser escrita ,ou então 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) S = e .E

7. FLEXIBILIZAÇÃO DE UMA TUBULAÇÃO SUJEITA A UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA Fórmula simplificada Teste rápido (ANSI B 31- 10) Fórmula original 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. Onde: Sa = limite admissível para a resultante das tensões secundárias combinadas Ec = módulo de elasticidade na temperatura de trabalho D = 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 ** sistema internacional

8. 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

9. PRESSÃO E TEMPERATURA DE PROJETO 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.

10. CONSIDERAÇÕES 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 → vácuo • Expansão por elevação da temperatura • Congelamento – Dilatação do fluido x contração/fragilização do metal.

11. 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

14. 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..

15. 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 • 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 • Esforços mais relevantes • Pressão • Dilatação

16. 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 Obs. Dados tabelados referem-se a tensões básicas de tração e flexão, para esforços estáticos e permanentes • Tensão admissível X fator de segurança • O critério para escolha do fator de segurança depende: • Tipo de material • Critério de cálculo : > ou < grau de arbitrariedade • Tipos e freqüência de esforços • Incerteza do material • Defeitos de fabricação do material, montagem, etc • Segurança

17. 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

18. Apêndice Critério para a utilização da Tensão admissível para tubos de aço

20. Resumo sobre valores adotados para tensão admissível de 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.

21. Referência Tubulações Industriais Pedro Carlos da Silva Telles Livros Técnicos e Científicos Editor S.A. 4ª Edição - 1976