Dimensionamento de tubulaes Parte I DIMENSES DE TUBOS
Dimensionamento de tubulações Parte I
DIMENSÕES DE TUBOS (DI METROS COMERCIAIS DE TUBOS) Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPS Definidos pela norma: ANSI B 36. 10 - Aços carbono e aços liga, ANSI B 36. 19 - Aço inoxidável, Iron Pipe Sise – IPS Série = Ø (1/8” a 36”) Ø (1/8” a 12”) P = pressão interna psig 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”, 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 B 36 -10.
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 B 2. 1 2 - Se a tolerância não for especificada adotar 0. 02” (0, 5 mm)
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. 800 psi, 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 # 60 # 40 = 0, 500” = 0, 406” = 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”
TENSÃO MÁXIMA EM UM TUBO DE ESPESSURA t , SUBMETIDO A UMA PRESSÃO P.
Analisando o efeito da força gerada pela dilatação térmica tensão interna (kg/cm 2) P = S. A Temos que: dilatação unitária (cm/cm) Logo, a equação acima poderá ser escrita , ou então S = e. E P =empuxo sobre os pontos de fixação (Kg ou T) A = área da seção transversal (cm 2) δ = dilatação livre do tubo (cm) L = comprimento do tubo (cm) E = módulo de elasticidade do material (kg/cm 2)
FLEXIBILIZAÇÃO DE UMA TUBULAÇÃO SUJEITA A UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA Fórmula original Fórmula simplificada Teste rápido (ANSI B 31 - 10) 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
Controlando a dilatação térmica ü Não utilizar segmento em linha reta entre dois pontos ü Empregar acessórios deformáveis (juntas de expansão) Quando espaço é reduzido, grande dilatação e tubulação de grande diâmetro ü Pretensionamento Adequando um traçado de uma tubulação ü ü 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 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= 6500 psi 2ª - 70º F e 900 psi Sh= 20000 psi * Escolhe-se a condição mais crítica, na qual a tensão admissível apresenta menor valor. No exemplo colocado, a 1ª condição.
CONSIDERAÇÕES DE PROJETO Ø Pressão de choque (golpe de aríete) ü ü 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) ü ü ü 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.
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 Ø Se temperatura do fluido for superior a 0° C ü 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 ü Tubos isolados § Isolamento térmico externo Temperatura igual a do fluido § Isolamento interno Deduzir perda térmica equivalente através do isolamento Ø 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 ü Pressão interna e externa ü Peso Tubo, Fluido Acessórios, válvulas, isolamento, Fluidos durante teste hidrostático Peso de outros tubos suportados ou apoiados Plataformas , pessoas, neve , terra (soterrados), veículos, etc. . ü Ação dinâmica Movimento do fluido, Ventos Impactos de natureza mecânica , golpes de ariete, ü Vibrações ü Dilatações térmicas Tubulação, Equipamentos aos tubos conectados, ü Tensões residuais de montagem da linha, ü Atrito dos suportes, ü Esforços de desalinhamentos, etc. .
Algumas formas de correção ü ü ü ü 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 ü Tensão longitudinal Conseqüência da pressão, movimento fletor, (pesos, dilatações, equipamentos) e esforço residual de montagem. ü Tensão circunferencial Conseqüência da pressão, deformação por achatamento resultante de esforços fletores atuantes ü Tensão radial ü Tensão de cisalhamento circunferencial Esforços mais relevantes Conseqüência de esforços de torção ü Pressão ü Dilatação
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: üTipo de material üCritério de cálculo : > ou < grau de arbitrariedade üTipos e freqüência de esforços üIncerteza do material üDefeitos de fabricação do material, montagem, etc üSegurança
Condições transitórias de trabalho ou diferentes tipos de esforços ü Esforço transitório de cisalhamento e torção Adota-se 80% da tensão admissível básica ü Tensões secundárias não permanentes de curta duração, A custa de vento, condições anormais de operação, etc § § Ciclo de 10 h consecutiva em um total de 110 h/ano Adota-se fator de 1, 33% da tensão admissível Ciclo de 50 h 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 da ANSI Áreas B. 31. 1 Centrais de vapor B. 31. 2 Tubulações de ar e gases B. 31. 3 Tensão admissíveis básicas (o menor dos valores obtidos) Tr/4 Te/6 Tdf 0, 8 Trf Tr/2, 66 ----- Refinarias e Instalações petrolíferas Tr/3 Te/1, 6 Tdf 0, 8 Trf 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, 8 Trf B. 31. 7 Centrais Nuclares Tr/3 Te Tdf 0, 8 Trf B. 31. 8 Transporte e distribuição de gases ----- Te/1, 1 -----
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: ü 33% para não mais que 10 h em condição contínua e não mais que 100 h/ano. ü 20% para não mais que 50 h em condição contínua e não mais que 500 h/ano.
Referência Tubulações Industriais Pedro Carlos da Silva Telles Livros Técnicos e Científicos Editor S. A. 4ª Edição - 1976
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