Vasos de pressão e trocadores de calor 2008 - carlos falc o

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Vasos de pressão e trocadores de calor 2008 - carlos falc o

  1. 1. PROJETO MECÂNICO VASOS de PRESSÃO e TROCADORES DE CALOR CASCO e TUBOS Revisão 2008 Carlos Falcão
  2. 2. Apresentação A finalidade deste texto é orientar na utilização e interpretação dos principais códigos adotados em projeto de vasos de pressão e trocadores de calor casco e tubos, além de apresentar os assuntos que não fazem parte, ou são apresentados apenas parcialmente pelos códigos. O texto é composto de dezesseis seções, cada uma tratando de um assunto específico, que representam a maioria dos tópicos importantes e necessários para o dimensionamento destes equipamentos. Estão abordados os requisitos relevantes e usuais, para projeto, dos códigos ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e da norma européia EN 13445, bem como das publicações fundamentais como o WRC Bulletin 107 e Bulletin 297. Será dada maior ênfase para o ASME Seção VIII Divisão 1, por ser o código de maior utilização no Brasil. Os códigos que praticamente não tem aplicação, ASME Seção VIII Divisão 3 e AD- Merkblätter, são tratados apenas superficialmente. No caso de haver discordâncias entre o documento PD 5500 e a norma BS 5500 (ver item 1.5), publicados pelo BSI - British Standard Institution, neste texto prevalece a Edição de 1997 Amendment dezembro de 1999, desta última. A edição de 2007 do ASME Seção VIII Divisão 2, foi modificada significativamente em relação às edições anteriores. Para possibilitar a adaptação às modificações, o ASME através do Code Case 2575, está permitindo, até julho de 2009, o uso da edição 2004 Addenda 2006. É desta forma que está considerado no texto aqui apresentado. É claro que, devido à dinâmica dos códigos, das normas e publicações de projeto, incorporando periodicamente alterações e complementações, é necessário consultá-las nas suas últimas edições. Maio de 2008 Texto registrado sob o número 284827 do Livro 514 folha 487 do Escritório de Direitos Autorais da Fundação Biblioteca Nacional do Ministério da Cultura i Revisão 2008
  3. 3. Sumário 1. Critérios e Códigos de Projeto .............................................................................. 1 1.1 ASME Section VIII, Division 1 – Rules for Construction of Pressure Vessels........... 1 1.2 ASME Section VIII, Division 2 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules ...................................................................................................... 3 1.3 ASME Section VIII, Division 3 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules for High Pressure Vessels ............................................................ 4 1.4 Critérios para escolha entre Divisão 1 e Divisão 2.................................................... 4 1.5 PD 5500 (BS 5500)– Specifications for Unfired fusion welded pressure vessels 5 1.6 AD-Merkblätter ......................................................................................................... 7 1.7 EN 13445 Unfired pressure vessels 7 1.8 Comparação de dimensionamento entre ASME Seção VIII, Divisões 1 e 2, PD 5500 (BS 5500), AD-Merkblätter.e EN 13445 para um casco cilíndrico submetido à pressão interna.................................................................................... 9 1.9 Evolução do ASME Seção VIII Divisão 1.................................................................. 10 1.10 Critérios para equipamentos existentes – API-579............................................... 11 2. Categorias, Combinação e Limites de Tensões ............................................... 15 2.1 Tensões primárias (Pm, Pb e PL) ............................................................................... 15 2.2 Tensões secundárias (Q) ......................................................................................... 16 2.3 Tensões de pico (F) ................................................................................................. 16 2.4 Combinação e limites de intensidade de tensões .................................................... 17 2.5 Bases para critério de tensões primárias e secundárias do ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445............................................................... 19 3. Tensões em Vasos de Pressão .............................................................................. 28 3.1 Cascos Cilindricos ..................................................................................................... 28 3.2 Casco Esféricos e Tampos Semi-esféricos................................................................ 29 3.3 Tampos e Seções Cônicas ....................................................................................... 29 3.4 Tampos Torisféricos .................................................................................................. 30 3.5 Tampos Semi-elípticos ............................................................................................... 32 3.6 Tampos Toricônicos ................................................................................................... 32 3.7 Tensões em descontinuidades................................................................................... 33 4. Materiais e Corrosão .................................................................................................. 35 4.1 Corrosão por perda de espessura e vida útil ........................................................... 35 4.2 Resistência para condições de temperatura ........................................................... 36 4.3 Custo ........................................................................................................................ 37 4.4 Facilidade de fabricação .......................................................................................... 37 4.5 Disponibilidade no mercado ..................................................................................... 38 4.6 Serviços especiais e corrosão sob tensão ............................................................... 38 5. Vasos Verticais .......................................................................................................... 41 5.1 Tensões circunferenciais devidas à pressão ........................................................... 41 5.2 Tensões longitudinais .............................................................................................. 41 5.3 Deflexão estática ..................................................................................................... 44 5.4 Vibrações induzidas pelo vento ............................................................................... 44 ii Revisão 2008
  4. 4. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 6. Vasos Horizontais ...................................................................................................... 49 6.1 Análise de tensões ..................................................................................................... 51 7. Suportes de Vasos de Pressão ........................................................................ 65 7.1 Suportes de vasos verticais ...................................................................................... 65 7.2 Suportes de vasos horizontais .................................................................................. 86 8. Bocais e Reforços ............................................................................................ 89 8.1 Teoria das aberturas reforçadas ............................................................................... 90 8.2 Critérios para reforços conforme ASME Seção VIII Divisão 1 .................................. 91 8.3 Espessura mínima de bocais..................................................................................... 98 9. Flanges .............................................................................................................. 100 9.1 Tensões atuantes ..................................................................................................... 102 9.2 Tipos de flanges ....................................................................................................... 103 9.3 Dimensionamento de flanges .................................................................................. 104 9.4 Parâmetros adicionais para dimensionamento ....................................................... 114 9.5 Flanges padronizados ............................................................................................. 115 10. Juntas de Vedação .......................................................................................... 117 10.1 Mecânica da vedação ............................................................................................ 117 10.2 Fatores de seleção ................................................................................................. 118 10.3 Materiais das juntas ............................................................................................... 118 10.4 Tipos e faces de flanges ........................................................................................ 118 10.5 Tipos de juntas ...................................................................................................... 120 10.6 Dureza máxima das juntas metálicas ................................................................... 122 10.7 Problemas de vedação ......................................................................................... 122 11. Tensões Localizadas em Bocais e Suportes ............................................... 125 11.1 Procedimentos de avaliação das tensões localizadas .......................................... 129 11.2 Escopo de aplicação, limites e vantagens do Boletim 197, Boletim 297, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445.............................................................................. 130 11.3 Procedimento simplificado para cálculo das tensões localizadas em bocais ....... 131 11.4 Procedimento simplificado para cálculo das tensões localizadas em suportes estruturais ............................................................................................................... 135 11.5. Cálculo por elementos finitos ............................................................................... 137 . 12. Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) ........................................ 140 12.1 Determinação da PMTA ................................................................................. 140 12.2 PMTA dos componentes principais ....................................................................... 141 12.3 PMTA dos componentes secundários ................................................................... 141 12.4 PMTA considerando cargas localizadas ............................................................... 146 13. Dimensionamento Mecânico de Trocadores de Calor Casco e Tubos...... 147 13.1 Condições de projeto ............................................................................................. 152 13.2 Dimensionamento mecânico ................................................................................. 152 iii Revisão 2008
  5. 5. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 14. Fadiga.e Concentração de Tensões ................................................................. 167 14.1 Introdução a fadiga .......................................................................................... 167 14.2 Tensões médias e amplitude das tensões alternadas. Determinação do número de ciclos admissíveis ............................................................................. 167 14.3 Danos acumulados .......................................................................................... 169 14.4 Critérios do ASME Seção VII, Divisão 2 e PD 5500 (BS 5500) para avaliação de fadiga ........................................................................................... 170 14.5 Critérios da EN 13445 para avaliação de fadiga..................................................... 173 14.6 Tensões de pico............................................................................................... 174 14.7 Fatores de concentração de tensões................................................................. 174 15. Fratura Frágil e Temperatura Mínima.......................................................... 179 15.1 Mecânica da fratura ........................................................................................ 179 15.2 Critérios do ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2 para baixa temperatura.......... 181 15.3 Critérios do ASME Seção VIII, Divisão 3 ........................................................... 188 15.4 Critérios do PD 5500 (BS 5500)........................................................................ 188 15.5 Critérios do AD-Merkblätter.............................................................................. 188 15.6 Critérios da EN 13445............................................................................................... 188 16. Eficiência de soldas ........................................................................................... 193 16.1 Eficiência de soldas para ASME Seção VIII Divisão 1.............................................. 193 16.2 Eficiência de soldas para ASME Seção VIII Divisão 2 e Divisão 3, PD 5500 (BS 5500), AD Merkblätter e EN 13445.............. ....................................... 197 Referências .............................................................................................................. 198 iv Revisão 2008
  6. 6. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 1 Critérios e Códigos de Projeto Os vasos de pressão e trocadores de calor são equipamentos usados principalmente em indústrias de processo, refinarias de petróleo, petroquímicas e indústrias alimentícia e farmacêutica. Estes equipamentos devem ser projetados e fabricados de forma a evitar as suas principais causas de falha, que são: • Deformação elástica excessiva, incluindo instabilidade elástica; • Deformação plástica excessiva, incluindo instabilidade plástica; • Altas tensões localizadas; • Fluência a alta temperatura; • Fratura frágil a baixa temperatura; • Fadiga; • Corrosão. Como conseqüência de vários acidentes graves, ocorridos principalmente nos Estados Unidos no início do século XX, foram criados grupos de trabalho para definirem critérios seguros de projeto, fabricação e inspeção de vasos de pressão e, desta forma, surgiram os códigos de projeto. O primeiro código americano, para vasos, foi editado pelo ASME (American Society of Mechanical Engineers), em 1925, intitulado “Rules for Construction of Pressure Vessels”, Section VIII, 1925 Edition. Todos os códigos tem como finalidade estabelecer regras seguras para projeto e fabricação apresentando metodologia e critérios para dimensionamento, fabricação, realização de exames não destrutivos, além de materiais aplicáveis com respectivas tensões admissíveis. Periodicamente os códigos são submetidos a revisões e novas edições para incorporarem novos tópicos e alterações decorrentes de avanço tecnológico. Cada código adota critérios e metodologias próprias, sendo que atualmente os mais adotados são os americanos ASME Section VIII, Division 1 e Division 2 [referência 1], o inglês PD 5500 (BS 5500) [referência 2] e a norma européia EN- 13445 [referência 54]. Existem outros códigos importantes como o ASME Seção VIII Division 3 [referência 1], o alemão AD-Merkbläter [referência 3] e o francês CODAP – Code de construction des Appareils a Pression, Division 1 et Division 2 [referência 61]. São apresentadas, a seguir as principais características dos códigos adotados com mais freqüência, referentes apenas a parte dedicada ao dimensionamento mecânico e com maior ênfase para os códigos ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2. 1.1 ASME Section VIII, Division 1 – Rules for Construction of Pressure Vessels É o código de maior aplicação no Brasil. Estabelece regras apenas para dimensionamento dos componentes principais (casco, tampos, reduções, flanges bocais e reforços), submetidos a Revisão 20081
  7. 7. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos pressão interna ou externa. Informa que outros carregamentos, como cargas de vento e sísmica, peso próprio e do conteúdo, esforços localizados em suportes soldados no equipamento ou em bocais, cargas cíclicas devidas a flutuações de pressão e temperatura, gradientes e expansões térmicas, devem ser consideradas, porém não estabelece metodologia para esta avaliação. Este código é limitado a pressões interna, máxima de 20685 kPa e mínima de 103 kPa, ou pressão externa máxima de 103 kPa. Tem como critério de projeto a teoria da “máxima tensão de ruptura”. Apresenta critérios e tabelas para obtenção de tensões admissíveis de tração e curvas para as tensões admissíveis de compressão na Seção II . Para diferentes tipos de materiais ferrosos e não ferrosos (exceto parafusos), as tensões admissíveis de tração são obtidas da seguinte forma: • Para temperaturas abaixo da faixa de fluência a tensão admissível de tração é o menor dos valores: • 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente; • 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto; • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto. A evolução dos fatores de segurança, para este código, está descrita no item 1.8. • Para temperaturas na faixa de fluência a tensão admissível de tração é o menor dos valores: • 100% da tensão média para uma razão de fluência de 0,01% / 1000 horas; • 67% da tensão média de ruptura ao fim de 1000000 horas; • 80% da tensão mínima de ruptura a 1000000 horas. Para alguns materiais não ferrosos e aços inoxidáveis austeníticos as tabelas de tensões admissíveis de tração apresentam dois níveis de tensões. Como regra geral, para componentes que permitem pequenas deformações (cascos e tampos) adota-se os maiores valores e para componentes onde deformações são prejudiciais ao desempenho (flanges) adota-se os menores valores. As tensões primárias de membrana, normais às paredes do vaso, induzidas pelos carregamentos impostos aos equipamentos não deverão ultrapassar os valores estabelecidos para as tensões admissíveis, admitindo que quando existirem tensões devidas a cargas de vento ou sísmicas, as tensões admissíveis poderão ser majoradas em 20%. Não estabelece critérios para classificação de tensões, porém admite que a combinação das tensões primárias de membrana e flexão poderão ser limitadas a 1,5 vezes o valor das tensões admissíveis. Apesar de prever flutuações de pressão e temperatura não apresenta critérios para análise de fadiga. O código somente trata de dimensionamento para pressões nos componentes principais, não apresentando métodos para computação e avaliação, nestes componentes, das tensões resultantes de esforços localizados tais como cargas nos suportes de sustentação (saias, pernas, selas, sapatas ou anéis), cargas em suportes de acessórios (tubulações ou plataformas) e cargas em bocais devidas esforços de tubulação. Para esta avaliação é necessário consultar a literatura complementar, indicada nas seções seguintes deste texto e Revisão 20082
  8. 8. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos também nas referências. No caso de dimensionamento que exija uma análise mais detalhada de tensões (incluindo tensões localizadas), normalmente emprega-se a teoria da máxima tensão de cisalhamento (ver seção 2). O código também estabelece uma metodologia para obtenção da temperatura mínima de projeto, para evitar fratura frágil, em função da tensão atuante, das espessuras requerida e nominal, da corrosão e do material. 1.2 ASME Section VIII, Division 2 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules A Divisão 2 do código ASME Seção VIII foi criada em 1969, como alternativa à Divisão 1, adotando critérios e detalhes de projeto, fabricação, exames e testes mais rigorosos e tensões admissíveis superiores, além de não limitar a pressão de projeto. O critério de projeto adota classificação de tensões para as mais usuais combinações de carregamento, análise de fadiga para equipamentos submetidos a condições cíclicas e gradientes térmicos e projeto alternativo baseado em análise de tensões em descontinuidades geométricas. Da mesma forma que a Divisão 1, não adota procedimentos para avaliação de tensões localizadas em suportes e bocais, sendo também necessário consultar a literatura complementar. É adotada a teoria da “máxima tensão de cisalhamento” (ruptura pelo cisalhamento máximo), conhecida como critério de Tresca, por sua facilidade de aplicação e por ser adequada para a análise de fadiga. Esta tensão é igual a metade da maior diferença algébrica entre duas das tensões principais (σ1, σ2, σ3 ) de um corpo submetido à tração. Nos sólidos de revolução estas tensões principais ocorrem nas direções longitudinal, tangencial e radial às paredes do vaso. Se σ1> σ2> σ3 ⇒ τ = 0,5 (σ1 - σ3) A intensidade de tensões (S) é definida como: S = 2 τ A intensidade de tensão resultante não deve ultrapassar a tensão máxima admissível Sm. Estabelece metodologia de cálculo de espessuras com fórmulas simplificadas, da mesma forma que a Divisão 1, ou cálculo alternativo baseado em análise e classificação de tensões em categorias. Caso seja adotada a alternativa de cálculo, com classificação e combinação de tensões, a tensão máxima admissível deverá ser multiplicada por um fator de intensificação (K), obtido em figuras e tabelas do código, além de permitir tensões majoradas dependendo da combinação da categoria das tensões atuantes envolvidas. Apresenta critérios e tabelas para obtenção de tensões admissíveis de tração e curvas para as tensões admissíveis de compressão na Seção II. Revisão 20083
  9. 9. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Para diferentes tipos de materiais ferrosos e não ferrosos (exceto parafusos), as tensões admissíveis de tração são obtidas da seguinte forma: • a tensão admissível de tração é o menor dos valores: • 1/3 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente; • 1/3 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto; • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto. A mínima resistência à tração deve ser multiplicada por 1,1 RT, e a mínima resistência ao escoamento multiplicada por RY. RT e RY são fatores de razão entre o valor médio das tensões nas curvas de tendência de temperatura dependente e as tensões na temperatura ambiente (de resistência à tração e cisalhamento respectivamente). Adota critérios e procedimentos para avaliação de baixa temperatura, de forma similar à Divisão 1. 1.3 ASME Section VIII, Division 3 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules for High Pressure Vessels A Divisão 3 do código ASME surgiu recentemente, com aplicação voltada para equipamentos projetados para operarem com altas pressões, em geral acima de 68965 kPa. Entretanto, pode ser usada para pressões inferiores e não restringe a aplicabilidade, em função da pressão, das Divisões 1 e 2. Embora seja parecida com a Divisão 2 nos critérios de projeto, adotando também a “teoria da máxima tensão de cisalhamento”, classificação e análise de tensões e avaliação de fadiga é mais rigorosa do que esta divisão. A utilização de materiais é restrita a poucas especificações e, por exemplo, aços carbono como as chapas em SA-515 e SA-516 e forjados em SA-105 não são permitidos. A análise de fadiga é mandatória para equipamentos projetados por esta divisão. Para evitar fratura frágil é exigido teste de impacto, quando as tensões primárias de membrana ultrapassarem o valor de 41,4 MPa [referência 35]. Ver também seção 15. Prevê adicionalmente avaliação de mecânica da fratura e projeto usando as tensões residuais favoráveis, devidas à deformação plástica nas paredes causadas por pressão (autofrettage). As espessuras são calculadas em função das tensões de cisalhamento dos materiais, obtidas na Seção II. 1.4 Critérios para escolha entre Divisão 1 e Divisão 2 Existem condições de projeto em que a utilização da Divisão 2 é mandatória. Sempre que um vaso está sujeito a carregamentos cíclicos e gradientes térmicos, deve ser projetado por esta Divisão, pois apenas nela está prevista metodologia de cálculo para estas exigências. Também Revisão 20084
  10. 10. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos é o caso de equipamentos com pressão interna de projeto superior a 20685 kPa, pois a Divisão 1 limita o seu escopo de aplicação a esta pressão. Caso não haja nenhuma das condições acima deve ser feita uma análise de custos e prazos para a seleção da Divisão a ser adotada. A Divisão 2 permite espessuras mais finas, devidas a tensões admissíveis mais altas (ver tabela 1.1), porém exige exames, testes e inspeção mais rigorosos (por exemplo: radiografia total), o mesmo ocorrendo com detalhes construtivos. Entretanto, existem algumas considerações, de caráter prático, que indicam a Divisão 2 como a mais apropriada: • Quando o diâmetro for maior que 1500 mm e a pressão interna ultrapassar 7,0 MPa; • Quando o vaso for construído de material de qualidade superior aos aços carbono do grupo P.1 e a pressão for superior a 2,0 MPa; • Quando o vaso for do tipo multicamada; • Quando a razão diâmetro/espessura for menor que 16; • Quando a espessura for maior que 75,0 mm. Estas considerações são ilustrativas e podem variar de acordo com os custos de fabricação da época. O emprego da Divisão 2 também é vantajoso em casos onde a redução da espessura requerida, em relação à Divisão 1, permite dispensar o tratamento térmico de alivio de tensões. Este é o caso de algumas esferas para armazenamento de GLP. A título de exemplo, a tabela 1.1 apresenta uma comparação entre as tensões admissíveis da Divisão 1 e da Divisão 2, para dois aços carbono de largo emprego na fabricação de vasos no Brasil (chapas SA-515-70 e SA-516-70). Temperatura (ºC) -29 a 38 93 149 204 260 315 343 371 399 427 454 482 510 538 Div 1 – S (MPa) 138 138 138 138 138 134 129 125 102 83 64 46 27 17 Div 2 – Sm (MPa) 161 159 155 149 141 129 127 126 NP NP NP NP NP NP SY (MPa) 262 240 232 224 214 200 194 187 181 176 170 165 160 155 SR (MPa) 482 482 482 482 482 482 482 482 476 443 404 360 316 156 SY – mínima resistência ao escoamento; SR – mínima resistência à tração; NP – não permitido Tabela 1.1 – Tensões Admissíveis – ASME Seção VIII, Divisão 1 e Divisão 2 1.5 PD 5500 (BS 5500) –Specifications for Unfired fusion welded pressure vessels Com a publicação da norma européia EN-13445, em 2002, o British Standard Institution cancelou a conhecida norma BS 5500, que era considerada a norma mais completa e compreensiva para vasos de pressão. Como os usuários ainda não estavam adequados para o Revisão 20085
  11. 11. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos uso da nova norma, houve solicitações para que a norma inglesa fosse mantida. Foi tomada a decisão de se manter este código, não mais como uma norma, e sim como um documento publicado (PD – “published document”), sendo emitido em 2003 e identificado como PD 5500. Este documento substituiu a última edição com as atualizações da BS 5500, sem alterar o seu conteúdo e aplicabilidade. A norma PD 5500 (BS 5500) é muito similar ao ASME Seção VIII Divisão 2 e EN 13445, adotando os mesmos critérios de projeto (teoria da máxima tensão de cisalhamento), e também com cálculo alternativo baseado em classificação e análise de tensões, além de avaliação de fadiga. As tensões admissíveis, indicadas em tabelas, são obtidas adotando-se o seguinte critério: a) para temperaturas até 50°C, deve ser o menor dos valores entre a.1 e a.2: a.1) Re / 1,5; a.2) Rm / 2,35 (para aços carbono e baixa liga) ou Rm / 2,5 (para aços austeníticos). Re – mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; Rm – mínima resistência à tração na temperatura ambiente. b) para temperaturas acima de 150°C, deve ser o menor dos valores entre b.1 e b.2: b.1) Re(T) / 1,5 (para aços carbono e baixa liga especificados para alta temperatura); Re(T) / 1,6 (para aços carbono e baixa liga especificados para alta temperatura); Re(T) / 1,35 (para aços austeníticos); b.2) Rm / 2,35 (para aços carbono e baixa liga) ou Rm / 2,5 (para aços austeníticos). Re(T) – mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto; Rm – mínima resistência à tração na temperatura ambiente. c) para temperaturas entre 50°C e 150°C o valor da tensão admissível deve ser interpolado linearmente das expressões dos itens a e b. d) para temperaturas na faixa de fluência: 1/1,3 da tensão média que provoca ruptura a uma determinada temperatura. O código ainda apresenta quatro níveis de tensões admissíveis, dependendo da vida útil do equipamento, que pode ser de 100000, 150000, 200000 e 250000 horas. Seções muito interessantes deste código são as que apresentam, nos Apêndices D e E, detalhes típicos de soldas dos componentes principais de forma muito completa (incluindo detalhes especiais para baixas temperaturas), e os procedimentos para avaliação de tensões localizadas em bocais e suportes soldados, além de dimensionamento de selas e suportes de apoio, apresentados no Apêndice G. Desta forma, este código pode dispensar consulta complementar para estes assuntos. É interessante notar que os códigos ASME recomendam a utilização da norma inglesa, como critério para avaliação de tensões localizadas, referindo-se ao Apêndice G da antiga BS 5500. Também tem procedimentos para cálculo de espelhos de trocadores de calor. Adota critérios e procedimentos para operação em baixa temperatura, para aços carbono e aços liga, em função da tensão de membrana atuante na parede do equipamento. Revisão 20086
  12. 12. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 1.6 AD-Merkblätter O código alemão é muito simples de ser usado e adota o critério da máxima tensão de membrana. É composto de várias seções, específicas para cada assunto ou componente. Adota altas tensões admissíveis, baseadas no critério a seguir: • Para temperaturas abaixo da faixa de fluência: • K/S • Para temperaturas na faixa de fluência deve ser o menor dos valores: • K/S; • Tensão para 1% de deformação por fluência. K é a resistência que pode ser específica para um determinado material, com valores indicados na seção W da norma (por exemplo: aços austeníticos) ou o valor das tensões de escoamento estabelecidas nas normas DIN (por exemplo: DIN 17155 – Boiler Plates) e S é um fator de segurança estabelecido para determinada forma de material e temperatura de projeto e fluência, bem como para a condição de teste (para aços laminados e forjados: S = 1,5, na condição de projeto e S = 1,1 na condição de teste pneumático ou hidrostático). Para compensar as altas tensões admissíveis são adotados materiais de alta qualidade e critérios extremamente rigorosos para detalhes de fabricação, exames, testes e inspeção. Normalmente um equipamento calculado pela AD-Merkblätter, apresenta espessuras requeridas menores do que as outras normas. No Brasil, em alguns casos especiais de vasos com altas pressões, como esferas de armazenamento de gás liquefeito, adota-se esta norma para obtenção de redução de espessura e, inclusive, evitando em alguns casos o tratamento térmico de alívio de tensões. No entanto, devem ser tomados cuidados especiais com a qualidade do material e com a escolha do fabricante/montador de forma a atender criteriosamente os requisitos da norma. Adota requisitos especiais para materiais, incluindo procedimentos e critérios, que operem em baixa temperatura (inferiores à – 10°C). 1.7 EN 13445 – Unfired pressure vessels A norma européia EN 13445, publicada pela CEN (Comitê Européen de Normalization), é uma norma recente, cuja primeira emissão foi em maio de 2002 após 10 anos de estudos. Está dividida em seis partes: • Parte 1 (EN 13445-1): Geral; • Parte 2 (EN 13445-2): Materiais; • Parte 3 (EN 13445-3): Projeto; • Parte 4 (EN 13445-4): Fabricação; • Parte 5 (EN 13445-5): Inspeção e Testes; • Parte 6 (EN 13445-6): Requisitos para projeto e fabricação de vasos de pressão e partes pressurizadas construídas com ferro fundido com grafite esfeiroidal. Revisão 20087
  13. 13. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Também adota, como o PD 5500 (BS 5500) e o ASME Seção VIII, Divisão 2, os procedimentos de cálculo simplificados baseados em fórmulas (DBF – Design by formulae) e com análise e classificação de tensões (DBA – Design by analysis). Para o procedimento DBA adota os critérios de resistência da máxima tensão de cisalhamento (Tresca) ou da máxima energia de distorção (Von Mises). Alguns dos principais tópicos, nem sempre incluídos em outras normas são: • Cálculo de espelhos para trocadores de calor; • Cálculo de tensões localizadas devidas às cargas em bocais; • Cálculo de vasos horizontais apoiados em selas, anéis e colunas; • Cálculo de vasos verticais apoiados em sapatas, anéis, pernas e saias; • Análise de fadiga (método simplificado e método detalhado); • Procedimento para avaliar a máxima pressão externa permitida para vasos com circularidade fora de tolerância. O critério para obtenção das tensões admissíveis para partes pressurizadas é: a) Aços (exceto fundidos) não austeníticos, com deformação mínima à ruptura abaixo de 30%: a.1) O menor dos dois valores abaixo, para condição de cargas de operação: • Re/t / 1,5 ou Rp0,2/t / 1,5; • Rm / 2,4 a.2) Para condição de teste: • Re/t / 1,05 ou Rp0,2/t / 1,05 b) Aços austeníticos (exceto fundidos), com deformação mínima à ruptura maior que 30% até 35%: b.1) Para condição de cargas de operação: • Rp1,0/t / 1,5; b.2) Para condição de teste: • Rp1,0/t / 1,05 c) Aços austeníticos (exceto fundidos), com deformação mínima à ruptura maior que 35% c.1) O maior dos dois valores abaixo, para condição de cargas de operação: c.1.1) Rp1,0/t / 1,5; c.1.2) o menor dos dois valores, quando o valor de Rm/t é disponível: Rm/t /3,0; Rp1,0/t / 1,2 c.2) O maior dos dois valores abaixo, para condição de teste: Rp1,0/t / 1,05; Rm/t /2,0, quando o valor de Rm/t é disponível ; Revisão 20088
  14. 14. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Re/t – mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto ou teste; R0,2/t – resistência ao escoamento para uma deformação residual de 0,2% na temperatura de projeto ou teste; R1,0/t – resistência ao escoamento para uma deformação residual de 1,0% na temperatura de projeto ou teste; Rm/t – mínima resistência à tração na temperatura de projeto ou teste. 1.8 Comparação de dimensionamento entre ASME Seção VIII, Divisões 1 e 2, PD 5500 (BS 5500), AD-Merkblätter e EN 13445, para um casco cilíndrico em aço carbono submetido à pressão interna Para comparação é apresentado um exemplo simples de espessuras requeridas, para um cilindro submetido apenas à pressão interna e sem corrosão, para chapa em aço carbono acalmado, adotando-se materiais equivalentes para os códigos em referência. Para efeito de equalização dos cálculos será adotado exame radiográfico total para a solda longitudinal, para o ASME Divisão 1, AD-Merkblätter e EN 13445. Para o ASME Divisão 2 e equipamentos classe 1 do PD 5500 (BS 5500) este exame total é mandatório. A tabela 1.2 apresenta um resumo dos resultados. A nomenclatura adotada é: • P, p: pressão interna; • D, Di: diâmetro interno; • Da: diâmetro externo; • R: raio interno; • S, f, K: tensões admissíveis, fator de segurança; • t, s, e: espessuras requeridas; • E, v, z: eficiência de solda. Pressão interna: 1,50 MPa Diâmetro interno: 4000 mm; diâmetro externo: 4044,4 mm (adotando chapa de 22,2 mm); Temperatura de projeto: 50°C; Materiais equivalentes: • ASME: SA-515-60/SA-516-60 (413,7 MPa / 220 MPa); • BS-1501-224-400A (400 MPa / 265 MPa); • DIN 17155 -19 Mn 5 (509 a 608 MPa / 313 MPa) • EN 10028-2 P265 GH (400 MPa / 215 MPa) As tensões indicadas entre parêntesis referem-se aos valores de mínima resistência à tração e ao escoamento, respectivamente. Tensões admissíveis na temperatura de projeto: ASME Divisão 1 (tabela 1A da Seção II Parte A): S = 117,9 MPa; ASME Divisão 2 (tabela 2A da Seção II Parte A): S =137,9 MPa; PD 5500 (BS 5500) (tabela 2.3-2 para vida útil de 150000 horas e espessura entre 16 mm e 40 mm): f =170 MPa; AD-Merkblätter (tabela 2 da DIN 17155): K = 270 MPa; EN 13445: f = 138 MPa (das tabelas da EN -10028-2) Revisão 20089
  15. 15. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Eficiência de solda: E = 1,0 (ASME VIII Divisão 1); v = 1,0 (AD-Merkblätter); z = 1,0 (EN-13445-3). Fator de segurança (AD-Merkblätter): S = 1,5 Código Fórmula Espessura requerida (mm) Espessura adotada (mm) ASME VIII, Divisão 1 t = PR / (SE – 0,6P) 25,64 28,6 ASME VIII, Divisão 2 t = PR / (S – 0,5P) 21,87 22,2 PD 5500 (BS 5500) e = pDi / (2f – p) 17,72 19,05 AD-Merkblätter s = PDa / (2K/S + P) 16,78 19,05 EN 13445 e = pDi / (2f z– p) 21,86 22,2 Tabela 1.2 – Espessuras requeridas e adotadas para aço carbono acalmado Observar que as espessuras requeridas são diferentes para todos os códigos. Pode-se adotar a mesma espessura nominal para o PD 5500 (BS 5500) e para AD- Merkblätter, que são as menores. Uma descrição bastante detalhada da comparação entre as Divisões 1 e 2 do ASME Seção VIII, consta da publicação do Welding Research Council, Bulletin 435, Repport 2 [referência 46]. 1.9 Evolução do ASME Seção VIII, Divisão 1 O código ASME, para todas as suas seções, sofre uma revisão geral a cada três anos e revisões parciais (adendas) nos anos intermediários. Estas revisões incorporam melhorias, resultados de experiências e estudos realizados por grupos de trabalho, sendo que as principais são referentes à: • Requisitos e regras de projeto; • Materiais; • Testes e exames não destrutivos; • Soldagem; • Fabricação e inspeção; • Incorporação de requisitos para componentes e materiais não cobertos pelas edições anteriores. Com relação à Seção VIII, Divisão 1, desde a sua publicação original em 1925, as revisões de impacto ocorreram a partir de 1942/1943. Resumidamente, as principais revisões relativas a projeto, são: • 1942/1943: redução do coeficiente de segurança para as tensões admissíveis, com relação à tensão de ruptura, de 5,0 para 4,0. Esta redução foi causada pela necessidade de economia de material durante a Segunda Guerra Mundial; Revisão 200810
  16. 16. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos • Edição de1950: inclui os requisitos de tratamento térmico de alívio de tensões, melhorias nas técnicas e materiais de soldagem e requisitos de tenacidade e teste de impacto para baixa temperatura (até –29°C) em aços carbono e de baixa liga; • Edição de 1968: esta edição inclui mudanças significativas, em relação às edições anteriores, abrangendo quase todo o escopo, detalhes de projeto, eficiências de solda, etc., Esta edição é essencialmente, no tocante a estes assuntos, a base da edição atualmente em vigor; • Addenda 1982: inclui o Apêndice AA - 1 (facultativo) para dimensionamento de espelhos para trocadores de calor casco e tubos com tubo “U”; • Addenda 1987: inclui critérios inteiramente novos, baseados em estudos de fratura frágil para vasos de pressão, relativos a tenacidade e teste de impacto para aços carbono e de baixa liga, introduzindo o conceito de redução de temperatura (em função do nível de tensão atuante), que podem chegar a valores abaixo de –29°C; • Edição de 1992: inclui o Apêndice AA - 2 (facultativo) para dimensionamento de espelhos fixos para trocadores de calor casco e tubos; • Addenda 1999: em 1998 foi publicado o Bulletin 435 do WRC [referência 46], propondo que uma redução no coeficiente de segurança para a tensão admissível, em relação à tensão de ruptura, de 4,0 para 3,5 para alguns materiais, poderia ser adotada sem que houvesse aumento na probabilidade de falha. Esta conclusão foi baseada na experiência com vasos em operação, testes de ruptura realizados em vasos de prova e, melhorias introduzidas ao longo dos anos, tais como critérios de projeto e requisitos de tenacidade, qualidade de materiais e mão de obra, além da evolução das técnicas de testes, ensaios e fabricação. Em junho de 1998, como conseqüência e aceitação do estudo do WRC, o ASME emitiu o “Code Case 2290 – Alternative Maximum Allowable Stress Based on a Factor of 3,5 on Tension Strength Section II, Part D, and Section VIII, Division 1”, alterando as tabelas de tensões admissíveis e os valores da curva de redução de temperatura para os requisitos de baixa temperatura e teste de impacto. Esta importante modificação foi definitivamente incorporada ao texto do código na addenda 1999; • Addenda 2003: Inclui a Parte UHX, para dimensionamento de espelhos de trocadores casco e tubos, agora de forma mandatória, em substituição ao Apêndice AA (espelhos com tubos em “U” e espelhos fixos). Estabelece também procedimentos para o dimensionamento de espelhos flutuantes. 1.10 Critérios para equipamentos existentes – API- 579 Os critérios e regras de projeto, estabelecidos pelos códigos são aplicáveis apenas para equipamentos novos. Para equipamentos em operação que estão sujeitos a danos como corrosão sob tensão, perda de espessura (localizada ou generalizada), trincas, etc. a aplicação destes códigos não é satisfatória e segura. A preocupação com a integridade de equipamentos em serviço resultou, recentemente, em uma série de procedimentos de verificação e inspeção para a adequação quanto a probabilidade de falhas e manutenção necessária para permanecer em operação. Dentre estes Revisão 200811
  17. 17. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos procedimentos, em termos de avaliação e inspeção, destacam-se as seguintes publicações do Welding Research Council (WRC) e do American Petroleum Intitute (API): • WRC 447 – Evaluation of Operating Margins for In-Service Pressure Equipment, publicado em 1999; • API-RP-581 – Risk Based Inspection, publicado em 1999; • API-RP-579 [referência 47] – Fitness-for-Service, publicado em 2000. O boletim WRC 447, estabelece que um fator de segurança de 2,4, referente à tensão de ruptura do material, menor que os fatores dos códigos de projeto, pode ser aplicado desde que uma série de exigências de avaliação de corrosão, tenacidade, exames não destrutivos de soldas (radiografia e ultra-som), e também que sejam atendidos os requisitos de fabricação, soldagem e tolerâncias conforme ASME Seção VIII, Divisão 2. Além destes requisitos também é exigido que todos os critérios e metodologia de cálculo estejam de acordo com o API-579. O API-581 é uma norma de inspeção que se baseia na análise de risco para elaborar e desenvolver planos de inspeção de forma a reduzir as probabilidades de falhas. Apresenta uma série de artigos com análise dos principais tipos de falhas (fadiga, corrosão sob tensão, fratura, ataque por hidrogênio a alta temperatura, etc) e figuras, gráficos e tabelas com taxas de corrosão por perda de espessuras para diversos materiais e meios corrosivos, susceptibidade a à corrosão sob tensão e para mecanismos de deterioração. O API-579 surgiu pela necessidade de haver um procedimento de cálculo e de avaliação de danos em vasos de pressão, tubulações e tanques de armazenamento em operação, devida à omissão dos códigos de projeto tradicionais para estes equipamentos em serviço. No caso de vasos de pressão esta norma é direcionada para equipamentos projetados e fabricados pela ASME Seção VIII, Divisões 1 e 2, e PD 5500 (BS 5500). A norma é dividida em seções, para avaliação e adequação dos seguintes itens: • Fratura frágil; • Perda de espessura generalizada; • Perda de espessura localizada; • Corrosão por pontos (“pitting”); • Empolamento (“blister”) e dupla laminação; • Desvios de forma (desalinhamento de soldas e distorções nos cascos); • Trincas; • Operação a alta temperatura e em regime de fluência (“creep”); • Danos causados por fogo. Estas avaliações têm como conclusão critérios de aceitação, baseados em tensões admissíveis, fatores de resistência (que define a aceitação de um componente do equipamento para operação contínua) e num diagrama de avaliação de descontinuidades planas (FAD- Failure Acessment Diagram), que define a aceitação de um componente com trincas. Ainda são apresentados diversos apêndices, com subsídios de cálculo, incluindo critérios, equações e soluções para: • Cálculo de espessuras e tensões atuantes; • Execução de análise de tensões; • Valores de coeficientes de intensificação de tensões em trincas; • Tensões e colapso de regiões com trincas; Revisão 200812
  18. 18. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos • Tensões residuais; • Propriedades de materiais; • Deterioração e métodos de falha. Em termos de cálculo, que é o objetivo principal deste texto, o Apêndice A da norma adota para as regras de cálculo de espessuras, tensões atuantes, área de reforço de bocais, e de Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) exatamente as fórmulas e procedimentos do ASME Seção VIII, Divisão 1. Com relação a este código e em particular para as tensões admissíveis que, como já mencionado, evoluíram com as revisões de suas edições e como se trata de equipamentos existentes a norma API-579 faz uma série de considerações interessantes. Inicialmente é permitido que o equipamento seja verificado de acordo com a última edição do ASME, desde que todos os itens abaixo, considerados como essenciais, estejam de acordo com esta edição: • Especificação de materiais; • Limites inferiores e superiores de temperatura; • Detalhes de projeto, especialmente para bocais e reforços e transições cônicas; • Requisitos especiais para condições cíclicas e de alta temperatura; • Detalhes de fabricação e qualidade de mão-de-obra; • Requisitos e procedimentos de inspeção; • Eficiências de juntas; • Requisitos de tenacidade e teste de impacto. Caso algum destes itens não esteja de acordo com a última edição do ASME, a verificação deve ser efetuada com a edição da época da fabricação do equipamento. Para as tensões admissíveis, devem ser adotados os valores correspondentes aos códigos de projeto, com a edição da época de projeto e fabricação do equipamento. Porém, para o ASME Seção VIII, Divisão 1 é permitida a utilização das tensões com fator de segurança reduzido, conforme adenda 1999, desde que todos os itens mencionados anteriormente como essenciais sejam respeitados e também sejam considerados os seguintes requisitos adicionais: • O vaso seja construído com a edição de 1968 ou posteriores (como já observado, esta edição incorporou detalhes, critérios, etc, que são basicamente os mesmos das edições recentes); • Os vasos atendam os requisitos de tenacidade e teste de impacto, para baixa temperatura, do API-579, que são idênticos aos requisitos incorporados na edição de 1987 do ASME e, portanto, entende-se que os equipamentos projetados por esta edição do ASME automaticamente tenham este requisito atendido. Ainda com relação às tensões admissíveis, para equipamentos conforme a Divisão 1 do ASME, é permitido que sejam adotadas as tensões da Divisão 2, que são menos conservativas, desde que não haja trincas nas regiões próximas de soldas de cascos esféricos, cilíndricos e cônicos. Estas regiões são denominadas “faixas de soldas” e são definidas como uma faixa de largura de 50,8 mm ou duas vezes a espessura da chapa (adotando-se o maior valor obtido), tendo a solda na linha de centro. É permitida a utilização de materiais com especificações anteriores a 1999. O ASME Seção II Parte A (materiais ferrosos) apresenta no Apêndice A da adenda de 1999, quais são as especificações e edições de materiais ASTM / ASME equivalentes e considerados aceitáveis. Revisão 200813
  19. 19. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos A tabela 1.3 apresenta um resumo desta equivalência para os materiais com emprego mais usual. Tipo de material Especificação ASTM Especificação ASME Edições aceitáveis (3) ASTM-A-36 (1) SA-36 1988 a 1996 ASTM-A-53 (1) SA-53 1988 a 1998 ASTM-A-105 (1) SA-105 1987 a 1998 ASTM-A-106 (2) SA-106 1988 a 1995 ASTM-A-178 (1) SA-178 1989 a 1995 ASTM-A-179 (1) SA-179 1988 a 1990a ASTM-A-181 (2) SA-181 1987 a 1995b ASTM-A-193 (2) SA-193 1987 a 1998a ASTM-A-194 (2) SA-194 1987 a 1998a ASTM-A-214 (1) SA-214 1988 a 1990a ASTM-A-234 (1) SA-234 1982a a 1997 ASTM-A-266 (1) SA-266 1987 a 1995 ASTM-A-283 (1) SA-283 1988 a 1993 ASTM-A-285 (1) SA-285 1982(1987) a 1990 ASTM-A-333 (1) SA-333 1994 ASTM-A-335 (2) SA-335 1988a a 1995a ASTM-A-350 (1) SA-350 1987 a 1995b ASTM-A-387 (1) SA-387 1998 a 1992 ASTM-A-420 (1) SA-420 1985a a 1995 ASTM-A-515 (1) SA-515 1982 a 1993 Aços carbono e aços liga ASTM-A-516 (1) SA-516 1986 a 1990 ASTM-A-182 (2) SA-182 1987a a 1998 ASTM-A-213 (2) SA-213 1988a a 1995a ASTM-A-240 (2) SA-240 1986c a 1997a ASTM-A-312 (2) SA-312 1988a a 1995a Aços inoxidáveis ASTM-A-403 (2) SA-403 1986 a 1995 ASTM-A-263 (1) SA-263 1988 a 1994aChapas cladeadas ASTM-A-264 (1) SA-264 1988 a 1994a Notas: 1 – As especificações ASTM são idênticas ás especificações ASME. 2 - As especificações ASTM não são idênticas às especificações ASME. Devem ser requalificadas para atender o ASME. 3 – A edição mais recente corresponde à edição válida na época da adenda 1999. Tabela 1.3 Equivalência e edições de materiais aceitáveis (Fonte: ASME Seção II, Parte A) Revisão 200814
  20. 20. 2 Categorias, Combinação e Limites de Tensões Nas paredes dos vasos de pressão existem tensões de membrana e flexão devidas a pressão e esforços localizados. As tensões de membrana são tensões normais e atuam uniformemente distribuídas na seção transversal das paredes. As tensões de flexão também são normais, porém variam linearmente em relação ao eixo neutro da seção transversal da parede do equipamento. Além disto, as tensões podem atuar uniformemente em toda a parede do equipamento (tensões gerais), oriundas de um carregamento uniforme como pressão, ou atuar localizadamente numa região restrita (tensões locais) como, por exemplo, tensões em bocais e aberturas. Como vimos na seção anterior, alguns códigos de projeto como o ASME Seção VIII, Divisão 2 e Divisão 3, o PD 5500 (BS 5500) e EN 13445 apresentam procedimentos de cálculo mais apurado, com critérios baseados em classificação de tensões em categorias. São apresentadas, a seguir, as várias categorias de tensões, em conformidade com estes códigos. 2.1 Tensões primárias (Pm , Pb e PL) São tensões causadas por esforços mecânicos permanentes, não incluindo as tensões devidas a concentrações e descontinuidades. Sua principal característica é não ser auto-limitante, isto é, não é reduzida ou anulada em função de deformações. Caso estas tensões levem ao escoamento do material poderão ocorrer deformações excessivas que causarão a ruptura e devem ser limitadas para evitar o colapso plástico da estrutura. São subdivididas nas categorias de tensões primárias gerais e locais. 2.1.1 Tensões primárias gerais de membrana (Pm) e primárias de flexão (Pb) São tensões necessárias para equilibrar as forças mecânicas internas ou externas. Havendo deformação nas paredes do vaso as tensões não serão reduzidas e, freqüentemente, levam ao colapso da estrutura. Por exemplo, a pressão interna provoca deformação que tende a aumentar o diâmetro, sem que esta deformação provoque redução na pressão e consequentemente diminuição da tensão. Estas tensões podem ser gerais de membrana (Pm) ou de flexão (Pb). Como exemplo das tensões primárias gerais de membrana pode-se citar as causadas por pressão, peso próprio e cargas de vento. Exemplos de tensões primárias de flexão são as causadas por pressão em placas planas e na região esférica de tampos conformados (ver seção 3). Revisão 200815
  21. 21. 2.1.2 Tensões primárias locais de membrana (PL) São tensões produzidas localizadamente por cargas mecânicas internas ou externas e têm algumas características das tensões secundária, que são auto-limitantes. Quando há deformação o carregamento é distribuído e absorvido pela parede do equipamento, na vizinhança do ponto de aplicação da carga. Estas tensões têm valores máximos no local de aplicação do carregamento e diminuem significativamente com o afastamento deste ponto. Havendo escoamento, estas tensões podem causar deformações plásticas excessivas, necessitando que sejam estabelecidos níveis de tensões admissíveis inferiores aos das tensões secundárias. Como exemplo destas tensões pode-se citar as tensões nas vizinhanças de um bocal ou de suportes, devidas a forças e momentos, ou causadas pela pressão nas descontinuidades estruturais, como flanges ou transições geométricas (por exemplo: junção de casco cilíndrico com tampos) e ainda em componentes com diferentes espessuras. Para estas tensões são admitidas maiores deformações do que para as tensões primárias gerais de membrana e as tensões de flexão. 2.2 Tensões secundárias (Q) São tensões normais ou de cisalhamento, cuja principal característica é ser auto-limitante. Pequenas deformações plásticas locais reduzem e limitam estas tensões que, geralmente, não provocam falhas nos equipamentos, e por este motivo têm tensões admissíveis superiores aos das tensões primárias locais. Estas tensões devem ser limitadas de forma que a estrutura não falhe por deformações acumuladas. São divididas em duas subcategorias: membrana e flexão. Como exemplo destas tensões pode-se considerar: • tensões de flexão causadas pela pressão em descontinuidades, como junção de tampos conformados com casco (ver seção 3); • tensões de flexão e de membrana causadas por forças e momentos devidas à expansão térmica; • tensões de flexão causadas por forças e momentos em bocais e suportes. Observar que as tensões locais de flexão são classificadas como tensões secundárias. 2.3 Tensões de pico (F) Tensões de pico são tensões incrementais, localizadas e normalmente provocam deformações reduzidas. A principal característica destas tensões é que não geram nenhuma deformação previsível, mas podem causar ruptura por fadiga ou, devido ao nível de concentração, fratura. São consideradas como tensões de pico as tensões térmicas em chapas cladeadas com aço inoxidável, as tensões devidas a concentrações e descontinuidades. Revisão 200816
  22. 22. Geralmente estas tensões somente são analisadas em equipamentos sujeitos a carregamentos cíclicos. Para maiores detalhes sobre tensões de pico e concentração de tensões, consultar a seção 14. 2.4 Combinação e limites de intensidade de tensões Todos os códigos estabelecem limites de tensões, em função da combinação dos carregamentos e das categorias de tensões. Tensões primárias de flexão, tensões locais de membrana, tensões secundárias e tensões de pico, como já visto, admitem deformações maiores do que as deformações decorrentes das tensões primárias de membrana, e por este motivo, pode-se majorar os limites de tensões admissíveis, quando pelo menos uma destas categorias está envolvida na combinação das tensões atuantes. Quando existem cargas cíclicas ou tensões de pico, deve-se adotar o procedimento que evite falha por fadiga e, desta forma o critério de tensão admissível é baseado nas curvas de tensão em função do número de ciclos admissíveis dos carregamentos. 2.4.1 Critério do ASME Seção VIII Divisão 1 Para as tensões primárias gerais de membrana o código estabelece os seguintes limites: Pm < S, quando a carga é apenas de pressão; Pm < 1,2 S, quando combina-se pressão com cargas devidas à vento,cargas de terremoto e cargas de peso próprio e de acessórios. Quando existem tensões primárias de flexão, adota-se: Pm + Pb < 1,5 S Embora o código reconheça a existência de tensões localizadas (PL e Q), devidas a descontinuidades, não inclui estas categorias na combinação de tensões. De acordo com o código, os limites devem ser estabelecidos com a experiência do projetista do equipamento. Normalmente, adota-se o critério de Tresca (teoria da máxima tensão de cisalhamento): Pm + PL + Pb + Q < 2 S < Sy O código não estabelece limites de tensões para fadiga, por não incluir esta análise no seu escopo de projeto. Vasos com cargas cíclicas ou tensões de pico, devem obrigatoriamente ser projetados pela Divisão 2. Para o dimensionamento mecânico, com esforços combinados envolvendo tensões primárias de membrana e flexão e tensões secundárias, várias firmas projetistas e fabricantes de equipamentos estabelecem seus critérios de combinação de esforços com respectivo critério de tensões admissíveis, que são muito semelhantes entre si. Como sugestão pode-se adotar a tabela 2.1, também apresentada no Pressure Vessel Design Handbook [referência 6], onde são consideradas várias condições de carregamento e combinação de tensões, com respectivas tensões admissíveis. Revisão 200817
  23. 23. Combinação de Carregamentos Condição Pressão Peso Próprio Carga de Vento Cargas Localizadas Cargas Térmicas Tensões Admissíveis Montagem Não Sim Sim Não Não 1,2 S Operação Sim Sim Sim Não Não 1,2 S Operação com Expansão Térmica Sim Sim Sim Não Sim 1,25 (S+Sa) Operação com Cargas Localizadas Sim Sim Sim Sim Não 2,0 S<Sy Teste Hidrostático Sim Não Não Não Não 0,8 Sy Notas: 1- Na condição de montagem adotar espessuras não corroídas; 2- Na condição de teste adotar espessuras da época de teste; 3- S – tensão admissível de tração na temperatura da condição considerada; Sa – Tensão admissível de tração na temperatura ambiente; Sy -tensão de escoamento na temperatura da condição considerada; 4- Caso as tensões calculadas sejam de compressão as tensões admissíveis são as estabelecidas pelo código; 5- Na combinação que inclui operação com expansão témica o limite de tensão 1,25 (S+Sa), é baseado no critério do ASME B 31.3 – ASME Code for Pressure Piping Tabela 2.1 – Combinação de carregamentos e tensões admissíveis 2.4.2 Critério do ASME Seção VII, Divisões 2 e 3, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445 Estes códigos, que adotam classificação de tensões, apresentam tabelas com as categorias em função do carregamento e da respectiva localização de atuação no equipamento. O critério para combinação das categorias e limites admissíveis para as intensidades de tensões atuantes, é apresentado a seguir: Pm < k S PL < 1,5 k S Pm + PL < 1,5 k S Pm + PL + Pb < 1,5 k S Pm + PL + Pb + Q < 3 k Smédio Pm + PL + Pb + Q + F < Sa Onde S é a tensão admissível do material na temperatura de projeto, Sa é a tensão admissível à fadiga e k é um fator de intensificação tensões dependente da combinação dos carregamentos. Este fator é definido em tabelas do ASME Seção VIII Divisão 2 e Divisão 3 e do PD 5500 (BS 5500). Para EN 13445 este fator k= 1,0. Para a Divisão 3 do ASME, a tensão S é Sy/1,5, onde Sy é a mínima resistência ao escoamento do material Revisão 200818
  24. 24. Na combinação que inclui tensões secundárias (Q), o valor 3 S deve considerar como tensão admissível a média das tensões nas temperaturas máxima e mínima, correspondentes ao ciclo de operação. O ASME Seção VIII, Divisão 2 e Divisão 3, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445 apresentam tabelas com a classificação das tensões, em função do componente do vaso (casco, tampos, bocais, etc.), da locação (em junção de bocais ou de tampos com casco, etc.) e da natureza das cargas (pressão, cargas localizadas, etc.). A tabela 2.3 reproduz esta classificação apresentada pelos códigos. 2.5 Bases para critério de tensões primárias e secundárias do ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445 Como já mencionado, cada tipo de tensão atua em diferentes pontos e causa efeito distinto na estrutura do equipamento. Desta forma, as tensões devem ser analisadas separadamente por categoria, em termos de critérios, para que se estabeleçam valores de tensões admissíveis. 2.5.1. Teorias de resistência Um estado de tensões, num ponto qualquer de uma estrutura, pode ser definido pelas magnitudes e direções das três tensões principais (S1, S2 e S3). Quando duas ou três destas tensões são diferentes de zero a ocorrência de falha é estabelecida por uma das três teorias de resistência: • Teoria da máxima tensão normal (adotada pela ASME Seção VIII, Divisão 1); • Teoria da máxima tensão de cisalhamento – Tresca (adotada pelo ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445); • Teoria da energia de distorção – Von Mises (também adotada pela EN 13445). Por experiência, é de conhecimento que as teorias de Tresca e Von Mises são muito mais precisas do que a teoria da máxima tensão normal, para falhas por escoamento e fadiga em materiais dúcteis. Também é reconhecido que a teoria de Von Mises é mais apurada do que a teoria de Tresca, porém esta foi a teoria escolhida pelos códigos de projeto por ser um pouco mais conservativa, mais fácil de aplicar e oferecer vantagens na análise de fadiga. A EN 13445 também emprega a teoria de Von Mises. S1 > S2 > S3 Figura 2.1 – Tensões principais Revisão 200819
  25. 25. A teoria da máxima tensão define que a máxima tensão de cisalhamento (τ) é igual à metade da máxima diferença algébrica entre as tensões principais. Desta forma, de acordo com a figura 2.1, tem-se: 0,5 (S1 – S3) = τ Pela teoria é estabelecido que, a falha ocorre quando a máxima tensão de cisalhamento (τ) atinge um valor correspondente à tensão de escoamento (Sy) num corpo de prova submetido à tração. Para um corpo de prova as tensões principais são: S1 = Sy; S2 = 0; S3 = 0 Então o escoamento, num determinado componente, ocorre quando: τ = 0,5 (S1 – S3) = 0,5 (Sy – 0) = 0,5 Sy Para evitar a divisão por 2, em ambos os termos da equação, quando feita a comparação com a tensão admissível, criou-se a expressão “intensidade de tensão” (Sm) que é o valor tabelado pelos códigos e que é a base para a determinação das tensões admissíveis referentes a cada tipo e/ou combinação de tensões. Para uma análise simplificada de vasos de pressão (não considerando análise de tensões e fadiga), na qual as fórmulas básicas dos códigos são baseadas, faz pouca diferença o uso da teoria da máxima tensão normal (ASME Seção VIII, Divisão 1), da teoria da máxima tensão de cisalhamento (ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445) ou da máxima energia de distorção (EN 13445). Como exemplo, num cilindro de parede fina e num ponto distante de qualquer descontinuidade, a tensão circunferencial (S1) é o dobro da tensão longitudinal (S2) e a tensão radial (S3), na parede interna, é de compressão e igual á pressão. S1 = σ; S2 = 0,5 σ; S3 = - p Como a pressão, p, é insignificante quando comparada com as tensões atuantes (p << σ), obtém-se resultados próximos para as duas teorias: • Pela teoria da máxima tensão normal (ASME Seção VIII Divisão 1): Tensão normal máxima: S1 = σ ≤ S • Pela teoria da máxima tensão de cisalhamento (ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445): Tensão máxima: S1 = σ; Tensão mínima: S3 = - p (S1 – S3) = σ + p; p ≈ 0 ⇒ σ ≤ Sm Revisão 200820
  26. 26. Para um estudo mais detalhado, conforme previsto no ASME Seção VIII Divisão 2, no PD 5500 (BS 5500) e na EN 13445, o emprego da teoria da máxima tensão de cisalhamento é importante. 2.5.2. Critérios de resistência e de tensões admissíveis do ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445 Como já mencionado, cada tipo de tensão atua em diferentes pontos e causam efeitos distintos nas estruturas. Desta forma, os diferentes tipos de tensão devem ser analisados separadamente, em termos de critérios, para determinação das tensões admissíveis. As tensões admissíveis, em função da intensidade de tensões (Sm), são estabelecidas pelos códigos de projeto de forma a oferecer adequada margem de segurança no dimensionamento dos vasos de pressão. Este critério foi publicado pelo ASME [referência 48], em 1969, e também faz parte de um estudo [referência 25], intitulado “Significance of Calculated Stress”. Tomando-se como base a tensão de escoamento, Sy, e considerando um fator de segurança de 1,5 adotado pelos dois códigos de projeto, tem-se que a intensidade de tensões é: Sm = 2/3 (Sy) Como é sabido que para algumas categorias de tensões as deformações podem exceder o limite elástico do material, é fundamental considerar uma análise de tensão-deformação na elaboração dos critérios. Inicialmente é assumida a consideração para a relação tensão/deformação no regime plástico perfeito, conforme mostrado no trecho OAB da figura 2.2. Esta consideração é conservativa já que não considera o efeito favorável de endurecimento causado pela deformação plástica (strain-hardening), que de uma forma simplificada pode ser observado no trecho AC desta mesma figura. Figura 2.2 – Regime elástico-plástico perfeito Revisão 200821
  27. 27. 2.5.2.1. Tensões primárias Como já visto, as tensões primárias podem ser de membrana (Pm) e de flexão (Pb). Para cada tipo de tensão, analisada individualmente, é adotado um critério de resistência. 2.5.2.1.1.Tensão primária geral de membrana (Pm) Numa barra sujeita apenas à tração ocorrem tensões primárias de membrana, sendo que uma carga que provoque escoamento resulta em colapso. Figura 2.3 - Barra submetida à tração Observando a figura 2.3, para uma barra retangular de área transversal “A”, para evitar o colapso a tensão atuante tem que ser menor do que a tensão de escoamento do material. Assim, tem-se: σ = F / A < Sy; Pm ≤ Sm = 2/3 (Sy) 2.5.2.1.2. Tensão primária de flexão (Pb) Um exemplo de tensão primária de flexão é a tensão que atua numa viga sujeita à flexão. A figura 2.4 mostra uma viga de seção transversal com altura unitária “h” e espessura “t”, submetida a um momento M. Figura 2.4 – Viga submetida à flexão pura Revisão 200822
  28. 28. Para um momento que cause escoamento (My), tem-se: Sy = 6 My / t2 Porém, de forma distinta ao que ocorre numa barra simplesmente tracionada, uma viga submetida à flexão, não sofre colapso por escoamento das fibras extremas. A falha ocorre quando o carregamento é incrementado por um “fator de forma” da seção transversal, de maneira que seja alcançado um fenômeno conhecido como rótula plástica (“plastic hinge”). Para uma seção retangular este fator de forma é 1,5, significando que o momento que causa colapso é 1,5 vezes o momento que causa escoamento. Desta forma, a tensão atuante máxima pode ser estabelecida como: σ = 6 M / t2 ≤ 1,5 Sy ; Pb ≤ 1,5 Sm = 1,5 x 2/3 (Sy) = Sy 2.5.2.1.3. Tensões combinadas – Gerais de membrana e flexão (Pm + Pb) Quando as tensões primárias numa barra retangular resultam de uma combinação de tensão geral de membrana e flexão (Pm + Pb), o carregamento limite depende de uma relação entre as duas tensões. A figura 2.5 mostra o valor calculado (limite de tensão), na face externa de uma seção retangular, para a tensão máxima combinada (Pm + Pb) que provoca o “plastic hinge” (situação de colapso), plotada contra a tração pura (Pm) na mesma seção, tendo como referência a tensão de escoamento (Sy). Figura 2.5 – Tensões combinadas (Pm + Pb) (Fonte ASME – referência 48) Revisão 200823
  29. 29. De acordo com a figura, tem-se: • Quando Pm = 0 (flexão pura) a tensão de falha é 1,5 Sy; • Quando Pb = 0 (tração pura) a tensão de falha é Sy; • Quando a tensão tração é Sy nenhuma tensão de flexão pode ser aplicada. Para as intensidades de tensões, como já mencionado adota-se o valor de 2/3 (Sy), obtendo-se as seguintes relações para as tensões admissíveis: Pm ≤ Sm = 2/3 (Sy); (Pm + Pb) ≤ 1,5 Sm = 1,5 x 2/3 (Sy) = Sy Observando-se a figura constata-se que a curva da tensão limite calculada não é constante para todas as combinações de tensões e, desta forma, o fator de segurança também poderia não ser constante. No entanto, este fator seria de difícil aplicação e o valor uniforme de 2/3 é adotado, conservativamente, pelos códigos. Embora a divisão 1 do ASME Seção VIII não contenha regras e fórmulas para determinação das tensões de flexão, são adotados estes mesmos princípios para as tensões combinadas com o valor de 1,5 S para a tensão admissível, quando se considera tensões primárias de flexão conforme já exposto no item 2.4.1(ver também parágrafo UG-23 c deste código). 2.5.2.1.4. Tensões primárias locais de membrana (PL) Como estas tensões têm características de falhas semelhantes às das tensões primárias de flexão, os códigos adotam os mesmos critérios de limites e tensões admissíveis. Sendo assim, tem-se: PL ≤ 1,5 Sm = 1,5 x 2/3 (Sy) = Sy; (PL + Pb) ≤ 1,5 Sm = 1,5 x 2/3 (Sy) = Sy 2.5.2.2. Tensões secundárias (Q) Como já visto, as tensões secundárias têm características auto-limitantes e permitem pequenas deformações plásticas localizadas. Na análise dos limites e intensidades destas tensões é importante o conceito da tensão “calculada” em base elástica e, sua comparação com o dobro da tensão de escoamento. A tensão “calculada” em base elástica é correspondente a uma tensão que provocaria uma deformação totalmente elástica e que seria a soma das deformações reais (ε1), sendo uma parcela desta deformação em regime elástico (εY) e outra parcela em regime plástico (ε1 - εY). Revisão 200824
  30. 30. De acordo com a figura 2.6, esta tensão é: S1 = E ε1, onde E o módulo de elasticidade do material. As tensões secundárias são assumidas como se fossem geradas por um carregamento cíclico, com uma deformação que vai de zero até ε1, retornando a zero. Desta forma, as tensões variam de zero a S1 e retornam a zero. Figura 2.6 – Tensão x deformação – limite para “shake down” (Fonte ASME – referência 48) A relação S1 = E ε1 = 2 Sy tem um significado especial para a análise das tensões secundárias. Para um carregamento que repetitivamente é aplicado e posteriormente retirado, levando a estrutura a uma acomodação com deformação nula sem que a plasticidade seja atingida (limite de shake down), esta relação determina a fronteira para o carregamento que produz ação puramente elástica, com deformação zero até εy, e o carregamento que produz ação plástica (a partir de εy) , cada vez que estes carregamentos são aplicados. Considere-se o exemplo das fibras extremas de uma viga submetida a um carregamento cuja deformação total é ε1 e que, após a remoção deste carregamento, retorna a sua condição inicial indeformada. Nesta condição haverá uma tensão residual, de compressão e magnitude S1 – Sy (trecho OC da figura). No carregamento subseqüente, esta tensão residual terá de ser anulada antes que a tensão atuante seja de tração. Desta forma, o regime elástico foi incrementado de um valor S1 – Sy. Se S1 = 2 Sy, o regime elástico incrementado é: (S1 – Sy) + Sy = (2 Sy - Sy) + Sy = 2 Sy Revisão 200825
  31. 31. Com tensões atuantes maiores, S1 > 2 Sy, acima do limite elástico incrementado, acarretando uma deformação plástica maior, conforme figura 2.7 (observar que o trecho AD é maior do que o trecho AB da figura 2.6), as fibras extremas escoam em compressão, trecho “EF” e, todos os carregamentos subseqüentes produzem deformações plásticas cíclicas com a possibilidade de ocorrer falha por fadiga plástica. Para tensões atuantes ainda maiores ocorre, a cada ciclo, deformação acumulada podendo ocasionar falha por colapso incremental. Figura 2.7 – Tensão x deformação – fadiga plástica / colapso incremental (Fonte ASME – referência 48) Para que não haja ocorrência de deformação plástica, a tensão “calculada” em base elástica deve ter o seguinte limite, para garantir o “shake down” em regime puramente elástico: S1 ≤ 2 Sy Desta forma, a tensão admissível, com ocorrência de tensão secundária, será limitada por: (Pm + PL e/ou Pb + Q) ≤ 3 Sm = 3 x 2/3 (Sy) = 2 Sy A tabela 2.2 resume as tensões admissíveis, para o ASME Seção VIII Divisão 2, em função das intensidades de tensões tabeladas (Sm), tensões de escoamento (Sy) e tensão de ruptura (SU), para as várias combinações de tensões primárias e secundárias. Combinação de tensões Tensões admissíveis Primária geral de membrana (Pm) Sm ≤ 2/3 (Sy) ≤ 1/3 (SU) Primária local de membrana (PL) 1,5 Sm ≤ (Sy) ≤ 1/2 (SU) Primárias de membrana e flexão (Pm + PL + Pb) 1,5 Sm ≤ (Sy) ≤ 1/2 (SU) Primárias e secundárias (Pm + PL + Pb + Q) 3 Sm ≤ 2 (Sy) ≤ 2 (SU) Tabela 2.2 – Tensões admissíveis – ASME Seção VIII Divisão 2 Revisão 200826
  32. 32. Componente do vaso Localização Causa da tensão Tipo de tensão Classifi- cação Pressão interna Membrana geral - Gradiente através da espessura - Pm QChapa do casco, distante de descontinuidades Gradiente térmico axial Membrana - Flexão - Q Q Casco cilíndrico ou esférico Junção com tampo ou flange Pressão interna Membrana - Flexão - PL Q Momento ou carga externa, ou pressão interna Geral de membrana ao longo da seção. Componente de tensão perpendicular à seção transversal Pm Qualquer seção transversal do vaso Momento ou carga externa Flexão ao longo da seção. Componente de tensão perpendicular à seção transversal Pm Próximo a bocal ou abertura Momento ou carga externa ou pressão interna Local de membrana - Flexão - Pico (filete ou canto) - PL Q F Todos os tipos de casco e tampos Qualquer posição Diferença de temperatura entre casco e tampo Membrana - Flexão- Q Q Região central (calota esférica para torisféricos, 80% do diâmetro para semi- elípticos) ou cônica Pressão interna Membrana - Flexão - Pm Pb Tampos conformados (torisféricos, semi-elípticos ou toricônicos) ou cônicos Região não central ou tórica e junção com o casco Pressão interna Membrana - Flexão - PL Q Região central Pressão interna Membrana - Flexão - Pm Pb Tampo Plano Junção com o casco Pressão interna Membrana - Flexão- PL Q Arranjo típico com passo uniforme Pressão Membrana - Flexão - Pico - Pm Pb FTampo ou casco perfurado Arranjo atípico ou isolado Pressão Membrana - Flexão - Pico - Q F F Pressão interna ou carga externa ou momento Membrana geral. Componente de tensão perpendicular à seção PmSeção transversal perpendicular ao eixo do bocal Carga externa ou momento Flexão na seção do bocal Pm Pressão interna Membrana geral - Membrana local - Flexão - Pico - Pm PL Q F Bocal Pescoço do bocal Expansão diferencial Membrana - Flexão - Pico - Q Q F Chapa bimetálica (clad) Qualquer Expansão diferencial Membrana - Flexão - F F Qualquer Qualquer Distribuição radial de temperatura Tensão linear equivalente - Parte não linear de distribuição de tensões - Q F Qualquer Qualquer Qualquer Concentração de tensões F Tabela 2.3 – Classificação de tensões para casos típicos (Fonte – ASME Seção VIII Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445) Revisão 200827
  33. 33. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 3 Tensões em Vasos de Pressão Os vasos de pressão são invólucros, normalmente compostos por diferentes tipos de sólidos de revolução, projetados suportar um diferencial de pressão entre o lado interno e o externo, sendo a pressão interna geralmente a maior. Os componentes principais dos vasos são: • Cilíndricos e esféricos, que compõe o corpo principal (casco); • Hemisféricos, semi elípticos e torisféricos, para tampos; • Cônicos e toricônicos, para tampos e reduções; • Discos planos, para tampos e flanges cegos; • Anéis para flanges. Nesta seção serão apresentadas as tensões que atuam nos sólidos de revolução, quando submetidos à pressão, sob um ponto de vista simplificado de balanço de forças. Uma análise de tensões mais detalhada é feita adotando-se a teoria das tensões de membrana, para paredes finas, que está muito bem apresentada na literatura existente sobre o assunto [referências 6, 7 e 9]. Os códigos de projeto adotam, para a obtenção destas tensões as equações de Lamè, Von Karman e Tsien e outras aproximações. As tensões que atuam nos elementos planos serão objeto de uma seção especifica. As formas e a geometria dos tampos estão mostradas na figura 3.6. 3.1 Cascos Cilíndricos As tensões nos corpos cilíndricos atuam nas direções longitudinal (σL) e circunferencial (σC), e podem ser observadas na figura 3.1. Do equilíbrio tem-se que as forças devidas à pressão são iguais às forças que atuam nas paredes do cilindro: Atuando na seção longitudinal: P 2 L r = σC 2 L t ⇒ σC = P r / t No ASME Seção VIII Divisão 1 esta tensão é definida como: S = ( P r / t ) + 0,6 P Atuando na seção circunferencial: P π r2 = σL 2 π r t ⇒ σL = P r / 2 t No ASME Seção VIII Divisão 1 esta tensão é definida como: S = ( P r / 2 t) – 0,4 P Revisão 200828
  34. 34. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Figura 3.1 Diagrama de corpo livre de cilindro 3.2 Cascos Esféricos e Tampos Semi-esféricos Nas esferas e semi-esferas as tensões circunferenciais (latitudinais) e longitudinais (meridionais) são iguais. Do equilíbrio de forças mostrado na figura 3.2, tem-se: P π r2 = σL 2 π r t ⇒ σL = P r / 2 t No ASME Seção VIII Divisão 1 esta tensão é definida como: S = ( P r / 2 t ) + 0,2 P Figura 3.2- Diagrama de corpo livre de esfera e semi esfera 3.3. Tampos e Seções Cônicas Os cones têm tensões diferentes para cada seção transversal, devidas à variação do raio tangencial. Cada seção pode ser considerada como um cilindro com raio tangencial r2. Considerando a seção A-A da figura 3.3, tem-se o equilíbrio de forças: r2 = R / cosα P π R2 = σL 2 π r2 t = σL 2 π R cosα σL = P r / 2 t cosα como σC = 2 σL ⇒ σL = P r / t cosα No ASME Seção VIII Divisão 1, para α = 30° máximo, esta tensão é definida como: S = (P r / t cosα) + 0,6 P Revisão 200829
  35. 35. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Figura 3.3- Diagrama de corpo livre de cone 3.4 Tampos Torisféricos Os tampos torisféricos são compostos de duas regiões, conforme mostrado na figura 3.4. Uma calota esférica na região central (2-4), com raio L e uma seção tórica (1-2) e (4-5), com raio r, que é uma região de transição para concordância com o casco cilíndrico. A parte tórica é muito pequena e as forças de descontinuidade nos pontos 2 e 4 tem grande influência nas tensões dos pontos 1 e 5, que são os pontos de concordância com o cilindro. Ocorrem tensões longitudinais σ 1 e tensões circunferenciais σ 2. Da teoria geral das tensões de membrana, aplicada aos pontos 2 e 4, tem-se o equilíbrio: σ1 / r + σ2 / L = P / t; Como na região esférica a tensão é: σ1 = P L / 2 t, tem-se: (P L / 2 t) / r + σ2 / L + P / t ⇒ σ2 = (P L / t) (1 – L / 2 r) Enquanto, na região tórica, as tensões circunferenciais variam e são máximas de compressão nos pontos 2 e 4, nestes mesmos pontos, considerando-se a calota esférica, estas tensões são iguais às longitudinais, de tração: σ1 = σ2 = P L / 2 t, para a calota esférica Figura 3.4 – Tensões nos tampos torisféricos Revisão 200830
  36. 36. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos As tensões de compressão nestes pontos, sofrem a influência das tensões de tração. Um trabalho de L.P. Zick, Circunferencial Stresses in Pressure Vessels of Revolution (ASME Paper nº 62-PET-4), determina que a tensão média nos pontos 2 e 4 é: σ2 = ( P L / 4 t) (3 – L / r) A aproximação feita pelo ASME Seção VIII, Divisão 1 resulta na seguinte fórmula: S = ( P L M / 2 t ) + 0,1 P, onde M é um fator de forma: M = 0,25 [ 3 + ( L/r)1/2 ] A variação das tensões, num tampo torisférico, pode ser observada na figura 3.5: Figura 3.5 – Distribuição de tensões em tampos torisféricos (Fonte: AD-Merkblätter) Na região cilíndrica as tensões são de membrana e não variam, sendo a tensão circunferencial (σ2) o dobro da longitudinal (σ1). Na calota esférica, região 2 a 3, as tensões também não variam e são de membrana, sendo a longitudinal igual a circunferencial (σ1 = σ2). Na parte tórica, região 1 a 2, as tensões variam de compressão à tração e vice-versa, sendo diferentes para as paredes interna (i) e externa (e). Os tampos torísféricos, chamados de 2:1, com L = 0,904 D e r = 0,173 D, e consequentemente M = 1,32, tem geometria similar a uma semi elipse e são conhecidos como “falsa elipse”, sendo Revisão 200831
  37. 37. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos que o ASME Seção VIII, Divisão 1 permite que sejam calculados adotando a fórmula de cálculo da elipse, fato que proporciona pequena redução da espessura requerida. Os tampos torisféricos, devidos a sua conformação, sofrem redução por estricção na espessura da chapa. Esta redução ocorre, geralmente, na parte tórica ou próximo a ela. Deve-se tomar cuidado na escolha da espessura nominal da chapa pois, após a conformação, a espessura mínima encontrada deve ser igual ou superior à espessura requerida. 3.5 Tampos Semi-elípticos Os tampos semi-elípticos são similares aos tampos torisféricos. Devido a dificuldade de fabricação, que exige ferramenta especial para a estampagem, não é muito comum o seu emprego no Brasil. A aproximação feita pelo ASME Seção VIII, Divisão 1 resulta na seguinte fórmula, para a tensão: S = ( P D K / 2 t ) + 0,1 P Onde K é um fator de forma que varia em função da relação D / 2 h, onde h é o semi-eixo menor. O tampo mais comum é o chamado 2:1, onde a relação D / 2 h é 2, com K = 1. 3.6 Tampos Toricônicos Os tampos toricônicos, a exemplo dos torisféricos, têm uma região tórica de transição, entre a geratriz do cone e o cilindro. São utilizados quando o semi ângulo de vértice (α) é maior que 30°, que é o limite estabelecido pelo ASME para os tampos simplesmente cônicos Devem ser calculados, de acordo com o ASME Secão VIII Divisão 1, em duas etapas, obtendo- se as seguintes tensões: • Como cone, utilizando o diâmetro (Di) da maior seção cônica; • Como torisférico, utilizando como raio L o raio tangencial do cone (L = Di / 2 cosα) A tensão de referência, para determinação da espessura requerida, deverá ser o maior dos valores calculados. Da mesma forma que para os tampos torisféricos, a espessura mínima da chapa, após a perda de espessura na conformação, deve ser igual ou superior à requerida. Revisão 200832
  38. 38. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Figura 3.6 – Tipos e geometria dos tempos 3.7 Tensões em descontinuidades Além das tensões de membrana, ocorrem tensões em descontinuidades devidas à mudanças geométricas ou de propriedades de materiais. Estas tensões são resultantes da compatibilização das diferentes deformações (rotação e deslocamento) para cada elemento surgindo as cargas de equilíbrio, momento e cisalhamento, conforme mostrado na figura 3.7. Figura 3.7 – Cargas nas descontinuidades É necessária uma avaliação das tensões para os seguintes carregamentos: • Pressão; • Cargas mecânicas; • Cargas térmicas. Revisão 200833
  39. 39. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Para a avaliação deve-se calcular as deformações específicas de cada elemento e, nas junções devido à restrições, o equilíbrio é obtido igualando-se os resultados. Desta forma, há um sistema de equações que fornece as tensões atuantes. Existem procedimentos específicos para esta avaliação, por exemplo, o Artigo 4-7 do ASME Seção VIII, Divisão 2, também sendo comum o emprego de análise por elementos finitos. Revisão 200834
  40. 40. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 4 Materiais e Corrosão O objetivo desta seção é fornecer os requisitos mínimos para a escolha mais adequada do material a ser empregado no equipamento. Serão apresentados quais os fatores mais importantes que influenciam nesta escolha, alguns problemas que ocorrem com freqüência e qual a solução para contorná-los. Não será feita nenhuma descrição detalhada dos materiais e de suas propriedades, pois existe literatura específica sobre o assunto. Os materiais mais usados em projetos de vasos de pressão são os aços carbono, aços liga e aços inoxidáveis, abrangendo uma ampla faixa de temperatura entre –250 °C e 1100 °C. A escolha do material básico (aço carbono, aço inoxidável, ligas de níquel, etc.), em geral, é feita pela engenharia básica, que tem detém a tecnologia do processo a que o equipamento está submetido e tem conhecimento da natureza e concentração do fluido, PH, fatores de contaminação e taxas anuais de corrosão. Cabe ao projetista mecânico do equipamento a especificação final do material, de acordo com o código de projeto a ser adotado, considerando a resistência mecânica e outros fatores como temperatura e corrosão sob tensão, se houver. Pela grande utilização dos códigos ASME, no Brasil, toda as especificações de materiais, aqui apresentadas, serão feitas com base nas especificações ASME Section II, Part A – Materials – Ferrous Materials, ASME Section II, Part B – Materials – Nonferrous Materials e ASME Section II, Part D – Materials – Properties. Os materiais destas especificações são iguais ou muito similares aos materiais ASTM (American Society for Testing and Materials) que podem ser utilizados desde que sejam exatamente iguais aos materiais ASME, ou quando houver alguma diferença, o fabricante requalificá-los conforme as exigências do ASME. A tabela 4.1 apresenta uma referência para a utilização destes materiais, para aços carbono, aços liga e aços inoxidáveis, em função da temperatura e do componente do equipamento. Cada código de projeto requer especificações de materiais próprias, eventualmente permitindo o uso de especificações de outros organismos. O ASME permite o uso de materiais, para chapas, conforme as especificações européias EN 1028-2 e EN 1028-3, com algums requisitos específicos. Vários outros fatores, frutos da experiência e de resultados de testes, também são relevantes para a seleção do material e serão vistos a seguir. 4.1. Corrosão por perda de espessura e vida útil Os equipamentos, em geral, são projetados para determinada vida útil, dependendo da sua classificação, que considera o custo, tipo de equipamento e sua importância para a instalação em que opera, além da corrosão, devida à perda de espessura, e que no projeto mecânico é compensada com a sobre-espessura para corrosão. Revisão 200835
  41. 41. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos Normalmente, a vida útil adotada para cada tipo de equipamento é: • Torres de fracionamento, reatores, vasos de alta pressão e trocadores de calor tipo casco e tubos: 20 anos; • Vasos de aço carbono: 10 a 15 anos. Serviço Temperatura (°C) Chapas Tubos Forjados Parafusos e porcas Acessórios de tubulação (4) > 815 SA-240-310S SA-312-TP 310 SA-182-F-310 (1) SA-403-WP 310 594 a 815 SA-240-304, 316,321e 347 SA-312-TP 304H, 316H,321H e 347H SA-182-F 304H, 316H,321H e 347H SA-193-B8 SA-194-8 SA-403-WP 304H, 316H,321H e 347H 538 a 593 SA-387 Gr 22 SA-335-P 22 SA-182-F 22 SA-193-B5 SA-194-3 SA-234-WP 22 470 a 537 SA-387 Gr 11 e 12 SA-335-P 11 e 12 SA-182-F 11 e 12 Altatemperatura 414 a 469 SA-204-Gr B e C SA-335-P 1 SA-182-F 1 SA-193-B7 SA-194-2H SA-234-WP 11 e 12 351 a 413 SA-515 Gr 60 e 70 Temperatura Moderada (2) 1 a 350 SA-285 Gr C SA-515 Gr 60 e 70 SA-516 Gr 60 e 70 SA-106 B SA-105 SA-193-B7 SA-194-2H SA-234-WPB -15 a 0 SA-106 B SA-234-WPB -28 a -16 SA-516 Gr 60 e 70) SA-193-B7 SA-194-2H -45 a -29 SA-516 Gr 60 e 70 (3) SA-333 Gr 6 SA-350-LF2 SA-420-WLP 6 -59 a -46 SA-203 Gr A e B SA-333 Gr 9 SA-420-WLP 9 Baixa temperatura (2) -104 a -60 SA-203 Gr C e E SA-333 Gr 3 SA-350-LF3 SA-320-L7 SA-194-4 SA-420-WLP 3 -195 a -105 SA-240- 304, 304L, 316 e 316L SA-312- TP304, 304L, 316 e 316L SA-182-F 304, 304L, 316 e 316L SA-403-WP 304, 304L, 316 e 316L Criogênico -253 a -196 SA-240- 304, 304L e 347 SA-312- TP304, 304Le 347 SA-182-F 304, 304L e 347 SA-320-B8 SA-195-8 SA-403-WP 304, 304L e 347 (1) Material não especificado pelo ASME (2) Verificar necessidade de teste de impacto (ver item 4.2.2) (3) Material normalizado (4) Curvas, tês, reduções e caps Tabela 4.1 – Seleção de Materiais (especificações conforme ASME) 4.2. Resistência para condições de temperatura A temperatura é um fator extremamente importante na seleção dos materiais, por apresentarem resistência e características diferentes para temperaturas distintas. 4.2.1 Alta temperatura A partir de 350 °C os aços carbono entram na faixa de fluência do material, porém não representando grandes problemas até aproximadamente 420 °C, quando a tensão admissível diminui significativamente com o aumento da temperatura e, devida à baixa resistência, deve- se optar pelos aços liga ou inoxidáveis, conforme mostrado na tabela 4.1. Revisão 200836
  42. 42. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos 4.2.2 Baixa temperatura Em baixas temperaturas os aços carbono apresentam susceptibilidade à fratura frágil (ver seção 15), requerendo teste de impacto e/ou normalização. Os códigos de projeto apresentam procedimentos para determinação da necessidade de teste de impacto, que dependem do tipo e espessura do material, para temperaturas entre -48 °C e 49 °C. Também apresentam critérios para redução da temperatura que requer o teste de impacto, baseado num critério de “razão de utilização da resistência” do material, ou seja a razão entre a espessura requerida corroída de cálculo e a espessura nominal corroída, adotada para cada componente do equipamento, e que também pode ser entendida como a razão entre a tensão atuante e a tensão admissível deste componente. A seção 15 descreve o procedimento adotado pelo ASME Seção VIII, Divisão 1, para obtenção destas temperaturas. Os aços inoxidáveis austeníticos, por terem temperatura de transição (temperatura onde ocorre a fragilização do material), em torno de –250°C, são largamente empregados para serviços com baixa temperatura e criogênicos, pois não requererem teste de impacto. 4.3 Custo O custo é um dos fatores determinantes para a seleção do material, pois na prática há vários materiais que podem ser especificados para uma mesma condição. Dependem também dos procedimentos de cada fabricante e das condições de soldabilidade. Alguns fluídos contidos nos vasos de pressão, devidos à corrosão, exigem o emprego de material de maior custo, como aços inoxidáveis, ligas de níquel (por exemplo: monel) e algumas ligas especiais como hastelloy, inconnel e titânio. Neste caso, para evitar altos custos, pode-se adotar chapas bimetálicas (chapas clad), que são chapas com material base (estrutural) em aço carbono e com um revestimento no material desejado. A espessura do revestimento, normalmente entre 1,5 e 3,0 mm, deve ser adequada à taxa de corrosão. Estas chapas podem ser fabricadas pelos processos de co-laminação ou de explosão. O material do revestimento também poderá contribuir para a resistência da chapa, caso seja conveniente, obtendo-se a tensão admissível como a média ponderada das tensões de cada material em relação às suas espessuras. Outro aspecto que envolve custo é a necessidade de tratamento térmico de alívio de tensões que, em alguns casos, pode ser difícil de executar. Este tratamento depende do material, da espessura e de alguns serviços especiais que veremos no item 4..6. Os códigos normalmente exigem este tratamento para aços carbono com espessuras iguais ou superiores a 38,0 mm. 4.4 Facilidade de fabricação Existem alguns fatores que podem dificultar a fabricação, tais como dificuldade de conformação e soldabilidade. Na prática a boa soldabilidade é garantida quando o teor de carbono é, no máximo, 0,26% e quando o “carbono equivalente” for menor que 0,42%. Revisão 200837
  43. 43. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos O carbono equivalente é uma taxa, em função do teor de alguns dos elementos da composição da liga do material, definido como: CE = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Cu + Ni) / 15 4.5 Disponibilidade no mercado Ao se selecionar o material deve-se considerar esta disponibilidade, para a espessura e dimensões requeridas de cada especificação. Por exemplo, materiais com certificado DIN são difíceis de se encontrar no Brasil, assim como aços liga e inoxidáveis, além de ligas especiais como monel e hastelloy. Estes materiais, na maioria das vezes, têm de ser importados ou requerem quantidade mínima de fornecimento. 4.6 Serviços especiais e corrosão sob tensão Alguns produtos e substâncias que operam nos vasos de pressão provocam tipos diferentes de corrosão, sendo a mais freqüente a chamada ”corrosão sob tensão”. Serão apresentados, a seguir, os serviços com corrosão sob tensão que mais estão presentes nos equipamentos de processo. 4.6.1 Serviço com hidrogênio O hidrogênio provoca fissura induzida pelo hidrogênio, nos aços, conhecida como HIC (hydrogen induced cracking). O serviço com hidrogênio é considerado quando a pressão parcial do hidrogênio é igual ou superior a 0,45 MPa. A norma API-941- “Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants”, do American Petroleum Institute, estabelece condições seguras para utilização de aços carbono e aços liga com este tipo de serviço. As “curvas de Nelson” apresentadas nesta norma e reproduzidas na figura 4.1, indicam os limites para emprego destes materiais em função da temperatura e pressão parcial de hidrogênio. Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam boas condições de utilização, independentemente dos parâmetros acima. As empresas com experiência em equipamentos para a indústria petroquímica costumam estabelecer requisitos adicionais para estes materiais. Para os aços carbono estes são os principais requisitos: • Tratamento térmico de alívio de tensões; • Dureza das soldas e das zonas termicamente afetadas (ZTA): máximo 200 Brinell (HB), após o tratamento térmico, medidas conforme norma NACE RP0472 [referência 55]; • Materiais para chapas totalmente acalmado e normalizado (SA-515 Gr 60/70 ou SA- 516 Gr 60/70); • Materiais para aços carbono forjados (SA-105 e SA-266) fabricados a quente ou a quente e normalizados; • Tubos sem costura para troca térmica (SA- 234) e para tubulações (SA-106); • Todas as soldas dos componentes dos equipamentos sujeitos à pressão e em contato com o fluido devem ser de penetração total e com radiografia total; • Reforços integrais para bocais (não são admitidos reforços com chapas sobrepostas); • Exame de ultra-som, conforme ASTM-A-578, para chapas com espessuras iguais ou superiores a 12,5 mm; Revisão 200838
  44. 44. Projeto Mecânico de Vasos de Pressão e Trocadores de Calor Casco e Tubos • Controle de carbono equivalente para chapas, tubos (incluindo tubos de troca térmica) e forjados, normalmente entre 0,41% a 0,45%, dependendo do material; • Composições químicas mais restritas do que as permitidas pelas especificações de materiais para alguns elementos, como S, P e Al para chapas e C, S e P para forjados e tubos (incluindo tubos de troca térmica). Figura 4.1- Limite de utilização de materiais para serviço com hidrogênio (Fonte: API-941) 4.6.2. Serviço com H2S O ácido sulfídrico, em presença de umidade, provoca nos aços corrosão sob tensão por sulfetos, conhecida como SSC (sulfide stress cracking), nas regiões de alta dureza dos equipamentos, normalmente soldas e zonas termicamente afetadas. Também há a ocorrência de empolamento e trincas induzidas pelo hidrogênio - HIC (hydrogen induced cracking), que quando combinada com tensões residuais é conhecida como SOHIC (stress oriented hydrogen induced cracking). O órgão americano NACE (National Associaation of Corrosion Engineers) elaborou estudos e emitiu normas que tratam deste tipo de corrosão. O enquadramento dos equipamentos neste tipo de serviço pode ser obtido da norma da NACE Standard MR 0175 [referência 56], através de curvas em função da pressão parcial e da concentração (em ppm) de H2S, além da pressão total do sistema. Esta mesma norma estabelece uma série de requisitos para diferentes materiais ferrosos e não ferrosos, de forma a permitir seu uso nestas condições de serviço. Recentemente a NACE emitiu o relatório 8X194 [referência 57] criando uma série de práticas para materiais e fabricação de novos equipamentos e classifica o serviço com H2S em três categorias. Os requisitos são estabelecidos, principalmente, para especificações dos materiais, procedimentos de soldagem, exames não destrutivos e testes de dureza. Revisão 200839

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