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  1. 1. NTT - VASOS DE PRESSÃO CURSO DE VASOS DE PRESSÃO 1
  2. 2. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► 1 – INTRODUÇÃO 2 – NORMAS DE PROJETO 3 – TENSÕES EM VASOS DE PRESSÃO 4 – FADIGA EM VASOS DE PRESSÃO 5 – CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E DE PROJETO DE VASOS DE PRESSÃO 6 – DIMENSIONAMENTO DE VASOS DE PRESSÃO 7 – TESTES DE PRESSÃO EM VASOS DE PRESSÃO 8 – ACOMPANHAMENTO DE VASOS DE PRESSÃO 9 – DESENVOLVIMENTO DO PROJETO E DA CONSTRUÇÃO DE VASOS DE PRESSÃO 10 – SELEÇÃO DE MATERIAIS 11 – CORROSÃO 12 – AÇOS CARBONO 13 – AÇOS LIGA 14 – AÇOS INOXIDÁVEIS 15 – DETALHES E ACESSÓRIOS EM VASOS DE PRESSÃO CONVENCIONAL 16 – DETALHES EM VASOS ESPECIAIS 17 – DESENHOS DE VASOS DE PRESSÃO 18 – FABRICAÇÃO, MONTAGEM E CONTROLE DE QUALIDADE 19 – RECOMENDAÇÕES DE MATERIAIS DE ALGUNS SERVIÇOS 2 TÍPICOS
  3. 3. NTT - VASOS DE PRESSÃO Capítulo 1 Introdução 3
  4. 4. NTT - VASOS DE PRESSÃO Definição ► A expressão “vasos de pressão” (pressure vessel) designa genericamente todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, com dimensão principal (diâmetro) superior a 150 mm (06 polegadas), formato (normalmente de seção circular) e finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado (acima de 1,0 kgf/cm2 ou 15 psi). 4
  5. 5. NTT - VASOS DE PRESSÃO Projeto dos vasos de pressão ► A grande maioria dos vasos de pressão são itens projetados e construídos “taylor-made”, ou seja, por encomenda. Desta forma, são dimensionados, projetados e fabricados para atender determinadas condições de processo, pressão e temperatura, bem como tendo seu material selecionado para operar com determinado fluido e condição de corrosão. 5
  6. 6. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Nas principais indústrias, três condições apresentam-se que tornam necessário um elevado grau de confiabilidade: Regime contínuo de trabalho; Cadeia contínua de produção; Condições de grande risco, onde entendemos “risco” como a probabilidade de ocorrência de grande perigo ou dano. 6
  7. 7. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Armazenamento de gases sob pressão Os gases são armazenados sob pressão para que se possa ter um grande peso num volume relativamente pequeno. ► Acumulação intermediária de líquidos e gases Isto ocorre em sistemas onde é necessária a armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos. ► 7 Processamento de gases e líquidos Inúmeros processos de transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão.
  8. 8. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Indústrias químicas e petroquímicas ► Indústrias alimentares e farmacêuticas ► Refinarias ► Terminais de armazenagem e distribuição de petróleo e derivados. ► Estações de produção de petróleo em terra e no mar. 8
  9. 9. NTT - VASOS DE PRESSÃO Classes e finalidades ► Inicialmente faremos uma pequena separação entre os vasos de pressão: Sujeitos à chama (ASME, Seção I); Não sujeitos à chamas (ASME, Seção VIII); Sujeitos à radiação nuclear (ASME, Seção III) ► Nosso enfoque será exclusivamente para aqueles vasos de pressão não sujeitos à chama, nem à radiação nuclear. 9
  10. 10. NTT - VASOS DE PRESSÃO • Vasos não sujeitos a chama : Vasos de armazenamento e acumulação; Torres de destilação fracionada, retificação, absorção, etc,... Reatores diversos; Esferas de armazenamento de gases; Permutadores de calor; Aquecedores; Resfriadores; Condensadores; Refervedores; Resfriadores a ar 10 • Vasos sujeitos a chama: Caldeiras; Fornos. • Classificação didática diferenciar vasos de pressão de tanques de armazenamento : 0 - 0,5 psig : API-650 0,5 - 15,0 psig : API-620 > 15,0 psig e vácuo : ASME, BS-5500, AdMerkblatter, etc,...
  11. 11. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► 11 Corpo (casco ou costado): Normalmente cilíndrico, cônico, esférico ou combinação dessas formas. Tampos: Normalmente nos tipos semi-elípticos, toroesféricos, semi-esféricos. cônicos, toro-cônicos, toroesféricos e planos.
  12. 12. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Teoricamente, o formato ideal para um vaso de pressão é uma esfera, com a qual se chega à menor espessura de parede e, portanto, ao menor peso, para um mesmo volume interno. 12
  13. 13. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Entretanto, os vasos esféricos são caros e difíceis de fabricar, justificando-se, somente, em condições de grande volume interno e/ ou elevada pressão, quando sua menor espessura é justificável economicamente. ► Atualmente, só podemos fabricar esferas em duas peças forjadas com um diâmetro inferior a três metros (03 m). Contudo, estas peças forjadas são importadas e de elevado custo. 13
  14. 14. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Esfera de GLP: Diâmetro: 19m Pressão: 20 bar Espessura: 76 mm 14
  15. 15. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Desta forma, os vasos cilíndricos são preferencialmente utilizados. As dimensões que o caracterizam são: o seu diâmetro interno (ØDIC) o seu comprimento entre tangentes (CET). 15
  16. 16. NTT - VASOS DE PRESSÃO Casco cilíndrico ► www.cessco.ca/cessco/main_images 16
  17. 17. NTT - VASOS DE PRESSÃO Tampos ► As peças de fechamento dos cascos cilíndricos são denominadas tampos. ► Os mais usuais são: Elipsoidal; Toroesféricos Esférico; Cônico; Plano. 17
  18. 18. NTT - VASOS DE PRESSÃO 18
  19. 19. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► Tampos elipsoidais com relação entre semi-eixos de 2:1 tampos elipsoidais “padrão”. Tampos toroesféricos com relação de semi-eixos 2:1 preferencialmente do tipo conhecido como “falsa elipse”. O código ASME permite que tampos torisféricos “falsoelipse” possam ser dimensionados através das equações de cálculo para tampos semi-elípticos. Geometria ASME 6% ASME 10% ASME 2:1 19 Tampos Toroesféricos L r D 0,06.D D 0.904.D 0,10.D 0.173.D h 0,169.D 0,194.D 0.250.D (Falsa elipse)
  20. 20. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► 20 A fabricação de tampos semi-elípticos possui um custo mais elevado pela necessidade de uma matriz específica para o diâmetro e relação de eixos da geometria. Os tampos torisféricos são obtidos pela conjugação de 2 diferentes geometrias: calota esférica central, obtida por prensagem e raio da região tórica, obtida por rebordeamento da chapa. Os tampos semi-esféricos podem ser empregados em equipamentos com pressões mais elevadas, onde o “lay-out” permita. A vantagem está relacionada ao menor nível de tensões atuantes.
  21. 21. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► 21 Os tampos cônicos possuem resistência mecânica inferior ao costado cilíndrico, o que exige maiores espessuras. Para cones com semi-ângulos superiores a 30o é exigida uma análise de tensões para o dimensionamento, não sendo mais válidas as equações de cálculo do código ASME e outros. A utilização de uma transição tórica entre o tampo cônico e o costado cilíndrico permite uma melhor acomodação das tensões existentes nas mudanças geométricas e confere uma resistência maior a transição entre os componentes.
  22. 22. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Tampos elipsoidais podem ser construídos com chapas da mesma espessura utilizadas na fabricação do casco, descontada a perda pela conformação. ► Na realidade, atualmente, tampos elipsoidais com diâmetro de 1,8 m são possíveis de construir com uma única peça. 22
  23. 23. NTT - VASOS DE PRESSÃO Preparando o chanfro para soldagem de um tampo elipsoidal 23
  24. 24. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os tampos toroesféricos são constituídos por uma calota esférica central (crown) de raio Rc e por uma seção toroidal de concordância (knuckle) de raio Rk. ► O tampo toroesférico é de fabricação mais fácil do que o elíptico. ► O tampo toroesférico é tanto mais resistente quanto mais próximo de uma elipse se aproximar. 24
  25. 25. NTT - VASOS DE PRESSÃO Tampo toro-esférico 25
  26. 26. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Tampos esféricos, fabricados a partir da soldagem de chapas prensadas, apresentam quase a metade da espessura do casco cilíndrico e são utilizados normalmente, quando temos grande volume e alta pressão. 26
  27. 27. NTT - VASOS DE PRESSÃO Soldagem de tampo hemisférico 27
  28. 28. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Tampos cônicos, embora fáceis de construir, são pouco utilizados, pois são menos resistentes. ► Seu emprego é restrito praticamente ao tampo inferior de vasos verticais, quando queremos garantir o escoamento do fluido. ► O Código de projeto ASME propõe o uso de tampos cônicos até o semi-ângulo de 30°. Isto não significa que não podemos projetar tampos cônicos com ângulos superiores, apenas que seu cálculo fica muito complexo. 28
  29. 29. NTT - VASOS DE PRESSÃO Tampo cônico em um Tambor de Coque 29
  30. 30. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os tampos planos são utilizados, normalmente, quando temos pressão baixa e, normalmente, são do tipo removível para facilitar o acesso para manutenção.(vide figuras). 30
  31. 31. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►Tampos ► 31 planos – ligação com o costado Figura UG-34, extraída do ASME, Seção VIII, Div.1
  32. 32. NTT - VASOS DE PRESSÃO Costado cilíndrico com espessura mínima requerida de 25,0 mm, conectado ao tampo: Tipo de tampo de fechamento do costado Elipsoidal 2:1 Espessura mínima requerida (aproximada) 25,0 mm Torisférico 6% Torisférico 10% 44,3 mm 38,5 mm Torisférico Falso elipse Semi-esférico 29,8 mm 12,5 mm Cônico 10o Cônico 20o 25,4 mm 26,6 mm Cônico 30o 28,9 mm 32
  33. 33. NTT - VASOS DE PRESSÃO Tipo Tampo Características Semi-elíptico Resistência igual ao casco cilíndrico de mesmo diâmetro; Geralmente com relação 2:1 Toro-esférico Raio int. máx. da calota esférica = diâmetro externo do casco; Raio mín. concordância tórica : 6% do diâmetro int. da calota; Mais fracos do que os semi-elípticos; Mais fáceis de fabricar. Semi-esférico Melhor resistência mas com construção difícil; Empregados quando os diâmetros são muito grandes (>6,0 m) e quando o espaço permite. Cônico Baixa resistência mas com construção bastante fácil; Podem ter concordância tórica; Empregados por exigência do processo, diâmetros médios e baixa pressão. Plano Vários tipos, removíveis ou não; Baixa resistência sendo exigidas grandes espessuras; Empregados em diâmetros pequenos e tampos removíveis 33
  34. 34. NTT - VASOS DE PRESSÃO Transição de forma e de espessura ► Qualquer transição geométrica (forma e/ ou espessura) resulta em uma distribuição irregular e concentração de tensões nesta região. Por este motivo, os Códigos de projeto fazem uma série de exigências de maneira a minorar este efeito. 34
  35. 35. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Na ligação de um corpo cilíndrico com um tampo esférico, por exemplo, é exigido que a diferença entre as bordas seja de 3y (ver figura), de tal maneira a suavizar a transição de forma. ► Contudo, devemos nos lembrar que esta transição deve ser feita do lado do tampo esférico, de forma a garantir a continuidade de espessura do casco cilíndrico. 35
  36. 36. NTT - VASOS DE PRESSÃO Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 1, figura UW-13.1 36
  37. 37. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Da mesma maneira, para tampos elipsoidais ou toroesféricos, a transição de forma é abrupta, motivo pelo qual exigimos uma seção cilíndrica integral com o tampo, com cerca de 50 mm para garantir uma certa distância entre a linha de solda e a linha de tangência. 37
  38. 38. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para tampos cônicos ou transições tronco-cônicas, tem-se uma severa transição de forma, motivo pelo qual o Código de projeto exige a verificação de necessidade de reforço para compensar as severas tensões geradas pela descontinuidade de forma. ► Estes reforços deverão ser localizados próximos da transição de forma, de maneira a garantir a sua efetividade. 38
  39. 39. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão I, UG-36 39
  40. 40. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Bocais (nozzles) : Ligação com tubulações de entrada e saída de produto. Instalação de válvulas de segurança. Instalação de instrumentos, drenos e respiros. ► Podem ainda existir aberturas feitas para ligação entre o corpo do vaso e outras mesmo vaso; por exemplo, ligação a drenagem (sumps). 40 permitir a partes do potes de
  41. 41. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►É um ponto de concentração de tensões. ► Necessária a colocação de reforços junto as aberturas feitas num vaso de pressão. ► Reforços normalmente utilizados : Disco de chapa soldado ao redor da abertura. Utilização de maior espessura de parede para o vaso ou bocal. Peças forjadas integrais. Pescoço tubular com maior espessura 41
  42. 42. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Disco de chapa soldado ao pescoço tubular e a parede do vaso é permitido para qualquer diâmetro mas não deve ser usado quando a espessura da parede do vaso e igual ou superior a 50,0 mm. ► Não é recomendado para serviços com baixa temperatura ou serviços cíclicos. 42
  43. 43. NTT - VASOS DE PRESSÃO (A) Anel de chapa soldado ao pescoço tubular e à parede do vaso: Permitido para qualquer diâmetro mas não deve ser usado quando a espessura da parede do vaso é igual ou superior a 50 mm. Não é recomendado para serviços em baixa temperatura ou para serviços cíclicos. (B) Disco de chapa de maior espessura, soldado de topo no vaso: Permitido para qualquer diâmetro e pode ser usado nos casos em que o anel de chapa não é permitido ou não é recomendado. (C) Peça forjada integral: Permitido para qualquer diâmetro, sem limitações, sendo entretanto sempre de custo elevado. (D) Pescoço tubular de maior espessura: Permitido, sem limitações, para diâmetros nominais até 10”, inclusive, devendo o pescoço tubular ser de tubo sem costura ou de tubo forjado (o tubo forjado é preferido para esses casos). 43
  44. 44. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão é muito grande. ► Todas as peças internas que devam ser desmontáveis, (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores de névoa, etc...) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções. 44
  45. 45. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Reforços de vácuo. ► Anéis de suporte de isolamento térmico externo. ► Chapas de ligação, orelhas ou cantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas. ► Suportes para turcos de elevação de carga. ► Turcos para as tampas de bocas de visita e outros flanges cegos. 45
  46. 46. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Vasos verticais : “saia” de chapa sapatas ou colunas. ► Esferas para armazenagem de gases: colunas ► Vasos horizontais : dois berços (selas) ► Permutadores de calor: Selas Estruturas superpostas 46 Tampo Costado cilíndrico Suporte De Costado cônico Di CET CET De Costado cilíndrico Di Costado cilíndrico Suporte Cilíndrico Vertical Cilíndrico Vertical CET De CET Di De Di Suporte Cilíndrico Horizontal Cilíndrico Inclinado Di Di CET De De Suporte Suporte Cilíndrico Cônico ESférico
  47. 47. NTT - VASOS DE PRESSÃO H(mm) Saia de Suporte 6000 Colunas de Suporte 2000 300 47 2000 3000 D(mm) D : diâmetro H : comprimento entre linhas de tangência
  48. 48. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter um trecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes casos: Temperatura de projeto abaixo de – 10oC. Temperatura de projeto acima de 250oC. Serviços com Hidrogênio. Vasos de aços-liga, aços inoxidáveis e materiais não ferrosos. 48
  49. 49. NTT - VASOS DE PRESSÃO 49
  50. 50. NTT - VASOS DE PRESSÃO Trocadores de calor – casco e tubos ► Os trocadores de calor são vasos de pressão com características próprias. Apenas a título ilustrativo, apresentaremos a tabela do TEMA para classificação dos tipos de trocadores. 50
  51. 51. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►Tabela TEMA para classificação de trocadores de calor 51
  52. 52. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A seleção do tipo de trocador de calor é afetada por características de serviço, tais como pressão, temperatura, material selecionado, limpeza, etc. ► Todas as exigências e recomendações sobre materiais, detalhes de projeto do Código ASME são observados nos projetos dos trocadores TEMA. 52
  53. 53. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►Dentro das seguintes limitações: casco com diâmetro de 1524 mm ( 60 polegadas); pressão de projeto até 204 kgf/cm2 (3000 psig); produto do diâmetro interno do casco (em polegadas) pela pressão (em psig) até 60.000. 53
  54. 54. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A norma TEMA abrange três classes de trocadores, caracterizados pelo serviço a que se destinam: Classe R: refinarias, petroquímicas; Classe C: serviço químicos; Classe B: serviços com menor responsabilidade. 54
  55. 55. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Montagem Argentina) 55 de trocador de calor (foto COMETARSA –
  56. 56. NTT - VASOS DE PRESSÃO Processos de fabricação ► A imensa maioria dos vasos de pressão é fabricada a partir de chapas de aço, ligadas entre si por soldagem. ► Como a dimensão usual para as chapas de aço é de 12,40 m x 2,44 m, podemos deduzir as dimensões possíveis para a utilização de uma única chapa. 56
  57. 57. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A utilização de várias chapas conformadas no diâmetro necessário para a construção do vaso nos permite a fabricação de vasos com as mais diversas dimensões. Contudo, devemos sempre nos lembrar de defasar as soldas longitudinais, de maneira a evitar a propagação de alguma trinca ao longo de um caminho preferencial. 57
  58. 58. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Vasos com dimensões mínimas (até ØDIC de 12 polegadas) são usualmente fabricados de tubos sem costura. ► Até 610 mm (cerca de 24 polegadas), a utilização de tubos com costura não é incomum, ressalvado o fator econômico. 58
  59. 59. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os tampos elípticos ou toroesféricos podem ser calandrados em uma única peça de diâmetro de 1,80 m, utilizando-se uma única chapa. ► (foto ATB - Itália) 59
  60. 60. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para valores superiores seria necessária a soldagem de várias chapas. Contudo, devemos salientar que devemos evitar a existência de uma solda integralmente dentro da região de maior curvatura do tampo (cerca de 75% do raio externo). 60
  61. 61. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os tampos normalmente são fabricados por prensagem da calota central e rebordeamento nas margens. ► Caso a sua conformação provoque uma deformação nas fibras externas superior a 5%, o Código ASME exige a realização de um tratamento térmico de alívio de tensões. 61
  62. 62. NTT - VASOS DE PRESSÃO Capítulo 2 Normas de projeto 62
  63. 63. NTT - VASOS DE PRESSÃO Natureza e finalidade das normas de projeto ► São textos normativos desenvolvidos por associações técnicas ou sociedades de normalização públicas ou particulares de diversos países. 63
  64. 64. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► As normas americanas de vasos de pressão (Código ASME) abrangem não só critérios, fórmulas de cálculo e exigências de detalhes de projeto, mas também regras, detalhes e exigências de fabricação e montagem, inclusive inspeção. 64
  65. 65. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►O escopo ou o campo de aplicação de cada norma é definido previamente, por exemplo, o Código ASME não é aplicado para vasos com pressões inferiores a 1,05 kgf/cm2 (15 psi) manométricos. ► Devemos lembrar que as normas foram garantir estabelecidas para principalmente condições mínimas de segurança para a operação. 65
  66. 66. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Qualquer norma é um conjunto coerente, ou seja, suas exigências são todas inter-relacionadas e mutuamente interdependentes. Este ponto é extremamente importante: “NÃO PODEMOS MISTURAR CÓDIGOS DIVERSOS”. 66
  67. 67. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Comentários ►A filosofia geral das normas consiste em limitar as tensões nos componentes elementares do vaso a uma fração de uma característica mecânica do material (limite de ruptura, limite de escoamento, deformação por fluência). ► Desta forma, a filosofia de projeto é embutida no Código. 67
  68. 68. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Do Código ASME, por exemplo, é citada a expressão “vazar antes de romper” (leak before break). ► Está implícita, assim, a sua limitação sobre a tensão de escoamento do metal e seu cuidado de não atingir uma região de comportamento frágil deste material. 68
  69. 69. NTT - VASOS DE PRESSÃO nenhuma norma de projeto destina-se a substituir ou a diminuir a responsabilidade do projetista. Caberá a ele a aplicação criteriosa do Código e sua será a responsabilidade integral. ► Contudo, 69
  70. 70. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►É interessante notar que as normas são documentos dinâmicos, submetidos rotineiramente a revisões e atualizações, acréscimos e até possíveis correções. Por este motivo, o projetista deve estar atento à última edição da norma e das variações que ela sofreu. 70
  71. 71. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Entre 1870 e 1910, pelo menos 10.000 explosões em caldeiras foram registradas na América do Norte. Após 1910, a taxa se elevou para 1.300 a 1.400 falhas ao ano. Em 1905, ocorreu um explosão de caldeira em uma fábrica de sapatos em Brockton, Massachusetts (EUA), que motivou a criação de norma regulatória, denominada Massachusetts Rules, sobre o projeto e construção de caldeiras, emitida em 1907. 71
  72. 72. NTT - VASOS DE PRESSÃO The Brockton, Massachusetts shoe factory (58 mortos e 117 feridos) 72 Shoe factory after the boiler explosion of March 20, 1905 which led to the adoption of many state boiler codes and the ASME Boiler and Pressure Vessel Code (Hartford Steam Boiler Inspection & Insurance Company).
  73. 73. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► O Comitê de Caldeiras do ASME foi criado em 1911, com publicação da primeira edição do código em 19141915, exclusivamente para Caldeiras Estacionárias (Seção I). Em 1924, seria publicada a Seção VIII, referente a vasos de pressão não sujeitos a chama. Nesta época já existiam normas européias para caldeiras e vasos de pressão. Até a década de 60, os códigos eram baseados em critérios ditados pela experiência, pouca base teórica e mecanismos de falha mais simples. Simplesmente era exigido que a espessura do equipamento fosse capaz de suportar a tensão máxima atuante, e que o material fosse suficientemente dúctil de forma a acomodar, sem riscos imediatos, tensões de pico e tensões geradas em regiões de descontinuidades geométricas. 73
  74. 74. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► Outro grupo, mais recentemente desenvolvido, tem por filosofia a adoção de maiores tensões de projeto, associadas a uma rigorosa e criteriosa análise de tensões, aplicação de teoria da plasticidade, conceitos de mecânica da fratura e da avaliação da vida útil a fadiga dos equipamentos. A motivação para este desenvolvimento decorreu do seguinte: O advento e difusão da tecnologia com a construção de reatores nucleares, que exigiam um maior conhecimento de mecanismos de falha, análise e a classificação das tensões associadas a equipamentos, considerando a elevada conseqüência de um vazamento do fluido; Necessidade de redução do conservadorismo no projeto convencional de vasos de pressão e na identificação de critérios deficientes para a definição do comportamento estrutural. 74
  75. 75. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► Com a redução do nível de insegurança na definição do comportamento estrutural dos equipamentos, permitiu-se o estabelecimento de fatores de segurança mais adequados. O ASME Seç.III, editado em 1963, foi o primeiro código a utilizar tais desenvolvimentos. Como resultado da abordagem proposta foram identificados 2(dois) diferentes critérios de projeto: Projeto convencional (design by rules): que emprega soluções analíticas consagradas para o dimensionamento de vasos com detalhes padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, ..); Projeto alternativo (design by analysis): que inclui componentes com geometrias e/ou carregamentos não convencionais, onde o dimensionamento depende de uma análise e classificação das tensões atuantes e comparação com valores admissíveis. O ASME Seç.VIII – Divisão 2 incorporou este critério de projeto em sua primeira edição em 1968. 75
  76. 76. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Foram identificados, na época, 8 diferentes modos de falha, assim denominados: Deformação elástica excessiva incluindo instabilidade elástica; Deformação plástica excessiva; Fratura frágil; Deformação e tensões a altas temperaturas (creep); Instabilidade plástica (colapso incremental); Fadiga de baixo ciclo; Corrosão sob tensão; Corrosão-fadiga. 76
  77. 77. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► 77 Nesta época, os cálculos eram basicamente analíticos e desenvolvidos segundo teoria de cascas e placas. O cálculo numérico, com ferramentas mais poderosas, tais como o método dos elementos finitos era ainda restrito a trabalhos científicos mais específicos. Isto explica a definição de tensões admissíveis e mecanismos de falha com regras simples, baseadas em teorias de viga e cascas, que prevalece até hoje, por exemplo no código ASME. Os mecanismos de falha identificados pelo ASME são evitados, para equipamentos novos, com adoção de tensões admissíveis e critérios de dimensionamento, substanciados por fatores de segurança adequados.
  78. 78. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► 78 Para o caso de deformação elástica excessiva e instabilidade elástica, não apenas a tensão atuante no equipamento deve ser limitada, mas também considerações sobre a rigidez do componente são fundamentais para que estes mecanismos de falha não ocorram. A fratura frágil é melhor evitada com a seleção e qualificação de materiais com maior tenacidade, não susceptíveis a uma fratura brusca. A fadiga de baixo ciclo, corrosão sob tensão e corrosão-fadiga estão relacionados a seleção adequada dos materiais base e junta soldada, requisitos de fabricação, detalhes de projeto, etc,... A deformação plástica excessiva e o colapso plástico incremental são evitados através do dimensionamento dos componentes, considerando os diversos tipos de tensões e seus efeitos.
  79. 79. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os principais códigos de projeto, fabricação, montagem e testes de vasos de pressão são os seguintes: País Código Instituição Responsável U.S ASME Boiler & Pressure Vessel Code ASME U.K PD 5500 Unfired Fusion Welded Pressure Vessels British Standard Institute Germany AD Merblatter Arbeitsgemeinschaft Druckbehalter Italy ANCC Associazione Nationale Per Il Controllo Peula Combustione Netherlands Regeis Voor Toestellen Dienst voor het Stoomvezen Sweden Tryckkarls kommissionen Swedish Pressure Vessel Commission Australia AS 1210 Unfired Pressure Vessels Standards Association of Australia Belgium IBN Construction Code for Pressure Vessels Belgian Standards Institute Japan MITI Code Ministry of International Trade and Industry France SNCT Construction Code for Unfired Pressure Vessels Syndicat National de la Chaudronnerie et de la Tuyauterie Industrielle Brasil P-NB-109 ABNT 79
  80. 80. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Elaborado pela British Standards Institution : materiais, projeto, fabricação, inspeção e testes dos vasos de pressão. SEÇÃO 1 - Parte Geral; SEÇÃO 2 - Materiais; SEÇÃO 3 - Projeto; SEÇÃO 4 - Fabricação e Montagem; SEÇÃO 5 - Inspeção e Testes ► Apêndices principais : Apêndice A - Análise de Tensões, similar ao ASME Seç.VIII Div.2; Apêndice B - Efeito combinado de outros carregamentos; Apêndice C - Fadiga; Apêndice G - Cargas localizadas. 80
  81. 81. NTT - VASOS DE PRESSÃO Elaborado pela Associação dos Construtores de Vasos de Pressão. SÉRIE G - Parte Geral; SÉRIE A - Acessórios; SÉRIE B - Projeto; SÉRIE W - Materiais. SÉRIE HP – Fabricação e Testes SÉRIE N – Materiais não metálicos SÉRIE S – Casos especiais Informações gerais : • Dimensionamento através de tensões de membrana fórmulas simplificadas; • Tensão calculada corrigida através de fatores de forma; • Tensões admissíveis mais elevadas que o código ASME, por exemplo; • Maiores exigências sobre o material, fabricação e inspeção. 81 ►
  82. 82. NTT - VASOS DE PRESSÃO Código ASME, Seção VIII, Divisão 1 ► É a norma de projeto mais difundida no Brasil. ► Estão excluídos do seu escopo: vasos sujeitos a chama; vasos sujeitos a ocupação humana; vasos com pressão de operação interna entre 0 a 15 psig ou acima de 3000 psig (210,9 kgf/cm2 man.); vasos com diâmetro inferior a 6 polegadas; vasos para água pressurizada com pressão de operação até 300 psig (cerca de 21 kgf/cm2 man); vasos para água quente com capacidade de até 120 galões (0,454 m3) e temperatura até 210°F (99°C). 82
  83. 83. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Estão incluídos os evaporadores e os trocadores de calor (sem chama) onde há geração de vapor e outros vasos nos quais possa haver geração de vapor, desde que não sujeitos à chama, e desde que atendam os requisitos PG58, PG 59, PG-60, PG 61 e PG-67 até PG-73 do Código ASME , Seção I, conforme o Code Case 1855. 83
  84. 84. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Embora as fórmulas explicitadas no Código considerem apenas a pressão (interna ou externa), os demais carregamentos (pesos, ação do vento, etc) devem ser considerados pelo projetista (ver U-2 (g)). ► Ou seja, a responsabilidade do projetista estende-se à análise das cargas a considerar e o modo como serão analisadas. 84
  85. 85. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A 85 estrita aplicação do Código ASME exige que: o fabricante seja formalmente autorizado pelo ASME (selo ou stamp); seja feita uma inspeção formal, por Inspetor qualificado; seja feito um relatório (Manufacturer’s Data Report) de acordo com os formulários do apêndice W; sejam estabelecidas formalmente as condições de projeto do equipamento: margem de corrosão; indicação de serviço com fluido letal; necessidade de tratamentos térmicos, além daqueles exigidos pelo Código; observância dos parágrafos PG-59 a PG-61 do Código ASME, Seção I, para os vasos incluídos em sistemas de geração de vapor.
  86. 86. NTT - VASOS DE PRESSÃO Seção I II ► É o código tradicionalmente utilizado no Brasil : materiais, projeto, fabricação, montagem e testes da maioria dos vasos de pressão, permutadores e caldeiras utilizadas na indústria do petróleo. III Conteúdo Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers) Part A — Ferrous Material Specifications Part B — Nonferrous Material Specifications Materiais Part C — Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler Metals (Materials) Part D — Properties (Customary) Part D — Properties (Metric) Subsection NCA — General Requirements for Division 1 and Division 2 Division 1 Subsection NB — Class 1 Components Subsection NC — Class 2 Components Instalações Subsection ND — Class 3 Components nucleares Subsection NE — Class MC Components Subsection NF — Supports (Div.1 e Subsection NG — Core Support Structures Div.2) Subsection NH — Class 1 Components in Elevated Temperature Service Appendices Division 2 — Code for Concrete Containments Division 3 — Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel and High Level Radioactive Material and Waste IV Caldeiras para aquecimento (Rules for Construction of Heating Boilers) V Ensaios não destrutivos VI Instalação e recomendações para operação de caldeiras para aquecimento (Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers) VII Instalação e recomendações para operação de caldeiras (Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers) VIII IX Vasos de Rules for Construction of Pressure Vessels pressão Division 1 (Div.1, Division 2 — Alternative Rules Div.2 e Division 3 — Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels Div.3) Qualificação de soldagem (Welding and Brazing Qualifications) X XI 86 Vasos de pressão de plástico (Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels) Recomendações para inspeção de instalações nucleares (Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components) XII Recomendações para fabricação e extensão de uso de tanques transportáveis (Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks)
  87. 87. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► 87 É o projeto convencional dos vasos de pressão. A filosofia de projeto da Divisão 1 está bem explícita no parágrafo UG-23 (c), do código, onde se lê : “A espessura de parede de um vaso de pressão dimensionado de acordo com as regras estabelecidas nesta divisão deve ser tal que a tensão máxima primária geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o equipamento durante sua operação normal não exceda os limites de tensão admissível do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais os carregamentos a que esteja sujeito o vaso não provoquem uma tensão primária de membrana mais flexão superior a 1 ½ da tensão máxima admissível do material do vaso”. É sabido que podem ocorrer elevadas tensões nas descontinuidades nos vasos de pressão, mas as regras de projeto e de fabricação desta divisão foram estabelecidas de modo a limitar tais tensões a um nível seguro consistente com a experiência adquirida.
  88. 88. NTT - VASOS DE PRESSÃO Subsection A - General Requirements Requisitos gerais, aplicáveis a todos os vasos de pressão. Part UG - General Requirements for All Methods of Construction and All Materials: Scope / Materials / Design / Openings and Reinforcements / Braced and Stayed Surfaces / Ligaments / Fabrication / Inspection and Tests / Marking and Reports / Pressure Relief Devices Subsection B : Requirements Pertaining to Methods of Fabrication of Pressure Vessels Requisitos específicos, aplicáveis em função do método de fabricação. Part UW : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Welding Part UF : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Forging Part UB - Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Brazing 88
  89. 89. NTT - VASOS DE PRESSÃO Subsection C : Requirements Pertaining to Classes of Materials Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipo de material utilizado na fabricação. Part UCS : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Carbon and Low Alloy Steels Part UNF : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Nonferrous Materials Part UHA : Requirements for Pressure Vessels Constructed of High Alloy Steel Part UCI : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Cast Iron Part UCL : Requirements for Welded Pressure Vessels Constructed of Material With Corrosion Resistant Integral Cladding, Weld Metal Overlay Cladding or With Applied Linings Part UCD : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Cast Ductile Iron Part UHT : Requirements for Pressure Vessels Constructed of Ferritic Steels With Tensile Properties Enhanced by Heat Treatment Part ULW : Requirements for Pressure Vessels Fabricated by Layered Construction Part ULT : Alternative Rules for Pressure Vessels Constructed Having Higher Allowable Stresses at Low Temperature Part UHX : Rules for Shell-and-Tube Heat Exchangers 89
  90. 90. NTT - VASOS DE PRESSÃO Requisitos Relativos ao Método de Fabricação Subseção B UF Forjamento UB Brazagem UW ULT Aços para baixas temperaturas Soldagem UCS ULW Aços carbono e baixa liga Subseção A Requisitos Gerais UNF Materiais não ferrosos UHT Aços de alta resistência UCD UHA Aços de alta liga UCI Ferro fundido 90 Vasos de paredes múltiplas Subseção C UCL Aços cladeados ou revestidos Ferro fundido maleável Requisitos Relativos aos Materiais
  91. 91. Apêndices Obrigatórios NTT - VASOS DE PRESSÃO 1: Supplementary Design Formulas 2: Rules for Bolted Flange Connections With Ring Type Gaskets 3: Definitions 4: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds 6: Methods for Magnetic Particle Examination (MT) 7: Examination of Steel Castings 8: Methods for Liquid Penetrant Examination (PT) 9: Jacketed Vessels 10: Quality Control System 11: Capacity Conversions for Safety Valves 12: Ultrasonic Examination of Welds (UT) 13: Vessels of Noncircular Cross Section 14: Integral Flat Heads With a Large, Single, Circular, Centrally-Located Opening 16: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee 17: Dimpled or Embossed Assemblies 18: Adhesive Attachment of Nameplates 19: Electrically Heated or Gas Fired Jacketed Steam Kettles 91
  92. 92. Apêndices Obrigatórios NTT - VASOS DE PRESSÃO 20: Hubs of Tubesheets and Flat Heads Machined From Plate 21: Jacketed Vessels Constructed of Work-Hardened Nickel 22: Integrally Forged Vessels 23: External Pressure Design of Copper, Copper Alloy, and Titanium Alloy Seamless Condenser and Heat Exchanger Tubes with Integral Fins 24: Design Rules for Clamp Connections 25: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Valves 26: Pressure Vessel and Heat Exchanger Expansion Joints 27: Alternative Requirements for Glass-Lined Vessels 28: Alternative Corner Weld Joint Detail for Box Headers for Air-Cooled Heat Exchangers When Only One Member Is Beveled 29: Requirements for Steel Bars of Special Section for Helically Wound Interlocking Strip Layered Pressure Vessel 30 : Rules for Drilled Holes Not Penetrating Through Vessel Wall 31 : Rules for Cr-Mo Steels With Additional Requirements for Welding and Heat Treatment 32 : Local Thin Areas in Cylindrical Shells and in Spherical Segments of Shells 33 : Standards Units for Use in Equations 92
  93. 93. Apêndice não obrigatórios NTT - VASOS DE PRESSÃO A : Basis for Establishing Allowable Loads for Tube-to-Tubesheet Joints C : Suggested Methods for Obtaining the Operating Temperature of Vessel Wall in Service D : Suggested Good Practice Regarding Internal Structures E : Suggested Good Practice Regarding Corrosion Allowance F : Suggested Good Practice Regarding Linings G : Suggested Good Practice Regarding Piping Reactions and Design of Supports and Attachments K : Sectioning of Welded Joints L : Examples Illustrating the Application of Code Formulas and Rules M : Installation and Operation P : Basis for Establishing Allowable Stress Value R : Preheating S : Design Considerations for Bolted Flange Connections T : Temperature Protection W : Guide for Preparing Manufacturer´s Data Reports Y : Flat Face Flanges With Metal-to-Metal Contact Outside the Bolt Circle DD : Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization EE : Half-Pipe Jackets FF : Guide for the Design and Operation of Quick-Actuating (Quick-Opening) Closures GG : Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code 93
  94. 94. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Exemplo : ► Vaso projetado segundo critérios do código ASME Seç.VIII - Div.1 Ed. 1995, Construção soldada com material base em aço carbono ► Seções a consultar : U - UG - UW - UCS 94
  95. 95. NTT - VASOS DE PRESSÃO UG 1. Requisitos gerais para chapas, forjados, tubos, etc,... com procedimentos de fabricação e fornecimento 2. Certificação de materiais 3. Pré-fabricação de componentes 4. Construções especiais 5. Definição de temperatura e pressão de projeto 6. Carregamentos 7. Indicação de onde retirar os valores de tensões máximas admissíveis 8. Corrosão 95 UG 1. Dimensionamento UW a 1.Categorias de juntas pressão interna e 2.Projeto de juntas soldadas externa 2. Aberturas e reforços 3.Exames de 3. Resistência de Radiografia e ultrareforços de abertura som 4. Múltiplas aberturas 4.Detalhes de solda 5. “Standards” para permitidos flanges e tubos 5.Detalhes de bocais 6. Ligamentos permitidos 7. Tolerâncias de 6.Plug welds 7.Soldas de filete fabricação 8. Requisitos para teste 8.Requisitos para de impacto procedimentos de soldagem 9. Teste hidrostático 10.Teste pneumático 9.Requisitos para 11.“Proof test” para qualificação de estabelecimento de procedimentos pressões máximas admissíveis UW 1. Tolerâncias de de alinhamento soldas 2. Reparo de soldas 3. Procedimentos para tratamento térmico após soldagem UCS 1. Materiais 2. Procedimentos para tratamento térmico após soldagem 3. Operação em baixa temperatura
  96. 96. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Projeto alternativo de vasos de pressão; ► Regras são mais restritivas quanto ao tipo de material a ser utilizado, mas permite-se a utilização de maiores valores de intensificação de tensões de projeto na faixa de temperaturas na qual este valor é limitado pelo limite de resistência ou escoamento; ► Procedimentos mais precisos de cálculo são necessários; os procedimentos permissíveis de fabricação são especificamente delineados e mais completos métodos de inspeção e teste são exigidos. 96
  97. 97. NTT - VASOS DE PRESSÃO ASME Section VIII – Division 2 Part AG - General Requirements Part AM - Material Requirements Part AD - Design Requirements Part AF - Fabrication Requirements Part AR - Pressure Relief Devices Part AI - Inspection and Radiography Part AT - Testing Part AS - Marking, Stamping, Reports and Records ► Filosofia de projeto da Divisão 2 regras específicas para o projeto de vasos mais comuns. Quando isto não ocorre uma completa análise de tensões é necessária e pode ser feita de acordo com os procedimentos estabelecidos nos apêndices. 97
  98. 98. NTT - VASOS DE PRESSÃO Apêndices Obrigatórios 1: Basis for Establishing Design Stress Intensity Values 2: Charts for Determining Shell Thickness for Cylindrical and Spherical Vessels Under External Pressure 3: Rules for Bolted Flange Connections 4: Design Based on Stress Analysis 5: Design Based on Fatigue Analysis 6: Experimental Stress Analysis 8: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds 9: Nondestructive Examination 10: Capacity Conversions for Safety Valves 98
  99. 99. NTT - VASOS DE PRESSÃO Apêndices Obrigatórios 18: Quality Control System 19: Definitions 20: Requirements for Hubs of Tubesheets and Flat Heads Machined From Plate 21: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee 22: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Valves 23: Adhesive Attachment of Nameplates 24: Requirements for Steel Bars of Special Section for Helically Wound Interlocking Strip Layered Pressure Vessel 25 : Rules for Drilled Holes Not Penetrating Through Vessel Wall 26 : Rules for Cr-Mo Steels With Additional Requirements for Welding and Heat Treatment 27 : Standard Units for Use in Equations 99
  100. 100. NTT - VASOS DE PRESSÃO Apêndices não obrigatórios A : Installation and Operation B : Temperature Protection C : Suggested Methods for Obtaining the Operating Temperature of Vessel Wall in Service D : Preheating E : Temperatures Ranges for Annealing and Hot Working and Limited Service Temperatures for Nonferrous Materials G : Examples Illustrating the Application of Code Formulas and Rules I : Guide for Preparing Manufacturer´s Data Reports J : Basis for Establishing External Pressure Charts K : Selection and Treatment of High Alloy Steels L : Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization M : Flange Rigidity N : Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code 100
  101. 101. a) Espessura mínimaPRESSÃO b) Análise de Fadiga NTT - VASOS DE de parede - A divisão 1 utiliza fórmulas de cálculo - A divisão 2 considera a possibilidade de falha por simplificadas, baseadas na teoria da membrana; fadiga e fornece regras para esta análise - A divisão 2 exige uma análise de todas as (apêndice 5); tensões atuantes em cada parte do vaso (apêndice 4); c) Escolha dos materiais d) Processo de fabricação - A divisão 2 faz exigências adicionais para a - A divisão 2 exige requisitos adicionais referentes certificação do material a ser utilizado na a procedimentos de soldagem, tratamento fabricação do equipamento (Parte AM); térmico, etc, (artigos AF-1 a AF-8). Exemplo : Maior número de corpos de prova nos exames destrutivos ou maior quantidade de exames não-destrutivos (requisitos adicionais AM-2 a AM-5) - A divisão 2 é mais restrita na escolha de materiais, porém permite que sejam atingidas tensões admissíveis mais elevadas. e) Inspeção e testes f) Geral - Embora os critérios de aceitação sejam os - A divisão 2 não limita a pressão máxima de mesmos para as duas divisões, a divisão 2 não operação, enquanto a divisão 1 a limita em aceita as limitações de abrangência de exames 3.000,0 psi (212,0 Kgf/cm2). não-destrutivos permitidas na divisão 1. Exemplo : A divisão 2 não admite radiografia parcial (spot) em juntas soldadas. 101
  102. 102. NTT - VASOS DE PRESSÃO Capítulo 3 Tensões em Vasos de Pressão 102
  103. 103. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Tensões admissíveis : são as tensões máximas adotadas no dimensionamento de um vaso de pressão. ► Coeficiente de segurança (CS) ou fator de segurança (FS), à relação entre o limite de escoamento (Sy) ou de resistência (Sr) e a tensão admissível (Sadm) de um determinado material. ► Tensões admissíveis para temperaturas abaixo da temperatura de fluência estão relacionados com o limite de escoamento ou com o limite de resistência do material de construção do equipamento. 103
  104. 104. NTT - VASOS DE PRESSÃO Fatores que afetam a fixação dos valores das tensões admissíveis : Tipo de material : Para materiais frágeis adota-se um fator de segurança mais elevado que os adotados para materiais dúteis; Critério de cálculo : Uma tensão admissível só deverá ser aplicada em combinação com o critério de cálculo para o qual foi estabelecida. Cálculos grosseiros e grandes aproximações exigem fatores de segurança maiores; Tipo de carregamento : A consideração de esforços cíclicos e alternados, choques e vibrações exige uma redução no valor da tensão admissível determinada para esforços normais; 104 ►
  105. 105. NTT - VASOS DE PRESSÃO Segurança : Equipamentos de grande periculosidade envolvendo sério risco humano e material exigem elevados fatores de segurança; Temperatura : A resistência mecânica de um material diminui com o aumento de temperatura e consequentemente a tensão admissível também cairá. Em temperaturas baixas o comportamento de vários materiais se altera, peças que sofreriam uma fratura dúctil em temperatura ambiente passam a sofrer fratura frágil com o abaixamento dessa temperatura. 105
  106. 106. Có - VASOS NTT digo de DE PRESSÃO de creep Abaixo da faixa Projeto Acima da faixa de creep Sr / 3,5 (temp. ambiente) ASME VIII – Div.1 : “Allowable Stress Values”♣ 100% da tensão média que provoca uma velocidade de deformação de 0,01% em 1000 h Sr / 3,5 (temp. de projeto) 67% da tensão média que provoca ruptura após 100.000 h. (2/3)Sy (temp. ambiente) 80% da tensão mínima que provoca ruptura após (2/3)Sy (temp. de projeto) 100.000 h Sr / 3,0 (temp. ambiente) ASME VIII – Div.2: “Design Sr / 3,0 (temp. de projeto) Não existem critérios Stress Intensity (2/3)Sy (temp. ambiente) comportamento à fluência Values” (2/3)Sy (temp. de projeto) a região de Sy / 1,5 (temp. de projeto) 1 / 1,3 da tensão média que provoca ruptura num tempo Sr / 2,35 (temp. ambiente) t, numa temperatura T, de acordo com o material BS-5500 AD-Merkblatter 106 para Sy / 1,5 (temp. de projeto) 100% da tensão média que provoca uma velocidade de deformação de 0,01% em 1000 h. 67% da tensão média que provoca ruptura após 100.000 h. Antes da edição de 1998, o código ASME utilizava um fator 4,0 ao lugar de 3,5, aplicado ao limite de resistência do material para a definição das tensões admissíveis para cálculo.
  107. 107. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Exemplo: diferenças no valor da tensão admisível e peso do equipamento para um material de especificação SA-516 Gr.60. Propriedades mecânicas @ temperatura ambiente. Tensão de escoamento mínima = 32,0 ksi Limite de resistência = 60,0ksi Tensões Admissíveis [ksi] Redução de Peso do @ Temperatura Ambiente Equipamento ASME Seç.VIII – Divisão 1 – Edição anterior a 1998 ASME Seç.VIII – Divisão 1 – Edição posterior a 1998 ASME Seç.VIII – Divisão 2 15,0 0% 17,1 12,3 % 20,0 25,0 % BS-5500 AD-Merkblatter 21,3 29,6 % 21,3 29,6 % 107
  108. 108. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► A Edição de 1998 – Adenda 1999 do código ASME alterou o fator de segurança a ser aplicado ao limite de resistência dos materiais para projetos utilizando a Seção VIII – Divisão 1. O valor foi reduzido de 4,0 para 3,5, após 55 anos de evolução dos materiais, processos de soldagem e projeto dos equipamentos. O fator de segurança em 1914, quando do lançamento da primeira Edição do código era 5,0 e foi mantido até 1944, quando da II Guerra Mundial e a necessidade de reduzir o conservadorismo dos projetos. A justificativa na época para a redução do fator de segurança foi a seguinte: "great improvements in the art of welding." Assim o fator foi reduzido para 4,0 e o teste hidrostático foi alterado de um fator 2,0 para 1,5. 108
  109. 109. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► Estas alterações não possuiam base técnica sólida e foram motivadas mais por razões econômicas e emocionais do que na qualidade intrínseca das soldagens realizadas nos equipamentos. Muitos dos processo de soldagem atualmente utilizados eram apenas desenvolvimento na década de 40 (gas metal arc, gas tungsten arc, and submerged processes, low hydrogen electrodes, flux core process, electro-slag process, electron beam process, and laser welding process). Após a Guerra, o fator retornou a 5,0, se mantendo até a Edição de 1951 do código que estabeleceu definitavemente o valor de 4,0 para o fator de segurança. A atual mudança no fator foi realizada com base na qualidade dos materiais, melhoria dos processos de soldagem, consumíveis, métodos de inspeção e em códigos de outros países. 109
  110. 110. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Em 1944, o conceito de tenacidade do material era restrito a laboratórios, sem aplicação industrial de projetos e conceitos baseados na mecânica da fratura. O alívio de tensões residuais e o pré-aquecimento na soldagem somente passaram a ser incorporados no código ASME a partir da Edição de 1962. ► O único ensaio não-destrutivo disponível em 1944 era a radiografia, em estágios iniciais de desenvolvimento. O ensaio de ultra-som apenas em 1947 teve um maior importância com o desenvolvimento do cabeçote angular. 110
  111. 111. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►O Governo Americano patrocinou um estudo para determinar as causas das falhas e avaliar fatores metalúrgicas que contribuíram para estas falhas. Preliminarmente foi determinado que a causa das falhas era geralmente relacionada a fratura frágil. O estudo também mostrou que altos níveis de carbono, fósforo, molibdênio e arsênico na composição, aumentam a temperatura de transição, enquanto que o níquel, silício, manganês e cobre reduzem a temperatura de transição do material. Os resultados deste e outros estudos auxiliaram a compreender a importância da tenacidade a fratura para a prevenção de falhas em componentes pressurizados. Apesar disso, estas informações não eram disseminadas em 1944. 111
  112. 112. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►O teste de “drop weight” não foi desenvolvido até o final dos anos 40, e os conceitos de mecânica da fratura eram uma curiosidade de laboratório de 1944. ► A aplicação da mecânica da fratura para vasos de pressão e as informações necessárias para tornar o método viável para a determinação da adequação ao uso foram extensivamente discutidas em uma publicação de 1967 do Oak Ridge National Laboratory. Este documento motivou a formação do programa Heavy Section Steel Technology, que transformou os conceitos de mecânica da fratura em procedimentos para uso prático. 112
  113. 113. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► A mecânica da fratura é utilizada pela Section XI of the ASME Boiler and Pressure Vessel Code para determinar a integridade de vasos de pressão da área nuclear. A experiência na utilização destes conceitos foram base das recentes revisões nos requisitos de tenacidade da Seção VIII e para as considerações de projeto da Divisão 3 do ASME Seção VIII, para altas pressões. O efeito da redução do fator de segurança de 4 para 3,5 e o aumento das tensões admissíveis, obtidas nas tabelas 1A e 1B da Seção II – Parte D, foram da ordem de 14,3% na faixa de temperatura em que as propriedades mecânicas são inalteradas com o tempo, abaixo da zona de creep. Não foram alteradas as tensões em temperaturas sob a influência do creep. O conservadorismo da Seção I e Seção VIII – Divisão 1 continua significante. A probabilidade de falha de um componente devido a tensão excessiva é considerada reduzida. 113
  114. 114. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Em um ensaio de tração simples existe um ponto determinado no diagrama tensão x deformação em que o material inicia a se deformar plasticamente. Nesse caso a tensão é uniaxial. σ = P/Ao , P/A Curva de Verdadeira σf Su σ Curva de Engenharia Sy Se 114 E 0,2% 0,5% εp εe εt = εe + εp δf E – módulo de elasticidade Sy – limite de escoamento 0,2% ou 0,5% Su – limite de resistência a tração σf – resistência à tração verdadeira; δf – alongamento após a fratura; ψf – redução precentual de área = 100.(Ao – Af)/Ao; εf – alongamento após a fratura real (ductilidade à fratura). ε = ΔL/L
  115. 115. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► A ocorrência de um estado triaxial de tensões acarreta um comportamento de material diferente do obtido anteriormente. Existe portanto a necessidade de traduzir um estado de tensões complexo em um valor “equivalente” que poderia ser comparado com as propriedades do material determinadas no ensaio de tração. A essa equivalência denomina-se “Critério de Escoamento”. 115
  116. 116. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Considere como exemplo o cilindro de parede fina que está submetido a um esforço de tração P, um momento de torção T e uma pressão interna p. P p T P T ► Pela variação de pressão, força axial e momento de torção é possível obter várias combinações de tensões, que resultam em diferentes direções principais. Como determinar se uma combinação de carregamentos qualquer gera plastificação no cilindro? 116
  117. 117. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os critérios de escoamento são representações desses estados de tensões de acordo com diversas teorias de plastificação. Serão apresentados 3(tres) Critérios de Escoamento : Teoria da Tensão Máxima ou Critério de Rankine, Teoria da Tensão Cisalhante Máxima ou Critério de Tresca e a Teoria de Energia de Distorção ou Critério de Von Mises. 117
  118. 118. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► -Teoria de Tensão Máxima ou Critério de Rankine (W. Rankine – 1850) ► Esta teoria assume que o escoamento vai ocorrer quando a máxima tensão atuante em um material atingir a tensão de escoamento do material. Para um material que possua os mesmos valores para o escoamento à tração e à compressão, temos : ► σ1 > σ2 > σ3 σ1 = ± σy ► A representação gráfica para um estado biaxial de tensões é dada pelo quadrado. (Critério utilizado pelo código ASME Seção VIII – Divisão 1). 118
  119. 119. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► ► ► ► - Teoria de Tensão Cisalhante Máxima ou Critério de Tresca (H Tresca 1868) Esta teoria assume que o escoamento vai ocorrer quando a máxima tensão cisalhante em um material, submetido a uma combinação qualquer de cargas, atingir a metade da tensão de escoamento do material: τmax = σy/2 Utilizando-se o Círculo de Mohr verifica-se que τmax pode ser dado por , para um estado = σ1 − σde tensões. τmax biaxial 2 2 Generalizando temos que: σ1 - σ2 = ± σy ou σ1 - σ2 = + σy σ1 - σ2 = - σy (Critério utilizado pelo código ASME Seção VIII – Divisão 2). 119
  120. 120. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► - Teoria da Energia de Distorção ou Critério de Von Mises (R von Mises – 1913) Segundo este critério o estado limite para o escoamento ocorre quando a energia de distorção se iguala à energia de distorção quando do escoamento do material em um ensaio de tração uniaxial. A energia de distorção é dada pela equação abaixo. I2 Ud = 2.G ► ► ► Onde : G = E/2(1+ν) - módulo de cisalhamento. I2 - invariante de tensões O invariante de tensões pode ser expresso da seguinte forma. 120 [ 1 2 2 2 I2 = (σ1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ1 − σ 3 ) 6 ]
  121. 121. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Na condição de tração uniaxial, temos. σ1 = σy σ2 = σ3 = 0 ► I2 = σy2 / 3 ► Portanto o Critério de Von Mises pode ser escrito como. [ ] σy 1 2 2 2 (σ1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ1 − σ 3 ) = 6 3 2 ► Para um estado biaxial de tensões: σ12 - σ1.σ2 + σ22 = σy2 ► Esta equação representa uma elipse de Von Mises no plano σ1σ2 121
  122. 122. NTT - VASOS DE PRESSÃO (Y) 1,0 B A F σ2 / σy E -1,0 σ1 / σy G H C 122 A-B-C-D A-F-G-C-H-E A-F-G-C-H-E -1,0 1,0 (X) D Maximum stress theory Maximum shear theory Distortion energy theory Comparando-se as superfícies de escoamento de Von Mises e Tresca, temos uma diferença máxima de 15%.
  123. 123. NTT - VASOS DE PRESSÃO - EXEMPLO: Aplicação dos Critérios de Escoamento em um Vaso Cilíndrico Um vaso cilíndrico com diâmetro interno de 2.000,0 mm e espessura de parede de 12,5 mm é submetido a uma pressão interna de 2,5 MPa. Calcular o fator de segurança para o escoamento na parede do costado, remoto de descontinuidades. O material do costado é o SA516 Gr.70, que possui uma tensão de escoamento a temperatura ambiente de 260,0 MPa. pD 2,5 x 2.000,0 σ1 = = = 200,0 MPa (tensão circunferencial) 2t 2x12,5 pD 2,5 x 2.000,0 σ2 = = = 100,0 4t 4 x12,5 123 σ3 = -2,5 MPa MPa (tensão longitudinal) (tensão radial)
  124. 124. NTT - VASOS DE PRESSÃO Critério de Tresca ou da Máxima Tensão Cisalhante: τ max σ eqv σy σ1 − σ 3 = = 2 2.FS σy σy 260,0 = σ1 − σ 3 = ⇒ FS = = = 1,28 FS σ1 − σ 3 200,0 − (− 2,5 ) Critério de Von Mises ou da máxima energia de distorção σy σ eqv = σ + σ + σ − σ1σ 2 − σ1σ 3 − σ 2 σ 3 = FS σy FS = 2 2 σ1 + σ 2 + σ 3 − σ1σ 2 − σ1σ 3 − σ 2 σ 3 2 2 1 FS = 2 2 2 3 260,0 200,0 2 + 100,0 2 + (− 2,5 ) − 200,0 x100,0 − 200,0 x(− 2,5 ) − 100,0 x(− 2,5 ) 2 Observa-se um resultados menos conservativo quando utlizado o critério de Von Mises. 124 = 1,48
  125. 125. NTT - VASOS DE PRESSÃO - EXEMPLO: Aplicação dos Critérios de Escoamento em um Costado Cilíndrico Vaso cilíndrico fechado na extremidade inferior e com uma chapa na extremidade superior mantida na posição pela ação de um peso agindo contrária a força hidrostática. p = 60,0 psi R = 240,0 in t = ½ in Área interna de seção: A = πR2 = π x 240,02 = 180.956,0 in2 Força hidrostática: F = p.A = 60,0 x 180.956,0 = 10.857 kips Para garantir que não haja levantamento da chapa de fechamento do cilindro, é utilizado um peso equivalente a 20.000 kips. Avaliar se o projeto é seguro. 125
  126. 126. NTT - VASOS DE PRESSÃO As tensões principais atuantes no cilindro são as seguintes: Tensão circunferencial: σ1 = p.R / t = 60,0 x 240,0 / 0,5 = 28,8 ksi Tensão longitudinal: σ2 = p.R / 2t – W / (2πRt) = = 60,0x 240,0/(2 x 0,5) – 20.000.000/(2 x π x 240,0 x 0,5) = -12,1 ksi Para uma limite de escoamento do material, obtido em ensaio de tração uniaxial, equivalente a σY = 36,0 ksi, temos: σ1 / σY = 0,8 (Y) 1,0 σ2 / σY = -0,34 A B F σ /σ Verifica-se que as tensões principais, isoladamente são inferiores ao limite E -1,0 σ /σ de escoamento do material, mas no G 1,0 gráfico correspondente aos critérios de escoamento, percebe-se que o H D C -1,0 cilindro está em condição de falha. 2 y 1 126 A-B-C-D A-F-G-C-H-E A-F-G-C-H-E y (X) Maximum stress theory Maximum shear theory Distortion energy theory
  127. 127. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os códigos de projeto, geralmente, classificam as tensões em 3(três) categorias com características diferentes : ► Notação (ASME Seç.VIII – Div.2 – Apêndice 4) : ► Pm – tensão generalizada de membrana primária ► Pl – tensão localizada de membrana primária ► Pb – tensão de flexão primária ► Q – tensão secundária (membrana ou flexão) ► F – tensão de pico 127
  128. 128. NTT - VASOS DE PRESSÃO A - Tensões primárias : ► Necessárias para satisfazer as leis de equilíbrio da estrutura, desenvolvidas pela ação de carregamentos impostos. Principal característica : não é auto-limitante, enquanto o carregamento estiver sendo aplicado a tensão continua atuando não sendo aliviada por deformações da estrutura. ► Como exemplo temos as tensões de membrana circunferenciais e longitudinais em vasos cilíndricos submetidos ao carregamento de pressão interna. ► Podem ser de membrana ou de flexão. ► Tensão de membrana : componente constante através de toda a espessura da parede do vaso. ► Tensões de flexão : resultantes da flexão das paredes do equipamento, e são variáveis através da espessura, sendo proporcionais a distância do ponto em que estão sendo analisadas ao centróide da seção considerada. 128
  129. 129. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► Exemplos : tensão de membrana num casco cilíndrico ou tensões de flexão no centro de um tampo plano causadas pela pressão interna. As tensões primárias de membrana são classificadas em tensões gerais de membrana, caso estejam atuando em todo o equipamento, e em tensões locais de membrana, caso estejam atuando numa parte limitada do equipamento. Uma tensão pode ser considerada como local se a distância na direção meridional, na qual a intensidade de tensões ultrapassa 1,1.Sm não excede (R.t)1/2. Um exemplo é a tensão de membrana no casco de um vaso causada por força ou momento num bocal. 129
  130. 130. NTT - VASOS DE PRESSÃO B - Tensões secundárias : ► São as tensões desenvolvidas por restrições a deformações e compatibilidade de deslocamentos em pontos de descontinuidades. A característica básica desse tipo de tensão é sua capacidade de auto-limitação pela deformação. Como exemplo temos tensões devido à dilatação térmica restrita ou tensões residuais de soldagem. C - Tensões de pico : ► São tensões extremamente localizadas que causam deformações e distorções reduzidas podendo contribuir exclusivamente para fenômenos cíclicos e para intensificação de tensões para efeitos de fratura frágil. 130
  131. 131. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► Permite a separação entre tensões que podem estar atuando em um determinado ponto da estrutura, mas que possuem efeitos diferentes sobre a mesma; Podemos identificar : tensões primárias x colapso plástico da estrutura; tensões secundárias x capacidade de acúmulo de deformações. É possível estabelecer tensões admissíveis diferentes para cada parcela projetando o componente de forma adequada. Conceitos necessários para a avaliação de regiões na presença de defeitos : tensões primárias e secundárias possuem efeitos distintos sobre a abertura do defeito. 131
  132. 132. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► Tensões primárias e secundárias podem ser de membrana e/ou flexão. Tensão de membrana (Pm / Qm) é a componente de tensão uniforme e igual ao valor médio da distribuição de tensões ao longo da seção. A tensão de flexão (Pb / Qb) é a componente de tensão que varia através da seção transversal, correspondente à parcela linear da distribuição de tensões. 132
  133. 133. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A identificação, classificação e separação das tensões atuantes é dependente do tipo de carregamento e geometria do componente. O código ASME Seç.VIII Div.2 em seu Apêndice 4 possui uma tabela indicando a classificação de tensões recomendada. ► Para cada combinação de tensões atuantes existe uma tensão admissível, válida para o dimensionamento do componente. ► As tensões na parede do equipamento podem ser analisadas a partir de um método de separação. As parcelas de membrana, flexão e tensões de pico devem ser estimadas pela linearização da distribuição de tensões no componente. 133
  134. 134. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► O método de tensões em uma linha, estabelece uma linha de tensões na seção considerada para o estudo e parte da distribuição das tensões sobre esta linha para obtenção de tensões de membrana, flexão e total, separadas conforme exigido nos códigos de projeto. Para a classificação destas tensões existe a necessidade de uma linearização da distribuição real sobre a linha. Para a seleção de uma linha de tensões conveniente deve-se tentar relacionar uma série de fatores que indicam as prováveis localizações e orientações conforme a geometria, ponto de tensão máxima, tipo de carregamento, etc. A localização de uma das linhas de tensões deve, sempre que possível, passar pelo ponto de tensão máxima que efetivamente corresponde a um lugar de análise obrigatória. Esta linha tem como objetivo determinar a posição e as direções das tensões no componente que serão analisadas. 134
  135. 135. NTT - VASOS DE PRESSÃO Linha de tensões Costado cilíndrico L2 L1 L2 L1 Anel suporte Tensão Flexão Membrana Flexão Membrana Espessura Linha de Tensões L1 – L1 Pico Tensão Pico Flexão Membrana Flexão Membrana 135 Espessura Linha de Tensões L2 – L2
  136. 136. Componente Localização NTT - VASOS DE PRESSÃOOrigem da Tensão Costado cilíndrico ou esférico Pm Q Membrana Flexão Q Q Membrana Flexão PL Q Momento ou carga externa ou pressão interna Membrana geral ao longo da seção. Componente de tensão perpendicular à seção transversal Pm Momento ou carga externa Membrana geral ao longo da seção. Componente de tensão perpendicular à seção transversal Pm Membrana local Flexão Pico PL Q F Junção com tampo Pressão interna ou flange Qualquer costado ou tampo Classificação Membrana geral Gradiente ao longo da espessura Chapa do costado, Pressão interna remoto de descontinuidades Gradiente térmico axial Qualquer seção transversal do costado Tipo de Tensão Momento ou carga Próximo a bocal ou externa ou pressão outra abertura interna Qualquer localização Tampo conformado ou cônico 136 Diferença de temperatura entre costado e tampo Membrana Flexão Q Q Centro Pressão interna Membrana Flexão Pm Pb Junção com o costado e toro Pressão interna Membrana Flexão PL Q
  137. 137. Componente Localização NTT - VASOS DE PRESSÃO Origem da Tensão Tipo de Tensão Classificação Região central Tampo ou costado perfurado Membrana Flexão Pm Pb Junção com o costado Pressão interna Membrana Flexão PL Q Ligamento típico em Pressão um padrão uniforme Membrana Flexão Pico Pm Pb F Ligamento atípico ou Pressão isolado Membrana Flexão Pico Q F F Momento ou carga externa ou pressão interna Membrana geral. Componente de tensão perpendicular à seção. Pm Momento ou carga externa Flexão através da seção do bocal Pm Pressão interna Membrana geral Membrana local Flexão Pico Pm PL Q F Expansão diferencial Tampo plano Pressão interna Membrana Flexão Pico Q Q F Seção transversal perpendicular ao eixo do bocal Bocal Parede do pescoço Clad Qualquer Expansão diferencial Membrana Flexão F F Qualquer Qualquer Distribuição de temperatura radial Tensão linear equivalente Distribuição não linear de tensões Q F Qualquer Qualquer Qualquer Concentração de tensões F 137
  138. 138. Membrana Geral Primárias Membrana Local Tensão primária média através da seção. Exclui descontinuidades e concentração de tensões. Produzida somente por cargas mecânicas. Tensão média através qualquer seção. Considera descontinuidades mas não concentrações. Produzida somente por cargas mecânicas. Componente das tensões primárias proporcional à distância para o centróide da seção. Exclui descontinuidades e concentrações. Produzida somente por cargas mecânicas. Tensões autoequilibradas necessárias para satisfazer a continuidade da estrutura. Ocorre em descontinuidades estruturais. Podem ser causadas por cargas mecânicas ou expansão térmica diferencial. (1) Incremento às tensões primárias ou secundárias devido a uma concentração de tensões; (2) Certas tensões térmicas que podem causar fadiga mas não distorção de forma do vaso. PL Pb Q F NTT - VASOS DE PRESSÃO Categoria de Tensões Descrição (Para exemplos, ver a Tabela 4-120.1) Símbolo (nota 3) Combinação de componentes de tensões e limites admissíveis de intensidade de tensões. Pm Pm Flexão Membrana + Flexão Secundária Pico Nota 1 Sm PL + P b + Q PL 3.Sm 1,5Sm Cargas de Projeto 138 Cargas de operação Nota 2 PL + P b 1,5Sm PL + P b + Q + F Sa
  139. 139. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para que ocorra o colapso do componente é necessário que toda a seção transversal do mesmo alcance o escoamento. 139
  140. 140. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► Supondo a força “N” e o momento “M”, aplicados no elemento, que possui uma largura “b” e espessura “2h”. Seja σ(z) a tensão circunferencial atuante em qualquer ponto “z”, ao longo da espessura do componente. Para um comportamento puramente elástico, a tensão pode ser obtida pela teoria de vigas : σ(Z) = N / A + M.z / I A = 2h.b I = (2/3)b.h3 140
  141. 141. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► Supondo um material elástico perfeitamente plástico com escoamento “σy”, com a atuação da carga “N”, o primeiro escoamento da seção ocorre na fibra externa (z = +h). N / (2h.b) + (3/2).M.z / (b.h2) = σy (1) Aumentando-se o carregamento, a plasticidade irá se expandir ao longo de toda a seção. Para um material elástico perfeitamente plástico, o estado limite do componente corresponde a uma plastificação total ao longo da seção. 141
  142. 142. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Matemáticamente, a distribuição de tensões é expressa como : ⎧ σy σ (z) = ⎨ ⎩ -σy ► z > - ho z < - ho h M = b ∫ σzdz Nas equações de equilíbrio : − ho ⎡h ⎤ M = b ⎢ ∫ σ y zdz + ∫ (− σ y )zdz⎥ ⎢ − ho ⎥ −h ⎣ ⎦ ⎧⎡ h2 h2 ⎤ ⎡ h2 h2 ⎤ ⎫ ⎪ ⎪ o o M = σ y b⎨⎢ − ⎥ − ⎢ − ⎥ ⎬ 2⎦ ⎣2 2 ⎦⎪ ⎪⎣ 2 ⎩ ⎭ 142 −h − ho 2 ⎧⎡ z 2 ⎤ h ⎡z ⎤ ⎫ ⎪ ⎪ M = σ y b⎨⎢ ⎥ − ⎢ ⎥ ⎬ ⎪ ⎣ 2 ⎦ − ho ⎣ 2 ⎦ − h ⎪ ⎩ ⎭ ( M = σ y b h2 − h2 o )
  143. 143. NTT - VASOS DE PRESSÃO − ho ⎡h ⎤ N = b ⎢ ∫ σ y dz + ∫ − σ y dz⎥ = bσ y {(h + h o ) − (− h o + h)} ⎢ − ho ⎥ −h ⎣ ⎦ N = 2bhoσy N ⇒ ho = 2bσ y ⎡ ⎛ N 2 ⇒ M = σ y b ⎢h − ⎜ ⎜ 2bσ ⎢ y ⎝ ⎣ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⎡ ⎛ M N2 = h 2 ⎢1 − ⎜ 2 2 2 σ yb ⎢ ⎜ 4b h σ y ⎣ ⎝ 143 2 ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 2 ⎤ ⎥ ⎥ ⎦
  144. 144. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A condição para que isso ocorra pode ser obtida pelo equilíbrio como : M / (σy.b.h2) + [N / (2.b.h.σy)]2 = 1 (2) ► Considerando ainda as seguintes restrições : M / (σy.b.h2) ≤ 1 [N / (2.b.h.σy)]2 ≤ 1 ►É possível obter o gráfico de interação de carregamentos. 144
  145. 145. NTT - VASOS DE PRESSÃO 1 (σ M /.1 y.b.h2) 1 .0 D ia g ra m a d e In te ra ç ã o 0 .9 0 .8 0 .7 C o n d iç ã o L im ite 0 .6 0 .5 E s c o a m e n to In ic ia l 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 145 0 .0 0 .0 0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 N/(2.σy.b.h) 1 .0 1 .1
  146. 146. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para uma viga em flexão pura (N = 0), o momento limite é dado por : ML = σy.b.h2 ► Se utilizada a equação (1), verifica-se que o momento necessário para o início do escoamento na fibra mais externa é : MY = (2/3).σy.b.h2. ► Conclui-se que ML / MY = 1,5. 146
  147. 147. NTT - VASOS DE PRESSÃO Esforço Qualquer Razão [Escoamento Inicial/Rótula Plástica] Tração Seção 1 1,5 Retangular Circular 1,7 Y X X Y Flexão Tubular D/t >> 1,27 Y Perfil I X X Y 147 1,14 (X-X) ou 1,60 (Y-Y)
  148. 148. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Se substituirmos N / 2.b.h = Pm (tensão elástica de membrana) e 3M / (2.b.h2) = Pb (tensão elástica de flexão, é possível modificar o gráfico anterior. ► Através da equação (1), temos : Pm + Pb = σy Condição do início do escoamento ► A condição limite é dada pela equação (2) : (2/3)(Pb / σy) + (Pm / σy)2 = 1 ► Considerando as limitações adicionais : Pm ≤ (2/3)σy (Pm + Pb) ≤ σy ► Obtêm-se o gráfico utilizado pelo código ASME para limites de tensões para carregamentos primários. 148
  149. 149. NTT - VASOS DE PRESSÃO σmax σy = Pm + Pb σy 2 2 Pb ⎛ Pm ⎞ +⎜ ⎟ =1 3 σy ⎜ σy ⎟ ⎝ ⎠ Pm + Pb = 1,67 σy Pm = N 2bh Pb = 3 M 2 bh2 (Pm + Pb ) = 1 σy 1,0 Pm + Pb ≤ σ y CONDIÇÃO LIMITE ESCOAMENTO INICIAL REGIÃO DE PROJETO Pm =1 σy 149 0 ( ) Pm ≤ 2 σ y 3 2/3 1,0 Pm σy
  150. 150. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para as tensões secundárias, o limite de tensões é função do comportamento da acomodação de tensões. No primeiro ciclo de tensões térmicas ocorre uma plastificação e redução do nível de tensões devido à característica auto-limitante das tensões secundárias. ► Essa acomodação permite que as tensões possam alcançar um limite correspondente ao range elástico do material (limite de shakedown), equivalente a 2.Sy (duas vezes a tensão de escoamento. 150
  151. 151. NTT - VASOS DE PRESSÃO 2 .0 L im ite d e S h a k e d o w n 1 .5 A S / Sy 1 .0 B 0 .5 R a n g e e lá s tic o = 2 .S y 0 .0 -0 .5 P m + P b + Q < 3 .S m -1 .0 C 0 .0 151 0 .5 1 .0 ε / εy 1 .5 2 .0
  152. 152. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Se ultrapassado o limite de range elástico, o componente pode apresentar um comportamento descrito como “Plasticidade Reversa”, onde deformações plásticas alternadas ocorrem a cada ciclo, propiciando o fenômeno de fadiga de baixo ciclo. 152
  153. 153. NTT - VASOS DE PRESSÃO 2 .0 P la s tic id a d e R e v e rs a 1 .5 S / Sy B A 1 .0 E 0 .5 0 .0 R a n g e e lá s tic o = 2 .S y -0 .5 -1 .0 P m + P b + Q < 3 .S m D 0 .0 153 C 0 .5 1 .0 1 .5 ε / εy 2 .0 2 .5
  154. 154. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para tensões atuantes ainda maiores, ocorre um acúmulo de deformações a cada ciclo, ocasionando o comportamento denominado de colapso incremental ou “ratchetting”. 154
  155. 155. NTT - VASOS DE PRESSÃO 2 .0 C o la p s o In c re m e n ta l 1 .5 S / Sy B F I E A 1 .0 M J 0 .5 0 .0 R a n g e e lá s tic o = 2 .S y -0 .5 P m + P b + Q < 3 .S m 155 D H C 0 .0 -1 .0 0 .5 L G K 1 .0 1 .5 ε / εy 2 .0 2 .5 3 .0
  156. 156. NTT - VASOS DE PRESSÃO Ssecundária/Sy σ ε σ σ σ 2 ε ε ε Fadiga de Baixo Ciclo Ratchetting σ 1 0 ε Shakedown elástico Comportamento totalmente elástico 156 0 1 Sprimária/Sy Colapso
  157. 157. NTT - VASOS DE PRESSÃO Capítulo 4 Fadiga em Vasos de Pressão 157
  158. 158. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► A presença de carregamentos cíclicos com tensões geradas abaixo do escoamento do material, pode ser suficiente para a nucleação de trincas em pontos de concentração de tensões e sua posterior propagação. A taxa de crescimento de trincas possui grande dependência de fatores metalúrgicos, sendo portanto necessário um estudo baseado em resultados muitas vezes obtidos em laboratórios. O desenvolvimento progressivo de uma trinca sob influência de aplicações repetidas de tensão, que muitas vezes são inferiores às necessárias para provocar a fratura do componente sob carga monotonicamente crescente ou à tensão de escoamento do material. 158
  159. 159. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► A fadiga de alto ciclo é caracterizada por variações de tensões controladas e inferiores ao escoamento do material, a deformação plástica é limitada a pontos de concentração de tensões (pequenas deformações plásticas). A variação de tensão é a variável controlada. A fadiga de baixo ciclo, ao contrário da anterior, se caracteriza por deformações plásticas em nível mais elevado, não se restringindo apenas aos pontos de concentração de tensões. A variação de tensões é nesse caso superior ao escoamento do material. A deformação é a variável controlada. 159
  160. 160. NTT - VASOS DE PRESSÃO 160
  161. 161. NTT - VASOS DE PRESSÃO 161
  162. 162. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► ► ► ► 162 A curva do código ASME Seç.VIII – Div.2 – Apêndice 5 é baseada em variações de deformação. A tensão é calculada como um valor fictício : σ = ε.E A curva do ASME pode ser descrita pela fórmula a seguir : E ⎡ 100 ⎤ . ln⎢ σa = ⎥ + σD 4. N ⎣100 − A ⎦ Onde : σa – amplitude da variação de tensões (tensão alternada); N – número de ciclos até a fratura; σD – limite de resistência à fadiga; A – redução de área;
  163. 163. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Considerando uma variação de tensões constante entre um valor máximo (σmáx) e um valor mínimo (σmín), pode-se definir a amplitude da variação de tensões (σa) e a tensão média (σm), como abaixo. Tensão σmáx σmín ► ► ► ► σa = (σmáx - σmín) / 2 σm = (σmáx + σmín) / 2 O “range” de variação de tensões corresponde a : 2.σa = (σmáx - σmín). 163 Tempo
  164. 164. NTT - VASOS DE PRESSÃO 90 A figura a seguir apresenta um exemplo de variação de carregamentos em uma estrutura, onde é possível verificar o seu aspecto randômico. 164 Pressão [Kgf/cm2] ► 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 Eventos 5000 6000 7000
  165. 165. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Os resultados de uma metodologia de fadiga baseado em tensões (SN) ou deformações (εN), normalmente são obtidos para ensaios em corpos de prova com tensão média baixa ou nula. A tensão média possui efeito na vida útil do componente com redução do número de ciclos até a falha. ±P 165 ±P
  166. 166. NTT - VASOS DE PRESSÃO A figura a seguir apresenta algumas curvas que demonstram a influência da tensão média. Sa 1 Sy Parábola de Gerber Diagrama de Goodman Diagrama de Soderberg 0.75 Sd Tensão Alternada ► Diagrama de Influência da Tensão Média Sn 0.5 0.25 0 Sm 0 0.25 0.5 Smc 0.75 1 Sy 1.25 1.5 1.75 2 Sr Tensão Média 166 Parábola de Gerber : σa = σd.[1 – (σm / σr)2] Diagrama de Goodman : σa = σd.[1 - σm / σr] Diagrama de Soderberg : σa = σd.[1 - σm / σe]
  167. 167. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► As metodologias de projeto à fadiga utilizam a definição de classes para as juntas soldadas, que consideram a geometria, a direção das tensões alternadas e os métodos de fabricação e inspeção da junta soldada. As tabelas de classificação do detalhe estrutural soldado das normas são baseadas na geometria da junta e na direção dominante do carregamento. Conforme norma inglesa PD-5500 – Anexo C, as curvas de fadiga são definidas pela equação: Srm.N = A Onde: Sr – range de variação de tensões; m – inclinação da curva (m = 3,0 para curvas de espécimes soldados; m = 3,5 para a curva C, correspondente a espécimes sem solda); 167
  168. 168. NTT - VASOS DE PRESSÃO 168
  169. 169. NTT - VASOS DE PRESSÃO Table C.1 Details of fatigue design curves Constants of S-N curve Class for N < 107 cycles for N > 107 cycles Stress range at N = 107 cycles m A[2] m A[2] N/mm2 C[1] 3.5 4.22 x 1013 5.5 2.55 x 1017 78 D 3 1.52 x 1012 5 4.18 x 1015 53 E 3 1.04 x 1012 5 2.29 x 1015 47 F 3 6.33 x 1011 5 1.02 x 1015 40 F2 3 4.31 x 1011 5 5.25 x 1014 35 G 3 2.50 x 1011 5 2.05 x 1014 29 W 3 1.58 x 1011 5 9.77 x 1013 25 [1] If Sr > 766 N/mm2 or N < 3380 cycles, use class D curve [2] for E = 2.09 x 106 N/mm2 169
  170. 170. NTT - VASOS DE PRESSÃO A obtenção de uma curva SN depende de uma estatística de inúmeros dados experimentais de corpos de prova em espécimes que são ensaiados em diversos níveis de variações de tensões. Os ensaios registram o número de ciclos necessários para iniciar, propagar e falhar o defeito no corpo de prova. A relação entre as variações de tensões e número de ciclos, plotados em um gráfico log x log pode ser representado normalmente por uma reta. log Δσ 1 m 170 log N
  171. 171. NTT - VASOS DE PRESSÃO O modelo da curva S-N, apresentado na figura pode ser escrito por: () () ( ) log(N) = log a − m. log Δσ = log a − m. log Δσ ⇒ log(N) = log a − log Δσ m = log⎛ a m ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ Δσ ⎠ Onde: () log a = log(a ) − d.s N: número de ciclos registrado no ensaio do corpo de prova; a, m: parâmetros do material ensaiado; Δσ: variação de tensões aplicada no ensaio; d: número de desvios padrões em relação a curva média dos pontos experimentais (d = 1 corresponde a 84,1% de sobrevivência; d = 2 corresponde a 97,7% de sobrevivência); s: valor do desvio-padrão das medidas. 171
  172. 172. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► 172 As curvas adotadas pelo ASME são ajustadas de forma a não ser necessária à consideração da tensão média. As curvas são ajustadas para um número de ciclos N para a falha, em uma tensão alternada σn, sem a necessidade de considerar a tensão média atuante no ciclo.
  173. 173. NTT - VASOS DE PRESSÃO 173
  174. 174. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Exemplo de cálculo para a fadiga de um ponto da lança utilizando procedimento do IIW (International Institute of Welding) A Δσ B C ΔSA = 125 MPa ΔSA = 80 MPa ΔSA = 50 MPa N = C / (Δσ)m m=3 C é definido para cada classe Exemplo: C = 3,91 x 12 174 105 2 x 106 5 x 106 N
  175. 175. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► ► Calcular o dano no ponto crítico da estrutura: Detalhe de solda da classe 50 106 ciclos de Δσ = 30 MPa 103 ciclos de Δσ = 70 MPa N = C / (Δσ)m m=3 C = 2,5 x 1011 N30 = ∞ N30 = 9,3 x 106 N70 = 7,3 x 105 D = Σdi = Σni / Ni = n30 / N30 + n70 / N70 D = 106 / ∞ + 103 / 7,3 x 105 = 1,37 x 10-3 Dcrítico = 1 = Datual + Dfuturo = X.Danual X = 30 porque X = 729 > 30 175
  176. 176. NTT - VASOS DE PRESSÃO Capítulo 5 Condições de Operação e de Projeto de Vasos de Pressão 176
  177. 177. NTT - VASOS DE PRESSÃO Diversos conceitos de pressão e temperatura A pressão atuante num vaso pode ser definida em várias etapas ao longo do ciclo de operação do equipamento, de tal forma que definimos uma série de conceitos para identificar cada etapa: pressão normal de operação; máxima de operação; mínima de operação; de projeto; máxima de trabalho admissível; abertura da válvula de segurança; teste hidrostático. ► Da mesma forma, as temperaturas de metal são decorrentes de várias etapas: 177 temperatura normal de operação; máxima de operação; mínima de operação; de projeto.
  178. 178. NTT - VASOS DE PRESSÃO Pressão e temperatura de operação A pressão e temperatura de operação são as suas “condições de operação”, isto é, os pares de valores simultâneos de pressão e temperatura nos quais o vaso deverá operar em condições normais. As pressões são definidas como medidas no topo do vaso, devendo-se quando for o caso, acrescentar a pressão equivalente à coluna hidrostática do líquido contido no vaso. Devemos distinguir os valores normais de operação dos valores máximos. Os primeiros são valores de regime normal, enquanto os outros são os valores máximos que podem ocorrer ao equipamento, mesmo em condições transitórias. Eventualmente, um vaso poderá estar sujeito a mais de uma condição de regime. Quando for este o caso, todas as condições deverão ser consideradas, inclusive para dimensionamento do equipamento à fadiga (ASME, Seção VIII, Divisão 2, AD-160). 178
  179. 179. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►A temperatura, da mesma forma, deve ser considerada para projeto do equipamento. ► As temperaturas normal e máxima de parede são consideradas na definição da temperatura de projeto, normalmente acrescentando-se uma margem de segurança em relação à condição normal de operação do fluido. ► Se a condição de temperatura máxima for devida à uma condição anômala, podendo ocorrer simultaneamente à condição de operação, então, o equipamento poderá ser projetado por esta condição, visto que o mesmo deve suportar TODAS as condições previstas durante a sua vida útil. 179
  180. 180. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Seja em condição normal ou eventual, a temperatura mínima de operação deverá ser considerada na seleção do material, visto que de acordo com o ASME, Seção VIII, Divisão 1, parágrafo UCS-66, em função da “classe” do material e da sua espessura, poderá ocorrer a modificação do comportamento de dútil para frágil, podendo ocorrer a ruptura frágil em operação, ou mesmo durante o teste hidrostático. 180
  181. 181. NTT - VASOS DE PRESSÃO 181 Figura UCS-66(ASME, Seção VIII, Divisão 1
  182. 182. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Em função do material será determinada a energia mínima exigida no ensaio Charpy-V, conforme fig. UG84.1 (ASME, Seção VIII, Divisão 1) 182
  183. 183. NTT - VASOS DE PRESSÃO Pressão e temperatura de projeto ► Denominam-se “Condições de Projeto” ao par pressão e temperatura que definiram o dimensionamento do equipamento, bem como para seleção do material de construção. ► De acordo com o parágrafo UG-21 do Código, a condição de projeto é a “pressão correspondente às condições mais severas de pressão e temperatura coincidentes que possam ser previstas em serviço normal”. 183
  184. 184. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Poderá ocorrer que determinado equipamento possa vir a ser submetido à condições simultâneas de pressão interna e externa, por exemplo, vasos para exploração submarina de petróleo. Ora, em condição tal que é garantida a existência de simultaneidade nas pressões interna e externa, então o equipamento poderá ser calculado pela pressão diferencial. ► Em condições normais, tal não ocorre e o equipamento deverá ser projetado considerando-se separadamente cada condição. 184
  185. 185. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► No caso de vasos de pressão interna, é usual estabelecermos para a pressão de projeto o maior dentre os seguintes patamares: 105% da pressão máxima de operação (o dispositivo de alívio for operado por válvula piloto) 110% da pressão máxima de operação (demais casos) 1,5 kgf/cm2 manométrico. 185
  186. 186. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Para vasos submetidos à pressão externa é usual considerar-se a condição de vácuo total, embora isto não seja exigido pelo Código. ► Esta situação poderá prevenir a ocorrência de condensação de produto em um ambiente confinado, provocando redução do volume específico com conseqüente geração de vácuo parcial. 186
  187. 187. NTT - VASOS DE PRESSÃO Colapso em um tampo toroesférico Cargas impostas - FEA 187 www.mech.uwa.edu.au
  188. 188. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Desta forma, o projetista do equipamento deve conhecer todas as situações passíveis de ocorrência no equipamento, de forma a prevenir quaisquer situações anômalas não consideradas no projeto, tais como: despressurização súbita de gás a alta pressão, devida a falha de uma junta de vedação, geração de vácuo, devida à interrupção da fonte quente em uma torre fracionadora, provocando a condensação das frações gasosas; condição de “explosão” dentro do vaso, provocada pela vaporização súbita de um líquido, ou pela ruptura completa de um tubo em um trocador de calor, gerando uma onda de choque devida à súbita expansão. 188
  189. 189. NTT - VASOS DE PRESSÃO Pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) e Pressão de abertura da Válvula de Segurança ► A PMTA de um vaso é a menor pressão dentre as máximas pressões suportadas por cada componente do equipamento. ► Traduzindo, passo a passo: 189 definimos as espessuras corroídas de cada componente; calculamos a pressão máxima de trabalho admissível para cada componente, considerando-se a sua tensão admissível tabelada para a condição de temperatura de projeto; a menor dentre as máximas pressões admissíveis será a maior pressão de trabalho do equipamento.
  190. 190. NTT - VASOS DE PRESSÃO definição, o maior valor possível para set para início da abertura da válvula de segurança será a PMTA do equipamento. ► O parágrafo UG-125 (c) do Código ASME cita que um vaso com um único dispositivo de alívio poderá atingir, após total abertura desta PSV, até 10% ou 3 psig (o maior dentre estes valores) acima da PMTA. ► Quando vários dispositivos são utilizados, tal valor pode chegar a 16% ou 4 psig. ► Por 190
  191. 191. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Todos os vasos de pressão projetados de acordo com o Código ASME Seção VIII - Div. 1, inclusive as estruturas de suporte, devem ser verificados para as seguintes condições: 191
  192. 192. NTT - VASOS DE PRESSÃO CONDIÇÃO I - MONTAGEM CARREGAMENTOS Consideração simultânea dos seguintes carregamentos ativos: a) peso próprio do vaso (v.nota 1); b) esforços devido à ação do vento ou terremoto (v.nota 2). Consideração simultânea dos seguintes carregamentos atuantes: a) pressão interna de teste hidrostático; II – TESTE b) peso do vaso completamente HIDROSTÁTICO cheio de água (v.nota 1); c) peso de todas as cargas permanentes suportadas pelo vaso durante o teste (v.nota 3). 192 TENSÕES DE MEMBRANA ESPESSURAS ADMISSÍVEIS À TRAÇÃO (v.nota 7) Tensões admissíveis das tabelas da norma para o material do vaso na temperatura ambiente, acrescidas de 20%. Espessuras nominais das chapas (v.nota 6). A tensão máxima não pode exceder 80% do limite de elasticidade do material na temperatura ambiente. Para partes não pressurizadas, pode ser considerada a tensão admissível básica acrescida de 33 1/3%. Espessuras nominais ou espessuras corroídas (v.nota 6).
  193. 193. NTT - VASOS DE PRESSÃO CONDIÇÃO CARREGAMENTOS Consideração simultânea dos seguintes carregamentos atuantes: a) pressão interna ou externa de projeto na temperatura de projeto; III – OPERAÇÃO b) peso do fluido no nível de operação; NORMAL (v.nota 5). c) peso próprio do vaso; d) peso de todas as cargas permanentes suportadas pelo vaso (v.nota 4); e) esforços devido à ação do vento ou terremoto (v.nota 2). IV - PARADA 193 Consideração simultânea dos seguintes carregamentos atuantes: a) peso próprio do vaso; b) peso de todas as cargas permanentes suportadas pelo vaso (v.nota 4); c) esforços devido à ação do vento ou terremoto (v.nota 2). TENSÕES DE MEMBRANA ADMISSÍVEIS À TRAÇÃO (v.nota 7) ESPESSURAS Tensões admissíveis das tabelas da norma para o material do vaso na temperatura de projeto, exceto no trecho inferior ao estabelecido para saia de suporte. Espessuras corroídas, isto é, espessuras nominais menos as sobrespessuras de corrosão (v.nota 6). Tensões admissíveis das tabelas da norma para o material do vaso na temperatura ambiente, acrescidas de 20%. Espessuras corroídas.
  194. 194. NTT - VASOS DE PRESSÃO Notas: 1. Inclui o casco e acessórios soldados; exclui acessórios externos e internos removíveis; 2. Os esforços devidos ao vento não precisam ser considerados para o projeto dos vasos horizontais, devem, entretanto, ser considerados no projeto das suas fundações e estruturas; 3. Inclui internos removíveis; exclui isolamento interno ou externos e acessórios externos; 4. Inclui internos removíveis, isolamento interno ou externo, acessórios externos e tubulações; 5. Em casos especiais, a critério do projetista, pode ser necessário considerar na condição III o efeito simultâneo de outros carregamentos atuantes, tais como : dilatações térmicas do próprio vaso, dilatações térmicas de tubulações e outras estruturas ligadas ao vaso, flutuações de pressão, esforços dinâmicos causados pelo movimento de fluidos internos e vibrações; 6. Para as partes que sofrem redução de espessura no processo de fabricação, devem ser consideradas as espessuras mínimas esperadas; 7. A tensão longitudinal de compressão admissível, para todas as condições de carregamento, para o vaso e para as saias de suporte, deve ser determinada de acordo com o código ASME Section VIII Division 1, parágrafo de valores 194 de tensão máxima admissível.
  195. 195. NTT - VASOS DE PRESSÃO Capítulo 6 Dimensionamento de Vasos de Pressão 195
  196. 196. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Uma casca pode ser definida como um componente estrutural com duas dimensões sensivelmente maiores que uma terceira (espessura), podendo ter uma curvatura em uma ou duas direções. Se não há curvatura este componente estrutural é chamado de placa. Os vasos de pressão com espessuras bastante inferiores as suas demais dimensões, oferecem pouca resistência a momentos fletores perpendiculares a sua superfície e é comum, para o seu dimensionamento, que sejam considerados como membranas. As tensões calculadas, desprezando-se as tensões de flexão são denominadas tensões de membrana. 196
  197. 197. NTT - VASOS DE PRESSÃO ► Cascas finas (membranas) tentarão equilibrar as forças ou carregamentos a que estão sujeitas somente por tensões de tração (ou compressão). É até desejável que sejam pouco resistentes às tensões de flexão, pois isto permitirá que o vaso de deforme rapidamente sem o surgimento de altas tensões de flexão nas descontinuidades. ► Tensões de membrana são tensões médias de tração (ou compressão) atuando ao longo da espessura do vaso e tangencialmente a sua superfície. Assim as equações para dimensionamento de componentes de parede fina submetidos à pressão interna utiliza a teoria de cascas e tensões de membrana. 197
  198. 198. NTT - VASOS DE PRESSÃO ►É sabido que podem ocorrer elevadas tensões nas descontinuidades nos vasos de pressão, mas regras de projeto e de fabricação desta divisão foram estabelecidas de modo a limitar tais tensões a um nível seguro consistente com a experiência adquirida. ► Em regiões de descontinuidade geométrica existe uma diferença entre a rigidez dos componentes, o que se reflete na ocorrência de tensões de flexão localizadas. 198
  199. 199. NTT - VASOS DE PRESSÃO Cilindro e hemisfério juntos (deformados) Hemisfério sem pressão (não deformado) Me δe Q Mc Cilindro separado (deformado) 199 δc Hemisfério separado deformado Q LINHA DE JUNÇÃO (LINHA DE TANGENTE) Cilindro sem pressão (não deformado)
  200. 200. NTT - VASOS DE PRESSÃO Q a 200 Me p δc Mc δe Q p

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