Dimensionamento de tubulações Parte I

DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS)

Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPS Definidos pela norma: ANSI B 36.10 - Aços carbono e aços liga, Ø (1/8” a 36”) ANSI B 36.19 - Aço inoxidável, Ø (1/8” a 12”) Iron Pipe Sise – IPS Série = 1000 

P S

P = pressão interna psig S = Tensão admissível em psi.

Schadules disponíveis, # 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160.

Diâmetros nominais comuns; 1/8”, 1/4”, 3/8”,1/2”, 3/4” , 1”, 1 1/2”, 2”, 3”, 4”, 6”.......26”, 30”e 36”.

Menos comuns: 1 1/4” , 2 1/2” , 3 1/2”, 5”.

Obs. Para o mesmo diâmetro externo (diâmetro nominal) tem-se diferentes opções de parede → Diferentes diâmetros internos A espessura é definida por: série, no , #, ou Schedule (SCH) Schedule number (SCH), “série”, regido pela ANSI B36-10. .

DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DE PAREDE

Norma ANSI B. 31

t m

   2 

P



SE

 

D PY

 

c

  Obs, para t ≤ D/4 .................. t = tm - c

t m P

= espessura (mínima) de parede (pol) (mm) = Pressão interna de projeto (psi) MPa

D

Onde: = Diâmetro externo (pol) (mm)

SE

= coeficiente de stress (psi) MPa, Onde :

S

, Tensão admissível para o material, excluso qualidade de solda e fator de junta.

E

, fator de qualidade de fundição ou de solda. Eficiência de solda (para tubos sem costura = 1)

Y

= Coeficiente de redução (varia com o material e a temperatura). Ex. aço carbono até 480º C , Y=0,4

c

= Soma de sobre-corrosão, erosão,...profundidade de roscas, Obs. 1- Dimensões espessura de rosca ANSI B2.1

2- Se a tolerância não for especificada adotar 0.02” (0,5mm)

Exemplo: Calcular a espessura mínima necessária para um tubo de diâmetro nominal 8” (8,625, Ø externo (tabela) aço carbono s/ costura, Tensão admissível na T proj. =

12350

0,05”. psi. e P proj. 800psi, T projeto 600º F, com sobrespessura de corrosão c =

t

  

2 800



12350 *

 

1 8 , 625



800



0 , 4

 

0 , 05

  = 0,322” *ASTM A 53 A (S =12350) Obs. Ver tensão admissível Perry 6ª ed. Item 23 Aplicando uma tolerância de 12,5 % a 1,125 x 0,322 = 0,362” Para atender a esta espessura, Tubo # 80 espessura = 0,500” # 60 = 0,406” # 40 = 0,322” Para ANSI A – 53 B ( S =15500)...... t = 0,268” → tm = 0,301 “ Neste caso, a série # 40 atenderia, pois tem espessura de 0,332”

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

S



P

 

1 , 125 2

 

E

(

t D



Y



2 , 25



c



1 , 0125



c

)



2

t

 

Analisando o efeito da força gerada pela dilatação térmica

P A



L



E P A



S

Temos que: 

L



e

tensão interna (kg/cm 2 )

dilatação unitária

(cm/cm) P = S. A Logo, a equação acima poderá ser escrita

S e



E

,ou então S =

e .E

P =empuxo sobre os pontos de fixação (Kg ou T) A = área da seção transversal (cm 2 ) δ = dilatação livre do tubo (cm) L = comprimento do tubo (cm) E = módulo de elasticidade do material (kg/cm 2 )

FLEXIBILIZAÇÃO DE UMA TUBULAÇÃO SUJEITA A UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

Fórmula simplificada

Teste rápido

(ANSI B 31- 10) Fórmula original 

L D

 

Y U

 2  30 .

S a E c



L D

 

U Y

 2 

0 , 03 * ......

ou

.......

208 , 3 * *

Obs. Disposição tridimensional é mais flexível que a plana. O efeito de torção é cerca de 30% mais eficiente do que a flexão. Ainda, quanto mais simétrico é o arranjo melhor o traçado. Sistema tridimensional permite maior liberdade de movimento à tubulação.

Onde: Sa = limite admissível para a resultante das tensões secundárias combinadas Ec = módulo de elasticidade na temperatura de trabalho D = Ø nominal externo * ( pol) **(mm) Y = Somatório das dilatações * (pol) **(mm) L = Comprimento da tubulação * (ft) **(m) U = distância entre os pontos fixos * (ft) **(m) * sistema inglês ** sistema internacional

S a



f

( 1 , 25

S c

 0 , 25

S h

)

Controlando a dilatação térmica

   Não utilizar segmento em linha reta entre dois pontos Empregar acessórios deformáveis (juntas de expansão) Quando espaço é reduzido, grande dilatação e tubulação de grande diâmetro Pretensionamento

Adequando um traçado de uma tubulação

    Quanto maior o comprimento desenvolvido para a tubulação, em relação aos pontos fixos, melhor a flexibilidade Quanto mais simétrico melhor a distribuição dos esforços Quanto menor a desproporção, entre os seguimentos , idem Sempre que possível adotar arranjo tridimensional

PRESSÃO E TEMPERATURA DE PROJETO Pressão de Projeto*

Definida na Norma ANSI B-31.

*Tensão admissível nas condições extremas de projeto ( diferente de operação ).

Condição simultânea de maior severidade.

Temperatura de projeto

Correspondente aquela da pressão de projeto eleita.

Ex. duas condições distintas 1ª - 800º F e 300 psi Sh

= 6500psi

2ª - 70º F e 900psi Sh= 20000psi * Escolhe-se a condição mais crítica, na qual a tensão admissível apresenta menor valor. No exemplo colocado, a 1ª condição.

CONSIDERAÇÕES DE PROJETO

  

Pressão de choque

(golpe de aríete) Situações onde estão sujeitas elevações bruscas de pressão: Parada brusca , partidas de bombas,etc...

Obs. 1) Pressão de choque : A Norma sugere Valor de P = 60 vezes o valor da velocidade em (ft/s).

2) Para tubos ferro fundido)* Valor da pressão =∑ (P máx. operação + P.choque)      

Condições transitórias passíveis de causar fadiga

, Elevação de pressão,....

Parada/partida de bomba: Aríete Vácuo (sucção) Resfriamento de fluido gasoso → vácuo Expansão por elevação da temperatura Congelamento – Dilatação do fluido x contração/fragilização do metal.

Considerações quanto a temperatura de operação

É pratica adotar no projeto uma temperatura um pouco superior aquela temperatura máxima de operação da linha (temperatura do fluido circulante)

Temperatura considerada para tubos, válvulas e acessórios

 Se temperatura do fluido for superior a 0° C 

Tubos



não isolados :

Se rosqueados (tubos válvulas e acessórios)  95% da temperatura do fluido Se flangeados (tubos, válvulas e acessórios flangeados)  90% da temperatura do fluido Parafusos e porcas dos flanges 80 % da temperatura do fluido 

Tubos isolados

 Isolamento térmico externo Temperatura igual a do fluido  Isolamento interno Deduzir perda térmica equivalente através do isolamento  Se a temperatura do fluido for inferior  a 0° C Materiais com temperatura igual a temperatura do fluido

Principais esforços mecânicos a que podem estar submetidas tubulações industriais

        Pressão interna e externa Peso Tubo, Fluido Acessórios, válvulas, isolamento, Fluidos durante teste hidrostático Peso de outros tubos suportados ou apoiados Plataformas , pessoas, neve , terra (soterrados), veículos,etc..

Ação dinâmica Movimento do fluido, Ventos Impactos de natureza mecânica , golpes de ariete, Vibrações Dilatações térmicas Tubulação, Equipamentos aos tubos conectados, Tensões residuais de montagem da linha, Atrito dos suportes, Esforços de desalinhamentos, etc..

Algumas formas de correção

       Instalar de forma adequada os suportes Instalar acessórios sempre que possível próximos aos pontos de sustentação Evitar e minimizar cargas externas Instalar guias e contraventos Colocar patins ou roletes Instalar amortecedores de vibração Flexibilizar de forma adequada a linha

Principais formas de tensão presentes em uma tubulação

    Tensão longitudinal Conseqüência da pressão, movimento fletor, (pesos, dilatações, equipamentos) e esforço residual de montagem.

Tensão circunferencial Conseqüência da pressão, deformação por achatamento resultante de esforços fletores atuantes Tensão radial Tensão de cisalhamento circunferencial Conseqüência de esforços de torção Esforços mais relevantes   Pressão Dilatação

Tensão primária X Tensão secundária

Primária , esforço externo e internos permanentes................ Valor constante.

Secundárias, ( cíclicas ), dilatações, movimento de equipamentos a custa de dilatação .....................Diminuem devido ao relaxamento espontâneo ao longo do tempo .........acomodação dos esforços

Tensão admissível

Obs. Dados tabelados referem se a tensões básicas de tração esforços estáticos e permanentes e flexão, para

Tensão admissível X fator de segurança

O critério para escolha do fator de segurança depende:  Tipo de material  Critério de cálculo : > ou < grau de arbitrariedade  Tipos e freqüência de esforços  Incerteza do material  Defeitos de fabricação do material, montagem, etc  Segurança

Condições transitórias de trabalho ou diferentes tipos de esforços  Esforço transitório de cisalhamento e torção Adota se 80% da tensão admissível básica  Tensões secundárias não permanentes de curta duração, A custa de vento, condições anormais de operação, etc   Ciclo de 10h consecutiva em um total de 110 h/ano Adota se fator de 1,33% da tensão admissível Ciclo de 50h consecutiva em um total de 500 h/ano Adota se fator de 1,20% da tensão admissível Cada seção da norma adota diferentes critérios na adoção das tensões admissíveis de acordo com a severidade e risco da operação como mostra a tabela a seguir

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

Seção da ANSI

B.31.1

B.31.2

B.31.3

B.31.4

B.31.5

B.31.6

B.31.7

B.31.8

Áreas

Centrais de vapor Tubulações de ar e gases Refinarias e Instalações petrolíferas Oleodutos Refrigeração Industrias Químicas Centrais Nuclares Transporte e distribuição de gases

Tensão admissíveis básicas (o menor dos valores obtidos)

Tr/4 Tr/2,66 Tr/3 ---- Tr/4 Tr/3 Tr/3 ---- Te/6 ---- Te/1,6 Te/1,39 Te/1,6 Te/1,6 Te Te/1,1 Tdf ---- Tdf ---- ---- Tdf Tdf ---- 0,8Trf ---- 0,8Trf ---- ---- 0,8Trf 0,8Trf -----

Resumo sobre valores adotados para tensão admissível de acordo com a severidade das condições operacionais

Obs. Valores básicos são aqueles adotados para esforços de tração, de torção e de flexão, estático e permanentes Esforços estáticos e permanentes de cisalhamento, Empregar 80% das tensões admissíveis básicas

Situações adversas

Variações ocasionais acima das condições de projeto deverão permanecer dentro dos seguintes limites em relação a pressão de projeto: Sob restrição, é permitido exceder a faixa de pressão ou a tensão admissível para a pressão de projeto na temperatura da referida condição por não mais que:  33% para não mais que 10h em condição contínua e não mais que 100h/ano.

 20% para não mais que 50h em condição contínua e não mais que 500h/ano.

Referência Tubulações Industriais Pedro Carlos da Silva Telles Livros Técnicos e Científicos Editor S.A.

4ª Edição - 1976