1. VERIFICAO DE ADEQUAO DO PROJETO DE UMA TUBULAO DE INCNDIO DE UMA REFINARIA DE PETRLEO CONFORME AS NORMAS DA PETROBRAS Orientador: Prof. Dr. Sergio Viosa Mller Porto Alegre 2010 LUS FERNANDO LIMAS FRAGA Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecnica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obteno do diploma de Engenheiro Mecnico.

2. Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecnica VERIFICAO DE ADEQUAO DO PROJETO DE UMA TUBULAO DE INCNDIO DE UMA REFINARIA DE PETRLEO CONFORME AS NORMAS DA PETROBRAS LUS FERNANDO LIMAS FRAGA BANCA EXAMINADORA: Prof. Dr. BARDO E. JOSEFF BODMANN UFRGS / DEMEC Prof. Dr. PEDRO BARBOSA MELLO UFRGS / DEMEC Prof. Dr. SRGIO LUIZ FREY UFRGS / DEMEC Porto Alegre 2010 ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA A OBTENO DO DIPLOMA DE ENGENHEIRO(A) MECNICO(A) APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA Prof. Paulo Otto Beyer Coordenador do Curso de Engenharia Mecnica 3. iii Em memria de meu pai, Hzio Jos Lopes Fraga. 4. iv AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeo a minha me Clacy, a meu pai Hzio (in memoriam), a minha irm e segunda me Nena, ao meu cunhado e segundo pai Paulo, aos meus irmos Nato e Nico pelo amor, pela dedicao, pelos conselhos, pelo apoio e pela confiana. Aos meus sobrinhos Bruno, Brenda e a meu afilhado Lucas pelos inmeros momentos de alegria. minha futura esposa Valesca pela pacincia e amor dedicados. Ao meu orientador, Prof. Dr. Sergio Viosa Mller pelo apoio, pacincia, alegria e, principalmente, pelos conhecimentos passados com entusiasmo nesse perodo. Ao professor Francis H. R. Frana pelos ensinamentos em sala de aula, pela confiana e pela pontualidade dos quais levarei sempre comigo. funcionria da Biblioteca Vera Lcia Fagundes Longaray pelas conversas e por sua pronta disposio em ajudar. Aos colegas de AeroDesign Minuano UFRGS, principalmente Eng. Valtur V. Abade e Eng. Vitor W. Alves pela amizade e companheirismo. Ao Eng. Luiz. V. Castilho pelos ensinamentos e por ter me mostrado o caminho dos Guerreiros do Corao. Aos Guerreiros do Corao pelos lindos momentos de minha vida em que tive o privilgio de compartilhar. Sou eternamente honrado por fazer parte de maravilhoso grupo de homens. Ao sr. Plnio e Dona Angelina por terem confiado em mim todos estes anos. Aos meus chefes Eng. Wilmar Collovini e Francisco Polisseni pela oportunidade, confiana, amizade e pelo aprendizado de vida. 5. v Este trabalho contou com apoio da seguinte entidade: - Empresa Estrutural Servios Industriais Ltda. 6. vi Se voc acha que pode ou que no pode fazer algo, de qualquer maneira voc est certo. Henry Ford 7. vii FRAGA, L.F.L. Verificao de Adequao do Projeto de uma Tubulao de Incndio de uma Refinaria de Petrleo Conforme as Normas da PETROBRAS. 2010. 24 f. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. RESUMO O objeto de estudo deste trabalho a verificao de adequao do projeto de uma tubulao projetada para fornecer gua doce a um sistema de hidrantes e a um Canho Monitor a ser utilizado no combate a incndios no parque de bombas D situado dentro de uma refinaria de petrleo que faz parte do complexo de empresas da PETROBRAS, utilizando para isto as normas desta e as normas a que ela faz referncia tais como ASME.B.31.3. Foram feitos clculos conforme a literatura tcnica e aps comparados com os requisitos exigidos pela norma PETROBRAS. O levantamento dos dados foi feito durante o perodo de estgio obrigatrio do autor que durou aproximadamente quatro meses. PALAVRAS-CHAVE: Tubulao de Incndio, Petrleo, Normas PETROBRAS, Norma ASME.B31.3. 8. viii FRAGA, L.F.L. Verification of Suitability of Design of a Pipeline Fire in a Petroleum Refinery According to PETROBRAS Standards. 2010. 24 f. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. ABSTRACT The object of this paper is the verification of the adequacy of a pipeline fire designed to provide fresh water to a hydrant system and a "Cannon Monitor" to be used in fire combat in the pumps park "D" located within a oil refinery complex that is part of the company PETROBRAS, using the standards of this and the standards that it references such as ASME.B.31.3. Calculations were made according to the technical literature and further compared with the standard requirements demanded by PETROBRAS. The survey was done during the probationary period required of the author that lasted about four months. KEYWORDS: Pipeline Fire, Petroleum, PETROBRAS Standards, ASME.B31.3 Standards. 9. ix LISTA DE FIGURAS Figura 4.2 - Croqui simplificado do sistema .............................................................................3 Figura 5.2.5 - (a) Croqui do sistema; (b) Simplificao; (c) Esforos .......................................7 Figura A.1 - Isomtrico proposto .............................................................................................15 Figura B.1 Exemplos de ramificaes boca de lobo..........................................................20 10. x LISTA DE TABELAS Tabela 9.1 - Comparao dos dados: Tubulao principal ......................................................11 Tabela 9.2 - Comparao dos dados: Tubulao secundria....................................................11 Tabela 9.3 - Especificao dos materiais ................................................................................12 Tabela A.1- Tabela de espessura de Tubos ..............................................................................16 Tabela A.2- Tabela para seleo de ramificaes ....................................................................16 Tabela A.3- Vos mximos entre suportes de tubulao..........................................................17 Tabela A.4- Tabela de pesos de tubos......................................................................................17 Tabela A.5- Tabela das distncias entre tubos .........................................................................18 Tabela A.6- Seleo de tubos de conduo de ao-carbono.....................................................18 Tabela A.7 - Seleo de materiais ............................................................................................19 Tabela A.8 - Normas dimensionais para vlvulas Figuras.......................................................19 Tabela A.9 - Materiais para flanges de tubulao ....................................................................19 Tabela A.10 - Padronizao dos flanges de ao-carbono.........................................................19 Tabela A.11 - Seleo de juntas de vedao ...........................................................................20 11. xi LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT AISI AFO AFU ANSI API ASME ASTM BSI FFU ISO N/A REC STD TIP UFRGS XS XXS Associao Brasileira de Normas Tcnicas American Iron and Steel Institute Ao forjado Ao fundido American National Standards Institute American Petroleum Institute American Society of Mechanical Engineers American Society for Testing and Materials British Standards Institute Ferro fundido International Organization for Standardization No aplicvel Reduo concntrica Standard Tpico Universidade Federal do Rio Grande do Sul Extra Strong Double extra strong 12. xii LISTA DE SMBOLOS A C d D Dp Ds e E Ec I L Ls P Pa Pt q Q S Sa Sc Sh t V Vp Y # rea [m2 ] Margem para corroso [mm] Dimetro interno [pol] Dimetro externo [pol] Dimetro da tubulao principal [m] Dimetro da tubulao secundria [m] Dilatao unitria [mm/m] Coeficiente de solda; Mdulo de elasticidade do material [N/A; MPa] Mdulo de elasticidade do ao-carbono [MPa] Momento de inrcia [cm4 ] Comprimento da tubulao para clculo simplificado [m] Distncia mxima entre apoios [m] Presso interna de projeto [psi] Peso da gua [N/m] Peso do tubo [N/m] Carregamento [N/m] Vazo [m3 /s] Tenso na tubulao para o clculo de flexibilidade [MPa] Tenso admissvel para esforos de dilatao [psi] Tenso admissvel na temperatura ambiente [psi] Tenso admissvel a 60C [psi] Espessura da parede do tubo [mm] Volume; Velocidade do escoamento [m3 ; m/s] Velocidade do escoamento na tubulao principal [m/s] Coeficiente de reduo [N/A] Flecha mxima [mm] Dimetro [pol; mm; m] Classe; Libras [N/A; psi] Densidade [kg/m3 ] 13. xiii SUMRIO RESUMO .................................................................................................................................vii ABSTRACT. ...........................................................................................................................viii 1. INTRODUO......................................................................................................................1 2. REVISO BIBLIOGRFICA...............................................................................................1 2.1 Normas PETROBRAS................................................................................................2 3. CONCEITOS BSICOS........................................................................................................2 3.1 Fogo A reao qumica da combusto ....................................................................2 3.2 Mtodos de extino do fogo......................................................................................2 3.2.1 Extino por retirada do calor (Resfriamento). ..............................................2 4. APRESENTAO DO PROBLEMA ..................................................................................3 5. METODOLOGIA DE CLCULO. .......................................................................................3 5.1 Clculo da Tubulao Secundria...............................................................................4 5.1.1 Clculo do dimetro .......................................................................................4 5.1.2 Clculo da espessura das paredes. ..................................................................4 5.1.3 Clculo dos pesos . .........................................................................................5 5.1.4 Clculo dos vos mximos . ...........................................................................5 5.1.5 Clculo da flexibilidade .................................................................................6 5.1.6 Clculo da distncia entre tubos . ...................................................................6 5.2 Clculo da Tubulao Primria...................................................................................6 5.2.1 Clculo do dimetro .......................................................................................6 5.2.2 Clculo da espessura das paredes . .................................................................6 5.2.3 Clculo dos pesos . .........................................................................................6 5.2.4 Clculo dos vos mximos . ...........................................................................7 5.2.5 Clculo da flexibilidade .................................................................................7 5.2.6 Clculo da distncia entre tubos . ...................................................................8 14. xiii 6. ESPECIFICAO DOS MATERIAIS .................................................................................8 6.1 Tubos...........................................................................................................................9 6.2 Vlvulas ......................................................................................................................9 6.3 Flanges ........................................................................................................................9 6.4 Juntas.........................................................................................................................10 6.5 Derivaes.................................................................................................................10 7. ENSAIOS NO-DESTRUTIVOS.......................................................................................10 7.1 Ensaio visual de solda...............................................................................................10 7.2 Ensaio por lquido penetrante. ..................................................................................10 7.3 Ensaio de ultrassom ..................................................................................................10 8. PINTURA.............................................................................................................................10 8.1 Preparao da superfcie ...........................................................................................11 8.2 Tintas de fundo e acabamento...................................................................................11 9. RESULTADOS E ANLISE...............................................................................................11 10. CONCLUSES .................................................................................................................12 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .....................................................................................13 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA..........................................................................................14 APNDICES Isomtrico proposto........................................................................................15 ANEXOS..................................................................................................................................16 ANEXO A - Tabelas.......................................................................................................16 ANEXO B Figura B.1..................................................................................................20 15. 1 1. INTRODUO O consumo de petrleo vem aumentando nas ltimas dcadas impulsionado pela crescente demanda de combustveis e principalmente de seus derivados polimricos. Recentemente a PETROBRAS anunciou ter encontrado reservas de petrleo no Brasil no chamado Pr-Sal. Esta descoberta est movimentando toda uma cadeia produtiva para conseguir suprir, num espao muito curto de tempo, as necessidades de mo-de-obra especializada para extrair e refinar o petrleo. Entretanto, sero necessrias ampliaes nas instalaes das refinarias existentes ou, ainda, a construo novas unidades para conseguir absorver este excedente. Para isto, sero necessrios profissionais com experincia em clculos estruturais e nas normas da PETROBRAS. Neste contexto, o clculo da rede de incndio de vital importncia para se ter segurana no caso de acidentes. Um sistema mal dimensionado pode acarretar prejuzos imensurveis. Um incndio pode destruir em poucas horas um valioso patrimnio, em cuja construo e crescimento foram investidos muito esforo e recursos econmicos, deixando a coletividade privada dos servios e bens produzidos pelo estabelecimento atingido por este sinistro. O incndio poder atingir tambm as vidas dos ocupantes dos prdios, das equipes de emergncia e terceiros. Num incndio, alm das perdas diretas, noticiadas pela imprensa e avaliadas em reais h outras perdas ditas indiretas, to ou mais importantes como, por exemplo: Deficincias nos valores segurados gerando indenizaes insuficientes; lucros cessantes, perda de mercados e de campanhas de publicidade; perdas para a comunidade no que tange a campanhas de racionamentos em virtude da diminuio da produo; perdas de vidas gerando, nos familiares e amigos, revoltas e distrbios emocionais e psicolgicos. (Hanssen, 2010). O levantamento dos dados foi feito numa refinaria de petrleo durante o perodo de estgio obrigatrio do autor que durou aproximadamente quatro meses do qual o mesmo vivenciou o dia-a-dia de um canteiro de obras. 2. REVISO BIBLIOGRFICA Existem muitos cdigos e normas, de diversos pases, regulando o projeto, a fabricao, a montagem e utilizao de tubulaes industriais para as mais diversas finalidades, detalhando materiais, condies de trabalho, procedimentos de clculo etc., bem como padronizando dimenses de tubos, vlvulas e conexes de tubulao. As principais normas e cdigos de uso corrente sobre tubulaes industriais so as seguintes: - American Standard Code for Pressure Piping - ANSI.B.31 - Cdigo Geral sobre tubulaes industriais, anteriormente denominado ASA.B.31 e USAS.B.31. O cdigo ANSI.B.31 separado em trs divises (B.31.1, B.31.2 e B.31.3), mas ser utilizada neste trabalho somente a ANSI.B.31.3 Chemical Plant and Petroleum Refinary Piping que trata das tubulaes em indstrias qumicas e petroqumicas, refinarias e outras instalaes petrolferas. A norma ANSI.B.31.3 era parte integrante do American Standard Code for Pressure Piping, mas, a partir de 1959 tem sido publicada em separado, sendo reeditada a cada trs anos e revisada duas vezes ao ano. A partir de 1980, essa norma foi adotada pela America Society Mechanical Engineers passando a ter o prefixo ANSI/ASME. - American Society for Testing and Materials ASTM A 53, ASTM A 105, ASTM A 106, ASTM A 216, ASTM B62 - Especifica materiais, abrangendo materiais para tubos vlvulas, conexes, parafusos, juntas, materiais de isolamento, tintas, eletrodos etc. 16. 2 - American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME.B.31.3, ANSI/ASME.B.16.5 - Normas que especificam tipos, dimenses, classes de presso nominal, materiais de construo, processos de fabricao etc. - American Petroleum Institute API 602 - Normas americanas do setor petrolfero. 2.1 Normas PETROBRAS A PETROBRAS a 18 maior empresa do mundo e a 7 no setor de petrleo e gs (Fonte: www.petrobras.com.br, acesso em Jun/2010). Mas estes colocaes foram conseguidas com muito empenho e um controle de qualidade impecvel, onde existem normas rigorosas a serem seguidas para qualquer atividade que se queira desenvolver dentro da empresa, seja nas plataformas off-shore de extrao de petrleo, nas refinarias e at mesmo nos escritrios. As normas so constantemente revisadas para manterem-se atualizadas. A maior parte das exigncias feitas nas normas PETROBRAS baseada em normas internacionais tais como ANSI/ASME B31.3( The American Society of Mechanical Engineers, Process Piping), API Standard 602 ( American Petroleum Institute, Compact Steel Gate Valves), mas tambm se utiliza das normas brasileiras tal como a ABNT NBR 5425 (Guia para Inspeo por Amostragem no Controle e Certificao de Qualidade). 3. CONCEITOS BSICOS 3.1 Fogo A reao qumica da combusto Segundo Hanssen (2010), combusto uma reao qumica exotrmica, de oxidao rpida, que emite radiao eletromagntica nas faixas do infravermelho e do visvel. Desse modo, o fogo pode ser entendido como uma entidade gasosa emissora de radiao e decorrente da combusto cujos reagentes so o combustvel e o oxignio do ar (comburente), reao esta que se processa com liberao de calor (calor de combusto) e luz (chama visvel). A reao qumica da combusto se inicia se houver uma energia de ativao (energia de iniciao) e se mantm custa do calor (energia) liberado pela prpria reao. Juntando estes trs elementos essenciais da combusto: Combustvel, Calor e Comburente temos o chamado Tringulo da Combusto. Se for includa a reao qumica para manter o processo, o tringulo se torna o chamado Tetraedro do Fogo. 3.2 Mtodos de extino do fogo Partindo do princpio de que, para haver fogo, so necessrios o combustvel, comburente e o calor, formando o tringulo do fogo ou, mais modernamente, o quadrado ou tetraedro do fogo, quando j se admite a ocorrncia de uma reao em cadeia, para se extinguir o fogo, basta retirar um desses elementos. Com a retirada de um dos elementos do fogo, tm-se os seguintes mtodos de extino: extino por retirada do material, por abafamento, por resfriamento e extino qumica. 3.2.1 Extino por retirada do calor (Resfriamento) Este mtodo consiste na diminuio da temperatura e eliminao do calor, at que o combustvel no gere mais gases ou vapores e se apague. Como agente extintor a gua age, principalmente, por resfriamento e abafamento, conforme seu estado fsico. No estado lquido em um jato compacto ela age por resfriamento 17. 3 e no estado gasoso ela age por abafamento, reduzindo a taxa de oxignio e, conseqentemente, sua inflamabilidade. (Brentano, 2004). 4. APRESENTAO DO PROBLEMA O objeto de estudo deste trabalho a verificao de adequao do projeto de uma tubulao projetada para fornecer gua doce a um sistema de hidrantes e a um Canho Monitor a ser utilizado no combate a incndios no parque de bombas D situado dentro de uma refinaria de petrleo que faz parte do complexo de empresas da PETROBRAS, utilizando para isto as normas desta. Esta tubulao ligar o Canho Monitor e os hidrantes outras duas tubulaes, ambas fornecendo gua doce de um reservatrio situado dentro da refinaria. Esta configurao mostrada simplificadamente na figura 4.2. Figura 4.2. Croqui simplificado do sistema Este sistema de incndio dever fornecer gua com uma vazo mnima de 2000 l/min (120 m3 /h) a uma presso de no mnimo 7 kgf/cm2 (700 kPa) para o canho e para os hidrantes separadamente. No sero abordados neste trabalho os procedimentos de soldas, pois estas j estavam concludas quando o autor iniciou o estgio e por isso, no se tem os respectivos dados para serem comparados. 5. METODOLOGIA DE CLCULO O projeto de uma tubulao uma parte importante do projeto global de uma instalao industrial. Nas indstrias de processo, o projeto de tubulaes chega a atingir 45 a 60% do total de homens-hora gastos em todo o projeto global. A rede de tubulaes abrange tambm, neste caso, toda ou quase toda rea do terreno da indstria. Em um projeto de tubulao costumam ser sempre feitos os seguintes clculos: - Dimensionamento do dimetro de cada tubulao. - Clculo da flexibilidade para verificar se cada trecho de tubulao capaz de absorver, por meio de flexes e tores nos seus diversos lados, o efeito combinado das dilataes e movimentos dos pontos extremos da tubulao. Esses clculos podem ser dispensados em alguns casos excepcionais. - Clculo de pesos, foras de atrito, esforos de ancoragem, reaes das juntas de expanso, e demais cargas que a rede de tubulaes esteja fazendo ou possa fazer sobre cada suporte. - Clculo da espessura de parede dos tubos. - Clculo dos vos mximos entre suportes. 18. 4 Conforme as normas PETROBRAS N-1673 Critrios de Clculo Mecnico de Tubulao, N-115 Fabricao e Montagem de Tubulaes Metlicas e N-57 Projeto Mecnico de Tubulaes Industriais foram feitos os clculos de dimensionamento da tubulao principal e secundria tomando-se por base os requisitos de projeto. Utilizou-se um conceito bem conhecido pelos engenheiros de campo que Atacar o problema pela fonte isto , lanou-se mo da engenharia reversa nestes clculos, iniciando pela presso e vazo exigidos no canho e hidrantes seguindo pela tubulao secundria e terminando na tubulao primria. 5.1 Clculo da Tubulao Secundria 5.1.1 Clculo do dimetro O clculo do dimetro da tubulao secundria ser feito em funo da velocidade do fluido, portanto, toma-se o valor da vazo requerida e toma-se o valor da velocidade econmica do escoamento da gua doce para instalaes industriais, que segundo Telles (1997) fica em torno de 2 m/s a 3 m/s. Adotando-se os valores de vazo 0,033 m3 /s e o menor valor para a velocidade econmica. A Q V = V = Q4 Ds (1) Onde: - Q a vazo (m3 /s) - V a velocidade do escoamento (m/s). - A a rea da seo transversal do tubo (m2 ). - Ds o dimetro do tubo secundrio (m). Aplicando-se a frmula 1 : Logo Ds = 6 (0,14567 m) 5.1.2 Clculo da espessura das paredes A norma ANSI/ASME.B.31 estabelece, para o clculo da espessura mnima de tubos sujeitos presso interna, as seguintes frmulas, equivalentes entre si : C YPES DP t h + + = )(2 ou C PYPES dP t h + + = )(2 (2) Onde: - P a presso interna de projeto (psi). - D o dimetro externo do tubo (pol). - d o dimetro interno do tubo (pol). - Sh a tenso admissvel do material na temperatura de projeto (psi). - E o coeficiente de eficincia de solda, vlido para o caso dos tubos com costura.Para os tubo sem costura E = 1,0. - Y o coeficiente de reduo de acordo com o material e a temperatura do tubo. - C a soma das margens para corroso, eroso e abertura de roscas e de chanfros (pol). 19. 5 Para tubos de ao carbono e temperaturas de at 485C (905F), a norma ANSI/ASME.B.31.3 adota Y=0,4 e Sh = 86.724,4 kPa(12.350psi), a PETROBRAS adota C=1,3mm (0,05118) e P=2.746,8kPa (391,15psi). Aplicando-se a frmula 2, com E=1,0; d=6 e todas as unidades no sistema ingls, se tem: t = 4,05 mm (0,1591) Entretanto, a norma PETROBRAS estabelece uma espessura mnima para as tubulaes devendo-se adotar sempre a de maior valor. Neste caso, a tubulao de 6 e a exigncia que se use a srie (Schedule) 40. Conforme a tabela A.1 do anexo, a espessura de parede do tubo ser de 7,11 mm. 5.1.3 Clculo dos pesos O peso do tubo, conforme a tabela A.4 do anexo Pt = 28,2 x 9,81 (N/m) se tem ento: q = Pt + Pa (3) Pa = V x (4) Onde: - q o carregamento a que a tubulao est solicitada (N/m). - Pa o peso da gua (N/m). - Pt o peso do tubo (N/m). - V o volume da gua dentro do tubo (V = 0,0182414m3 ). - a densidade da gua doce (arbitrada = 1000 kg/m3 ) Logo q = 455,57 N/m 5.1.4 Clculo dos vos mximos Segundo Telles (1997) o clculo do vo mximo regido pela frmula 5: 4 600 q IE Ls = (5) Onde: - a flecha mxima. - Ls a distncia mxima entre apoios (m). - E o mdulo de elasticidade do material (MPa). - I o momento de inrcia da seo transversal do tubo (cm4 ). - q o carregamento a que a tubulao est solicitada (N/m). Em reas de processo, a flecha mxima admitida () 10 mm para tubulaes de 4 ou maiores. Fazendo-se os clculos com E = 2x105 MPa, e obtm-se: Ls = 9,6 m Entretanto, a norma N-46 padroniza os vos mximos entre suportes de tubos de ao sem revestimento interno, em trechos retos, dentro e fora dos limites de unidades de processo. Conforme a tabela A.3 do anexo, o vo mximo de 8,2 m, contudo, a montagem da tubulao foi feita em suportes j existentes onde o comprimento mximo dos vos de 5,66 m, estando, portanto, dentro dos limites de aceitabilidade por ser inferior. 20. 6 5.1.5 Clculo da flexibilidade O clculo da flexibilidade pode ser dispensado em funo desta ser de pequeno comprimento e sua dilatao ser muito baixa conforme a norma. 5.1.6 Clculo da distncia entre tubos A distncia entre tubos uma padronizao de arranjo estabelecida pela PETROBRAS. Na tabela A.5 do anexo pode se ver que a distncia entre centros de um tubo para o outro deve ser de 320 mm. 5.2 Clculo da Tubulao Primria 5.2.1 Clculo do dimetro Aplicando-se a frmula 6 para uma vazo duas vezes maior pois so dois tubos de 6 para se alimentar se tem: V p = Q24 D (6) Onde: - Dp = dimetro da tubulao principal (m) Portanto Dp = 0,31932 m (8) Mas como a PETROBRAS j dispunha da tubulao e esta era de 10 optou-se, por razes econmicas, utiliz-lo. Contudo a velocidade do escoamento mudou e o novo valor deve ser calculado utilizando-se a frmula 7, portanto: A Q Vp = (7) Onde Vp a velocidade do escoamento na tubulao principal. Utilizando-se a frmula 7 se tem Vp = 1,31 m/s. 5.2.2 Clculo da espessura das paredes Da mesma forma que se calculou a espessura da parede da tubulao secundria, procede-se para a tubulao principal, mas agora utilizando d = 10 e a frmula 2: t = 5,7 mm (0,2237) Contudo, a espessura mnima para o dimetro de 10 tambm especificado pela srie (Schedule) 40. Conforme a tabela A.1 do anexo, a espessura da parede do tubo ser de 9,27mm. 5.2.3 Clculo dos pesos O peso do tubo, conforme a tabela A.6 do anexo Pt = 60,2 x 9,81 (N/m), V = 0,05067m3 , = 1000 kg/m3 e utilizando as frmulas 3 e 4 se tem: q = 1.087,63 N/m 21. 7 5.2.4 Clculo dos vos mximos Da mesma forma que se calculou o vo mximo da tubulao secundria, procede-se com a tubulao principal, mas agora com de 10. Onde I = 2.175,4 cm4 e utilizando a frmula 5, tem-se : L= 9,03 m Conforme a tabela A.3 do anexo o vo mximo de 10,2 m, contudo, a montagem da tubulao foi feita em suportes j existentes onde o comprimento dos vos de 6 m, estando, portanto, dentro dos limites de aceitabilidade por ser inferior. 5.2.5 Clculo da flexibilidade Em virtude do aquecimento da tubulao, a mesma dilata devendo-se verificar a necessidade de se construir uma curva de expanso que est representada no croqui da figura 5.2.5(a) e para isto ser utilizado o mtodo da viga em balano guiada. Segundo Telles (1997) o mtodo da viga em balao guiada (Guided-cantilever Method) um mtodo aproximado para o clculo das tenses internas e dos esforos de reao nos extremos de uma tubulao. No estabelecimento deste mtodo, foram feitas algumas hipteses simplificativas: - No h deformaes ou rotaes nos ngulos. - No so levadas em considerao as tores. Em virtude destas simplificaes, os resultados obtidos so conservativos, isto , so sempre superiores aos reais, pois os sistemas so mais flexveis do que o considerado nas hipteses acima. Na tubulao principal existem duas curvas de expanso e estas devero responder, cada uma, por metade da flexibilidade da tubulao. Os clculos foram feitos baseados na norma ANSI/ASME.B31.3. para uma das curvas. Foi feita, ainda a simplificao mostrada na figura 5.2.5(b) e 5.2.5(c). Figura 5.2.5- (a) Croqui do sistema; (b) Simplificao; (c) Esforos. Procede-se o clculo para cada metade da curva e, como elas esto simplesmente apoiadas, faz-se a mdia das tenses encontradas. Conforme a norma, segue-se os clculos com as frmulas 8 e 9: 2 1 2 2 1 2 1 3 L LK L LeDE S c = = 2 2 1 2 2 1 2 3 L LK L LeDE S c = = (8 e 9) 22. 8 Onde : -S1 a tenso no tubo L1 (MPa). -S2 a tenso no tubo L2 (MPa). -Ec o mdulo de elasticidade do ao-carbono na temperatura ambiente. (2x105 MPa) - L1 e L2 so os comprimentos do tubos da metade da curva de expanso.(m) - e a dilatao unitria com o valor de 0,72 mm/m. Para que o sistema seja considerado como trecho de flexibilidade suficiente, deve-se ter: aS L LK 2 1 2 e aS L LK 2 2 1 (10 e 11) )25,025,1( ShScSa += (12) Onde: - Sa a tenso admissvel para esforos de dilatao (psi). Conforme a norma ANSI/ASME.B.31.3 - Sc e Sh so as tenses admissveis (psi) na temperatura ambiente e 60C, respectivamente. Sendo Sc = 12,350 psi (86,724 MPa), Sh = 12,052 psi (84,631 MPa), L1= 35,48 m, L2=5,68 m e utilizando-se as frmulas 8,9, 10, 11 e 12, tem-se para a parte inferior da curva: Sa= 18,450.5 psi (129,632 MPa) S1=583,07 KPa e S2= 128,381 Mpa Assumindo L4= 38 m e L3=5,68 m, tem-se para a parte superior da curva: S3= 139,1 Mpa e S4=115,93 KPa Smdio= 133,74 MPa A mdia dos valores de S2 e S3 o valor Smdio que 3,1 % maior que o valor aceitvel, entretanto, como j explicado, este mtodo tende a majorar os valores das tenses calculadas, estando, contudo, dentro dos limites aceitveis de 5%, conforme a norma. 5.2.6 Clculo da distncia entre tubos Da mesma forma que se procedeu com a tubulao secundria, na tabela A.5 do anexo pode se ver que a distncia entre centros da tubulao principal para as demais tubulaes da tubovia deve ser de 570 mm, pois a tubulao que est ao lado da principal possui dimetro de 14. 6. ESPECIFICAO DOS MATERIAIS A norma N-1693 Critrio para Padronizao de Material de Tubulao estabelece os critrios para padronizao dos materiais de tubulao a serem usados nas classes de presso 125, 150, 250, 300, 600, 900 e 1 500, nas instalaes da PETROBRAS, compreendendo: a) Instalaes terrestres e martimas de perfurao e produo; b) Instalaes de processo e utilidades em refinarias; c) Parques de armazenamento em refinarias; d) Estaes de bombeamento, compresso e medio de oleodutos/gasodutos em refinarias; e) Tubovias dentro dos limites de refinarias; f) Drenagem industrial; 23. 9 g) Oleodutos, gasodutos, bases de armazenamento e terminais (incluindo estaes de bombeamento, compresso e medio, parques de armazenamento, estaes de tratamento de efluentes) em reas fora de refinaria. 6.1 Tubos Os tubos de aos-carbono e aos-liga, nos dimetros nominais at 80, devem atender norma dimensional ASME B36.10, observando-se os seguintes critrios: a) No devem ser adotados os dimetros nominais de 1/8, 3/8, 1 1/4, 3 1/2, 5 e 7; b) O emprego de tubos com dimetros nominais de 22, 28, 32, 34, 38, 40, 44 e 46, deve ser precedido de anlise econmica, sujeito aprovao da PETROBRAS; c) Tubos de 2 1/2 devem ser utilizados apenas em sistemas de combate a incndio. As espessuras de tubos para os dimetros nominais at 10 devem ser designadas pela srie (schedule) ou pelas siglas correspondentes indicao de parede (STD), (XS) e (XXS) ou pela espessura em polegadas quando necessrio; para dimetros nominais iguais ou superiores a 12 as espessuras devem, preferencialmente, ser designadas em polegadas. Conforme a tabela A.6 do anexo deve ser usado um tubo padro ASTM A53 Grau B com ou sem costura, mas pode-se usar ainda como alternativa o tubo padro ASTM A 106 Grau B. Entretanto, o tubo utilizado na tubovia principal possui dimetro de 10 de padro API 5L sem costura Grau B, de srie (Schedule) 40. Contudo, esta desconformidade do projeto em relao as normas da PETROBRAS se deu em funo da mesma dispor desta tubulao e da deciso de se aproveit-la. 6.2 Vlvulas Conforme a tabela A.7 do anexo, a vlvula a ser utilizada para bloqueio de fornecimento de gua das tubulaes de 14 de dimetro para a tubulao principal deve ser do tipo gaveta classe 150# com seu corpo fabricado com ao fundido padro ASTM A 216 grau WCB que um ao fundido que pode ser soldado e trabalhar em altas temperatura e seus internos fabricado com Bronze padro ASTM B 62. Como alternativa para os internos de vlvula podem ser aceita a especificao AISI equivalente. As vlvulas dos suspiros (vents) e drenos so selecionadas conforme a tabela A.7 do anexo com dimetro de 3/4 classe 200# conforme a norma. Conforme a tabela A.8 do anexo, o material do corpo e as extremidades da vlvula de ao fundido devem seguir a ISO 10434 que baseada na norma API STD 600. 6.3 Flanges Para a seleo dos flanges, deve-se seguir as orientaes da tabela A.9 do anexo e para tubos de ao-carbono padro API 5L Grau B ou ASTM 106 Grau B, o material do flange deve ser padro ASTM A 105 de ao forjado. Os flanges devem ainda ser padronizados conforme a tabela A.10 do anexo na classe de presso de 150#. Os flanges a serem utilizados na tubulao sero flanges de pescoo, pois segundo Telles (1997), alm de ser o tipo mais utilizado em tubulaes, depois dos flanges integrais o mais resistente, com melhor transmisso de esforos do flange para o tubo, que permite melhor aperto, e que d origem a menores tenses residuais em conseqncia da soldagem e das diferenas de temperatura. 24. 10 6.4 Juntas Conforme se pode verificar na tabela A.11 do anexo, a junta para classe de presso 150# escolhida foi a de papelo hidrulico em Aramida por atender aos requisitos de presso e de temperatura e dentre as apresentadas, a de menor custo. 6.5 Derivaes O critrio para a seleo do tipo de ramificao deve seguir a orientao da tabela A.2 do anexo. Conforme se pode verificar, as derivaes da tubulao existente de 14 para a tubulao principal de 10 deve ser do tipo boca de lobo com reforo. As derivaes da tubulao principal com a secundria de 6 deve ser do tipo boca de lobo sem a necessidade de se soldar reforos. 7. ENSAIOS NO-DESTRUTIVOS Todas as soldas de tubulaes, depois de completadas, devem ser submetidas a exames no-destrutivos para verificar a ocorrncia de possveis defeitos. A norma N-115 (FABRICAO E MONTAGEM DE TUBULAES METLICAS) fixa as condies mnimas exigveis para os ensaios no destrutivos. Estas condies so feitas em funo do P-number que no caso do ao-carbono 1. Para este P-number a norma designa uma classe de ensaios que para este caso a classe II que exige os seguintes ensaios: 7.1 Ensaio visual de solda A norma exige o ensaio visual em 100% das soldas. 7.2 Ensaio por lquido penetrante A norma exige o ensaio por lquido penetrante em 10% das soldas boca de lobo e soldas em ngulo. 7.3 Ensaio de ultrassom A norma exige o ensaio por ultra-som em 10% das soldas circunferenciais e em 100% das soldas longitudinais. 8. PINTURA A norma N-442 (PINTURA EXTERNA DE TUBULAES EM INSTALAES TERRESTRES) tem por objetivo fixar o procedimento para a seleo do esquema de pintura externa de tubulaes, inclusive flanges, vlvulas, ts, redues e demais acessrios, em instalaes terrestres. A tubulao encontra-se classificada na condio 2 item 4.2 da norma, a saber: Ambiente: seco ou mido, contendo ou no gases derivados de enxofre, com ou sem salinidade. Tubulao de utilidades, de processo e de transferncia, sem isolamento trmico. Temperatura de operao: da temperatura ambiente at 120 C. 25. 11 8.1 Preparao da superfcie Quando a superfcie for preparada manualmente esta recebe a designao ST3, isto , o metal deve ter a superfcie totalmente escovada sem vestgios de tintas, oleosidades ou oxidaes.Para preparaes com jato de granalhas, a superfcie dever ter a mesma aparncia, mas com uma rugosidade em torno de 75m e receber a designao Sa 2 . 8.2 Tintas de fundo e acabamento Aplica-se uma demo de tinta de fundo epxi-fosfato de zinco de alta espessura, norma PETROBRAS N-2630, quando o acabamento for Sa2 . Quando o acabamento for ST3 aplica-se uma demo de tinta de fundo epxi pigmentada com alumnio, conforme norma PETROBRAS N-2288. Em ambas, a espessura mnima de pelcula seca deve ser de 100 m.. Aps a aplicao da tinta de fundo deve-se executar a pintura de acabamento com as cores estabelecidas pela norma PETROBRAS N-4 que neste caso vermelho-segurana 1547. Deve ser aplicada 1 demo de tinta de poliuretano acrlico, conforme norma PETROBRAS N- 2677, com espessura mnima de pelcula seca de 70 mm por demo. 9. RESULTADOS E ANLISES Aps o estudo das normas e a execuo dos clculos, procedeu-se a verificao do que realmente foi executado em campo em relao ao que exige as normas da PETROBRAS. Os dados esto todos colocados nas tabelas 9.1, 9.2 e 9.3. O isomtrico proposto pode ser visto na figura A.1 do apndice. Tabela 9.1 - Comparao dos dados: Tubulao principal Descrio Requerido Executado Observaes Dimetro 8 10 Desconforme:Tubulao aproveitada Espessurade parede Schedule 40 8,18 mm Schedule 40 9,27 mm Conforme: Schedule 40 10 Vosentre suporte 10,2 m 6 m Conforme: Suporte existente Flexibilidade SIM SIM Conforme Distncialateral 570 mm 580 mm Conforme Tabela 9.2 - Comparao dos dados: Tubulao secundria Descrio Requerido Executado Observaes Dimetro 6 6 Conforme Espessurade parede Schedule 40 7,11 mm Schedule 40 7,11 mm Conforme Vosentre suporte 8,2 m 5,66 m Conforme: Suporte existente Flexibilidade NO SIM Conforme: Adequao geomtrica Distncialateral 570 mm 6000 mm Conforme 26. 12 Tabela 9.3 - Especificao dos materiais Descrio Requerido Executado Observaes Tubos ASTM A 53 Gr.B ASTM A106 Gr.B API 5L Desconforme: Tubulao aproveitada Vlvulas10 Gaveta ASTM A216 Gaveta ASTM A216 Conforme Vlvulas Gaveta ASTM B62 Gaveta ASTM B62 Conforme Flanges De pescoo ASTM A105 De pescoo ASTM A105 Conforme Derivaes BL com reforo 10 BL sem reforo 6 e BL com reforo 10 BL sem reforo 6 e Conforme 10. CONCLUSES Este trabalho apresenta um estudo de anlise da aplicao das normas de projeto, fabricao e montagem de sistemas de tubulao executados dentro de refinarias da PETROBRAS. O estudo foi totalmente embasado nas normas da PETROBRAS e em outras as quais esta faz referncia, tais como ANSI/ASME, API, ASTM etc. Pode-se verificar o quo rigoroso o processo de seleo de materiais e procedimentos na execuo de um projeto. A anlise mostra que a utilizao das normas fundamental no desenvolvimento do projeto. Todas as atividades so desenvolvidas seguindo normas rigorosas. Quando alguma atividade est desconforme com os procedimentos adotados pela norma, uma equipe qualificada analisa a desconformidade da atividade permitindo ou no sua realizao ou ainda desenvolve um novo procedimento a ser adotado pela norma PETROBRAS. 27. 13 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS API STANDARD 602 SEVENTH EDITION, OCTOBER 1998. ASME.B.31.3 -2006. ASME B16.5 -2006. N-4 Rev. E - USO DA COR EM INSTALAO TERRESTRE Out/1995 N-46 Rev. C - VOS MXIMOS ENTRE SUPORTES DE TUBULAO Dez/2001. N-57 Rev. E - PROJETO MECNICO DE TUBULAES INDUSTRIAIS Ago/2005. N-59 Rev. D - SMBOLOS GRFICOS PARA DESENHOS DE TUBULAO Abr/2004. N-76 Rev. F - MATERIAIS DE TUBULAO PARA INSTALAES DE REFINO E TRANSPORTE Dez/2004. N-105 Rev. D - ESPAAMENTO ENTRE TUBOS Nov/2006. N-108 Rev. C - SUSPIROS E DRENOS PARA TUBULAES E EQUIPAMENTOS Set/2003. N-115 Rev. E - FABRICAO E MONTAGEM DE TUBULAES METLICAS Nov/2007. N-0442 Rev. M - PINTURA EXTERNA DE TUBULAES EM INSTALAES TERRESTRES Nov/2005. N-1673 Rev. E - CRITRIOS DE CLCULO MECNICO DE TUBULAO Jun/2004. N-1693 Rev. E - CRITRIO PARA PADRONIZAO DE MATERIAL DE TUBULAO Set/2003. N-2288 Rev. D - TINTA DE FUNDO EPOXI PIGMENTADA COM ALUMNIO Mai/2004. N-2630 Rev.A - TINTA EPOXI - FOSFATO DE ZINCO DE ALTA ESPESSURA Mai/2005. Telles, Pedro Carlos da S. Tubulaes industriais: materiais, projeto, montagem. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC, 1997. Hanssen, Cludio. Proteo contra incndios e exploses. Departamento de Engenharia Mecnica, DEMEC/UFRGS, Porto Alegre, Brasil, 2010. 28. 14 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA N-1522 Rev. D - IDENTIFICAO DE TUBULAES INDUSTRIAIS Jul/2005. N-1692 Rev. B APRESENTAO DE PROJETOS DE DETALHAMENTO DE TUBULAO Fev/2004. Mller, Sergio V. Notas de aula da disciplina ENG 03195- Canalizaes. Departamento de Engenharia Mecnica, DEMEC/UFRGS, Porto Alegre, Brasil, 2010. ABADE, V. V. Estudo de um Sistema de Chuveiros Automticos Contra Incndio para o Prdio do Cinema da UFRGS Sala Redeno. 2009. 00f. Monografia (Trabalho de Concluso do Curso de Engenharia Mecnica) Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009. 29. 15 APNDICE ISOMTRICO PROPOSTO A figura A.1 mostra a configurao final do sistema de incndio. Os drenos foram dispostos na geratriz inferior da tubulao de cada trecho entre elevaes e os suspiros (vents) foram dispostos na geratriz superior. As linhas de 6 esto desenhadas fora do local para uma melhor visualizao. No isomtrico se pode ver a posio do canho monitor, dos hidrantes, dos pontos de solda (Pontos pretos) e as respectivas dimenses em milmetros. As vlvulas, tubulaes e a reduo so especificadas em polegadas conforme a norma. A orientao em relao ao norte tambm configura item da norma, pois as tubulaes percorrem direes sempre paralelas ou ortogonais entre si sempre orientadas por uma direo geogrfica. Figura A.1- Isomtrico proposto para o sistema 30. 16 ANEXOS ANEXO A- TABELAS Tabela A.1 - Tabela de espessura de Tubos (Apostila Estrutural, 2010) Tabela A.2 Tabela para seleo de ramificaes (N-1693 PETROBRAS) 31. 17 ANEXO A- TABELAS Tabela A.3 Vos mximos entre suportes de tubulao (N-46 PETROBRAS) Tabela A.4 - Tabela de pesos de tubos (Apostila Estrutural, 2010) 32. 18 ANEXO A- TABELAS Tabela A.5 Tabela das distncias entre tubos (Telles, 1997) Tabela A.6- Seleo de tubos de conduo de ao carbono (N-1693 PETROBRAS) 33. 19 ANEXO A- TABELAS Tabela A.7 - Seleo de materiais (N-1693 PETROBRAS) Tabela A.8- Normas dimensionais para vlvulas (N-1693 PETROBRAS) Tabela A.9 - Materiais para flanges de tubulao (N-1693 PETROBRAS) Tabela A.10 - Padronizao dos flanges de ao-carbono (N-1693 PETROBRAS) 34. 20 ANEXO A- TABELAS Tabela A.11 - Seleo de juntas de vedao (N-1693 PETROBRAS) ANEXO B FIGURA B.1 Figura B.1 Exemplos de ramificaes boca de lobo com e sem reforo. (Telles, 1997)