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Engenharia Mecânica

VALIDAÇÃO DO PROJETO DE VASO DE PRESSÃO ATRÁVES DA ANÁLISE DE

ELEMENTOS FINITOS

Elton Rodrigues Luciano

Joel de Godoy Bernal

Renato Junior Freitas Belinello

William Geraldi Polo

Campinas

2016

Engenharia Mecânica

VALIDAÇÃO DO PROJETO DE VASO DE PRESSÃO ATRÁVES DA ANÁLISE DE

ELEMENTOS FINITOS

Elton Rodrigues Luciano RA: 004.2012.00052 Joel de Godoy Bernal RA: 004.2012.00050 Renato Junior Freitas Belinello RA: 004.2012.00146 William Geraldi Polo RA: 004.2012.00769

Projeto de Monografia apresentado à disciplina Metodologia do Trabalho Científico, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade São Francisco, sob a orientação metodológica da Profa. Débora Meyhofer Ferreira, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação.

Prof. orientador do Trabalho de Graduação: Francisco José da Silva Henriques

Campinas

2016

RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento do projeto de um vaso de pressão para

armazenamento de ar comprimido, também conhecido como pulmão de ar comprimido,

que tem por finalidade auxiliar na demanda de ar nos momentos de pico de operação na

empresa solicitante do serviço.

O aumento dessa demanda ficou evidenciado nos pontos de saída de ar dentro da

empresa, onde ocorrem grandes quedas de pressão, resultando em perda de produtividade

em virtude dos equipamentos pneumáticos nela utilizados, como, por exemplo, cilindros

pneumáticos que perdem a força e ferramentas rotativas pneumáticas que perdem o

torque.

A empresa em questão solicitou alguns requisitos de fabricação e condições de

operação do pulmão de ar comprimido, visando à sua otimização. Ela conta com um

estoque de chapas de aço-carbono ASME SA-36 e uma calandra com capacidade para

chapas com até 1,5m de largura. O local para a instalação do pulmão de ar comprimido

tem dimensões de 4m x 5m na parte externa da fábrica, e está sujeito às intempéries, e os

tubos de entrada e saída do pulmão de ar comprimido serão de DN.10”, flangeados,

devendo armazenar um volume de 10m³ de ar comprimido, com pressão de operação de

8bars.

O pulmão de ar comprimido será alimentado por um compressor de ar da linha MAX,

marca Schulz Compressores, modelo CSV 20/200, com pressão de operação máxima de

175psi (12bars).

Com base nestas informações, o pulmão de ar comprimido será projetado segundo

as recomendações do código ASME, com um memorial de cálculo analítico validado por

meio do SolidWorks Simulation (2016). Serão fornecidas as especificações necessárias

para a fabricação, a inspeção e a manutenção desse tipo de equipamento.

PALAVRAS-CHAVE: VASO DE PRESSÃO, PULMÃO DE AR COMPRIMIDO, CÓDIGO

ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 1, ANÁLISE DE ELEMENTOS FINITOS (FEA).

ABSTRACT

The present work shows the development design of the pressure vessel for tankage

of compressed air to help supply the air demand during the operation peaks at the company.

The raise of air demand was evident at the air-connections inside the company

where happens the pressure decrease, resulting in lack of productivity due the pneumatics

equipment of the company (eg. pneumatic cylinders that lose the strength and machines

rotary pneumatics that lose the torque).

The company requested some requirements of manufacturing and some operating

conditions of the pressure vessel due to improve the price of construction and

manufacturing, the company have carbon steel plates ASME SA-36 in its stock and a

mangle with 1.5m length. The place designated for installation of the pressure vessel have

a place of 4m x 5m at outside of the plant subject to weather conditions, the pipes in and

out of the pressure vessel shall be of nominal diameter of DN.10" with flanges, capacity to

store 10m³ of compressed air and the operation pressure will be 8bar.

The pressure vessel will be fed by an air compressor, MAX line, brand Schulz

Compressores, model CSV 20/200 with maximum operation pressure of 175psi (12bar).

Based on previous information, will be projected a pressure vessel following the

recommendations of the ASME code and will be made an analytical calculation memorial

and validated with the Solidworks Simulation (2016). Also will be supplied all the necessary

specification to the manufacturing, inspection and maintenance of the pressure vessel.

KEYWORDS: PRESSURE VESSEL, ASME CODE SECTION VIII DIVISION 1, FINITE

ELEMENT ANALYSIS FEA, TANKAGE OF COMPRESSED AIR.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Conjunto de vasos de pressão horizontal e vertical. (FERRAZ. 2009)...........5

Figura 2.2 – Classificação dos vasos de pressão. (TELLES, 2013) ..................................6

Figura 2.3 – Formatos de vasos de pressão. (TELLES, 2013) ..........................................7

Figura 2.4 – Tipos de Tampos. (TELLES, 2013) ...............................................................9

Figura 2.5 – Tipo de tampos planos. (TELLES, 2013) ..................................................... 11

Figura 2.6 – Transições de espessura. (TELLES, 2013) ................................................. 13

Figura 2.7 – Aberturas em vaso de pressão. (TELLES, 2013) ........................................ 15

Figura 2.8 – Antes e depois da explosão da fábrica Grover Shoe Factory. (WIKIPÉDIA, acesso em 05 de Abril de 2016)....................................................................................... 22

Figura 2.9 – Soldas de interpretação Radiográfica (a) Fácil e (b) Difícil ou Falha (TELLES, 2013) ............................................................................................................................... 36

Figura 2.10 – Esquema de Soldagem por Arco Tungstênio com Atmosfera Inerte (ESAB BR, 2016) ........................................................................................................................ 38

Figura 2.11 – Esquema de Soldagem por Arco Metálico com Atmosfera Inerte/Ativa ou MIG/MAG. (FBTS, 2016) ................................................................................................. 39

Figura 2.12 – Esquema de Soldagem por Arco Submerso. (ESAB BR, 2016) ................ 40

Figura 2.13 – Esquema de Calandragem (virola) de chapa de 3 cilindros. (SIMEI, 2012) ........................................................................................................................................ 41

Figura 2.14 – Esquema de Calandragem (virola) de chapa de 4 cilindros. (SIMEI, 2012) ........................................................................................................................................ 42

Figura 2.15 – Prensa de abaulamento. (SHANDONG SHUIPO, 2016) ........................... 42

Figura 2.16 – Posicionamento e rotação de máquina de rebordeamento. (ABERKO, 2016) ........................................................................................................................................ 43

Figura 2.17 – Resultado da aplicação do revelador. (ANDREUCCI, 2008) ..................... 46

Figura 2.19 – Equipamento de raios-X digital. (ANDREUCCI, 2006) ............................... 47

Figura 2.20 – Exemplo de um vaso de pressão discretizado e demonstração das saídas dos resultados. (TAMBOLI, 2014) .................................................................................... 50

Figura 2.21 – Tensões de tração e de membrana de um vaso de pressão esférico. (GERE, 2003) ............................................................................................................................... 51

Figura 2.22 – Tensões de membrana de um vaso de pressão cilíndrico. (GERE, 2003) . 52

Figura 2.23 – Demonstração do corte mn e pq e a tensão circunferencial σ1. (GERE, 2003) ........................................................................................................................................ 52

Figura 2.24 – Tensão longitudinal σ2 agindo na parede do vaso de pressão. (GERE, 2003) ........................................................................................................................................ 53

Figura 2.25 – Tensões nas superfícies externa e interna. (GERE, 2003) ........................ 54

Figura 2.26 – Identificação das áreas para cálculo da abertura em vasos de pressão. (ASME, 2015) .................................................................................................................. 61

Figura 2.27 – Detalhe da seção transversal do tampo. ................................................... 66

Figura 2.28 – Determinação do fator da condição de contorno. (NORTON, 2013 ─ adaptado pelo autor) ........................................................................................................ 68

Figura 2.29 – Momentos de inércia de alguns perfis. ...................................................... 68

Figura 2.30 – Áreas das equações de Euler e Johnson. (NORTON, 2013 ─ adaptado pelo autor) ............................................................................................................................... 69

Figura 3.1 – Planejamento do projeto. ............................................................................ 71

Figura 3.2 – Cronograma do projeto. .............................................................................. 72

Figura 4.1 – Folha de dados com as informações para projeto do vaso de pressão. ...... 76

Figura 4.2 – Dimensões calculadas do vaso de pressão. ................................................ 78

Figura 4.3 – Características do material ASME SA-36. (ASME, 2015) ............................ 79

Figura 4.4 – Características do material ASME SA-106 Gr.B. (ASME, 2015) .................. 80

Figura 4.5 – Dimensões do vaso de pressão. ................................................................. 88

Figura 4.6 – Detalhe da seção transversal do tampo. ..................................................... 92

Figura 4.7 – Dimensões da base do vaso de pressão. .................................................... 92

Figura 4.8 – Comparação entre tensão de escoamento, tensão de flambagem e tensão crítica da base do vaso de pressão. ................................................................................. 94

Figura 4.9 – Vaso de pressão modelado. ........................................................................ 95

Figura 4.10 – Região aplicada às restrições do modelo. ................................................. 96

Figura 4.11 – Informações da malha utilizada. ................................................................ 97

Figura 4.12 – Vaso de pressão discretizado. .................................................................. 98

Figura 4.13 – Vaso de pressão exibindo a tensão máxima de Von Mises por nó e a escala de cores limitado à tensão de escoamento. ..................................................................... 99

Figura 4.14 – Vaso de pressão exibindo a tensão máxima de Von Mises por elemento e a escala de cores limitado à tensão de escoamento. ........................................................ 100

Figura 4.15 – Distribuição do fator de segurança no vaso de pressão. ......................... 101

Figura 4.16 – Aplicação do filtro de tensão no vaso de pressão, a) modelo do vaso de pressão; b) aplicação do filtro de tensão, mostrando tensões acima de 115MPa. ......... 102

Figura 4.17 – Região com maior concentração de tensão de Von Mises, a) maior concentração de tensão por nó (424MPa); b) maior concentração de tensão por elemento (299MPa). ...................................................................................................................... 102

Figura 4.18 – Corte de seção da região com maior concentração de tensão. ............... 103

Figura 4.19 – Região com menor fator de segurança encontrado. ................................ 104

Figura 4.20 – Distribuição do fator de segurança no vaso de pressão. ......................... 105

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 – Divisões da ABNT NBR 16035. (ABNT/NBR, 2012).................................... 19

Tabela 2.2 – Categorização de vasos de pressão pela NR-13. Pressão (P) em MPa e volume (V) em m3 (MTPS, 2016) ..................................................................................... 20

Tabela 2.3 – Categorização de inspeção dos vasos de pressão pela NR-13. (MTPS, 2016) ........................................................................................................................................ 20

Tabela 2.4 – Classificação das seções do código ASME. (ASME, 2013) ........................ 22

Tabela 2.5 – Partes do código ASME, Seção II. (ASME, 2013) ....................................... 23

Tabela 2.6 – Divisões do código ASME, Seção VIII. (ASME, 2013) ................................ 23

Tabela 2.7 – Principais especificações de aço-carbono (os números indicam especificações da ASTM/ASME, exceto onde indicado diferentemente) (TELLES, 2013) ........................................................................................................................................ 33

Tabela 2.8 – Especificações ASTM/ASME de aços inoxidáveis. (TELLES, 2013) ........... 33

Tabela 2.9 – Espessura e peso de chapas grossas de acordo com a norma brasileira P-EB-35 (TELLES, 2013) .................................................................................................... 34

Tabela 2.10 – Coeficientes de eficiência de solda (ASME VIII, 2015) .............................. 37

Tabela 2.11 – Norma N-2 - Método de Tratamento da Superfície. (PETROBRAS, 2012) 44

Tabela 2.12 – Unidade padronizadas para as equações. (ASME VIII, 2015) ................... 57

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ...........................................................................................................1

1.1 Justificativa .......................................................................................................2

1.2 Objetivo ............................................................................................................2

1.3 Metodologia ......................................................................................................2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................3

2.1 Introdução ........................................................................................................3

2.1.1 Definição ................................................................................................4

2.1.2 Finalidades e Classificação Quanto ao Tipo e a Descrição ....................5

2.2 Principais Formatos, Partes e Tipos .................................................................7

2.2.1 Tampos dos Vasos de Pressão ..............................................................9

2.2.2 Transições de Formato e de Espessura ............................................... 12

2.3 Acessórios em Vasos de Pressão .................................................................. 14

2.4 Normas de Projeto para Vasos de Pressão .................................................... 18

2.4.1 Código ASME ....................................................................................... 21

2.5 Materiais para Vasos de Pressão ................................................................... 24

2.5.1 Problemas de seleção de materiais. ..................................................... 25

2.5.1.1 Fluido Contido ................................................................................... 26

2.5.1.2 Condições de Serviço (Pressão e Temperatura de Operação) .......... 26

2.5.1.3 Nível de Tensões no Material ............................................................ 26

2.5.1.4 Natureza dos Esforços Mecânicos ..................................................... 26

2.5.1.5 Custo do Material .............................................................................. 26

2.5.1.6 Segurança ......................................................................................... 27

2.5.1.7 Forma de Apresentação do Material .................................................. 27

2.5.1.8 Facilidades de Fabricação e Montagem ............................................ 27

2.5.1.9 Tempo de Vida Previsto .................................................................... 27

2.5.1.10 Experiência Prévia ........................................................................... 27

2.5.1.11 Facilidade na Obtenção do Material ................................................ 28

2.5.1.12 Variações Toleradas de Forma ou de Dimensões da Peça ............. 28

2.5.2 Aço-Carbono ........................................................................................ 29

2.5.3 Aço Inoxidável ...................................................................................... 31

2.5.4 Especificações de Aços-Carbono e Inoxidáveis, Dimensões e Peso de

Chapas e Tubos de Aço ........................................................................................... 32

2.6 Processos de Fabricação ............................................................................... 34

2.6.1 Soldagem ............................................................................................. 34

2.6.1.1 Soldagem por Arco Tungstênio com Atmosfera Inerte (TIG) .............. 37

2.6.1.2 Soldagem por Arco Metálico com Atmosfera Inerte/Ativa (MIG/MAG)

................................................................................................................................. 38

2.6.1.3 Soldagem por Arco Submerso (Submerged Arc) ............................... 40

2.6.2 Calandragem ........................................................................................ 41

2.6.3 Rebordeamento e Abaulamento ........................................................... 42

2.6.4 Preparação e Pintura ............................................................................ 43

2.7 Inspeções de Vasos de Pressão .................................................................... 45

2.7.1 Líquido Penetrante ............................................................................... 45

2.7.2 Raio-X .................................................................................................. 46

2.7.3 Pressão Hidrostática ............................................................................ 47

2.8 Análise de Elementos Finitos (Finite Elements Analysis – FEA) ..................... 48

2.9 Memorial Analítico de Cálculo de Vasos de Pressão ...................................... 50

2.9.1 Cálculo do Vaso de Pressão Cilíndrico pelo código ASME, Seção VIII,

Divisão 1 ................................................................................................................... 57

2.9.2 Cálculo do Casco do Vaso de Pressão Cilíndrico ................................. 57

2.9.3 Cálculo de Tampo Toriesférico para Pressão Interna ........................... 59

2.9.4 Cálculo dos Reforços das Aberturas em Vasos de Pressão ................. 61

2.9.5 Fatores de Segurança .......................................................................... 63

2.9.6 Dimensionamento dos Apoios .............................................................. 65

3 METODOLOGIA ....................................................................................................... 70

3.1 Planejamento do Projeto ................................................................................ 71

3.2 Cronograma ................................................................................................... 72

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................. 73

4.1 Escopo ........................................................................................................... 73

4.2 Identificação das Características do Processo ............................................... 74

4.3 Definição do Tamanho do Vaso de Pressão ................................................... 77

4.4 Características dos Materiais a Serem Utilizados, Conforme Código ASME,

Seção II, Parte D ............................................................................................................. 78

4.5 Cálculo Analítico do Vaso de Pressão – Casco e Tampo Toriesférico ............ 80

4.6 Cálculo Analítico do Vaso de Pressão – PMTA .............................................. 83

4.7 Bocais do Vaso de Pressão ............................................................................ 83

4.7.1 Bocais de Entrada e Saída de Ar Comprimido ...................................... 84

4.7.2 Abertura para Boca de Visita ................................................................ 85

4.7.3 Bocal do Dreno e Bocal de Instalação dos Instrumentos de Segurança

................................................................................................................................. 86

4.8 Dimensões Conforme ASME, Seção VIII, Divisão 1 ....................................... 88

4.9 Fator de Segurança do Casco e Tampo Toriesférico ...................................... 88

4.10 Dimensionamento dos Apoios do Vaso de Pressão ..................................... 91

4.11 Análise de Elementos Finitos ........................................................................ 95

5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 106

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 108

1

1 INTRODUÇÃO

Nas indústrias de processo existem condições específicas que tornam necessário um

maior grau de confiabilidade de funcionamento dos equipamentos, levando em conta seu

tempo de vida, útil para que dentro desse tempo, não ocorram falhas inesperadas durante

o processo produtivo por falta de suprimentos que venham a comprometer a segurança e

a produtividade da planta/indústria. Um modo de garantir esses suprimentos é dado por

meio da instalação de vasos de pressão.

Conforme descrito por TELLES (2013, p. 1):

O nome vaso de pressão (pressure vessel) designa genericamente todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado. Dentro de uma definição tão abrangente inclui-se uma enorme variedade de equipamentos, desde uma simples panela de pressão de cozinha, até os mais sofisticados reatores nucleares.

Esses itens são, de modo geral, altamente custosos individualmente (representam

cerca de 60% dos custos de materiais e equipamentos), podem ser muito grandes e

pesados, e ter maior ou menor importância dentro de uma unidade-projeto.

Este trabalho pretende desenvolver e projetar um vaso de pressão, conforme o código

ASME (American Society of Mechanical Engineer – Sociedade Americana de Engenheiros

Mecânicos), Seção VIII (Boiler and Pressure Vessel Code – Código para Caldeiras e Vasos

de Pressão), Divisão 1 (Rules for Construction of Pressure Vessel – Regras para construção

de Vasos de Pressão), para armazenamento de ar comprimido em indústrias de processos.

O vaso de pressão compõe-se basicamente do casco do vaso e dos tampos de

fechamento fabricados em aço. O casco dos vasos de pressão, com raras exceções, tem

formatos cilíndricos, cônicos, esféricos, ou são combinações dessas formas. Os tampos

podem ter vários formatos, dentre os quais os mais usuais são os elípticos, os toriesféricos,

os hemisféricos, os cônicos e os planos.

2

1.1 Justificativa

O presente trabalho foi selecionado para o estudo por se tratar de equipamentos

fundamentais e presentes em quase todas as indústrias e é um item em que se deve ter

total preocupação por parte das empresas, pois se trata de equipamentos perigosos que

quando mal projetados, mal operados e sem a correta manutenção podem ocasionar

graves acidentes.

1.2 Objetivo

O objetivo deste trabalho é projetar um vaso de pressão atendendo às normas de

projeto, fabricação e segurança vigentes e comparar os dados calculados empiricamente

com os resultados da análise de elementos finitos.

1.3 Metodologia

As análises estruturais e de viabilidade podem ser realizadas de duas formas: 1) por

meio de cálculos específicos para cada aplicação do vaso de pressão, seguidos da escolha

de padrões estabelecidos por normas vigentes; e 2) por meio de métodos de modelagem

em softwares (FEA – Finite Element Analysis – Análise de Elementos Finitos), sendo que

este segundo método não exclui totalmente a necessidade de algumas padronizações e

cálculos manuais. A seguir serão apresentadas as duas formas de resolução, a fim de

confirmar e comparar os dados obtidos.

3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Em princípio, será apresentada a base teórica necessária para o projeto de um vaso

de pressão. Iniciaremos com uma introdução e a definição dos tipos, formatos e partes que

constituem os vasos de pressão. Detalharemos os tipos de fluidos armazenados, os

acessórios utilizados e as principais aplicações desse equipamento, segundo as normas

utilizadas para seu projeto, fabricação e inspeção. Descreveremos os materiais mais

comuns empregados em sua fabricação e os processos nela envolvidos, abrangendo todas

as etapas e inspeções durante e após sua fabricação. Procederemos também à análise de

elementos finitos e ao memorial de cálculo analítico, com base no código ASME, Seção

VIII, Divisão 1.

2.1 Introdução

A natureza nos oferece uma imensa variedade de produtos orgânicos e químicos os

quais, nem sempre se apresentam de modo a obtenção de energia em sua forma bruta.

Sendo assim, muitas dessas substâncias têm de passar por transformações para que sejam

utilizadas e consumidas. Dentre essas transformações exercidas pelo homem, a indústria

apresenta a necessidade de estocagem submetida a determinadas pressões, as quais

podem estar em temperaturas muito diferentes daquelas apresentadas no ambiente. Dessa

forma, existem recipientes que armazenam e suportam essas pressões em temperaturas

diversas, sejam elas altas ou baixas. Esses recipientes são os vasos de pressão, que

podem ser considerados como qualquer recipiente pressurizado, de qualquer tipo, formato

ou dimensão, que são capazes de manter um fluido pressurizado. Um vaso de pressão

pode ser desde uma simples panela de pressão até equipamentos complexos de uso

industrial (caldeiras, reatores nucleares, reservatórios etc.) (ESTIMA, 2006).

É fundamental e predominante a utilização dos vasos de pressão nos processos

industriais que utilizam fluidos a serem armazenados ou de passagem, sejam essas

indústrias de qualquer segmento, como as químicas, siderúrgicas, metalúrgicas,

farmacêuticas, alimentícias etc. (TELLES, 2013).

Os vasos de pressão são utilizados para armazenar fluidos gasosos, líquidos ou

combinações entre os mesmos. Pelo fato de as condições de trabalho apresentarem

variações de temperatura, pressão e fluido, os vasos de pressão devem ser muito bem

4

projetados, pois qualquer erro de projeto poderá acarretar acidentes gravíssimos,

colocando em risco a vida dos colaboradores envolvidos e causando danos ao meio

ambiente (SANCOVICEI, 2012).

Contrariamente a outros equipamentos industriais, os vasos de pressão não são de

fabricação em linha, em virtude de cada projeto atender a requisitos específicos de

operação. Dessa forma, há uma série de normas que devem ser consideradas no projeto,

levando em conta a localização de instalação desse equipamento, o ambiente ao qual ele

será exposto, o tipo de fluido a ser ministrado para sua utilização. Como os vasos operam

normalmente sob pressão e/ou mediante temperaturas elevadas, contendo determinada

quantidade de energia acumulada, eles apresentam um elevado risco de acidentes e/ou

explosões. Por conseguinte, o projeto do vaso de pressão deve ser bem específico e

individual para cada equipamento, não incluindo apenas o dimensionamento e os cálculos

físicos para resistir às determinadas pressões e/ou cargas atuantes, mas também

especificando os materiais mais adequados, o processo de fabricação, as peças, os

acessórios a ele relacionados etc. (JÚNIOR, 2006; TELLES, 2013).

2.1.1 Definição

Os vasos de pressão consistem, de modo geral, como todo recipiente estanque,

sendo de qualquer tipo, formato e dimensão, normalmente dotado de um casco cilíndrico

vedado por dois tampos, sendo na maioria elíptico ou toriesférico, posicionados e definidos

na maioria das vezes como horizontal ou vertical, juntamente com seus acessórios como:

janela de inspeção, sistemas de segurança entre outros. (LEGNER, 2015)

A Figura 2.1 exemplifica os vasos de pressão horizontal e vertical.

5

Figura 2.1 – Conjunto de vasos de pressão horizontal e vertical. (FERRAZ. 2009)

2.1.2 Finalidades e Classificação Quanto ao Tipo e a Descrição

Todos os reservatórios que são destinados para armazenamento e processamento,

sendo transformações químicas ou físicas, de líquidos ou gases, sob pressão ou sujeitos a

vácuo, são considerados vasos de pressão. Além da sua finalidade, os vasos de pressão

são definidos como verticais e horizontais. A finalidade imposta para os vasos de pressão

determina sua posição de instalação (TELLES, 2013).

Os vasos horizontais são usados como vasos de topo de torres, em que se tem a

separação vapor-líquido e vapor-líquido-líquido, como vasos de acumulação, de carga,

separadores etc. São muito comuns, usados em trocadores de calor e na maioria dos vasos

de acumulação (TELLES, 2013).

Os vasos verticais são usados quando há necessidade que a ação da gravidade

atue na separação vapor-líquido, na sucção de compressores, nos vasos condensadores,

nos vasos de coleta etc. Os vasos verticais são mais caros comparados aos horizontais,

principalmente no que se refere à sua altura, mas, em contrapartida, ocupam uma área

menor do terreno. Além dos vasos horizontais e verticais, existem também os de posição

inclinada, para os casos específicos de materiais de difícil escoamento (TELLES, 2013).

6

Segundo TELLES (2013), a classificação e as finalidades dos vasos de pressão

estão descritas na Figura 2.2, a seguir:

Figura 2.2 – Classificação dos vasos de pressão. (TELLES, 2013)

O presente projeto pode ser classificado como um vaso não sujeito a chama, mais

especificamente para a armazenagem de gases. Esse tipo de vaso costuma ser cilíndrico

para capacidades menores, e esférico quando para maior capacidade. Segundo TELLES

(2013), os vasos de pressão não sujeitos a chama são empregados genericamente em três

casos:

- Armazenamento de gases sob pressão;

- Processamento de gases e líquidos;

- Acumulação intermediária de gases e líquido em processos industriais.

Dentre as finalidades dos vasos de pressão, podemos destacar como principais:

- Separar vapor-líquido;

- Separar vapor-líquido-líquido;

- Separar líquido-líquido;

- Prover tempo de resistência ao processo;

- Prover tempo de estocagem de carga;

- Realizar misturas, reações químicas etc.

7

2.2 Principais Formatos, Partes e Tipos

Basicamente, os vasos de pressão são compostos pelo casco e pelos tampos de

fechamento. De forma geral, apresentam um formato de revolução, sendo: cilíndricas,

cônicas, esféricas ou de formas combinadas. Na maior parte dos casos, o casco é cilíndrico,

pois apresenta maior facilidade de fabricação e transporte, atendendo à maioria das

necessidades. A Figura 2.3 mostra os principais formatos e posições de instalação dos

vasos de pressão (vertical, horizontal ou inclinado).

Figura 2.3 – Formatos de vasos de pressão. (TELLES, 2013)

Denomina-se cilindro simples os vasos que apresentam a mesma vazão em toda

sua seção transversal, como os exemplos (a), (c), (d), (e) e (g) da Figura 2.3. E cilindros

compostos os que apresentam uma grande diferença de vazão entre uma seção e outra do

mesmo vaso, como nos exemplos (b), (f) e (h) da mesma Figura.

8


Quando, entretanto, houver grande diferença de vazão entre uma seção e outra do mesmo vaso – devido à existência de vários pontos importantes de entrada e saída de fluidos –, faz-se o casco como um cilindro composto, com dois ou mais corpos cilíndricos de diâmetros diferentes interligados por seções cônicas ou toroidais de concordância, de tal maneira que a velocidade geral de escoamento de fluidos ao longo do vaso seja aproximadamente constante, aumentando-se o diâmetro onde a vazão for maior, e vice-versa. Sendo a velocidade geral de escoamento aproximadamente constante ao longo do vaso, é uma condição exigida pela maioria das reações e transformações de processos.

Segundo o mesmo autor (Telles, 2013), teoricamente, o modelo ideal de vaso de

pressão seria no formato esférico, conforme mostra a Figura 2.3(g), em que prevalecem

condições de menor espessura de parede e menor peso, sendo as mesmas condições de

pressão e volume contido. No entanto, pelo fato de servirem apenas para armazenamento,

são muito caros e complexos para fabricação, além de ocuparem muito espaço e

dificilmente poderem ser transportados inteiros. São econômicos apenas quando para

utilização em grandes dimensões e usados para armazenagem de gases sob pressão.

O formato cônico é utilizado para seções de transição, apresentando dois corpos

cilíndricos de diâmetros diferentes, conforme mostra a Figura 2.3(b).

De acordo com a Figura 2.3(h), os formatos de esferas múltiplas e de ovoides

também são utilizados, porém são mais raros em virtude dos custos de fabricação.

Os vasos cilíndricos horizontais e verticais apresentam igualmente formatos

geminados, com dois ou mais vasos do mesmo diâmetro formando um único conjunto,

conforme mostra a Figura 2.3(e), o que resulta numa economia de suportes e espaços,

apresentando vantagens quando a pressão pelo lado convexo do tampo intermediário for

moderada.

As dimensões de um vaso de pressão são caracterizadas pelo diâmetro interno e

pelo comprimento entre tangentes. Através das faces internas das paredes do vaso, mede-

se o diâmetro interno, qualquer que seja o formato do vaso. O comprimento total do corpo

cilíndrico, ou a soma dos comprimentos dos corpos cilíndricos e cônicos, refere-se ao

comprimento entre tangentes (CET), aplicado apenas aos vasos com corpos cilíndricos ou

cilíndricos compostos. São as linhas traçadas, que representam as linhas de tangências,

9

que limitam o comprimento entre as tangentes, ambas próximas do extremo do vaso. A

Figura 2.3 mostra os diâmetros internos e os comprimentos entre as tangentes (CET) de

vários tipos de vasos.

2.2.1 Tampos dos Vasos de Pressão

Os tampos são peças de fechamento do casco do vaso de pressão. Apresentam

vários formatos, podendo ser do tipo elíptico, hemisférico, cônico, toriesférico ou plano,

como exemplificam as Figuras 2.4 e 2.5.

Figura 2.4 – Tipos de Tampos. (TELLES, 2013)

Na teoria, o tampo elíptico, Figura 2.4(a), apresenta as seções transversais como

uma elipse geométrica ideal. No tampo elíptico denominado normal, o diâmetro do tampo

é quatro vezes a sua altura, podendo ser construído quase sempre com chapas da mesma

espessura utilizada no casco cilíndrico, pois sua resistência interna é quase sempre igual à

do cilindro do mesmo diâmetro (TELLES, 2013).

10

O tampo toriesférico, Figura 2.4(b), é de modo geral mais fraco que o elíptico de

mesmo diâmetro, apresentando as mesmas relações de semieixos. No entanto, o

toriesférico é mais fácil de ser fabricado. Por fim, os tampos toriesféricos são compostos

por uma calota central esférica, de raio (Rc), e por uma seção toroidal de concordância de

raio (Rk) (TELLES, 2013).

Segundo o referido autor (2013, p. 10):

O código ASME, Seção VIII, Divisão 1 (parágrafo UG-32) e Divisão 2 (parágrafo AD-204), exige para os tampos toriesféricos que o raio Rk seja no mínimo 6% do diâmetro, ou 3 vezes a espessura da chapa – o que for maior –, e que o Rc seja no máximo igual ao diâmetro externo do tampo. Os tampos toriesféricos com esses valores limites, isto é, Rk= 0,06 D e Rc=D, são os menos resistentes de todos ao efeito da pressão interna, exigindo por isso maior espessura da chapa.

Quanto mais o seu perfil se aproximar de uma elipse perfeita, mais resistente será

o tampo toriesférico. Dentre os toriesféricos com relação de semieixos 2:1, o perfil que

apresenta Rk=0,1727D e Rc=0,9045D é o que mais se aproxima de uma elipse. Esse perfil

também é conhecido como falsa elipse, o mais usado de todos os perfis toriesféricos, e

quase sempre confundido com o tampo elíptico verdadeiro. O código ASME, Seção VIII,

considera equivalente o tampo toriesférico falsa elipse e o tampo elíptico (TELLES, 2013).

Podendo ser instalados em posição reversa, ou seja, com a pressão pelo lado

convexo, os tampos elípticos e toriesféricos assim dispostos se revelam vantajosos para o

tampo interior de vasos verticais de diâmetros pequenos e de baixa pressão, apresentando

uma série de facilidades nos apoios de superfícies planas (TELLES, 2013).

O tampo hemisférico, Figura 2.4(c), é praticamente o mais resistente de todos, pois

pode dispor da metade da espessura de um casco cilíndrico do mesmo diâmetro. No

entanto, apresenta dificuldades de fabricação e instalação, em virtude de sua altura. É

utilizado para vasos horizontais e verticais de diâmetros acima de 10 metros. Para tampos

de grande diâmetro, eles são construídos por diversas partes soldadas, incluindo uma

calota central e vários gomos nos setores esféricos, como se observa na Figura 2.4(c).

Utilizam-se também chapas prensadas em formato de calota esférica, como mostra a

Figura 2.4(a).

11

Os tampos cônicos, Figura 2.4(d), apesar de fácil construção, têm resistência muito

menor quando comparados aos anteriores. Não são muito utilizados por se limitarem aos

fluidos de difícil escoamento.

Figura 2.5 – Tipo de tampos planos. (TELLES, 2013)

Os tampos da Figura 2.5(a) e (b) são não removíveis para baixa pressão. O tampo

especificado na Figura 2.5(c) apresenta flange cego aparafusado removível, assim como o

tampo da Figura 2.5(d), também removível, pela retirada de um anel rosqueado no corpo

cilíndrico. Os tampos das Figuras 2.5(e), (f) e (g) são forjados, não removíveis, sendo

utilizados para vasos de alta pressão. Para a escolha do tampo a ser utilizado, devem-se

levar em consideração a economia, a pressão de trabalho, os métodos de fabricação e os

custos.

Os tampos toriesféricos, apresentados na Figura 2.4(b), são os mais utilizados na

maioria dos casos, independentemente do diâmetro, em virtude da facilidade de sua

fabricação.

12

2.2.2 Transições de Formato e de Espessura

De acordo com TELLES (2013), a configuração do formato de um componente sob

pressão influencia diretamente na sua resistência a esforços. Portanto, mudanças

acentuadas no perfil do vaso de pressão podem acarretar numa distribuição irregular na

concentração de tensões. Em face disso, o código ASME, Seção VIII, Divisões 1 e 2,

apresenta uma série de exigências para reduzir essas transições.

De modo geral, o acúmulo de tensões ocorre principalmente nos pontos de transição

entre a junção do casco do cilindro e o tampo. Havendo uma tangência perfeita na junção

de um corpo cilíndrico com um tampo hemisférico de mesmo diâmetro, que acarreta uma

pequena alteração de formato, pode-se afirmar que as alterações de tensão e flexão nas

paredes internas são aceitáveis.

Já numa junção de um casco cilíndrico com um tampo hemisférico ou toriesférico

do mesmo diâmetro, como se nota uma elevada transição entre os dois, geralmente se faz

necessária uma pequena seção integrada entre o tampo e o casco, como mostra a Figura

2.6.

No caso dos tampos cônicos, estes apresentam uma altíssima transição na ligação

com os cascos cilíndricos. Com isso o código ASME, Seção VIII, Divisões 1 e 2, apresenta

determinadas exigências para certos tipos de casos. Como não serão abordados os tampos

cônicos no presente projeto, esse modelo de tampo não será descrito a fundo.

Na união entre chapas de diferentes espessuras, sendo essa união em qualquer

parte do vaso, deve ser feito um chanfro na chapa de maior espessura que cumpra as

exigências do código ASME, Seção VIII, sendo no mínimo três vezes a diferença da

espessura, como mostra a Figura 2.6. A menos que a diferença das espessuras seja menor

que 3 milímetros da chapa mais fina. Pela norma inglesa BS-5500, o ângulo do chanfro

deve ser no mínimo 1:4.

13

Figura 2.6 – Transições de espessura. (TELLES, 2013)

Segundo o autor supracitado (2013), as normas não especificam se os chanfros das

transições devem ser feitos pelo lado interno, externo ou em ambos os lados, porém é de

praxe que se realizem pelo lado de fora, mantendo o diâmetro interno do casco do cilindro.

Com exceção dos cilindros de tampo hemisférico, os tampos elípticos e toriesféricos

apresentam espessura igual ou próxima às espessuras do cilindro.

14

2.3 Acessórios em Vasos de Pressão

De acordo com TELLES (2013), os vasos de pressão apresentam diversas

aberturas, sendo elas os bocais, cada qual com determinadas funções e finalidades. Sem

esses acessórios, os vasos de pressão seriam inúteis.

Exemplos:

- Tubulações de entrada e saída;

- Instrumentos de verificação e segurança;

- Respiro e dreno;

- Bocais para acesso interno (para verificação e inspeções) etc.

Nos vasos de pressão, as aberturas podem ser tanto nos cascos quanto nos tampos,

sendo sempre uma seção transversal circular e o eixo perpendicular à parede do vaso. De

modo geral, é primordial que as aberturas apresentem um formato arredondado, para evitar

e diminuir as concentrações de tensões. É importante que no projeto seja avaliado a real

necessidade de abertura nas paredes de pressão, pois para qualquer abertura sempre

haverá um enfraquecimento dos vasos, assim como a existência de duas ou mais aberturas

próximas entre si, sendo assim necessário o acréscimo de reforços, como será visto no

item 2.9.4.

O código ASME, Seção VIII, Divisão 1 (parágrafo UG-42), permite que a distância livre mínima entre duas aberturas, com um reforço único, seja de 1,33 vez o seu diâmetro médio. A Divisão 2 desse código (parágrafo AD-501) exige cálculos especiais de análise de tensões no caso de duas aberturas cuja distância entre centros (medida na superfície interna do vaso) for inferior a três vezes a soma dos raios de abertura – para aberturas nos tampos ou ao longo de uma geratriz de um casco cilíndrico – e inferior a duas vezes a soma dos raios para aberturas ao longo de uma circunferência de um casco cilíndrico. Esse mesmo parágrafo do código ASME, Seção VIII, Divisão 2, permite aberturas com formato não circular, exigindo, porém, cálculo de análise de tensões para aberturas com relação de semieixos maior que 1,5. (TELLES, 2013, p. 118)

Os projetos apresentam normas que permitem aberturas de qualquer dimensão, até

certos limites. Ultrapassando isso, devem ser executadas exigências especiais.

- Para vasos com diâmetro de até 1530mm, devem ser utilizadas aberturas com

metade do diâmetro, até o máximo de 510mm.

15

- Para vasos com diâmetro superior a 1530mm, devem ser utilizadas aberturas com

1/3 do diâmetro do vaso, até o máximo de 1020mm.

Para TELLES (2013), de acordo com estas normas, as aberturas em tampos ou em

cascos esféricos ─ onde se tem o diâmetro maior do que a metade do diâmetro do vaso ─

deverão conter um trecho de concordância toroidal de dupla curvatura.

Esse reforço é exigido pelo código ASME, Seção Vlll, Divisão 1, quando se tem

aberturas de diâmetro nominal de 31/2” ou maior, e a espessura da parede do vaso é de

10mm, ou menor, e para aberturas de diâmetros nominais de 23/8” ou maior, quando a

espessura da parede é superior a 10mm.

A Figura 2.7 apresenta diversas aberturas em um vaso de pressão:

Figura 2.7 – Aberturas em vaso de pressão. (TELLES, 2013)

16

Bocais A, B, C, D e E – destinados à ligação de tubulações externas;

Bocais F1, F2 e G – destinados à instalação de instrumentos;

Bocais H e J – destinados ao respiro e ao dreno;

Bocal K – boca de visita;

Bocal M – destinado à remoção de uma peça interna.

Dentre os principais acessórios que constituem o vaso de pressão, podemos

mencionar os bocais de visita, utilizados para ter acesso ao interior do vaso de pressão.

Essas aberturas são fechadas por tampas removíveis, possibilitando inspeções e

manutenções. Seu diâmetro mínimo para que permita a entrada de uma pessoa é de

400mm (16”). Ainda segundo TELLES (2013), caso as dimensões do vaso permitam,

podem-se adotar os seguintes diâmetros:

- Para eventual entrada de pessoas: 450mm (18”);

- Para entradas frequentes de pessoas: 500mm (20”);

- Para intervenções internas (montagem e desmontagem de componentes): 600mm

(24”).

Já as bocas de inspeção apresentam aberturas parecidas, mas de diâmetros

menores, e servem apenas para observação. A norma exige que haja algum meio de visita

em cada compartimento dos vasos de pressão ou onde haja corrosão da parede destes.

Para VEIGA (2013), a boca de visita e os bocais também são constituídos de

flanges. Seu dimensionamento é baseado no código ASME B16.5, para flanges de diâmetro

nominal até 24”. Segundo o código ASME, a escolha do flange deve ser de acordo com o

diâmetro nominal do duto, a pressão e a temperatura de projeto.

Caso fosse economicamente e tecnicamente viável a confecção de flanges

perfeitamente planos e lapidados, garantindo que não houvesse a necessidade de futuras

manutenções e manuseios, não seria necessária a utilização de juntas de vedação. No

entanto, existe a impossibilidade econômica e técnica em virtude:

17

- Do tamanho do vaso ou dos flanges;

- Das dificuldades em manter estas superfícies extremamente lisas durante o

manuseio ou a montagem do vaso;

- Da corrosão ou erosão das superfícies de vedação, advindas com o tempo.

Para atender a estas dificuldades, utilizam-se juntas de vedação, que servem para

vedar superfícies ásperas ou rugosas. A junta de vedação, ao ser apertada contra as

superfícies dos flanges, elimina as imperfeições entre elas, inibindo possíveis vazamentos.

De acordo com Veiga (2013), há quatro condições para a escolha do material das

juntas:

- Pressão de operação;

- Força dos parafusos;

- Resistência ao ataque químico do fluido;

- Temperatura de operação.

Definidas estas condições, é possível especificar o material e o modelo de junta de

vedação mais adequados para a aplicação. Existem diversos modelos de juntas, cada qual

para determinadas circunstâncias. O tipo de junta utilizado na vedação dos flanges do vaso

de pressão é o papelão hidráulico, tipo de material mais empregado na vedação de flanges,

cujo fluido não possui propriedades reativas severas. São fabricados a partir da

vulcanização, de elastômeros com fibras naturais, artificiais ou sintéticas. Ainda segundo

Veiga (2013), as principais características desse material são:

- Elevada resistência ao esmagamento;

- Baixo relaxamento;

- Resistência a altas temperaturas e pressões;

- Resistência a produtos químicos.

Para TELLES (2013), os distribuidores e tubos pescadores são extensões de bocais.

São encontrados nos bocais de carga, com a função de reduzir a agitação com a entrada

do líquido. Os tubos pescadores são instalados na saída para líquidos leves para

separação.

18

Os eliminadores de névoa são componentes montados antes da retirada de vapor,

para evitar a passagem de gotículas de líquido que podem causar erosão e corrosão.

As botas consistem em um componente de menor diâmetro soldado no fundo dos

vasos horizontais para separação.

Entre os supracitados, estão sempre presentes os bocais auxiliares (drenos,

instrumentos, respiro etc.). Outros acessórios utilizados são chapas defletoras, serpentinas,

coalescedores etc.

2.4 Normas de Projeto para Vasos de Pressão

Segundo TELLES (2013), para o projeto e a fabricação de vasos de pressão existem

textos normativos desenvolvidos por associações técnicas públicas e particulares em vários

países. As normas foram estabelecidas com a finalidade de padronizar e simplificar os

cálculos e projetos de vasos de pressão e garantir as condições mínimas de segurança

para as operações.

Os assuntos abrangidos pelas normas de fabricação de vasos de pressão são

extensos e abordam critérios de exigências de fabricação, limitação de materiais,

montagem, inspeção, fórmulas de cálculos e detalhes de projeto.

Para o referido autor (2013), as normas mais conhecidas e utilizadas mundialmente

para a fabricação de vasos de pressão são: a norma americana ou código ASME (American

Society of Mechanical Engineers – Sociedade dos Engenheiros Mecânicos dos Estados

Unidos) e a norma inglesa PD-5500 (BS-5500).

No Brasil, as normas da ABNT/NBR e as normas regulamentadoras (NR) regem as

diretrizes de fabricação e as especificações dos mais diversos itens no país. As normas da

ABNT/NBR direcionadas para vasos de pressão são (ABNT/NBR, 2012):

1. ABNT NBR ISO 16528-1 (Caldeiras e vasos de pressão. Parte 1: Requisitos de desempenho);

2. ABNT NBR ISO 16528-2 (Caldeiras e vasos de pressão. Parte 2: Procedimentos para atendimento integral da ABNT NBR ISO 16528-1);

19

3. ABNT NBR 16035, dividida em cinco partes, conforme dados da Tabela 2.1:

Tabela 2.1 – Divisões da ABNT NBR 16035. (ABNT/NBR, 2012)

Dentre as normas regulamentadoras para vasos de pressão, a NR-13 estabelece os

requisitos mínimos para a gestão da integridade estrutural de vasos de pressão (MTPS,

2016).

Por mais que a ABNT NBR e NR-13 se baseie e até mesmo indique o código ASME

como principal material de referência, ela mesma faz a sua contribuição enquadrando os

vasos de pressão em determinadas categorias a fim de categorizá-los e melhor organizá-

los. Uma aplicação disso, por exemplo, indica quais serão as ações a serem tomadas em

caso de acidente, ou simplesmente os intervalos em que o vaso necessitará ser

inspecionado. Nas Tabelas 2.2 e 2.3 respectivamente, apresentamos o modo de

categorização para alguns vasos de pressão e as Tabelas de frequência de inspeção.

ABNT NBR 16035-1 Ed.2 -Caldeiras e vasos de pressão – Requisitos mínimos para a construção.Parte 1: Geral

ABNT NBR 16035-2 Ed.2 -Caldeiras e vasos de pressão – Requisitos mínimos para a construção.Parte 2: Conforme ASME Code, Section I

ABNT NBR 16035-3 Ed.2 -Caldeiras e vasos de pressão – Requisitos mínimos para a construção.Parte 3: Conforme ASME Code, Section VIII, Division 1

ABNT NBR 16035-4 Ed.2 -Caldeiras e vasos de pressão – Requisitos mínimos para a construção.Parte 4: Conforme ASME Code, Section VIII, Division 2

ABNT NBR 16035-5 Ed.2 -Caldeiras e vasos de pressão – Requisitos mínimos para a construção.Parte 5: Vasos de pressão não sujeitos a chama – Padrão europeu

20

Tabela 2.2 – Categorização de vasos de pressão pela NR-13. Pressão (P) em MPa

e volume (V) em m3 (MTPS, 2016)

Tabela 2.3 – Categorização de inspeção dos vasos de pressão pela NR-13. (MTPS, 2016)

1P.V ≥ 100

2P.V < 100P.V ≥ 30

3P.V < 30P.V ≥ 2,5

4P.V < 2,5P.V ≥ 1

5P.V < 1

A

- Fluidos inflamáveis e fluidos combustíveis com temperatura igual ou superior a 200°C;

- Tóxico com limite de tolerância ≤ 20 ppm;

- Hidrogênio;

- Acetileno;

B

- Fluidos combustíveis com temperatura menor que 200°C;

- Tóxico com limite de tolerânica ≥ 20 ppm;

C

- Vapor de água;

- Gases asfixiantes simples;

- Ar comprimido

D

- Outro fluído

CATEGORIAS DE VASOS DE PRESSÃO

II III IV V

III IV V V

I

II

I II III

Classede

Fluído

I

I

III

IVII III IV

Categorias

Grupo de Potencial de Risco

Categoria do Vaso Exame Externo Exame Interno

I 1 ano 3 anos

II 2 anos 4 anos

III 3 anos 6 anos

IV 4 anos 8 anos

V 5 anos 10 anos

Categoria do Vaso Exame Externo Exame Interno

I 3 anos 6 anos

II 4 anos 8 anos

III 5 anos 10 anos

IV 6 anos 12 anos

V 7 anos a critério

Inspeção periódica para estabelecimentos que possuemSPIE (Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos)

Inspeção periódica para estabelecimentos que não possuemSPIE (Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos)

21

A Petrobras também possui suas próprias normas internas para projeto, fabricação

e inspeção de seus equipamentos. A norma interna direcionada para projetos de vasos de

pressão é a N-0253 (PETROBRAS, 2016).

Como citado anteriormente, no Brasil, todas as normas para projeto, fabricação e

inspeção de vasos de pressão foram embasadas no código ASME, Seção VIII. Uma vez

que as normas nacionais são traduções do referido código, as normas ABNT/NBR e a

norma interna da Petrobrás N-0253 não possuem equacionamentos para vasos de pressão,

devendo então, para o projeto, consultar diretamente os equacionamentos no código

ASME. Por este motivo, os fabricantes de vasos de pressão no Brasil trabalham diretamente

com o código ASME, seguindo todos os requisitos da norma. Diante do exposto, o

desenvolvimento deste trabalho terá como base o código ASME (ABNT, 2015).

2.4.1 Código ASME

O código ASME foi criado em 1911, após milhares de explosões de vasos de

pressão que aconteceram no final do século 19 nos Estados Unidos e na Europa, que

acarretaram grande quantidade de mortes (ASME, 2016).

Um dos principais acontecimentos que definiram a criação do código ASME foi a

explosão, em 10 de março de 1905, em uma caldeira da empresa Grover Shoe Factory, em

Brockton, Massachusetts (Figura 2.8), que resultou na morte de 58 pessoas, 117 feridos e

a destruição completa da fábrica. Após essa catástrofe, mostrou-se a inteira necessidade

da criação de uma norma padronizando e criando regras para a fabricação de vasos de

pressão. Assim, em 1915, foi publicada a primeira versão do código ASME ─ Boiler and

Pressure Vessel Code ─, editada em 1914, em um volume com 114 páginas. Hoje o código

ASME possui 28 volumes, incluindo 12 dedicados à construção e inspeção de usinas

nucleares (ASME, 2016).

22

Figura 2.8 – Antes e depois da explosão da fábrica Grover Shoe Factory. (WIKIPÉDIA, acesso em 05 de Abril de 2016).

O código ASME é dividido em seções, onde cada uma contém um tema específico

para todas as partes de um vaso de pressão, desde a construção, a fabricação e a

inspeção, conforme dados da Tabela 2.4:

Tabela 2.4 – Classificação das seções do código ASME. (ASME, 2013)

Rules for Construction of Power Boilers

(Regras para Fabricação de Caldeiras para Geração de Energia)Materials

(Materiais)Rules for Construction of Nuclear Facility Components

(Regras para Construção de Componentes Nucleares)Heating Boilers

(Caldeiras de Calefação)Nondestructive Examination

(Ensaio não destrutivo)Care and Operation of Heating Boilers

(Cuidado e Operação de Caldeiras de Calefação)Care of Power Boilers

(Cuidado com Caldeiras para Geração de Energia)Pressure Vessels

(Vasos de Pressão)Welding and Brazing Qualifications

(Qualificações de Soldagem)Fiber-Reinforced Pressure Vessels

(Vasos de Pressão de Fibra Reforçada)Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plants Components

(Regras para Inspeção de Componentes em Plantas de Energia Nuclear em Funcionamento)Transport Tanks

(Transporte de Tanques)Seção XII

-

-

-

-

-

-

Seção VII

Seção VIII

Seção IX

Seção X

Seção XI

-

-

-

-

-

Seção I

Seção II

Seção III

Seção IV

Seção V

Seção VI

23

Para a seleção de materiais voltados para a construção de vasos de pressão é

utilizado o código ASME, Seção II, e para o projeto de vasos de pressão é utilizado o código

ASME, Seção VIII, contendo todo o memorial de cálculo do equipamento em questão. O

código ASME, Seção II, é subdividido em quatro partes, como mostra a Tabela 2.5, e o

código ASME, Seção VIII, é subdividido em três divisões, como mostra a Tabela 2.6:

Tabela 2.5 – Partes do código ASME, Seção II. (ASME, 2013)

Tabela 2.6 – Divisões do código ASME, Seção VIII. (ASME, 2013)

Para definir qual divisão da norma deve ser adotada, há de se levar em consideração

alguns fatores de projeto do vaso de pressão. Conforme a norma N-0253, a Petrobras adota

como padrão o código ASME, Seção VIII, Divisão 1, para o projeto de vasos de pressão, e

o código ASME, Seção II, Parte D, para a seleção de materiais, a não ser quando exigida

pela Petrobras a utilização de outra divisão do código ASME. No entanto, existem outras

maneiras de avaliação da condição de operação, pelas quais é possível definir qual divisão

do código ASME deve ser utilizada, considerando que os vasos de pressão estão sujeitos

a carregamentos cíclicos, gradientes térmicos, pressões elevadas e questões de dimensão

do reservatório (PETROBRAS, 2016).

No código ASME, Seção II, Parte D, são listadas as propriedades mecânicas, a

composição química, a forma e a norma de fabricação dos materiais mais comuns utilizados

em vasos de pressão, além da designação UNS (Unified Numbering System ─ Sistema de

Numeração Identificada), da tensão de escoamento, de ruptura e de admissibilidade desses

materiais, em função da temperatura das operações (ASME II, 2007).

Ferrous Material Specifications

(Especificações para Materiais Ferrosos)Nonferrous Material Specifications

(Especificações para Materiais Não Ferrosos)Specifications for Welding Rod, Electrodes and Filler Metals

(Especificações para Eletrodo Revestido, Eletrodos e Arames de Solda)Properties (Customary)

Propriedades (Comuns)

ASME, SEÇÃO II, Parte A -

-

-

-

ASME, SEÇÃO II, Parte B

ASME, SEÇÃO II, Parte C

ASME, SEÇÃO II, Parte D

Design and Fabrication of Pressure Vessels(Projeto e Fabricação de Vasos de PressãoAlternative Rules for Construction of Pressure Vessels(Regras Alternativas para Construção de Vasos de Pressão)Alternative Rules For Construction of High Pressure Vessels(Regras Alternativas para Construção de Vasos de Alta Pressão)

ASME, Seção VIII, Divisão 1 -



24

2.5 Materiais para Vasos de Pressão

Considerando o casco, os tampos, os suportes e as peças internas e externas,

diversos materiais podem ser utilizados no processo de confecção de vasos de pressão.

Segundo TELLES (2013), esses materiais são divididos em:

- Materiais metálicos:

- Materiais ferrosos:

- Aços-carbono;

- Aços-liga;

- Aços inoxidáveis.

- Materiais não ferrosos:

- Alumínio e ligas;

- Níquel e ligas;

- Titânio e ligas.

- Materiais não metálicos:

- Materiais plásticos reforçados (termoestáveis).

O material comumente utilizado na confecção dos vasos de pressão é o aço-

carbono, exceto quando a construção exige um material específico. Isso se deve ao fato de

o aço-carbono ser um material com boa conformabilidade, ser facilmente soldável e com o

menor custo em relação à sua resistência mecânica. Esse uso pode ser justificado com

base na empregabilidade do aço-carbono em 95% do peso total dos equipamentos de

processo.

Para o referido autor (2013), é crucial que todos os materiais de fabricação, sejam

eles metálicos ou não, obedeçam a alguma das Especificações de Materiais existentes.

Essas especificações são normas que contêm a descrição, a finalidade, a composição

química, as propriedades mecânicas, químicas e físicas, os ensaios exigidos ou as

25

recomendados e condições de aceitação, rejeição ou marcação do material. Essas

especificações fazem com que as propriedades de um material sejam conhecidas e

garantidas por sociedades normativas que emitem essas especificações, tais como a ABNT

(Associação Brasileira de Normas Técnicas), a ASTM (American Society for Testing and

Materials – Estados Unidos), a BSI (British Standarts Institution – Inglaterra) e a DIN

(Deutsches Institut für Normung – Alemanha).

As Especificações de Materiais abrangem grupos de materiais que se diferenciam

entre si por “classes” ou “graus”. Portanto, é imprescindível que haja uma correta e completa

especificação do material em questão, incluindo, entre outros fatores, a classe, o grau e

quaisquer outras exigências opcionais de especificação pertinentes, e não somente sua

sigla.


Todas as normas de projetos de vasos de pressão fazem exigências e restrições quanto aos materiais que podem ser empregados. O código ASME, Seção VIII, Divisões 1 e 2, só permitem que sejam empregados para as partes pressurizadas dos vasos [...] os materiais que constam na tabela de tensões admissíveis da norma [...]. Para as partes não pressurizadas (suporte, peças internas etc.), admitem-se também outros materiais; entretanto, como regra geral, esses materiais devem estar de acordo com alguma Especificação de Material.

2.5.1 Problemas de seleção de materiais.

Segundo TELLES (2013), uma das maiores dificuldades encontradas por projetistas

de vasos de pressão é a escolha correta do material de construção. Em algumas partes

específicas de um vaso, pode ser adotado um material diferente do empregado nas demais

partes, em virtude das condições peculiares a que estas são submetidas. Exemplos disso

são as peças internas desmontáveis (necessitam de um material com maior resistência à

corrosão, facilitando e permitindo montagens e desmontagens) e os parafusos de fixação

(sobre os quais é exigido maior esforço e que, no caso de alterações geométricas ou de

corrosão, impediriam montagens e desmontagens). Cabe ao projetista a análise e a tomada

de decisão, com base em alguns fatores, uma vez que o material mais indicado para

determinado uso pode ser, também, o de maior custo aquisitivo.

Para TELLES (2013), os fatores que influenciam na seleção de materiais são:

26

2.5.1.1 Fluido Contido

Deve-se atentar para todas as características do fluido que será utilizado no vaso,

entre elas, a natureza, a concentração, as impurezas e os contaminantes que possam estar

presentes, assim como os gases dissolvidos ou os sólidos em suspensão, a temperatura,

o pH, o caráter redutor ou oxidante, a flamabilidade, o ponto de fulgor, a toxidez, a ação

corrosiva, a possibilidade de contaminação através dos resíduos da corrosão, ou qualquer

outro contaminante que possa reduzir a vida útil do vaso prematuramente e a tolerância em

relação a essas contaminações.

2.5.1.2 Condições de Serviço (Pressão e Temperatura de Operação)

Uma vez que tanto as propriedades do material do vaso de pressão e do fluido se

alteram com a variação da temperatura, esta deve ser relevada ao longo do tempo,

considerando, inclusive, as condições anormais que possam ocorrer eventualmente, para

que o material do vaso de pressão suporte seu trabalho em quaisquer condições de

temperatura a que for exposto. A mesma consideração anterior deve ser feita no regime de

trabalho de operação.

2.5.1.3 Nível de Tensões no Material

Além dos esforços exercidos pela pressão interna, o vaso de pressão sofre outros

tipos de esforços que devem ser considerados na determinação do material e de sua

espessura, para que possam resistir aos esforços solicitados, tendo resistência mecânica

suficientemente compatível aos níveis de tensões presentes.

2.5.1.4 Natureza dos Esforços Mecânicos

Deve se observar a qual natureza do esforço mecânico (tração, compressão, flexão,

esforços dinâmicos, estáticos etc.) o vaso estará sujeito para que seja realizada uma correta

escolha do material.

2.5.1.5 Custo do Material

27

O custo é um dos fatores mais importantes na escolha do material. No entanto, deve

ser levado em conta não somente o custo da aquisição, mas também o custo de fabricação

e de manutenção, além da durabilidade do material.

2.5.1.6 Segurança


Quando o risco potencial do vaso ou do local onde o mesmo se encontra for grande, ou ainda, quando o equipamento for essencial ao funcionamento de uma instalação importante, há necessidade do emprego de materiais que ofereçam o máximo de segurança, de forma a evitar a ocorrência de rupturas, vazamentos ou outros acidentes que possam resultar em custosas paralisações ou mesmo desastres.

2.5.1.7 Forma de Apresentação do Material

Deve ser realizada uma análise nas formas apresentadas na matéria-prima de cada

material, pois se o formato necessário para a construção do vaso de pressão for inexistente

ou de difícil aquisição, o mesmo deve ser desconsiderado.

2.5.1.8 Facilidades de Fabricação e Montagem

Eliminam-se os materiais cuja fabricação e montagem possam ter limitações que

impeçam ou inviabilizem economicamente a conformação e a confecção do vaso de

pressão.

2.5.1.9 Tempo de Vida Previsto

O tempo de vida do material empregado deve ser compatível com o tempo de vida

útil proposto para o vaso de pressão e qualquer uma de suas partes.

2.5.1.10 Experiência Prévia

Ainda que experiências anteriores e suas informações coletadas na solução da

escolha do material sejam algo que não pode ser descartado, seguir sempre o que se

considera uma tradição de materiais consagrados torna essa escolha mais segura e mais

simples. No entanto, isso nem sempre leva à escolha de um material melhor e mais

28

econômico. O projetista deve estar disposto a aceitar novas soluções, porque novos

materiais são lançados e os já existentes no mercado podem ser otimizados.

No que diz respeito à experiência anterior, também deve ser observado se o caso

apresentado para ser solucionado é exatamente igual ao serviço realizado anteriormente e

não somente parecido, pois uma simples alteração de propriedade do fluido pode alterar o

comportamento do material escolhido, transformando-o em um material não adequado ou

incompatível.

Se as informações disponíveis relativas às experiências anteriores forem baseadas

somente em estudos de laboratório ou não forem exatamente iguais ao que será aplicado

no momento, será necessário proceder a um minucioso estudo entre essas diferenças.


A decisão por um determinado material obriga sempre a que se considere a experiência prévia que possa existir com esse material no mesmo serviço. Em casos importantes é, em geral, muito arriscado decidir-se por um material para o qual não exista nenhuma experiência anterior em serviço semelhante.

2.5.1.11 Facilidade na Obtenção do Material

Devem ser consideradas as dificuldades e as facilidades para a obtenção da

matéria-prima, no que diz respeito a prazos de entrega, necessidade ou não de importação,

necessidade ou não de compras por lotes, entre outros fatores.

2.5.1.12 Variações Toleradas de Forma ou de Dimensões da Peça

Uma vez que a tolerância de dimensões para vasos de pressão é grande (pode ser

de 1% ou superior), ela permite a escolha de um material que possa sofrer alterações

geométricas e nas dimensões sem prejudicar seu funcionamento. Entretanto, algumas

peças devem ter uma tolerância menor, graças à necessidade de vedação e aos ajustes

mecânicos, entre outros fatores, que implicam a necessidade de um material mais preciso,

mais estável e com menos deformações.

29

2.5.2 Aço-Carbono

Segundo TELLES (2013), o aço-carbono tem suas propriedades alteradas

facilmente pela temperatura e pela composição química.

Os limites de escoamento, resistência, dureza e temperabilidade são aumentados

quando se tem uma maior concentração de carbono no aço. No entanto, esse aumento

gera uma dificuldade de soldagem e torna o material menos dúctil.

A porcentagem máxima usual de carbono no aço que se recomenda em peças

soldadas é de 0,26% em vasos de valor agregado na empresa que não possam falhar,

tenham uma longa vida útil e nas partes sujeitas a esforços principais ou à pressão, 0,30%

nas outras partes sujeitas à pressão, e 0,35% para qualquer peça soldada, mesmo que não

exposta à pressão. Esse limite é imposto pela facilidade de aparecerem trincas nas soldas

com a ação do hidrogênio que fica retido nos cordões de solda em aços com concentração

de carbono maior que 0,3%. Para peças não soldadas, não há essa limitação.

Quando o vaso for sujeito a temperaturas acima de 400ºC ou inferiores, recomenda-

se o uso de aços-carbono “acalmados”, caracterizados pela inserção de até 0,6% de Si. Tal

procedimento tem por finalidade eliminar os gases, também chamados “efervescentes”,

propiciar um equipamento de melhor qualidade, com uma estrutura metalúrgica mais fina,

mais uniforme e com menos defeitos internos.

O limite de resistência para aços de baixo carbono (até 0,25%) está entre 310 e

370MPa e limite de escoamento contido entre 150 a 220MPa. Para aços médio carbono

(até 0,35%) os valores limites são de 370 a 540 MPa de resistência e 220 a 280MPa de

escoamento. (TELLES, 2013)

Ainda segundo TELLES (2013), em virtude da diminuição da resistência, das

deformações permanentes por fluência e de o material se tornar quebradiço com uma

possível precipitação do carbono (fenômeno conhecido como grafitização), em

temperaturas superiores a 400ºC, recomendam-se os seguintes limites de temperatura:

30

- 450ºC para partes sujeitas a esforços principais em serviço contínuo;

- 480ºC para partes secundárias também em regime de serviço contínuo;

- 520ºC a máxima temperatura em curta duração e sem grandes esforços

mecânicos.

Também não são utilizados aços-carbono para vasos cujos serviços possam operar

a -45ºC, ainda que esporadicamente ou por um período de curta duração. Entre os valores

de -45°C a 0°C, para ser empregado o aço-carbono, devem ser levados em consideração

a espessura da peça, o nível de tensões, o grau de segurança e a probabilidade ou não de

ocorrência de impactos.

Outra característica do aço-carbono é o fato de ele não ser resistente à corrosão.

No entanto, isso não impede seu uso com uma vida útil aceitável. Se não houver uma

pintura ou um revestimento adequado nas paredes expostas à atmosfera ou ao fluido, a

margem para corrosão será maior.

De acordo com TELLES (2013), o código ASME, Seção VIII, Divisão 1 (parágrafos

UCS-56 e 57) exige:

- Tratamento térmico de 24 minutos para cada 10mm de espessura, tendo, como

tempo mínimo, 15 minutos e obrigatoriedade de espessuras de 32mm ou maiores, quando

não realizado o preaquecimento de no mínimo 200ºC no material e para qualquer espessura

acima de 38mm;

- Tratamento obrigatório para espessuras superiores a 50mm, com duração de 2

horas e acrescidos de 6 minutos para cada 10mm acima dos 50mm de espessura;

- Acima de 32mm, é obrigatória a radiografia total das soldas.

Para qualquer espessura de aço-carbono, deve ser realizado o tratamento térmico

de alívio de tensões com temperatura mínima de 595ºC. É usual a prática do

preaquecimento das soldas para espessuras acima de 12 mm na temperatura mínima de

100ºC.

31

2.5.3 Aço Inoxidável

Para TELLES (2013), o aço inoxidável é dividido em três classes, conforme sua

estrutura metalúrgica: aços austeníticos, ferríticos e martensíticos.

Para a construção dos cascos, tampos, parte internas e tubos, são usados os aços

inoxidáveis austeníticos, que são constituídos basicamente de ligas de Fe-Cr-Ni não

temperados.

Os aços inoxidáveis austeníticos possuem um limite de temperatura bastante

elevado, exceto para os de muito baixo carbono (quando seu limite é de 400ºC), em virtude

de serem materiais resistentes à oxidação e às deformações plásticas sob tensões

constantes (fenômeno conhecido como fluência). São materiais de boa soldabilidade e que

não exigem tratamento térmico. Também podem ser usados em baixas temperaturas, até

mesmo próximos de zero absoluto.

Um fenômeno denominado sensitização é propenso a ocorrer nos aços inoxidáveis

austeníticos, quando estes estão sujeitos à temperatura de trabalho entre 450ºC e 850ºC,

por efeito de tratamentos térmicos e de soldagem. Quando isso ocorre, pode surgir uma

corrosão intragranular. Portanto, para essa situação de sensitização e corrosão

intragranular, TELLES (2013) recomenda que:

- Para vasos ou partes de vasos com temperatura de operação até 450ºC:

- Partes não soldadas:

- Qualquer aço inoxidável austenítico pode ser usado.

- Partes soldadas:

- Meios corrosivos não capazes de causar corrosão

intragranular: Qualquer aço inoxidável austenítico pode ser usado;

- Meios corrosivos capazes de causar corrosão intragranular:

Preferir os aços de baixo carbono. Para partes muito tensionadas,

podem ser usados os aços estabilizados.

- Para vasos ou partes de vasos com temperatura de operação acima de 450ºC:

32

- Meios corrosivos não capazes de causar corrosão intragranular:

- Qualquer aço inoxidável austenítico pode ser usado.

- Meios corrosivos capazes de causar corrosão intragranular:

- Recomenda-se o emprego de aços estabilizados.

Segundo o referido autor (2013), apenas aços não sensitizáveis podem ser usados

no revestimento anticorrosivo. De modo geral, deve-se evitar a presença do íon cloreto,

uma vez que ele pode causar forte corrosão por pites e sob tensão.

Os aços ferríticos (ligas Fe-Cr não temperáveis) e martensíticos (ligas Fe-Cr

temperáveis) são menos resistentes à fluência e à corrosão e não podem ser usados para

partes soldadas em razão de sua baixa soldabilidade. Como são mais baratos e menos

passíveis de corrosão por pites e sob tensão, prestam-se a aplicações nas partes internas

do vaso que não são soldáveis e, em alguns casos, os aços ferríticos baixo cromo (menor

que 17%) podem ser usados para revestimento sobre chapas de aço-carbono. Assim como

o aço-carbono, são sujeitos a fraturas frágeis em baixas temperaturas. Sendo assim, não

são adequados para serviços em tais condições.

2.5.4 Especificações de Aços-Carbono e Inoxidáveis, Dimensões e Peso de Chapas e

Tubos de Aço

As Tabelas 2.7 e 2.8 indicam as principais especificações da ASTM (American

Society for Testing and Materials) para aço-carbono e aços inoxidáveis com uso mais

frequente em vasos de pressão. São ordenadas por classe de material e forma de

apresentação.

De acordo com o autor supracitado (2013), os aços denominados de “qualidades

estruturais” são destinados à estrutura e às partes não sujeitas à pressão, tais como

suportes, peças internas etc. Não costumam ser usados para partes pressurizadas, devido

à prática corrente e ao fato de o código ASME, Seção VIII, Divisão I, proibir o uso desse

aço para partes de pressão em vasos cuja espessura for de 15mm ou superior, para

temperaturas de serviço de 300ºC ou superior, para serviços tóxicos e de geração de vapor.

33

Tabela 2.7 – Principais especificações de aço-carbono (os números indicam especificações

da ASTM/ASME, exceto onde indicado diferentemente) (TELLES, 2013)

Tabela 2.8 – Especificações ASTM/ASME de aços inoxidáveis. (TELLES, 2013)

Conforme TELLES (2013), de acordo com a norma brasileira P-EB-35 (aplicável

somente em chapas de aço-carbono de fabricação nacional), as chapas e tubos de aços

mais utilizados têm as seguintes dimensões normalizadas e pesos unitários:

ChapasSem costura Com Costura

Tipo 304 A-240 Gr 304 A-312 Gr 304 A-358 Gr 304Tipo 304 H A-240 Gr 304 H A-312 Gr 304 H A-358 Gr 304 HTipo 304 L A-240 Gr 304 L A-312 Gr 304 L A-358 Gr 304 LTipo 304 N A-240 Gr 304 N A-312 Gr 304 N A-358 Gr 304 NTipo 310 A-240 Gr 310 A-312 Gr 310 A-358 Gr 310Tipo 316 A-240 Gr 316 A-312 Gr 316 A-358 Gr 316

Tipo 316 H A-240 Gr 316 H A-312 Gr 316 H A-358 Gr 316 HTipo 316 L A-240 Gr 316 L A-312 Gr 316 L A-358 Gr 316 LTipo 316 N A-240 Gr 316 N A-312 Gr 316 N A-358 Gr 316 NTipo 317 A-240 Gr 317 A-312 Gr 317 A-358 Gr 317Tipo 321 A-240 Gr 321 A-312 Gr 321 A-358 Gr 321Tipo 347 A-240 Gr 347 A-312 Gr 347 A-358 Gr 347Tipo 348 A-240 Gr 348 A-312 Gr 348 A-358 Gr 348Tipo 405 A-240 Gr 405Tipo 410 A-240 Gr 410

Tipo 410 S A-240 Gr 410 STipo 429 A-240 Gr 429Tipo 430 A-240 Gr 430

Tubos para conduçãoFormas de Apresentação

Classe de Material (designação AISI)

Aços de baixo carbono

Aços de médio carbono (não-acalmados)

Aços de médio carbono

acalmados - (temperaturas

altas)

Aços de médio carbono

acalmados - (baixas

temperaturas)

Aços de qualidade estrutural

Chapas grossas A-285 Gr A A-285 Gr B, CA-515 Gr 55, 60,

65 e 70

A-516 Gr 55, 60, 65 e 70

A-442 Gr. 55, 60A-283 Gr C

Chapas finas A-570 Gr CTubos condução (sem

costura)A-106 Gr A

(com Si)A-106 Gr B, C

(com Si)Tubos condução (com

ou sem costura)A-53 Gr A API-5L

Gr AA-53 Gr B API-5L

Gr BA-333 Gr 6 A-120

Tubos condução (solda por eletrodo)

A-139 Gr AA-134

A-139 Gr BA-671 (285 B)

A-672 (515 e 516) A-671 (516)

Tubos condução (solda por resistência

elétrica)A-135

Formas de Apresentação

Classes de aços-carbono

34

- Espessura (mm): conferir Tabela 2.9;

- Larguras (mm): 1000, 1200, 1500, 1830, 2000, 2200, 2440, 2750, 3000, 3500 e

3800;

- Comprimentos (mm): 6000 e 12000.

Tabela 2.9 – Espessura e peso de chapas grossas de acordo com a norma brasileira P-

EB-35 (TELLES, 2013)

2.6 Processos de Fabricação

Basicamente, são três os processos de fabricação de vasos de pressão:

1. Soldagem, que estabelece como é feita a união da maioria dos componentes;

2. Calandragem, normalmente utilizada para conformar o corpo do vaso, e;

3. Rebordeamento e abaulamento, processo de conformação muito usado na

confecção dos tampos do vaso.

Pode-se ainda incorporar aos processos de fabricação a etapa de preparação e

execução da pintura interna e externa (TELLES, 2013).

2.6.1 Soldagem

Segundo MODENESI et al. (2012), a soldagem pode ser definida não apenas como

o processo de união entre duas ou mais partes, mas também como a deposição de material

fundido sobre uma superfície. Em ambos os casos, as propriedades do material inserido e

do substrato não podem ser comprometidas.

pol. mm pol. mm pol. mm3/16 4,76 37,35 9/16 14,29 112,04 1 1/4 31,75 248,981/4 6,35 49,80 5/8 15,88 124,49 1 1/2 38,10 298,785/16 7,94 62,25 3/4 19,05 149,39 1 3/4 44,45 348,583/8 9,53 74,69 7/8 22,23 174,29 2 50,80 398,377/16 11,11 87,14 1 25,40 199,191/2 12,70 99,59 1 1/8 28,58 224,08

Peso(kg/m2)

Espessura Peso(kg/m2)

Espessura Peso(kg/m2)

Espessura

35

Para uma solda ter boa qualidade, além de materiais de procedência e de mão de

obra especializada, deve-se ter uma boa preparação pré-soldagem. Para TELLES (2013),

a preparação é imprescindível para a boa execução da união das partes, evitando, assim,

danos e/ou imperfeições nas peças a serem unidas, bem como nos cordões de solda. Essa

preparação inclui, ainda, o levantamento/compra das matérias-primas e suas inspeções

relativas ao tipo de material necessário, os insumos diretos e indiretos, as qualificações dos

funcionários, sejam eles soldadores ou inspetores, estes últimos responsáveis por verificar

a qualidade durante e após a fabricação do vaso de pressão.

De modo geral, antes de qualquer trabalho de soldagem, todas as superfícies a

serem unidas e a área ao redor da união devem estar isentas de resíduos químicos,

carepas, rebarbas, restos de escória e colorações residuais provenientes do método de

corte (oxicorte, por exemplo). Caso a solda seja realizada por máquinas automáticas, as

chapas podem necessitar de usinagem nas uniões. Nesse caso, pode-se aproveitar para

fazer a limpeza nesse momento, a fim de garantir que nada interfira na qualidade do ponto,

ou no cordão de solda, que possa fragilizar o ponto de união. O código ASME determina

que para materiais ferrosos e não ferrosos, as junções que serão soldadas precisam estar

limpas.

Em virtude das altas temperaturas utilizadas no processo de soldagem,

eventualmente utiliza-se um suporte na parte inferior da solda, o mata-junta ou cobre-junta.

Esse suporte nada mais é que uma chapa, removível ou não, que tem a função de estancar

possíveis excessos de metal fundido da solda.

De acordo com TELLES (op. cit.), o código ASME indica duas características

básicas para a soldagem dos vasos de pressão no casco e nos tampos:

- Deve ser de topo, com penetração total: a união se dá pela(s) lateral(is) da peça,

de modo que as chapas estejam no mesmo plano, e com penetração total (material

de adição em toda a superfície lateral da peça), para que a soldagem apresente

melhor resistência mecânica;

- E de tipos facilmente radiografáveis (ver Figura 2.9).

36

Figura 2.9 – Soldas de interpretação Radiográfica (a) Fácil e (b) Difícil ou Falha (TELLES,

2013)

Com base na tabela UW-12 do código ASME, especificamente na Seção VIII,

Divisão 1, TELLES (2013) indica alguns coeficientes de eficiência para formas de soldagem.

Esse coeficiente visa compensar eventual falta de resistência na região soldada em relação

à chapa, ou seja, quando usado um coeficiente 1 (Radiografia Total), por exemplo, têm-se

total certeza de que a solda projetada foi executada sem nenhum defeito, pois a adoção

desse coeficiente implica a execução de inspeções profundas na solda, garantindo, assim,

sua integridade. Dessa forma, presume-se que a solda apresentará boa resistência e a

estanqueidade necessária à boa performance do equipamento. A Tabela 2.10 resume a

atribuição referente à aplicação e o valor a ser considerado.

37

Tabela 2.10 – Coeficientes de eficiência de solda (ASME VIII, 2015)

Para TELLES (op. cit.), os métodos de solda mais utilizados para a confecção de

vasos de pressão são os de Arco Metálico com Eletrodos Revestidos, os de Arco

Tungstênio com Atmosfera Inerte (TIG – Tungsten Inert Gas), os de Arco Metálico com

Atmosfera Inerte ou Ativa (MIG/MAG ─ Metal Inert Gas/ Metal Active Gas) e os de Arco

Submerso (Submerged Arc).

2.6.1.1 Soldagem por Arco Tungstênio com Atmosfera Inerte (TIG)

O processo de soldagem por Arco Tungstênio com Atmosfera Inerte (TIG) baseia-

se na formação do arco voltaico, valendo-se de um eletrodo de tungstênio não consumível

(ou suas ligas), com uma superfície condutora para, assim, criar as condições de

temperatura ideais para fundir um ponto das superfícies ou um material de adição. Este

processo tem o intuito de unir as superfícies, ou seja, o eletrodo apenas forma a poça de

fusão, e o material a ser depositado, quando necessário, pode ser adicionado no limite da

poça (ESAB BR, 2016). A Figura 2.10 exemplifica resumidamente a dinâmica de

funcionamento da solda.

Radiografia Parcial(por amostragem)

Solda de topo, feita por ambos os lados , ou por procedimento equivalente, de forma a obter penetração e fusão totais.

(excluem-se as soldas com mata-junta permanente)Solda de topo, feita por um só lado, com mata-junta permantente.

Nenhuma 0,9 0,8 0,65

Solda de topo. Feita por um só lado, sem mata-junta

Uso permitido somente para soldas circunferenciais, para espessuras inferiores a 15 mm, e diâmetro do vaso inferior a 610 mm

- - 0,6

Solda sobreposta, com filete duplo de altura total

Uso permitido para soldas longitudinais em espessuras inferiores a 10 mm, e para soldas circunferenciais em espessuras inferiores a 15 mm

- - 0,55

Nota: De acordo com a prática corrente, não é usual o emprego de soldas de topo com mata-junta permanente, nem soldas sobrepostas, nas soldas principais de cascos e tampos. Também não são usuais soldas não radiografadas.

Tipo de solda LimitaçõesGrau de Inspeção

Radiografia Total

Não radiografada

Nenhuma 1 0,85 0,7

38

Figura 2.10 – Esquema de Soldagem por Arco Tungstênio com Atmosfera Inerte (ESAB

BR, 2016)

Neste método, não há a formação de escória sobre o ponto soldado. Assim, a

proteção da poça se dá pela aspersão de gases inertes como o argônio, não produzindo

nenhum resíduo que possa contaminar a união e/ou gerar um ponto de fragilidade (ESAB

BR, 2016).

Este processo proporciona um bom controle sobre a poça de fusão, resultando em

um ótimo acabamento e continuidade à solda, garantindo que a união não gerará

vazamentos para processos que visam à estanqueidade, por exemplo. Dependendo da

espessura da peça a ser unida, a solda TIG pode ser muito bem aplicada, pois não há

necessidade de material de adição. Contudo, quando é necessário um metal de adição, a

taxa de deposição do processo é baixa, por ser um item externo, o que exige maior

experiência e coordenação do operador, acarretando um processo caro e pouco produtivo.

Outro problema que pode ser apresentado é quanto a trabalhos em ambientes com corrente

de ar, o que faz com que o gás de proteção da poça de fusão se dissipe mais facilmente,

causando oxidações, acabamento ruim e falhas diversas na solda (ESAB BR, 2016).

2.6.1.2 Soldagem por Arco Metálico com Atmosfera Inerte/Ativa (MIG/MAG)

No processo de Arco Metálico com Atmosfera Inerte/Ativa (MIG/MAG) também são

usados gases para a proteção do cordão de solda e eletrodo sem revestimentos. Neste

caso, no entanto, o eletrodo é consumível e se deposita nas superfícies, por meio das

condições impostas pelo arco voltaico formado pelo eletrodo e pela peça. Outra

39

característica é o fato de o eletrodo ser alimentado automaticamente pelo bocal da pistola

de solda (FBTS, 2016).

A configuração do processo é exemplificada na Figura 2.11.

Figura 2.11 – Esquema de Soldagem por Arco Metálico com Atmosfera Inerte/Ativa ou

MIG/MAG. (FBTS, 2016)

Uma vantagem deste processo é o fato de ele poder ser automatizado ou

semiautomatizado. Com o processo semiautomatizado, o arame-eletrodo é alimentado

automaticamente enquanto o operador manipula manualmente a pistola de solda, de

acordo com a necessidade e/ou a aplicação. De modo automatizado, a alimentação, o

posicionamento e a movimentação são configurados pelo operador previamente, antes da

operação. Outras vantagens que podem ser descritas são maior taxa de deposição, podem

ser feitos cordões de solda maiores e ininterruptos, em virtude da realimentação contínua.

Por conseguinte, esse processo é o mais utilizado e o mais viável financeiramente (FBTS,

2016).

Quanto ao gás utilizado (ou mistura de gases), quando for inerte (MIG), é para a

estrita proteção quanto ao ambiente onde se está executando as soldas. De modo geral,

esta proteção é contra a oxidação. Quando o gás for ativo (MAG), a poça de fusão reage

com o gás aspergido, podendo adicionar ou retirar alguma característica física ou do

processo de solda. Geralmente o gás (ou mistura de gases) utilizado pode interferir na

profundidade, na qualidade e no modo de formação do arco da solda. Dependendo das

reações do gás com os elementos da solda, faz-se necessária uma leve limpeza no

equipamento, pois pode ocorrer formação de escória (FBTS, 2016).

40

2.6.1.3 Soldagem por Arco Submerso (Submerged Arc)

A Soldagem por Arco Submerso utiliza-se do mesmo método de alimentação do

eletrodo do TIG. Um arame bobinado é empurrado em direção à junta e uma corrente

elétrica é aplicada no mesmo, criando um arco voltaico que funde o eletrodo e este material

liquefeito se deposita no ponto de união. Contudo, não é utilizado nenhum tipo de gás para

proteger a solda, mas sim uma camada de material mineral granulado, chamado de Fluxo

para Soldagem por Arco Submerso (ou apenas Fluxo para Soldagem). Após soldagem,

sobre a solda solidificada, o Fluxo forma uma camada semelhante à escória, mas que se

destaca facilmente, e, como no processo MIG/MAG, pode ou não influenciar na liga formada

na solda (FORTES et al., 2004).

Segundo esses mesmos autores (cf. data), os equipamentos para Solda Submersa

devem ser bem regulados para que realizem todas as funções corretamente: alimentar o

eletrodo, o Fluxo de Solda, movimentar o carro de solda (no plano ou rotacionando a peça)

em velocidade constante.

A Figura 2.12 resume o processo:

Figura 2.12 – Esquema de Soldagem por Arco Submerso. (ESAB BR, 2016)

Este processo é caracterizado por altas taxas de deposição de material e altas

velocidades de soldagens, o que justifica a automatização do processo, pois um operador

não conseguiria manter, por exemplo, a alimentação do eletrodo. A grande limitação deste

41

processo se dá pela falta de mobilidade, pois, ao contrário de outros processos, este

necessita que a posição de soldagem seja plana e horizontal, em virtude do tamanho da

poça de soldagem e do acondicionamento do Fluxo de Soldagem (FORTES et. al., 2004).

2.6.2 Calandragem

A calandragem é um método de conformação mecânica que visa à obtenção de

superfícies de revolução, tais como cilindros ou anéis (chamados virola), cones, tronco de

cones ou segmentos de cones (raio ou lombadas). O processo consiste em passar chapas,

perfis ou tubos por entre um jogo de cilindros (calandras), com distâncias determinadas

entre si, fazendo com que a chapa se curve até atingir o formato desejado (SIMEI, 2012).

As calandras podem ser de dois tipos: manuais e mecânicas. As Calandras Manuais

são utilizadas para materiais com espessura de até aproximadamente 2mm, e as Calandra

Mecânicas, em que as espessuras dos materiais a serem curvados podem chegar a 60mm.

O sistema de calandragem pode ter 3 ou 4 cilindros (SIMEI, 2016).

As Figuras 2.13 e 2.14 exemplificam o esquema de calandragem de 3 e 4 cilindros.

Figura 2.13 – Esquema de Calandragem (virola) de chapa de 3 cilindros. (SIMEI, 2012)

42

Figura 2.14 – Esquema de Calandragem (virola) de chapa de 4 cilindros. (SIMEI, 2012)

2.6.3 Rebordeamento e Abaulamento

O abaulamento é um processo de fabricação em que se emprega uma prensa,

normalmente hidráulica, utilizando-se de ferramentas côncavas e convexas (macho e

fêmea) para criar o raio esférico do tampo. Progressivamente são feitas várias prensagens

ao longo de toda a superfície da chapa (já cortada em forma de disco) até ela atingir o

formato desejado (SHANDONG SHUIPO, 2016).

A Figura 2.15 exibe uma prensa hidráulica de abaulamento.

Figura 2.15 – Prensa de abaulamento. (SHANDONG SHUIPO, 2016)

43

Muitas vezes o rebordeamento, ou apenas bordeamento, é um processo

complementar ao processo de abaulamento, frequentemente necessário à formação dos

tampos, em especial os tampos toriesféricos.

Para a conformação do raio menor do tampo, a chapa, geralmente já abaulada

(disco côncavo), é posicionada com a parte côncava voltada para cima, presa pelo centro,

com a borda posicionada entre dois rolos esféricos. O rolo superior (normalmente fixo) é o

modelo do perfil do raio, e o rolo inferior móvel pressiona a chapa contra o rolo superior.

Para realizar o processo, a peça e os rolos são rotacionados a velocidades constantes

(GSN TAMPOS, 2016).

Na Figura 2.16 vê-se o posicionamento dos rolos e da chapa.

Figura 2.16 – Posicionamento e rotação de máquina de rebordeamento. (ABERKO, 2016)

2.6.4 Preparação e Pintura

Podem ser aplicados revestimentos interna e externamente em vasos de pressão,

a fim de elevar a resistência às variações ambientais onde o equipamento está instalado

e/ou ao ataque de fluidos (ou subprodutos) às paredes do reservatório.

44

Para preparar e limpar a superfície a ser pintada, podem ser utilizados diversos

métodos, porém o jato abrasivo é um dos mais utilizados. A norma N-2 da PETROBRAS

(2016) determina o tratamento da superfície, conforme Tabela 2.11.

Tabela 2.11 – Norma N-2 - Método de Tratamento da Superfície. (PETROBRAS, 2012)

O procedimento para tratamento da superfície é regido pela norma N-9 ─

Tratamento de Superfícies de Aço com Jato Abrasivo e Hidrojateamento (PETROBRAS,

2016).

Como dita esta norma, o grau de acabamento para o jato abrasivo deve ser o

codificado como Sa 2 1/2, e é descrito como:

[...] a carepa de laminação, a ferrugem e material estranho devem ser removidos de maneira tão perfeita que seus vestígios apareçam somente como manchas tênues ou estrias. [...] ( 2016, p. 4)

Ainda segundo a norma N-9, tem-se o grau de acabamento para o hidrojateamento

WJ-2, cujo texto designa uma superfície 95% isenta de resíduos, porém com a aparência

do metal fosca (PETROBRAS, 2016).

Após a preparação e a limpeza, podem-se aplicar as camadas de tinta.

Externamente, deverá ser aplicado um Primer com espessura entre 30 µm e 40 µm e tempo

de cura de 7 dias. Esta tinta possui resistência à incidência de raios ultravioleta e proteção

à corrosão. Para uma aplicação ótima, o ambiente deve estar com temperatura de no

mínimo 5ºC, umidade relativa do ar entre 10% e 50%, e a temperatura do substrato deve

estar entre 5ºC e 30ºC (SHERWIN WILLIAMS, 2016).

Para a pintura interna, será utilizada uma tinta epóxi, com espessura de camada de

100 µm. O tempo de secagem e cura desta tinta depende da temperatura em que se

encontra o ambiente, podendo este tempo ser maior quanto menor for a temperatura. Para

pinturas internas, é aconselhável fazer a cura forçada por ventilação. Para um ótimo

45

resultado, a temperatura da superfície deve estar entre 5ºC e 50ºC, a temperatura da tinta,

entre 5ºC e 35ºC, e a umidade relativa do ar entre 10% e 85% (SHERWIN WILLIAMS,

2016).

2.7 Inspeções de Vasos de Pressão

As inspeções em vasos de pressão são de suma importância e devem ser realizadas

não só durante sua fabricação, mas quando do seu término também. Após a finalização do

projeto, devem ser rigorosamente programadas inspeções periódicas dos equipamentos,

uma vez que eles trabalham sob o impacto de pressões altíssimas, podendo causar danos

materiais e à vida humana se ocorrer alguma irregularidade em seu funcionamento.

São diversos os métodos para a detecção de falhas, porém abordaremos apenas

os mais utilizados. São eles: líquido penetrante, raios X e pressão hidrostática.

2.7.1 Líquido Penetrante

Segundo ANDREUCCI (2008), o ensaio por líquidos penetrantes é um dos métodos

não destrutivos mais utilizados na indústria para detectar imperfeições e falhas superficiais

nos materiais, visto que seu custo é relativamente baixo e de fácil manuseio.

Para este procedimento ser eficaz são necessários alguns passos, a começar pela

limpeza da superfície a ser analisada, a qual deve estar isenta de umidade, óleos, graxas

ou quaisquer outros contaminantes. Após a limpeza, é aplicada uma solução colorida

(normalmente vermelha) na superfície a ser analisada de modo a formar um filme. Se

houver alguma falha, por exemplo, trincas na superfície, a solução, por capilaridade,

penetrará nessas trincas. Após aguardar o tempo determinado para cada tipo de solução

em uso, deve-se remover o excesso do liquido penetrante.

Depois de limpo o local, aplica-se uma nova solução, o revelador. É de boa prática

que o revelador seja aspergido (spray) sobre a peça, pois, se aplicado de outra forma

(pincéis, estopas, esponjas) pode haver remoção indevida do líquido penetrante,

mascarando os resultados. Após a aplicação do revelador pelo tempo determinado pelo

fabricante do líquido, se houver alguma falha na superfície onde foi feito o procedimento,

46

este aparecerá na cor do líquido penetrante inicial. A Figura 2.17 mostra um exemplo do

resultado após a aplicação do revelador.

Este método apenas identifica descontinuidades que estão na superfície analisada.

Sendo assim, a falha deve estar isenta de qualquer impureza. Em virtude da necessidade

de absorção do líquido, o material ensaiado não pode ser poroso, estar oxidado ou com a

superfície bruta (ANDREUCCI, 2008).

Figura 2.17 – Resultado da aplicação do revelador. (ANDREUCCI, 2008)

O líquido penetrante é utilizado como método de detecção de falhas desde a

fabricação do vaso de pressão, passando pela inspeção final de aprovação do produto,

podendo facilmente ser aplicado nas inspeções periódicas.

2.7.2 Raio-X

De acordo com ANDREUCCI (2006), o ensaio com raios X é um método não

destrutivo de inspeção, em que uma faixa do material a ser analisado é bombardeada com

um feixe radioativo de raios X, a fim de identificar as imperfeições internas do material. Além

disso, ele é muito utilizado para inspeções em juntas soldadas, sendo de grande valia nas

análises em vasos de pressão. Ambas as aplicações só são viáveis em virtude da grande

precisão de avaliação que se pode atingir com as imagens resultantes.

Para ser formada a imagem do raio X, um filme tratado quimicamente é colocado

no lado oposto ao ponto onde será emitido o feixe, de modo a fazer com que a radiação

atravesse o material e atinja o filme. Após inserir o filme em uma mistura química, a imagem

47

é revelada e as impressões aparecem (Figura 2.18). Nos equipamentos de inspeção digitais

(Figura 2.19), uma guia instalada ao longo de uma peça possui uma placa digitalizadora

que captura a imagem gerada pelo emissor de raios X, criando, assim, um arquivo digital

do resultado do ensaio.

Figura 2.18 – Exemplo de filme revelado de uma junta soldada de ensaio por raios-X.

(ANDREUCCI, 2006)

Figura 2.19 – Equipamento de raios-X digital. (ANDREUCCI, 2006)

2.7.3 Pressão Hidrostática

Conforme MARTINS (2009), utilizam-se os testes de pressão hidrostática em vasos

de pressão para se determinar a presença de falhas, defeitos e/ou imperfeições em soldas,

equipamentos (internos ou externos), uniões (roscas, flanges) etc., que impossibilitem a

utilização ou que criem condições não seguras de funcionamento de vasos de pressão.

Este método de inspeção, assim como os mencionados anteriormente, é muito

utilizado como meio de aprovação da construção de um vaso de pressão e como item de

verificação obrigatório nas inspeções periódicas nas empresas.

48

Para a realização do teste, utiliza-se ar, água ou qualquer outro fluido que não seja

reativo com o material do tanque. Esses fluidos devem ser pressurizados a níveis acima da

pressão máxima admissível pelo projeto, a fim de atender a seus requisitos.

Por questões de disponibilidade, toxicidade e segurança, utiliza-se água para o

teste, pois, em caso de acidente, as consequências ambientais serão menores, e a baixa

compressibilidade faz com que o teste se torne mais rápido (as pressões necessárias são

atingidas rapidamente). Afora isso, uma pequena fissura faz com que a pressão interna do

vaso ensaiado caia rapidamente, tornando o procedimento mais seguro.

O projeto do vaso de pressão deve suportar seu próprio peso, acrescido do peso da

água em seu interior, ou seja, seu projeto deve conceber que o teste hidrostático seja

plenamente realizado e que o equipamento não sofra danos, conforme norma Petrobras N-

0253 (PETROBRAS, 2016).

Muitos autores questionam a eficácia deste teste, pois, ao se colocar mais pressão

dentro do reservatório, em vez de verificar a existência de irregularidades, o teste danificaria

o equipamento.

2.8 Análise de Elementos Finitos (Finite Elements Analysis – FEA)

Quando são utilizados métodos analíticos clássicos para os cálculos de tensões,

deslocamentos e deformações de estruturas conhecidas, estes são feitos nos infinitos

pontos da estrutura a ser analisada. No entanto, cotidianamente nos deparamos com

estruturas complexas que fogem das soluções encontradas pelos métodos analíticos. Para

esses casos complexos, utilizam-se cálculos feitos por aproximação, que podem ser

aplicados em diversos tipos de estruturas, independentemente da forma e da condição de

carregamento, com precisão aceitável para as condições de engenharia. Denominamos

este método de Métodos dos Elementos Finitos (MEF) ou Análise de Elementos Finitos

(FEA) (ALVES FILHO, 2007).

Em termos matemáticos, a análise de elementos finitos é uma técnica numérica para

solucionar problemas de campos descritos por um conjunto de equações diferenciais

parciais, normalmente encontrados nas várias áreas da engenharia (SOLIDWORKS, 2016).

49

De acordo com a SOLIDWORKS (2012), a análise de elementos finitos também é

utilizada para resolver problemas relativos à:

1. Análise estrutural;

2. Análise térmica;

3. Acústica etc.

A análise de elementos finitos não é a única ferramenta disponível para análises

numéricas utilizada pela engenharia. Existem outros métodos, porém mais complexos,

como o Método de Elementos de Contorno ou o Método de Volumes Finitos

(SOLIDWORKS, 2012).

O SolidWorks Simulation é um software CAD/CAE (Projeto Auxiliado por

Computador/Engenharia Auxiliada por Computador), com sistema CAD 3D paramétrico,

baseado em recursos e sólidos, e a parte CAE, baseada no método de análise de elementos

finitos (SOLIDWORKS, 2012).

Os softwares de CAD/CAE possuem três etapas para construir um modelo e efetuar

a análise. A primeira é o pré-processamento, onde é gerado o modelo bidimensional ou

tridimensional para a análise, aplicado o material do modelo e inseridos os carregamentos

e cargas que o modelo deve suportar. A segunda etapa é o processamento ou solução.

Nesta etapa, é gerada a discretização ou a subdivisão do modelo, conforme mostra a Figura

2.20(a), que faz a divisão deste em elementos finitos e gera os cálculos dos resultados

desejados. E a terceira etapa é o pós-processamento, em que o software plota as

informações de tensões e as deformações do modelo para a análise dos resultados; ver

Figura 2.20(b) (SOLIDWORKS, 2012).

50

Figura 2.20 – Exemplo de um vaso de pressão discretizado e demonstração das saídas

dos resultados. (TAMBOLI, 2014)

Todas as etapas necessitam do acompanhamento de um engenheiro capacitado

que saiba o que precisa ser analisado, como fazer a aplicação das cargas, a definição dos

apoios rígidos e móveis, como interpretar as informações geradas pelo software e analisar

se os dados mostrados são aceitáveis para a aplicação do modelo gerado.

2.9 Memorial Analítico de Cálculo de Vasos de Pressão

Segundo GERE (2003), para identificar corretamente os esforços que um vaso de

pressão deve suportar em virtude de sua pressão interna, é preciso entender as tensões

envolvidas nas paredes. Uma vez que os vasos de pressão possuem paredes finas quando

comparadas ao seu raio, ou seja, uma vez que a razão do raio em relação à espessura da

parede é maior que 10, os vasos de pressão podem ser considerados como estruturas de

cascas, permitindo, com isso, utilizar as equações da estática para a confecção do memorial

analítico, com uma precisão razoável.

Para o referido autor (2003), um vaso de pressão esférico é a forma teórica ideal

para resistir à pressão interna, porém com custos de fabricação mais elevados. Para

determinar as tensões em um vaso esférico, é isolada a metade da esfera em forma de

casca e seu conteúdo de fluido como um único corpo livre, conforme mostra a Figura

2.21(a). Na Figura 2.21(b), é representada a força de pressão resultante, conforme a eq.2.1.

A Figura 2.21(c) mostra as tensões de membrana.

51

Figura 2.21 – Tensões de tração e de membrana de um vaso de pressão esférico. (GERE,

2003)

(2.1)

Onde:

P = Força de pressão resultante;

p = Pressão interna do vaso de pressão;

r = Raio interno do vaso de pressão.

Em virtude da simetria do vaso de pressão e da simetria do carregamento, a tensão

de tração (σ) é uniforme ao redor da circunferência e através da espessura t da parede,

uma vez que ela é considerada como uma casca fina. A tensão de tração (ver eq. 2.2) é

uma força horizontal que age na parede do vaso com casca esférica.

(2.2)

Onde:

σ = Tensão de tração na parede do vaso de pressão;


r = Raio interno do vaso de pressão;

t = Espessura da parede do vaso de pressão.

52

Em um vaso de pressão esférico, geralmente a superfície externa está livre de

quaisquer carregamentos, razão pela qual a tensão de membrana mostrada na Figura

2.21(c) está em tensão biaxial.

Os vasos de pressão cilíndricos são as configurações mais comuns encontradas

nas indústrias. A Figura 2.22 mostra um vaso cilíndrico de paredes finas, submetido a uma

pressão interna. Na parede do vaso, estão configuradas as tensões de membrana.

Figura 2.22 – Tensões de membrana de um vaso de pressão cilíndrico. (GERE, 2003)

As tensões de membranas, ou tensões principais, são as tensões que agem

tangencialmente (σ1) e longitudinalmente (σ2) à superfície curvada das paredes do vaso.

Quando um corte passa por mn e pq com um comprimento b, como visto na Figura 2.23,

tem-se a tensão circunferencial σ1 agindo na parede do vaso de pressão.

Figura 2.23 – Demonstração do corte mn e pq e a tensão circunferencial σ1. (GERE, 2003)

Há uma tensão resultante agindo nas paredes do vaso e forças resultantes da

pressão interna que nos permite obter a eq. 2.3 para a tensão circunferencial do cilindro.

53

(2.3)

Onde:

σ1 = Tensão circunferencial nas paredes do vaso de pressão;



t = Espessura das paredes do vaso de pressão.

Quando é resolvida a equação de equilíbrio para o corpo livre (eq. 2.4, ver Figura 2.24),

tem-se a tensão longitudinal σ2 agindo nas paredes do vaso de pressão.

(2.4)

Onde:

σ2 = Tensão longitudinal nas paredes do vaso de pressão;




Figura 2.24 – Tensão longitudinal σ2 agindo na parede do vaso de pressão. (GERE, 2003)

54

Quando comparadas as equações 1 e 2, percebe-se que, nos vasos de pressão

cilíndricos, a tensão circunferencial é igual ao dobro da tensão longitudinal, conforme

mostrado na eq. 2.5.

(2.5)

Onde:


σ2 = Tensão longitudinal nas paredes do vaso de pressão.

Com esse resultado, nota-se que as soldas longitudinais nos vasos de pressão

devem ser duas vezes mais fortes que as soldas circunferenciais.

As tensões de membrana, ou tensões principais, nas superfícies externa e interna

de um vaso de pressão cilíndrico estão ilustradas na Figura 2.22, uma vez que a terceira

tensão principal (agindo na direção z) é zero, o que configura, portanto, que o elemento

está em tensão biaxial. Na Figura 2.25(a) podem ser vistas as tensões na superfície

externa, e na Figura 2.25(b), as tensões na superfície interna.

Figura 2.25 – Tensões nas superfícies externa e interna. (GERE, 2003)

55

As tensões de cisalhamento máximas no plano que estão rotacionados a 45° sobre

os eixos x, y e z, considerando a superfície interna são conforme equações 2.6, 2.7 e 2.8

(GERE, 2003):

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Onde:


σ2 = Tensão longitudinal nas paredes do vaso de pressão;

σ3 = Tensão de compressão nas paredes do vaso de pressão (essa tensão varia de

p na superfície interna até zero na superfície externa);

P = Pressão resultante;




As equações para as tensões em um vaso de pressão esférico e cilíndrico são válidas

em partes, em virtude das descontinuidades que causam concentrações de tensão. Há uma

clara descontinuidade nas extremidades do cilindro onde as cabeças são presas, porque a

geometria da estrutura varia abruptamente. Outras concentrações de tensão ocorrem em

aberturas, em pontos de sustentação e em qualquer lugar onde objetos e ajustadores são

fixados no cilindro. As tensões em tais pontos não podem ser determinadas apenas pelas

equações de equilíbrio, mas também por métodos mais avançados de análise.

Com base nestes fundamentos das tensões de membrana encontradas nas paredes

de vasos de pressão de formatos cilíndrico e esférico, serão utilizados os equacionamentos

para o cálculo do vaso de pressão, de acordo com o código ASME, Seção VIII, Divisão 1.

56

Os elementos dos vasos de pressão devem ser projetados para suportar as mais

severas condições de operação, como pressão e temperatura acima das condições normais

especificadas para o projeto dos vasos de pressão (ASME VIII, 2015).

Para essa finalidade, há alguns conceitos e termos utilizados nos equacionamentos

dos vasos de pressão que devem ser constantes, como afirma TELLES (2013):

● Pressão normal de operação;

● Pressão máxima de operação;

● Pressão mínima de operação;

● Pressão de projeto;

● Pressão de abertura da válvula de segurança;

● Pressão máxima de trabalho admissível (PMTA);

● Pressão de teste hidrostático;

● Temperatura normal de operação;

● Temperatura máxima de operação;

● Temperatura mínima de operação;

● Temperatura de projeto.

Segundo TELLES (2013), as condições de pressão de operação são as condições

normais previstas para a operação dos vasos de pressão, sendo que, de acordo com o

código ASME, Seção VIII, Divisão 1, a pressão de operação mínima interna não deve ser

inferior a 1,0 kgf/cm² (98 kPa). A pressão de projeto corresponde as condições mais severas

previstas em serviço normal, é usualmente adotada na condição de pressão de projeto

utilizar a pressão máxima de operação acrescida de 5% nos casos em que a válvula de

segurança esteja acrescida de 10% e para os demais casos são acrescidos 1,5 kgf/cm²

(147 kPa) manométricos. A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) refere-se à

pressão que causa uma tensão máxima igual à tensão admissível do material na

temperatura de operação. A PMTA é calculada após ter-se estabelecido a espessura

mínima do vaso de pressão e selecionado a espessura padronizada de chapas disponíveis

no mercado, conforme mostra a Tabela 2.9. A PMTA é usualmente empregada para a

pressão de abertura da válvula de segurança. A pressão de teste hidrostático deve ser, no

mínimo, a PMTA multiplicada por 1,3.

57

Para as condições de operação, devem ser observadas as temperaturas que as

paredes do vaso de pressão podem atingir. A temperatura de operação é normalmente

definida em função da temperatura do fluido contido no vaso de pressão. Para a

temperatura de projeto, é usualmente adotado de 30°C a 50°C acima da de operação

máxima do vaso de pressão.

2.9.1 Cálculo do Vaso de Pressão Cilíndrico pelo código ASME, Seção VIII, Divisão 1

Os cálculos de vasos de pressão realizados pelo código ASME, Seção VIII, Divisão

1, podem trabalhar com os sistemas de unidade dos Estados Unidos (U.S.) ou o Sistema

Internacional de Medidas (S.I.), conforme mostrado na Tabela 2.12.

Tabela 2.12 – Unidade padronizadas para as equações. (ASME VIII, 2015)

Conforme TELLES (2013), para as espessuras calculadas e acrescidas do fator de

corrosão, a espessura final a ser adotada para todas as partes do vaso de pressão será a

espessura comercial (ver Tabela 2.9) da chapa igual ou imediatamente superior.

2.9.2 Cálculo do Casco do Vaso de Pressão Cilíndrico

Para as paredes dos vasos de pressão cilíndricos, o código ASME, Seção VIII,

Divisão 1 (2013), a partir da pressão interna, calcula a espessura do casco utilizando a

tensão circunferencial (eq. 2.9) e a tensão longitudinal (eq. 2.10) do casco, devendo ser

considerada a maior espessura encontrada entre as duas equações.

Grandeza Unidades (U.S.) Unidades (S.I.)Dimensões lineares (comprimento, largura, altura, espessura, raio, diâmetro)

polegada (pol) milímetros (mm)

Área polegada quadrada (pol.²) milímetro quadrado (mm²)Volume polegada cúbica (pol³) milímetro cúbico (mm³)Módulo de seção polegada cúbica (pol³) milímetro cúbico (mm³)Momento de inércia da seção polegada quarta (pol4) milímetro quarta (mm4)Massa (peso) libra massa (lbm) kilograma (kg)Força (carga) libra força (lbf) newton (N)Momento de flexão polegada libra (pol-lb) newton-milímetro (Nmm)Pressão, tensão, intensidade de tensão e módulo de elasticidade

libra por polegada quadrada (psi) Megapascal (MPa)

Energia (valores de ensaio de impacto "Charpy")

libra pé (ft-lb) Joule (J)

Temperatura Graus Fahrenheit (°F) Graus Celcius (°C)Temperatura absoluta Rankine (R) Kelvin (K)Resistência à fratura

Ângulo graus ou radianos graus ou radianosCapacidade da caldeira Btu/hr watts (W)

MPa

58

Quando se calcula a espessura do casco considerando a tensão circunferencial (eq.

2.9), antes de utilizar e equação deve-se observar se a espessura da parede não excede a

metade do raio interno ou se a pressão de projeto interna não excede a 0,385SE (ASME

VIII, 2015).

(2.9)

Onde:

e = Espessura das paredes do vaso de pressão (conforme norma Petrobras N-0253,

deve ser acrescido de sobre-espessura para corrosão; para vasos que operam com vapor

e ar, a sobre-espessura deve ser de 1.5mm);

P = Pressão de projeto interna;

R = Raio interno do vaso de pressão no corpo cilíndrico;

S = Tensão admissível do material na temperatura de projeto (conforme código

ASME, Seção II, Parte D);

E = Eficiência da junta soldada (ver Tabela 2.10).

Quando se calcula a espessura do casco considerando a tensão longitudinal (eq.

2.10), antes de utilizar e equação, deve-se observar se a espessura da parede não excede

a metade do raio interno ou se a pressão de projeto interna não excede a 1,25SE (ASME

VIII, 2015).

(2.10)

Onde:

e = Espessura das paredes do vaso de pressão (conforme norma Petrobras N-0253,

deve ser acrescido de sobre-espessura para corrosão; para vasos que operam com vapor

e ar, a sobre-espessura deve ser de 1.5mm);






59

A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) para os vasos de pequena

espessura é dada pela equação 2.11.a, quando a espessura do casco for dada em função

da tensão circunferencial, e pela equação 2.11.b, quando a espessura do casco for dada

em função da tensão longitudinal (ASME VIII, 2015).

(2.11.a)

(2.11.b)

Onde:

PMTA = Pressão máxima de trabalho admissível;

e = Espessura das paredes do vaso de pressão, calculada pelas equações 2.9 e

2.10;





TELLES (2013) ressalta que independentemente da espessura mínima calculada

para suportar a pressão interna, as paredes dos vasos de pressão também devem ter

resistência estrutural.

A tensão máxima permitida para projeto não deve exceder os limites das tensões

admissíveis dos materiais listadas no código ASME, Seção II, Parte D (ASME VIII, 2015).

2.9.3 Cálculo de Tampo Toriesférico para Pressão Interna

Para o cálculo da espessura mínima para tampos toriesféricos com es/D≥0,002,

RkMÍNIMO=6%D e Rc=D, utilizou-se a equação 2.12 (ASME VIII, 2015).

(2.12)

= − 0.4

60

Onde:

e = Espessura das paredes do tampo toriesférico (conforme norma Petrobras N-

0253, deve ser acrescido de sobre-espessura para corrosão; para vasos que operam com

vapor e ar, a sobre-espessura deve ser de 1.5mm);

es = Espessura mínima calculada;


Rc = Diâmetro interno e raio da coroa do tampo toriesférico;

D = Diâmetro interno do casco;

r = raio da seção toroidal;




A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA), quando se utiliza a equação

2.12, será dada conforme a equação 2.13 (ASME VIII, 2015).

(2.13)

Onde:

PMTA = Pressão máxima de trabalho admissível;

e = Espessura das paredes do vaso de pressão, calculada pela equação 2.12;

Rc = Diâmetro interno e raio da coroa do tampo toriesférico;




61

2.9.4 Cálculo dos Reforços das Aberturas em Vasos de Pressão

Para o cálculo dos reforços de bocais das aberturas nos cascos dos vasos de

pressão (ver fig. 2.26), a área transversal total do reforço não deve ser inferior à área da

abertura no casco (ver eq. 2.14) (ASME VIII, 2015).

Figura 2.26 – Identificação das áreas para cálculo da abertura em vasos de pressão.

(ASME, 2015)

(2.14)

Onde:

A = Área transversal total requerida para o reforço;

d = Diâmetro da abertura no casco;

tr = Espessura necessária do casco com base na tensão longitudinal, calculada pela

equação 2.10 (conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1, parágrafo UG-37, utilizar

E=1);

tn = espessura do tubo soldado na abertura;

fr1 = fator de redução de força (conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1,

parágrafo UG-37 e Figura UG-40”n”, utilizar fr1=1);

F = Fator de correção que compensa a variação da tensão nos diferentes planos em

função da pressão interna (conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1, parágrafo UG-

37, utilizar F=1);

Sn = Tensão admissível do bocal;

Sv = Tensão admissível do vaso de pressão.

62

Se a soma das áreas A1 (eq. 2.15), A2 (eq. 2.16), A41 (eq. 2.17) e A43 (eq. 2.18)

for maior ou igual à área de A (eq. 2.14), significa que a abertura no casco do vaso de

pressão suporta a pressão interna sem deformar a abertura do bocal e dispensa o uso do

reforço na região da abertura (ASME VIII, 2015).

Para a equação 2.15 deve ser utilizado o maior valor encontrado entre as equações,

e para a equação 2.16 deve ser utilizado o menor valor encontrado entre as equações

(ASME VIII, 2015).

(2.15)

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Onde:

A1 = Área da seção transversal do casco (utilizar o maior valor);

A2 = Área da seção transversal do tubo do bocal (utilizar o menor valor);

A41 = Área da seção transversal do cordão de solda externo;

A43 = Área da seção transversal do cordão de solda interno;

d = Diâmetro da abertura no casco;

t = Espessura do vaso de pressão calculada pelas equações 2.9 e 2.10;

tr = Espessura necessária do casco com base na tensão longitudinal, calculada pela


E=1);

tn = espessura do tubo soldado na abertura;

trn = Espessura necessária do bocal com base na tensão longitudinal, calculada pela


E=1);

63

E1 = Conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1, utilizar E=1 quando a abertura

do bocal estiver fora das regiões soldadas;

fr1 = Fator de redução de força (conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1,

parágrafo UG-37 e Figura UG-40”n”, utilizar fr1=1);

fr2 = Sn/Sv;

F = Fator de correção que compensa a variação da tensão nos diferentes planos em

função da pressão interna (conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1, parágrafo UG-

37, utilizar F=1);

b = Altura do cordão de solda;

Sn = Tensão admissível do bocal;

Sv = Tensão admissível do vaso de pressão.

2.9.5 Fatores de Segurança

O fator de segurança, ou coeficiente de segurança, é descrito por NORTON (2013,

p. 16) como sendo:

[...] a razão entre duas quantidades que possuem as mesmas unidades, como (resistência) / (tensão atuante), (esforço crítico) / (esforço aplicado), (esforço que quebra a peça) / (esforço esperado em serviço), (máximo número de ciclos) / (número de ciclos solicitados) ou (velocidade que quebra) / (velocidade em operação). [...] sempre adimensional.

Deste modo, pode-se afirmar que este quociente gerará um valor, o qual pode ser

multiplicado a um dimensionamento calculado, por exemplo, a fim de garantir e prever a

integridade do componente estudado, obviamente dentro de alguns limites de sobrecargas.

Segundo NORTON (2013), de modo geral, para os vasos de pressão cilíndricos de

paredes finas, consideram-se as duas tensões do círculo de Mohr das equações 2.3 e 2.4,

que são as tensões circunferencial (σ1) e longitudinal (σ2), respectivamente, para materiais

dúcteis, descritas no item 2.9.

Dadas estas duas tensões, é possível determinar a tensão média entre elas, a fim

de posteriormente determinar as tensões axiais máxima e mínima. A Teoria do Círculo de

Mohr define que o raio do círculo precisa ser definido para o mesmo fim. Assim, tem-se a

equação 2.19 para determinar a tensão média, e a equação 2.20 para o cálculo do raio.

64

(2.19)

(2.20)

Onde:

σm = tensão média;

R = raio do Círculo de Mohr;

σ12 = tensão de cisalhamento em virtude do momento fletor.

As tensões axiais máximas e mínimas podem ser expressas pelas equações 2.21 e

2.22 (NORTON, 2013):

(2.21)

(2.22)

Onde:

σmáx = tensão máxima admissível;

σmín = tensão mínima admissível.

Para encontrar o valor total das tensões axiais combinadas atuantes, utiliza-se a

equação de Von Mises (σVM) (NORTON, 2013):

(2.23)

= á2 − á ∗ + í

2

65

Como o fator de segurança (FS) é dado entre o quociente entre a tensão de ruptura

(σy) e a tensão de Von Mises (σVM), tem-se (NORTON, 2013):

(2.24)

O método de determinação do fator de segurança deve ser aplicado para o casco e

para o tampo do vaso de pressão. Entretanto, para o tampo, deve-se considerar o formato

como esférico, ou seja, as tensões circunferenciais (σ1) e longitudinais (σ2) terão o mesmo

valor (NORTON, 2013).

2.9.6 Dimensionamento dos Apoios

Em virtude da configuração do vaso (corpo cilíndrico e tampos arredondados), de

suas entradas e saídas de ar, do dreno, da boca de visita, entre outros detalhes, não é

possível a instalação do vaso diretamente apoiado no chão. Dessa forma, deve ser

instalado um conjunto de apoios para os vasos de pressão.

Para o dimensionamento dos apoios, inicialmente toma-se por base o maior peso

que o vaso pode atingir. Esse peso é determinado pela somatória das massas dos materiais

de construção do vaso, das massas de seus equipamentos e da massa de fluido que será

inserido no vaso.

Entretanto, firmar o vaso de pressão sobre apoios requer cuidado, pois a força

exercida pela massa total do vaso pode fazer com que os apoios exerçam o chamado

cisalhamento puro na região das paredes, colapsando o reservatório (NORTON, 2013).

A primeira dimensão a ser identificada é a espessura mínima que pode ser apoiada

nas paredes. Assim, temos que levar em consideração a área da seção transversal das

paredes do vaso, por meio da equação 2.25 para cisalhamento puro (NORTON, 2013).

(2.25)

=

66

Onde:

σcis = tensão cisalhante;

F = força;

A = área da seção transversal ( ∗ ) (ver Figura 2.27).

Figura 2.27 – Detalhe da seção transversal do tampo.

Para as dimensões em contato com o tampo do vaso de pressão, é aconselhável

que se adapte a dimensão calculada para uma dimensão padrão comercial acima do valor

encontrado, a fim de baratear os custos de produção e facilitar a confecção. Para o

comprimento, a dimensão é livre, entretanto deve-se atentar para o risco de flambagem.

Pela equação 2.25, podemos calcular a tensão de cisalhamento (σcis) das paredes

do vaso. No entanto, a Área terá como base o Lmin. Se o valor estiver abaixo da tensão

admissível (σadm), não haverá danos às paredes do vaso.

Na flambagem, durante os esforços de compressão axial, as barras longas se

curvam antes de seu colapso repentino. Esta falha está ligada a um fator chamado índice

de esbeltes crítico (λ*). Esse índice é dado pela igualdade entre a equação de Euler (2.26)

e a de Johnson (2.27). A equação 2.28 mostra a igualdade, e na equação 2.29 tem-se a

equação do índice de esbeltes crítico (NORTON, 2013).

(2.26)

=

2 ∗2

ℎ = ∗1 − ∗ 2

4 ∗ 2 ∗

67

(2.27)

(2.28)

(2.29)

Onde:

σy = limite de escoamento do material;

E = módulo de elasticidade do material.

O índice de esbeltes crítico (λ*) indica a tensão onde se dará a flambagem do

material escolhido para o projeto. Entretanto, há outro índice de esbeltes (λ) que mostra a

tensão atuante. Pela equação 2.30 é possível determiná-lo (NORTON, 2013).

(2.30)

Onde:

Fcc = fator de condição de contorno (ver Figura 2.28);

h = altura da barra;

I = momento de inércia da seção transversal da barra (ver Figura 2.29);

A = área da seção transversal.

λ =∗ ℎ

68

Figura 2.28 – Determinação do fator da condição de contorno. (NORTON, 2013 ─ adaptado

pelo autor)

Figura 2.29 – Momentos de inércia de alguns perfis.

Caso o índice de esbeltes for menor que o índice de esbeltes crítico, adota-se a

equação 2.28 e, se for maior, a equação 2.27, para determinar a tensão de flambagem

(σflamb). A Figura 2.30 mostra um exemplo da determinação da equação (NORTON, 2013).

69

Figura 2.30 – Áreas das equações de Euler e Johnson. (NORTON, 2013 ─ adaptado pelo

autor)

Uma vez calculada a σflamb, o valor de tensão onde se iniciará a flambagem deve ser

encontrado. Pela equação 2.31 pode-se estabelecer a tensão crítica de flambagem (σcrit)

(NORTON, 2013).

(2.31)

O carregamento crítico (Fcrít) pode finalmente ser designado através de algumas

modificações na equação 2.25 (NORTON, 2013).

(2.32)

= − 1

∗ ∗

2

2

í = í → = ∗

70

3 METODOLOGIA

A metodologia do desenvolvimento deste trabalho tem como objetivo demonstrar os

procedimentos para a realização dos cálculos pelo método analítico, valendo-se de um

comparativo das tensões e fator de segurança propostos pelo SolidWorks Simulation (FEA)

e o código ASME, Seção VIII, Divisão 1.

A pesquisa pode ser classificada sob diversos enfoques, os quais podem ser

divididos quanto à sua natureza, objetivos e procedimentos.

No que se refere à sua natureza, a pesquisa pode ser classificada em básica,

visando à produção de conhecimento, e aplicada, utilizando a pesquisa básica para colocar

em prática a teoria cunhada (PRODANOV e FREITAS, 2013).

Quanto aos objetivos, a pesquisa científica pode ser exploratória, descritiva e

explicativa. A primeira tem por objetivo o aprofundamento na temática abordada,

apresentando, majoritariamente, levantamento bibliográfico, entrevistas e/ou exemplos. A

segunda tem como foco a descrição, a observação e os registros dos fatos ocorridos, a fim

de correlacioná-los e analisá-los. E a terceira se presta à análise dos motivos pelos quais

determinados fenômenos ou acontecimentos ocorrem (UNIFEBE, 2011).

Por fim, no que diz respeito aos procedimentos, existem diversos e dentre eles se

tem a pesquisa bibliográfica, que visa compilar vários conteúdos já publicados para gerar

novos ou fazer releituras. A pesquisa documental também busca conteúdos publicados,

porém a fonte de dados podem ser fatos e dados não compilados ou publicados como, por

exemplo, correspondências e fotografias. Há também as pesquisas experimentais, em que,

propositalmente, o objeto de estudo é manipulado para se estudar os efeitos dessa

manipulação. Pode-se listar ainda a pesquisa de levantamento ou survey, caracterizada

pela análise quantitativa através do questionamento direto das pessoas de determinado

grupo sobre determinado tema. Na pesquisa de campo, normalmente o pesquisador vai

pessoalmente analisar um tema dentro de um grupo, baseado em fatos pré-estudados, a

fim de coletar dados práticos ou mesmo modificar as teorias iniciais no decorrer da

pesquisa. O estudo de caso analisa criteriosamente uma situação em profundidade, dentre

outras (UNIFEBE, 2011).

71

O presente trabalho revela-se, quanto à sua natureza, uma pesquisa aplicada,

quanto aos seus objetivos, uma pesquisa exploratória, e quanto aos seus procedimentos,

apresenta características de estudo de caso.

3.1 Planejamento do Projeto

No fluxograma (Figura 3.1), demonstram-se as etapas para a realização do projeto

do vaso de pressão.

Figura 3.1 – Planejamento do projeto.

Planejamento do Projeto

Coleta dos Dados do Projeto

Definir o tamanho do vaso de pressão, de acordo com o escopo solicitado

Definir as espessuras do casco e tampos do vaso de pressão conforme código ASME, Seção VIII, Divisão I

Calcular as aberturas do vaso de pessão conforme código ASME, Seção VIII, Divisão I

Cálculo de fator de segurança do vaso de pressão

Dimensionamento dos apoios

Criação do modelo tridimensional

Analisar as tensões através da Análise de Elementos Finitos do SolidWorks Simulation

72

3.2 Cronograma

No cronograma (Figura 3.2), detalhado de acordo com o fluxograma acima,

demonstram-se as etapas e os prazos para apresentação e finalização do referido projeto.

Figura 3.2 – Cronograma do projeto.

73

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

A seguir serão apresentados os resultados dos cálculos analíticos e a análise pelo

método de elementos finitos do vaso de pressão, que será utilizado como um pulmão de ar

comprimido.

Como será calculado um vaso de pressão cilíndrico de parede fina, desconsiderar-

se-á a tensão de compressão (p/2) das equações. É teoricamente satisfatória a

aproximação das tensões de superfície interna e externa, em virtude da tensão de

compressão variar de p na superfície interna até zero na superfície externa, conforme item

2.9 (GERE, 2003).

4.1 Escopo

O escopo para o projeto do vaso de pressão baseia-se na solicitação de uma

empresa que necessita instalar um pulmão de ar comprimido para suprir a demanda de ar

em suas linhas de produção.

A empresa necessita apenas do projeto de um pulmão de ar comprimido com

capacidade para armazenar 10m³ deste. A pressão de operação na linha é de 10bars. O

local disponível para a instalação possui dimensões de 4m x 5m na parte externa da fábrica

e estará sujeito às intempéries.

A fabricação do pulmão de ar comprimido será feita pela própria empresa que está

adquirindo o projeto. Foram feitas solicitações para que seja possível utilizar os materiais

disponíveis em estoque e otimizar a fabricação de acordo com as máquinas disponíveis na

empresa. Esta dispõe de chapas em estoque de aço-carbono ASME SA-36 e para a

fabricação possui uma calandra com roletes para capacidade de chapas com até 1,5m de

largura.

De acordo com a empresa, o pulmão de ar comprimido será alimentado por um

compressor de ar da linha MAX, marca Schulz Compressores, modelo CSV 20/200, com

pressão de operação máxima de 175psi (12bars). As conexões de entrada e saída do

pulmão deverão ser de DN.10”, flangeadas.

74

Diante da grande diversidade de materiais disponíveis para a construção de um

vaso de pressão, os mais usuais empregados em sua fabricação são: SA-36, SA-515 Gr.60,

SA-516 Gr.60, SA-285 Gr.C.

Com a finalidade de comprovar a viabilidade e a utilização do material estipulado

pela empresa solicitante, a empresa TEADIT realizou uma cotação, provando que o

material ASME SA-36 é o mais viável por questões de custo/benefício (ver Tabela 4.1).

Tabela 4.1 – Tabela comparativa de preços dos aços.

O flange utilizado no vaso de pressão será baseado no código ASME B16.5,

destinado a flanges para diâmetro nominal até 24”, classe 150lbs.

Para a vedação dos flanges, serão utilizadas juntas de vedação de papelão

hidráulico NA1002, classificado como ASTM 712120E22-M5.

Os estojos de fixação serão de acordo com o código ASME B16.5.

4.2 Identificação das Características do Processo

O vaso de pressão será calculado seguindo os cálculos analíticos do código ASME,

Seção VIII, Divisão 1.

75

Conforme descrito no item 2.4, o vaso de pressão precisa atender aos requisitos de

gestão da norma regulamentadora NR-13. A Tabela 2.2 dá a caracterização do vaso,

entretanto é necessário fazer uma multiplicação entre a pressão nominal de trabalho em

MPa (1,2 bar) e o volume (10m³) do vaso de pressão para determinar os parâmetros. Sendo

assim, tem-se o cálculo:

P x V = fator do Grupo Potencial de Risco

1,2 x 10 = 12

Na Tabela 2.2, o Grupo Potencial de Risco deste vaso é o 3 (2,5 ≥ P x V < 30). Este

dado versus a classe do fluido que, neste caso, se caracteriza pela Classe C, enquadra o

vaso na classe na Categoria III da Norma NR-13 (NR-13, 2014).

Com base na classificação da NR-13, são indicados os requisitos mínimos de

segurança que o vaso de pressão deverá atender, como: válvulas e dispositivos de

segurança, intervalos de tempo para inspeções durante a operação, placa de identificação

e documentação com todo o prontuário (NR-13, 2014).

A folha de dados (ver Figura 4.1) mostra os dados solicitados pela empresa para o

projeto do vaso de pressão.

76

Figura 4.1 – Folha de dados com as informações para projeto do vaso de pressão.

Item

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 1,5

13 * *

14 *

15

16

17

18

19

20 Ø

21 10"

22 10"

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

10 m³

ºC

ºC

kg/m³

ELEVAÇÃO ACIMA DO SOLO: 700 mm

1,294

TAMPOS: Toriesféricos

CONDIÇÕES DE PROJETO

COMPOSTOS CORROSIVOS: -

TEMPERATURA DE PROJETO: 60

VOLUME ÚLTIL:

DESENHO ESQUEMÁTICO E OBS.

DENSIDADE:

BOCAL

mm*

TAMPO: ASTM A- 36 * mm

COSTADO: ASTM A- 36

1) Os campos marcados com (*) devem ser preenchidos pela empresa

SERVIÇO

IN- 1 1

1 FLANGE B16.5

QT.

OUT- 1

TESTES:

Notas:

OPERAÇÃO: kgPESOS

PROTEÇÃO:

INTERNOS: - mm

ISOLAMENTO: - mm

VAZIO::

MATERIAIS ESPESS.

FD-

2 de 2

PROJETO: Ampliação da capacidade pneumática

0Nº REV.

ÁREA: Planta 001

ESPESS. CORROSÃO

FOLHA DE DADOS

TÍTULO: Pulmão de Ar Comprimido

CLIENTE: PÁG.

kg

1

COSTADO

PROJETO:

responsável pelos cálculos

1,5 mmmm TAMPO

kg

QUANTIDADE: 1

bar

PRESSÃO DE OPERAÇÃO: 8

SERVIÇO: Ar Comprimido ITEM Nº.:

CÓDIGO: AIR- 001- A

TEMPERATURA DE OPERAÇÃO: 30

bar

CONEXÃO

FLANGE B16.5

USF - Universidade São Franc isco

FLUÍDO: Ar

PRESSÃO DE PROJETO: 12

77

4.3 Definição do Tamanho do Vaso de Pressão

Com base nas informações fornecidas pelo cliente, o vaso de pressão deverá ter

capacidade de armazenar o volume de 10m³ de ar comprimido. A empresa limitou a área

para montagem do vaso de pressão nas dimensões de 4m x 5m e também foi solicitado

que as partes que compuserem as paredes do vaso de pressão sejam segmentadas a cada

1,5m, por se tratar da limitação dos cilindros da calandra da empresa.

Na folha de dados, o vaso de pressão indicado é um vaso de pressão vertical

simples. Para a definição do diâmetro interno é rearranjada a equação 4.1, de modo a isolar

o Di, obtendo a equação 4.2.

(4.1)

(4.2)

Onde:

V = Volume;

Di = Diâmetro interno;

CET = Comprimento efetivo total (ver Figura 2.3);

Substituindo os valores na equação 4.2 e dividindo o CET em 3 partes com 1,5m

cada, totalizando 4,5m, chega-se às dimensões do vaso de pressão, conforme equação

4.3:

(4.3)

Assim, arredondando os valores, o vaso de pressão terá diâmetro interno de

1700mm e CET de 4500mm, conforme mostra a Figura 4.2

=2

4

=4

78

Figura 4.2 – Dimensões calculadas do vaso de pressão.

4.4 Características dos Materiais a Serem Utilizados, Conforme Código ASME, Seção

II, Parte D

Conforme visto no item 4.1, o material para a construção do vaso de pressão será

o ASME SA-36. A Figura 4.3 mostra as características mecânicas do material de acordo

com o código ASME, Seção II, Parte D.

79

Figura 4.3 – Características do material ASME SA-36. (ASME, 2015)

Na Tabela 4.2 estão os valores das tensões da Figura 4.3 convertido para o sistema

de unidade SI.

Tabela 4.2 – Unidades padronizadas para as equações.

Características do material Material SA-36 Tensão de Ruptura 58 ksi 400 MPa Tensão de Escoamento 36 ksi 250 MPa Tensão Admissível a 60°C 16.6 ksi 115 MPa

80

Para os bocais, o material a ser utilizado no vaso de pressão será o SA-106 Gr.B.

A Figura 4.4 mostra as características mecânicas desse material de acordo com o código

ASME, Seção II, Parte D.

Figura 4.4 – Características do material ASME SA-106 Gr.B. (ASME, 2015)

Na Tabela 4.3 estão os valores das tensões da Figura 4.4 convertidos para o

sistema de unidades SI.

Tabela 4.3 – Unidades padronizadas para as equações.

4.5 Cálculo Analítico do Vaso de Pressão – Casco e Tampo Toriesférico

Para a definição da espessura do casco do vaso de pressão e do tampo toriesférico

serão utilizadas as equações dos itens 2.9.2 e 2.9.3. Para utilizar as equações, é necessário

primeiramente converter os dados de projetos fornecidos pelo cliente (ver Figura 4.1) para

o sistema de unidades S.I.

Material :Tensão de Ruptura : 60 ksi 415 MPaTensão de Escoamento : 35 ksi 240 MPaTensão Admissível à 60°C : 17.1 ksi 120 MPa

Características do materialSA-106 Gr.B

81

Para a definição da espessura mínima do casco, considerando-se a tensão

circunferencial, ditada pela equação 2.9, é necessário validar o requisito solicitado pelo

código ASME, Seção VIII, Divisão 1, por meio do qual a pressão de projeto não deve

exceder 0,385SE.

1,2 ≤ 0,385 ∗ 115 ∗ 0,7 → 1,2 ≤ 30,99

Conforme esse cálculo, a pressão de projeto atende ao requisito da norma. Assim,

valendo-se da equação 2.9: para os dados de eficiência de solda (ver Tabela 2.10), será

utilizado o fator E=0,7 (solda de topo em ambos os lados sem radiografia), e a tensão

admissível (S) do material ASME SA-36 para temperatura de 60°C, segundo o código

ASME, Seção II, Parte D, é de S=115Mpa, com uma pressão de projeto P=1,2MPa.

Substituindo esses dados na equação 2.9:

=1,2 ∗ 850

115 ∗ 0,7 − 0,6 ∗ 1,2 → = 12,785

A espessura mínima para suportar a tensão circunferencial é de 12,785mm.

Para a definição da espessura mínima do casco, considerando-se a tensão

longitudinal e valendo-se da equação 2.10, valida-se o requisito solicitado pelo código

ASME, Seção VIII, Divisão 1, por meio do qual a pressão de projeto não deve exceder

1,25SE.

1,2 ≤ 1,25 ∗ 115 ∗ 0,7 → 1,2 ≤ 100,63

Conforme esse cálculo, a pressão de projeto atende ao requisito da norma. Assim,

para a equação 2.10, serão utilizados os mesmos dados calculados para a tensão

circunferencial.

Substituindo esses dados na equação 2.10, temos:

=1,2 ∗ 850

2 ∗ 115 ∗ 0,7 + 0,4 ∗ 1,2 → = 6,317

82

A espessura mínima para suportar a tensão longitudinal é de 6,317mm.

Comparando-se a espessura em função das tensões circunferencial (e=12,785mm)

e longitudinal (e=6,317mm), conforme item 2.9.2, para a construção do casco do vaso de

pressão, será utilizada a maior espessura calculada, ou seja, e=12,7855mm.

Segundo norma Petrobras N-0253 para a aplicação do vaso de pressão, deve ser

acrescido 1,5 mm ao valor da espessura de parede calculada, atendendo assim a citada

norma que determina uma sobre-espessura de corrosão. E conforme item 2.5.4, deve ser

selecionada a espessura-padrão logo acima disponível no mercado. Nesse caso, conforme

a Tabela 2.9, a espessura mais próxima acima (12,785+1,5 = 14,285mm) é de 5/8”

(15,875mm).

Para a definição da espessura mínima do tampo toriesférico, será utilizada a

equação 2.12. Para os dados de eficiência de solda, serão utilizados os mesmos do cálculo

efetuado para a tensão circunferencial.

Substituindo esses dados na equação 2.12, temos:

=0,885 ∗ 1,2 ∗ 1700

115 ∗ 0,7 − 0,1 ∗ 1,2 → = 22,461

A espessura mínima para suportar a pressão interna no tampo toriesférico é de

22,461mm.

Conforme item 2.5.4, deve ser selecionada a espessura-padrão logo acima

disponível no mercado. Nesse caso também aplica-se a norma Petrobras N-0253 e,

conforme a Tabela 2.9, a espessura mais próxima acima (22,461+1,5 = 23,961mm) é de 1”

(25,4mm).

Após definida a espessura mínima calculada (es=25,4mm), valida-se a espessura

para verificar a possibilidade de fabricação do tampo toriesférico, conforme es/D≥0,002

25,41700

≥ 0,002 → 0,015 ≥ 0,002

83

Uma vez validado, será utilizado o tampo toriesférico com espessura de 1”

(25,4mm). De acordo com a Figura 2.4 e os itens 2.2.1 e 2.9.3, os valores dos raios do

tampo toriesférico serão Rk=290mm e Rc=1700mm.

4.6 Cálculo Analítico do Vaso de Pressão – PMTA

Após definida a espessura do casco (15,875mm) e do tampo toriesférico (25,4mm)

do vaso de pressão, deve ser calculada a pressão máxima de trabalho admissível (PMTA).

Para calcular a PMTA, deve ser utilizada a equação 2.11a para o casco, em virtude da

maior espessura ser em função da tensão circunferencial, e a equação 2.13 para o tampo

toriesférico, utilizando o menor valor encontrado entre elas.

=115 ∗ 0,7 ∗ 15,875850 + 0,6 ∗ 15,875

→ = 1,49

=115 ∗ 0,7 ∗ 25,4

0,885 ∗ 1700 + 0,1 ∗ 25,4 → = 1,36

Conforme calculado, a PMTA máxima a ser utilizada no projeto é de 1,36MPa

(13,6bars), limitada pelos tampos do vaso de pressão.

4.7 Bocais do Vaso de Pressão

Como vimos, o vaso de pressão terá cinco bocais: um para a entrada e outro para

a saída de ar, um para a boca de visita, um para a montagem do dreno e outro para a

instalação dos instrumentos de segurança (válvula de segurança e manômetro).

Em todos os bocais serão soldados tubos, como podemos ver nos tópicos abaixo:

- Nos bocais de entrada e saída de ar comprimido, serão montados tubos com

tamanho de DN.10” (273,1mm) para a soldagem dos flanges;

- No bocal de visita, será montado um tubo com DN.20” (508,0mm) para a soldagem

do flange;

- O bocal de dreno, montado na parte inferior do vaso de pressão, terá tamanho de

DN.3/4” (26,7mm);

84

- O bocal de instalação dos instrumentos de segurança, montado na lateral do vaso

de pressão, terá tamanho de DN.3/4” (26,7mm).

4.7.1 Bocais de Entrada e Saída de Ar Comprimido

Nos bocais de entrada e saída de ar comprimido serão utilizados tubos

padronizados conforme norma NBR 5590, conhecidos por tubos schedule

(BRASTETUBOS, 2016).

O material do tubo será ASME SA-106 Gr.B, definido para temperatura de operação

de 60°C, conforme código ASME, Seção II, Parte D, com tensão admissível de 120MPa e

diâmetro nominal de DN.10” schedule 40, denominação STD, com espessura da parede de

9,27mm e diâmetro externo de 273,1mm.

Para o cálculo da resistência da abertura, faz-se necessário o valor de tr, conforme

abaixo:

=1,2 ∗ 850

2 ∗ 115 ∗ 1 + 0,4 ∗ 1,2 → = 4,426

Substituindo os dados na equação 2.14, temos:

= 276 ∗ 4,426 ∗ 1 + 2 ∗ 9,27 ∗ 4,426 ∗ 1 ∗ 1 − 1 → = 1221,45

Conforme descrito no item 2.9.4, caso a somas das áreas A1, A2, A41 e A43 for maior

que a área A, a parede do vaso de pressão dispensa o uso de reforço na abertura.

Abaixo estão calculados os valores de fr2, trn e a Tabela 4.4 com os resultados das

áreas A1 (eq. 2.15), A2 (eq. 2.16), A41 (eq. 2.17) e A43 (eq. 2.18).

=120115

→ = 1,043

=1,2 ∗

273,1 − 9,27 ∗ 22

2 ∗ 120 ∗ 1 + 0,4 ∗ 1,2 → = 0,635

85

Tabela 4.4 – Áreas para cálculo de resistência dos bocais de entrada e saída.

Uma vez que a soma de A1, A2, A41 e A43 (3711,88mm²) é maior que A

(1221,45mm²), a parede do vaso de pressão suporta a pressão de projeto sem deformar as

aberturas com DN.10”.

Portanto, não haverá problemas quanto à fragilidade nestes pontos e não se faz

necessária a implantação de reforços ao redor dos tubos destes bocais.

4.7.2 Abertura para Boca de Visita

Para a boca de visita, o material do tubo será o ASME SA-36, para temperatura de

60°C, conforme código ASME, Seção II, Parte D, e tensão admissível de 115MPa. Neste

caso, o tubo terá diâmetro nominal de DN.20”, com espessura da parede de 3/8” (9,525mm),

e diâmetro externo de 508mm.

Para a realização do cálculo da resistência da abertura, o valor de tr é o mesmo do

realizado no item 4.7.1.


= 511 ∗ 4,426 ∗ 1 + 2 ∗ 9,525 ∗ 4,426 ∗ 1 ∗ 1 − 1 → = 2261,45

Conforme descrito no item 2.9.4, caso a soma das áreas A1, A2, A41 e A43 for maior




3160,68 mm2

575,91 mm2

715,19 mm2

417,63 mm2

A41 66,78 mm2

A43 66,78 mm2

A1

A2

86

=115115

→ = 1

=1,2 ∗

508 − 9,525 ∗ 22

2 ∗ 115 ∗ 1 + 0,4 ∗ 1,2 → = 1,273

Tabela 4.5 – Áreas para cálculo de resistência do bocal de visita.

Uma vez que a soma de A1, A2, A41 e A43 (6338,50mm²) é maior que A

(2261,45mm²), a parede do vaso de pressão suporta a pressão de projeto sem deformar a

abertura com DN.20”.


necessária a implantação de reforços ao redor dos tubos destes bocais.

4.7.3 Bocal do Dreno e Bocal de Instalação dos Instrumentos de Segurança

No bocal do dreno e no bocal de instalação de instrumentos serão utilizados tubos

padronizados conforme norma NBR 5590, conhecidos por tubos schedule

(BRASTETUBOS, 2016).

O material do tubo será ASME SA-106 Gr.B, definido para temperatura de operação

de 60°C, conforme código ASME, Seção II, Parte D, com tensão admissível de 120MPa e

diâmetro nominal de DN.3/4” schedule 40, denominação STD, com espessura da parede

de 2,87mm e diâmetro externo de 26,67mm.

Para a realização do cálculo da resistência da abertura, o valor de tr é o mesmo do

realizado no item 4.7.1.

5817,49 mm2

581,75 mm2

655,01 mm2

393,01 mm2

A41 64,00 mm2

A43 64,00 mm2

A1

A2

87


= 30 ∗ 4,426 ∗ 1 + 2 ∗ 2,87 ∗ 4,426 ∗ 1 ∗ 1 − 1 → = 132,77

Conforme descrito no item 2.9.4, caso a soma das áreas A1, A2, A41 e A43 for maior




=120115

→ = 1,043

=1,2 ∗

26,67 − 2,87 ∗ 22

2 ∗ 120 ∗ 1 + 0,4 ∗ 1,2 → = 0,052

Tabela 4.6 – Áreas para cálculo de resistência dos bocais do dreno e de instalação dos

instrumentos.

Uma vez que a soma de A1, A2, A41 e A43 (484,56mm²) é maior que A (132,77mm²),

a parede do vaso de pressão suporta a pressão de projeto sem deformar a abertura com

DN.3/4”.


necessária a implantação de reforços ao redor dos tubos destes bocais, comprovando o

que foi visto no item 2.3.

305,42 mm2

429,33 mm2

233,33 mm2

42,19 mm2

A41 6,52 mm2

A43 6,52 mm2

A2

A1

88

4.8 Dimensões Conforme ASME, Seção VIII, Divisão 1

Na Figura 4.5 está representado o vaso de pressão, com as dimensões do casco,

dos tampos e das aberturas, conforme calculado pelo código ASME, Seção VIII, Divisão 1.

Figura 4.5 – Dimensões do vaso de pressão.

4.9 Fator de Segurança do Casco e Tampo Toriesférico

Abaixo estão descritas as etapas de cálculo que determinam o fator de segurança

(conforme item 2.9.5) do corpo cilíndrico do vaso de pressão. Serão validados os valores

calculados

σ = 1,2 ∗ 850

15,875 → σ = 64,252

= 1,2 ∗ 850

2 ∗ 15,875 → = 32,126

= 64,252 + 32,126

2 → = 48,189

= 64,252 + 23,126

2+ 0 → = 48,189

BOCAL DE VISITA

BOCAL DE ENTRADA

BOCAL PARA DRENO

BOCAL DE INSTRUMENTO

BOCAL DE SAÍDA

89

á = 48,189 + 48,189 → á = 96,378

í = 48,189 − 48,189 → í = 0

Calculando a tensão de Von Mises (σVM), por meio da equação 2.23, e considerando

o menor valor da tensão de ruptura para o aço ASME SA-36 como sendo σy = 400 MPa,

chegamos ao fator de segurança (FS) do vaso de pressão pela equação 2.24:

96,378 − 96,378 ∗ 0 + 0 → = 96,378

= 400

96,378 → = 4,15

Conforme o código ASME, Seção II, Parte D, Apêndice 1, a tensão admissível do

material foi determinada através de um comitê, sendo que experiências em serviço

definiram o fator de segurança de 3,5 para materiais ferrosos e não ferrosos (ASME, 2015).

Como citado pelo código ASME, Seção II, Parte D, Apêndice 1 e para efeito de

validação o fator de segurança (FS = 4,15) é maior que o definido pelo código ASME, Seção

II, Parte D, que é de 3,5. No entanto, no equacionamento foi utilizada a espessura comercial

de 5/8” (15,875mm).

Tendo em vista esta informação, para a validação de que o fator de segurança do

material atende ao código ASME, Seção II, Parte D, abaixo foi recalculada a espessura

mínima do vaso de pressão, utilizando a equação 2.10 (equação que obteve a maior

espessura no cálculo), considerando a eficiência da junta soldada (E) igual a 1.

=1,2 ∗ 850

115 ∗ 1 − 0,6 ∗ 1,2 → = 8,925

Deste modo, a espessura mínima é de 8,925mm. Assim, recalculando o fator de

segurança com base nessa espessura, temos:

σ = 1,2 ∗ 850

8,925 → σ = 114,286

90

= 1,2 ∗ 8502 ∗ 8,925

→ = 57,143

= 114,286 + 57,143

2 → = 85,715

= 114,286 + 57,143

2+ 0 → = 85,715

á = 85,715 + 85,715 → á = 171,43

í = 85,715 − 85,715 → í = 0

171,43 − 171,43 ∗ 0 + 0 → = 171,43

= 400

171,43 → = 2,33

Depois de recalculado o fator de segurança, quando considerada a eficiência da

junta soldada (E) igual a 1, o fator de segurança deveria ser maior ou igual ao solicitado

pelo código ASME, Seção II, Parte D, porém observa-se que o valor calculado

empiricamente é menor (FS = 2,33) que o valor estipulado pelo código ASME, Seção II,

Parte D (FS = 3,5). Este caso será citado no item 5 como caso de estudo futuro.

Abaixo seguem as etapas de cálculo para determinar o fator de segurança

(conforme item 2.9.5) do tampo toriesférico do vaso de pressão. Serão validados os valores

calculados empiricamente, conforme código ASME, Seção VIII, Divisão 1:

= = 1,2 ∗ 8502 ∗ 25,4

→ = 20,08

= 20,08 + 20,08

2 → = 20,08

91

= 20,08 + 20,08

2+ 0 → = 20,08

á = 20,08 + 20,08 → á = 40,16

í = 20,08 − 20,08 → í = 0

Calculando a tensão de Von Mises (σVM), por meio da equação 2.23, e considerando

o menor valor da tensão de ruptura para o aço ASME SA-36 como sendo σy = 400 MPa,

chegamos ao fator de segurança (FS) do vaso de pressão pela equação 2.24:

= 40,16 − 40,16 ∗ 0 + 0 → = 40,16

= 400

40,16 → = 9,96

4.10 Dimensionamento dos Apoios do Vaso de Pressão

Como o código ASME, Seção VIII, Divisão 1 e as normas Petrobrás não possuem

os equacionamentos para dimensionar os apoios dos vasos de pressão, estes serão

dimensionados utilizando os métodos de resistência dos materiais.

Uma vez que o peso do vaso de pressão seco é de 4.633kgf (45.434 N), sua base

e seu tampo devem ter resistência mecânica para suportar o peso, não apenas do vaso,

mas também do vaso cheio de água, em temperatura ambiente, o que totaliza 17.205kgf

(168.723 N), pois o reservatório passará por testes hidrostáticos com água periodicamente.

Com base nisso, será analisada a utilização de três apoios, considerando o peso sobre

cada apoio de 5.735kgf (56.241 N).

Para certificar de que não haverá cisalhamento no tampo toriesférico, é

dimensionada a largura mínima (Lmin) de cada base, conforme mostra a Figura 4.6:

92

Figura 4.6 – Detalhe da seção transversal do tampo.

Para determinar o comprimento mínimo do apoio (Lmin), pela equação 2.25, temos:

=∗

→ = ∗

→ = 56.241

25,4 ∗ 115

= 19,25

Depois de calculado o valor de Lmin (19,25mm), foram definidas as dimensões da

base de sustentação do vaso de pressão com dimensões de 1” (25,4mm) x 300mm x

800mm, conforme mostra a Figura 4.7:

Figura 4.7 – Dimensões da base do vaso de pressão.

93

Com esses valores, será calculada a tensão de cisalhamento no tampo toriesférico

conforme item 2.9.5:

=56.241

25,4 ∗ 25,4 → = 87,17

=56.241

25,4 ∗ 300 → = 7,38

Como a tensão admissível do tampo toriesférico (σadm=115Mpa) é 1,3 vez maior que

a tensão de cisalhamento máxima (σcis=87,17MPa) encontrada, a base do vaso de pressão

não causará cisalhamento no tampo.

Com isso, passemos ao cálculo da tensão crítica de flambagem da base, a fim de

garantir que ela sustente o peso do vaso.

Assim, adotando material ASME SA-36 para a base e substituindo os dados nas

equações de flambagem (conforme item 2.9.6), temos:

∗ =−250 + 250 + 16 ∗ 250 ∗ ∗ 200 10

2 ∗ 250 → ∗ = 125,66

=300 ∗ 25,4

12 → = 409 10

= 300 ∗ 25,4 → = 7.620

=0,5 ∗ 800

409 107.620

→ = 54,6

Desse modo,

< ∗ → 54,6 < 125,66 → çã ℎ

= 250 ∗ 1 −250 ∗ 54,6

4 ∗ ∗ 200 10 → = 226

94

= 115 − 1

200 10∗

115 ∗0,5 ∗ 800

409 107.620

2→ = 110

Comparando as tensões de flambagem, a Figura 4.8 indica que as dimensões da

base do vaso de pressão têm resistência mecânica à flambagem, quando aplicado a carga

exercida pela massa do vaso de pressão.

Figura 4.8 – Comparação entre tensão de escoamento, tensão de flambagem e tensão

crítica da base do vaso de pressão.

Conforme equação abaixo, uma vez que o carregamento crítico (Fcrit=838,3kN) é 14,9

vezes maior que a carga aplicada (Fvaso=56,2kN), há segurança com relação à falha, em

virtude da flambagem.

= 7.620 ∗ 115 − 1

200 10∗

115 ∗0,5 ∗ 800

409 107.620

2→ = 838,3

Depois de determinada a flambagem na base, será calculada a tensão de

compressão na base do vaso de pressão, onde a tensão de escoamento do material deve

ser maior que a tensão de compressão.

250 > 56.2417.620

→ 250 > 7,4

95

Deste modo, está comprovado que a diferença entre a tensão de escoamento

(σy=250Mpa) é 33,8 vezes maior que a tensão de compressão na base (σc=7,4Mpa). Sendo

assim, há segurança com relação à falha, em virtude da compressão na base.

4.11 Análise de Elementos Finitos

Na análise de elementos finitos, foi realizada, por meio do software SolidWorks

Simulation, a análise do vaso de pressão sem os apoios, a fim de comparar os resultados

do software com o código ASME, Seção VIII, Divisão 1.

A Figura 4.9 mostra a versão final do vaso de pressão dimensionado, com base no

SolidWorks, conforme o código ASME, Seção VIII, Divisão 1, com a indicação de cada

bocal:

Figura 4.9 – Vaso de pressão modelado.

Bocal de saída DN.10”

com flange ASM

B16.5 CL.150#

Bocal de entrada

DN.10” com flange

ASME B16.5 CL.150#

Boca de visita DN.20”

com flange ASME

B16.5 CL.150# Bocal de instalação dos

instrumentos DN.3/4”

Bocal do dreno DN.3/4”

96

No modelo, foram aplicadas as restrições no tampo inferior do vaso de pressão na

região onde serão montados os apoios do vaso de pressão (ver Figura 4.10).

Figura 4.10 – Região aplicada às restrições do modelo.

Na análise de elementos finitos, foram adotadas as condições de projeto do vaso de

pressão (pressão de 1,2MPa), conforme Figura 4.1 para a análise de elementos finitos.

As propriedades de estudo adotadas na análise de elementos finitos estão descritas

na Tabela 4.7:

97

Tabela 4.7 – Propriedades do estudo.

Na análise foi gerada malha sólida com base em curvatura. As informações da

malha gerada estão descritas na Figura 4.11.

Figura 4.11 – Informações da malha utilizada.

A Figura 4.12 mostra o vaso de pressão discretizado:

Propriedades do estudo Nome do estudo PRESSÃO

Tipo de análise Análise estática

Tipo de malha Malha sólida

Efeito térmico: Ativada

Opção térmica Incluir cargas de temperatura

Temperatura de deformação zero 298 Kelvin

Inclui efeitos da pressão de fluidos do SOLIDWORKS Flow Simulation

Desativada

Tipo de Solver Automático

Efeito no plano: Desativada

Mola suave: Desativada

Atenuação inercial: Desativada

Opções de união incompatíveis Automático

Grande deslocamento Desativada

Calcular forças de corpo livre Desativada

Atrito Desativada

Usar método adaptável: Desativada

Informações de malha Tipo de malha Malha sólida

Gerador de malhas usado: Malha com base em curvatura

Pontos Jacobianos 4 Pontos

Tamanho máximo de elemento 60 mm

Tamanho de elemento mínimo 12 mm

Qualidade da malha Alta

Informações de malha - Detalhes Total de nós 1020552

Total de elementos 599499

Proporção máxima 114.24

% de elementos com Proporção < 3 79.2

% de elementos com Proporção < 10 0.439

% de elementos distorcidos(Jacobiana) 0

98

Figura 4.12 – Vaso de pressão discretizado.

Após discretização e realização do solver numérico na análise de elementos finitos, vê-

se na Figura 4.13 a distribuição de tensão no vaso de pressão. Por meio da escala de cores,

é possível ver a distribuição de tensão de Von Mises por nó, iniciando em 0MPa, em azul,

até a cor vermelha, que indica as regiões onde as tensões mostradas estão acima do limite

de escoamento do material (250MPa), devido a limitação da escala mostrar até o limite de

escoamento do material quaisquer valores acima da tensão de escoamento estarão

indicados em vermelho e não necessitam estar indicada na escala de cores. No estudo, a

tensão máxima por nó encontrada é de 424MPa.

99

Figura 4.13 – Vaso de pressão exibindo a tensão máxima de Von Mises por nó e a escala

de cores limitado à tensão de escoamento.

Na Figura 4.14 mostra a distribuição de tensão no vaso de pressão. Por meio da escala

de cores, é possível ver a distribuição de tensão de Von Mises por elemento, iniciando em

0MPa, em azul, até a cor vermelha, que indica as regiões onde as tensões mostradas estão

acima do limite de escoamento do material (250MPa), devido a limitação da escala mostrar

até o limite de escoamento do material quaisquer valores acima da tensão de escoamento

estarão indicados em vermelho e não necessitam estar indicada na escala de cores. No

estudo, a tensão máxima por elemento encontrada é de 299MPa.

100

Figura 4.14 – Vaso de pressão exibindo a tensão máxima de Von Mises por elemento e a

escala de cores limitado à tensão de escoamento.

Na Figura 4.15 foi simulada a distribuição do fator de segurança no vaso de pressão.

Por meio da escala de cores, é possível ver a distribuição do fator de segurança iniciando

em 0, mostrado em vermelho, até a cor azul, que indica as regiões onde o fator de

segurança está acima de 10. No estudo, o fator de segurança mínimo encontrado é de 0,6.

101

Figura 4.15 – Distribuição do fator de segurança no vaso de pressão.

Conforme visto na simulação, na análise de elementos finitos foram encontradas

regiões com tensões acima do limite de escoamento do material utilizado (ASME SA-36) e

o fator de segurança abaixo do determinado pelo código ASME, Seção II, Parte D.

Quando é aplicado filtro de tensão limitado a 115Mpa, são exibidas somente as

regiões no vaso de pressão onde as tensões ultrapassam a tensão admissível do material

(115MPa) (ver Figura 4.16b). Os bocais de entrada e saída e o bocal de visita são as regiões

onde as tensões estão acima da tensão admissível do material, em razão do

enfraquecimento do vaso de pressão nas aberturas realizadas.

102

Figura 4.16 – Aplicação do filtro de tensão no vaso de pressão, a) modelo do vaso

de pressão; b) aplicação do filtro de tensão, mostrando tensões acima de 115MPa.

O local onde foi encontrada a maior concentração de tensão foi no bocal de visita,

devido a este bocal ser a região mais fragilizada do vaso de pressão o bocal foi isolado e

analisado, na Figura 4.17 indica as regiões em vermelho onde as tensões estão superiores

ao limite de escoamento do material (250MPa).

Figura 4.17 – Região com maior concentração de tensão de Von Mises, a) maior

concentração de tensão por nó (424MPa); b) maior concentração de tensão por elemento

(299MPa).

a) b)

a) b)

424MPa

299MPa

103

Quando feito corte de seção para analisar a região com maior concentração de

tensão (ver Figura 4.18), observa-se que ela se dá na superfície do bocal, na região

soldada.

Figura 4.18 – Corte de seção da região com maior concentração de tensão.

No bocal de visita também foi encontrado o menor fator de segurança do vaso de

pressão encontrado na simulação, em razão da concentração de tensão nessa região (ver

Figura 4.19).

104

Figura 4.19 – Região com menor fator de segurança encontrado.

Quando analisamos a Figura 4.20, pelo gráfico de cores observamos que o fator de

segurança no corpo e no tampo toriesférico do vaso de pressão está próximo do fator de

segurança calculado no item 4.8.

105

Figura 4.20 – Distribuição do fator de segurança no vaso de pressão.

Região do fator de segurança

conforme calculado no item 4.9

106

5 CONCLUSÃO

O presente trabalho pautou-se no projeto de um vaso de pressão para

armazenagem de ar comprimido. Foram apresentados os tipos e modelos de vasos de

pressão, os modelos de tampos toriesféricos, as normas nacionais e americana utilizadas

para o projeto de caldeiras e vasos de pressão, assim como a seleção dos materiais para

sua construção e seus principais métodos de fabricação e inspeção. Foram igualmente

levantados os dados de projeto e algumas das premissas para a fabricação do referido vaso

de pressão. Com base nesse levantamento, foi definido seu tamanho para comportar o

volume de ar solicitado, de acordo com o código ASME, Seção VII, Divisão 1, e calculada

a espessura das paredes e do tampo toriesférico, além de suas aberturas.

Como visto, o código ASME rege as condições de projeto, fabricação e inspeção

dos vasos de pressão. Como o vaso projetado seguiu todos os requisitos do código ASME,

este poderia ser fabricado e colocado em operação sem oferecer nenhum problema no

aspecto de segurança.

Entretanto, este trabalho também considerou essa questão e foi calculado

empiricamente o fator de segurança, posteriormente simulado através do SolidWorks

Simulation, para verificação de todas as tensões, comparando-as com o fator de segurança

calculado.

Conforme o ASME, Seção II, Parte D, Apêndice 1, a tensão admissível do material

é determinada através de um comitê, sendo que experiências em serviço definiram o fator

de segurança de 3,5 para materiais ferrosos e não ferrosos (ASME, 2015).

Com base nesta informação, a partir da espessura final e de acordo com os critérios

do código ASME, Seção VIII, Divisão 1, foi calculado e encontrado o fator de segurança de

4,15 para o corpo do cilindro e de 9,96 para o tampo toriesférico do vaso de pressão (ver

item 4.9).

Para o dimensionamento dos apoios (ver item 4.10), foram calculadas a tensão de

cisalhamento no tampo toriesférico, a tensão de flambagem nos apoios e a tensão de

compressão nestes últimos. Os apoios foram dimensionados conforme mostra a Figura 4.7,

resultando nos fatores de segurança listados abaixo:

107

1. Fator de segurança em função da tensão de cisalhamento dos apoios no tampo: 1,3

2. Fator de segurança em função da tensão de flambagem nos apoios: 14,9

3. Fator de segurança em função da tensão de compressão nos apoios: 33,8

Assim, os apoios e o tampo toriesférico têm resistência mecânica suficiente para

suportar o peso do vaso de pressão inclusivo durante o teste de pressão hidrostático.

Quando analisados pelo SolidWorks Simulation (ver item 4.11), os bocais

necessitariam de reforço para evitar falhas nessas regiões, porém, como calculado no item

4.7, e seguindo as recomendações do código ASME, Seção VIII, Divisão 1, estas regiões

dispensam o uso de reforço.

Uma vez que as normas e os códigos, nacionais e internacionais foram seguidos e

executados na íntegra, o vaso de pressão não sofrerá danos materiais, ao meio ambiente

ou à segurança, de onde se conclui que o fato de terem sido encontrados pontos de

acúmulo de tensões acima do limite de escoamento do material e de que os coeficientes

de segurança aparentemente não sejam suficientes para suprir esse nível de esforços, o

cálculo proposto pela norma ASME garante a boa operação do equipamento.

Mesmo que as regiões com concentração de tensões altas sejam apenas

superficiais, como mostrou a simulação, e ainda que o vaso de pressão esteja de acordo

com o código ASME, atendendo às premissas de cálculo, houve pontos nessas regiões que

apresentaram fragilidade e recomenda-se o uso de reforços nas regiões dos bocais, o que

pode ocasionar falhas no funcionamento do equipamento em questão. Desse modo, torna-

se necessária a realização de um estudo posterior mais aprofundado, revalidando o estudo

de elementos finitos e confrontando-o com os cálculos empíricos apresentados no código

ASME, também faz necessário um estudo aprofundando validando a citação do código

ASME, Seção II, Parte D, Apêndice 1 a respeito do fator de segurança de 3.5 que teve valor

menor conforme calculado no item 4.9.

108

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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