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FUNDAÇÃO OSWALDO ARANHA
Centro Universitário de Volta Redonda
UniFOA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE UM VASO DE PRESSÃO PARA UTILIZAÇÃO EM UMA PLANTA MARÍTIMA DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO
Por
Daniel Fonseca Carraro
Julia Penna de Abreu
Mauro Madsen Barbosa
Volta Redonda
2013
FUNDAÇÃO OSWALDO ARANHA
Centro Universitário de Volta Redonda
UniFOA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE UM VASO DE PRESSÃO PARA UTILIZAÇÃO EM UMA
PLANTA MARÍTIMA DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO
Por
Daniel Fonseca Carraro
Julia Penna de Abreu
Mauro Madsen Barbosa
Monografia apresentada no Curso de Engenharia Mecânica, como requisito parcial para a aprovação na disciplina de Engenharia do Produto, do Curso de Engenharia Mecânica. Prof. Orientador Professor Doutor Carlos Roberto Xavier
Volta Redonda
2013
FUNDAÇÃO OSWALDO ARANHA
Centro Universitário de Volta Redonda
UniFOA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Tema : PROJETO DE UM VASO DE PRESSÃO PARA UTILIZAÇÃO EM UMA PLANTA MARÍTIMA DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO
Por
Daniel Fonseca Carraro - 200410692
Julia Penna de Abreu - 200921025
Mauro Madsen Barbosa - 200520329
_______________________________ Grau Obtido
_______________________________
Grau Obtido _______________________________
Grau Obtido
_______________________________ Prof. Doutor Carlos Roberto Xavier _______________________________ Prof. Mestre Jayme Monteiro Cardoso
_______________________________ Prof. Mestre Alexandre F. Habibe
Volta Redonda
2013
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer primeiramente
a Deus, às nossas famílias pelo
apoio, ao meu orientador Carlos
Xavier pela sua ajuda e
paciência durante todo o tempo
que trabalhamos juntos e a
todas as pessoas que tive o
grande prazer de conhecer
durante todo o tempo em que
estive na instituição.
RESUMO
Este estudo objetiva projetar um vaso de pressão para utilização em uma planta
marítima de produção de petróleo, onde foi proposta a utilização de dois materiais:
aço carbono SA-516, Gr 60 e aço super duplex SA-240 UNS 32750.
Complementando o estudo, foram avaliados os comportamentos técnicos,
econômicos dos materiais descritos, onde foi proposta a aplicação de revestimento
anticorrosivo para o vaso construído em aço carbono.
Buscando melhor viabilidade econômica, a conclusão deste estudo é de grande
interesse para indústria petrolífera, já que ao comparar materiais distintos, levando
em conta suas características, têm-se embasamento técnico e econômico para se
determinar o material de melhor aplicação à construção do vaso de pressão.
Palavras-chave: Vaso de pressão, Aço Carbono, Aço Super Duplex, Viabilidade Econômica.
ABSTRACT
This work aimed to design a pressure vessel for use in a plant offshore oil
production, which has been proposed the use of two materials: carbon steel SA-516,
Gr 60 and super duplex steel SA-240 UNS 32750.
Complementing the study evaluated the behaviors technical, economical materials
described, where it was proposed to apply anti-corrosive coating for carbon steel
vessel built.
Seeking better economic viability, the conclusion of this study is of great interest to
the oil industry, since when comparing different materials, taking into account their
characteristics, have been technical and economic basis to determine the material
best application to construction vessel pressure.
Key-words: Pressure Vessel, Carbon Steel, Super Duplex, Economic Viability.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................ 2
2.1 Vasos de Pressão............................................................................................. 2 2.2 Componentes ................................................................................................... 3
2.3 Aplicações e Classificação ............................................................................... 5 2.4 Códigos de Projeto ........................................................................................... 8
2.4.1 Norma Inglesa - BS-5500..................................................................... 12 2.4.2 AD – MERKBLATTER.......................................................................... 12
2.4.3 Código ASME – Sociedade Americana de Engenharia Mecânica ....... 13 2.4.3.1 ASME Seção VIII – Divisão I ..............................................................................................15 2.4.3.2 ASME Seção VIII – Divisão II .............................................................................................17
2.5 Tensões Admissíveis. ..................................................................................... 18
2.5.1 Critérios para fixação das tensões admissíveis. .................................. 18 2.6 Classificação de Tensões ............................................................................... 20
2.6.1 Categorias de Tensões ........................................................................ 20 2.7 Etapas do Projeto e da Construção. ............................................................... 22
2.7.1 Definição dos dados gerais de projeto. ................................................ 23 2.7.2 Definição dos dados de processo (ou de operação) do vaso. ............. 23
2.7.3 Projeto de processo do vaso................................................................ 24 2.7.4 Projeto Mecânico. ................................................................................ 25
2.7.5 Acompanhamento do Projeto. .............................................................. 26 2.7.6 Projeto para fabricação. ....................................................................... 26
2.8 Dimensionamento dos componentes pressurizados ...................................... 27 2.8.1 Dimensionamento a pressão interna ................................................... 27
2.8.1.1 Tensões Circunferenciais (Sc) ...........................................................................................27 2.8.1.2 Tensões Longitudinais (SL). ...............................................................................................28
2.8.2 Equação do Código ASME seção VIII – Divisão I ................................ 29
2.8.3 Pressão máxima de trabalho admissível e pressão de abertura da válvula de segurança. ........................................................................................ 30
2.8.4 Dispositivo de alívio de pressão. .......................................................... 31 2.8.5 Eficiência de junta soldada. ................................................................. 31
2.8.5.1 Tipos de juntas soldadas. .................................................................................................32 2.8.5.2 Categoria de junta soldada. .............................................................................................32 2.8.5.3 Valor de eficiência de juntas. ...........................................................................................33
2.9 Espessuras padronizadas e sobrespessura de corrosão ............................... 33
2.10 Aberturas e reforços ....................................................................................... 35 2.11 Bocais para vasos de pressão. ....................................................................... 36
2.12 Bocas de visita e de inspeção ........................................................................ 38 2.13 Flanges e faces de flanges ............................................................................. 39
2.14 Teste hidrostático ........................................................................................... 40 2.14.1 Determinação da pressão de teste. ..................................................... 40
2.15 Revestimento .................................................................................................. 41
3 DADOS DO PROJETO E DESENVOLVIMENTO TEÓRICO ............................ 42
3.1 Vaso de pressão de aço carbono SA 516 Gr.60 ............................................ 43 3.1.1 Costado cilíndrico – Pressão interna ................................................... 43
3.1.2 Tampo semi esférico – Pressão interna. .............................................. 44 3.2 Vaso de pressão de aço super duplex SA 240 UNS 32750 ........................... 44
4 CATEGORIZAÇÃO NR – 13 ............................................................................. 46
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 51
6 CONCLUSÃO .................................................................................................... 53
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 54
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Vaso de pressão vertical. ................................................................................. 2
Figura 2 – Representação genérica de um vaso de pressão com componentes típicos. ............ 3
Figura 3– Tipos de tampos de vasos de pressão. ................................................................ 4
Figura 4– Dimensões características de vasos de pressão. ................................................... 8
Figura 5– Brockton, Massachusetts fábrica de sapatos. ...................................................... 9
Figura 6– Fábrica de sapatos após a explosão da caldeira em 20 de março de 1905. ............ 10
Figura 7– Figura de Subseção do ASME seção VIII – Divisão I. ....................................... 17
Figura 8– Vista superior em corte de um vaso. ................................................................ 27
Figura 9– Vista lateral em corte de um vaso. ................................................................... 28
Figura 10 – Vista de um casco ou tampo esférico. ........................................................... 30
LISTA DE TABELA
Tabela 1 – Características de Tampo ................................................................................ 5
Tabela 2 – Classificação dos Vasos com Relação a Pressão. ............................................... 7
Tabela 3 – Tabela de Seções do código ASME. ............................................................... 14
Tabela 4 – Tabela do ASME seção VIII – Divisão I ......................................................... 16
Tabela 5 – Tabela do ASME seção VIII – Divisão II........................................................ 18
Tabela 6 – Critério de fixação de tensões admissíveis adotado pelo código ASME,seção VIII,
divisão I. .............................................................................................................. 20
Tabela 7 – Tabela para expressão matemática para tensão Circunferencial. ........................ 27
Tabela 8 – Tabela para expressão matemática para tensão longitudinal. ............................. 28
Tabela 9 – Equações do código ASME, Divisão VIII, Seção 1 para casco cilíndrico. .......... 29
Tabela 10 – Equações do código ASME, Divisão VIII, Seção 1 para tampo esférico. .......... 29
Tabela 11 – Reprodução da tabela UW- 12 – Máximo valor admissível de eficiência para
solda a gás e a arco................................................................................................ 32
Tabela 12– Tabela de vida útil nominal de projeto. .......................................................... 34
Tabela 13– Classificação dos vasos de pressão em categorias de acordo com os grupos de
potencial de risco e classe de fluido contido. ............................................................ 48
Tabela 14– Critério de Inspeção de Segurança Periódica, sem serviço próprio de inspeção de
equipamentos conforme item 13.10.3 da NR-13. ...................................................... 50
Tabela 15 - Critério de Inspeção de Segurança Periódica com serviço próprio de inspeção de
equipamentos conforme item 13.10.3 da NR-13. ...................................................... 50
Tabela 16– Comparativos dos aços calculados. ............................................................... 51
LISTA DE SÍMBOLOS E SIGLAS
DI – Diâmetro Interno
DE – Diâmetro Externo
CET – Centro entre Tangentes
CS – Coeficiente de Segurança
FS – Fator de Segurança
Sy – Limite de Escoamento
Sr – Limite de Resistência
Sadm – Tensão Admissível
Pm – Tensão Generalizada de Membrana Primária
Pl – Tensão Localizada de Membrana Primária
Pb – Tensão de Flexão Primária
Q – Tensão Secundária (Membrana ou Flexão)
F – Tensão de Pico
Sm – Tensão Meridional
Qb – Tensão Secundária de Flexão
Qm – Tensão Generalizada de Membrana Secundária
D – Diâmetro Interno do Componente
D0 – Diâmetro Externo do Componente
t – Espessura requerida, calculada em função das condições de projeto
H – Comprimento Nominal
P – Pressão
Sc – Tensão Circunferencial
PMTA – Pressão Máxima de Trabalho Admissível
PSV – Válvula de Segurança de Pressão
P – Pressão de Projeto ou Pressão máxima admissível do componente
S – Tensão admissível na temperatura de projeto
R – Raio do Componente
R0 – Raio Externo do Componente
SL – Tensão Longitudinal
L – Raio interno para o tampo hemisférico
L0 – Raio externo para o tampo hemisférico
E – Eficiência de Junta
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1 – Desenho esquemático do vaso de pressão
OBJETIVO
O presente estudo se constitui em projetar um vaso de pressão para utilização em
uma planta marítima de produção de petróleo no qual será abordado as tensões
primárias de acordo com as regras estabelecidas no Código ASME VIII, divisão 1,
objetivando determinar levando em consideração para avaliação somente a
espessura da parede do costado e tampo, pressão máxima de tensão admissível e
as tensões atuantes no equipamento.
Serão propostos neste trabalho materiais distintos, como o aço carbono e o aço
super duplex, com o intuito de se comparar o desempenho destes materiais na
aplicação da indústria petrolífera. Desta forma, definindo qual material apresentará
melhor custo/benefício, levando em conta não só a resistência à corrosão de ambos,
mas também qual destes apresentam uma melhor relação peso/resistência
mecânica.
1
1 INTRODUÇÃO
Vasos de pressão são todos os reservatórios destinados ao armazenamento
e processamento de líquidos e gases sob pressão ou sujeitos a vácuo total ou
parcial, utilizados em diversos ramos da indústria, podendo-se citar as indústrias
químicas, petroquímicas, de petróleo, alimentícia, siderúrgica, etc,... Estes
equipamentos são empregados para conter e transportar fluídos, muitas vezes
perigosos, ou em estado termodinâmico perigoso.
O código para vasos de pressão ASMEVIII – (Pressure Vessel Boiler Code),
define vasos de pressão como sendo todos os reservatórios, de qualquer tipo,
dimensões ou finalidade, não sujeitos a chama, que contenham qualquer fluído em
pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm² ou submetidos à pressão
externa.
O objetivo de um projeto e fabricação adequada é assegurar que tais
equipamentos possam exercer suas funções, sem risco considerável, submetidos
aos carregamentos, temperaturas e pressões previstas.
A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados
especiais relacionados a seu projeto, fabricação, montagem e testes. Isto porque um
vaso de pressão representa grande risco e alto investimento.
2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Vasos de Pressão
Os vasos de pressão, (figura 1), em uma definição simplificada, são
reservatórios fechados de armazenagem de fluídos – gases ou líquidos – a uma
pressão diferente da ambiente. As extremidades de fechamento no corpo cilíndrico
são denominadas de tampos. Geralmente também fazem parte de um conjunto,
(figura 2) os seguintes componentes: Válvulas, bocais, flanges, plaquetas de
identificação, estruturas de sustentação (cavaletes de apoio para vasos horizontais,
e pés ou saias para vasos verticais) e elementos de conexão (orifícios de entrada ou
saída, drenos, olhais).
Figura 1 – Vaso de pressão vertical.
3
Figura 2 – Representação genérica de um vaso de pressão com componentes típicos.
2.2 Componentes
Em um vaso de pressão podemos distinguir os seguintes componentes:
Corpo (casco ou costado): Normalmente cilíndrico, cônico, esférico ou combinação dessas formas.
Tampos: Normalmente nos tipos semi-elípticos, toro-esféricos, semi-esféricos, cônicos, toro-cônicos, toro-esféricos e planos.
4
Figura 3– Tipos de tampos de vasos de pressão.
A escolha do tipo de tampo é função de determinados fatores, como por
exemplo: Exigência de Serviço, Diâmetro e Pressão de Operação. Na tabela 1 são
descritas algumas característica de tampos.
5
Tabela 1 – Características de Tampo
Tipo de Tampo Características
Semi-elíptico
Resistência igual ao casco cilíndrico de mesmo diâmetro, para a relação 2:1, que é a geometria mais comum; Dificuldades para a fabricação pela necessidade de uma matriz específica.
Toro-esférico
Raio interno máximo da calota esférica = diâmetro externo do casco; Raio min. Concordância tórica: 6% do diâmetro interno da calota; Mais fracos do que os semi-elípticos; Mais fáceis de fabricar; Para o tampo torisférico com geometria de “falsa elipse” é permitido o dimensionamento conforme equação de cálculo de tampos elipsoidais.
Semi-esférico Melhor resistência, mas com construção difícil; Empregados quando os diâmetros são muito grandes (>6,0 m), maiores pressões e quando o espaço permite.
Cônico
Baixa resistência, principalmente na região de ligação entre o tampo e o costado cilíndrico, mas com construção bastante difícil; Podem ter concordância tórica; Empregados por exigência do processo, diâmetros médios e baixa pressão.
Plano
Vários tipos, removíveis ou não; Baixa resistência sendo exigidas grandes espessuras; Empregados em diâmetros pequenos e tampos removíveis.
2.3 Aplicações e Classificação
Os vasos de pressão são aplicados em três condições distintas: [1]
Armazenamento de gases sob pressão: os gases são armazenados
sob pressão para que se possa ter um grande peso em volume relativamente
pequeno.
Acumulação intermediária de líquidos e gases: isto ocorre onde é
necessária a armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo
processo ou entre processos diversos.
6
Processamento de gases e líquidos: Inúmeros processos de
transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão.
A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados
especiais relacionados a seu projeto, fabricação, montagem e testes. Isto porque um
vaso de pressão representa: [1]
Grande risco: Normalmente opera com grandes pressões e
temperaturas elevadas.
Alto investimento: É um equipamento de custo unitário elevado.
Continuidade Operacional: Deve-se operar por um máximo período
possível em condições de segurança, sem a necessidade de parar o equipamento
para manutenção, reduzindo os custos operacionais.
Os vasos de pressão classificam-se quanto à função, à pressão de operação
e à posição de instalação: [1]
Podemos fazer a seguinte classificação dos vasos de pressão:
1) Quanto à função:
Vasos não sujeitos a chama:
Vasos de armazenamento e de acumulação.
Torres de destilação fracionada, retificadora, absorvedores e etc.
Reatores diversos.
Esferas de Armazenamento de gases.
Permutadores de calor.
Vasos sujeitos a chama
Caldeiras
Fornos
2) Quanto à pressão de operação:
Os vasos podem ser classificados quanto a sua pressão em:
7
Tabela 2 – Classificação dos Vasos com Relação a Pressão.
Vasos psig Kgf/cm² ATM
Atmosféricos 0 a 0,5 0 a 0,035 0 a 0,33
Baixa Pressão 0,5 a 15 0,035 a 1,054 0,033 a 0,1020
Alta Pressão 15 a 3000 1,054 a 210,81 1,020 a 204,07
3) Quanto à posição de instalação (dimensionamento em relação do solo).
Baseando-se na posição em que essas três dimensões estão em relação ao
solo, podemos classificar os vasos de pressão como:
Cilíndrico vertical : DI e DE, paralelos em relação ao solo e CET,
perpendicular ao solo.
Cilíndrico inclinado: DE, DI, CET, inclinado em relação ao solo.
Cilíndrico horizontal: DE e DI perpendiculares ao solo e CET, paralelo
ao solo.
Esférico : Quando a dimensão CET não pode ser definida.
8
Figura 4– Dimensões características de vasos de pressão.
2.4 Códigos de Projeto
A necessidade de regulamentar o projeto e a construção dos vasos de
pressão já no início do século XIX, como conseqüência principalmente dos diversos
acidentes com caldeiras relacionados à Revolução Industrial, já havia uma
necessidade de regulamentar o projeto da construção de vasos de pressão.
Uma explosão catastrófica em Londres, em 1815, deu origem a uma
investigação, pelo Parlamento Britânico, que chegou à conclusão de que o acidente
deveu-se à má construção, a materiais não adequados e à pressão excessiva. Foi
9
exigido então que as caldeiras fossem construídas de ferro forjado, com tampos
hemisféricos, e com duas válvulas de segurança simultâneas.[2]
Entre 1870 e 1910, pelo menos 10.000 explosões em caldeiras foram
registradas na América do Norte. Após 1910, a taxa se elevou para 1.300 a 1.400
falhas ao ano.
Foi também depois de uma terrível explosão em Brockton, Massachusetts
(EUA), em 1905, que ocasionou 58 mortes e deixou 117 feridos, que saiu a primeira
norma americana, de uso legal obrigatório, incluindo exigências de projeto,
materiais, fabricação e inspeção de caldeiras estacionárias. Essa norma,
denominada Massachusetts Rules, emitida em 1907.
Figura 5– Brockton, Massachusetts fábrica de sapatos.
10
Figura 6– Fábrica de sapatos após a explosão da caldeira em 20 de março de 1905.
O Comitê de Caldeiras do ASME foi criado em 1911, com publicação da
primeira edição do código em 1914-1915, exclusivamente para Caldeiras
Estacionárias (Seção I). Em 1924, seria publicada a Seção VIII, referente a vasos de
pressão sujeitos a chama. Nesta época já existiam normas europeias para caldeiras
e vasos de pressão.
Houve uma evolução do código tanto que, com a redução do nível de
insegurança na definição do comportamento estrutural dos equipamentos, permitiu-
se o estabelecimento de fatores de segurança mais adequados.
Nesta época, os cálculos eram basicamente analíticos e desenvolvidos
segundo teoria de cascas e placas. O cálculo numérico, com ferramentas mais
poderosas, tais como o método dos elementos finitos era ainda restrito a trabalhos
científicos mais específicos. Isto explica a definição de tensões admissíveis e
mecanismos de falha com regras simples, baseadas em teorias de viga e cascas,
que prevalece até hoje, por exemplo, no código ASME.
Como resultado da abordagem proposta foram identificados 2 (dois)
diferentes critérios de projeto:
11
Projeto convencional (design by rules): que emprega soluções
analíticas consagradas para o dimensionamento de vasos com detalhes
padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, etc ...);
Projeto alternativo (design by analysis): que inclui componentes com
geometrias e/ou carregamentos não convencionais, onde o dimensionamento
depende de uma análise e classificação das tensões atuantes e comparação com
valores admissíveis. O ASME Seção VIII – Divisão 2 incorporou este critério de
projeto em sua primeira edição em 1968.
Como filosofia geral dos códigos de projetos, admite-se o critério de vazar
antes de romper (Leak Before Break), que é alcançado teoricamente pela limitação
das tensões atuantes a uma fração das propriedades mecânicas dos materiais. São
utilizadas equações simples associadas a fatores de segurança elevados no
dimensionamento.
A filosofia do código é implementada para a seleção dos materiais, definição
dos testes de qualificação necessários, requisitos de fabricação do equipamento e
finalmente os ensaios e testes finais de aceitação do vaso de pressão ou da
tubulação.
As normas e códigos de projeto foram estabelecidos não só com a finalidade
de padronizar e simplificar o cálculo e projeto dos vasos de pressão, como
principalmente garantir condições mínimas de segurança para a sua operação.
Uma norma de projeto representa um conjunto coerente de premissas que
são características da norma ASME VIII Divisão I e II, relacionando critérios de
cálculo, coeficientes de segurança utilizados, padronização e especificação de
materiais, detalhes de fabricação e inspeção.
Os principais códigos de projeto, fabricação, montagem e testes de vasos de
pressão são os seguintes:
British Standards (BS-5500);
AD – Merkblatter;
ASME;
SNCT;
12
ISO TC/11 – ISSO DIS 2694
P-NB-109
2.4.1 Norma Inglesa - BS-5500
Elaborado pela Instituição de Normas Britânicas (British Standards Institution),
o código BS-5500, aborda aspectos relativos a materiais, projeto, fabricação,
inspeção e testes dos vasos de pressão. Sua organização é a seguinte:
Seção 1 – Parte Geral;
Seção 2 – Materiais;
Seção 3 – Projeto;
Seção 4 – Fabricação e Montagem;
Seção 5 – Inspeção e Testes;
Apêndices Principais:
Apêndice A – Análise de Tensões, similar ao ASME Seção VIII –
Divisão2;
Apêndice B – Efeito combinado de outros carregamentos;
Apêndice B – Efeito combinado de outros carregamentos;
Apêndice C – Fadiga;
Apêndice G – Cargas localizadas.
2.4.2 AD – MERKBLATTER
Elaborado pela associação dos construtores de vasos de pressão, esse
código alemão é constituído das seguintes seções:
Série G – Parte Geral;
Série B – Projeto;
Série HP –Fabricação e testes;
Série S – Casos especiais;
Série A – Acessórios;
Série W- Materiais;
13
Série M- Materiais não metálicos;
Informações gerais:
Tensões admissíveis mais elevadas que o código ASME.
Maiores exigências sobre o material, fabricação e inspeção.
2.4.3 Código ASME – Sociedade Americana de Engenharia Mecânica
Este é o código tradicionalmente utilizado no Brasil, sendo responsável por
ditar os requisitos necessários para materiais, projeto, fabricação e montagem e
testes da maioria dos vasos de pressão, permutadores e caldeiras utilizadas na
indústria do petróleo. O Código ASME, possui diversas seções conforme tabela 3.
14
Tabela 3 – Tabela de Seções do código ASME.
Seção Conteúdo
I Caldeiras (Rules for Construction of Powers Boilers)
II
Materiais
Part A – Ferrous Material Specifications Part B – Nonferrous Material Specifications
Part C – Specifications for Weldings Rods, Electrodes, and Filer Metals
Part D – Properties (Customary) Part D – Properties (Metric)
III
Instalações Nucleares
Subsection NCA – General Requeriments for Division 2 Division 1
Subsection NB – Class 1 Components Subsection NC – Class 2 Components Subsection ND – Class 3 Components
Subsection NE – Class MC Components Subsection NF – Supports
Subsection NG – Core Support Structures Subsection NH – Class 1 Components in Elevated
Temperature Service Appendices Division 2 – Code for Concrete Containments
Division 3 – Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel and High Level Radioactive Material
and Waste
IV Caldeiras para aquecimento (Rules for Construction of Heating Boilers)
V Ensaios não destrutivos
VI Instalação e recomendações para operação de caldeiras para
aquecimento (Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers)
VII Instalação e recomendações para operação de caldeiras
(Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers)
VIII
Vasos de Pressão
Rules for Construction of Preassure Vassels Division 1
Division 2 – Alternative Rules Division 3 – Alternatives Rules for Construction of
preassure Vassels
IX Qualificação de Soldagem (Welding and Brazing Qualifications)
X Vasos de pressão de plástico (Fiber-reinforced Plastic Pressure
Vassels)
XI Recomendações para inspeção de instalação Nucleares (Rules for
Insevice and Inspection of Nuclear Power Plant Components)
XII Recomendações para fabricação e extensão de uso de tanques transportáveis (Rules for Construction and Continues Service of
Transport Tanks)
15
2.4.3.1 ASME Seção VIII – Divisão I
O escopo do código ASME Seção VIII- Divisão 1 se refere ao seguinte:
Equipamento não sujeito a chama;
Equipamento que não façam parte de componentes rotativos ou
alternativos, tubulações ou transporte de produtos.
Equipamentos com pressão interna igual ou superior a 15 psi ou
inferior a 3.000 psi.
Equipamentos com diâmetro interno igual ou maior do que 6”.
Equipamentos não destinados à ocupação humana.
A filosofia do projeto da divisão 1 está bem explicita no parágrafo UG-23 do
código , onde se lê:
“A espessura de parede de um vaso de pressão dimensionado de acordo com
as regras estabelecidas nesta divisão deve ser tal que a tensão máxima primária
geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o
equipamento durante sua operação normal, não exceda os limites de tensão
admissível do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais os
carregamentos a que esteja sujeito o vaso, não provoquem uma tensão máxima
admissível do material do vaso.”
Podem ocorrer elevadas tensões nas descontinuidades nos vasos de
pressão, mas as regras de projeto e de fabricação desta divisão foram estabelecidas
de modo a limitar tais tensões a um nível seguro consistente com a experiência
adquirida.
Embora seja dito que os vasos de pressão devam resistir a todos os esforços
solicitantes (pressão interna ou externa, pesos, sobrecargas, reações de apoio, ação
de vento, impactos, esforços de dilatação, etc,...), o código só fornece fórmulas para
o cálculo em função da pressão interna ou externa, ficando o cálculo para os demais
esforços inteiramente a critério do projetista.
16
As regras da Divisão1 foram formuladas a partir de considerações de projeto
e princípios de construção aplicáveis a vasos projetados para pressões não
superiores a 3.000 psig e vasos sujeitos a pressão externa. A Divisão 1 é
apresentada da na tabela 4 da seguinte forma:
Tabela 4 – Tabela do ASME seção VIII – Divisão I
Subseção A – Requisitos Gerais Requisitos gerais aplicáveis a todos os vasos de pressão.
Part UG – General Requirements for All methods of Construction and All Materials:
Scope / Materials / Design / Openings and Reinforcements / Braced and Stayed Surfaces / Ligaments / Fabrication / Inspection and Tests / Marking and Reports / Pressure Relief Devices
Subseção B – Requisitos específicos e aplicáveis em função do método de fabricação de vasos de pressão.
Requisitos específicos, aplicáveis em função do método de fabricação.
Part UW - Requiriments for Pressure Vessels Fabricated by Welding
Part UF - Requiriments for Pressure Vessels Fabricated by Forging
Part UB - Requiriments for Pressure Vessels Fabricated by Brazing
Subseção C – Requisitos específicos em função do tipo de material utilizado na fabricação.
Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipo de material utilizado na fabricação.
Part UCS - Requiriments for Pressure Vessels Constructed of Carbon and Low Alloy Steels
Part UNF - Requiriments for Pressure Vessels Constructed of Nonferrous Materials
Part UHA - Requiriments for Pressure Vessels Constructed High Alloy Steel
Part UCI - Requiriments for Pressure Vessels Constructed of Cast Iron
Part UCL – Requirements for Welded Pressure Vessels Constructed of Material with Corrosion Resistant Integral Cladding, weld Metal Overlay Cladding or with Applied Linings
Part UCD - Requiriments for Pressure Vessels Constructed of Cast Ductile Iron
Part UHT - Requiriments for Pressure Vessels Constructed Ferritic Steels With Tensile Properties Enhaced by Heat Treatment
Part ULW - Requiriments for Pressure Vessels Fabricated by Layered Construction
Part ULT – Alternative Rules for Pressure Vessels Constructed Having Higher Allowable Stresses at Low Temperature
Part UHX – Rules for Shell-and- Tube Heat Exchangers
17
Figura 7– Figura de Subseção do ASME seção VIII – Divisão I.
2.4.3.2 ASME Seção VIII – Divisão II
O código ASME Seção VIII- Divisão 2 se baseia em um projeto alternativo de
vasos de pressão. Na divisão 2 as regras são mais restritivas quanto ao tipo de
material a ser utilizado, mas permite-se a utilização de maiores valores de
intensificação de tensões de projeto na faixa de temperaturas na qual este valor é
limitado pelo limite de resistência ou escoamento: procedimentos mais precisos de
cálculo são necessários. Os procedimentos permissíveis de fabricação são
especificamente delineados e mais completos métodos de inspeção e teste são
exigidos. A divisão 2 é apresentada da seguinte forma:
18
Tabela 5 – Tabela do ASME seção VIII – Divisão II
A filosofia de projeto da divisão 2 estabelece regras específicas para o caso
do projeto de vasos mais comuns, assim como a Divisão 1. Quando isto não ocorre,
uma completa análise de tensões é necessária e pode ser feita de acordo com os
procedimentos estabelecidos pelo código.
2.5 Tensões Admissíveis.
2.5.1 Critérios para fixação das tensões admissíveis.
Denominam-se tensões admissíveis as tensões máximas adotadas no
dimensionamento de um vaso de pressão. As tensões admissíveis para
temperaturas abaixo da temperatura de fluência estão relacionados com o limite de
escoamento ou com o limite de resistência do material de construção do
equipamento. Para temperaturas elevadas, a definição do valor da tensão
admissível depende do comportamento à fluência, sendo determinante a taxa de
deformação na temperatura e o tempo para a falha.
Denominamos coeficiente de segurança (CS) ou fator de segurança (FS), à
relação entre o limite de escoamento (Sy) ou de resistência (Sr) e a tensão
admissível (Sadm) de um determinado material.
Dentre os vários fatores que afetam a fixação dos valores das tensões
admissíveis de um código podemos citar:
Asme Seção VIII – Divisão II
Part AG – General Requiriments
Part AM – Material Requiriments
Part AD – Design Requiriments
Part AF - Fabrication Requiriments
Part AR – Pressure Relief Devices
Part AI – Inspection and Radiography
Part AT – Testing
Part AS – Marking, Stamping, Reports and Records
19
- Tipo de material: Para materiais frágeis adota-se um fator de segurança
mais elevado que os adotados para materiais dúcteis;
- Critério de cálculo: Uma tensão admissível só deverá ser aplicada em
combinação com o critério de cálculo para o qual foi estabelecida. Cálculos
grosseiros e grandes aproximações exigem fatores de segurança maiores;
- Tipo de carregamento: A consideração de esforços cíclicos e alternados,
choques e vibrações exigem uma redução no valor da tensão admissível
determinada para esforços normais;
- Segurança: Equipamentos de grande periculosidade envolvendo sério risco
humano e material exigem elevados fatores de segurança;
- Temperatura: A resistência mecânica de um material diminui com o aumento
de temperatura e consequentemente a tensão admissível também cairá. Em
temperaturas baixas o comportamento de vários materiais se altera, peças que
sofreriam uma fratura dúctil em temperatura ambiente passam a sofrer fratura frágil
com o abaixamento dessa temperatura.
Observa-se que as tensões admissíveis definidas por alguns códigos são
mais restritivas que outras, o que transforma os equipamentos projetados e
fabricados por este código conservativos para a condição de trabalho.
Evidentemente que as tensões admissíveis mais elevadas são possíveis de serem
utilizadas em função de uma melhor qualidade exigida para os materiais construtivos
e o maior rigor nas fases de execução e inspeção de solda.
A tabela 6 apresenta o critério de fixação de tensões admissíveis adotado
pelo código ASME.
20
Tabela 6 – Critério de fixação de tensões admissíveis adotado pelo código ASME,seção VIII,
divisão I.
Código de Projeto Abaixo da faixa de ruptura
Acima da faixa de ruptura
ASME VIII – Divisão 1
Sr/3,5 (temp. de projeto)
100% da tensão média que provoca uma velocidade de deformação de 0,01% em 1000 h. 67% da tensão média que provoca ruptura após 100.000 h. 80% da tensão mínima que provoca ruptura após 100.000 h.
Sy/1,5 (temp. de projeto)
2.6 Classificação de Tensões
2.6.1 Categorias de Tensões
Os códigos de projeto, geralmente, classificam as tensões em 3 (três)
categorias com características diferentes :
A – Tensões Primárias (Pm,Pl,Pb) :
São as tensões necessárias para satisfazer as leis de equilíbrio da estrutura,
desenvolvidas pela ação de carregamentos impostos. Sua principal característica é
de que não é autolimitante, ou seja, enquanto o carregamento estiver sendo
aplicado a tensão continua atuando não sendo aliviada por deformações da
estrutura. Como exemplo, temos as tensões de membrana circunferenciais e
longitudinais em vasos cilíndricos submetidos ao carregamento de pressão interna.
21
As tensões primárias podem ser de membrana ou de flexão. A tensão de
membrana é a componente da tensão primária constante através de toda a
espessura da parede do vaso.
As tensões de flexão são resultantes da flexão das paredes do equipamento,
e são variáveis através da espessura, sendo proporcionais à distância do ponto em
que estão sendo analisadas ao centróide da seção considerada.
Exemplo de tensão primária é a tensão geral de membrana num casco
cilíndrico sob a ação de pressão interna ou as tensões de flexão no centro de um
tampo plano, também causadas pela pressão interna.
As tensões primárias de membrana são classificadas em tensões
generalizadas de membrana, caso estejam atuando em todo o equipamento, e em
tensões localizadas de membrana, caso estejam atuando em uma região limitada do
equipamento. Uma tensão pode ser considerada como local se à distância na
direção meridional, na qual a intensidade de tensões ultrapassa 1,1 Sm não exceda
R.t.
B – Tensões Secundárias (Q) :
São as tensões desenvolvidas por restrições a deformações e compatibilidade
de deslocamentos em pontos de descontinuidades. A característica básica desse
tipo de tensão é sua capacidade de auto-limitação pela deformação. Como exemplo
temos tensões devido à dilatação térmica restrita ou tensões residuais de soldagem.
C – Tensões de Pico (F) :
São tensões extremamente localizadas que causam deformações e
distorções reduzidas podendo contribuir exclusivamente para fenômenos cíclicos e
para intensificação de tensões para efeitos de fratura frágil.
Essa classificação permite a separação entre tensões que podem estar
atuando em um determinado ponto da estrutura, mas que possuem efeitos
diferentes sobre a mesma.
22
Podemos identificar a preocupação com as tensões primárias em relação ao
colapso plástico da estrutura, enquanto que as tensões secundárias tornam-se
importantes pela capacidade de acúmulo de deformações.
Com esta separação é possível estabelecer tensões admissíveis diferentes
para cada parcela projetando o componente de forma adequada. Estes conceitos
serão também necessários para a avaliação de regiões na presença de defeitos, já
que as tensões primárias e secundárias possuem efeitos distintos sobre a abertura
do defeito.
As tensões primárias e secundárias podem estar presentes como tensões de
membrana e/ou flexão.
A tensão de membrana (Pm / Qm) é a componente de tensão uniforme e igual
ao valor médio da distribuição de tensões ao longo da seção. A tensão de flexão (Pb
/ Qb) é a componente de tensão que varia através da seção transversal,
correspondente à parcela linear da distribuição de tensões.
A identificação, classificação e separação das tensões atuantes é dependente
do tipo de carregamento e geometria do componente.
A correta classificação das tensões depende não apenas das tabelas
orientativas que constam no código, mas também da experiência do projetista que
deve analisar cada caso em função da geometria e carregamento envolvidos.
As tensões na parede do equipamento podem ser analisadas a partir de um
método de separação. As parcelas de membrana, flexão e tensões de pico devem
ser estimadas pela linearização da distribuição de tensões no componente.
2.7 Etapas do Projeto e da Construção.
O vaso de pressão é um equipamento que normalmente é projetado para
condições específicas de funcionamento, características desse equipamento. É,
portanto, na grande maioria das vezes, um projeto individual.
Podemos dividir de uma maneira geral o projeto de um vaso de pressão nas
seguintes etapas conforme descritas a seguir.
23
2.7.1 Definição dos dados gerais de projeto.
A definição dos dados gerais de projeto consiste na informação de uma série
de dados relativos às condições locais, e na definição de pontos que envolvem
decisão ou preferência do usuário. Todas essas informações irão servir de base
para o desenvolvimento do projeto da instalação industrial onde ficará o vaso em
questão, e por esse motivo são usualmente apresentadas em conjunto para todo o
projeto, e não para cada equipamento em particular.
É necessário definir os seguintes dados básicos gerais:
Normas que devem ser adotadas para o projeto e construção dos
vasos; podendo utilizar normas oficiais (de sociedade de normalização
nacionais ou estrangeiras), normas do usuário do vaso, ou normas do
fabricante. Aqui no Brasil é obrigatório por lei que os vasos de pressão
obedeçam ao prescrito na norma NR-13, da ABNT.
Tempo de vida útil mínimo desejado para o vaso.
Preferência quanto a tipos de vasos e/ou sistemas de construção,
quando houver.
Exigências quanto a materiais – minimizar importações, por exemplo.
2.7.2 Definição dos dados de processo (ou de operação) do vaso.
Essa etapa do projeto consiste na determinação ou cálculo dos dados
relativos ao desempenho operacional do vaso, dados esses que normalmente
figuram nos fluxogramas de processo, referentes à instalação da qual o vaso faz
parte.
Entre esses dados incluem-se:
Tipo geral do vaso de pressão (vaso de armazenamento, torre de
fracionamento, etc.)
24
Natureza, propriedade (composição química, concentração, densidade,
impurezas e contaminantes presentes etc.), vazão, temperatura e
pressão de todas as correntes fluidas que entram ou que saem do vaso
de pressão.
Volume de armazenamento.
2.7.3 Projeto de processo do vaso.
O projeto de processo do vaso também chamado de “projeto analítico,”
consiste basicamente na determinação ou no cálculo das dimensões gerais do
equipamento (que interfiram no seu funcionamento), e na definição de todos os
detalhes do próprio equipamento ou de suas peças internas, com base nos dados de
processo.
Entre as informações que fazem parte do projeto de processo incluem-se:
Formato do vaso (cilíndrico).
Dimensões gerais (diâmetro e comprimento)
Tipo de tampos (semiesférico).
Posição de instalação (vertical).
Pressão e temperatura do projeto.
Diâmetro nominal de todos os bocais ligados a tubulações.
Indicação dos bocais para todos os instrumentos ligados ao
equipamento.
Necessidade ou não de isolamento térmico, revestimento refratário, ou
outro qualquer revestimento interno ou externo, e finalidade do
isolamento ou do revestimento.
Inclui-se também no projeto de processo a indicação básica dos materiais de
construção do vaso, bem como dos materiais de peças internas e de revestimentos
internos.
25
2.7.4 Projeto Mecânico.
O projeto mecânico inclui a definição ou o cálculo dos seguintes dados
referentes ao vaso:
Seleção e especificação completa de todos os materiais do vaso
(casco e tampos) e de todas suas partes acessórias, tais como flanges,
pescoço de bocais, suportes, espelhos, tubos internos, outras peças
internas e externas parafusos, juntas etc. Definição da necessidade ou
não de margens de corrosão e outros fins, bem como os valores
dessas espessuras; definição também da necessidade ou não de
quaisquer revestimentos internos ou pinturas especiais, e
especificação desses revestimentos. Todos os materiais devem ser
definidos pela citação de uma especificação de material de uma
sociedade de normalização reconhecida, indicando-se quando for o
caso, a classe, tipo ou grau do material.
Definição das dimensões finais do vaso (baseadas nas dimensões
gerais do projeto de processo).
Seleção do tipo de tampos, se não for definido por exigência do
processo;
Definição das normas de projeto, construção e inspeção que devam
ser empregadas.
Definição das eficiências de soldas e do tipo e grau de inspeção das
soldas.
Cálculo mecânico (estrutural) completo do vaso, incluindo as
espessuras de todas as partes de pressão do vaso.
Cálculo da pressão máxima de trabalho admissível e da pressão de
teste hidrostático.
Cálculo dos pesos aproximados do vaso quando vazio e em teste
hidrostático.
26
Desenho mecânico completo do vaso, incluindo todos os seus
acessórios e detalhes.
Quando solicitado, o projeto mecânico poderá incluir a relação da matéria
prima necessária à fabricação do equipamento, para permitir a sua compra
antecipada.
2.7.5 Acompanhamento do Projeto.
O acompanhamento do projeto não é uma etapa que segue ou que antecede
a outras, mas que se desenvolve paralelamente a todo o projeto. Esse
acompanhamento consiste na orientação e fiscalização técnica e gerencialmente
administrativa do projeto, com a finalidade não só de garantir a necessária
qualidade, adequação do projeto e cumprimento de prazos e outros compromissos
contratuais, mas principalmente com a finalidade de solucionar dúvidas e
alternativas que apareçam no decorrer do projeto.
2.7.6 Projeto para fabricação.
O projeto para fabricação consiste no detalhamento completo do equipamento
para permitir a sua fabricação e montagem. É, portanto, a complementação do
projeto mecânico, com o acréscimo de dados e informações adicionais, tais como
detalhes de soldas, procedimentos e sequência de soldagem, localização de todas
as soldas e cortes, estudos do aproveitamento da matéria prima, detalhes e
dimensionamento completo de todas as partes não dimensionadas no projeto
mecânico, tais como reforços, flanges, suportes, peças internas e externas, orelhas
para escadas e plataformas, relacionamento e numeração de todas as peças,
estudo de montagem e de transporte, detalhes de usinagem e de tolerâncias
especiais, etc.
O projeto para fabricação deve incluir os desenhos de fabricação e os
desenhos de soldagem e de inspeção de soldas.
27
2.8 Dimensionamento dos componentes pressurizados
2.8.1 Dimensionamento a pressão interna
2.8.1.1 Tensões Circunferenciais (Sc)
As tensões circunferências são aquelas que tendem a romper o cilindro
segundo a sua geratriz quando submetido a uma pressão interna. Em geral são as
mais críticas e são calculadas simplificadamente. (ver tabela 7).
Tabela 7 – Tabela para expressão matemática para tensão Circunferencial.
Tensão circunferencial =
(pressão interna) x (raio médio)
espessura
Figura 8– Vista superior em corte de um vaso.
Para um cilindro com:
Área Projetada = D.L Área Resistente = 2.t.L Força de Separação = p.D.L
Temos para a tensão circunferencial a equação seguinte :
28
2.8.1.2 Tensões Longitudinais (SL).
As tensões longitudinais são aquelas que tendem a romper o cilindro segundo
a sua seção transversal, quando submetido a uma pressão interna e/ou
carregamentos externos. Em geral são menos críticas e são calculadas (ver tabela
8) para o carregamento exclusivo de pressão interna.
Tabela 8 – Tabela para expressão matemática para tensão longitudinal.
Tensão longitudinal =
(pressão interna) x (raio médio)
2 x espessura
Figura 9– Vista lateral em corte de um vaso.
Para um cilindro com:
Área Projetada = π. D² / 4
Área Resistente = π. D.t
Força de Separação = p.( π. D² / 4)
Temos para a tensão longitudinal a equação seguinte:
29
2.8.2 Equação do Código ASME seção VIII – Divisão I
As fórmulas existentes no código ASME Seç.VIII – Div.1 para
dimensionamento à pressão interna de componentes pressurizados se baseiam na
teoria de membrana.
a) Casco cilíndrico: Tabela 9 – Equações do código ASME, Divisão VIII, Seção 1 para casco cilíndrico.
Tensões circunferenciais /
P ≤ 0,385SE Tensões Longitudinais /
P ≤ 1,25SE
t ≤ R / 2
Espessura mínima requerida
t = P.R/(S.E–0,6) = P.R0/(S.E+0,4.P)
t = P.R/(2.S.E+0,4.P) = P.R0/(2.S.E+1,4.P)
Pressão máxima admissível
P = t.S.E/(R+0,6.t) = t.S.E/(R0-0,4.t)
P = 2.t.S.E/(R-0,4.t) = 2.t.S.E/(R0-1,4.t)
Tensões atuantes
S = P.(R+0,6.t)/(t.E) = P.(R0-0,4.t)/(t.E)
S = P.(R-0,4.t)/(2.t.E) = P.(R0-1,4.t)/(2.t.E)
b) Casco e tampo esférico: Tabela 10 – Equações do código ASME, Divisão VIII, Seção 1 para tampo esférico.
t ≤ 0,356L P ≤ 0,665SE
Espessura mínima requerida
t = P.L / (2.S.E – 0,2.P) = P.L0 / (2S.E + 0,8.P) Pressão máxima admissível
P = 2.t.S.E / (L + 0,2.t) = 2.t.S.E / (L0 – 0,8.t) Tensões Atuantes
S = P.(L + 0,2.t) / (2.t.E) = P.(L0 – 0,8.t) / (2.t.E)
30
Figura 10 – Vista de um casco ou tampo esférico.
2.8.3 Pressão máxima de trabalho admissível e pressão de abertura da
válvula de segurança.
A pressão máxima de trabalho admissível pode se referir a cada uma das
partes de um vaso, ou ao vaso considerado como um todo.
A PMTA de cada parte de um vaso é a pressão que causa na parte em
questão uma tensão máxima igual à tensão admissível do material na temperatura
de operação correspondente à parte considerada. Essas pressões são calculadas
pelas fórmulas dadas na mesma norma de projeto adotada para o cálculo do vaso
conforme tabela 9 e 10. Pela definição do código ASME, Seção VIII, Divisão 1, o
cálculo da PMTA deve ser feito em função das espessuras corroídas, descontando-
se, portanto, a margem para a corrosão que houver.
O código ASME define a PMTA do vaso todo como sendo, “o maior valor
permissível para pressão, medida no topo do vaso, na sua posição normal de
trabalho, na temperatura correspondente à pressão considerada, tornando-se o vaso
com a espessura corroída”. Essa pressão será portanto a pressão que causa, na
parte mais fraca do vaso, uma tensão igual à tensão admissível do material, ou, em
outras palavras, será o menor dos valores das PMTA, das diversas partes do vaso,
corrigidas do efeito da coluna hidrostática do líquido contido.
31
A PMTA é o valor usualmente empregado para a pressão de abertura da
válvula de segurança.
Além disso, a PMTA do vaso pode ser calculada para diversas temperaturas,
e, portanto, em função de diferentes valores da tensão admissível, e também para
várias condições do vaso. Além de calcular para o vaso corroído e em operação, é
usual calcular-se a PMTA também para o vaso novo e frio, em função das
espessuras e da tensão admissível do material para a temperatura ambiente.
2.8.4 Dispositivo de alívio de pressão.
Num vaso de pressão instalamos dispositivos de alívio de pressão para
proteção contra condições anormais de operação e contra o excesso de pressão
provocado por fogo.
Para condições anormais de operação, o dispositivo de alívio de pressão,
quando 1 (um) só dispositivo é utilizado, deve ter sua pressão de ajuste não superior
a pressão máxima admissível de trabalho do equipamento, nem inferior a sua
pressão de projeto.
Estes dispositivos de alívio de pressão são geralmente válvulas calibradas
PSV – Válvulas de Segurança de Pressão (Pressure Safety Valves) que devem ser
ajustadas de modo a se abrirem a uma determinada pressão e a estarem
completamente abertas quando a pressão atinge um determinado limite permitido
pelo Código, para cada condição anormal prevista para o equipamento.
2.8.5 Eficiência de junta soldada.
Para o dimensionamento de componentes pressurizados de vasos de pressão
é necessária a definição da eficiência de junta soldada (E), considerada a partir da
categoria, tipo de junta e nível de inspeção quando da fabricação do vaso.
32
2.8.5.1 Tipos de juntas soldadas.
O Código ASME permite a utilização dos seguintes tipos de juntas soldadas.
Ver tabela 11.
Tabela 11 – Reprodução da tabela UW- 12 – Máximo valor admissível de eficiência para
solda a gás e a arco.
Tipo Descrição Limitações Categoria de Junta
(a) Full
(b) Spot
(c) Sem
(1)
Juntas de topo com dupla soldagem ou obtida de modo a manter a mesma qualidade de material depositado interna e externamente de forma a estar de acordo com os requisitos de UW-35. Soldas utilizando mata-juntas que permaneçam no local são excluídas.
Nenhuma
A,B,C & D
1,00
0,85
0,70
2.8.5.2 Categoria de junta soldada.
A categoria de junta define a localização no equipamento, não define o tipo de
junta soldada. A partir da categoria da junta, o código de projeto estabelece
requisitos especiais quanto ao tipo de junta e o grau de inspeção a que estarão
sujeitas determinadas juntas num vaso de pressão. Estes requisitos especiais serão
estabelecidos em função do serviço, material e espessura do vaso. As categorias de
juntas definidas pelo código são as seguintes:
Categoria A: Juntas longitudinais do costado e botas, transições de
diâmetro, pescoço de bocais. Todas as juntas do corpo da esfera.
Soldas circunferenciais ligando tampos hemisféricos ao costado;
Categoria B: Juntas circunferenciais do costado e botas, transições de
diâmetros, pescoço de bocais. Soldas de ligação entre tampos, exceto
o hemisférico, ao costado;
Categoria C: Juntas conectando flanges, espelhos, tampos planos;
33
Categoria D: Juntas de ligação de pescoço de bocais e botas do
costado.
2.8.5.3 Valor de eficiência de juntas.
A Tabela 11 do Código ASME, fornece a eficiência de junta “E” a ser utilizada
nas fórmulas de cálculo desta Divisão para juntas obtidas por soldagem. O valor do
“E” depende apenas do tipo de junta e grau de inspeção empregado.
Um valor de “E” não superior ao fornecido pela coluna (a) da Tabela 11
deverá ser utilizado no projeto de juntas de topo totalmente radiografadas, exceto
quando os requisitos de UW-11 não são cumpridos, quando se utiliza o valor da
coluna (b) da Tabela 11.
Um valor de “E” não superior ao apresentado na coluna (b) da Tabela 11 deve
ser utilizado no dimensionamento de vasos baseados em exame radiográfico por
pontos.
Um valor de “E” não superior ao apresentado na coluna (c) da Tabela 11 deve
ser utilizado no dimensionamento de vasos sem exame radiográfico.
2.9 Espessuras padronizadas e sobrespessura de corrosão
Devem ser adotadas, para as chapas de componentes do vaso, espessuras
nominais (comerciais) com os seguintes valores, em milímetros: 4,75 / 6,3 / 8,0 / 9,5
/ 12,5 / 16,0 / 19,0 / 22,4 / 25,0 / 31,5 / 37,5 / 44,4 / 50,0.
As espessuras indicadas são as consideradas normais pelas usinas
siderúrgicas e devem ser usadas preferencialmente.
Para tampos abaulados e outras peças prensadas ou conformadas, deve ser
previsto um adequado acréscimo na espessura das chapas, para compensar a
perda de espessura na prensagem ou na conformação, de forma que a espessura
final da peça acabada tenha no mínimo o valor calculado.
Deve sempre ser acrescentada uma adequada sobrespessura para corrosão
exceto quando, para o serviço e o material em questão, a corrosão for
34
reconhecidamente inexistente ou desprezível ou quando houver um revestimento
interno anticorrosivo adequado.
As sobrespessuras para corrosão deve ser baseadas na vida útil do
equipamento (Ver tabela 12). Como regra geral, quando a taxa de corrosão prevista
for superior a 0,3 mm/ano recomenda-se que seja considerado o emprego de outros
materiais mais resistentes a corrosão.
Tabela 12– Tabela de vida útil nominal de projeto.
Classe dos Equipamentos
Refinarias, terminais e outras instalações não
petroquímicas.
Unidades
Petroquímicas.
Equipamentos de grande porte, grande custo ou
essenciais ao funcionamento da unidade industrial
(reatores, torres, permutadores ou vasos
importantes).
20 anos
15 anos
Outros equipamentos não incluídos na classe acima.
15 anos
10 anos
Peças desmontáveis ou de reposição (feixes, tubulares,
internos de torres, etc,...)
8 anos
5 anos
Exceto quando especificado de outra forma, devem ser adotados os seguintes
valores mínimos para a sobrespessura para corrosão, para as partes construídas em
aço carbono ou em aços de baixa liga:
Torres, vasos e permutadores em geral para serviços com
hidrocarbonetos: 3 mm
35
Potes de acumulação para os vasos conforme tabela 5: 6 mm
Vasos em geral para vapor e ar: 1,5 mm;
Vasos de armazenamento de gases liquefeitos de petróleo: 1,5 mm.
2.10 Aberturas e reforços
Qualquer abertura é sempre um ponto fraco na parede de pressão de um
vaso. A pressão interna tende a provocar uma deformação local na parede do vaso,
e, além disso, há uma concentração de tensões nas bordas da abertura, em
consequência da descontinuidade geométrica representada pela própria abertura.
Essa concentração de tensões é agravada pelas seguintes circunstâncias:
Existência de trechos retos, e principalmente de ângulos vivos na
abertura;
Dimensões da abertura;
Proximidade de outras aberturas ou de quaisquer descontinuidades na
parede de pressão do vaso, tais como transições de formato
geométrico ou transições de espessura;
Assimetria da abertura;
Cargas externas exercidas sobre a abertura, tais como peso ou
empuxo de tubulações ligadas a bocais do vaso.
Por essa razão as normas recomendam que as aberturas não tenham
ângulos ou arestas vivas (formato circular, elíptico, ovalado, etc.) e fazem exigências
especiais para aberturas acima de certas dimensões.
Para atenuar a deformação e diminuir a concentração de tensões, todas as
normas de projeto exigem que as aberturas com diâmetro superior a um certo limite
tenham um reforço adequado. É importante observar que o reforço deve ser
obrigatoriamente de material da mesma qualidade e pelo menos de mesma
resistência que o material da parede do vaso.
De acordo com o código ASME, Seção VIII, Divisão 1, o reforço exigido para
aberturas de diâmetros nominal de 3.1/2” ou maior, quando a espessura de parede
36
do vaso é de 10mm, ou menor, e para diâmetros nominais de 2.3/8” ou maior,
quando a espessura e parede é superior a 10mm.
Qualquer reforço é tanto mais eficiente, isto é, menores serão as tensões e
deformações, quanto mais próximo estiver o reforço da borda da abertura, e quanto
mais simétrico for o reforço. As tensões serão também menores e mais
uniformemente distribuídas para os reforços cujo perfil não apresente ângulos,
arestas, ou transições bruscas de formato ou de espessura. A maior vantagem da
simetria do reforço é principalmente importante em vasos de parede fina. O reforço
não deve, porém, ser excessivo: reforços muito volumosos, ou muito rígidos, podem
ter o efeito contrário de agravar as concentrações de tensões, porque dificultam a
deformação natural do vaso devido à pressão ou à contração das soldas.
O anel de reforço deve ter sempre um ou dois pequenos furos rosqueados
(geralmente de diâmetro 6mm), para respiro e para injeção de ar para teste das
soldas. Esses furos devem ser deixados abertos e preenchidos com graxa.
2.11 Bocais para vasos de pressão.
Geralmente o sistema de construção dos bocais de grande diâmetro (2” ou
maior) difere do sistema usado para os bocais pequenos (até 1.1/2”).
Para os diâmetros grandes temos os seguintes principais sistemas de
construção:
Bocal flangeado, com pescoço tubular. Esse é o sistema usado na
grande maioria dos bocais de 2” ou maiores, para qualquer finalidade.
O pescoço costuma ser feito de um pedaço de tubo, com ou sem
costura, para diâmetros nominais até 12”, e de tubo ou de chapa
calandrada e soldada para diâmetros maiores. Neste último caso, deve
haver de preferência uma única solda longitudinal.
Bocal flangeado com peça forjada integral. É um sistema de
construção cara e difícil, e por este motivo, rara, e que pode ser
37
necessária para vasos de alta pressão. A peça forjada já contém o
reforço necessário para a abertura.
Bocal para solda de topo. Consiste simplesmente em um pescoço
tubular, ou uma peça forjada, terminado por um chanfro adequado para
solda de topo direto na tubulação. Esse sistema tem o grave
inconveniente de a tubulação não ser desmontável do vaso, e por isso
é empregado apenas em alguns raros caos de pressões muito altas
(100 kgf/cm², ou mais) ou fluidos muito perigosos, para os quais os
bocais flangeados seriam antieconômicos ou inseguros, devido a
possibilidade de vazamento. Para pressões elevadas o pescoço é uma
peça forjada integral.
Bocal de atarraxar com parafusos prisioneiros. É um sistema simples e
barato mas que deve em geral ser evitado, admitindo-se apenas para
alguns vasos de baixa responsabilidade, para temperatura ambiente,
pressões moderadas (até 10 kgf/cm²) e fluidos não perigosos.
Para os bocais de pequenos diâmetros temos:
Luva forjada, soldada diretamente a parede do vaso. É o sistema
empregado na maioria dos bocais até o diâmetro nominal de 1H”, tanto
para tubulações como para instrumentos. Exige-se geralmente, em
qualquer caso, que as luvas sejam, no mínimo, de classe de pressão
6000 (de acordo com a norma ANSI B-16.11). É recomendável evitar o
uso de luvas para serviços muito sujeito à corrosão em frestas. As
luvas também não podem ser empregadas para certos serviços
específicos, como por exemplo, para hidrogênio.
Flanges de pescoço longo. É uma peça forjada integral, que se solda à
parede do vaso, e que é, ao mesmo tempo, o flange e o pescoço
tubular. Essa construção, que é bem mais cara do que a luva, é
empregada para os casos em que as luvas ou os flanges para solda de
encaixe não são recomendados ou não podem ser usados.
38
Para qualquer bocal flangeado a projeção externa, isto é, a distância entre a
parede do vaso e a face do flange, deve ser pequena, para reduzir os esforços na
ligação entre o pescoço tubular e a parede. Essa distância, entretanto, deve ser
suficiente para:
Permitir a colocação e remoção dos parafusos e porcas do flange.
Dar uma distância mínima entre as soldas nos flanges e na parede do
vaso, onde diâmetros nominais até 12” usa-se 200mm e acima deste
diâmetro 250mm.
Estes valores são medidos da superfície interna do vaso até a face do flange.
Todos os bocais dos vasos, tanto no casco como nos tampos, devem ter o
seu eixo em posição exatamente vertical ou horizontal, de forma que a face dos
flanges fique sempre no plano horizontal ou vertical. As espessuras dos pescoços
dos bocais devem ser calculadas como para os cascos cilíndricos, recomendando-
se, entretanto, que sejam no mínimo iguais à espessura da tubulação que estiver
conectada.
Devido à dificuldade de obtenção de flanges, tubos, etc., e também por motivo
de padronização de tubulações, devem ser evitados bocais com os diâmetros
nominais de 1G”, 2H”, 3H” e 5”. [2]
2.12 Bocas de visita e de inspeção
As bocas de visita são aberturas fechadas por meio de tampas removíveis,
permitindo acesso de pessoas ao interior do vaso, para inspeção, limpeza,
manutenção, montagem e remoção de peças internas. As bocas de inspeção são
aberturas semelhantes, de pequeno diâmetro, que permitem apenas a observação
visual do interior do vaso.
De acordo com o código ASME, Seção VIII, Divisão 1, é obrigatório algum
meio de visita ou de inspeção interna, em cada compartimento de todos os vasos
para ar comprimido, ou para qualquer serviço onde haja corrosão ou abrasão na
39
parede do vaso. Por esse código, são as seguintes as dimensões mínimas dessas
aberturas:
O diâmetro mínimo de uma boca de visita para permitir a entrada de pessoas
é de 400mm (16”), sendo entretanto sempre conveniente adotar os seguintes
diâmetros mínimos, desde que as dimensões do vaso permitam:
Bocas de visita para a entrada eventual de pessoas de 450 mm (18”), e
para entrada mais frequente de 500 mm (20”).
Idem, para montagem e remoção de peças internas: 600 mm (24”).
A construção da maioria das bocas de visita e de inspeção é igual à de um
bocal flangeado de grande diâmetro, com tampa aparafusada. Como a tampa é
sempre uma peça de grande peso, deve haver um dispositivo de manobra para
facilitar a sua remoção e manuseio, e também evitar acidentes.
2.13 Flanges e faces de flanges
Existem vários tipos de flanges que são empregados para bocais, bocas de
visita e de inspeção, e outras ligações flangeadas em vasos de pressão.
Os flanges são quase sempre peças compradas prontas, de linhas de
fabricação normal de vários fabricantes. Para esses flanges existem várias normas
dimensionais que estabelecem não somente todas as dimensões para cada tipo e
dada diâmetro nominal, como também as pressões admissíveis, em função da
temperatura para cada material. A norma dimensional de uso mais generalizado aqui
no Brasil é a ASME B-16.5, que abrange flanges de aço forjado de todos os tipos,
nos diâmetros nominais até 24”. Essa norma define sete séries de flanges,
denominadas de “classe de pressão” e designadas pelos números adimensionais.
Para cada uma das classes de pressão tem-se uma curva de interdependência entre
a pressão admissível e a temperatura para cada material. Todos os flanges de
mesma classe de pressão e de mesmo material obedecem à mesma curva
pressão/temperatura, qualquer que seja o seu tipo ou o seu diâmetro.
40
Na prática, em cada caso, a seleção do flange normalizado adequado a cada
aplicação é feita simplesmente pela consulta a essas curvas das normas, em função
do material do flange e da temperatura e pressão do projeto do vaso.
O material dos estojos e porcas internos deve ser suficientemente resistente à
corrosão pelos fluidos, contidos no vaso, para permitir a desmontagem quando
necessário. Embora seja impossível qualquer recomendação de caráter geral,
quanto ao material para essas peças, pode-se dizer que, na grande maioria dos
casos, são de aço inoxidável, sendo a qualidade mínima usualmente adotada os
aços tipo 405, 410 ou equivalente.
2.14 Teste hidrostático
Os testes de pressão são a última prova por que passam os vasos de pressão
antes que sejam entregues a operação. São realizados para verificar se a
estanqueidade de todas as juntas soldadas e conexões do equipamento e submetê-
lo a um nível de tensões superior ao que estará sujeito em condições normais, pela
primeira vez, promovendo alívio de tensões provenientes de descontinuidades
geométricas.
Pode-se realizar testes hidrostáticos, pneumáticos ou mistos, sendo os mais
comuns os hidrostáticos. O teste pneumático ou o misto, só deverão ser realizados
em casos excepcionais, devido ao grande perigo que representam.
2.14.1 Determinação da pressão de teste.
Será abordado neste trabalho, somente o teste hidrostático padrão (Ptp) por
ser o mais utilizado, onde a pressão em qualquer ponto do equipamento deve ser no
mínimo igual ao seguinte valor:
Ptp = Fth . PMTA (Sf / Sq)
Onde:
41
Fth é igual 1,3 (30% acima da PMTA) para vasos projetados posteriormente à
edição de 1988 do Código ASME, Seção VIII, Divisão 1, para edições anteriores a
este ano é utilizado o fator de 1,5.
Este valor é o mínimo estabelecido pelo Código ASME, mas a critério do
projetista e usuário do equipamento, ele poderá ser testado de acordo com uma
pressão de teste determinada através de um procedimento alternativo.
2.15 Revestimento
O revestimento interno de vasos de pressão deve proporcionar grande
impermeabilidade e resistência química em aplicações com imersão total de líquidos
e exposição a gases ou vapores corrosivos.
Um dos revestimentos amplamente utilizados na indústria do petróleo é
o revestimento epóxi de alto desempenho contento flocos de vidro, conhecido como
“flake glass”, que confere alta resistência química a álcalis, solventes e ácidos fortes
para estruturas de aço carbono. Além de ter histórico satisfatório para equipamentos
de processo (Separadores de Gases e Tratadores de Óleo) que operam com água
produzida do processo de extração de petróleo, em temperaturas entre 120ºC e
150ºC [4].
42
3 DADOS DO PROJETO E DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
O projeto do vaso de pressão possui os seguintes dados para
desenvolvimento do estudo em questão:
Material do casco e tampo para o vaso de pressão em aço carbono: SA
516 Gr. 60.
Material do casco e tampo para o vaso de pressão em aço inoxidável
super duplex: SA 240 UNS 32750.
Sobrespessura de corrosão para aço carbono: 3,0 mm
Temperatura de projeto: 100°C
Densidade do fluído (hidrocarboneto) em operação: 0,96
Eficiência de juntas soldadas: 0,85
Pressão de projeto: 15,0 kgf/cm²
Tempo de vida útil do vaso: 15 anos
Volume de armazenamento: 15,7m³
Diâmetro do vaso: 2000 mm
Dimensões características do vaso: cilíndrico vertical
Característica dos tampos: Semi esférico
Desenho: (Anexo 1)
Altura do costado: 5000 mm
A pressão de projeto de 15,0 kgf/cm², será utilizada para os cálculos do tampo
superior e inferior, pois não será levada em conta a contribuição da pressão estática
do fluído, já que a variação na pressão resultante será irrelevante devido à altura do
vaso.
Para determinação das tensões admissíveis a serem utilizadas, referente aos
materiais de aço carbono e aço super duplex, conforme o Código ASME, Seção VIII,
Divisão 1 conforme tabela 6 tem-se:
• Aço Carbono SA 516 Gr 60: Será utilizada a tensão admissível de 1202 kgf/cm²(σy/1,5), calculada a partir do limite de escoamento, por ser a de menor valor,
43
enquanto que a tensão admissível calculada a partir do limite de resistência é de 1488 kgf/cm² (σe/3,5).
• Aço Super Duplex SA 240-UNS 32750: Será utilizada a tensão
admissível de 2315 kgf/cm², calculada a partir do limite de resistência, por ser a de
menor valor, enquanto que a tensão admissível calculada a partir do limite de
escoamento é de 3739 kgf/cm².
3.1 Vaso de pressão de aço carbono SA 516 Gr.60
3.1.1 Costado cilíndrico – Pressão interna
Através das equações do Código ASME, Seção VIII, Divisão 1, para o
costado cilíndrico (ver tabela 9), foram calculadas as espessuras mínimas requeridas
que irão resistir às tensões circunferências e longitudinais respectivamente atuantes
no equipamento.
Desta forma, para as tensões circunferenciais, foi encontrada a
espessura de 14,81mm e para as tensões longitudinais a espessura de 7,31mm.
Portanto, a espessura maior calculada será adotada como a espessura mínima
requerida do vaso.
Adicionando a sobrespessura de corrosão de 3 mm para chapas de
aço carbono de vasos que operam com hidrocarboneto, obtemos uma espessura de
17,81mm, porém no mercado não existe chapa com esta medida, sendo assim
adotada para o cálculo da PMTA do casco cilíndrico uma espessura de ¾”
(19,05mm), já que esta é um valor de chapa comercial.
Considerando que a espessura mínima requerida é de 19,05mm, e que
a tensão admissível do aço carbono SA 516 Gr 60 a ser utilizada é de 1202 kgf/cm²
temos que a PMTA calculada para o costado do vaso, será de 19,2 kgf/cm².
Utilizando a espessura de ¾”, e a pressão de 15 kgf/cm² as tensões
circunferenciais e longitudinais atuantes encontradas foram de 936,9 kgf/cm² e
459,6 kgf/cm² respectivamente.
44
3.1.2 Tampo semi esférico – Pressão interna.
Através das equações do Código ASME, Seção VIII, Divisão 1, para tampo
semi esférico (ver tabela 10) foi encontrada a espessura requerida de 7,35 mm.
Assim como no costado, foi acrescentado uma sobrespessura de corrosão de 3 mm,
na qual será adotada a espessura de chapa comercial de 12,5 mm. Desta forma,
além da sobrespessura de corrosão já mencionada, têm-se uma margem, onde
ainda se admite redução de espessura após o processo de conformação da chapa
do tampo, sem perda de resistência mecânica.
Considerando que a espessura mínima requerida do tampo é de 12,5
mm, e que a tensão admissível do aço carbono SA 516 Gr 60 a ser utilizada é de
1202 kgf/cm², a PMTA calculada para o tampo superior e inferior do vaso, será de
25,5 kgf/cm².
Utilizando a chapa com espessura de 12,5 mm para a confecção dos
tampos, e a pressão de projeto de 15 kgf/cm², a tensão atuante encontrada foi de
707 kgf/cm².
3.2 Vaso de pressão de aço super duplex SA 240 UNS 32750
Os mesmos cálculos e equações utilizadas para o vaso em aço carbono
foram utilizadas para dimensionar a espessura mínima requerida, PMTA e tensões
atuantes do vaso super duplex. Porém, para o aço inoxidável não se prevê
sobrespessura de corrosão, já que o processo corrosivo observado neste tipo de
material não é a perda de massa, e sim a presença de pites. Portanto, uma
sobrespessura de corrosão, além de não ser eficaz, acarretará em desperdício de
material.
Considerando os mesmos dados de projeto, porém com a tensão admissível
do aço super duplex sendo de 2315 kgf/cm², os resultados obtidos para o costado
cilíndrico foram:
45
Espessura mínima requerida: 7,6 mm (calculada) e 8 mm (chapa
adotada de espessura comercial).
Pressão Máxima Admissível: 15,6 kgf/cm².
Tensões atuantes: 2216 kgf/cm² (circunferenciais) e 1099 kgf/cm²
(longitudinais).
Para os tampos semi esféricos foram:
Espessura mínima requerida: 3,8 mm (calculada) e 4,75 mm (chapa
adotada de espessura comercial).
Pressão Máxima Admissível: 18,6 kgf/cm².
Tensão atuante: 1859 kgf/cm²
46
4 CATEGORIZAÇÃO NR – 13
O Manual Técnico sobre a Norma Regulamentadora nº 13 (NR–13) “Caldeiras
e Vasos de Pressão”, elaborado pelo Grupo Técnico Tripartite, em 1996, trás
conceitos e determinações a respeito de caldeiras e vasos de pressão.
O anexo III da norma determina as condições para enquadramento de um
equipamento na NR-13:
I. A NR deve ser aplicada aos seguintes equipamentos:
a) qualquer vaso cujo produto "PV" seja superior a 8, onde "P" é a máxima
pressão de operação em KPa e "V" o seu volume geométrico interno em m³,
incluindo:
- permutadores de calor, evaporadores e similares;
- vasos de pressão ou partes sujeitas a chama direta que não estejam dentro
do escopo de outra NR, nem do item 13.1 desta norma;
- vasos de pressão encamisados, incluindo refervedores e reatores;
- autoclaves e caldeiras de fluido térmico que não o vaporizem;
b) vasos que contenham fluido da classe "A", independente das dimensões e
do produto "PV".
II. A NR não se aplica aos seguintes equipamentos:
a) cilindros transportáveis, vasos destinados ao transporte de produtos,
reservatórios portáteis de fluido comprimido e extintores de incêndio;
b) os destinados à ocupação humana;
c) câmara de combustão ou vasos que façam parte integrante de máquinas
rotativas ou alternativas, tais como bombas, compressores, turbinas, geradores,
motores, cilindros pneumáticos e hidráulicos e que não possam ser caracterizados
como equipamentos independentes;
d) dutos e tubulações para condução de fluido;
47
e) serpentinas para troca térmica;
f) tanques e recipientes para armazenamento e estocagem de fluidos não
enquadrados em normas e códigos de projeto relativos a vasos de pressão;
g) vasos com diâmetro interno inferior a 150mm para fluidos das classes "B",
"C" e "D", conforme especificado no anexo IV desta norma.
O anexo IV da norma trata da classificação de vasos de pressão, conforme
descrito abaixo:
Os vasos de pressão são classificados em categorias segundo o tipo
de fluido e o potencial de risco.
Os fluidos contidos nos vasos de pressão são classificados em classes
conforme tabela 13.
Quando se tratar de mistura, deverá ser considerado para fins de
classificação o fluido que apresentar maior risco aos trabalhadores e instalações,
considerando-se sua toxicidade, inflamabilidade e concentração.
Os vasos de pressão são classificados em grupos de potencial de risco
em função do produto "PV", onde "P" é a pressão máxima de operação em MPa e
"V" o seu volume geométrico interno em m³, conforme segue:
Vasos de pressão que operem sob a condição de vácuo deverão
enquadrar-se nas seguintes categorias:
- categoria I: para fluidos inflamáveis ou combustíveis;
- categoria V: para outros fluidos.
48
Tabela 13– Classificação dos vasos de pressão em categorias de acordo com os grupos de
potencial de risco e classe de fluido contido.
CLASSE DE
FLUIDO
GRUPO DE POTENCIAL DE RISCO
1
P.V ≥ 100
2
P.V < 100
P.V ≥ 30
3
P.V < 30
P.V ≥ 2,5
4
P.V < 2,5
P.V ≥ 1
5
P.V < 1
CATEGORIAS
“A”
Inflamáveis Combustível com temperatura ≥ 200
°C Tóxico com limite de tolerância ≤ 20
ppm Hidrogênio Acetileno
I I II III III
“B” Combustível com
temperatura <
200°C’ Tóxico com limite de tolerância > 20
ppm
I II III IV IV
“C”
Vapor de Água Gases Asfixiantes
Simples
Ar comprimido
I II III IV V
“D” Água ou outros
fluídos não
enquadrados nas classes “A”, “B” ou
“C” com
temperatura > 50°C
II III IV V V
Notas:
a) Considerar volume em m³ e pressão em MPa;
b) Considerar 1 MPa correspondente a 10,197 Kgf/cm².
De acordo com os dados de projeto, será determinada a categoria do vaso de
pressão em estudo neste trabalho da seguinte forma:
Equipamento: Vaso de armazenamento de hidrocarboneto;
Temperatura de operação: 100°C
Volume geométrico: 15,7m3
49
Pressão de operação: 15,0kgf/cm2 (1471 kPa)
Produto: Hidrocarboneto
a) Verificação do enquadramento do vaso de pressão na NR-13:
Máxima pressão de operação = será considerada a pressão de projeto em
kPa (1471)
P.V = 1471 (kPa) x 15,7 (m3)
P.V = 23.095
P.V >> 8, portanto o vaso se enquadra na NR-13
b) Determinação da categoria do vaso de pressão:
Produto: Hidrocarboneto = fluido inflamável = fluido classe “A”
P.V = 1,47 MPa x 15,7 m3 = 23,08 (portanto PV < 30 e PV ≥ 2.5)
Com PV < 30 e PV ≥ 2.5 e fluido classe “A”, de acordo com a tabela 13,
conclui-se que o vaso de pressão será de categoria II.
A Inspeção de Segurança Periódica, constituída por exame externo, interno e
teste hidrostático, deve obedecer aos seguintes prazos máximos estabelecidos a
seguir:
a) Para estabelecimentos que não possuam Serviço Próprio de Inspeção
de Equipamentos:
50
Tabela 14– Critério de Inspeção de Segurança Periódica, sem serviço próprio de
inspeção de equipamentos conforme item 13.10.3 da NR-13.
Categoria do Vaso Exame Externo Exame Interno Teste Hidrostático
I 1 ano 3 anos 6 anos
II 2 anos 4 anos 8 anos
III 3 anos 6 anos 12 anos
IV 4 anos 8 anos 16 anos
V 5 anos 10 anos 20 anos
b) Para estabelecimentos que possuam Serviço Próprio de Inspeção de
Equipamentos:
Tabela 15 - Critério de Inspeção de Segurança Periódica com serviço próprio de inspeção de
equipamentos conforme item 13.10.3 da NR-13.
Categoria do Vaso Exame Externo Exame Interno Teste Hidrostático
I 3 anos 6 anos 6 anos
II 4 anos 8 anos 8 anos
III 5 anos 10 anos 12 anos
IV 6 anos 12 anos 16 anos
V 7 anos a critério a critério
51
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na tabela 16 consta os dados calculados e características relevantes de
ambos os materiais, aço carbono SA 516 Gr 60 e aço super duplex SA 240 UNS
32750:
Tabela 16– Comparativos dos aços calculados.
Aço Carbono SA 516 Gr 60
AÇO SUPER DUPLEX SA 240 UNS 32750
Espessura 19,05mm 8mm
PMTA 19,2 kgf/cm² 15,6 kgf/cm²
Tensão Circunferencial do Costado
936,9 kgf/cm² 2216 kgf/cm²
Tensão Longitudinal do Costado
459,6 kgf/cm² 1099 kgf/cm²
Tensão do Tampo 707 kgf/cm² 1859 kgf/cm² Peso (Aprox.) 2000,0 kg 900,0 kg
Peso por Área 149 kg/m² 63 kg/m²
Resistência à Corrosão
Soldabilidade Condição para Reparo Custo de Material com
Revestimento R$ 10.500,00 -
Custo de Material sem Revestimento
R$ 8.500,00 R$ 81.000,00
Espessura mínima requerida:
Para a pressão de projeto citada, a espessura mínima requerida para cada
material variou bastante. A espessura calculada do aço super duplex corresponde a
aproximadamente 40% do aço carbono.
PMTA:
Devido ao acréscimo, para construção em aço carbono, de uma
sobrespessura de corrosão à espessura calculada e o uso de uma chapa de
espessura comercial, a PMTA será maior que a PMTA calculada para o aço super
duplex, pois neste caso, não se prevê a sobresepessura de corrosão. Para efeito de
52
resistência mecânica, não há grande influência, já que em ambos os casos a
pressão de projeto é respeitada, mas para fins operacionais ter uma PMTA maior
que a pressão de projeto pode ser vantajoso, pois esta condição permite uma maior
flexibilidade na operação.
Tensão circunferencial e longitudinal:
As tensões atuantes circunferenciais e longitudinais, para o aço super duplex
são maiores que os aços ao carbono.Devido a menor espessura da chapa.
Peso do vaso:
Devido a grande diferença de espessura calculada entre os materiais,
logicamente, o vaso construído em super duplex apresentou peso bem menor em
relação ao peso do vaso de aço carbono. Para a aplicação “off-shore” este fato é
bastante relevante, já que qualquer acréscimo de peso a uma instalação marítima
resulta em grandes custos.
Resistência á corrosão:
O aço carbono não é um material tão nobre quanto o aço super duplex, sua
resistência é bastante baixa. Portanto, para operar nas condições apresentadas no
projeto, com uma vida útil de 15 anos, será necessária a aplicação de revestimento
interno.
Soldabilidade:
O aço carbono é um material bastante conhecido da engenharia, apresenta
uma microestrutura simples e são conhecidos todos os parâmetros essenciais para
sua soldagem. Por outro lado, o aço super duplex apresenta uma microestrutura
mais complexa, o que dificulta sua soldagem, já que exige um controle mais preciso
dos parâmetros de soldagem para que não haja alterações em suas propriedades.
Manutenção / Reparo:
O aço super duplex é um material de aplicação bastante restrita, o que
acarreta em dificuldades de compra, além de causar impacto nos prazos de um
possível reparo. Já o aço carbono é um material mais acessível, sendo de fácil
obtenção.
53
6 CONCLUSÃO
Conforme o exposto neste trabalho, constata-se que a construção de um vaso
de pressão de tipos de materiais diferentes, como aço carbono e super duplex,
apresentam grandes variações em seus projetos mecânicos (espessura mínima
requerida, PMTA, etc). Porém, se consegue atender em ambos os casos as
condições de projeto.
Apesar do vaso construído em aço carbono ser um equipamento mais pesado
em relação ao aço super duplex, esta diferença de peso não é significativa ao ponto
de se justificar o uso do super duplex, já que este material apresenta um custo
elevadíssimo. Lembrando que o aço carbono revestido representa,
aproximadamente, 15% do valor de material do aço super duplex.
É claro que o aço super duplex apresenta resistência corrosão superior ao do
aço carbono. No entanto, se o aço carbono for devidamente revestido internamente,
e se reparos neste revestimento, quando necessário, forem executados, a vida útil
desse equipamento se equivalerá ao de um aço resistente à corrosão.
Na comparação destes materiais, constataram-se vantagens e desvantagens.
Porém, na avaliação de engenharia, devem-se buscar condições onde se obtêm o
maior custo/benefício. Neste caso, para aplicação ao qual o vaso é destinado
conclui-se que o aço carbono, se revestido internamente, é o material mais
adequado.
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7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Vasos de Pressão; Guilherme Augusto de Oliveira – Engenharia Mecânica UFU. [2] Vasos de Pressão: Pedro C. Silva Telles – 2° Edição – LTC (Livros Técnicos e Científicos Editora). [3] ASME, Boilrt and Pressure Vessel Code, Seção VIII, Divisão 1, American Society of Mechanical Engineers, 2010. [4] Catálago; FLAKEGLASS, Resinar, 2013. [5] ASME, Seção II, Materials, Part- A, Ferrous Materials , 2010. [6] Hibbeler, R.C. Resistência dos Materiais – 3º Edição – LTC (Livros Técnicos e Científicos Editora), 2000. [7] NR – 13 – Caldeira e Vasos de Pressão – Norma Regulamentadora – Ministério do Trabalho. [8] – ASME; Section VIII, Division 2 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules, 2010. [9] Marczak R. J. – Introdução à teoria de membranas – Vasos de Pressão de Paredes Finas.
