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Dimensionamento de tubulações

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Dimensionamento de tubulações. Parte I. DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS) Diâmetros nominais Iron Pipe Sise – IPS Definidos pela norma: ANSI B 36.10 - Aços carbono e aços liga, Ø (1/8” a 36”)

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Presentation Transcript
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DIMENSÕES DE TUBOS (DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS)

Diâmetros nominais

Iron Pipe Sise – IPS

Definidos pela norma:

ANSI B 36.10 - Aços carbono e aços liga, Ø (1/8” a 36”)

ANSI B 36.19 - Aço inoxidável, Ø (1/8” a 12”)

P = pressão interna psig

Iron Pipe Sise – IPS

Série =

S = Tensão admissível em psi.

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

Diâmetros nominais comuns;

1/8”, 1/4”, 3/8”,1/2”, 3/4” , 1”, 1 1/2”, 2”, 3”, 4”, 6”.......26”, 30”e 36”.

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

Obs. Para o mesmo diâmetro externo (diâmetro nominal) tem-se diferentes opções de parede

→ Diferentes diâmetros internos

A espessura é definida por: série, no , #, ou Schedule (SCH)

Schedule number (SCH), “série”, regido pela ANSI B36-10.

.

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DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DE PAREDE

Norma ANSI B. 31

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

Onde:

t m = espessura (mínima) de parede (pol) (mm)

P = Pressão interna de projeto (psi) MPa

D = Diâmetro externo (pol) (mm)

SE = coeficiente de stress (psi) MPa,

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

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

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

c = Soma de sobre-corrosão, erosão,...profundidade de roscas,

Obs. 1- Dimensões espessura de rosca ANSI B2.1

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

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Exemplo:

Calcular a espessura mínima necessária para um tubo de diâmetro nominal 8” (8,625, Ø externo (tabela) aço carbono s/ costura, Tensão admissível na T proj. = 12350 psi. e P proj. 800psi, T projeto 600º F, com sobrespessura de corrosão c= 0,05”.

= 0,322” *ASTM A 53 A (S =12350)

Obs. Ver tensão admissível Perry 6ª ed. Item 23

Aplicando uma tolerância de 12,5 % a 1,125 x 0,322 = 0,362”

Para atender a esta espessura, Tubo # 80 espessura = 0,500”

# 60 = 0,406”

# 40 = 0,322”

Para ANSI A – 53 B ( S =15500)...... t = 0,268”

→ tm = 0,301 “

Neste caso, a série # 40 atenderia, pois tem espessura de 0,332”

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Analisando o efeito da força gerada pela dilatação térmica

P = S. A

tensão interna (kg/cm2)

Temos que:

dilatação unitária (cm/cm)

Logo, a equação acima poderá ser escrita

,ou então

P =empuxo sobre os pontos de fixação (Kg ou T)

A = área da seção transversal (cm2)

δ = dilatação livre do tubo (cm)

L = comprimento do tubo (cm)

E = módulo de elasticidade do material (kg/cm2)

S = e .E

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FLEXIBILIZAÇÃO DE UMA TUBULAÇÃO SUJEITA A UMA VARIAÇÃO DE TEMPERATURA

Fórmula simplificada Teste rápido (ANSI B 31- 10)

Fórmula original

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

Onde:

Sa = limite admissível para a resultante das tensões secundárias combinadas

Ec = módulo de elasticidade na temperatura de trabalho

D = Ø nominal externo * ( pol) **(mm)

Y = Somatório das dilatações * (pol) **(mm)

L = Comprimento da tubulação * (ft) **(m)

U = distância entre os pontos fixos * (ft) **(m)

* sistema inglês

** sistema internacional

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Controlando a dilatação térmica
  • Não utilizar segmento em linha reta entre dois pontos
  • Empregar acessórios deformáveis (juntas de expansão)
  • Quando espaço é reduzido, grande dilatação e tubulação de grande diâmetro
  • Pretensionamento
  • Adequando um traçado de uma tubulação
  • Quanto maior o comprimento desenvolvido para a tubulação, em relação
  • aos pontos fixos, melhor a flexibilidade
  • Quanto mais simétrico melhor a distribuição dos esforços
  • Quanto menor a desproporção, entre os seguimentos , idem
  • Sempre que possível adotar arranjo tridimensional
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PRESSÃO E TEMPERATURA DE PROJETO

Pressão de Projeto*

Definida na Norma ANSI B-31.

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

Condição simultânea de maior severidade.

Temperatura de projeto

Correspondente aquela da pressão de projeto eleita.

Ex. duas condições distintas

1ª - 800º F e 300 psi Sh= 6500psi

2ª - 70º F e 900psi Sh= 20000psi

* Escolhe-se a condição mais crítica, na qual a tensão admissível apresenta menor

valor. No exemplo colocado, a 1ª condição.

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CONSIDERAÇÕES DE PROJETO
  • Pressão de choque (golpe de aríete)
  • Situações onde estão sujeitas elevações bruscas de pressão:
  • Parada brusca ,
  • partidas de bombas,etc...
  • Obs. 1) Pressão de choque :
  • A Norma sugere Valor de P = 60 vezes o valor da velocidade em (ft/s).
  • 2) Para tubos ferro fundido)*
  • Valor da pressão =∑ (P máx. operação + P.choque)
  • Condições transitórias passíveis de causar fadiga,
  • Elevação de pressão,....
  • Parada/partida de bomba: Aríete
  • Vácuo (sucção)
  • Resfriamento de fluido gasoso → vácuo
  • Expansão por elevação da temperatura
  • Congelamento – Dilatação do fluido x contração/fragilização do metal.
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Considerações quanto a temperatura de operação
  • É pratica adotar no projeto uma temperatura um pouco superior aquela temperatura máxima de operação da linha (temperatura do fluido circulante)
  • Temperatura considerada para tubos, válvulas e acessórios
  • Se temperatura do fluido for superior a 0° C
    • Tubos não isolados:
        • Se rosqueados (tubos válvulas e acessórios)
      • 95% da temperatura do fluido
        • Se flangeados (tubos, válvulas e acessórios flangeados)
      • 90% da temperatura do fluido
        • Parafusos e porcas dos flanges
      • 80 % da temperatura do fluido
  • Tubos isolados
      • Isolamento térmico externo
      • Temperatura igual a do fluido
      • Isolamento interno
      • Deduzir perda térmica equivalente através do isolamento
  • Se a temperatura do fluido for inferior a 0° C
      • Materiais com temperatura igual a temperatura do fluido
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Principais esforços mecânicos a que podem estar submetidas
  • tubulações industriais
  • Pressão interna e externa
  • Peso
  • Tubo,
  • Fluido
  • Acessórios, válvulas, isolamento,
  • Fluidos durante teste hidrostático
  • Peso de outros tubos suportados ou apoiados
  • Plataformas , pessoas, neve , terra (soterrados), veículos,etc..
  • Ação dinâmica
  • Movimento do fluido,
  • Ventos
  • Impactos de natureza mecânica , golpes de ariete,
  • Vibrações
  • Dilatações térmicas
  • Tubulação,
  • Equipamentos aos tubos conectados,
  • Tensões residuais de montagem da linha,
  • Atrito dos suportes,
  • Esforços de desalinhamentos, etc..
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Algumas formas de correção
  • Instalar de forma adequada os suportes
  • Instalar acessórios sempre que possível próximos aos pontos de sustentação
  • Evitar e minimizar cargas externas
  • Instalar guias e contraventos
  • Colocar patins ou roletes
  • Instalar amortecedores de vibração
  • Flexibilizar de forma adequada a linha
  • Principais formas de tensão presentes em uma tubulação
  • Tensão longitudinal
  • Conseqüência da pressão, movimento fletor, (pesos, dilatações,
  • equipamentos) e esforço residual de montagem.
  • Tensão circunferencial
  • Conseqüência da pressão, deformação por achatamento resultante
  • de esforços fletores atuantes
  • Tensão radial
  • Tensão de cisalhamento circunferencial
  • Conseqüência de esforços de torção
  • Esforços mais relevantes
  • Pressão
  • Dilatação
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Tensão primária X Tensão secundária

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

Secundárias, (cíclicas), dilatações, movimento de equipamentos a custa de dilatação

.....................Diminuem devido ao relaxamento espontâneo ao longo do tempo

.........acomodação dos esforços

Tensão admissível

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

  • Tensão admissível X fator de segurança
  • O critério para escolha do fator de segurança depende:
  • Tipo de material
  • Critério de cálculo : > ou < grau de arbitrariedade
  • Tipos e freqüência de esforços
  • Incerteza do material
  • Defeitos de fabricação do material, montagem, etc
  • Segurança
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Condições transitórias de trabalho ou diferentes tipos de esforços
  • Esforço transitório de cisalhamento e torção
  • Adota-se 80% da tensão admissível básica
  • Tensões secundárias não permanentes de curta duração,
  • A custa de vento, condições anormais de operação, etc
    • Ciclo de 10h consecutiva em um total de 110 h/ano
  • Adota-se fator de 1,33% da tensão admissível
    • Ciclo de 50h consecutiva em um total de 500 h/ano
  • Adota-se fator de 1,20% da tensão admissível

Cada seção da norma adota diferentes critérios na adoção das tensões admissíveis de acordo com a severidade e risco da operação como mostra a tabela a seguir

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Apêndice

Critério para a utilização da Tensão admissível para tubos de aço

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Resumo sobre valores adotados para tensão admissível

de acordo com a severidade das condições operacionais

  • Obs. Valores básicos são aqueles adotados para esforços de tração, de torção e de flexão, estático e permanentes
  • Esforços estáticos e permanentes de cisalhamento,
  • Empregar 80% das tensões admissíveis básicas
  • Situações adversas
  • Variações ocasionais acima das condições de projeto deverão permanecer dentro dos seguintes limites em relação a pressão de projeto:
  • Sob restrição, é permitido exceder a faixa de pressão ou a tensão admissível para a pressão de projeto na temperatura da referida condição por não mais que:
  • 33% para não mais que 10h em condição contínua e não mais que 100h/ano.
  • 20% para não mais que 50h em condição contínua e não mais que 500h/ano.
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Referência

Tubulações Industriais

Pedro Carlos da Silva Telles

Livros Técnicos e Científicos Editor S.A.

4ª Edição - 1976

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