Manual para Análise de Tensões de Tubulações Industriais - Flexibilidade

Visualizações: 546
Classificação: (0)

Manual para Análise de Tensões de Tubulações Industriais – Flexibilidade vai além de uma referência teórica, traz uma coleção de dados práticos para uso no dia a dia, apresentando os fundamentos teóricos, os critérios de projeto e dimensionamento, os conceitos e métodos utilizados na análise de flexibilidade das tubulações – em especial o método computacional, de uso corrente nos dias de hoje –, bem como os meios para a melhoria de flexibilidade.s referências históricas permitem situar os mais novos em relação à atividade e alertá-los para os principais cuidados para refletir adequadamente a realidade da instalação nas simulações matemáticas.o final, introduz o tema de análise dinâmica de tubulações, cujas demandas aumentaram muito atualmente.essa forma, o livro apresenta uma visão geral da atividade de análise de tensões de tubulações de grande importância para uma formação sólida na especialidade.

FORMATOS DISPONíVEIS

21 capítulos

Formato Comprar item avulso Adicionar à Pasta

CAPÍTULO 1 - ESFORÇOS MECÂNICOS ATUANTES NAS TUBULAÇÕES

PDF Criptografado

PARTE

I

1

ESFORÇOS

MECÂNICOS ATUANTES

NAS TUBULAÇÕES

Denomina-se tubulação industrial a todo sistema constituído por tubos, válvulas, conexões (curvas, tês etc.) e demais acessórios, com a finalidade de conduzir fluidos, líquidos ou gasosos, entre os diversos pontos de uma unidade industrial. Consideradas as restrições impostas pelos suportes e/ou ligações com os equipamentos e/ou suportes, toda tubulação comporta-se mecanicamente como uma estrutura e, como tal, está sujeita a diversos tipos de solicitação, tais como: tração, compressão, flexão, torção etc. Como consequência de tais solicitações, a tubulação se deforma, dando origem a esforços e tensões que traduzem seu comportamento estrutural.

A seguir, relacionamos as principais causas do aparecimento de deformações “es-

truturais” numa tubulação, a começar pelos carregamentos que atuam de maneira contínua ou permanente, cuja aplicação pode provocar deformações crescentes até ocorrer o rompimento:

 

CAPÍTULO 2 - DISTRIBUIÇÃO DE TENSÕES NOS TUBOS

PDF Criptografado

PARTE

I

2

DISTRIBUIÇÃO

DE TENSÕES NOS

TUBOS

Conforme vimos no capítulo anterior, uma tubulação pode ser encarada como uma “estrutura tubular” e, como tal, cada componente está sujeito a deformações, esforços e tensões decorrentes dos carregamentos “de viga” e, adicionalmente, é submetido aos efeitos da pressão do fluido conduzido e do ambiente em que a tubulação encontra-se instalada.

Se basearmos agora nossa análise num elemento infinitesimal qualquer de um trecho de tubo de uma tubulação industrial submetida aos carregamentos acima descritos, estaremos diante de quatro tipos distintos de tensões, representados na Figura 2.1.

São eles:

a) Tensão normal circunferencial (σC)

Esta tensão atua numa direção perpendicular ao eixo do tubo (tangencial) e tende a

Figura 2.1 Tensões geradas na seção

dos tubos.

15

França Filho - Capítulo 2.indd 15

09/07/2013 11:48:19

I

PARTE

16

PARTE I — FU NDAMENTOS

 

CAPÍTULO 3 - APLICAÇÃO DAS NORMAS DE PROJETO DE TUBULAÇÕES

PDF Criptografado

PARTE

I

3

APLICAÇÃO DAS

NORMAS DE PROJETO DE

TUBULAÇÕES

3.1

Objetivo geral das normas de projeto e exemplos

Quando pensamos o contexto geral rela� cionado ao projeto, em particular ao proje� to de tubulações, nos debruçamos sobre as diversas atividades que o compõem, desde a concepção dos arranjos de equipamentos no local da instalação até a definição dos mais adequados e melhores encaminha� mentos para cada situação encontrada. Fa� zemos isso iniciando pelos diagramas que definem como os equipamentos são interli� gados por meio dos condutos por onde cir� culam os fluidos envolvidos no processo da instalação, passando pela seleção dos ma� teriais e acessórios que deverão ser utiliza�

dos, pelos conceitos de padronização, pelos requisitos de acesso e manutenção, e, para concluir o processo, analisamos a flexibili� dade e os suportes requeridos para garan� tir o seu adequado comportamento durante toda a vida útil esperada.

Tudo isso deverá ser feito com base em pro� cedimentos de execução, padrões de engenha� ria, normas especificamente desenvolvidas por alguns proprietários dessas instalações, sem se esquecer das recomendações resultantes da boa prática e, fundamentalmente, dos códigos e das normas já publicadas pelas instituições técnicas de alguns países e internacionalmen� te aceitas.

 

CAPÍTULO 4 - LIMITES ADMISSÍVEIS DE TENSÕES

PDF Criptografado

PARTE I — FU NDAMENTOS

4

PARTE

I

26

LIMITES ADMISSÍVEIS

DE TENSÕES

4.1

Tensões admissíveis básicas

As normas usualmente empregadas no dimensionamento mecânico de tubulações fornecem os valores das tensões admissíveis básicas para os diversos materiais, em função da temperatura de projeto. Segundo a norma americana ASME B31.3, que está voltada para tubulações industriais de processo e que é nossa referência neste manual, o menor dos seguintes limites principais determina o valor da tensão admissível básica à tração (S), salvo algumas exceções, para os materiais metálicos utilizados nas tubulações, conforme tabelados no Anexo 1:

• Um terço do limite de resistência à tração na temperatura considerada ou na temperatura ambiente.

• Até 90% do limite de escoamento na temperatura considerada, sem ultrapassar ⅔ do limite de escoamento na temperatura ambiente, para aços inoxidáveis austeníticos e para alguns aços, liga ao níquel, com comportamento similar na curva tensão × deformação.

 

CAPÍTULO 5 - COMPOSIÇÃO DAS TENSÕES LONGITUDINAIS

PDF Criptografado

PARTE

I

5

COMPOSIÇÃO

DAS TENSÕES

LONGITUDINAIS

5.1

Considerações básicas

A maneira de calcular as tensões primárias longitudinais, decorrentes principalmente dos carregamentos de pressão e peso próprio, durante muito tempo foi considerada um ponto obscuro da nossa norma de referência, possibilitando interpretações distintas por parte de especialistas em flexibilidade e, por que não dizer, também por parte dos programas de cálculo disponíveis.

das tensões secundárias. A partir da versão

2010 da norma ASME B31.3 a composição da tensão longitudinal ganhou um capítulo

à parte, o chamado “parágrafo 320” – Análise das Cargas Permanentes, passando a ter uma forma de cálculo definida em detalhes, apesar de ainda ser permitida a avaliação por métodos aproximados e simplificados como as tabelas comumente utilizadas para a determinação do vão admissível entre os apoios. Passaremos então a discutir aqui essa nova forma de cálculo.

 

CAPÍTULO 6 - CONDIÇÕES DE PROJETO E TESTE

PDF Criptografado

49

C A P Í T U L O 6 — C O ND I Ç Õ E S D E P R O J E TO E TE S TE

PARTE

6

II

CONDIÇÕES DE

PROJETO E TESTE

6.1

Condições de projeto

Antes de discutirmos especificamente as condições de projeto, vamos nos reportar às definições iniciais que integram nossa norma de referência quando trata dos requisitos de engenharia nela contidos e de sua adequada segurança para o projeto, mesmo com o tratamento simplificado que pode dar a alguns assuntos. É dito também que se o projetista tiver a capacidade de aplicar uma análise mais precisa e detalhada ele tem toda a liberdade para fazê-lo, desde que as bases sejam parte integrante do projeto de engenharia que realiza e que sua validade seja aceita pelo proprietário da instalação.

Essa visão da importância de se aprofundar

e validar a visão do projetista sobre os conceitos utilizados no projeto e nas premissas de cálculo cabe perfeitamente aqui, no momento em que vamos estabelecer os requisitos para definir as condições de projeto.

 

CAPÍTULO 7 - DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DE PAREDE DOS TUBOS

PDF Criptografado

57

C A P Í T U L O 7 — D ET ERMI N AÇ ÃO D A E S P E S S UR A D E PAR E D E D O S TUBO S

PARTE

7

7.1

Composição da espessura nominal — equação geral

A condução de fluidos entre os diversos pontos de uma unidade industrial, bem como as condições inerentes ao processo químico respectivo, fazem com que as tubulações sejam submetidas, com bastante frequência, a pressões e temperaturas de trabalho sensivelmente diferentes da condição ambiental.

Como primeiro passo do dimensionamento mecânico das tubulações, faz-se necessário então determinar as espessuras de parede requeridas para que os tubos e demais componentes resistam às pressões de

II

DETERMINAÇÃO DA

ESPESSURA DE PAREDE

DOS TUBOS

trabalho a que estão submetidos nas temperaturas correspondentes. Relembrando o que já vimos, essas diferentes condições de operação serão representadas por aquela que resultar na maior espessura de parede dos tubos e demais componentes, à qual chamamos de Condição de Projeto para os cálculos envolvendo pressão.

 

CAPÍTULO 8 - DETERMINAÇÃO DO VÃO ENTRE APOIOS

PDF Criptografado

70

PARTE I I — P R O JE TO E DIMENS IONAMENTO BÁS ICO

PARTE

II

8

DETERMINAÇÃO

DO VÃO ENTRE APOIOS

8.1

Vão máximo entre apoios

Se observarmos sob o aspecto de custos, a distância entre os pontos de apoio de uma tubulação industrial, também denominada “vão”, deveria ser a máxima possível para uma determinada espessura de parede, de forma a minimizar os custos de projeto, fabricação e montagem das estruturas utilizadas nos pontos de apoio.

Por outro lado, alguns fatores limitam esse afastamento, fazendo com que tenhamos que utilizar distâncias menores e assim calcular valores admissíveis que irão determinar os vãos máximos entre os apoios.

Os seguintes fatores são de relevada importância na determinação do vão má-

ximo entre apoios de uma tubulação industrial:

• A tensão longitudinal gerada pela flexão provocada pelas parcelas do peso próprio.

• A deflexão resultante dos carregamentos de peso próprio no centro do vão.

 

CAPÍTULO 9 - EXPANSÃO - CONTRAÇÃO TÉRMICA DAS TUBULAÇÕES

PDF Criptografado

77

C A P Í T U L O 9 — EX PA NS ÃO — C O N TR AÇ ÃO TÉ R MI C A D AS TUBUL AÇ Õ E S

9

Em um sistema de tubulações, é frequente a existência de fluidos sendo conduzidos a temperaturas sensivelmente diferentes da temperatura ambiente na qual foi instalado, o que provoca uma expansão ou contração dos diversos trechos que o compõe, como função direta do coeficiente de expansão linear do material do tubo, na temperatura considerada.

Como nos referimos no primeiro capítulo deste manual, além das condições normais de operação, várias são as possibilidades para o aparecimento dessas diferen-

III

9.1

Efeitos da deformação × análise de flexibilidade

PARTE

EXPANSÃO –

CONTRAÇÃO TÉRMICA

DAS TUBULAÇÕES

tes temperaturas, por exemplo: a exposição prolongada ao sol, com a tubulação vazia; o preaquecimento de partida; a limpeza com vapor; as condições eventuais e emergências previstas, entre outras.

Se as tubulações tivessem seus extremos livres para se deslocar, essa variação de comprimento não teria efeitos sobre a

 

CAPÍTULO 10 - A IMPORTÂNCIA DOS DESLOCAMENTOS DOS BOCAIS

PDF Criptografado

87

C A P Í T U L O 10 — A I M P O RTÂN C I A D O S D E S L O C AME N TO S D O S BO C AI S

10

III

Resumindo nossa abordagem sobre as tensões e reações de flexibilidade, isto é, aquelas que são provenientes da expansão/ contração térmica de um sistema de tubulação cujas extremidades são impedidas de se deslocar livremente, chegamos à conclusão de que todas essas figuras se constituem em formas de representar o estado de deformação de nossa “estrutura tubular”. Tudo provém, na verdade, da deformação total a que a tubulação está submetida e tanto as tensões atuantes em cada ponto do sistema, como as reações impostas nos pontos de restrição estão relacionadas diretamente ao grau de deformação localizada em cada um dos trechos que a compõe. Novamente, estamos falando que um sistema de tubulação com as extremidades impedidas de

PARTE

A IMPORTÂNCIA DOS

DESLOCAMENTOS

DOS BOCAIS

se deslocar, quando submetido à variação térmica e aos deslocamentos impostos externamente por bocais de equipamentos e restrições intermediárias, experimenta uma deformação total, que resulta da combinação da variação de comprimento de seus componentes com os deslocamentos externos que lhe foram aplicados.

 

CAPÍTULO 11 - ANÁLISE DE FLEXIBILIDADE DAS TUBULAÇÕES

PDF Criptografado

91

C A P Í T U L O 11 — A NÁ L IS E D E F L E XI BI L I D AD E D AS TUBUL AÇ Õ E S

11

III

No ponto em que estamos, podemos trabalhar um conceito geral para o que chamamos normalmente “flexibilidade de uma tubulação”, fundamentado em todas as premissas, comportamentos e requisitos apresentados nos capítulos anteriores, para servir de referência para as próximas etapas que se seguirão neste manual.

PARTE

ANÁLISE DE

FLEXIBILIDADE DAS

TUBULAÇÕES

e/ou os equipamentos adjacentes nos quais está fixado através de suportes, bocais, fundações e solo, que se encontra em equilíbrio através de seus efeitos interdependentes.

Antes disso, entretanto, daremos um passo atrás para reforçar qual deverá ser o entendimento do termo “tubulação” para um analista de flexibilidade.

Cada uma das parcelas desse sistema estrutural é influenciada por suas condições de contorno individuais, e seus efeitos deverão ser transmitidos para o conjunto, após a análise detalhada do profissional especializado para o qual nos voltamos neste manual.

 

CAPÍTULO 12 - CÁLCULO PRELIMINAR PELO ASME B31.3

PDF Criptografado

99

C A P Í T U L O 12 — C Á L C UL O P R E L I MI N AR P E L O AS ME B3 1 . 3

12

PARTE

CÁLCULO PRELIMINAR

PELO ASME B31.3

III

Quando, no capítulo anterior, nos referimos aos casos em que a norma dispensa a execução de uma análise de flexibilidade formal para tubulações que preencham algumas características particulares, relacionamos entre eles um caso em que uma determinada relação empírica deverá ser atendida. Deixamos para apresentar e discutir a referida equação em capítulo específico, por causa do grau de importância que atribuímos à mesma, cuja contribuição para o projeto de tubulações industriais pode ir muito além do propósito principal para o qual foi desenvolvida.

cuja aplicação se restringe às configurações de diâmetro uniforme, que não tenham mais do que dois pontos de fixação e sem restrições intermediárias.

Isso é o que faremos agora, a partir da apresentação dessa equação empírica na forma original como é citada na norma,

 

CAPÍTULO 13 - MÉTODO DO CENTROIDE – TABELAS

PDF Criptografado

103

C A P Í T U L O 13 — M ÉTOD O D O C E N TR O I D E – TABE L AS

13

III

A abordagem do método do centroide que faremos neste capítulo será subdividida em duas partes, com propósitos distintos, porém complementares. Em um primeiro momento, discutiremos o significado, a determinação e as vantagens de utilizar o centroide de uma tubulação para obter uma visão geral dos mecanismos de distribuição das tensões decorrentes da expansão/contração térmica, e, com isso, construir uma base muito interessante para entender e melhor analisar a flexibilidade das tubulações industriais. No segundo, apresentaremos uma série de tabelas para cálculos de flexibilidade de algumas configurações particulares, elaboradas com base no método do centroide e teceremos alguns comentários importantes sobre sua utilização.

PARTE

MÉTODO DO

CENTROIDE – TABELAS

Antes de começar, entretanto, falaremos um pouco a respeito da história do centroide.

O método do centroide foi introduzido na flexibilidade das tubulações por S.W. Spielvogel em seu livro Piping Stress Calculations Simplified, publicado originalmente na década de 1950, quando era considerado um método exato para a precisão das réguas de cálculo então utilizadas. Isso ocorreu num pequeno vilarejo americano da cidade de

 

CAPÍTULO 14 - CURVAS DE EXPANSÃO – LOOPS

PDF Criptografado

111

C A P Í T U L O 14 — C U RVA S D E E XPAN S ÃO – L O O P S

14

Tais deslocamentos, se não forem absorvidos adequadamente, podem, além de produzir níveis excessivos de deformação no restante da configuração, provocar interferência com as tubulações adjacentes, nos pontos de mudanças de direção. Cabe ressaltar que, ao analisar a possibilidade de in-

III

Ao escrever esse capítulo, pretendemos entender melhor a forma de contribuição desses traçados particulares a que chamamos de curvas de expansão ou simplesmente loops, utilizados com grande frequência para solucionar o problema da flexibilidade das tubulações aéreas com trechos horizontais muito longos e, consequentemente, grandes deslocamentos decorrentes da expansão/contração térmica impostos.

PARTE

CURVAS DE

EXPANSÃO – LOOPS

terferência entre duas tubulações paralelas, sempre deve ser considerada a situação crítica em que uma delas seja mantida fria, fora de operação.

Dessa forma, as curvas de expansão constituem, em geral, o meio mais seguro e, dentro de certos limites, aquele que apresenta a melhor relação custo × benefício para absorver os grandes deslocamentos decorrentes da expansão/contração térmica dos longos trechos horizontais das tubulações, ao adicionar curvas e trechos retos transversais às direções em que os mesmos ocorrem, como na configuração básica da

 

CAPÍTULO 15 - CÁLCULOS DE FLEXIBILIDADE POR COMPUTADOR

PDF Criptografado

117

C A P Í T U L O 15 — C Á L C UL O S D E F L E XI BI L I D AD E P O R C O MP UTAD O R

15

Quando nos referimos à análise de flexibilidade, devemos ter sempre em mente que essa não é uma atividade fim e que o verdadeiro produto final, que é a fabricação e montagem das tubulações, deve sim produzir configurações adequadamente flexíveis e estruturalmente seguras, sem, entretanto, retardar e prejudicar os cronogramas de

III

Ressaltando o enfoque dado ao tema no

Cap. 11, item 11.4.4, deste manual, a aplicação dos programas de cálculo por computador na avaliação da flexibilidade das tubulações industriais deve ser guardada para aqueles casos críticos que requeiram resultados absolutamente precisos, a despeito da facilidade do seu emprego nos dias de hoje.

PARTE

CÁLCULOS DE

FLEXIBILIDADE POR

COMPUTADOR

execução da obra. Sendo assim, a adequação da flexibilidade de uma tubulação deve ser verificada tão cedo quanto possível, utilizando-se de todos os demais métodos simplificados anteriormente apresentados, conforme aplicáveis, paralelamente à definição do traçado das tubulações, evitando, dessa forma, que o acúmulo dessas “análises” na fase final do projeto venha a se tornar um obstáculo difícil de transpor, se concentradas no computador como única ferramenta de cálculo.

 

CAPÍTULO 16 - ESFORÇOS SOBRE BOCAIS DE EQUIPAMENTOS

PDF Criptografado

150

PARTE I I I — F L E XI BILIDADE DAS TU BU LAÇÕES

16

PARTE

III

ESFORÇOS

SOBRE BOCAIS DE

EQUIPAMENTOS

Vencidas as etapas para fundamentar e executar os cálculos dos deslocamentos, tensões e esforços decorrentes da expansão/ contração térmica das tubulações industriais, vamos nos dedicar neste capítulo à verificação dos bocais dos equipamentos, com base nos critérios estabelecidos pelas principais normas que tratam do projeto e construção de cada um deles.

Ao contrário das tensões resultantes nas tubulações em consequência da deformação gerada pela expansão/contração térmica restringida pelos pontos de fixação extremos e restrições intermediárias, os esforços introduzidos nesses pontos, entre os quais se destacam os bocais dos equipamentos, são normalmente considerados

na condição inicial correspondente ao primeiro ciclo, quando atingem seus valores máximos. Para isso, são calculados com a utilização do Módulo de Elasticidade do

 

CAPÍTULO 17 - “SUPORTES” DE TUBULAÇÃO – SUPORTES DE MOLA

PDF Criptografado

169

C A P Í T U L O 17 — “SU P O RTE S ” D E TUBUL AÇ ÃO — S UP O RTE S D E MO L A

17

“SUPORTES”

DE TUBULAÇÃO –

SUPORTES DE MOLA

PARTE

Tais elementos, empregados para equilibrar o peso próprio, controlar a deformação dos carregamentos impostos em geral e reduzir seus efeitos sobre os equipamentos e estruturas adjacentes, são denominados res-

trições, também chamadas vulgarmente pelo termo genérico “suportes”, que compreende o assunto que trataremos neste capítulo.

IV

A grande diferença entre uma estrutura convencional qualquer e um sistema de tubulação é que este não é autoportante. Se, além da necessidade de equilibrar o peso próprio de seus componentes, considerarmos os efeitos da temperatura e a necessidade de proteção dos equipamentos aos quais as tubulações estão conectadas, concluiremos que nossa estrutura particular precisa de elementos externos específicos para se manter em equilíbrio estável e se deformar de maneira adequada.

 

CAPÍTULO 18 - JUNTAS DE EXPANSÃO

PDF Criptografado

186

PARTE I V — ME LH OR IA DA FLEXIBILIDADE

18

PARTE

IV

JUNTAS DE EXPANSÃO

Trataremos neste capítulo desses dispositivos especiais cujo emprego objetiva prover um sistema de tubulações industriais de flexibilidade suficiente, ao absorver os movimentos decorrentes, principalmente, da expansão/contração térmica das mesmas e os deslocamentos introduzidos pelos equipamentos aos quais se encontram conectadas por meio dos bocais e dos suportes fixados ao costado.

Apesar de sua eficiência na melhoria da flexibilidade das tubulações, as juntas de expansão são consideradas um recurso extremo, altamente “engenheirado”, cuja tecnologia é proveniente de um projeto de engenharia bastante elaborado, e que requer grande conhecimento por parte do

analista para definir as reações que são liberadas quando a continuidade da tubulação é “quebrada” com a introdução desses elementos altamente flexíveis.

Logo, embora muitas vezes sua utilização seja inevitável e resulte em ganhos insubstituíveis para determinados sistemas de tubulação que não encontram outra alternativa de solução, as juntas de expansão somente devem ser utilizadas em situações extremas, em que todas as outras formas de solucionar o problema não se mostraram eficientes.

 

Carregar mais


Detalhes do Produto

Livro Impresso
Book
Capítulos

Formato
PDF
Criptografado
Sim
SKU
BPP0000223282
ISBN
9788521623847
Tamanho do arquivo
29 MB
Impressão
Desabilitada
Cópia
Desabilitada
Vocalização de texto
Não
Formato
PDF
Criptografado
Sim
Impressão
Desabilitada
Cópia
Desabilitada
Vocalização de texto
Não
SKU
Em metadados
ISBN
Em metadados
Tamanho do arquivo
Em metadados