Caldeiraria Tubulação, Notas de estudo de Engenharia Civil

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Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 3 CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Caldeiraria Caldeiraria Tubulação Industrial Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 4 Companhia Siderúrgica de Tubarão Matemática Aplicada - Caldeiraria © SENAI - ES, 1997 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) Coordenação Geral Supervisão Elaboração Aprovação Editoração Luís Cláudio Magnago Andrade (SENAI) Marcos Drews Morgado Horta (CST) Alberto Farias Gavini Filho (SENAI) Wenceslau de Oliveira (CST)) Carlos Roberto Sebastião (SENAI) Silvino Valadares Neto (CST) Nelson de Brito Braga (CST) Ricardo José da Silva (SENAI) SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial DAE - Divisão de Assistência às Empresas Departamento Regional do Espírito Santo Av. Nossa Senhora da Penha, 2053 - Vitória - ES. CEP 29045-401 - Caixa Postal 683 Telefone: (027) 325-0255 Telefax: (027) 227-9017 CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão AHD - Divisão de Desenvolvimento de Recursos Humanos AV. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro - Serra - ES. CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1322 Telefax: (027) 348-1077 Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 7 • Suportes móveis .................................................................................................. 143 • Suportes de mola ................................................................................................ 145 • Suportes de contrapeso ....................................................................................... 149 • Suportes que limitam os movimentos dos tubos .................................................. 150 • Finalidades dos suportes que limitam os movimentos dos tubos ......................... 152 • Exemplos de emprego e localização dos dispositivos de limitação de movimentos ......................................................................................................... 154 • Suportes para tubos sujeitos a vibrações ............................................................ 157 • Localização dos suportes de tubulação ............................................................... 158 • Projeto dos suportes de tubulação ...................................................................... 158 • Estruturas de apoio e fundações ......................................................................... 161 Alinhamento do Tubo ............................................................................................... 165 Fluxogramas ............................................................................................................ 171 • Desenhos isométricos ......................................................................................... 178 Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 8 Companhia Siderúrgica de Tubarão Tubulação Industrial Principais materiais para Tubos Empregam-se hoje em dia uma variedade muito grande de materiais para a fabricação de tubos. Só a A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials) especifica mais de 500 tipos diferentes de materiais. Damos a seguir um resumo dos principais materiais usados: Aços-carbono (carbon-steel Aços-liga (low alloy, high alloy steel) Aços inoxidáveis (stainless-steel) Ferrosos Ferro fundido (cast iron) Ferro forjado (wrought iron) Ferros ligados (alloy cast iron) Tubos metálicos Ferro modular (nodular cast iron) Cobre (copper) Latões (brass) Cupro-níquel Não ferrosos Alumínio Níquel e ligas Metal Monel Chumbo (lead) Titânio, Zircônio Cloreto de poli-vinil (PVC) Polietileno Acrílicos Materiais plásticos Acetato de celulose Epoxi Poliésteres Fenólicos etc. Tubos não metálicos Cimento-amianto (transite) Concreto armado Barro vibrado (clay) Borrachas Vidro Cerâmica, porcelana etc. Zinco Tubos de aço com materiais plásticos revestimento interno de elastômeros (borrachas), ebonite, asfalto concreto vidro, porcelana, etc. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 9 Veremos adiante, com mais detalhes, os tubos dos materiais de maior importância industrial. A escolha do material adequado para uma determinada aplicação é sempre um problema complexo, cuja solução depende principalmente da pressão e temperatura de trabalho, do fluido conduzido (aspectos de corrosão e contaminação), do custo, do maior ou menor grau de segurança necessário, das sobrecargas externas que existirem, e também, em certos casos, da resistência ao escoamento (perdas de carga). Voltaremos mais adiante a todas essas questões. Processos de Fabricação de Tubos Há quatro grupos de processos industriais de fabricação de tubos: Laminação (rolling) Tubos sem costura (seamless Pipe) Extrusão (extrusion) Fundição (casting) Tubos com costura (welded pipe)-Fabricação por solda (welding). Os processos de laminação e de fabricação por solda são os de maior importância, e por eles são feitos mais de 2/3 de todos os tubos usados em instalações industriais. Fabricação de tubos por laminação Os processos de laminação são os mais importantes para a fabricação de tubos de aço sem costura; empregam-se para a fabricação de tubos de aços-carbono, aços-liga e aços inoxidáveis, desde 8 cm até 65 cm de diâmetro. Há vários processos de fabricação por laminação, o mais importante dos quais é o processo “Mannesmann”, que consiste resumidamente nas seguintes operações: Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 12 Companhia Siderúrgica de Tubarão Processos de Extrusão e Fundição 1. Extrusão — Na fabricação por extrusão, um tarugo maciço do material, em estado pastoso, é colocado em um recipiente de aço debaixo de uma poderosa prensa. Em uma única operação, que dura no total poucos segundos, dão-se as seguintes fases (Fig. 3): Fig. 3 Fabricação de tubos por extrusão (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.) a) O êmbolo da prensa, cujo diâmetro é o mesmo do tarugo, encosta-se no tarugo. b) O mandril, acionado pela prensa, fura completamente o centro do tarugo. c) Em seguida, o êmbolo empurra o tarugo obrigando o material a passar pelo furo de uma matriz calibrada e por fora do mandril, formando o tubo. Para tubos de aço a temperatura de aquecimento é da ordem de 1.200°C; as prensas são sempre verticais e o esforço da prensa pode chegar a 1.500 t. Os tubos de aço saem dessa primeira operação curtos e grossos; são levados então, ainda quentes, a um laminador de rolos para redução do diâmetro. Vão finalmente para outros laminadores que desempenam e ajustam as medidas do diâmetro e da espessura das paredes. Fabricam-se por extrusão tubos de aço de pequenos diâmetros (abaixo de 8 cm) e também tubos de alumínio, cobre, latão, chumbo e outros metais não ferrosos, bem como de materiais plásticos. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 13 2. Fundição — Nesses processos o material do tubo, em estado líquido, é despejado em moldes especiais, onde solidifica-se adquirindo a forma final. Fabricam-se por esse processo, tubos de ferro fundido, de alguns aços especiais não-forjáveis, e da maioria dos materiais não-metálicos, tais como: barro vidrado, concreto, cimento- amianto, borrachas etc. Para os tubos de ferro fundido e de boa qualidade, usa-se a fundição por centrifugação, em que o material líquido é lançado em um molde com movimento rápido de rotação, sendo então centrifugado contra as paredesdo molde. O tubo resultante da fundição centrifugada tem uma textura mais homogênea e compacta e também paredes de espessura mais uniforme. Os tubos de concreto armado são também vibrados durante a fabricação para o adensamento do concreto. Fabricação de tubos com costura Fabricam-se pelos diversos processos com costura, descritos a seguir, tubos de aços-carbono, aços-liga, aços inoxidáveis e ferro forjado, em toda faixa de diâmetros usuais na indústria. Existem duas disposições da costura soldada: longitudinal (ao longo de uma geratriz do tubo) e espiral (*) (Fig. 4), sendo a longitudinal a empregada na maioria dos casos. Fig. 5 Tipos de solda em tubos com costura. Fig. 4 Tubo com solda em espiral. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 14 Companhia Siderúrgica de Tubarão Para os tubos com solda longitudinal a matéria-prima pode ser uma bobina de chapa fina enrolada, ou chapas planas avulsas. As bobinas são usadas para a fabricação contínua de tubos de pequeno diâmetro, empregando-se as chapas planas para os tubos de diâmetros médios e grandes. A bobina ou a chapa é calandrada no sentido do comprimento até formar o cilindro, sendo então as bordas entre si; a circunferência do tubo formado é a largura da bobina ou da chapa. No caso da solda em espiral, a matéria-prima é sempre uma bobina (para a fabricação contínua), para todos os diâmetros, permitindo esse processo a fabricação de tubos de qualquer diâmetro, inclusive muito grandes. A bobina é enrolada sobre si mesma, sendo a largura da bobina igual à distancia entre duas espiras da solda. Empregam-se também dois tipos de solda: de topo (butt-weld) e sobreposta (lap-weld), cujos detalhes estão mostrados na Fig. 5. A solda de topo é usada em todos os tubos soldados por qualquer dos processos com adição de metal, e também nos tubos de pequeno diâmetro soldados por resistência elétrica. A solda sobreposta é empregada nos tubos de grande diâmetro soldados por resistência elétrica. São os seguintes os processos industriais mais importantes de execução da solda: a) Solda elétrica por arco protegido (com adição de metal do eletrodo): • Solda por arco submerso (submerged arc welding). • Solda com proteção de gás inerte (inert gas welding). b) Solda por resistência elétrica (electric resistance welding — ERW) (sem adição de metal). Nos processos de solda com adição de metal, a bobina ou a chapa é sempre dobrada a frio até o diâmetro final; a conformação pode ser conseguida pela dobragem contínua da bobina, por meio de rolos, em máquinas automáticas, ou pela calandragem ou prensagem de cada chapa. Qualquer que seja o processo de soldagem, a solda é feita sempre a topo e com o mínimo de dois passes, um dos quais, nos tubos de boa qualidade, é dado pelo lado interno do tubo. Em qualquer caso, exige-se sempre que os bordos da bobina ou da chapa sejam previamente aparados e chanfrados para a solda. A solda por arco submerso e a solda com proteção de gás inerte são feitas automática ou semi-automaticamente. O processo de solda manual é raramente empregado por ser antieconômico. Todos os processos de solda por arco protegido são usados principalmente para a fabricação de tubos de aço de grandes diâmetros (25 cm em diante), embora seja possível a fabricação de tubos desde 10 cm. A costura de solda pode ser longitudinal ou em espiral. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 17 Os tubos fabricados por resistência elétrica apresentam quase sempre uma rebarba interna decorrente da solda, difícil de ser removida. Tubos de aço-carbono Devido ao seu baixo custo, excelentes qualidades mecânicas e facilidade de solda e de conformação, o aço-carbono é o denominado "material de uso geral" em tubulações industriais, isto é, só se deixa de empregar o aço-carbono quando houver alguma circunstancia especial que proíba. Desta forma, todos os outros materiais são usados apenas em alguns casos específicos. Em indústrias de processamento, mais de 80% dos tubos são de aço-carbono, que é usado para água doce, vapor de baixa pressão, condensado, ar comprimido, óleos, gases e muitos outros fluidos pouco corrosivos, em temperaturas desde — 45°C, e a qualquer pressão. Alguns tubos de aço-carbono são galvanizados, ou seja, com um revestimento interno e externo de zinco depositado a quente, com a finalidade de dar maior resistência à corrosão. A resistência mecânica do aço-carbono começa a sofrer uma forte redução em temperaturas superiores a 400°C, devido principalmente ao fenômeno de deformações permanentes por fluência (creep), que começa a ser observado a partir de 370°C, e que deve ser obrigatoriamente considerado para qualquer serviço em temperaturas acima de 400°C. As deformações por fluência serão tanto maiores e mais rápidas quanto mais elevada for a temperatura, maior for a tensão no material e mais longo for o tempo durante o qual o material esteve submetido à temperatura. (*) Em temperaturas superiores a 530°C o aço-carbono sofre uma intensa oxidação superficial (scaling), quando exposto ao ar, com formação de grossas crostas de óxidos, o que o torna inaceitável para qualquer serviço contínuo. Deve ser observado que em contato com outros meios essa oxidação pode se iniciar em temperaturas mais baixas. A exposição prolongada do aço- carbono a temperaturas superiores a 440°C pode causar ainda uma precipitação de carbono grafitização), que faz o material ficar quebradiço. Por todas essas razões não se recomenda o uso de aço- carbono para tubos trabalhando permanentemente a mais de 450°C, embora possam ser admitidas temperaturas eventuais até 550°C, desde que sejam de curta duração e não coincidentes com grandes esforços mecânicos. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 18 Companhia Siderúrgica de Tubarão Quanto maior for a quantidade de carbono no aço maior será a sua dureza e maiores serão os limites de resistência e de escoamento; em compensação o aumento do carbono prejudica a ductilidade e a soldabilidade do aço. Por esse motivo, em aços para tubos limita-se a quantidade de carbono até 0,35%, sendo que até 0,30% de C a solda é bastante fácil, e até 0,25% de C os tubos podem ser facilmente dobrados a frio. Os aços-carbono podem ser "acalmados" (killed-steel), com adição de até 0,1% de Si, para eliminar os gases, ou "efervescentes" (rimed-steel), que não contêm Si. Os aços- carbono acalmados têm estrutura metalúrgica mais fina e uniforme, sendo de qualidade superior aos efervescentes Recomenda-se o emprego de aços-carbono acalmados sempre que ocorrerem .temperaturas acima de 400°C, ainda que por pouco tempo, ou para temperaturas inferiores a 0°C. Os aços de baixo carbono (até 0,25%C) têm limite de ruptura da ordem de 31 a 37 kg/mm2, e limite de escoamento de 15 a 22 kg/mm2. Para os aços de médio carbono (até 0,35%C) esses valores são respectivamente 37 a 54 kg/mm2, e 22 a 28 kg/mm2. Em temperaturas muito baixas o aço-carbono apresenta um comportamento quebradiço, estando sujeito a fraturas frágeis repentinas. Esse efeito é melhorado quando o aço é de baixo carbono e normalizado para obtenção de uma granulação fina. Por esse motivo, os aços para trabalho em temperaturas inferiores a 0°C devem ser aços acalmados, com o máximo de 0,3% de carbono, e normalizados para uma granulação fina. Em todos os tubos operando nessa faixa de temperaturas deve ser exigido o ensaio de impacto "Charpy" para verificação de sua ductilidade. A temperatura mínima limite para uso desses aços- carbono pela norma ANSI.B.31(*) é de —50°C, embora raramente sejam empregados em temperaturas abaixo de — 45°C. O aço-carbono quando exposto à atmosfera sofre uma corrosão uniforme (ferrugem), que é tanto mais intensa quanto maiores forem a umidade e a poluição do ar. O contato direto com o solo causa não só a ferrugem como uma corrosão alveolar penetrante, que é mais grave em solos úmidos ou ácidos; esse contato deve por isso ser sempre evitado. O aço-carbono é violentamente atacado pelos ácidos minerais, principalmente quando diluídos ou quentes. O serviço com os álcalis, mesmo quando fortes, é possível até 70°C, devendo entretanto, para temperaturas acima de 40°C, ser feito um tratamento térmico de alívio de tensões; temperaturas mais elevadas causam um grave problema de corrosão sob-tensão no aço-carbono. De um modo geral, os resíduos da corrosão do aço-carbono não são tóxicos, mas podem afetar a cor e o gosto do fluido contido. Especificações para tubos de aço-carbono Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 19 São as seguintes as principais especificações americanas para tubos de aço carbono: 1. Especificações Para "Tubos Para Condução" (Nomenclatura da "COPANT"), Com ou Sem Costura (welded and seamless pipes): — ASTM-A-106 — Especificação para tubos sem costura de 1/8" a 24" de diâmetro nominal, de alta qualidade, de aço-carbono acalmado, para uso em temperaturas elevadas. Essa especificação fixa as exigências de composição química, ensaios e de propriedades mecânicas que o material deve satisfazer. A especificação abrange três graus de material: Tabela 1 c % (máx.) Mn. % Si % (mín.) Ruptura Kg/mm2 Escoamento (kg/mm2) Grau A (baixo carbono) 0,25 0,27 — 0,93 0,10 34 20 Grau A (médio carbono) 0,30 0,29 — 1,06 0,10 41 24 Grau A (médio carbono) 0,35 0,29 — 1,06 0,10 48 27 Os tubos de grau "C", que só devem ser empregados até 200°C, são fabricados apenas, eventualmente, sob encomenda. Para serviços em que haja encurvamento a frio devem ser empregados tubos de grau "A". Recomenda-se o uso de tubos A-106 quando ocorrerem temperaturas de trabalho acima de 400°C. — ASTM-A-53 — Especificação para tubos de aço-carbono, de qualidade média, com ou sem costura, de 1/8" a 24" de diâmetro nominal, para uso geral. Essa especificação fixa também as exigências de composição química, de propriedades mecânicas e ensaios que o material deve satisfazer. A aço-carbono por essa especificação não é sempre acalmado. Os tubos podem ser pretos, isto é, sem acabamento, ou galvanizados. A especificação distingue 2 graus de material: — Tubos sem costura ou fabricados por solda de resistência elétrica, aço de baixo carbono, ruptura 33 kg/mm2, escoamento 20 kg/mm2 (grau "A"). — Idem, idem, aço de médio carbono, ruptura 41 kg/mm2, escoamento 24 kg/mm2 (grau "B"). Para encurvamento a frio devem ser usados tubos de grau "A". Embora os limites máximos de temperatura permitidos pela Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 22 Companhia Siderúrgica de Tubarão Aços-liga e Aços-inoxidáveis — Casos gerais de emprego Denominam-se "aços-liga" (alloy-steel) todos os aços que possuem qualquer quantidade de outros elementos, além dos que entram na composição dos aços-carbono. Dependendo da quantidade total de elementos de liga, distinguem-se os aços de baixa liga (low alloy-steel), com até 5% de elementos de liga, aços de liga intermediária (intermediate alloy-steel), contendo entre 5% e 10%, e os aços de alta liga (high alloy-steel), com mais de 10%. Os aços inoxidáveis (stainless steel), são os que contêm pelo menos 12% de cromo, o que lhes confere a propriedade de não se enferrujarem mesmo em exposição prolongada a uma atmosfera normal. Todos os tubos de aços-liga são bem mais caros do que os de aço-carbono, sendo de um modo geral o custo tanto mais alto quanto maior for a quantidade de elementos de liga. Além disso, a montagem e soldagem desses tubos é também mais difícil e mais cara. Como todas as instalações industriais estão sujeitas a se tornarem obsoletas em relativamente pouco tempo, não é em geral econômico nem recomendável o uso de aços-liga apenas para tornar muito mais longa a vida de uma tubulação. Os principais casos em que se justifica o emprego dos aços especiais (aços-liga e inoxidáveis), são os seguintes: a) Altas temperaturas — Temperaturas acima dos limites de uso dos aços-carbono, ou mesmo abaixo desses limites, quando seja exigida grande resistência mecânica, resistência à fluência ou resistência à corrosão. b) Baixas temperaturas — Temperaturas inferiores a — 45°C, para as quais os aços-carbono ficam sujeitos a fratura frágil. c) Alta corrosão — Serviços com fluidos corrosivos, mesmo quando dentro da faixa de emprego dos aços-carbono. De um modo geral, os aços-liga e inoxidáveis têm melhores qualidades de resistência à corrosão do que os aços-carbono. Existem, entretanto, numerosos casos de exceção: a água salgada, por exemplo, destrói os aços especiais tão rapidamente como os aços-carbono. d) Necessidade de não contaminação — Serviços para os quais não se possa admitir a contaminação do fluido circulante (produtos alimentares e farmacêuticos, por exemplo). A corrosão, ainda que só seja capaz de destruir o material do tubo depois de muito tempo, pode causar a contaminação do fluido circulante, quando os resíduos da corrosão são carregados pela corrente fluida. Por essa razão, nos casos em que não possa haver contaminação, empregam-se muitas vezes os aços especiais, embora do ponto de vista propriamente da corrosão não fossem necessários. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 23 e) Segurança — Serviços com fluidos perigosos (muito quentes, inflamáveis, tóxicos, explosivos etc.), quando seja exigido o máximo de segurança contra possíveis vazamentos e acidentes. Também nesses casos, estritamente devido à corrosão, não seriam normalmente necessários os aços especiais. No que se refere à corrosão, convém observar que, exceto quando entram em jogo também a não-contaminação ou a segurança, o problema é puramente econômico: quanto mais resistente for o material, tanto mais longa a vida do tubo. Portanto, a decisão será tomada como resultado da comparação do custo dos diversos materiais possíveis, com o custo de operação e de paralisação do sistema. Tubos de Aços-liga Existem tubos de duas classes gerais de aços-liga: Os aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio, e os aços-liga níquel. Os aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio contêm até 1% de Mo e até 9% de Cr, em diversas proporções, como mostra a Tabela 2, sendo materiais ferríticos (magnéticos), específicos para emprego em temperaturas elevadas. O cromo causa principalmente uma sensível melhoria na resistência à oxidação em altas temperaturas, e na resistência à corrosão em geral, sobretudo aos meios oxidantes, sendo esses efeitos tanto mais acentuados quanto maior for a quantidade de cromo. Por essa razão, esses aços podem ser empregados em temperaturas mais elevadas do que o permitido para o aço-carbono, como mostram os limites indicados na Tabela 2. Tabela 2 Especificação ASTM e grau Tubos sem Costura Elementos de liga ( % ) Limites de temperatura para serviço contínuo ( ºC ) Cr Mo Ni A-335 Gr. P1  ½  500 A-335 Gr. P5 5 ½  480 A-335 Gr. P11 1 ¼ ½  530 A-335 Gr. P22 2 ¼ 1  530 A-335 Gr. 3   3 ½ -100 A-335 Gr. 7   2 ¼ -60 Até a quantidade de 2,5% de Cr, há um ligeiro aumento na resistência à fluência, sendo que percentagens maiores de Cr reduzem de forma acentuada essa resistência (exceto nos aços inoxidáveis austeníticos, contendo níquel). Por esse motivo, os aços-liga com até 2,5% de Cr são específicos para serviços de Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 24 Companhia Siderúrgica de Tubarão alta temperatura, com grandes esforços mecânicos e baixa corrosão, para os quais a principal preocupação é a resistência à fluência, enquanto que os aços com maior quantidade de cromo são específicos para serviços em alta temperatura, com esforços mecânicos reduzidos e alta corrosão, onde se deseja principalmente resistência à oxidação ou à corrosão. O molibdênio é o elemento mais importante na melhoria da resistência à fluência do aço, contribuindo também para aumentar a resistência à corrosão alveolar. Da mesma forma que os aços-carbono, esses aços-liga estão também sujeitos a fraturas frágeis repentinas quando submetidos a temperaturas muito baixas, não devendo por isso serem empregados em nenhum serviço com temperatura inferior a 0°C. Os aços-liga Mo e Cr-Mo também se enferrujam, embora mais lentamente do que os aços-carbono. O comportamento desses aços em relação aos ácidos e álcalis é semelhante ao do aço- carbono. Os materiais com até 2,5% de Cr são específicos para serviços em altas temperaturas, como por exemplo as tubulações de vapor superaquecido. Os materiais com mais de 2,5% de Cr são muito usados em serviços com hidrocarbonetos quentes, devido à sua alta resistência à corrosão pelos compostos de enxofre contidos nos hidrocarbonetos. Todos esses aços são ainda empregados para serviços com hidrogênio. Nos Sub-títulos (Tubulações para vapor, Tubulações para hidrocarbonetos e Tubulações para hidrogênio), veremos com mais detalhes esses diversos casos específicos de aplicação. Os aços-liga contendo níquel são materiais especiais para uso em temperaturas muito baixas, sendo a temperatura limite tanto mais baixa quanto maior for a quantidade de níquel, como mostra a Tabela 2. Tanto os aços-liga Mo e Cr-Mo como também os aços-liga Ni são materiais difíceis de soldar, exigindo tratamentos térmicos, como será visto no Cap. 14. As principais especificações da ASTM para tubos de aços-liga são as seguintes: — Tubos sem costura: A-335, para os aços-liga Mo e Cr-Mo, e A-333 para os aços-liga Ni. — Tubos com costura (de grande diâmetro): A-671 (já citada no item 1.9), para os aços-liga 21/2 Ni e 31/2 Ni, A-672 (também já citada), para o aço-liga 1/2 Mo, e A-691, para os aços-liga Cr- Mo. O processo de fabricação, faixa de diâmetros e classes de todos os tubos A-671 e A-672, bem como A-691, são os mesmos já vistos no item 1.9. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 27 A lista completa de 1/8" φ até 36" φ inclui um total de cerca de 300 espessuras diferentes. Dessas todas, cerca de 100 apenas são usuais na prática, e são fabricadas correntemente; as demais espessuras fabricam-se por encomenda. Os diâmetros nominais padronizados pela norma ANSI . B .36.10 são os seguintes: 1/8", 1/4", 3/8", 1/2", 3/4", 1", ll/4'', ll/2'', 2", 21/2'', 3", 31/2", 4", 5", 6", 8", 10", 12", 14", 16", 18", 20", 22", 24", 26", 30" .e 36".(*) Fig. 8 - Seções transversais em tubos de 1” de diâmetro nominal. (Diâmetro externo 3,34 cm = 1,315 pol.) Os diâmetros nominais de ll/4'', 21/2'', 31/2" e 5", embora constem nos catálogos, são pouco usados na prática. Os tubos de diâmetros acima de 36" φ não são padronizados, sendo fabricados apenas por encomenda, e somente com costura, pelos processos de fabricação por solda. A normalização dimensional das normas ANSI.B.36.10 e 36.19, que acabamos de descrever, foi adotada pela norma brasileira P-PB-225. Para os tubos sem costura os comprimentos nunca são valores fixos, porque dependem do peso do lingote de que é feito o tubo, variando na prática entre 6 e 10 m, embora existam tubos com comprimento de até 16 m. Os tubos com costura podem ser fabricados em comprimentos certos predeterminados; como, entretanto, essa exigência encarece os tubos sem vantagens para o uso corrente, na prática esses tubos têm também quase sempre comprimentos variáveis de fabricação ("random lenghts"). Os tubos de aço são fabricados com três tipos de extremidade, de acordo com o sistema de ligação a ser usado (como veremos no Cap. 2, a seguir): − Pontas lisas, simplesmente esquadrejadas. − Pontas chanfradas, para uso com solda de topo. − Pontas rosqueadas (rosca especificação API-SB e ANSI.B.2.1). Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 28 Companhia Siderúrgica de Tubarão Os tubos com extremidades rosqueadas costumam ser fornecidos com uma luva. A Fig. 9 mostra os tipos de extremidades de tubos. Fig. 9 - Tipos de extremidades de tubos de aço. Fora da norma ANSI.B.36.10 fabricam-se ainda as seguintes séries principais de tubos de aço: − Tubos de chapa calandrada, com costura de solda longitudinal por arco protegido, fabricados em diâmetros até 80", com chapas de 3/16" a 3/4" de espessura, dependendo do diâmetro. Diâmetros maiores podem ser obtidos sob encomenda. − Tubos com solda em espiral, fabricados de 4" até 120" de diâmetro, com chapas de 1/16" a 1/2" de espessura. Esses tubos, bem mais baratos do que os demais tubos de aço, são usados principalmente para tubulações de baixa pressão, acima do solo, para água e gás. Espessuras de parede dos “Tubos para Condução” de aço Antes da norma ANSI.B.36.10 os tubos de cada diâmetro nominal eram fabricados em três espessuras diferentes conhecidas como: "Peso normal" (Standard — S). "Extraforte" (Extra-strong — XS), e "Duplo Extraforte" (Double extra-strong — XXS). Estas designações, apesar de obsoletas, ainda estão em uso corrente. Para os tubos de peso normal até 12" φ, o diâmetro interno é aproximadamente igual ao diâmetro nominal. Pela norma ANSI.B.36.10, foram adotadas as "séries" (Schedule Number) para designar a espessura (ou peso) dos tubos. O número de série é um número obtido aproximadamente pela seguinte expressão: Série = 1000. P S em que P = pressão interna de trabalho em psig; S = tensão admissível do material em psi. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 29 A citada norma padronizou as séries 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 e 160, sendo que, para a maioria dos diâmetros nominais, apenas algumas dessas espessuras são fabricadas. A série 40 corresponde ao antigo "peso normal" nos diâmetros até 10", e são as espessuras mais comumente usadas na prática, para os diâmetros de 3" ou maiores. Para os tubos acima de 10" φ, a série 40 é mais pesada do que o antigo peso normal. Para os tubos até 8" φ, a série 80 corresponde ao antigo XS. Fabricam-se ainda tubos até 8" com a espessura XXS, que não têm correspondente exato nos números de série, sendo próximo da série 160. Para diâmetros pequenos, até 2" φ, é usual na prática especificarem-se apenas tubos de parede grossa (séries 80 ou 160) para que o tubo tenha resistência estrutural própria, simplificando assim os suportes e reduzindo a ocorrência de vibrações. Dados para encomenda ou requisição de tubos Os "tubos para condução" são sempre referidos ao seu diâmetro nominal. Para a encomenda ou requisição de tubos os seguintes dados devem ser indicados: Quantidade (em unidades de comprimento ou de peso), diâmetro nominal, espessura de parede ou número de série, norma dimensional que deva ser obedecida, descrição completa do material (especificação e grau), processos de fabricação e de acabamento, tipo de extremidades (lisa, chanfrada, rosqueada etc.), especificação do chanfro ou da rosca, tipo de acabamento externo ou de revestimento interno, se houverem. Exemplo: 10.000 kg, 10" +, série 40, ANSl .B.36.10, ASTM-A- 53.Gr.B, sem. costura, extremidades chanfradas de acordo com ANSI.B.16.25, pretos. Tubos de aço fabricados no Brasil São as seguintes, em resumo, as principais linhas de fabricação de tubos de aço no Brasil (tubos para condução): 1. Tubos sem Costura: − Tubos pretos, com pontas lisas ou chanfradas, de 1/2" a 10" φ, de acordo com as especificações ASTM-A-106, ASTM-A-53, API-SL, API-5LX, ASTM-A-333 (Graus 1, 3, 6, 7), ASTM-A-335 (Graus Pl, P2, P5, P7, P11, P12, P21, P22). Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 32 Companhia Siderúrgica de Tubarão Esses tubos têm excelente resistência ao ataque da atmosfera, da água (inclusive água salgada), dos álcalis, dos ácidos diluídos, de muitos compostos orgânicos, e de numerosos outros fluidos corrosivos. As ligas de cobre estão sujeitas a severo efeito de corrosão sob-tensão quando em contato com amônia, aminas e outros compostos nitrados. Todos esses materiais podem ser empregados em serviço contínuo desde — 180°C até 200°C. Devido ao alto coeficiente de transmissão de calor os tubos de cobre e de latão são muito empregados em serpentinas, e como tubos de aquecimento e de refrigeração. Em diâmetros pequenos (até 2"), os tubos de cobre são também muito empregado para água, ar comprimido, óleos, vapor de baixa pressão, serviços de refrigeração, e para transmissão de sinais de instrumentação. Os tubos de cobre e de suas ligas não devem ser empregados para produtos alimentares ou farmacêuticos pelo fato de deixarem resíduos tóxicos pela corrosão. As principais especificações da ASTM para esses tubos são: Tubos de cobre: B - 88 Tubos de latão B - 111 Tubos de cupro-níquel B - 466 2. Alumínio e suas ligas — Os tubos desses metais são muito leves (cerca de 1/3 do peso do aço), têm alto coeficiente de transmissão de calor, e têm muito boa resistência ao contato com a atmosfera, a água, e muitos compostos orgânicos, inclusive ácidos orgânicos. Os resíduos resultantes da corrosão não são tóxicos. A resistência mecânica do alumínio é baixa; pode entretanto ser melhorada pela adição de pequenas quantidades de Fe, Si, Mg e outros metais. Tanto o alumínio como as suas ligas podem trabalhar em serviço contínuo desde — 270°C até 200°C. É notável principalmente o seu comportamento em temperaturas extremamente baixas, sendo o alumínio o material de menor custo que pode ser usado em temperaturas criogênicas. Os tubos de alumínio são empregados para sistemas de aquecimento e de refrigeração, serviços criogênicos e serviços de não-contaminação. As principais especificações da ASTM para esses tubos são a B-241 (tubos para condução). 3. Chumbo — Os tubos de chumbo são macios, pesados, têm muito baixa resistência mecânica, mas apresentam excepcional resistência à corrosão, resistindo muito bem à atmosfera, ao solo, às águas (inclusive salgadas e aciduladas), aos álcalis, aos halogenos, e a numerosos Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 33 outros meios corrosivos. O chumbo é dos raros materiais metálicos que pode trabalhar com ácido sulfúrico em qualquer concentração. A temperatura limite de trabalho, dependendo da liga, vai de 120°C a 200°C. Os tubos de chumbo são empregados principalmente para tubulações de esgoto, sem pressão, tanto prediais como industriais. 4. Níquel e suas ligas — São os seguintes os principais materiais dessa classe empregados na fabricação de tubos: Níquel comercial, metal Monel (67% Ni, 30% Cu), Inconel (80% Ni, 13% Cr). Todo esses materiais apresentam simultaneamente excepcional resistência à corrosão, e muito boas qualidades mecânicas e de resistência às temperaturas, tanto elevadas como muito baixas. Além de resistirem muito bem aos meios corrosivos usuais, podem também ser empregados para serviços com vários ácidos diluídos e álcalis quentes. O mais usual desses materiais é o metal Monel, que é empregado para tubulações de água salgada, de ácido sulfúrico diluído, de ácido clorídrico diluído, de álcalis aquecidos, e de outros serviços corrosivos ou de não- contaminação. Para serviços oxidantes os limites de temperatura são de 550°C para o metal Monel, 1.050°C para o níquel, e 1.100°C para o Incoloy; o limite de baixa temperatura é de — 200°C para todas as ligas de Ni. O custo muito elevado desses materiais restringe o seu uso a poucos casos especiais. 5. Titânio, Zircônio e suas ligas — Esses materiais eram considerados até há pouco tempo como metais raros, quase curiosidades de laboratório. Atualmente esses metais têm emprego industrial corrente, e um grande futuro, embora os seus preços ainda estejam extremamente elevados. Esses metais têm propriedades extraordinárias tanto de resistência à corrosão, como resistência às temperaturas e qualidades mecânicas; além disso o peso específico é cerca de metade do poso dos aços. O comportamento em relação a numerosos meios fortemente corrosivos é melhor do que o dos aços inoxidáveis e das ligas de níquel. Diâmetros e espessuras dos tubos não-ferrosos Os tubos de cobre, latão, cupro-níquel, alumínio e suas ligas, são fabricados em duas séries de diâmetros e espessuras: 1. Diâmetros de 1/4" φ a 12" φ, medidos pelo diâmetro externo, e com espessuras de acordo com os calibres BWG, ou em decimais de polegada. Esse é o sistema mais comum de se encontrar esses tubos. Os tubos de cobre fabricam-se em 3 Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 34 Companhia Siderúrgica de Tubarão espessuras mais usuais, conhecidas como K, L e M, sendo a K a mais pesada. 2. Diâmetros nominais de 1/2" φ a 12" φ (IPS) e espessuras séries 20 e 40, como para os tubos de aço. Os tubos de chumbo são fabricados em diâmetros de 1/4" φ a 12" φ, medidos pelo diâmetro interno, em várias espessuras, e vendidos em rolos. Os tubos de cobre são encontrados em barras rígidas de 6 m de comprimento, ou em rolos. Os tubos de latão e de alumínio, são encontrados apenas em barras rígidas geralmente com 6 m de comprimento. No Brasil fabricam-se tubos extrudados de cobre, latão e alumínio de 1/8" a 5" de diâmetro externo, com espessuras de parede de 1/16" a 1/8". Os tubos de cobre estão padronizados na norma P-EB-64 da ABNT. Tubos não-metálicos Fabricam-se tubos de uma grande variedade de materiais não- metálicos, dos quais os mais importantes são os seguintes: 1. Materiais plásticos — Para tubulações industriais é esse atualmente o grupo mais importante dos materiais não- metálicos; por essa razão veremos separadamente nos itens a seguir com mais detalhes. 2. Cimento-amianto — Os tubos de cimento-amianto (transite) são fabricados de argamassa de cimento e areia com armação de fibras de amianto. A resistência mecânica é pequena, só podendo ser usados para baixas pressões e onde não estejam sujeitos a grandes esforços externos. O cimento-amianto tem excelente resistência à atmosfera, ao solo, às águas neutras e alcalinas, à água salgada, aos álcalis, aos óleos e aos compostos orgânicos em geral. Para a maioria desses meios o material é completamente inerte, resistindo por tempo indefinido. Os ácidos, águas ácidas e soluções ácidas atacam fortemente o cimento-amianto, que não deve ser usado para esses serviços. O principal emprego dos tubos de cimento-amianto é para tubulações de esgotos. O custo desses tubos é bem menor do que de outros que os poderiam substituir, como, por exemplo, os de materiais plásticos ou de metais não-ferrosos. Existem tubos de cimento-amianto até 36" de diâmetro, para pressões até 13 kg/cm2. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 37 Tubos de materiais plásticos Os materiais plásticos sintéticos são atualmente o grupo mais importante dos materiais não-metálicos utilizados em tubulações industriais. O emprego desses materiais tem crescido muito nos últimos anos, principalmente como substituto para os aços inoxidáveis e metais não-ferrosos. O aumento constante dos preços desses metais e o aperfeiçoamento contínuo dos plásticos tendem a tornar maior ainda a expansão do emprego desses últimos. De um modo geral os plásticos apresentam as seguintes vantagens: — Pouco peso, densidade variando entre 0,9 e 2,2. — Alta resistência à corrosão. — Coeficiente de atrito muito baixo. — Facilidades de fabricação e de manuseio (podem ser cortados com serrote) . — Baixa condutividade térmica e elétrica. — Cor própria e permanente que dispensa pintura, dá boa aparência, e permite que se adotem códigos de cores para identificação das tubulações. — Alguns plásticos podem ser translúcidos, permitindo a observação visual da circulação dos fluidos pelos tubos. Em compensação, as desvantagens são as seguintes: — Baixa resistência ao calor; essa é a maior desvantagem. Apesar dos grandes progressos que têm sido conseguidos, a maioria desses materiais não pode trabalhar em temperaturas superiores a 100°C. — Baixa resistência mecânica; o limite de resistência à tração é da ordem de 2 a 10 kg/mm2 para a maioria dos plásticos. Alguns plásticos termoestáveis (veja a seguir), laminados em camadas sucessivas de resina plástica e de fibras de vidro apresentam melhor resistência mecânica, embora sempre bem inferior ao aço-carbono. — Pouca estabilidade dimensional, estando sujeitos a deformações por fluência em quaisquer temperaturas (cold- creep). — Insegurança nas informações técnicas relativas a comportamento mecânico e a dados físicos e químicos. A margem de erro que se pode esperar nessas informações sobre os materiais plásticos é bem maior do que nas relativas aos metais. — Alto coeficiente de dilatação, até 15 vezes o do aço- carbono. — Alguns plásticos são combustíveis ou pelo menos capazes de alimentar vagarosamente a combustão. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 38 Companhia Siderúrgica de Tubarão Distinguem-se duas classes gerais de plásticos: os termoplásticos (thermoplastics) e os termoestáveis (thermosettings). Os primeiros amolecem completamente, com a aplicação do calor, antes de sofrerem qualquer decomposição química, podendo por isso serem repetidas vezes amolecidos, moldados e reempregados. Os termoestáveis, pelo contrário, não podem ser conformados pelo calor. De um modo geral os plásticos resistem muito bem aos ácidos minerais diluídos, aos álcalis (mesmo quando quentes), aos halógenos, às soluções salinas e ácidas, à água salgada e a numerosos outros produtos químicos. Não há praticamente ataque algum com a atmosfera e a água. Os plásticos podem ser usados em contato direto com o solo, mesmo no caso de solos úmidos ou ácidos. Raramente há contaminação do fluido circulante; os plásticos não produzem resíduos tóxicos. A maioria dos plásticos é atacada pelos ácidos minerais altamente concentrados. O comportamento em relação aos compostos orgânicos é variável: os hidrocarbonetos e os solventes orgânicos dissolvem alguns dos plásticos. É importante observar que, de um modo geral, os materiais plásticos têm um comportamento quanto à corrosão inteiramente diferente dos metais, porque com os plásticos não há o fenômeno de corrosão lenta e progressiva, característica dos metais. Por essa razão, ou o plástico resiste indefinidamente ao meio corrosivo, ou é por ele rapidamente atacado e destruído, não tendo portanto sentido a aplicação de sobre-espessuras para corrosão. A destruição dos materiais plásticos ocorre por dissolução ou por reação química direta. Quase todos os plásticos sofrem um processo de decomposição lenta quando expostos por longo tempo à luz solar, em virtude da ação dos raios ultravioleta, tornando-se quebradiços (wheatering). A adição de pigmentos escuros ao plástico melhora bastante a sua resistência a esse efeito. Recomenda- se por isso que os plásticos que devam ficar permanentemente ao tempo tenham pigmento de negro-de-fumo. Pelo seu conjunto de vantagens e desvantagens, os materiais plásticos são usados principalmente para serviços de temperatura ambiente ou moderada, e baixos esforços mecânicos, simultâneos com a necessidade de grande resistência à corrosão. Não podem ser empregados para tubulações, cuja avaria ou destruição por um incêndio próximo possam causar graves prejuízos ou acidentes, ainda que essas tubulações trabalhem frias. É o caso, por exemplo, das redes de incêndio, por onde circula água fria. Os materiais termoplásticos são muito empregados para tubulações de pequeno e médio diâmetros, enquanto que os termoestáveis são preferidos para as tubulações de grande diâmetro. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 39 A norma ANSl.B.31 permite o uso de materiais plásticos para fluidos de "categoria D" e para tubulações de água e de produtos químicos não-inflamáveis em centrais de geração de vapor. Principais materiais plásticos para tubulação São os seguintes os plásticos mais importantes para tubulações: 4. Polietileno — É o mais leve e o mais barato dos materiais termoplásticos, tendo excelente resistência aos ácidos minerais, aos álcalis e aos sais. É um material combustível, com fraca resistência mecânica (2,0 a 3,5 kg/mm2), e cujos limites de temperatura vão de — 38° a 80°, dependendo da especificação. O polietileno é usado para tubos de baixo preço, para pressões moderadas. No Brasil fabricam-se tubos flexíveis de 1/2" a 4", pela norma P-ES195, e tubos rígidos de 110 a 1 400 mm, nas classes 2,5; 3,2; 4,0; 6,0 e 10,0 kg/cm2. 5. Cloreto de polivinil (PVC) — É um dos termoplásticos de maior uso industrial. A resistência à corrosão é em geral equivalente à do polietileno, mas as qualidades mecânicas são sensivelmente melhores e a resistência à temperatura é um pouco maior ( — 20° a 130°C). Embora esse material possa ser queimado, a chama formada extingue-se espontaneamente. Os tubos rígidos de PVC são muito empregados para tubulações de águas, esgotos, ácidos, álcalis e outros produtos corrosivos. A fabricação desses tubos no Brasil abrange os diâmetros de 1/2" a 10", nas espessuras séries 40 e 80, com extremidades rosqueadas ou lisas, de acordo com a norma P-EB-183. Fabricam-se também aqui tubos de PVC rígidos, com revestimento externo em camadas sucessivas de resina poliéster e fibras de vidro enroladas ("filament winding"), de 25 a 400 mm de diâmetro, para serviços severos com fluidos corrosivos. Esses tubos são fabricados em duas classes de pressão (classe 20, para 10 kg/cm2 e classe 32, para 16 kg/cm2), com extremidades lisas, com bolsas, ou com flanges integrais. 6. Acrílico butadieno-estireno (ABS), Acetato de celulose — São materiais termoplásticos de qualidades semelhantes às do PVC, usados para tubos rígidos de pequenos diâmetros. Ambos são materiais combustíveis. 7. Hidrocarbonetos fluorados — Essa designação inclui um grupo de termoplásticos não-combustíveis, com excepcionais qualidades de resistência à corrosão e também ampla faixa de resistência à temperatura, desde — 200° a 260°C. Esses Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 42 Companhia Siderúrgica de Tubarão Meios de ligação de tubos Principais meios de ligação de tubos Os diversos meios usados para conectar tubos, servem não só para ligar as varas de tubos entre si, como também para ligar os tubos às válvulas, aos diversos acessórios, e aos equipamentos (tanques, bombas, vasos, etc.). Os principais meios de ligação de tubos são os seguintes: — Ligações rosqueadas (screwed joints). — Ligações soldadas (welded joints). — Ligações flangeadas (flanged joints). — Ligações de ponta e bolsa (bell and spigot joints). — Outros sistemas de ligação: ligações de compressão, ligações patenteadas etc. Vários outros tipos existem de ligações de tubos. A escolha do meio de ligação a usar depende de muitos fatores entre os quais: material e diâmetro do tubo, finalidade e localização da ligação, custo, grau de segurança exigido, pressão e temperatura de trabalho, fluido contido, necessidade ou não de desmontagem etc. S importante observar que na maioria das vezes usam-se, na mesma tubulação, dois sistemas de ligação diferentes: um para as ligações correntes ao longo da tubulação, onde a maior preocupação é o baixo custo e a segurança contra vazamentos, e outro para ligar as extremidades da tubulação nas válvulas, tanques, bombas, vasos e outros equipamentos, onde se deseja principalmente a facilidade de desmontagem. S comum também o emprego, para o mesmo serviço e mesmo material, de sistemas de ligação diferentes: um para os tubos de pequeno diâmetro e outro para os tubos de grande diâmetro. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 43 Ligações Rosqueadas As ligações rosqueadas são um dos mais antigos meios de ligação usados para tubos. Em tubos de pequeno diâmetro essas ligações são de baixo custo e de fácil execução; o diâmetro nominal máximo de uso corrente é de 2", embora haja fabricação de tubos com extremidades rosqueadas e de peças de ligação até 4", ou maiores ainda. Para a ligação das varas de tubo entre si empregam-se dois tipos de peças, as luvas e as uniões (Fig. 10), todas com rosca interna para acoplar com a rosca externa da extremidade dos tubos. Fig. 10 - Ligações rosqueadas de tubos. As roscas, tanto dos tubos como das luvas e uniões são cônicas, de maneira que, com o aperto há interferência entre os fios das roscas, garantindo a vedação. Para auxiliar a vedação usam-se massas vedantes, que endurecem no fim de algum tempo, vedando completamente. É importante que a massa vedante usada não contamine nem seja atacada ou dissolvida pelo fluido circulante. Para serviços com água ou gás, geralmente usa-se zarcão como massa vedante. As uniões são empregadas quando se deseja que a tubulação seja facilmente desmontável, ou em arranjos fechados, onde sem a existência de uniões o rosqueamento seria impossível. A vedação entre as duas meias uniões é conseguida por meio de uma junta que é comprimida com o aperto da porca, ou por meio de sedes metálicas integrais, cuidadosamente usinadas, em ambas as meias uniões. Emprega-se esse último sistema em uniões de boa qualidade para altas temperaturas. O rosqueamento enfraquece sempre a parede dos tubos; por essa razão quando há ligações rosqueadas usam-se sempre tubos de paredes grossas (série 80, no mínimo). As ligações rosqueadas são as únicas usadas para tubos galvanizados, tanto de aço como de ferro forjado. Empregam-se Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 44 Companhia Siderúrgica de Tubarão também ligações rosqueadas, embora não exclusivamente, em tubos de aço-carbono, aços-liga, ferro fundido, e materiais plásticos, sempre limitadas até o diâmetro nominal de 4". Para tubos de aços inoxidáveis e de metais não-ferrosos, o rosqueamento é muito raro, devido às paredes finas que geralmente têm os tubos desses materiais. As principais normas americanas para roscas de tubos são a ANSI.B.2.1 e a API.S.B (rosca NPT). De acordo com a norma ANSI . B . 31, as ligações rosqueadas estão limitadas até o diâmetro nominal de 2" e somente para tubulações que não sejam de. serviços fortemente cíclicos. Exceto para as tubulações de "Categoria D" (veja item I . 9), é exigida a espessura mínima série 80, para diâmetros até 1 1/2", e série 40, para diâmetros maiores. Para materiais termoplásticos, a espessura mínima deve ser série 80, em qualquer diâmetro. Essa mesma norma exige que as roscas dos tubos sejam cônicas, e recomenda que sejam feitas soldas de vedação nas roscas dos tubos que trabalham com fluidos inflamáveis, tóxicos, e outros em que se deva ter maior segurança contra vazamentos. Qualquer ligação rosqueada é sempre um ponto fraco na tubulação, sujeita a possíveis vazamentos e com menor resistência do que o próprio tubo. Por esse motivo, essas ligações, embora permitidas pelas normas, limitam-se na prática, exceto raras exceções, às tubulações de baixa responsabilidade, tais como instalações prediais e tubulações de serviços secundários em instalações industriais (por exemplo, água, ar comprimido e condensado, em baixas pressões e temperatura ambiente). Ligações Soldadas Em tubulações industriais, a maior parte das ligações são soldadas, com solda por fusão (welding), com adição de eletrodo, de dois tipos principais: — solda de topo (butt-welding); — solda de encaixe (socket-welding). Essas ligações têm as seguintes vantagens: — Resistência mecânica boa (quase sempre equivalente à do tubo inteiro). — Estanqueidade perfeita e permanente. — Boa aparência. — Facilidades na aplicação de isolamento térmico e de pintura. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 47 angulo (solda de filete); para isso, as extremidades dos tubos devem ser lisas, tendo as luvas e as uniões rebaixos onde se encaixam os tubos. Para tubulações de aço ou de metais não-ferrosos, emprega-se sempre solda elétrica, com eletrodos do mesmo material dos tubos. Para tubulações de plástico empregam-se adesivos adequados ao tipo de plástico em questão. A norma ANSI.B.31.3, recomenda que não se use solda de encaixe em serviços de alta corrosão ou erosão. Fig. 13 - Ligações de solda de encaixe para tubos. Ligações Flangeadas Uma ligação flangeada é composta de dois flanges, um jogo de parafusos ou estojos com porcas e uma junta de vedação (Fig. 14). Fig. 14 - Ligação flangeada entre tubos. As ligações flangeadas, que são ligações facilmente desmontáveis, empregam-se principalmente para tubos de 2" ou maiores, em dois casos específicos: Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 48 Companhia Siderúrgica de Tubarão 1. Para ligar os tubos com as válvulas e os equipamentos (bombas, compressores, tanques, vasos etc. ), e também em determinados pontos, no correr da tubulação, onde seja necessário facilidade de desmontagem, nas tubulações em que, para ligar uma vara na outra, sejam usados normalmente outros tipos de ligação: solda, rosca, ponta e bolsa etc. Estão incluídas neste caso todas as tubulações de aço, ferro forjado, metais não-ferrosos e grande parte das tubulações de plásticos, onde se empregam normalmente as ligações de solda ou de rosca. Incluem-se também a maioria das tubulações de ferro fundido, cujas varas de tubo são usualmente ligadas com ponta e bolsa, como veremos adiante. 2. Para a ligação corrente de uma vara na outra, em tubulações de aço que possuam revestimento interno anticorrosivo, bem como em algumas tubulações de ferro fundido, de 2" ou maiores. No caso das tubulações com revestimentos internos a ligação flangeada é a melhor solução, porque permite a perfeita continuidade do revestimento, desde que este se estenda também sobre as faces dos flanges. Como regra geral, em qualquer caso, as ligações flangeadas devem ser usadas no menor número possível, porque são sempre pontos de possíveis vazamentos, e também porque são peças caras, pesadas e volumosas. Os flanges podem ser integrais, isto é, fundidos ou forjados juntamente com o tubo, ou independentes, soldados ou rosqueados ao tubo. Os flanges de válvulas, bombas, compressores, turbinas e outras máquinas são quase sempre integrais com esses equipamentos. Embora a série padronizada de flanges da norma americana ANSI.B.16.5 abranja diâmetros nominais desde 1/2" φ até 24" φ, os flanges menores do que 1 ½" são pouso usados. Tipos de Flanges para tubos São os seguintes os tipos mais usuais de flanges, padronizados pela norma ANSI.B.16.5: 1. Flange integral [Fig. 15(a)] — Os flanges integrais para tubos são usados apenas em alguns casos para tubos de ferro fundido. É o tipo mais antigo de flanges e também o que é proporcionalmente mais resistente. 2. Flange de pescoço (welding-neck — WN) [Fig. 15(b)] — É o tipo de flange mais usado em tubulações industriais para quaisquer pressões e temperaturas, para diâmetros de 1 ½'' ou maiores. De todos os flanges não integrais é o mais resistente, que permite melhor aperto, e que dá origem a Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 49 menores tensões residuais em conseqüência da soldagem e das diferenças de temperatura. Este flange é ligado ao tubo por uma única solda de topo, ficando a face interna do tubo perfeitamente lisa, sem descontinuidades que facilitem a concentração de esforços ou a corrosão. A montagem com esses flanges é cara porque cada pedaço de tubo deve ter os extremos chanfrados para solda, e tem de ser cortado na medida certa, com muito pequena tolerância no comprimento. 3. Flange sobreposto (slip-on—SO) [Fig. 15(c)]—É um flange mais barato e mais fácil de se instalar do que o anterior, porque a ponta do tubo encaixa no flange, facilitando o alinhamento e evitando a necessidade do corte do tubo na medida exata. O flange é ligado ao tubo por duas soldas em angulo, uma interna e outra externa. Fig. 15 - Tipos de flanges para tubos. Esse flange só pode ser usado para tubulações em serviços não severos, porque o aperto permissível é bem menor, as tensões residuais são elevadas e as descontinuidades de seção dão origem à concentração de esforços e facilitam a erosão e a corrosão. De acordo com a norma ANSI.B.31, esses flanges não são permitidos para os fluidos de "Categoria M") (veja item I . 9); em tubulações de vapor, só são permitidos nas classes de pressão 150# e 300# (veja sub-título Materiais, Fabricação, Classes e Diâmetros comerciais dos flanges de aço). São desaconselhados para serviços cíclicos, serviços sujeitos a grande variação de temperatura ou sujeitos à corrosão sob contato (crevice Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 52 Companhia Siderúrgica de Tubarão 3. Face para junta de anel (ring type joint — RTJ) [Fig. 16(c)] — Esse tipo de face é usado em flanges de aço para serviços severos, de altas pressões e temperaturas, como por exemplo vapor (para flanges de classe 600#, ou acima), ou hidrocarbonetos (para flanges de classe 900#, ou acima) ou, em quaisquer casos, para temperaturas acima de 550 C; é empregado também para fluidos perigosos, tóxicos etc., em que deva haver maior segurança contra vazamentos. A face dos flanges tem um rasgo circular profundo, onde se encaixa uma junta em forma de anel metálico. Consegue-se nesses flanges uma melhor vedação com o mesmo grau de aperto dos parafusos, não só devido à ação de cunha da junta de anel nos rasgos dos flanges como, também, porque a pressão interna tende a dilatar a junta de anel apertando-a contra as paredes dos rasgos. Os flanges para junta de anel garantem também melhor vedação em serviços com grandes variações de temperatura. A dureza da face dos flanges deve ser sempre superior à do anel metálico da junta, recomendando-se os seguintes valores mínimos, de acordo com o material: aço-carbono: 120 Brinell; aços-liga e aços inoxidáveis tipos 304, 316, 347 e 321: 160 Brinell; aços inoxidáveis tipos 304L e 316L: 140 Brinell. 4. Face de macho e fêmea (male & female) [Fig. 16(d )]. Face de lingüeta e ranhura (tongue & groove) — Esses faceamentos, bem mais raros do que os anteriores, são usados para serviços especiais com fluidos corrosivos, porque neles a junta está confinada, não havendo quase contato da mesma com o fluido. Note-se que, com esses faceamentos os flanges que se acoplam entre si são diferentes um do outro. Materiais, Fabricação, Classes e Diâmetros comerciais dos flanges de aço O forjamento é o melhor sistema de fabricação para flanges de aço de qualquer tipo. Na prática, devido ao alto custo e à dificuldade de obtenção de peças forjadas de grandes dimensões, admitem-se, para os flanges de 20" ou maiores, os seguintes sistemas alternativos de fabricação: — Flanges de anel rolado laminado a quente. Esses flanges podem ser admitidos como de qualidade equivalente aos forjados — Flanges feitos de chapa ou de barra calandrada (ou prensada), em duas metades, e soldadas nas extremidades. Quando observadas todas as exigências de fabricação e de Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 53 inspeção (veja norma ASME, sec. Vlll, Div. 1, parágrafo UA-46), esses flanges podem ser aceitos sem restrições. Em qualquer uma dessas alternativas, o flange terá seção aproximadamente retangular (flanges tipo sobreposto ou equivalente), não sendo possível obter flanges de pescoço. As principais especificações da ASTM para flanges forjados são: A- 181: Flanges forjados de aço-carbono para uso geral . A-105: Idem, de aço-carbono acalmado com Si, para temperaturas elevadas. A-182: Idem, de aços-liga Mo, Cr-Mo e de aços inoxidáveis. A-351: Idem, de aço-carbono e de aços-liga Ni para baixas temperaturas. A norma ANSI.B .16.5 define 7 classes de flanges, cujas pressões nominais são: 150# 300# 400# 600# 900# 1.500# 2.500# A pressão nominal de cada classe (Primary non shock rating) é a pressão admissível de trabalho (em psi), sem choques, a uma determinada temperatura. Essas temperaturas, para os flanges de aço-carbono, são de 260°C (500°F) para a classe 150#, e de 455°C (850°F) para as demais classes. Para os flanges de aços-liga e de aços inoxidáveis essas temperaturas variam conforme o material, sendo mais altas do que as correspondentes para o aço-carbono. As pressões admissíveis de trabalho, para qualquer material e qualquer classe, decrescem com o aumento de temperatura. Assim, por exemplo, para flanges de aço-carbono classe 150#, temos as seguintes correspondências entre temperaturas e pressões admissíveis: 38°C (100°F) — 19 kg/cm2 (275 psi) 150°C (300°F) — 14 kg/cm2 (210 psi) 260°C (500°F) — 10 kg/cm2 (150 psi) pressão nominal 370°C (700°F) — 7,5 kg/cm2 (110 psi) 480°C (900°F) — 5 kg/cm2 ( 70 psi). Desta forma, o número que representa a pressão nominal, embora sirva para designar o flange, não significa a pressão admissível com que o flange pode trabalhar, como é às vezes erroneamente interpretado. A pressão admissível do flange, para cada classe de pressão nominal, depende da temperatura e do material do flange. Para temperaturas abaixo de 38°C a pressão admissível é a mesma correspondente a 38°C, desde que o material seja satisfatório para serviços nessas temperaturas. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 54 Companhia Siderúrgica de Tubarão Teremos, então, para cada classe de pressão nominal, uma curva de variação da pressão admissível em função da temperatura, como mostra a Fig. 17. Na norma ANSI.B.16.5 essas curvas estão transformadas em tabelas dando as pressões admissíveis para todas as temperaturas e para todos os materiais usuais.(*) Deve ser observado que as pressões admissíveis do flange referem-se a flanges submetidos exclusivamente ao esforço de pressão interna. Na prática teremos quase sempre outros esforços atuando simultaneamente sobre os flanges, tais como pesos, esforços de dilatação térmica etc., e portanto, quando esses esforços adicionais tiverem um valor razoável, pode ser necessário adotar um flange de classe de pressão mais alta. Fig. 17 - Curvas de pressões de trabalho / temperaturas de flanges de aço-carbono. De acordo com a norma ANSI.B.16.5 (1968). É importante notar que a norma de vasos de pressão (ASME, Seç. VIII) não aceita para os flanges os valores de pressão/temperatura da edição de 1973 da norma ANSI.B.16.5, admitindo somente os valores das edições de 1968 e de 1977, que, em alguns casos, são mais baixos. A norma ANSI.B.16.5 (assim como as outras normas dimensionais de flanges) estabelece, para cada diâmetro nominal e cada classe de pressão, todas as dimensões dos flanges: diâmetros interno e externo, comprimento, espessura, círculo de furação, número e diâmetro dos parafusos etc. Desta forma, todos os flanges de mesmo diâmetro nominal e mesma classe de pressão terão todas suas dimensões exatamente Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 57 flanges. Por esse motivo, quanto maior for a pressão do fluido tanto mais dura e resistente terá de ser a junta, para resistir ao duplo esforço de compressão dos parafusos e de cisalhamento pela pressão. A junta também deverá ser suficientemente deformável e elástica para se amoldar às irregularidades das superfícies dos flanges, garantindo a vedação. Assim, as juntas duras, se por um lado resistem a pressões mais altas, por outro lado exigem maior perfeição no acabamento das faces dos flanges e no alinhamento dos tubos, e vice-versa. O material das juntas deverá ainda resistir à ação corrosiva do fluido, bem como a toda faixa possível de variação de temperaturas. Fig. 18 - Juntas para flanges. Com flanges de face com ressalto usam-se juntas em forma de coroa circular, cobrindo apenas o ressalto dos flanges, por dentro dos parafusos [Fig. 18(a)]. As juntas usadas com os flanges de face plana cobrem a face completa dos flanges, inclusive a furação dos parafusos [Fig. 18(b)]. Para os flanges de macho e fêmea e de lingüeta e ranhura, as juntas são em forma de coroa circular estreita, encaixando-se no fundo da ranhura; como a junta fica confinada, resiste a esforços muito elevados tanto de compressão como de cisalhamento. Com os flanges de face para junta de anel, usam-se juntas de anel metálico maciço. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 58 Companhia Siderúrgica de Tubarão São os seguintes os tipos mais usuais de juntas para flanges: 1. juntas não-metálicas — São sempre juntas planas, usadas para flanges de face com ressalto ou de face plana. As espessuras variam de 0,7 a 3 mm, sendo 1,5 mm a espessura mais comum. Os principais materiais empregados são: a) Borracha natural: usada para água, ar, condensado até 60°C. b) Borrachas sintéticas: usadas para óleos até 80°C. b) Materiais plásticos: usados para fluidos corrosivos em baixas pressões e temperatura ambiente. c) Papelão hidráulico: nome genérico para designar diversas classes de juntas de amianto comprimido com um material aglutinante. De acordo com as especificações da ABNT, são os seguintes os principais tipos dessas juntas: − EB-216: amianto com composto de borracha; para água, ar, vapor saturado, soluções neutras até 200°C. − EB-212: amianto com composto especial de borracha; para vapor, amônia, cáusticos, ácidos fracos, salmoura etc. até 500°C. − EB-313: amianto com composto resistente a ácidos; para ácidos em geral até 4556ºC − EB-827: amianto com armação metálica inserida; para vapor, óleos, hidrocarbonetos etc. até 590°C. 2. Juntas semimetálicas, em espiral [Fig. 18(c)] — Essas juntas são constituídas de uma lamina metálica (geralmente de aço inoxidável), torcida em espiral, com enchimento de amianto entre cada volta. Usam-se para flanges de face com ressalto, em serviços acima dos limites permitidos para as juntas de papelão hidráulico, e5 de modo geral, para flanges de classes de pressão 600# ou mais altas. As juntas semimetálicas, em espiral são notáveis por sua excelente elasticidade. Para essas juntas, recomenda-se o acabamento liso para a face dos flanges, com rugosidade média máxima de 0,003 mm (125 RMS). 3. Juntas metálicas folheadas [Fig. 18(d)] — São juntas com uma capa metálica, plana ou corrugada e enchimento de amianto; a espessura da junta é de 2 a 3 mm. Os casos de emprego são os mesmos das juntas semimetálicas em espiral, sendo que essas juntas têm geralmente vedação mais difícil, exigindo flanges com acabamento liso com rugosidade média máxima de 0,002 mm ou com ranhuras concêntricas. Dependendo das condições de serviço, a capa Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 59 metálica pode ser de aço-carbono, aços inoxidáveis ou metal Monel. 4. Juntas metálicas maciças [Fig. 18(e)] — São juntas metálicas com faces planas ou ranhuradas. Usam-se essas juntas com flanges de face com ressalto (para pressões muito altas), e com flanges de face de macho e fêmea ou de ranhura e lingüeta. Os materiais empregados são os mesmos das juntas folheadas. Em todas as juntas metálicas é importante que o material da junta seja menos duro do que o material dos flanges. 5. Juntas metálicas de anel (JTA) [Fig. 18(f)(g)] —São anéis metálicos maciços de seção ovalada ou octogonal, sendo a ovalada a mais comum. As dimensões do anel, que variam com o diâmetro e com a classe de pressão nominal do flange, estão padronizadas na norma ANSI.B.16.20. Esses anéis são geralmente de aço inoxidável, fabricando-se também de aço-carbono, aços-liga, níquel e metal Monel, sendo sempre peças de fabricação cuidadosa. A dureza do material da junta de anel deve ser sempre menor do que a dureza do material do flange, sugerindo-se uma diferença mínima de 30 Brinell. As juntas de anel são empregadas para vapor e para hidrogênio (com flanges de classe 600#, ou mais altas), para hidrocarbonetos (com flanges de classe 900#, ou mais altas), e outros serviços de grande risco. Costumam também ser usadas para quaisquer serviços em temperaturas acima de 550°C. Devido à pequena área de contato da junta com os flanges, a força de aperto necessária para essas juntas é bem inferior à mesma força para as juntas metálicas maciças. Parafusos e estojos para flanges Para a ligação de um flange no outro e aperto da junta, empregam-se dois tipos de parafusos: — Parafusos de máquina (rnachine bolts). — Estojos (stud bolts). Os parafusos de máquina são parafusos cilíndricos com cabeça integral sextavada ou quadrada [Fig. 19(a)]. A parte rosqueada nunca abrange todo o corpo do parafuso. As dimensões dos parafusos estão padronizadas na norma ANSI.B.18.2, e as dimensões dos filetes de rosca na norma ANSI.B.1.1. Os parafusos de máquina são designados pelo comprimento (medido da extremidade do parafuso até a base da cabeça), e pelo diâmetro nominal da rosca. Esses parafusos e respectivas Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 62 Companhia Siderúrgica de Tubarão de barro vidrado, cimento-amianto e concreto, a ponta e bolsa é praticamente o único sistema de ligação usado. As ligações de ponta e bolsa são também empregadas para alguns tubos de plásticos termoestáveis de grande diâmetro. Fig. 20 - Ligação de ponta e bolsa. [(a e b) Cortesia da Cia. Ferro Brasileiro.] Para uso com ponta e bolsa, as varas de tubos são assimétricas, tendo cada uma, a ponta lisa em um extremo e a bolsa no outro extremo [Fig. 20(a)]. A ponta lisa de um tubo encaixa-se dentro da bolsa do outro tubo, no interior da qual coloca-se um material de vedação que servirá para dar estanqueidade ao conjunto. O material de vedação deve ser elástico ou ter perfeita aderência ao tubo; deve também ser resistente ao fluido conduzido, não se dissolvendo nem contaminando o mesmo. Os principais materiais de vedação são os seguintes: − Tubos de ferro fundido: chumbo derretido e estopa alcatroada, ou anéis retentores de borracha ou de plásticos. − Tubos de concreto e de cimento-amianto: argamassa de cimento cor anéis de borracha. − Tubos de barro vidrado: argamassa de cimento. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 63 Nas ligações com chumbo e estopa alcatroada, a estopa é colocada no fundo da bolsa, ligeiramente encalcada, e depois o chumbo derretido é derramado, preenchendo o restante espaço da bolsa. Quando se usa estopa alcatroada a junta deve ser mantida úmida, para que fique estanque, o que se consegue geralmente com o próprio fluido circulante. O uso do chumbo tem a grande vantagem de permitir reparos fáceis a qualquer momento; quando houver vazamentos, bastará encalcar o chumbo com ferramentas de calafate, sem sair a linha de operação. Com os tubos de ferro fundido e de ferros-ligados, são também muito usados anéis retentores de borracha ou de plástico, como elemento vedante [Fig. 20(b)]. Esses anéis alojam-se, com pequena pressão, em uma ranhura existente por dentro da bolsa. O emprego de anéis retentores torna a ligação de mais fácil execução e de muito melhor estanqueidade. Para os tubos de ferro fundido e de ferros-ligados, os perfis e detalhes da ponta e da bolsa são diferentes conforme os tubos sejam destinados para líquidos ou para gases. Com os tubos de concreto armado a ponta de encaixe não é lisa, tendo um recorte especial com um reforço de aço para servir de batente ao anel retentor de borracha; a argamassa de cimento é colocada depois para fechar completamente o espaço entre os dois tubos e dar o acabamento [Fig. 20(c)]. Para os tubos de materiais plásticos termoestáveis as ligações são preenchidas com massa vedante do próprio plástico, para cura (polimerização) no local. As ligações de ponta e bolsa permitem quase sempre um pequeno movimento angular entre um tubo e outro, e às vezes também um ligeiro movimento axial; fazem exceção evidentemente as ligações vedadas com argamassa de cimento ou materiais equivalentes. Os anéis retentores de borracha para tubos de ferro fundido permitem um considerável movimento angular (4° a 8°, dependendo do diâmetro), sendo por isso tal sistema de ligação usado em tubulações sujeitas a desnivelamentos devidos a recalques de terreno. Empregam-se as ligações de ponta e bolsa para líquidos até 15 kg/cm2 e para gases até 1 kg/cm2. A norma ANSI.B.31 só permite o uso dessas ligações em tubulações para água ou para esgoto. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 64 Companhia Siderúrgica de Tubarão Outros meios de ligação de tubos Além dos sistemas vistos acima, existem vários outros meios de ligação de tubos, entre os quais podemos citar os seguintes: 1. Ligações para tubos de plásticos reforçados com fibras de vidro (tubos FRP) — Como já vimos no sub-título Principais materiais plásticos para tubulações, esses tubos podem ter ambas as extremidades lisas, com bolsas ou com flanges integrais. Os tubos com extremidades lisas ou com bolsas são ligados um ao outro, ou aos diversos acessórios, por meio de niples especiais, que são colados com adesivo apropriado ao tipo de resina plástica. A ligação é depois recoberta com camadas sucessivas de resina (com um catalizador para a polimerização) e mantas de fibras de vidro, para manter a resistência mecânica do tubo. A Fig. 21 mostra um desses sistemas de ligação, para tubos com extremidades lisas. Fig. 21 - Emenda de tubos PVC, com revestimento laminado de fibra de vidro e resina. Os tubos com extremidades com flanges integrais são unidos como uma ligação flangeada convencional. Esses flanges têm furação de acordo com a norma PB-15 ou com a norma ANSI.B.16.5 (classe 150#). 2. Ligações de compressão — São sistemas muito usados para tubos de metais não-ferrosos e de aço inoxidável, todos de pequeno diâmetro (até 1"). Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 67 Sistemas de ligação para tubulações de aço Considerando que as tubulações de aço representam a imensa maioria de todas as tubulações industriais, podemos fazer o seguinte quadro resumo dos sistemas de ligação que podem ser recomendados para as tubulações de qualquer tipo de aço, de acordo com a prática usual: Diâmetros até 4” Ligações rosqueadas com lubas Ligações correntes ao longo da tubulação Serviços não-severos Diâmetros de 6” ou maiores Solda de topo Serviços severos Diâmetros até a ½“ Ligações de solda de encaixe com luvas Diâmetros de 2” ou maiores Solda de topo Diâmetros até 4” Ligações rosqueadas com uniões Ligações nos extremos da tubulação, ou onde for exigida facilidade de Serviços não-severos Diâmetros de 6” ou maiores Ligações flangeadas (flanges rosqueadaos ou sobrepostos) desmontagem Serviços severos Diâmetros até a 1 ½“ Ligações de solda de encaixe com uniões Diâmetros de 2” ou maiores Ligações flangeadas (flanges de pescoço) Serviço severo significa fluido não perigoso, pressão até 7 km/cm2, temperatura até 100°C. Serviço severo significa alta responsabilidade (fluidos inflamáveis, tóxicos etc.) ou pressões e/ou temperaturas superiores aos limites citados acima. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 68 Companhia Siderúrgica de Tubarão Juntas de expansão Juntas de expansão As juntas de expansão são peças não-rígidas que se intercalam nas tubulações com a finalidade de absorver total ou parcialmente as dilatações provenientes das variações de temperatura e também de impedir a propagação de vibrações. As juntas de expansão são, entretanto, raramente usadas: na maioria dos casos, o controle da dilatação térmica dos tubos é feito simplesmente por um traçado conveniente dado à tubulação, com diversas mudanças de direção, de maneira que a tubulação tenha flexibilidade própria suficiente. São os seguintes os principais casos em que se justifica o emprego de juntas de expansão: 1. Quando o espaço disponível é insuficiente para que se possa ter um trajeto da tubulação com flexibilidade capaz de absorver as dilatações. 2. Em tubulações de diâmetro muito grande (acima de 20"), ou de material muito caro, onde haja interesse econômico em fazer-se o trajeto o mais curto possível. Um trajeto mais longo para uma tubulação aumenta não só o custo da tubulação em si, como também o custo das fundações, estruturas de suporte etc., principalmente no caso de tubos pesados, de grande diâmetro. 3. Em tubulações que por exigências de serviço devam ter trajetos diretos retilíneos, com um mínimo de perdas de carga ou de turbilhonamentos. 4. Em tubulações sujeitas a vibrações de grande amplitude. 5. Em certas tubulações ligadas a equipamentos que não possam sofrer grandes esforços transmitidos pelas tubulações. A junta de expansão servirá, nesse caso, para evitar a possibilidade de transmissão de esforços da tubulação para o equipamento. 6. Para a ligação direta entre dois equipamentos. Comparando-se uma junta de expansão com uma tubulação com curvas capazes de absorver uma dilatação equivalente, verifica-se que a tubulação com curvas, devido ao maior comprimento de tubo necessário, conduz a maiores valores das Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 69 perdas de carga e das perdas de calor, acréscimo esse que pode chegar a 20%. Em compensação, as juntas de expansão são em geral mais caras do que o comprimento adicional de tubo, principalmente para pequenos diâmetros. A desvantagem mais séria das juntas de expansão é, porém, o fato de constituírem sempre um ponto fraco da tubulação, sujeito a defeitos, a vazamentos, e a maior desgaste, podendo dar origem a sérios acidentes, e com necessidade constante de inspeção e de manutenção: essa é a principal razão do seu pouco uso. Para a encomenda de juntas de expansão, pelo menos os seguintes dados devem ser fornecidos: − Natureza e propriedades completas do fluido ou dos fluidos conduzidos. − Pressão e temperatura de operação e de projeto, variações possíveis da pressão e da temperatura, com indicação dos valores máximos e mínimos e da duração prevista dessas variações. − Tipo da junta requerida; não só o tipo geral, como também detalhes desejados (tirantes, camisa interna, anéis de equalização etc. ), como veremos adiante. − Diâmetro nominal do tubo, tipo de ligação da junta à tubulação (flange, solda, rosca), com especificação completa. − Material da tubulação (especificação completa). Condições especiais de corrosão, de abrasão ou de erosão, se houverem. − Especificação completa do isolamento térmico, se houver. − Posição de trabalho da junta (vertical, horizontal, inclinada). Cargas que estejam agindo sobre a junta. Dimensões máximas que deva ter a junta, caso existam limitações de espaço. − Valores dos movimentos axial (distensão ou contração), angular, lateral ou combinações desses, que a junta deva absorver. No item a seguir trataremos especificamente dos movimentos das juntas de expansão; a Fig. 24 mostra os tipos fundamentais desses movimentos. − Freqüência dos ciclos de aquecimento e resfriamento da tubulação e tempo de vida útil requerido para a junta de expansão. − Normas, códigos ou especificações que devam ser obedecidos para a fabricação, inspeção e teste da junta. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 72 Companhia Siderúrgica de Tubarão as ancoragens e os bocais de equipamentos que possuam fundação própria. Em alguns casos, como o exemplo da Fig. 25 b, a ancoragem faz parte da própria junta de expansão. Entre dois pontos fixos só pode haver uma única junta de expansão. Para as juntas articuladas exige-se que o sistema seja geometricamente estável, não podendo por isso, entre cada dois pontos fixos, existirem mais de três juntas de expansão. Juntas de telescópio As juntas de expansão de telescópio (slide joints) consistem basicamente em dois pedaços de tubo concêntricos, que deslizam um sobre o outro, cada um ligado a um dos extremos da junta (Fig. 25). Possuem uma caixa de gaxeta convencional, com sobreposta e parafusos de aperto, para conseguir a vedação entre o tubo externo e o tubo interno. As juntas de telescópio, como é evidente, só podem absorver movimentos axiais das tubulações; por essa razão devem ser adotadas medidas convenientes para impedir esforços laterais ou momentos de rotação sobre as juntas, porque tais esforços as danificariam em pouco tempo. As juntas de telescópio de diâmetros acima de 3" e de boa qualidade costumam ter, por isso, um sistema qualquer de guias para dirigir o movimento axial, evitando desalinhamentos e rotações causados por esforços laterais, principalmente quando a junta está aberta. Essas guias podem ser internas, externas ou ambas. Todas as juntas de telescópio devem ter um dispositivo limitador de curso, que impeça o desengate por abertura excessiva. Esses dispositivos podem ser batentes internos ou externos, ou também tirantes limitadores reguláveis. Alguns modelos de juntas possuem pés de fixação que trabalham como pontos de ancoragem da tubulação. As juntas de telescópio são fabricadas de aço fundido, ferro fundido, ferro fundido nodular e bronze, em diâmetros nominais até 24", para pressões até 40 kg/cm2 e com curso até de 30 cm. Os extremos para ligação nas tubulações podem ser flangeados, ou para solda de topo, ou ainda rosqueados, nos diâmetros até 4". As juntas pequenas e baratas têm, às vezes, uma porca para aperto das gaxetas, em lugar da sobreposta com parafusos. As juntas de telescópio são empregadas principalmente para tubulações de vapor de baixa pressão, de condensado ou de água quente, em locais congestionados, onde não é possível a colocação de curvas de expansão. As juntas de telescópio só devem ser usadas para serviços leves, onde os movimentos não Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 73 sejam freqüentes, porque a movimentação freqüente fatalmente causara vazamentos. O engaxetamento é sempre uma causa de possíveis vazamentos, e por isso essas juntas não devem ser empregadas em serviços de responsabilidade ou com qualquer fluido perigoso. As juntas tipo "Dresser", e outras semelhantes, a que já nos referimos no sub-título Outros meios de ligação de tubos, podem também ser empregadas como juntas de expansão, para absorver pequenas dilatações, em tubulações de baixa responsabilidade, para fluidos não perigosos. Juntas de fole ou de sanfona As juntas de fole (packless, bellows joints) consistem essencialmente em uma série de gomos sucessivos feitos de uma chapa fina flexível (Fig. 26). Fig. 26 - Juntas de expansão de fole. [(b) Cosrtesia da Zallea Brothers Inc..] Como não possuem gaxetas não há o risco de vazamentos, e a manutenção é bem menor comparativamente com as juntas de telescópio. Por essa razão, podem ser usadas em serviços severos, com fluidos inflamáveis, tóxicos etc. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 74 Companhia Siderúrgica de Tubarão Mesmo assim, todas as juntas de fole são sempre pontos fracos da tubulação, não só porque a resistência mecânica do fole de chapa fina é bem menor do que a dos tubos, como também porque estão mais sujeitas à fadiga por serviços cíclicos e a maiores desgastes por corrosão e erosão. O grande risco nessas juntas é a ruptura súbita do fole, que pode causar vazamentos consideráveis ou até um incêndio de proporções. Por essa razão, em juntas importantes, a construção do fole deve ser extremamente cuidadosa. As soldas devem ser todas de topo, no menor número possível, localizadas de forma a sofrerem o mínimo com a deformação do fole, e absolutamente perfeitas. Nas juntas de boa qualidade o fole deve ter apenas uma costura soldada longitudinal, sem soldas circunferências. Devem ser feitos obrigatoriamente todos os testes não destrutivos compatíveiscom o material e a espessura da chapa (raios X, "magnaflux" etc.). Depois da junta instalada e em serviço, deve haver periodicamente uma inspeção meticulosa do fole, por fora e por dentro. ç importante observar que o material do fole é uma chapa fina sujeita a deformações. onde as tensões são elevadas e, portanto, os efeitos de corrosão e erosão são muito graves. As juntas de fole, dependendo do modelo, podem permitir qualquer tipo ou combinação de movimentos. Em todas as juntas de fole, o esforço axial necessário para comprimir ou para distender a junta, é bem menor do que o esforço correspondente em uma junta de telescópio para o mesmo diâmetro e pressão de trabalho. Nenhuma junta de fole é completamente drenável quando em posição horizontal, isto é, há sempre uma certa quantidade de líquido que fica retido nas corrugações. Quando em posição vertical, há algumas juntas que são completamente drenáveis, dependendo do perfil dos gomos do fole. Note-se que mesmo ínfimas quantidades de líquidos, quando retidas no fole de chapa fina, podem causar sérios problemas de corrosão. Tipos de juntas de expansão de fole São os seguintes os tipos mais importantes de juntas dessa classe: − Juntas simples. − Juntas com anéis de equalização. − Juntas com articulação (hinge-joints). - Juntas duplas. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 77 Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 78 Companhia Siderúrgica de Tubarão Purgadores de vapor, separadores diversos e filtros Definição e finalidades do purgadores de vapor Os purgadores de vapor (steam-traps) são dispositivos automáticos que separam e eliminam o condensado formado nas tubulações de vapor e nos aparelhos de aquecimento, sem deixar escapar o vapor. Por essa razão, esses aparelhos deveriam ser chamados, com mais propriedade, de "purgadores de condensado". Os bons purgadores, além de removerem o condensado, eliminam também o ar e outros gases incondensáveis (CO2, por exemplo) que possam estar presentes. Os purgadores de vapor são os dispositivos de separação mais importantes e de emprego mais comum em tubulações industriais. São as seguintes as causas do aparecimento de condensado em tubos de vapor: − Em tubulações de vapor úmido o condensado se forma por precipitação da própria umidade. − Em tubulações de vapor saturado o condensado aparece em conseqüência das perdas de calor por irradiação ao longo da linha. − Em tubulações de vapor saturado ou superaquecido o condensado pode aparecer em conseqüência do arrastamento de água, proveniente da caldeira. − Em quaisquer tubulações de vapor, o condensado sempre se forma na entrada em operação do sistema, quando todos os tubos estão frios (warm-up) e, também, quando o sistema é tirado de operação e o vapor vai-se condensando aos poucos no interior dos tubos. O condensado forma-se também em todos os aparelhos de aquecimento a vapor (serpentinas, refervedores, aquecedores a vapor, autoclaves, estufas etc.), como conseqüência da perda de calor do vapor. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 79 A remoção do condensado do ar e de outros gases existentes nas linhas de vapor deve ser feita pelas seguintes razões: − Conservar a energia do vapor: o condensado não tem ação motora (máquinas a vapor) nem ação aquecedora eficiente (o vapor aquece cedendo o calor latente de condensação). A entrada ou a permanência do condensado nos aparelhos de aquecimento diminui grandemente a eficiência desses aparelhos. − Evitar vibrações e golpes de aríete nas tubulações, causados pelo condensado, quando empurrado pelo vapor em alta velocidade. Esses golpes ocorrem principalmente nas mudanças de direção, extremos de tubulações, válvulas etc., porque as velocidades usuais para o vapor são muito maiores (20 a 100 vezes) do que as usadas para água e, também, porque o condensado é incompressível. − Evitar a erosão rápida das palhetas das turbinas, que seria causada pelo impacto das gotas de condensado. − Diminuir os efeitos da corrosão. O condensado combina-se com o CO2 existente no vapor formando o ácido carbônico, de alta ação corrosiva. − Evitar a redução da seção transversal útil de escoamento do vapor devido à acumulação do condensado. − Evitar o resfriamento do vapor em conseqüência da mistura com o ar e outros gases. Casos típicos de emprego de purgadores Os purgadores de vapor são empregados em dois casos típicos: 1º) Para eliminação do condensado formado nas tubulações de vapor em geral (drenagem de tubulações de vapor). 2º) Para reter o vapor nos aparelhos de aquecimento a vapor (aquecedores a vapor, serpentinas de aquecimento, autoclaves, estufas etc.), deixando sair apenas o condensado. A distinção entre esses dois casos convém que seja claramente entendida, porque o sistema de instalação do purgador, em um caso ou em outro, é completamente diferente. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 82 Companhia Siderúrgica de Tubarão de dinheiro. Por todas essas razões é obrigatória a colocação de purgadores de vapor na saída de qualquer aparelho de aquecimento a vapor. Detalhes de instalação dos purgadores de vapor Damos a seguir algumas recomendações sobre detalhes de instalação dos purgadores: 1. Os purgadores devem de preferência ser colocados abaixo da cota da geratriz inferior do tubo a drenar, para que possam funcionar corretamente. Fig. 29 - Purgador na saída de um aparelho de aquecimento. Isto é, o condensado deve sempre que possível correr por gravidade do tubo ou do aparelho a drenar para o purgador, como mostram as Figs. 27 e 29. Quando não for possível fazer o condensado escoar por gravidade até o purgador, deverá ser colocada uma válvula de retenção para evitar o refluxo do condensado que será, nesse caso, empurrado pela pressão do vapor. Continuará, entretanto, havendo necessidade de um acumulador onde o condensado seja coletado por gravidade; a Fig. 30 mostra um exemplo de instalação de um purgador nessas condições. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 83 Fig. 30 - Instalação do purgador mais alto do que alinha. 2. E muito recomendável a colocação de um filtro imediatamente antes de cada purgador. Esses filtros são obrigatórios antes dos purgadores de bóia e termostáticos. Existem alguns purgadores que já possuem um filtro no próprio corpo, dispensando assim a instalação de um filtro externo. 3. A descarga dos purgadores pode ser feita de dois modos: a) Descarga livre, isto é, o condensado é lançado fora do purgador e recolhido no sistema de drenagem do local (Fig. 27). b) Descarga para uma rede de tubulações que faz retornar o condensado à caldeira (Figs. 27, 29 e 30). Esse sistema é empregado quando for justificável economicamente a recuperação do condensado. As tubulações de retorno devem ter a menor perda de carga possível para não criarem contrapressão nos purgadores que, como veremos adiante, reduz muito a capacidade desses aparelhos. 4. Quando o purgador tiver descarga livre, basta colocar uma válvula de bloqueio antes do purgador, e uma válvula de dreno para descarregar o condensado quando o purgador estiver fora de operação (Fig. 27). Note-se que na descarga de um purgador para a atmosfera há sempre escapamento visível de vapor, dando a impressão que o purgador está defeituoso, porque deixa escapar vapor. Esse vapor que se vê é, entretanto, em sua maior parte, o que se chama "vapor de descompressão" ou "de reevaporação" (flash Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 84 Companhia Siderúrgica de Tubarão steam), proveniente da vaporização do condensado, depois da saída do purgador, por efeito da descompressão para a atmosfera. 5. Quando o purgador descarregar para uma linha de retorno, a instalação deve ser feita como mostra a Fig. 29, com duas válvulas de bloqueio, antes e depois, e válvula de dreno. É preferível que a linha de retorno do condensado esteja situada abaixo do purgador. Caso essa disposição não seja possível, a linha de retorno deverá ter uma válvula de retenção para impedir o refluxo do condensado (Fig. 30), e a diferença de cotas até o purgador deverá ser a menor possível. Em tubulações de funcionamento contínuo, em que haja retorno do condensado, deve ser prevista uma tubulação de contorno (by-pass) com válvula de regulagem manual (válvula globo), para uso quando o purgador estiver fora de operação, ou colocados dois purgadores em paralelo, como mostra a Fig. 29. 6. Os tubos de entrada e de saída do purgador devem ter o menor comprimento possível, e devem ser, no mínimo, de diâmetro igual ao dos bocais do purgador. Quando existirem vários purgadores descarregando em uma única linha de retorno de condensado, essa linha deverá ser dimensionada para a descarga simultânea de todos os purgadores. 7. Os purgadores devem ser sempre instalados em locais de fácil acesso para a inspeção e manutenção. Quando houver descarga de condensado para a atmosfera, o purgador deve ser colocado de forma que o jato quente de condensado não atinja pessoas ou equipamentos. Deve ser previsto sempre um meio fácil de desmontagem e remoção do purgador e do filtro, o que geralmente se consegue por meio de uniões, como mostram as Figs. 27 e 30. 8. Para tubulações de diâmetro nominal até 3", inclusive, a bacia de acumulação de condensado deve ser do mesmo diâmetro da tubulação. Para diâmetros nominais de 4", ou maiores, a bacia pode ser de diâmetro menor. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 87 Para o início de operação o purgador deve estar previamente cheio de água; a panela fica então pousada no fundo, abrindo a válvula, por onde sai o excesso de água, impelida pelo vapor. O vapor quando chega, é lançado dentro da panela, de onde vai sendo expulsa a água (que escapa pela saída), até que a quantidade de água dentro da panela, ficando pequena, faz com que a panela flutue, fechando a válvula de saída. O ar contido sai pelo pequeno furo existente no fundo da panela, por onde escapa também um pouco de vapor; o ar acumula-se no topo do purgador e o vapor condensa-se por saturação do ambiente. Chegando mais condensado, ou condensando-se o vapor, a panela enche-se de água, perde flutuação e afunda, abrindo a válvula. A pressão do vapor faz então sair o ar acumulado e o condensado, até que, diminuindo a quantidade de condensado dentro da panela, a flutuação é restabelecida fechando-se a válvula e repetindo-se assim o ciclo. Note-se que esse purgador precisa estar cheio de água, isto é, escorvado, para o início do funcionamento: se estiver seco, o vapor escapará continuamente até que o condensado arrastado, consiga encher o purgador e dar início aos ciclos. Observe-se também que durante todo o ciclo o purgador tem sempre uma certa quantidade de condensado no seu interior, que constitui justamente o selo para impedir o escapamento do vapor. Empregam-se esses purgadores na drenagem de condensado, para quaisquer valores da pressão e da temperatura, quando o volume de ar a eliminar é moderado e quando não é necessário que a saída do condensado seja contínua ou instantânea. Os purgadores de panela invertida são fabricados para capacidades de eliminação, de 250 a 15.000 kg/hora, com bocais rosqueados de 1/2" a 2". O corpo do purgador costuma ser de ferro fundido para pressões até 35 kg/cm2, e de aço fundido ou forjado para pressões maiores. O mecanismo interno completo é sempre de aço inoxidável. 3. Purgador de expansão metálica — A parte atuante desse purgador consiste em um conjunto de laminas bi-metálicas, que se curvam com o aquecimento, devido à diferença de coeficientes de dilatação dos dois metais. Quando no purgador só existe condensado (ou ar) frio, as laminas permanecem planas, e a válvula do purgador fica completamente aberta, empurrada para baixo pela própria pressão do condensado que escapa para fora. Com o aumento de temperatura do condensado as laminas se curvam iniciando o fechamento da válvula, que se completa com a chegada do vapor quente, como mostram os detalhes da Fig. 33. O modelo da Fig. 33, de fabricação "Gestra", tem um dispositivo auxiliar de labirinto na válvula, que provoca a formação de vapor de descompressão, quando o condensado escapa pela válvula semi-aberta. Esse vapor gera uma pressão que tende a Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 88 Companhia Siderúrgica de Tubarão empurrar a válvula para baixo, opondo-se à ação das laminas bi- metálicas. O balanceamento entre os dois efeitos é de tal forma que a abertura da válvula praticamente acompanha a curva de pressão/temperatura do vapor saturado, para uma larga faixa de variação de pressão, sendo assim mínima a perda de vapor, mesmo em condições variáveis de pressão ou de temperatura. 4. Purgador termostático de fole — Esse purgador consiste em uma caixa contendo no interior um pequeno fole que comanda a válvula de saída do condensado. O fole contém um líquido de ponto de ebulição inferior ao da água (Fig. 34). O purgador funciona pela diferença de temperatura que existe sempre, para a mesma pressão, entre o vapore e o condensado. O vapor, por ser mais quente, vaporiza o líquido dentro do fole, que se dilata e fecha a válvula, impedindo a saída do vapor. O condensado e o ar, como são mais palmente quando se tem grande volume de ar a eliminar. A descarga do condensado é intermitente, demorada, e a perda de vapor é relativamente grande. Não pode ser empregado para vapor superaquecido. Fig. 33 - Purgador de expansão metálica. (Cortesia de Gestra Latino- Americana.) Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 89 Fig. 34 - Purgador termostático de fole. 5. Purgador termodinâmico — É um aparelho de construção extremamente simples, cuja única peça móvel é um disco que trabalha dentro de uma pequena câmara abrindo ou fechando, simultaneamente, as passagens que dão para a entrada do vapor e para a saída do condensado (Fig. 6.9). O funcionamento é o seguinte: o condensado ou o ar chegando ao purgador, empurrados pela pressão do vapor, levantam o disco e escapam para fora. Chegando o vapor, a princípio ele escapa também; mas logo em seguida, o jato de vapor em alta velocidade passando por baixo do disco, cria uma zona de baixa pressão (teorema de Bernoulli) e o disco abaixa-se tendendo a fechar a saída do vapor. Assim que o disco começa a se abaixar, o vapor passa para a câmara acima do disco, e a pressão do vapor força então o disco para baixo. Ao mesmo tempo, esse movimento do disco causa uma redução na seção de saída do vapor; em conseqüência, a velocidade aumenta e a depressão causada aumenta também, até que o disco encosta- se na sede, fechando a saída do vapor. Como a área útil da face superior do disco é muito maior do que a área útil da face inferior, a pressão do vapor retido acima do disco mantém o purgador fechado, com o disco apertado contra a sede, enquanto houver vapor quente no purgador. Com a chegada do condensado (mais frio do que o vapor), o vapor retido acima do disco começa a se condensar, perde pressão e o disco levanta-se, repetindo-se todo o ciclo novamente. Note-se que a velocidade de escoamento do vapor é sempre muito maior do que a velocidade do condensado, devido ao grande volume específico do vapor. Se quando o purgador se abrir, em conseqüência da condensação do vapor retido acima do disco, não houver condensado para sair, escapará um pouco de vapor em alta velocidade que preenchendo o espaço acima do disco, fechará de novo rapidamente o purgador. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 92 Companhia Siderúrgica de Tubarão Damos a seguir, nas Tabelas 4 e 5, um quadro resumo comparativo das principais características dos tipos mais importantes de purgadores de vapor e recomendações sobre seleção de purgadores para alguns casos típicos de emprego. Tabela 4 CARACTERÍSTICAS DOS PURGADORES TIPO Pressão máxima do vapor (kg/cm2) Capaci- dade máxima (kg/h) Permite descarga contínua ? Elimina- ção do ar Resis- tência a golpes de aríete Perda de vapor Necessi- dade de manuten- ção Bóia 35 50.000 sim pode ser não pouca regular Panela invertida 180 15.000 não sim sim pouca bastante Panela aberta 100 6.000 não sim sim pouca bastante Expansão metálica 50 4.000 pode ser sim sim bastante regular Expansão líquida 35 4.000 pode ser sim não bastante regular Expansão balanceada 35 1.000 poder ser sim não bastante regular Termodinâmico 100 3.000 não sim sim regular quase nenhuma Impulso 100 5.000 não não sim regular quase nenhuma Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 93 Tabela 5 CASOS TÍPICOS DE EMPREGO DE PURGADORES Serviço Condições Tipos recomendados Coeficiente de segurança (*) Drenagem de Tubulações de vapor Vapor saturado Alta pressão (mais de 20 kg/cm2) Média pressão (até 20 kg/cm2) Baixa pressão (até 2 kg/cm2) B B — C C — B 2 2 3 (com retorno de condensado) Vapor superaquecido Alta pressão (mais de 20 kg/cm2) Média pressão (até 20 kg/cm2) Baixa pressão (até 2 kg/cm2) B — C C — B C — B 2 2 3 Drenagem de Tubulações de vapor Vapor superaquecido Pressões até 1 kg/cm2 C 2 (sem retorno de condensado) ou saturado Pressões maiores do que 1kg/cm2 D 3 Aquecimento de tubulações — — D 3 Aparelhos de aquecimento Altas vazões (mais de 4.000 kg/h) Vazão constante Vazão variável A — B A — B 2 4 a vapor Médias e baixas e vazões (até 4.000 kg/h) Vazão constante Vazão variável A — C C — A 2 4 Serpentinas de tanques — — B — A 3 A: purgador de bóia C: purgador termostáticos ou de expansão metálica B: purgador de panela invertida D: purgador termodinâmico (*) Coeficiente de segurança para a quantidade de condensado calculada. Para a determinação da pressão do vapor na entrada do purgador devem ser levadas em conta as perdas de carga que se derem até o purgador. Da mesma forma, quando a descarga do condensado se faz para uma linha de retorno, as perdas de carga nessa linha têm de ser consideradas para se obter a pressão do condensado na saída do purgador. Se as condições de pressão do vapor, do condensado, ou de ambos, forem variáveis, o purgador deverá ser selecionado para a mínima pressão do vapor e para a máxima pressão do condensado, isto é, para a menor pressão diferencial entre a entrada e a saída do aparelho. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 94 Companhia Siderúrgica de Tubarão Para qualquer purgador a capacidade de eliminação de condensado é sempre função da pressão diferencial através do purgador e da temperatura do condensado. Quanto menor for a pressão diferencial menor será a capacidade de eliminação e vice-versa. A capacidade diminui também com o aumento de temperatura do condensado, devido à maior formação de vapor de descompressão na saída do purgador. Por essa razão, todos esses aparelhos devem ser dimensionados em função da menor pressão diferencial e da maior temperatura do condensado, possíveis de ocorrer. A quantidade de condensado a ser eliminada é o dado mais difícil de se estabelecer, porque depende de um grande número de fatores muito variáveis. No item a seguir veremos com mais detalhes como se pode avaliar essa quantidade. Fixado o tipo de purgador e calculadas a pressão diferencial mínima e a quantidade de condensado, a escolha do modelo adequado resume-se a uma consulta aos catálogos dos fabricantes. Esses catálogos dão, em geral, para cada modelo de purgador, a capacidade de eliminação em função da pressão diferencial. Cálculo da quantidade de condensado a eliminar Para a avaliação da quantidade de condensado a eliminar temos que distinguir os dois casos gerais de emprego dos purgadores de vapor, vistos no Sub-título Casos típicos de emprego de purgadores: − Purgadores para a drenagem de linhas de vapor. − Purgadores para reter vapor na saída de aparelhos de aquecimento. Para os purgadores que se destinam à drenagem de linhas de vapor, a quantidade de condensado pode ser calculada pela seguinte expressão: Q = n (Qa + 0,5 Qs) (1) em que: Q = quantidade total de condensado (a capacidade de eliminação do purgador deverá ser igual ou maior do que Q). n = coeficiente de segurança (veja Tab. 5). Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 97 São os seguintes os princípios gerais de funcionamento da maioria desses aparelhos: − Flutuação. − Inércia. − Capilaridade. − Absorção. Alguns separadores aproveitam-se simultaneamente de mais de um dos mencionados fenômenos. Os aparelhos que trabalham por flutuação são inteiramente semelhantes aos purgadores de bóia, já vistos, sendo empregados na separação e eliminação de água e de outros líquidos nas tubulações de ar e de gases em geral. Esses separadores que são sempre peças pequenas (fabricadas até 2" de diâmetro nominal) são muito usados para a drenagem da água que se forma em tubulações de ar comprimido, sendo às vezes denominados de "purgadores de água". O princípio da inércia é utilizado nos aparelhos destinados a separar líquidos e sólidos em suspensão (inclusive poeiras) em tubulações de gases. Nesses separadores a corrente de gás, carregada de partículas líquidas ou sólidas, é obrigada a mudar de direção várias vezes a grande velocidade. Nessas mudanças de direção as partículas líquidas ou sólidas separam-se por serem mais pesadas (devido à inércia) sendo então recolhidas e eliminadas. Em alguns desses separadores a corrente é lançada tangencialmente em uma caixa cilíndrica, ficando animada de um movimento espiralado de alta velocidade. Os ciclones usados para separação de poeiras em correntes gasosas funcionam dessa maneira. Em outros separadores de inércia as mudanças de direção são conseguidas por meio de chicanas, convenientemente colocadas, que também servem para guiar o líquido coletado; são desse tipo os dois exemplos mostrados na Fig. 36. Um tipo muito comum de separadores de chicanas, são os separadores de condensado (denominados, às vezes, de "separadores de vapor") usados em linhas de vapor úmido, ou em linhas em que a quantidade de condensado seja muito grande. Esses aparelhos geralmente funcionam conjugados com um purgador de vapor, que é instalado no dreno do separador, para a eliminação automática do condensado coletado. A Fig. 36 mostra uma instalação desse gênero. Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ CST 98 Companhia Siderúrgica de Tubarão Fig. 36 - Separadores de inércia. Fabricam-se separadores de chicanas e de ciclone até 12" de diâmetro nominal, muito usados na eliminação de água, de óleo e de poeiras em linhas de ar comprimido, de vapor e de outros gases. Os separadores que agem por capilaridade servem principalmente para a coleta e eliminação de ar e de água em tubulações de líquidos leves. Nesses aparelhos a corrente líquida atravessa elementos de tela fina ou de palhas especiais onde se formam, por diferença de capilaridade, bolhas de ar ou gotículas de água que são depois coletadas. Os separadores de absorção são aparelhos no interior dos quais existem elementos de substancias especiais capazes de absorver e reter o material que se deseja separar. A veia fluida atravessa esses elementos, onde a absorção se dá geralmente por meio de reações químicas. Os elementos absorventes têm uma vida relativamente curta, no fim da qual devem ser substituídos. Os desumidificadores de sílica-gel ou de alumina, empregados para remover umidade em correntes de ar ou de outros gases, funcionam segundo esse princípio. Quase todos os separadores, de qualquer tipo que sejam, costumam ter um pequeno depósito para coleta do material separado, um visor de nível para observação e controle, e uma torneira de dreno funcionando manual ou automaticamente. A instalação dos separadores que coletam material mais pesado do que o fluido conduzido deve ser feita nos pontos baixos das Espírito Santo _________________________________________________________________________________________________ __ _________________________________________________________________________________________________ __ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 99 tubulações, de modo semelhante aos purgadores. Esse é o caso, por exemplo, dos separadores de água em tubulações de ar (purgadores de água), que são instalados em derivações saindo dos pontos baixos da linha. Os separadores que eliminam ar e gases mais leves do que o fluido conduzido devem ser instalados nos pontos altos das tubulações. Em qualquer caso, o material a ser coletado deve sempre tender a correr por gravidade para o separador. Em linhas de vapor de grande diâmetro, o ar e outros gases incondensáveis podem-se acumular em bastante quantidade nos pontos altos da linha, principalmente no início da operação, tornando difícil a sua remoção através dos purgadores. Será necessário nesses casos a instalação de aparelhos especiais para a eliminação desses gases, colocados nos pontos altos da tubulação e dos equipamentos ligados à tubulação. Esses separadores são freqüentemente purgadores termostáticos, instalados em pequenas derivações, nos pontos altos, conjugados com os respiros da tubulação. Os aparelhos separadores muito grandes e complexos (por exemplo, os centrifugadores com motor elétrico), não são considerados como acessórios de tubulação, sendo classificados como equipamentos de processamento. Filtros para tubulações Os filtros (strainers, filters) são também aparelhos separadores destinados a reter poeiras, sólidos em suspensão e corpos estranhos, em correntes de líquidos ou de gases. São de uso comum em tubulações industriais duas classes de filtros: provisórios e permanentes. Os filtros provisórios são peças que se intercalam nas tubulações, próximo aos bocais de entrada dos equipamentos (bombas, compressores, turbinas etc.), para evitar que sujeiras e corpos estranhos deixados nas tubulações durante a montagem, penetrem nesses equipamentos quando o sistema for posto em funcionamento. Depois que as tubulações já estiverem em funcionamento normal por algum tempo e, portanto, tiverem sido completamente lavadas pelo próprio fluido circulante, os filtros provisórios deverão ser removidos. É obrigatória a colocação de filtros provisórios na entrada de todos os equipamentos que possam ser danificados pela presença de corpos estranhos, porque, por mais bem feita que tenha sido a limpeza prévia das tubulações após a montagem, é impossível garantir-se que não haja no interior das mesmas poeiras, terra, ferrugem, rebarbas de solda, pontas de eletrodos e outros materiais estranhos.