OTIMIZAO DE ESPESSURAS EM TUBULAES Introduo O projeto e construo de linhas de tubulaes industriais, pressurizadas e/ou aquecidas, tem na norma ASME serie B31 e j de longa

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    OTIMIZAO DE ESPESSURAS EM TUBULAES INDUSTRIAIS ATRAVS DA ANLISE ESTRUTURAL

    Francisco Ruiz Dominguez, MSc (1), ENGESERV Ltda. frdominguez@uol.com.br

    Edison Gonalves, PhD (2), Prof.Titular - EPUSP edison@usp.br

    Resumo Nas plantas industriais dos setores qumico e petroqumico observa-se uma grande quantidade de complexas redes de tubulaes instaladas, o que se deve basicamente necessidade de transferir e processar fludos em diversas condies de presso e temperatura em suas operaes produtivas. Uma indstria petroqumica de mdio porte possui entre 3.000 e 15.000 toneladas de tubulaes de ao-carbono instaladas, fazendo com que o adequado dimensionamento desse sistema de tubulaes adquira grande importncia. Via de regra, esses sistemas de tubulaes operam sob presses e temperaturas elevadas, alm de serem linhas longas, com arranjos e rotas tridimensionais e de vinculao hiperesttica. Procedimentos normativos e mtodos de soluo estrutural so discutidos e comparados, com o objetivo de validar premissas originais, aplicar o Mtodo dos Elementos Finitos como ferramenta de otimizao estrutural e principalmente buscar solues construtivas seguras e mais econmicas. Abstract In the chemical and petrochemical plants we can notice a big amount and complexity of pipings installeds, it happens due to the need to transfer and process fluids with differents pressures and temperatures and to get the operational requirements of production. A middle size petrochemical plant has among 3,000 to 15,000 tons of carbon steel pipings assembled so an adjusted sizing of these piping systems is very important. In general, these piping systems work under elevated pressures and temperatures, are long, with tridimension arrangement and have hyperstatic restrictions. Code procedures and structural solutions methods are discussed and compared with goal to verify original rules, to apply the Finite Element Analyze as tool to structural optimatization and mainly to get building solutions safety and cheaper. This paper is part of master degree work from author1, where can find it the complete work. Palavras chave: Tubulaes, anlise de flexibilidade, ASME, reduo espessuras de tubo, elementos finitos, casca, viga, SIF. Piping, flexibility, stress analyse, ASME, thickness reduction, finite element, shell, beam, SIF

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    Introduo O projeto e construo de linhas de tubulaes industriais, pressurizadas e/ou aquecidas, tem na norma ASME serie B31 e j de longa data um conjunto de procedimentos que orientam requisitos para os materiais empregados, controle de qualidade de fabricao e tambm seu projeto, em especial, uma parte dirigida anlise de flexibilidade de tubulaes. Esses critrios so caracterizados desde os idos de 1950 por (KELLOGG, 1979, [14] ), no Brasil nos anos 70 por (TELLES, 2000, [18] ) e (BAILONA, 2006, [4] ). Existem 04 pontos, que sempre fundamentaram os projetos nessa rea at o momento, que so: 1) A soluo estrutural da linha de tubulao, pela teoria de vigas e pela teoria de membrana para a presso interna. 2) Os fatores de intensificao de tenses (SIF-normativos) so aplicados, sobre esforos de viga, em singularidades como conexes, visando prever um nvel de tenses mais compatvel para essas regies. 3) O efeito de relaxamento espontneo (self-springing) que reduz com o tempo ou ciclos o nvel das tenses secundrias. 4) Via de regra, a espessura mnima regida pela tenses circunferenciais, oriundas da presso interna mas a espessura final adotada pode ser dependente tambm das tenses secundrias, devido a intensificao local de tenses. Esses aspectos so discutidos e reavaliados, permitindo apresentar a real possibilidade de reduo da espessura de parede final, adotada para os tubos aplicados nesses projetos. Tenses Atuantes em Tubulaes A norma ASME B31.3 dirigida a instalaes petroqumicas e seus fludos de processo e a norma ASME B31.1 destinada a produo e distribuio de vapor, entre outras, classificam as tenses atuantes em uma tubulao, basicamente em 02 grupos: - Tenses Primrias, oriundas de carregamentos como presso, peso-prprio, vento, cargas de componentes ou equipamentos montados nestas, etc. cuja variao do carregamento tem interao direta com a rigidez estrutural, afetando o nvel de tenses internas do tubo. - Tenses Secundrias, desenvolvidas pelo processo de expanses trmicas, sob temperaturas acima da temperatura ambiente, dos diversos segmentos de uma linha de tubulao, onde estes deslocamentos impostos entre trechos ortogonais, geram um conjunto de esforos mecnicos, em especial os de flexo-toro. Nas tenses secundrias, observa-se e demonstra-se tambm, que as foras desenvolvidas na distribuio das parcelas de dilatao trmica entre trechos da tubulao, esto associadas com a flexibilidade, ou melhor, nvel de restrio do trecho que ir receber essa parcela de deslocamento imposto. Essa rigidez caracterizada, em linhas gerais, pelo comprimento ao cubo dos trechos ortogonais absorvedores da dilatao, a partir das foras decorrentes que produziro os deslocamentos, geram-se uma srie de esforos internos. Como h uma relao deslocamento por expanso trmica (n), flexibilidade (L3) e conseqente fora (F) desenvolvida, a mudana apenas da espessura do tubo (para um determinado dimetro) ou seja, a rigidez prpria (I) da seco desse tubo no altera o nvel das tenses secundrias.

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    Isso tudo, visto pela tica da teoria de vigas estaria correto, porm nas singularidades (regies de concentrao de tenses) e se considerarmos aspectos de ovalizao, caracterizados por teoria de cascas, iremos verificar, que localmente o quadro acima pode se modificar com a variao da espessura.

    Os materiais empregados em tubulaes, em especial os aos carbono, tem suas propriedades fsicas como limite de escoamento e resistncia decaindo com o aumento de temperatura, estes valores j associados aos coeficientes de segurana so disponibilizados pela ASME taba, como, tenso admissvel Sc (na temperatura ambiente) e Sh (na temperatura de projeto). As tenses primrias atuantes devem ser comparadas, com as admissveis, da seguinte forma normativa: a) tenses tangenciais (hoop stress) ou circunferncias, devido a presso interna, seguindo-se a tenso membrana ( Stp=P.D/2.tc) ajustada pela norma B31.3 nos itens 304.1 e 304.2 Stp

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    FIGURA 1 Ilustrao original da norma ASME B31.3 para determinao dos esforos secundrios em conexes de tubulao, aplicando-se os fatores SIF (ii e io) Na tenso secundria admissvel Sa, a qual uma combinao majorada das tenses admissveis a quente e a frio, podemos observar que o valor oriundo desta combinao exceder o valor da tenso de escoamento do material (Sy). A partir disto, entraremos no item 3 desta introduo, ou seja, a norma ASME baseia-se no principio do relaxamento espontneo (self-spriging). Este principio, caracteriza uma reduo das tenses atuantes aps alguns ciclos de operao. Portanto poder-se-ia partir de um nvel de tenses inicial mais alto que posteriormente estas tenses decairiam. As condies previstas para a ocorrncia deste efeito so: - Relaxamento trmico, caso a tubulao esteja na zona da temperatura de fluncia e sob deformao constante. - Redistribuio das tenses locais, devido s cargas trmicas serem tipicamente cclicas, ocorrendo regies de plastificao com posteriores tenses residuais e redistribuio com o retorno ao nvel elstico (efeito shakedown) . - Folgas em restries, deformaes por flambagem ou flexo que produziriam pontos de escape ou acomodamento sob dilatao trmica. Trata-se de uma condio um pouco delicada, por conta, por exemplo, de que uma grande parte das tubulaes opera abaixo da temperatura de fluncia (para os aos carbono ao redor de 450oC.), quanto redistribuio de tenses, esta ocorre e inclusive um conceito aplicado em dimensionamento plstico, porm a quantidade de ciclos para estabilizao e as deformaes plsticas decorrentes devem ser bem administradas visando evitar uma fadiga de baixo ciclo (fadiga controlada por deformao) ou Ratchetting (deformao plstica acumulativa), este ltimo controlado pela parcela acima da tenso de escoamento (pico principal e reverso), vide (MOORTHY GANESA, [12]) e ASME-VIII div-2. Por ltimo, as folgas e pontos de escape existem construtivamente, mas so variveis caso a caso. Essa situao descrita um dos procedimentos indicados pela norma a qual, provavelmente baseia-se em experincias acumuladas, porm no raro haverem informaes de alguns casos de falhas em tubulaes industriais por deformao

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    excessiva, fadiga de alto ciclo ou mesmo de alto/mdio ciclo por tenses finais j estabilizadas (elsticas) mais elevadas em tubulaes industriais. Fatores de Intensificao de Tenses (SIF) Estes fatores foram determinados experimentalmente por (MARKL, 1959, [11]), onde este relacionou o valor do momento fletor que causou falha por fadiga com um certo numero de ciclos, em um trecho reto de tubo, pelo momento fletor que causaria falha por fadiga em uma conexo (singularidade) especfica sob o mesmo numero de ciclos do trecho reto. Estes valores foram ajustados e transferidos a formulaes que associam caractersticas geomtricas de cada conexo.

    FIGURA 2 Ilustrao original da tabela aplicada pela norma ASME B31.3 para os SIF.

    Estes fatores (ii,io) so maiores ou iguais a unidade e devem ser aplicados ao maior dos respectivos momentos fletores de fronteira com a conexo, para posterior determinao das tenses atuantes, vide figura-1. Realmente estes fatores so recursos auxiliares importantes para previso de tenses locais em singularidades, tratando-se de anlise por teoria de vigas, pois no seria

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    possvel de outra forma, porm estes fatores na verdade, tem mais uma caracterstica de fatores de concentrao de tenses do que exatamente elementos de anlise de fadiga, pois se desconhece o numero de ciclo

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