UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCOESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO

TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS

RAQUEL MELO DE ALMEIDA0116227

ENGENHARIA MECÂNICA MECATRÔNICA

Trabalho Final da disciplinaDe Estágio Curricular Supervisionado

Orientado pelo Prof. Antonio Fernando de C. Mota

Recife, Agosto de 2005

Professor Orientador:

Antonio Fernando de C. Mota

RESUMO

TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS

Aluno: Almeida, R. M.Orientador: Mota, Antonio Fernando de C.Escola Politécnica de Pernambuco – POLI/UPE

Este trabalho visa aplicar alguns conceitos de dimensionamento nos diversos equipamentos que envolvem tubulações industriais, como bombas, válvulas, balões de escorva, edutor de vácuo e instrumentação em geral. Também é um ponto forte do trabalho o estudo do Balanço de Massa, fundamental para um bom dimensionamento do projeto final.

Para a elaboração do trabalho, foi realizado primeiramente o levantamento de dados com o material fornecido pela siderúrgica e, no desenvolver do projeto, foram apresentadas as soluções para discussão e correção até atender às necessidades finais do cliente.

Diante dos objetivos atendidos serão realizadas as melhorias do processo. O projeto ainda não foi executado, o que não possibilita comprovar os resultados esperados. Porém, a empresa tem vasto conhecimento e experiência na área, fornecendo assim uma boa margem de segurança para o cliente.

O desenvolvimento do projeto na área de tubulações industriais é, ao mesmo tempo grandioso e meticuloso. Isso se dá devido à necessidade de se ter uma visão ampla e também individual dos instrumentos e equipamentos que compõem a tubulação, precisando para isso consultar livros, arquivos, catálogos e todo o material que estiver disponível para o melhor entendimento do projeto.

Palavras-chave: tubulações industriais, equipamentos, instrumentaçãoÁrea do conhecimento: Instalações Industriais

Visto do orientador: ______________________________

SUMÁRIO

1 – Introdução 042 – Objetivos Gerais 043 – Objetivos Específicos 044 – Cronograma das atividades 045 – Revisão bibliográfica 046 – Desenvolvimento do trabalho 05

6.1 – Objetivo 056.2 – Situação Atual 056.3 – Avaliação do sistema 05

6.3.1 – Planejamento 056.3.2 – Balanço de massa 056.3.3 – Volume do sistema 06

6.4 – Indicação de melhorias 066.4.1 – Bombas de água quente 066.4.2 – Elevação das bombas de água quente 066.4.3 – Balão de escorva 07

6.4.3.1 – Opção 01 076.4.3.2 – Opção 02 07

6.4.4 – Edutor de vácuo 076.4.5 – Válvula de bloqueio tipo lug 076.4.6 – Decantador Laminar 086.4.7 – Torre de resfriamento 086.4.8 – Bombas de água fria 086.4.9 – Monitoramento dos cilindros encamisados 086.4.10 – Instalação de válvulas on-off nas gaiolas 09

6.5 – Resumo das alterações propostas 096.6 – Lista de materiais 10

7 – Conclusão 118 – Recomendações 129 – Anexos 1310 – Referências bibliográficas 19

1 – Introdução

Devido ao atrito provocado entre os cilindros com o aço a ser laminado e o conseqüente aumento da temperatura, é necessário o resfriamento destes cilindros para que os mesmos trabalhem em uma condição adequada. O controle das variáveis (vazão e pressão da água para resfriamento, por exemplo) relacionadas a este resfriamento será tratado aqui, assim como a especificação de bombas, válvulas e outros equipamentos envolvidos no processo.

2 – Objetivos Gerais

Ao final do estágio, o aluno estará capacitado para elaborar e acompanhar projetos de tubulações industriais.

3 – Objetivos Específicos

Pesquisa e estudo sobre os equipamentos utilizados nos projetos de instalações industriais.Capacidade de dimensionar tubulações industriais.

4 – Cronograma das Atividades

Atividades Mês

01 02 03 04 05 06Revisão Bibliográfica

Elaboração de E.T.Coleta de dados

Elaboração de E.M.Modelagem

Especificação de materiaisPesquisa Técnica

Elaboração de descritivoConfecção dos relatórios

parciais e final

5 – Revisão bibliográfica

TELLES, Pedro Carlos da Silva. - Tubulações Industriais: materias, projeto e desenho – página 18 e 19, item 5 - Tubo de aço: dimensões normalizadas de acordo com as normas ANSI b.36.10.

DELMÉE, Gérard J. - Manual de Medição de Vazão - página 218 a 221, item III.4 - Placa de orifício para tubulações de pequenos diâmetros.

MATTOS, Edson Ezequiel de, FALCO, Reinaldo de - Bombas Industriais - página 398 a 402, item 19.2 - Escorva

6 – Desenvolvimento do trabalho

6.1 – Objetivo

Este relatório tem como objetivo propor melhorias no sistema de água bruta da laminação de uma siderúrgica através de um maior controle operacional do sistema e da instalação de novos equipamentos para sua otimização.

6.2 – Situação atual

O sistema atual apresenta condições normais de operação em função das premissas de projeto, porém diante da necessidade de controle exigida pelos novos cilindros (encamisados) e também em função da redução de paradas para cambio e /ou manutenção remete a uma exigência maior dos controles e também do bloqueio rápido das linhas de alimentação. A solução consta na implantação das válvulas (on-off) na alimentação dos diversos equipamentos do laminador e também melhoria das condições de projeto existente a fim de possibilitar um melhor controle operacional.

6.3 – Avaliações do Sistema

6.3.1 – Premissa

Serão avaliados todos os equipamentos do sistema a fim de identificarmos as possíveis melhorias a partir dos resultados das análises. Utilizaremos um caminho partindo do poço de carepa até o fechamento do ciclo de trabalho.

6.3.2 – Balanço de massa

Como podemos observar no balanço de massa do sistema representado no Anexo I, a vazão total de alimentação é superior à requerida nos equipamentos com base nos dados de projeto, o volume total requerido é de 719 m³/h contra um fluxo de alimentação de 920 m³/h isto representa um excedente de vazão de aproximadamente 200 m³/h distribuído de forma aleatória, ou seja, por não existir controle de vazão nos equipamentos a prioridade de fluxo remete ao consumidor que apresentar menor resistência.

6.3.3 – Volume do sistema

Considerando o volume medido no decantador laminar, poço de carepa e bacia das torres, temos um volume estático de total de 2240 m³, .

Volumes do Sistema WB

Área Item Descrição

Dados Atuais

ProjetosFonte

CampoFonte

Q(m³/h) DT °C Q(m³/h) P(kgf/cm²)

Laminação

1 Desbaste 250 15 AN 367 1,5 Precisa

2 Trem Médio 109 15 AN 90 2,2 Precisa

3 Trem Acabador 120 15 AN236 2,4 Precisa

4 Cilindros Encamisados 110 15 AN

5 Thermex 130 15 AN      

6 Arraste de Carepa 100 0 AN      7 Transbordo 33 0 AN      

Carga térmica de ProjetosVazão m³/h

DT °C Carga Térmica kcal/h

10.785.000,00

819 13,17

Previsão de ReposiçãoPerdas do Sistema

0,3%(m³/h)Evaporação

0,16%DT (m³/h)Total (m³/h)

2,46 17,26 19,71

Com base no quadro de volumes do sistema localizado no quadro acima podemos verificar que a perda média de reposição do sistema é de aproximadamente 20 m³/h com base no diferencial de temperatura de projetos, também foram apresentado no mesmo quadro o levantamento elaborado pela precisa conforme descritivo anexo a este relatório técnico.

A variação de temperatura do sistema foi calculada considerando que o arraste de carepa não tem influencia térmica no sistema.

6.4 – Indicações de melhorias

6.4.1 – Bombas de água quente

A condição atual de operação das bombas de água quente está adequada, como mostrado no Anexo II:

6.4.2 – Elevação das bombas de água quente

Com o objetivo de melhorar as condições operacionais e de manutenção deste equipamento, será apresentado um estudo para elevação das bombas, possibilitando assim a manutenção das mesmas sem necessidade de parada do poço de carepa. Com isso, reduziremos também a condição de risco de inundação do pátio de bombas.

Para a modificação mencionada, temos duas opções: a utilização de balões de escorva ou de edutores de vácuo. Caso não seja aprovada nenhuma das opções sugerimos a instalação de válvulas de bloqueio tipo lug na linha de sucção das bombas. 6.4.3 – Balão de Escorva

O balão consta num cilindro metálico que se destina a acumular água quando as bombas estão desligadas, evitando a cavitação na partida da bomba. Visando o bom funcionamento das bombas envolvidas, o volume preenchido com água deverá ser aproximadamente três vezes maior que o volume preenchido com ar na situação de partida da bomba.

Abaixo serão propostas duas opções. A primeira realiza a elevação das bombas mantendo a posição original o que acarretará num investimento maior, visto que será necessária a construção de uma laje para sustentar as mesmas. Na segunda, temos o deslocamento das bombas vertical e horizontalmente, aproveitando a laje já existente, porém dificultando um pouco a limpeza do fosso de sucção das bombas.

A utilização do balão de escorva permite a operação do sistema sem a necessidade da presença do operador, ou seja, operação remota.

. Cálculo das dimensões do balão de escorva:

Supondo um balão de escorva com diâmetro de 0,7 m e com 1 m de comprimento, vamos ter no mesmo um volume de ar de aproximadamente ¼ do volume total do cilindro, então:

Volume total de ar: 0,4411 m³/ Volume total de água: 1,28 m³

6.4.3.1 – Opção 01

A bomba será elevada aproximadamente 3,9 metros. A tubulação ligada ao recalque da bomba também será elevada cerca de 1,1 metros para possibilitar a ligação adequada entre a tubulação maior de 16” e as individuais de 12” (recalque) de cada bomba. Ver desenho no Anexo III.

6.4.3.2 – Opção 02

O cálculo do balão de escorva é igual ao da primeira opção, diferenciando portanto a posição em que a bomba irá tomar, como já dito anteriormente. Será preciso também uma nova tubulação de recalque, em forma de U, para interligar na tubulação de 16” já existente. Ver desenho no Anexo IV.

6.4.4 – Edutor de Vácuo

O edutor consiste num sistema onde é necessário a instalação de uma bomba pequena e um reservatório auxiliar. A desvantagem dessa operação é a necessidade da presença do operador para a partida do sistema. Ver anexo V.

6.4.5 – Válvula de bloqueio tipo Lug

Esta válvula é construída de forma tal a permitir a retirada da bomba para manutenção devido ao encaixe ser aparafusado no flange da tubulação. Sua foto se encontra no Anexo VI.

6.4.6 – Decantador Laminar

Para o decantador laminar, sugerimos válvulas tipo mangote nas saídas de limpeza, o que vai possibilitar a redução de manutenção das válvulas presentes, devido à não adequação das mesmas para este tipo de fluido. Ver foto das válvulas no Anexo VII.

6.4.7 – Torres de resfriamento

As torres atuais foram projetadas para operar numa situação onde a água entra a uma temperatura de 50ºC e sai com 35ºC para uma vazão de 850 m³/h. Porém, algumas mudanças foram necessárias no sistema de WB, como a instalação do Thermex, aumentando a vazão requerida em função dessas mudanças para um total de 950 m³/h. Esta diferença de vazão é considerada pequena e não compromete o sistema, tornando dispensável o incremento das atuais torres de resfriamento.

Para a automatização do sistema, é preciso ter instalado dois sensores de temperatura: um na linha imediatamente antes da torre e outro no recalque das bombas (após o resfriamento). Esta medição vai fornecer ao sistema dados operacionais que, juntamente com outros dados de pressão e vazão, vão proporcionar uma melhor condição de resfriamento das gaiolas.

6.4.8 – Bombas de água fria

A condição atual de operação das bombas de água fria está adequada, como mostrado no Anexo VIII:

6.4.9 – Monitoramento dos cilindros encamisados

Visando obter a automatização do sistema através de um monitoramento preciso da pressão, vazão e temperatura da água bruta destinada aos cilindros encamisados, serão admitidas algumas alterações na linha que alimenta os mesmos. Alterações estas descritas a seguir:

. Instalar um conjunto de medição de vazão com redutora de pressão, manômetro e transmissor de pressão para cada linha de alimentação, conforme Anexo IX;

. Instalar painel metálico de proteção.

A válvula redutora de pressão auto-operada para correção de pressão Fabricante VALLOY ou similar será uma semelhante à mostrada no Anexo X.

. Escolha da válvula redutora de pressão:

Para o cálculo da válvula redutora serão considerados os aspectos relativos à diferença de pressão desejada e à vazão na qual a linha estará submetida. O objetivo é que, em cada linha, seja feita a redução da pressão para uma pressão de saída constante e igual a 5 kgf/cm². O diâmetro da válvula foi calculado em 3”, onde a velocidade se encontra no intervalo entre 2 e 5 m/s, atendendo à recomendação do fabricante.

Verificação da velocidade para válvula 3”( Ø = 77,9 mm ):

S para 3” = 0,00477

= 3,2 m/s

. Especificação da válvula redutora de pressão:

Válvula Redutora de Pressão Ø3” VA201 (VALLOY)Pressão de Entrada (PE ) = 7 kgf/cm2

Pressão de Saída (PS) = 5 kgf/cm2

Vazão (Q) = 55 m3/h

6.4.10 – Instalação de válvulas on-off nas entradas das gaiolas

Atualmente, alguns problemas estão relacionados ao desgaste excessivo dos cilindros das gaiolas. Com a instalação das válvulas on-off, a alimentação de cada gaiola poderá ser fechada individualmente sem a necessidade do desligamento das bombas quando houver uma parada, evitando o aquecimento dos outros cilindros, reduzindo o consumo de energia e aumentando a vida útil do equipamento. Desta maneira também poderá ser evitado o choque térmico que ocorre quando as bombas são religadas após uma parada com a barra presa entre os cilindros.

6.5 – Resumo das alterações propostas

Situação Atual Situação PropostaBombas de água quente no nível inferior ao do poço de carepa, dificultando a manutenção das mesmas.

Bombas de água quente em um nível superior ao do poço de carepa, facilitando a manutenção das mesmas.

Válvulas tipo gaveta nas saídas de limpeza do decantador laminar, exigindo maior manutenção devido à não adequação da mesma para este tipo de fluido.

Válvulas tipo mangote nas saídas de limpeza do decantador laminar, reduzindo a manutenção destas válvulas.

Torres de resfriamento funcionando com vazão de 950 m³/h

Torres de resfriamento funcionando com vazão de 950 m³/h

Linha de alimentação dos cilindros encamisados sem controle preciso de pressão, vazão e temperatura.

Linha de alimentação dos cilindros encamisados com controle preciso de pressão, vazão e temperatura.

Satisfaz

6.6 – Lista dos materiais para monitoramento dos cilindros encamisados

Descrição QTDMedidor de vazão eletromagnético Ø3" Wafer Fab. Emerson 2Conversor magnético de vazão Ø3" Fab. Emerson 2Transmissor de pressão 0 – 10 bar Fab. Danfoss ou +G+ Signet 4Transmissor de temperatura de 0º a 100ºC Fab. Danfoss ou +G+ Signet 1Válvula borboleta série NE, tipo Wafer, para montagem entre flanges conf. ANSI B 16.5, classe 250 psi, ø4" Fab. Interativa

4

Válvula Globo de aço fundido Ø4", Fig. 253, Flanges Conforme ANSI B16.10 Fab. Niagara

2

Válvula Esfera de latão forjado 3 Vias Ø1/2" para manômetro, Fig. 301-3 Fab. Niagara

3

Termômetro Industrial Bimetálico Tipo Bir-114-In, 1/2" Npt, Esc. 0 A 50°C Fab. Niagara

1

Manômetro Industrial Fig. Wr-100, Esc. 0 A 10 Kgf/Cm² , 1/2" Npt Fab. Niagara 3Válvula automática redutora de pressão auto operada hidraulicamente Ø3" Fab. Valloy

2

7 – Conclusão

O dimensionamento dos equipamentos descritos aqui é de suma importância para o bom funcionamento do sistema de água bruta, e por isto, obedecem aos padrões dos respectivos fornecedores. As propostas serão avaliadas pela empresa contratante e as decisões implicarão na aplicação do projeto e início da segunda fase, que é a de detalhamento.

O trabalho possibilitou um domínio maior na especificação dos equipamentos descritos, tendo a estagiária entrado em contato com diversos fabricantes até estabelecer esta lista dos materiais final.

O relatório espera ser útil para posteriores pesquisas de alunos que têm interesse na área de tubulações industriais.

8 – Recomendações

Após a conclusão desta etapa, ficam alguns comentários:

A POLI:

O manual de estágio deveria apresentar mais detalhes quanto a estrutura do texto “Normas ABNT”, já que ele não é mais fornecido pela divisão d estágio.

As aulas de estágio deveriam ser num horário mais apropriado, pois não adianta esta prerrogativa de que somos estagiários e a empresa tem a obrigação de liberar para sairmos mais cedo, pois na maioria dos casos somos funcionários que custam barato.

Aos Alunos:

Que estes exijam o acompanhamento de um profissional, se possível um Engenheiro durante o período de estágio.

Não priorizem o estágio, pois não adianta dedicar-se ao estágio e não se formar em tempo.

Tente vincular a atividade prática à teórica.

Tenha sempre em mente que o estágio é mais um aprendizado.

9 – Anexos

1. Balanço de Massa do Sistema de água bruta da Laminação2. Bomba de água quente3. Disposição das bombas na opção 14. Disposição das bombas na opção 25. Desenho esquemático do funcionamento do edutor de vácuo6. Válvula de bloqueio tipo Lug7. Válvulas tipo mangote e gaveta8. Bombas de água fria9. Isométrico e corte do armário de proteção10. Válvula redutora de pressão11. Fluxograma do Sistema de água bruta da Laminação12. Estudo da refrigeração dos cilindros encamisados13. Válvula Redutora de Pressão Valloy14. Transmissor de pressão e temperatura – Orion System15. Transmissor de pressão – Emerson16. Válvula gaveta – Omel17. Edutor de vácuo - Casale

Anexo I

Anexo II

Vazão (m³/h) 475Pressão (mca) 17Temp. Operação (ºC) 50Diâm. Rotor (mm) 320Fabricante / Modelo ETA 200-33Potência Motor 40Fabricante KSBQuantidade 3

Anexo III

Anexo IV

Anexo V

Anexo VI

Anexo VII

Válvula tipo mangote Válvulas atuais (gaveta)

Anexo VIII

Vazão (m³/h) 460Pressão (kgf/cm²) 6Temp. Operação (ºC)

35

Diâm. Rotor (mm) 380Fabricante / Modelo ETA 150-

40Potência Motor 150Fabricante KSBQuantidade 3

Anexo IX

Anexo X

10 – Referências bibliográficas

TELLES, Pedro Carlos da Silva. - Tubulações Industriais: materias, projeto e desenho - 7º ed. Rio de Janeiro: Interciência LTDA, 1987. ISBN 85-216-01794-4

DELMÉE, Gérard J. - Manual de Medição de Vazão - Editora Edgard Blücher Ltda, 1983

MATTOS, Edson Ezequiel de, FALCO, Reinaldo de - Bombas Industriais - 2ª ed. Rio de Janeiro: Interciência LTDA, 1998. ISBN 85-7193-004-X