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Jessika da Rocha Silva Pedro Antônio Figueiredo Neto Bombas, Válvulas e Tubulações Industriais Maceió 2015

Tubulacoes Valvulas Bombas

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TRABALHO OPERAÇÕES UNITARIAS

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Jessika da Rocha SilvaPedro Antônio Figueiredo Neto

Bombas, Válvulas e Tubulações Industriais

Maceió

2015

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Jessika da Rocha SilvaPedro Antônio Figueiredo Neto

Bombas, Válvulas e Tubulações Industriais

Trabalho solicitado pela Professora LindaureaDantas como critério de obtenção de notapara a disciplina Operações Unitárias 1.

Universidade Federal de Alagoas – UFAL

Centro de Tecnologia – CTEC

Departamento de Engenharia Química

Maceió2015

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Sumário

1 TUBULÇÕES INDUSTRIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Classificação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Materiais Utilizados para a Fabricação de Tubos e Fatores de Seleção 41.3 Processo de Fabricação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Tipos de Ligações e Conexões dos Tubos . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Cores de tubulações Industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.6 Norma dimensional ABNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 VÁLVULAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Tipos de Válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 BOMBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1 Classificação e Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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1 Tubulções Industriais

O conjunto conhecido por tubulações industriais é todo grupo composto por tubose seus acessórios. tubulações são, em geral, aplicadas para o transporte de fluidos (vapor deágua, água potável, oléos e diversos outros fluidos industriais). De acordo com (TELLES,2012) todos os tubos costumam apresentar uma seção circular e são em essência cilindrosocos; o autor comenta ainda que o uso de tubulações é constantemente atribuído ao fato deo pont de geração de um fluidos ser frequentemente distante de seu ponto de armazenagem.

1.1 ClassificaçãoA varieda de meios de utilização de tubos é enorme, devido a isso sua classificação é

bastante segmentada. Duas formas comuns de se classificar tubulações são: quanto ao suautilização na idústria ou quanto ao tipo de fluido que será conduzido. Essas duas grandesclasses de tubulações possuem suas ramificações quanto à classificação, um esquemasimplificado das subclasses de tubulações para cada caso podem ser encontrados nasFiguras 1 e 2 , para a classificação quanto ao emprego e quanto ao fluido, respectivamente.

Figura 1: Esquema simplificado da classificação de tubulações quanto ao emprego.

Fonte: (TELLES, 2012)

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Capítulo 1. Tubulções Industriais 4

Figura 2: Esquema simplificado da classificação de tubulações quanto ao fluido conduzido.

Fonte: (TELLES, 2012)

1.2 Materiais Utilizados para a Fabricação de Tubos e Fatores deSeleçãoA variedade de materiais utilizados é enorme e podem ser caracterizados em

metálicos, não metálicos e de aço com revistimento interno. Para os tubos metálicos écomum usar aços-carbono, ligas de aço, aços inoxidáveis, materiais ferrosos, cobre, latão,alumínio, níquel, chumbo e titânio. Para os tubos não metálicos usa-se bastante PVC,

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Capítulo 1. Tubulções Industriais 5

acrílicos, concreto armado, vidro, cerâmica e polietileno. Os tubos com revestimentos,por outro lado, são fabricados de zinco, aços inoxidáveis, materiais plásticos, alfalto econcretos.

A escolha do material mais adequado para fabricação de uma determinada tubulaçãoé feita de acordo com a aplicação dessa tubulação na indústria. Fatores como pressão etemperatura de trabalho do fluido costumam ser levadas em conta na hora da escolha, éclaro que o custo e a segurança do conjunto são extremamente importantes também. Oprojetista costuma levar em conta os seguintes fatores:

• O fluido conduzido

• As condições de serviço

• O nível de tensões no material

• A natureza dos esforços mecânicos

• A disponibilidade dos materiais

• O sistema de ligações

• O custo do material

• A segurança

• Experiências prévias

• A facilidade de fabricação e de montagem

• A velocidade do fluido

• As perdas de carga

• O tempo de vida previsto

1.3 Processo de FabricaçãoOs processos industriais de maior importância na fabricação de tubulações são os

de laminação e solda. Através desses processos são fabricados mais de 2/3 dos tubos usadosem instalações industriais. Os tubos são divididos em dois grupos principais - sem costurae com costura. Os tubos sem costura são fabricados por três tipos de processos industriais -laminação (para os de grandes diâmetros), extrusão (para aqueles com pequenos diâmetros)e processo de fundição. Já os tubos com costura são fabricados por solda.

Laminação: O processo de fabricação por laminação é empregado em tubos de açocarbono, aço-liga e aço inox, de 8 até 65 centímetros de diâmetro. Existem vários processos

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Capítulo 1. Tubulções Industriais 6

de fabricação por laminação, mas o mais importante é o processo Mannesmann. A formaçãopor esse processo dá-se a partir de uma barra circular maciça de aço, empurrada por doiscilindros oblíquos que o rotacionam e transladam contra um mandril fixo. Obtém-se umtubo bruto, que sofrerá conformação de acabamento através de laminadores perfiladores.

Extrusão: A fabricação de tubos por extrusão é um processo onde a peça é“empurrada” contra a matriz conformadora com redução da sua seção transversal. Aparte ainda não extrusada fica contida num recipiente ou cilindro. A extrusão pode serfeita a frio ou a quente dependendo da ductilidade do material. Cada tarugo é extrusadoindividualmente, o que caracteriza um processo semi-contínuo. Quando combinada comoperações de forjamento é chamada de extrusão fria.

Fundição: No processo de fundição o material do tubo é despejado em estadolíquido, nos moldes especiais, onde se solidifica adquirindo a forma final. É fabricadopor esse processo tubos de ferro fundido, de alguns aços não-forjáveis e grande parte dosmateriais não-metálicos como barro, concreto, cimento-amianto, borrachas, entre outros.

Soldagem de tubos com costura: Existem duas formas de aplicar o processode solda na fabricação de tubos industriais: longitudinal (ao longo de uma geratriz do tuboe a mais empregada na maioria dos casos) e espiral. Na solda em espiral, a matéria-primaé sempre uma bobina (para a fabricação contínua), para todos os diâmetros, desde ospequenos tubos até as tubulações de grande porte. Empregam-se também os dois tiposde solda: de topo e sobreposta. A solda de topo é usada em todos os tubos soldados porqualquer dos processos com adição de metal e, também, nos tubos de pequeno diâmetrosoldados por resistência elétrica. A solda sobreposta é empregada nos tubos de grandediâmetro, soldados por resistência elétrica.

1.4 Tipos de Ligações e Conexões dos TubosAs conexões podem ser classificadas de acordo com sua finalidade como apresentado

na lista abaixo:

• Fazer mudancas de direção em tubulações: curvas de raio longo, curvas de raio curto,curvas de redução, joelhos, joelhos de redução

• Fazer derivações em tubulações: três normais, três de 45o, três de redução, peças emY, cruzetas, cruzetas de redução, selas, colares, aneis de reforço

• Fazer mudanças de diâmetro em tubulações: reduções concêntricas, reduções excên-tricas, reduções bucha

• Fazer ligações de tubos entre si: luvas, uniões, flanges, niples, virolas

• Fazer o fechamento de extremidades de um tubo: tampões, bujões, flanges cegos

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Capítulo 1. Tubulções Industriais 7

1.5 Cores de tubulações IndustriaisAs cores para tubulações são empregadas de acordo com as normas da ABNT

NBR 7195/1995 e NBR 6493/1994 (ABNT, 1995) e (ABNT, 1994), respectivamente. NasFiguras 3 e 4 sao apresentados os padroes definidos pela norma.

Figura 3: Cores para segurança

Figura 4: Emprego de cores para identificação de tubulações

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Capítulo 1. Tubulções Industriais 8

1.6 Norma dimensional ABNTExistem várias normas para fabricação e montagem de tubulações, atualmente

as principais são: A American Standard Code for Pressure Piping (ASME.B.31); asespecificações de material da ASTM (American Society for Testing and Materials) e asnormas d ANSI (American National Standard Institute). No Brasil também são usadas asnormas da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Algumas das principaissão listadas a seguir:

• Normas especificações e métodos de ensaio da ABNT sobre tubulações:

– Emprego de cores: NBR 6493, NBR 7485, NBR 13193

– Relativo a válvulas: NBR 10285

– Para a indústria de petróleo: NBR 15921-1, NBR 15921-2, NBR 15921-4,NBR/ISO 15649

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2 Válvulas

As válvulas participam de um processo em uma área ou unidade, constituindouma de suas partes mais importantes. Compõem, juntamente com os equipamentos comotorres, permutadores, tanques e bombas, um complexo necessário ao funcionamento deuma unidade de processo. Por definição, uma válvula é um acessório destinado a bloquear,restabelecer, controlar ou interromper o fluxo de uma tubulação. As válvulas de hojepodem, além de controlar o fluxo, controlar o nível, o volume, a pressão, a temperatura e adireção dos líquidos e gases nas tubulações. Essas válvulas, por meio de automação, podemligar e desligar, regular, modular ou isolar. Em qualquer instalação deve haver sempre omenor número possível de válvulas, compatível com o funcionamento da mesma, porqueas válvulas são peças caras, onde sempre há possibilidades de vazamentos (em juntas,gaxetas, etc) e que introduzem perda de carga, as vezes de grande valor. As válvulassão, entretanto peças indispensáveis, sem as quais as tubulações seriam inteiramenteinúteis. Elas representam, em média, cerca de 8 % do custo total de uma instalação deprocessamento. A localização das válvulas deve ser estudada com cuidado, para que amanobra e a manutenção das mesmas sejam fáceis, e para que as válvulas possam serrealmente uteis.

2.1 Tipos de VálvulasExiste uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos,

cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também daspropriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a quese achará submetido, e da forma de acionamento pretendida.

Válvulas de bloqueio

I. Válvulas de Gaveta. Esse é o tipo de válvula mais importante e de uso mais generali-zado. Os principais empregos das válvulas de gaveta são:

1. Em quaisquer diâmetros, para todos os serviços de bloqueio em linhas de água,óleos e líquidos em geral, desde que não sejam muito corrosivos, nem deixemmuitos sedimentos ou tenham grande quantidade de sólidos em suspenção.

2. Em diâmetros acima de 8” para bloqueio em linhas de vapor.

3. Em diâmetros acima de 2” para bloqueio em linhas de ar.

São usadas para quaisquer pressões e temperaturas. Não são adequadas paravelocidades de escoamento muito altas. São sempre de fechamento lento, sendo impossível

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Capítulo 2. Válvulas 10

fechá-las instantaneamente. Essa é uma grande vantagem das válvulas de gaveta, porqueassim se controla o efeito dos golpes de aríete. Dificilmente dão uma vedação absolutamenteestanque; entretanto, na maioria das aplicações práticas, tal vedação não é necessária.Têm o fechamento de metal contra metal, com isso são consideradas de segurança em casode incêndio, desde que os metais empregados sejam de alto ponto de fusão. Abaixo segueimagem e simbologia, respectivamente.

II. Válvula Macho. É o tipo de válvula cujo obturador é um macho paralelo ou cônicoque gira em torno da sua haste de modo a alinhar a sua abertura com as aberturasdo corpo. Existem válvulas machos com duas, três ou até quatro vias. Essas válvulasrepresentam cerca de 10% de todas as válvulas usadas em tubulações industriais.

III. Válvulas de Esfera. É uma válvula de bloqueio e tem como principal característica amínima perda de carga para os modelos de passagem plena e a baixa perda de cargapara os outros modelos devido a pequena obstrução do fluxo quando totalmente

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Capítulo 2. Válvulas 11

abertas. São melhores para fluidos que tendem a deixar depósitos sólidos, por arraste,polimerização, coagulação, etc. Abaixo segue imagem e simbologia, respectivamente.

Válvulas de Regulagem

I. Válvulas Globo. Têm esse nome universalizado devido forma globular concebidainicialmente no projeto de seu corpo. Tambem conhecida como registro de pressão,assim como a de agulha, presta-se a regular vazão e bloquear o fluxo de fluidosem uma tubulação. Existem desde válvulas domesticas (a maioria das válvulasde lavatórios, chuveiros e pias são válvulas de globo, com a vedação chamada decarrapeta), até válvulas com cerca de DN 300 (12”) ou até mesmo DN 400 (16”).

São usadas principalmente para serviços de regulagem e de fechamento estanque em linhasde água, óleos, líquidos em geral (não muito corrosivos), e para o bloqueio e regulagem emlinhas de vapor e gases. Abaixo segue imagem e simbologia, respectivamente.

II. Válvulas de agulha. Conhecidas como globo ponta de agulha são as válvulas destina-das a regulagem precisa de vazão. É uma variação das válvulas globo e, portanto de

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Capítulo 2. Válvulas 12

funcionamento idêntico. Ela difere basicamente no seu elemento de vedação (obtura-dor) que se caracteriza pelo seu formato cônico extremamente agudo, normalmenteconstituído na própria extremidade da haste que promove os movimentos de aber-tura, fechamento e principalmente regulagem. Abaixo segue imagem e simbologia,respectivamente.

III. Válvulas Borboleta. Uma das mais antigas, recebe esse nome em função da aparênciade seu obturador, tem por função a regulagem e o bloqueio do fluxo em umatubulação e pode trabalhar em várias posições de fechamento parcial. É utilizadaprincipalmente em sistemas de adução e de distribuição de água bruta ou tratada,e em estações de tratamento de água e de esgotos e ainda é utilizada na indústriaquímica, petroquímica, farmacêutica e alimentícia. Podem ser usadas em serviços dealta corrosão, pois existem válvulas com revestimento anticorrosivo tanto no corpocomo na haste e no disco de fechamento. São utilizadas em tubulações contendolíquidos, gases, inclusive líquidos sujos ou contendo sólidos em suspensão, bem comopara serviços corrosivos. Abaixo segue imagem e simbologia, respectivamente.

IV. Válvulas de Diafragma. Tem origem de seu nome ligada a um componente que realizaa sua vedação: o diafragma. Trata-se de uma peça moldada e prensada feita deborracha ou plástico. De construção bastante simples estas válvulas se compõem de

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Capítulo 2. Válvulas 13

três unidades: corpo, diafragma e tampa. Dispensam qualquer tipo de engaxetamentoda haste. São de fácil manutenção e normalmente dimensionadas para trabalhocontinuo por longos períodos, com uma condição mínima de manutenção. Abaixosegue imagem e simbologia, respectivamente.

Válvulas que permitem o fluxo em um só sentido

I. Válvulas de Retenção. Caracterizam-se pela auto-operação proporcionada pelasdiferenças de pressão entre montante e jusante exercidas pelo fluido em consequênciado próprio fluxo, não havendo necessidade da atuação do operador. São instaladascom a finalidade de evitar a inversão no sentido do fluxo, o refluxo. Quando ocorre ainterrupção no fornecimento de energia das bombas e, consequentemente a parada doescoamento, as válvulas de retenção se fecham impedindo o refluxo e retendo a colunado fluido na tubulação. Como função secundária, são importantes para a manutençãoda coluna de liquido durante a paralização e fundamentais também para se evitarque a sobre pressão causada por golpes de aríete resultantes da parada brusca doescoamento chegue as bombas. Abaixo segue imagem e simbologia, respectivamente

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Capítulo 2. Válvulas 14

II. Válvulas de pé. São válvulas de retenção especiais para manter a escorva (linha comliquido) nas linhas de sucção de bombas; devem ser instaladas na extremidade livreda linha, ficando mergulhadas dentro do liquido no reservatório de sucção. Abaixosegue imagem e simbologia, respectivamente.

Válvulas que Controlam a Pressão de Montante

I. Válvulas de segurança e de alivio. Sua finalidade é a proteção pessoal e a proteçãode linhas e equipamentos. É uma válvula de auto-operação, usando a energia dopróprio fluido para a sua operação, abertura ou fechamento. Devem ser instaladasdiretamente ligadas aos pontos a serem protegidos e entre as tubulações e entradaválvula de segurança/alivio não pode nada que possa impedir o fluxo, não podehaver uma válvula de bloqueio. A passagem deve estar completamente livre entrea tubulação a ser protegida e a válvula de segurança/alivio. O tubo de saída daválvula, o alivio, deverá descarregar em uma área segura e completamente livre.Abaixo segue imagem e simbologia, respectivamente.

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3 Bombas

Bombas são Máquinas Hidráulicas que recebem energia potencial (força motriz deum motor ou turbina), e transformam parte desta potência em energia cinética (movimento)e energia de pressão (força), cedendo estas duas energias ao fluído bombeado, de forma arecirculá-lo ou transportá-lo de um ponto a outro.

3.1 Classificação e FuncionamentoÉ possível classificar as bombas em:

• Bombas Centrífugas ou Turbo-Bombas, também conhecidas como Hidro ou Rotodi-nâmicas: a movimentação do fluído ocorre pela ação de forças que se desenvolvemna massa do mesmo, em conseqüência da rotação de um eixo no qual é acoplado umdisco (rotor, impulsor) dotado de pás (palhetas, hélice), o qual recebe o fluído peloseu centro e o expulsa pela periferia, pela ação da força centrífuga, daí o seu nomemais usual;

• Bombas Volumétricas, também conhecidas como de Deslocamento Positivo: a mo-vimentação do fluído é causada diretamente pela ação do órgão de impulsão dabomba que obriga o fluído a executar o mesmo movimento a que está sujeito esteimpulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas). Dá-se o nome de volumétricaporque o fluído, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba,com volumes conhecidos, sendo que o movimento geral deste fluído dá-se na mesmadireção das forças a ele transmitidas, por isso são chamadas de deslocamento positivo.

3.2 ComponentesComponentes e aplicação

Principais componentes de uma Bomba Hidrodinâmica

Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação deuma depressão no seu centro para aspirar ao fluido e de uma sobre pressão na periferiapara recalca-lo.

Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminhaa tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidadede transformar energia cinética em energia de pressão; são aletas estacionarias que oferecemao fluido um canal de área crescente desde o rotor até a carcaça.

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Capítulo 3. Bombas 16

Voluta: o rotor descarrega fluido num canal de área de seção reta continua ecrescente. Aumentando a área, a velocidade diminui, reduzindo assim a formação deturbilhões. Saída em caracol (difusor).

Elementos mecânicos das Bombas

Gaxetas: São componentes utilizados para a vedação das bombas centrífugas. Sãomontadas em torno do eixo da bomba e apertadas por um outro componente chamadopreme-gaxetas. Não podem ser totalmente apertadas, devendo permitir um vazamentoem média de 40 a 60 gotas por minutos para a lubrificação e refrigeração. As gaxetas sãofabricadas com: fibras vegetais de linho e algodão; filamentos de grafite, utilizadas emalta temperatura, fibras minerais de asbestos; teflon (PTFE), utilizadas para produtoscorrosivos.

Características: são mais simples mecanicamente; são mais baratas que selosmecânicos; podem ser reapertadas em operação; desgastam o eixo no ponto de apoio; sãomenos duráveis, mas de fácil manutenção.

Selos mecânicos: São sistemas de selagem utilizados quando não se pode deixaro fluido bombeado vazar. Permitem vazamentos 100 vezes menores que as gaxetas. Sãoformados por componentes mecânicos mais elaborados, requerendo melhor eficiência delubrificação e resfriamento, sendo muitas vezes utilizados outros fluidos (água, etilenoglicol), que deve ser limpo.

Filtros de sucção: São instalados na sucção das bombas para protegê-las dapresença de sólidos extranhos, que poderiam danificá-la internamente. Com a continuidadeoperacional os filtros permanentes tendem a limitar o fluxo para a bomba, podendo provocardanos mecânicos nas mesmas. Para facilitar a limpeza, a maior parte dos fabricantes prevêum dreno no ponto mais baixo.

Válvulas de segurança de pressão: São válvulas que controlam a pressão natubulação automaticamente pela ação da força de uma mola. Podem ser para pressõespositivas ou para vácuo.

Sua aplicação está relacionada com as bombas hidráulicas conforme: montadana linha de sucção para proteção da bomba contra golpes de pressão; se a bomba forcentrífuga, a válvula de segurança na descarga não se faz necessária; se a bomba for dedeslocamento positivo, é fundamental haver algum tipo de proteção contra alta pressão.

Uma válvula de segurança é projetada para proteger o sistema e não para operarpermanentemente aberta.

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Referências

ABNT. Emprego de cores para identificação de tubulações. Rio de Janeiro, 1994. Citadona página 7.

ABNT. Cores para segurança. Rio de Janeiro, 1995. Citado na página 7.

TELLES, P. C. da S. Tubulações Industriais – Materiais, Projeto, Montagem. 10. ed. Riode Janeiro: LTC GEN, 2012. Citado 2 vezes nas páginas 3 e 4.