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Vasos de Pressão
Instrutor: Guilherme Victor Peixoto Donato
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Conteúdo
1 – Introdução
2 – Componentes de Vasos de Pressão
3 – Detalhes em Vasos de Pressão Especiais
4 – Permutadores de Calor
5 – Desenvolvimento do Projeto e da Construção de Vasos de Pressão
6 – Desenhos de Vasos de Pressão
7 – Normas de Projeto
8 – Tensões Admissíveis
9 – Juntas Soldadas
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Conteúdo
10 – Condições de Operação e de Projeto de Vasos de Pressão
11 – Dimensionamento de Vasos de Pressão
12 – Teste de Vasos de Pressão
13 – Exemplo de Cálculo de Vaso de Pressão
14 – Seleção de Materiais
15 – Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
16 – Corrosão
17 – Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
18 – Acompanhamento de Vasos de Pressão
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Capítulo 1
Introdução
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• Vasos de pressão (Pressure Vessels):– São todos os reservatórios estanques, de
qualquer tipo, com diâmetro superior a 150 mm (6”) destinados ao armazenamento e processamento de líquidos e gases sob pressão ou sujeitos a vácuo total ou parcial.
• Conforme ASME – Pressure Vessel Boiler Code:– São reservatórios não sujeitos a chama, com
pressão manométrica igual ou superior a 1,02 kgf/cm2 (15 psig) ou submetidos à pressão externa.
Definição
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• A grande maioria dos vasos de pressão são itensprojetados e construídos “taylor-made”, ou seja,por encomenda. Desta forma, são dimensionados,projetados e fabricados para atender determinadascondições de processo, pressão e temperatura, bemcomo tendo seu material selecionado para operarcom determinado fluido e condição de corrosão.
Projeto de Vasos de Pressão
• Objetivo do projeto e fabricação:
– Assegurar que tais equipamentos possam exercer suas funções, sem risco considerável, submetidos aos carregamentos, temperaturas e pressões previstas.
• Exige cuidados especiais relacionados a:
– Projeto,
– Fabricação,
– Montagem
– Testes.
Características
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• Três razões que exigem um elevado grau de confiabilidade:
–Regime contínuo de trabalho;
–Cadeia contínua de produção (normalmente não possui reserva);
–Condições operacionais de risco, onde entendemos “risco” como a probabilidade de ocorrência de grande perigo ou dano.
Características
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• Armazenamento de gases sob pressão
– Os gases são armazenados sob pressão para que se possa ter um grande peso num volume relativamente pequeno.
Aplicações
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• Acumulação intermediária de líquidos e gases
– Isto ocorre em sistemas onde é necessária a armazenagem de líquidos ou gases entre etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos.
Aplicações
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• Processamento de gases e líquidos
– Inúmeros processos de transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão.
Aplicações
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• Indústrias químicas e petroquímicas
• Indústrias alimentares e farmacêuticas
• Refinarias
• Terminais de armazenagem e distribuição de petróleo e derivados.
• Estações de produção de petróleo em terra e no mar.
Aplicações
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• Inicialmente faremos uma pequena separaçãoentre os vasos de pressão:– Sujeitos à chama (ASME, Seção I);
– Não sujeitos à chamas (ASME, Seção VIII);
– Sujeitos à radiação nuclear (ASME, Seção III)
• Nosso enfoque neste curso será exclusivamentepara aqueles vasos de pressão não sujeitos àchama, nem à radiação nuclear.
Classes e Finalidades
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• Vasos não sujeitos a chama –Vasos de armazenamento e
acumulação;–Torres de destilação
fracionada, retificação, absorção, etc,...
–Reatores diversos;–Esferas de armazenamento de
gases;–Permutadores de calor;–Aquecedores;–Resfriadores;–Condensadores;–Refervedores;–Resfriadores a ar
• Vasos sujeitos a chama– Caldeiras;
– Fornos.
• Classificação didática diferenciar vasos de pressão de tanques de armazenamento : 0 - 2,5 psig: API-650
2,5 - 15,0 psig: API-620
> 15,0 psig e vácuo: ASME, PD-5500, Ad-Merkblatter, etc,...
Classificação
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Capítulo 2
Componentes de Vasos de Pressão
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• Corpo (casco ou costado)
• Normalmente cilíndrico, cônico, esférico ou combinação dessas formas.
• Tampos
• Normalmente nos tipos semi-elípticos, toro-esféricos, semi-esféricos. cônicos, toro-cônicos, toro-esféricos e planos.
Componentes
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• Teoricamente, o formato ideal para um vaso depressão é uma esfera, com a qual se chega à menorespessura de parede e, portanto, ao menor peso,para um mesmo volume interno.
• Entretanto, os vasos esféricos são caros e difíceis defabricar, justificando-se, somente, em condições degrande volume interno e/ ou elevada pressão,quando sua menor espessura é justificáveleconomicamente.
Componentes
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• Esfera de GLP:
–Diâmetro: 18,8 m
–Pressão: 20 bar
– Espessura: 76 mm
Componentes
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• Desta forma, os vasos cilíndricos sãopreferencialmente utilizados. As dimensões que ocaracterizam são:
– Diâmetro interno (ØDIC)
– Comprimento entre tangentes (CET).
Componentes
DIC
Lcilindro
CET
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• A imensa maioria dos vasos de pressão é fabricada a partir de chapas de aço, ligadas entre si por soldagem.
• Como a dimensão usual para as chapas de aço é de12,40 m x 2,44 m, podemos deduzir as dimensõespossíveis para a utilização de uma única chapa.
Componentes
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• A utilização de várias chapas conformadas nodiâmetro necessário para a construção do vaso nospermite a fabricação de vasos com as mais diversasdimensões.
• Prática recomendada: defasar as soldaslongitudinais, de maneira a evitar a propagação dealguma trinca ao longo de um caminhopreferencial.
Componentes
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• Vasos com dimensões mínimas (até ØDIC de 12polegadas) são usualmente fabricados de tubos semcostura.
• Até 610 mm (cerca de 24 polegadas), a utilização detubos com costura não é incomum, ressalvado ofator econômico.
Componentes
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• Para valores superiores seria necessária a soldagem de várias chapas. Contudo, devemos salientar que devemos evitar a existência de uma solda integralmente dentro da região de maior curvatura do tampo (cerca de 75% do raio externo).
Componentes
24• www.cessco.ca/cessco/main_images
Componentes
Casco cilíndrico
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Componentes – Tampos
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• Tampos elipsoidais com relação entre semi-eixos de2:1 tampos elipsoidais “padrão”.
• Tampos toroesféricos com relação de semi-eixos 2:1 preferencialmente do tipo conhecido como“falsa elipse”.
Componentes - Tampos
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• O código ASME permite que tampos torisféricos“falso-elipse” possam ser dimensionados atravésdas equações de cálculo para tampos semi-elípticos.
Tampos Toroesféricos
Geometria L r h
ASME 6% D 0,06.D 0,169.D
ASME 10% D 0,10.D 0,194.D
ASME 2:1 0.904.D 0.173.D 0.250.D (Falsa elipse)
Componentes - Tampos
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• Os tampos elípticos ou toroesféricos podem ser conformados em uma única peça de diâmetro de 1,80 m, utilizando-se uma única chapa.
• (foto ATB - Itália)
Componentes - Tampos
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• A fabricação de tampos semi-elípticos possui um custo mais elevado pela necessidade de uma matriz específica para o diâmetro e relação de eixos da geometria.
• Os tampos torisféricos são obtidos pela conjugação de 2 diferentes geometrias: calota esférica central, obtida por prensagem e raio da região tórica, obtida por rebordeamento da chapa.
Componentes - Tampos
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• Os tampos torisféricos são fabricados porprensagem da calota central e rebordeamento nasmargens.
• Caso a sua conformação provoque uma deformaçãonas fibras externas superior a 5%, o Código ASMEexige a realização de um tratamento térmico dealívio de tensões.
Componentes - Tampos
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• Os tampos cônicos possuem resistência mecânica
inferior ao costado cilíndrico, o que exige maiores
espessuras.
• Para cones com semi-ângulos superiores a 30o é
exigida uma análise de tensões para o
dimensionamento, não sendo mais válidas as
equações de cálculo do código ASME e outros.
Componentes - Tampos
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• A utilização de uma transição tórica entre o tampo
cônico e o costado cilíndrico permite uma melhor
acomodação das tensões existentes nas mudanças
geométricas e confere uma resistência maior a
transição entre os componentes.
Componentes - Tampos
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Componentes - Tampos
Preparando o chanfro para soldagem de um tampo elipsoidal
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Componentes - Tampos
Tampo toro-esférico
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Componentes - Tampos
Soldagem de tampo hemisférico
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Tampo cônico em um Tambor de Coque
Componentes - Tampos
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• Os tampos planos são utilizados, normalmente,
quando temos pressão baixa e, normalmente, são
do tipo removível para facilitar o acesso para
manutenção.(vide figuras).
Componentes - Tampos
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Tampos planos – ligação com o costadoFigura UG-34, extraída do ASME, Seção VIII, Div.1
Componentes - Tampos
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• Costado cilíndrico com espessura mínima requeridade 25,0 mm, conectado ao tampo:
Tipo de tampo Esp.mínima requerida ()
Elipsoidal 2:1 25,0 mm
Torisférico 6% 44,3 mm
Torisférico 10% 38,5 mm
Torisférico Falso elipse 29,8 mm
Semi-esférico 12,5 mm
Cônico 10o 25,4 mm
Cônico 20o 26,6 mm
Cônico 30o 28,9 mm
Componentes - Tampos
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Tipo Tampo Características
Semi-elíptico- Resistência igual ao casco cilíndrico de
mesmo diâmetro;- Geralmente com relação 2:1
Toro-esférico
- Raio int. máx. da calota esférica = diâmetro externo do casco;
- Raio mín. concordância tórica: 6% do diâmetro int. da calota;
- Mais fracos do que os semi-elípticos;- Mais fáceis de fabricar.
Componentes - Tampos
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Tipo Tampo Características
Semi-esférico
- Melhor resistência mas com construção difícil;
- Empregados quando os diâmetros são muito grandes (>6,0 m) e quando o espaço permite.
Cônico
- Baixa resistência mas com construção bastante fácil;
- Podem ter concordância tórica;- Empregados por exigência do
processo, diâmetros médios e baixa pressão.
Componentes - Tampos
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Tipo Tampo Características
Plano
- Vários tipos, removíveis ou não;- Baixa resistência sendo exigidas
grandes espessuras;- Empregados em diâmetros pequenos
e tampos removíveis
Componentes - Tampos
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• Qualquer transição geométrica (forma e/ ouespessura) resulta em uma distribuição irregular econcentração de tensões nesta região. Por estemotivo, os Códigos de projeto fazem uma série deexigências de maneira a minorar este efeito.
Transição geométrica
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• Na ligação de um corpo cilíndrico com um tampoesférico, por exemplo, é exigido que a diferençaentre as bordas seja de 3y (ver figura), de talmaneira a suavizar a transição de forma.
• Contudo, devemos nos lembrar que esta transiçãodeve ser feita do lado do tampo esférico, de forma agarantir a continuidade de espessura do cascocilíndrico.
Transição geométrica
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Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 1, figura UW-13.1
Transição geométrica
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• Da mesma maneira, para tampos elipsoidais outoroesféricos, a transição de forma é abrupta,motivo pelo qual exigimos uma seção cilíndricaintegral com o tampo, com cerca de 50 mm paragarantir uma certa distância entre a linha de solda ea linha de tangência.
Transição geométrica
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• Para tampos cônicos ou transições tronco-cônicas,tem-se uma severa transição de forma, motivo peloqual o Código de projeto exige a verificação denecessidade de reforço para compensar as severastensões geradas pela descontinuidade de forma.
• Estes reforços deverão ser localizados próximos datransição de forma, de maneira a garantir a suaefetividade.
Transição geométrica
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Transição entre espessuras
• Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão I, UG-36
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• Bocais (nozzles):
– Ligação com tubulações de entrada e saída deproduto.
– Instalação de válvulas de segurança.
– Instalação de instrumentos, drenos e respiros.
• Podem ainda existir aberturas feitas para permitir aligação entre o corpo do vaso e outras partes domesmo vaso; por exemplo, ligação a potes dedrenagem (sumps).
Abertura e Reforços
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• É um ponto de concentração de tensões.
• Necessária a colocação de reforços junto as aberturas feitas num vaso de pressão.
• Reforços normalmente utilizados:
–Disco de chapa soldado ao redor da abertura.
–Utilização de maior espessura de parede para o vaso ou bocal.
–Peças forjadas integrais.
–Pescoço tubular com maior espessura
Abertura e Reforços
• Disco de chapa soldadoao pescoço tubular e a parede do vaso:
Permitido para qualquer diâmetro de abertura
Não deve ser usado em vasos com espessura de parede ≥ 50,0 mm.
Não recomendado para serviços com baixa temperatura,esferas de armazenamento de gás liquefeito sob pressão, serviços cíclicos ou serviço c/ hidrogênio.
Abertura e Reforços
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(A) Anel de chapa soldado ao pescoçotubular e à parede do vaso: Permitido paraqualquer diâmetro mas não deve ser usadoquando a espessura da parede do vaso é igualou superior a 50 mm. Não é recomendadopara serviços em baixa temperatura ou paraserviços cíclicos.(B) Disco de chapa de maior espessura,soldado de topo no vaso: Permitido paraqualquer diâmetro e pode ser usado nos casosem que o anel de chapa não é permitido ounão é recomendado.
Abertura e Reforços
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(C) Peça forjada integral: Permitido paraqualquer diâmetro, sem limitações, sendoentretanto sempre de custo elevado.
(D) Pescoço tubular de maior espessura:Permitido, sem limitações, para diâmetrosnominais até 10”, inclusive, devendo opescoço tubular ser de tubo sem costura oude tubo forjado (o tubo forjado é preferidopara esses casos).
Abertura e Reforços
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• O Código ASME apresenta critérios para reposiçãoda área retirada (ver figura UG-37.1).
• Estes critérios são dependentes da abertura, oumelhor, critérios especiais são exigidos quando aabertura excede algumas dimensões, (parágrafoUG-36, Divisão 1):– vasos com diâmetro até 60 polegadas (1530 mm): até
metade (½) do diâmetro, mas não ultrapassando 20polegadas;
– vasos com diâmetro superior a 60 polegadas: um terço(⅓) do diâmetro, mas não excedendo 40 polegadas(1020 mm).
Abertura e Reforços
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• Caso excedam esta recomendação, o cálculo doreforço deve atender as exigências do apêndice 1 daDivisão 1.
• Da mesma forma, aberturas muito próximastendem a exercer um efeito uma sobre a outra, poisas regiões afetadas na parede do vaso acabam sesobrepondo. Para evitar este efeito, procuramosafastar as aberturas de tal maneira que a distâncialivre entre elas seja superior ao seu diâmetromédio.
Abertura e Reforços
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• A figura UW-16.1 apresenta vários tipos usuaisdeste reforço. A seleção de um destes tipos serábaseada:
– Fatores econômicos – o tipo da figura (a-1) – anelsobreposto - é o mais barato, sobreposto aocasco e soldado a este por soldas em ângulo, masapresenta alta concentração de tensões, além defraca resistência à fadiga por esforços cíclicos;
Abertura e Reforços
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– Concentração de tensões – o reforço da figura(e) é um disco de maior espessura, soldado detopo à parede do vaso;
– Inspeção facilitada – os tipos da figura abaixo(f-1 até f-4) são os mais facilmenteradiografáveis, já que ambas as soldas são detopo, já a figuras (g) é um pescoço do bocal commaior espessura; contudo estas figurasrepresentam peças forjadas caras.e, no caso dafigura (g), de difícil radiografia.
Abertura e Reforços
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Abertura e Reforços
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Abertura e Reforços
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Abertura e Reforços
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Abertura e Reforços
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Abertura e Reforços
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• A Divisão 1, parágrafo UG-36(c)(3)(a) exige que oreforço seja calculado para aberturas de diâmetronominal até:
– superior a 3½ polegadas (89 mm) para espessuras até 9,5 mm;
– superior a 2 ⅜ polegadas (60) quando a espessura é superior a 9,5 mm
Abertura e Reforços
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• Qualquer reforço é tanto mais eficiente quantomais próximo estiver da borda da abertura equanto mais simétrico for o reforço.
• Porém, o reforço não deve ser excessivo. Ele serádimensionado, basicamente, como uma reposiçãode área retirada. Mas será efetivo dentro de certoslimites geométricos.
Abertura e Reforços
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• Para tanto, a Divisão 1 apresenta limites máximosaté onde o reforço é considerado efetivo:
– comprimento até o diâmetro interno da abertura;
– altura até 2,5 vezes a espessura do costado.
Abertura e Reforços
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Abertura e Reforços
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• a) Área requerida de reforço [mm2] : A = d.tr + 2.tn.tr.(1 – fr1)• b) Áreas resistentes [mm2]• Caso I - Abertura com anel de reforço• A1: maior valor entre A11 e A12• A11 = d.(E1.t - tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1) • A12 = 2.(t + tn).(E1.t – tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1) • A2: menor valor entre A21 e A22• A21 = 5.(tn – trn).fr1.t • A22 = 2.(tn – trn).(2,5.tn + te).fr1
• A3 = 2.(tn - C).fr1.h • A41 = h1
2.fr2 A42 = h22.fr3
• A43 = h32.fr1
• A5 = (Dp - d - 2.tn).te.fr3
• Se A < A1 + A2 + A3 + A41 + A42 + A43 + A5, o reforço da abertura é suficiente
Abertura e Reforços
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• a) Área requerida de reforço [mm2] : A = d.tr + 2.tn.tr.(1 – fr1)
• b) Áreas resistentes [mm2]
• Caso II - Abertura sem reforço
• A1: maior valor entre A11 e A12
• A11 = d.(E1.t – tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1)
• A12 = 2.(t + tn).(E1.t – tr) - 2.tn.(E1.t – tr).(1 – fr1)
• A2: menor valor entre A21 e A22
• A21 = 5.(tn – trn).fr1.t
• A22 = 5.(tn – trn).tn.fr1
• A3 = 2.(tn - C).fr1.h
• A41 = h12.fr2 A43 = h3
2.fr1
• Se A < A1 + A2 + A3 + A41 + A43, o reforço da abertura é suficiente
Abertura e Reforços
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• Variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão é muito grande.
• Todas as peças internas que devam ser desmontáveis, (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores de névoa, etc...) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções.
Peças Internas
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• Reforços de vácuo.• Anéis de suporte de
isolamento térmico externo.
• Chapas de ligação, orelhas ou cantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas.
• Suportes para turcos de elevação de carga.
• Turcos para as tampas de bocas de visita e outros flanges cegos.
Acessórios Externos
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• Vasos verticais :– “saia” de chapa– sapatas ou colunas.
• Esferas para armazenagem de gases:– colunas
• Vasos horizontais :–dois berços (selas)
• Permutadores de calor:– Selas– Estruturas superpostas
CET
Costado cilíndrico
Costado cilíndrico
Costado cônico
Suporte
Di
De
De
Di
CET
Costado cilíndrico
Tampo
Suporte
De Di
CET CET
De Di
Suporte
Cilíndrico Vertical
Cilíndrico Vertical
Cilíndrico Inclinado Cilíndrico Horizontal
De
Di
CET
Di De
Suporte Suporte
Cilíndrico Cônico ESférico
Suportação
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300 2000 3000 D(mm)
H(mm) 6000 2000
Saia de Suporte
D : diâmetro H : comprimento entre linhas de tangência
Colunas de Suporte
Suportação
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• Torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter um trecho com 1000 mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes casos:– Temperatura de projeto abaixo de 15oC.
– Temperatura de projeto acima de 340oC.
– Serviços com Hidrogênio.
– Vasos de aços-liga, aços inoxidáveis e materiais não ferrosos.
Suportação
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Suportação
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• Há vários tipos de flanges que são empregadospara bocais e outras ligações flangeadas:
– flanges de pescoço (welding neck) – figura 2-4.(6) – é o tipo de maior resistência mecânica commelhor distribuição de tensões. Devido ao custoelevado por ser uma peça única forjada eusinada, apresenta uso restrito para diâmetrosaté 14 polegadas e serviços especiais;
Flanges e Faces de Flanges
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Flanges e Faces de Flanges
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– flange sobreposto (slip-on) – é um flangeforjado, mais fácil obtenção, sendo fixado aopescoço do bocal por uma solda de ângulo;
– flange de anel - ring type flange – mais fácilobtenção que o flange de pescoço, masapresenta elevadas tensões na ligação soldada;
– flange para solda de encaixe - socket-weldflange – empregado somente para diâmetrospequenos ( Ø <2”);
Flanges e Faces de Flanges
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Flanges e Faces de Flanges
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– flange de pescoço longo – long-weld neck – éuma peça forjada onde o flange e o pescoçocompõe uma única peça. Empregado paradiâmetros até Ø < 2”;
– flange solto – lap-joint flange –é um flangeutilizado para serviços com fluidos corrosivos,onde devemos evitar o contato do flange com oproduto. A resistência mecânica deste flange émuito baixa, motivo pelo qual não é utilizado empressões ou temperaturas elevadas.
Flanges e Faces de Flanges
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Flanges e Faces de Flanges
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• As normas dimensionais mais utilizada no Brasil sãoa ASME B16.5 (para diâmetros até 24 ” ) e a B16.47(para diâmetros Ø > 24”, até Ø = 60”).
• Estas normas definem classes de pressão (ratings),em função do material e da temperatura de projeto,definindo as pressões máximas admissíveis paracada classe.
Flanges e Faces de Flanges
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Flanges e Faces de Flanges
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Flanges e Faces de Flanges
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Capítulo 3
Detalhes em Vasos de Pressão Especiais
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Introdução
• Neste capítulo veremos alguns detalhesconstrutivos de vasos pertencentes a classesespeciais, seja pela necessidade de revestimentosanti-corrosivos ou pela condição de trabalho:
–Vasos cladeados ou com tiras soldadas;
–Vasos em serviço corrosivo;
–Vasos para serviço com baixa temperatura.
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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Vasos com revestimento metálico
• Os vasos cladeados ou com tiras soldadas sãoconstruídos para garantir sua resistência àcorrosividade do meio, ou para garantir que nãohaverá contaminação do fluido (como no caso deprodutos alimentícios).
• Podemos obter o revestimento cladeado por meiode co-laminação, por explosão ou por deposição desolda.
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
87• Chapa cladeada obtida por colaminação
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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• Exemplo de deposição de solda (weld overlay) em chapa de aço carbono.
Extraído de www.geotechindustries.com
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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• Observar o revestimento nas peças ao lado.
• Peças com espessura elevada são normalmente obtidas com deposição de solda.
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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• Os bocais são cladeados normalmente até o diâmetro nominal de 6”.
• Para diâmetros inferiores costuma-se utilizar peças integrais.
Extraído do site www.clad.com/brochures/KLADgeneral.pdf
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• As chapas obtidas por explosão apresentam excelente aderência, mas sua obtenção é difícil devido a conseqüências óbvias na fabricação.
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• A construção com chapa cladeada é cara enormalmente é preferida quando a espessura totalé superior a 15 mm.
• Para espessuras menores é preferível o uso dechapas maciças em material nobre.
• A chapa cladeada pode ser conformada como umachapa normal. Contudo, processos de conformaçãoque resultem em grande deformação podemdanificar o cladeamento.
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• A soldagem é simples. Contudo, em função domaterial do revestimento, procedimentos especiaispodem ser exigidos. A contaminação dorevestimento com o metal base pode resultar emdano para o processo e prejudicar o desempenhodo revestimento.
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Vasos para serviço corrosivo
• Devemos atentar para algumas regras paraprocurar minimizar o ataque corrosivo.
• Identifiquemos estes serviços:
–Corrosão por pites ou alveolar ou corrosão porfrestas;
–Corrosão-erosão;
–Corrosão galvânica;
–Corrosão sob tensão
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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• Então, vamos discorrer sobre alguns detalhesconstrutivos.
–1) para corrosão alveolar: devemos, tanto quantopossível, evitar espaços confinados ondepequenas quantidades de líquido possa ficarretida. Então, evitar bocais na geratriz inferiorcom projeção interna; evitar soldas sobrepostas,luvas ou peças rosqueadas; evitar região dedrenagem difícil.
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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–2) corrosão-erosão: evitar velocidades elevadasou mudanças abruptas de direção, pontos deestrangulamento ou impactos (caso de fluidosbifásicos);
–3) corrosão galvânica: evitar o contato de metaiscom diferentes potenciais na presença deeletrólitos fortes;
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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–4) corrosão sob tensão: garantir que as tensõesresiduais de conformação ou soldagem tenhamsido aliviadas; evitar o contato do metal com omeio; evitar cargas concentradas, realizar otratamento térmico de alívio de tensões, quandopossível.
Detalhes e Acessórios em Vasos de Pressão Especiais
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Capítulo 4
Permutadores de Calor
• São equipamentos dimensionados para promover a troca de calor entre fluidos.
• Os fluidos utilizados podem ser ambos de processo ou apenas um deles trocando calor, geralmente, com água, vapor d´água ou ar.
Permutadores de Calor
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• Resumidamente são duas as vantagens obtidas com
o emprego do trocador de calor:
–Aumento da temperatura do fluido frio sem a
necessidade da queima de algum combustível;
– Evita-se que a energia contida em um fluido já
processado, seja desperdiçada para o meio
ambiente.
Princípios de Funcionamento
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• Definindo-se :
• Q1: quantidade de calor necessário ao
processamento da carga da unidade (obtida pela
queima de combustível em um forno);
• Q2: quantidade de calor perdida no tanque de
armazenamento.
• Q1` = Q1 - calor recuperado no trocador de calor Q1` < Q1
• Q2` = Q2 - calor cedido no trocador de calor Q2` < Q2
Princípios de Funcionamento
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Princípios de Funcionamento
• CASO “A” - Instalação sem trocador de calor. QTOTAL (A) = (Q1 + Q2)
102
Princípios de Funcionamento
• CASO “B” - Instalação com trocador de calor. QTOTAL (B) = (Q1` + Q2`)
103
Princípios de Funcionamento
104
• São os mais comuns na indústria de petróleo. São
constituídos basicamente de um feixe de tubos
envolvido por um casco cilíndrico. Um dos fluidos
circula através do feixe, contido pelo casco e
orientado por defletores ou chicanas, e o outro pelo
interior dos tubos. Os fluidos são designados como
fluido do casco e fluido dos tubos, respectivamente.
Permutadores Casco-Tubos
105
• Espelho Fixo: feixe de tubos soldado ao casco.
• Espelho Flutuante: um espelho preso ao casco, o outro com liberdade para dilatar na direção longitudinal, independente do costado.
Permutadores Casco-Tubos
106
• Tubos em U: tubos são curvados em forma de “U” e fixos a um espelho que é solidário ao casco. Feixe com liberdade para dilatar na direção longitudinal, independente do costado.
Permutadores Casco-Tubos
107
108
• Tabela TEMA para classificação de trocadores de calor
Permutadores de Calor
DESENHO ESQUEMÁTICO TIPO
AES
AKT
Permutadores Casco-Tubos
AES
DESENHO ESQUEMÁTICO TIPO
AES
AKT
AKT
109
Permutadores Casco-Tubos
BEM
CFU
BEM
CFU
110
Permutadores Casco-Tubos
AEP
AJW
AJW
AEP
AJW
AEP
AJW
AEP
AJW
AEP
111
Permutadores Alta Pressão
112
113
Permutadores Alta Pressão
114
• Limitações do código (TEMA):
–Casco com diâmetro de 1524 mm (60 polegadas);
–Pressão de projeto até 204 kgf/cm2 (3000 psig);
–Produto do diâmetro interno do casco (em polegadas) pela pressão (em psig) até 60.000.
Permutadores de Calor
115
• A norma TEMA abrange três classes de trocadores,caracterizados pelo serviço a que se destinam:
– Classe R: refinarias, petroquímicas;
– Classe C: serviço químicos;
– Classe B: serviços com menor responsabilidade.
Permutadores de Calor
116
Permutadores de Calor
Montagem de trocador de calor (COMETARSA – Argentina)
• Formados por placas superpostas e comprimidas entre dois cabeçotes, por meio de tirantes.
• Placas, obtidas por estampagem de chapas metálicas de pequena espessura, possuem furos nos quatro cantos, que servem para a distribuição dos fluidos.
• Por meio de um sistema conveniente de juntas em torno dos furos e na borda das placas, os fluidos são orientados, alternadamente, de modo a trocarem calor através de cada placa.
Permutadores de Placas
117
Permutadores de Placas
118
Permutadores de Placas
119
Permutadores de Placas
120
Permutadores de Placas
121
Permutadores de Placas
122
• VANTAGENS :
• Custo menor para serviço que exige materiais resistentes à corrosão / competitivo para serviços não corrosivos;
• Melhores coeficientes de película / alta turbulência / melhor recuperação térmica, resultante da utilização do fluxo em contra-corrente / equipamentos compactos (peso e espaço);
Permutadores de Placas
123
• VANTAGENS :
• Espaço reduzido para desmontagem (comparado com os permutadores casco e tubos : espaço equivalente ao comprimento do feixe de tubos para sua remoção, além de equipamentos de movimentação de cargas);
• Flexibilidade (facilidade de adição ou redução de um certo número de placas) / permite um controle das condições de operação ou a sua adaptação para diversas condições;
Permutadores de Placas
124
• VANTAGENS :
• Facilidade : limpeza ou substituição / rápido acesso a qualquer placa;
• Impossibilidade de contaminação / vazamentos ocorrem para o meio externo (desvantagem no caso de um fluido perigoso que não pode ser lançado na atmosfera);
• Possibilidade de utilização da mesma estrutura para montagem de mais de um equipamento, inclusive com um fluido sendo comum a vários serviços.
Permutadores de Placas
125
• DESVANTAGENS :
• Em contrapartida, eles apresentam limitações quanto à pressão máxima de trabalho (até cerca de 300 psi) e quanto à temperatura (máxima de 500oF). Além disso, não são indicados para trabalharem com processos que envolvem mudança de fase.
Permutadores de Placas
126
• Equipamentos simples / tubo, aletado ou não,
encamisado por outro. Tubos aletados são, na sua
maioria, do tipo aleta longitudinal externa.
Permutadores Bitubulares
127
• Características :
• Diâmetro reduzido de ambos os tubos / adequados para pressões elevadas, pois não exigem grandes espessuras;
• Adquiridos em módulos, montados em série ou em paralelo, podendo-se ajustar a área de troca térmica com relativa facilidade;
Permutadores Bitubulares
128
• Características :
• É sempre possível fazer com que os fluidos circulem em contra-corrente, obtendo-se o máximo rendimento térmico.
• Esses equipamentos são economicamente competitivos quando a carga envolvida é pequena.
Permutadores Bitubulares
129
Permutadores Bitubulares
130
Permutadores Bitubulares
131
Permutadores Bitubulares
132
Permutadores Bitubulares
133
Permutadores Bitubulares
134
Permutadores Bitubulares
135
Permutadores Bitubulares
136
• Ar é “forçado” ou “induzido” a passar, pela ação de um ventilador / tiragem forçada possui manutenção mais fácil.
Resfriadores a Ar
137
• Tubos sempre aletados / aletas transversais altas, para compensar os baixos coeficientes de película resultantes da operação com ar. Exigem uma vazão de ar, e uma área de troca muito elevada, o que resulta em dimensões externas também muito grandes. Os resfriadores a ar são sempre empregados quando há impossibilidade de obtenção de água para resfriamento.
Resfriadores a Ar
138
• Capta e descarrega o ar diretamente da e para a atmosfera / Sistema de resfriamento por meio de água envolve, além do permutador, todo um sistema de condicionamento da água.
Resfriadores a Ar
139
Resfriadores a Ar
140
Resfriadores a Ar
141
• Os trocadores de calor compactos tipo circuito impresso (Printed Circuit Heat Exchanger - PCHE) são uma alternativa mais recente aos trocadores do tipo casco e tubos. São equipamentos com custo competitivo e com menores relações de dimensão e peso quando comparado com permutadores casco e tubos. São mais adequados para aplicações offshore envolvendo pressões elevadas e fluidos limpos (gás).
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
142
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
143
• Os permutadores do tipo PCHE são fabricados a partir de chapas planas onde são gerados canais através de ataque químico ou prensados. A configuração requerida dos canais nas placas para cada fluido é governada pelas restrições de temperatura e perda de pressão especificada para o equipamento. A troca térmica dos fluidos pode ser em contracorrente, correntes transversais ou combinação.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
144
• As chapas com os canais são empilhadas e unidas através do processo de “diffusion-bonding” para a formação de um conjunto compacto e estanque. Este tipo de união é executado em estado sólido através da prensagem dos metais com controle de temperatura abaixo do ponto de fusão, o que promove aumento de grão entre as superfícies.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
145
• Sob condições controladas, a união em estado sólido alcança os limites de resistência do metal base das placas. Os diversos blocos gerados através deste processo são soldados formando o corpo do permutador de calor.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
146
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
147
• O equipamento é construído de forma a se tornar uma peça única, monolítica, sem acesso interno para inspeção ou manutenção. Como o equipamento não possui juntas de vedação, resulta em menor possibilidade de vazamento. Quando da ocorrência de trincamento nas placas ou entre elas, não existe possibilidade econômica de reparo no equipamento.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
148
• O único procedimento possível é a limpeza química dos canais após algum tipo de entupimento. A depender do nível de entupimento dos canais, a limpeza poderá obrigar a retirada do equipamento da instalação, causando a indisponibilidade do mesmo. Sempre que o serviço é considerado crítico, um permutador do tipo circuito impresso (PCHE) reserva deve ser adquirido como sobressalente.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
149
• Deve ser feita uma análise dimensional criteriosa dos particulados existentes nos fluidos envolvidos. Estes fluidos devem ser isento de borras, sólidos ou capazes de formar incrustações. Devido a sua dificuldade para a limpeza, as linhas do circuito de resfriamento devem ser construídas preferencialmente em aço inoxidável.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
150
• Caso se opte por aço carbono, recomenda-se a adoção de filtração paralela. O sistema deve ser projetado para permitir limpeza do trocador utilizando agentes químicos, retro-lavagem e jato d’água de alta pressão.
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
151
Permutadores do Tipo Circuito Impresso (PCHE)
152
• Os trocadores de calor compactos tipo casco e placas, são uma alternativa relativamente recente aos trocadores do tipo casco-e-tubos, para pressões ate 100 bar, segundo os principais fabricantes. Adicionalmente, podem ser também utilizados como alternativa aos permutadores de placas convencionais gaxetados, para as pressões acima de 25 bar.
Permutadores do Tipo Casco e Placas
153
• Este tipo de permutador consiste de um conjunto de placas circunferenciais, inseridas em um casco cilíndrico, que pode ser totalmente hermético ou ter abertura para acesso a limpeza externa às placas, através de um flange aparafusado em uma das extremidades.
Permutadores do Tipo Casco e Placas
154
Permutadores do Tipo Casco e Placas
155
• Este equipamento foi originalmente desenvolvido para aplicações em indústrias químicas, petroquímicas e farmacéuticas. Para aplicações em pressões elevadas e fluidos relativamente limpos, este tipo de trocador tem custo competitivo e dimensões/peso substancialmente menores que um equivalente casco-e-tubos e que um trocador de calor de placas convencional com juntas de vedação ou soldados.
Permutadores do Tipo Casco e Placas
156
• São equipamentos com desempenho térmico adequado mas podem apresentar problemas de resistência mecânica nas soldas entre os conjuntos de placas em função das variações de pressão, vazão e temperatura no fluxo a montante dos mesmos.
Permutadores do Tipo Casco e Placas
157
Permutadores do Tipo Casco e Placas
158
• As soldas entre as placas são executadas através de processo de soldagem com baixo aporte de calor. A limpeza no interior das placas deverá ser feita por um processo de retro-lavagem com produto químico, indicado pelo fabricante do equipamento. No caso do aparecimento de trincas internas às placas, é provável que seja necessária a aquisição de um novo conjunto de placas para reposição. O projeto mecânico das placas deve ser cuidadoso evitando a ocorrência de deflexões excessivas.
Permutadores do Tipo Casco e Placas
159
Permutadores do Tipo Casco e Placas
160
• A classificação apresentada não inclui todos os equipamentos de troca de calor. Alguns por não serem considerados permutadores de calor, como é o caso das caldeiras, dos fornos e das torres de resfriamento. Outros não foram incluídos, mesmo sendo classificados como permutadores por representarem uma parcela muito pequena dos equipamentos encontrados na indústria.
Outros Equipamentos
161
Outros Equipamentos
162
Outros Equipamentos
163
Outros Equipamentos
164
165
Capítulo 5
Desenvolvimento do Projeto e da Construção de Vasos de
Pressão
166
Etapas do projeto e da construção• No caso mais geral, o projeto e a construção dos
vasos de pressão compreendem as etapas a seguir:–Definição dos dados gerais de projeto;–Definição dos dados de processo;–Projeto de processo do vaso (ou projeto
analítico);–Projeto térmico (para trocadores de calor);–Projeto mecânico (inclusive peças internas);–Acompanhamento;
Desenvolvimento de Projetos
167
– Emissão da Requisição de Material e do Pedido de Compra;
– Julgamento das propostas e colocação da Ordem de Compra;
–Aquisição da matéria-prima;–Projeto de fabricação;– Fabricação e controle de qualidade (inspeção);–Montagem– Testes de aceitação (pré-operação).
Desenvolvimento de Projetos
168
Definição dos dados gerais de projeto
• Consiste na informação referente às condiçõeslocais e nas definições expressas pelo usuário.
• Normalmente:
–Normas e Códigos de projeto;
– Tempo de vida útil desejado;
– Exigências quanto a materiais;
–Condições climáticas e meteorológicas;
–Área disponível;
–Dimensões e pesos máximos para transporte.
Desenvolvimento de Projetos
169
Definição dos dados de processo
• Consiste na determinação dos dados relativos aodesempenho do vaso.– Serviço do vaso (torre de fracionamento, vaso de
armazenamento, etc);– Fluido e suas características: pressão,
temperatura, densidade, vazão, viscosidade, etc;–Volume armazenado;–Perda de carga admissível;–Carga térmica (para trocadores de calor);–Coeficiente de depósito (idem).
Desenvolvimento de Projetos
170
Projeto de processo do vaso (ou projeto analítico)
• Consiste basicamente na determinação dasdimensões gerais do vaso, bem como de suas peçasinternas:– Formato do vaso;–Dimensões gerais (diâmetro e comprimento
entre tangentes);– Tipo de tampos;–Posição de instalação (vertical ou horizontal);– Serviço, posição, elevação e diâmetro nominal
dos bocais;
Desenvolvimento de Projetos
171
Projeto de processo do vaso (ou projeto analítico)–Peças internas – tipo, localização, dimensões
gerais, etc;– Elevação do vaso (caso necessário para o
processo, por exemplo, atender ao NPSH debombas);
– Instrumentação;–Revestimentos;
Desenvolvimento de Projetos
172
Projeto térmico (para trocadores de calor)
• Aplicável para o cálculo dos trocadores de calor:– Tipo do equipamento – casco e tubo, resfriador a
ar, trocador de placas, etc;–Classificação TEMA;–Área de troca e dimensões gerais;–Número e arranjo dos cascos;–Número de tubos – arranjo e passo;–Definição do número de chicanas, bem como sua
disposição, corte, espaçamento;–Peças internas: defletores, quebra-jato; tirantes,
etc.
Desenvolvimento de Projetos
173
Projeto mecânico• Consiste em:
– Seleção e especificação dos materiais;–Dimensões finais do vaso;–Definição das normas de projeto aplicáveis;–Definição das eficiências de soldas e
conseqüentemente da inspeção necessária para a fabricação do vaso;
–Cálculo mecânico propriamente dito;–Cálculo das pressão máxima de trabalho e da
pressão de teste hidrostático;–Cálculo dos pesos e dos esforços sobre a base;
Desenvolvimento de Projetos
174
• Além destes, também compõem o projetomecânico:
–Necessidade de inspeção suplementar àradiografia como por exemplo: ultra-som,partícula magnética ou líquido penetrante;
– Tratamento térmico;
– Isolamento térmico;
– Especificação de montagem;
Desenvolvimento de Projetos
175
–Previsão de espaços para a manutenção:montagem e/ou desmontagem do equipamento;
–Verificação de esforços adicionais: tensão embocais devido aos esforços transmitidos pelatubulação, bem como os cálculos dedeslocamentos impostos pela dilatação térmica;
–Determinação da carga limite para ruptura oufalha do vaso (quando solicitado)
Desenvolvimento de Projetos
176
• O projeto mecânico inclui o projeto das peças internas:
–Arranjo e dimensionamento das peças;
– Especificação completa (chapas, perfis, juntas de vedação, etc)
–Cálculo estrutural
–Detalhamento das peças;
–Cálculo dos pesos;
–Características de montagem.
Desenvolvimento de Projetos
177
Acompanhamento do projeto
• Não é propriamente uma etapa, mas se desenvolveparalelamente a todo o projeto.
• Consiste na orientação e fiscalização técnica eadministrativa do projeto, controlando oatendimento aos requisitos especificados pelousuário bem como o controle dos custos e prazosenvolvidos no projeto.
Desenvolvimento de Projetos
178
Emissão da Requisição de Material e do Pedido de compra
• Consiste na emissão dos documentos necessários àcompra do equipamento, compreendendo adiscriminação do material, suas características(propriedades mecânicas e composição química,por exemplo) e requisitos especiais (se houver),testes exigidos, local e prazo de entrega.
Desenvolvimento de Projetos
179
Julgamento das propostas e colocação da Ordem de Compra
• É comum dividir-se o julgamento em fases:
–Avaliação técnica das propostas;
–Discussão com os fornecedores paraesclarecimentos de dúvidas ou divergências;
–Avaliação das propostas comerciais.
• Uma vez decidida a proposta vencedora é emitida aOrdem de Compra.
Desenvolvimento de Projetos
180
Aquisição da matéria prima
• Com base nas especificações técnicas emitidasdurante o projeto mecânico, o fabricante do vaso iráemitir as requisições para a aquisição do material,atendendo os requisitos definidos previamente.
Desenvolvimento de Projetos
181
Projeto para fabricação
• Consiste no detalhamento completo do equipamento para permitir sua fabricação e montagem.
• Deve incluir os detalhes de fabricação, conformação mecânica, soldagem e de inspeção do vaso.
Desenvolvimento de Projetos
182
Fabricação e controle de qualidade
• A fabricação do vaso consiste nas várias etapas para construção do vaso: conformação, soldagem, usinagem, etc.
• O controle de qualidade inclui a radiografia, osdemais ensaios destrutivos e não-destrutivos a queserá submetido o vaso e os materiais utilizados emsua fabricação, para certificar-se do atendimento àsespecificações técnicas emitidas durante o projeto.
Desenvolvimento de Projetos
183
Fabricação e controle de qualidade
• O acompanhamento da documentação técnicaemitida e dos certificados emitidos pelosfornecedores e laboratórios de testes serãocontrolados e arquivados para registro.
Desenvolvimento de Projetos
184
Montagem
• Os equipamentos que foram construídos na fábricadeverão ser transportados e posicionados no localde trabalho.
• Aparentemente simples, esta etapa pode exigirconsiderável esforço, como no caso deequipamentos de grandes dimensões ou peso.
Desenvolvimento de Projetos
185
Montagem
• A exigência de um estudo preliminar para verificar adisponibilidade de guindastes, posicionamento paraelevação, estudo de solo, bem como movimentaçãodo vaso é sempre recomendável.
• Nesta etapa, podemos vislumbrar a necessidade deuma aceleração na aquisição e entrega de algunsequipamentos críticos para a montagem daUnidade, devido ao seu peso ou posição em relaçãoaos demais equipamentos.
Desenvolvimento de Projetos
186
Testes de aceitação
• Alguns equipamentos podem ser submetidos aensaios de aceitação.
• A NR-13, por exemplo, exige que os vasos depressão sejam testados hidrostaticamente antes daoperação.
• Tal exigência procura antever qualquer danoprovocado pelo transporte.
Desenvolvimento de Projetos
187
Capítulo 6
Desenhos de Vasos de Pressão
188
Desenhos de vasos de pressão
• Para cada vaso de pressão, costuma-se emitir os seguintes documentos:– Folha de dados;– Desenho de processo;– Desenho mecânico;– Desenhos de detalhes– Desenhos-padrão– Desenho de fabricação;– Desenho de detalhe de soldagem;– Planta de Inspeção;– Diagrama de cargas sobre a fundação
Desenhos de Vasos de Pressão
189
Desenhos de vasos de pressão• Estes desenhos irão obedecer a norma ABNT NB-8 e
os tamanhos de papel serão padronizados.
• A Folha de Dados irá conter as informações gerais, dados de processo e as condições de operação e de projeto do vaso.
• Normalmente estas follhas são padronizadas de forma a conter a descrição detalhada dos dados de processo do equipamento.
Desenhos de Vasos de Pressão
190
Desenho de processo
• São desenhos esquemáticos, sem escala, contendoas informações que fazem parte do Projeto deprocesso e da seleção de material.
Desenhos de Vasos de Pressão
191
Desenho mecânico
• Contendo as informações pertinentes ao projeto mecânico do equipamento:
–Desenho do vaso em várias vistas, necessárias para a compreensão do equipamento;
–Condições de pressão e temperatura
–Normas e Códigos de projeto;
–Pesos e esforços sobre a fundação;
– Especificação completa de materiais;
Desenhos de Vasos de Pressão
192
Desenhos de Vasos de Pressão
193
Desenhos de Vasos de Pressão
194
Desenho mecânico
–Margens de corrosão
–Pressão máxima de trabalho admissível e pressão de teste hidrostático;
– Lista de bocais
–Conjunto geral com elevação e posicionamento dos bocais.
Desenhos de Vasos de Pressão
195
Desenhos de fabricação
• Desenhos mais detalhados, em escala, compreendendo os componentes do vaso;
• Apresentam os detalhes de solda e indicam os procedimentos de solda a seguir;
• Detalham os bocais, sua posição e orientação;
• Localização de soldas e planificação de chapas
• Indicação das superfícies usinadas;
• Listagem de todas as peças
• Dimensões completas de cada componente.
Desenhos de Vasos de Pressão
196
Capítulo 7
Normas de projeto
197
• São textos normativos desenvolvidos por associações técnicas ou sociedades de normalização públicas ou particulares de diversos países.
• As normas de vasos de pressão abrangem não sócritérios, fórmulas de cálculo e exigências dedetalhes de projeto, mas também regras, detalhes eexigências de fabricação e montagem, inclusiveinspeção.
Natureza e Finalidade
198
• O escopo ou o campo de aplicação de cada norma édefinido previamente, por exemplo, o Código ASMEnão é aplicado para vasos com pressões inferiores a1,05 kgf/cm2 (15 psi) manométricos.
• Devemos lembrar que as normas foramestabelecidas para principalmente garantircondições mínimas de segurança para a operação.
Natureza e Finalidade
199
• Qualquer norma é um conjunto coerente, ou seja, suas exigências são todas interelacionadas e mutuamente interdependentes. Este ponto é extremamente importante:
“NÃO PODEMOS MISTURAR CÓDIGOS DIVERSOS”.
Natureza e Finalidade
200
• A filosofia geral das normas consiste em limitar as tensões nos componentes elementares do vaso a uma fração de uma característica mecânica do material (limite de ruptura ou tensão de escoamento) ou a deformação máxima decorrente da fluência.
Comentários Gerais
201
• Nenhuma norma de projeto destina-se a substituirou a diminuir a responsabilidade do projetista.Caberá a ele a aplicação criteriosa do Código e suaserá a responsabilidade integral.
Comentários Gerais
202
• É interessante notar que as normas sãodocumentos dinâmicos, submetidos rotineiramentea revisões e atualizações, acréscimos e até possíveiscorreções. Por este motivo, o projetista deve estaratento à última edição da norma e das variaçõesque ela sofreu.
Comentários Gerais
• No início do Século XIX, com o advento de diversos acidentes com caldeiras relacionado a Revolução Industrial, já havia uma necessidade de regulamentar o projeto da construção de vasos de pressão.
Aspectos Históricos
203
• Em 1851: Explosão catastrófica em Londres
Investigação preliminar: má qualidade de fabricação & materiais inadequados para altas pressões.
Recomendações adotadas: fabricação de caldeiras com ampla utilização de materiais forjados, uso de tampos hemisféricos e proteção do equipamento através de 2(duas) válvulas de segurança simultâneas.
Aspectos Históricos
204
• Entre 1870 e 1910: Registradas pelo menos 10.000 explosões em caldeiras na América do Norte.
• Após 1910: A taxa de falhas se elevou para 1.300 a 1.400 falhas ao ano.
• Em 1905: A explosão de caldeira em uma fábrica de sapatos em Brockton, Massachusetts (EUA), motiva a criação de norma regulatória, denominada Massachusetts Rules, sobre o projeto e construção de caldeiras, emitida em 1907.
Aspectos Históricos
205
206
The Brockton, Massachusetts shoe factory (58 mortos e 117 feridos)
Shoe factory after the boilerexplosion of March 20, 1905which led to the adoption of manystate boiler codes and the ASMEBoiler and Pressure Vessel Code(Hartford Steam Boiler Inspection& Insurance Company).
207
• O Comitê de Caldeiras do ASME foi criado em 1911,
com publicação da primeira edição do código em
1914-1915, exclusivamente para Caldeiras
Estacionárias (Seção I). Em 1924, seria publicada a
Seção VIII, referente a vasos de pressão não sujeitos
a chama. Nesta época já existiam normas européias
para caldeiras e vasos de pressão.
Aspectos Históricos
208
• Até a década de 60, os códigos eram baseados em critérios ditados pela experiência, pouca base teórica e mecanismos de falha mais simples.
• Simplesmente era exigido que a espessura do equipamento fosse capaz de suportar a tensão máxima atuante, e que o material fosse suficientemente dúctil de forma a acomodar, sem riscos imediatos, tensões de pico e tensões geradas em regiões de descontinuidades geométricas.
Aspectos Históricos
209
• Outro grupo, mais recentemente desenvolvido, tem por filosofia a adoção de maiores tensões de projeto, associadas a uma rigorosa e criteriosa análise de tensões, aplicação de teoria da plasticidade, conceitos de mecânica da fratura e da avaliação da vida útil a fadiga dos equipamentos.
Aspectos Históricos
210
• A motivação para este desenvolvimento decorreu das seguintes razões:
– O advento e difusão da tecnologia com a construção de reatores nucleares, que exigiam um maior conhecimento de mecanismos de falha, análise e a classificação das tensões associadas a equipamentos, considerando a elevada conseqüência de um vazamento do fluido;
– Necessidade de redução do conservadorismo no projeto convencional de vasos de pressão e na identificação de critérios deficientes para a definição do comportamento estrutural.
Aspectos Históricos
211
• Com a redução do nível de incerteza na definição do comportamento estrutural dos equipamentos, permitiu-se o estabelecimento de fatores de segurança mais adequados.
• O ASME Seção III, editado em 1963, foi o primeiro código a utilizar tais desenvolvimentos.
Aspectos Históricos
212
• Como resultado da abordagem proposta são identificados 2(dois) diferentes critérios de projeto:
• Projeto convencional (design by rules): que emprega soluções analíticas consagradas para o dimensionamento de vasos com detalhes padronizados para a geometria dos componentes (casco, tampo, bocais, ..);
Aspectos Históricos
213
• Projeto alternativo (design by analysis): que inclui componentes com geometrias e/ou carregamentos não convencionais, onde o dimensionamento depende de uma análise e classificação das tensões atuantes e comparação com valores admissíveis. O ASME Seç.VIII – Divisão 2 incorporou este critério de projeto em sua primeira edição em 1968.
Aspectos Históricos
• 1 - Deformação elástica excessiva incluindo instabilidade elástica
• Carregamento: Pressão externa
• Considerações sobre a rigidez do componente são fundamentais para que este mecanismo de falha não ocorra;
• Anéis de vácuo (projeto) e rigor dimensional (fabricação) dificultam a instabilidade da casca.
Mecanismos de Falha convencionais
214
• 2 - Deformação plástica excessiva
• Carregamento: Pressão Interna
• Mecanismo de falha evitado através do dimensionamento dos componentes, considerando os diversos tipos de tensões e seus efeitos;
• Fator principal se relaciona ao fator de segurança no dimensionamento.
Mecanismos de Falha convencionais
215
• 3 - Fratura frágil
• Condição Necessária: Tensões trativas no material
• Mecanismo de falha minimizado através da seleção e qualificação de materiais com tenacidadeadequada, não susceptíveis a uma fratura brusca.
• Seleção do material, qualificação do material base e juntas soldadas e qualidade na fabricação do equipamento.
Mecanismos de Falha convencionais
216
• 4 - Deformação e tensões a altas temperaturas (creep)
• Condição Necessária: Temperatura acima do limite de fluência do material
• Definição de tensões admissíveis reduzidas para temperaturas na faixa do creep ocasionam tensões controladas no equipamento evitando o acúmulo do dano;
• Dimensionamento é o fator predominante para evitar o mecanismo de falha.
Mecanismos de Falha convencionais
217
• 5 - Instabilidade plástica (colapso incremental)
• Condição Necessária: Tensões térmicas cíclicas e carregamento primário elevado
• Mecanismo de falha relacionado a deformações térmicas cíclicas no material e colapso plástico do equipamento
• Dimensionamento com limitação de tensões decorrentes de gradientes térmicos e peso próprio da estrutura em níveis aceitáveis.
Mecanismos de Falha convencionais
218
• 6 - Fadiga de baixo ciclo
• Condição Necessária: Ciclos relevantes de variação de carregamento e presença de concentradores de tensões
• Adequação do comportamento à fadiga do equipamento através de considerações em relação a tensões de pico e ciclagem do carregamento, sendo evitada a falha pela adoção de soluções de detalhes de projeto adequados.
Mecanismos de Falha convencionais
219
• 7 - Corrosão sob tensão
• Condição Necessária: Material incompatível com o fluido armazenado.
• Mecanismo de falha evitado pela seleção do material e requisitos de fabricação;
• Incompatibilidade entre o material e o meio na presença de tensões, normalmente associadas as tensões residuais de soldagem (H2S em meio úmido x aço carbono sem alívio de tensões em juntas soldadas ou Presença de cloretos x aço inoxidável austenítico).
Mecanismos de Falha convencionais
220
• 8 - Corrosão-fadiga
• Condição Necessária: Carregamentos cíclicos associado a meio corrosivo que afete o material construtivo
• A atuação simultânea de 2 mecanismos que se auto-alimentam e potencializam o mecanismo de falha;
• Providências em relação à seleção de materiais, detalhes de projeto e requisitos de fabricação.
Mecanismos de Falha convencionais
221
• Além dos mecanismo de falha convencionais, outros podem fazer parte das exigências do código de projeto utilizado.
• Colapso plástico – Critérios de dimensionamento através de soluções numéricas e comportamento elasto-plástico do material
• Falha localizada – Verificação da capacidade de trincamento do material por “esgotamento” da capacidade de plastificação local;
• Instabilidade devido à compressão – Verificação da capacidade do equipamento em ser submetido a carregamentos compressivos axiais.
Mecanismos de Falha não convencionais
222
223
• Os principais códigos de projeto, fabricação, montagem e testes de vasos de pressão são os seguintes:País Código Instituição Responsável
U.S ASME Boiler & Pressure Vessel Code
ASME
U.KPD 5500 Unfired Fusion Welded Pressure Vessels
British Standard Institute
Germany AD MerblatterArbeitsgemeinschaft Druckbehalter
Italy ANCCAssociazione Nationale Per Il Controllo Peula Combustione
Netherlands Regeis Voor Toestellen Dienst voor het Stoomvezen
Principais Códigos
224
País Código Instituição Responsável
Sweden Tryckkarls kommissionen Swedish Pressure Vessel Commission
Australia AS 1210 Unfired Pressure Vessels Standards Association of Australia
BelgiumIBN Construction Code for Pressure Vessels
Belgian Standards Institute
Japan MITI CodeMinistry of International Trade and Industry
FranceSNCT Construction Code for Unfired Pressure Vessels
Syndicat National de la Chaudronnerie et de la Tuyauterie Industrielle
Brasil P-NB-109 ABNT
Principais Códigos
225
• Elaborado pela British Standards Institution:materiais, projeto, fabricação, inspeção e testes dosvasos de pressão.
SEÇÃO 1 - Parte Geral;
SEÇÃO 2 - Materiais;
SEÇÃO 3 - Projeto;
SEÇÃO 4 - Fabricação e Montagem;
SEÇÃO 5 - Inspeção e Testes
PD-5500
226
• Apêndices principais:
Apêndice A - Análise de Tensões, similar aoASME Seç.VIII - Div.2;
Apêndice B - Efeito combinado de outroscarregamentos;
Apêndice C - Fadiga;
Apêndice G - Cargas localizadas.
PD-5500
227
• Elaborado pela Associação dos Construtores deVasos de Pressão.– SÉRIE G - Parte Geral;– SÉRIE A - Acessórios;– SÉRIE B - Projeto;– SÉRIE W - Materiais.– SÉRIE HP – Fabricação e Testes– SÉRIE N – Materiais não metálicos– SÉRIE S – Casos especiais Informações gerais :
AD-Merkblatter
228
• Dimensionamento através de tensões demembrana - fórmulas simplificadas;
• Tensão calculada corrigida através de fatores deforma;
• Tensões admissíveis mais elevadas que o códigoASME, por exemplo;
• Maiores exigências sobre o material, fabricação einspeção.
AD-Merkblatter
229
• É o código tradicionalmente utilizado no Brasil: materiais, projeto, fabricação, montagem e testes da maioria dos vasos de pressão, permutadores e caldeiras utilizadas na indústria do petróleo.
Código ASMESeção Conteúdo
I Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers)
II Materiais
(Materials)
Part A — Ferrous Material Specifications Part B — Nonferrous Material Specifications
Part C — Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler Metals Part D — Properties (Customary) Part D — Properties (Metric)
III
Instalações nucleares
(Div.1 e Div.2)
Subsection NCA — General Requirements for Division 1 and Division 2 Division 1 Subsection NB — Class 1 Components
Subsection NC — Class 2 Components Subsection ND — Class 3 Components Subsection NE — Class MC Components
Subsection NF — Supports Subsection NG — Core Support Structures Subsection NH — Class 1 Components in Elevated Temperature Service
Appendices Division 2 — Code for Concrete Containments Division 3 — Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel
and High Level Radioactive Material and Waste
IV Caldeiras para aquecimento (Rules for Construction of Heating Boilers)
V Ensaios não destrutivos
VI Instalação e recomendações para operação de caldeiras para aquecimento (Recommended Rules for the Care and Operation of Heating Boilers)
VII Instalação e recomendações para operação de caldeiras (Recommended Guidelines for the Care of Power Boilers)
VIII
Vasos de pressão (Div.1, Div.2 e Div.3)
Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1 Division 2 — Alternative Rules
Division 3 — Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels
IX Qualificação de soldagem (Welding and Brazing Qualifications)
X Vasos de pressão de plástico (Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels)
XI Recomendações para inspeção de instalações nucleares (Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components)
XII Recomendações para fabricação e extensão de uso de tanques transportáveis (Rules for Construction and Continued Service of Transport Tanks)
230
• Como nomenclatura usual, o código ASME estabelece o seguinte:
• Editions: Em média, a cada 3 anos
• Addenda: Anual
• Errata: Emitidas a medida que são elaboradas, valendo retroativamente
• Interpretations: Em 2(dois) períodos do ano (julho e dezembro)
• Code case: Emitidas a medida que são elaboradas para os assinantes do CC book.
Código ASME
231
Seção Conteúdo
I Caldeiras (Rules for Construction of Power Boilers)
II Materiais
Part A — Ferrous Material SpecificationsPart B — Nonferrous Material Specifications Part C — Specifications for Welding Rods, Electrodes, and Filler MetalsPart D — Properties (Customary)Part D — Properties (Metric)
ASME – American Society ofMechanical Engineers
232
Seção Conteúdo
III Instalações Nucleares
Subsection NCA — General Requirements for Division 1 and Division 2
Division 1
Subsection NB — Class 1 ComponentsSubsection NC — Class 2 ComponentsSubsection ND — Class 3 ComponentsSubsection NE — Class MC Components Subsection NF — SupportsSubsection NG — Core Support StructuresSubsection NH — Class 1 Components in Elevated Temperature Service Appendices
Division 2 Code for Concrete Containments
Division 3Containments for Transport and Storage of Spent Nuclear Fuel and High Level Radioactive Material and Waste
ASME – American Society ofMechanical Engineers
233
Seção Conteúdo
IVCaldeiras para aquecimento (Rules for Construction ofHeating Boilers)
V Ensaios não destrutivos
VIInstalação e recomendações para operação decaldeiras para aquecimento (Recommended Rules forthe Care and Operation of Heating Boilers)
ASME – American Society ofMechanical Engineers
234
Seção Conteúdo
VIIInstalação e recomendações para operação de caldeiras(Recommended Guidelines for the Care of PowerBoilers)
VIIIVasos de Pressão
Rules for Construction of Pressure Vessels
Division 1
Division 2 Alternative Rules
Division 3Alternative Rules for Construction of High Pressure Vessels
IXQualificação de soldagem (Welding and BrazingQualifications)
ASME – American Society ofMechanical Engineers
235
Seção Conteúdo
XVasos de pressão de plástico (Fiber-Reinforced PlasticPressure Vessels)
XIRecomendações para inspeção de instalações nucleares(Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power PlantComponents)
XIIRecomendações para fabricação e extensão de uso detanques transportáveis (Rules for Construction andContinued Service of Transport Tanks)
ASME – American Society ofMechanical Engineers
236
• É a norma de projeto mais difundida no Brasil, correspondendo a grande maioria dos equipamentos em operação nas indústrias.
ASME Seção VIII – Divisão 1
237
• Estão excluídos do seu escopo:
– vasos sujeitos a chama;
– vasos sujeitos a ocupação humana;
– vasos com pressão de operação interna entre 0 a 15 psig ou acima de 3000 psig (210,9 kgf/cm2 man.);
– vasos com diâmetro inferior a 6 polegadas;
– vasos para água pressurizada com pressão de operação até 300 psig (cerca de 21 kgf/cm2 man);
– vasos para água quente com capacidade de até 120 galões (0,454 m3) e temperatura até 210°F (99°C).
ASME Seção VIII – Divisão 1
238
• Estão incluídos os evaporadores e os trocadores decalor (sem chama) onde há geração de vapor eoutros vasos nos quais possa haver geração devapor, desde que não sujeitos à chama, e desde queatendam os requisitos PG-58, PG 59, PG-60, PG 61e PG-67 até PG-73 do Código ASME , Seção I,conforme o Code Case 1855.
ASME Seção VIII – Divisão 1
239
• É o projeto convencional dos vasos de pressão. A filosofia de projeto da Divisão 1 está bem explícita no parágrafo UG-23 (c), do código, onde se lê:
“A espessura de parede de um vaso de pressão dimensionado de acordo com as regras estabelecidas nesta divisão deve ser tal que a tensão máxima primária geral de membrana, resultante dos carregamentos a que esteja sujeito o equipamento durante sua operação normal não exceda os limites de tensão admissível do material do vaso e que, excetuando-se alguns casos especiais os carregamentos a que esteja sujeito o vaso não provoquem uma tensão primária de membrana mais flexão superior a 1 ½ da tensão máxima admissível do material do vaso”.
ASME Seção VIII – Divisão 1
240
• Embora as fórmulas explicitadas no Códigoconsiderem apenas a pressão (interna ou externa),os demais carregamentos (pesos, ação do vento,etc) devem ser considerados pelo projetista (verU-2 (g)).
• Ou seja, a responsabilidade do projetista estende-seà análise das cargas a considerar e o modo comoserão analisadas.
ASME Seção VIII – Divisão 1
241
• A estrita aplicação do Código ASME exige que:–O fabricante seja formalmente autorizado pelo
ASME (selo ou stamp);– Seja feita uma inspeção formal, por Inspetor
qualificado;– Seja feito um relatório (Manufacturer’s Data
Report) de acordo com os formulários doapêndice W;
– Sejam estabelecidas formalmente as condiçõesde projeto do equipamento:
–Margem de corrosão;
ASME Seção VIII – Divisão 1
242
– Indicação de serviço com fluido letal;–Necessidade de tratamentos térmicos, além
daqueles exigidos pelo Código;–Observância dos parágrafos PG-59 a PG-61 do
Código ASME, Seção I, para os vasos incluídos emsistemas de geração de vapor.
ASME Seção VIII – Divisão 1
243
ASME Stamps
244
ASME Stamps
245
ASME Stamps
• Observação: O ASME, em sua Adenda 2011, passoua utilizar um único tipo de marcação (“ASMECertification Mark“) em substituição as anteriores aser estampado pelo Fabricante que tenha sidocertificado. O Certificado de Autorização iráinformar o escopo do selo recebido.
• Exemplo de selo:
ASME Stamps
246
247
ASME Seção VIII – Divisão 1
248
Subsection A: General Requirements - Requisitos gerais,aplicáveis a todos os vasos de pressão.
Part UG - General Requirements for All Methods ofConstruction and All Materials:
Scope / Materials / Design / Openings and Reinforcements /Braced and Stayed Surfaces / Ligaments / Fabrication /Inspection and Tests / Marking and Reports / Pressure ReliefDevices
ASME Seção VIII – Divisão 1
249
Subsection B: Requirements Pertaining to Methods ofFabrication of Pressure Vessels - Requisitos específicos,aplicáveis em função do método de fabricação.
Part UW: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byWelding
Part UF: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byForging
Part UB: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byBrazing
ASME Seção VIII – Divisão 1
250
Subsection C: Requirements Pertaining to Classes ofMaterials - Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipode material utilizado na fabricação.
Part UCS: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofCarbon and Low Alloy Steels
Part UNF: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofNonferrous Materials
Part UHA: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofHigh Alloy Steel
Part UCI: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofCast Iron
ASME Seção VIII – Divisão 1
251
Subsection C: Requirements Pertaining to Classes ofMaterials - Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipode material utilizado na fabricação.
Part UCL: Requirements for Welded Pressure VesselsConstructed of Material With Corrosion Resistant IntegralCladding, Weld Metal Overlay Cladding or With Applied Linings
Part UCD: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofCast Ductile Iron
Part UHT: Requirements for Pressure Vessels Constructed ofFerritic Steels With Tensile Properties Enhanced by HeatTreatment
ASME Seção VIII – Divisão 1
252
Subsection C: Requirements Pertaining to Classes ofMaterials - Requisitos específicos, aplicáveis em função do tipode material utilizado na fabricação.
Part ULW: Requirements for Pressure Vessels Fabricated byLayered Construction
Part ULT: Alternative Rules for Pressure Vessels ConstructedHaving Higher Allowable Stresses at Low Temperature
Part UHX: Rules for Shell-and-Tube Heat Exchangers
ASME Seção VIII – Divisão 1
253
UW Soldagem
UF Forjamento
UB Brazagem
ULT Aços para
baixas temperaturas
ULW Vasos de paredes múltiplas
UHT Aços de alta resistência
UCS Aços
carbono e baixa liga
UNF Materiais
não ferrosos
UHA Aços de alta
liga UCI Ferro
fundido
UCL Aços
cladeados ou
revestidos
UCD Ferro
fundido maleável
Subseção B
Requisitos Relativos ao Método de Fabricação
Subseção C Requisitos Relativos
aos Materiais
Subseção A Requisitos Gerais
ASME Seção VIII – Divisão 1
254
Apêndices Obrigatórios
1: Supplementary Design Formulas
2: Rules for Bolted Flange Connections With Ring Type Gaskets
3: Definitions
5: Flanged and Flued or Flanged Only Expansion Joints
4: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds
6: Methods for Magnetic Particle Examination (MT)
7: Examination of Steel Castings
8: Methods for Liquid Penetrant Examination (PT)
ASME Seção VIII – Divisão 1
255
Apêndices Obrigatórios
9: Jacketed Vessels
10: Quality Control System
11: Capacity Conversions for Safety Valves
12: Ultrasonic Examination of Welds (UT)
13: Vessels of Noncircular Cross Section
14: Integral Flat Heads With a Large, Single, Circular, Centrally-Located Opening
16: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee
17: Dimpled or Embossed Assemblies
ASME Seção VIII – Divisão 1
256
Apêndices Obrigatórios
18: Adhesive Attachment of Nameplates
19: Electrically Heated or Gas Fired Jacketed Steam Kettles
20: Hubs of Tubesheets and Flat Heads Machined From Plate
21: Jacketed Vessels Constructed of Work-Hardened Nickel
22: Integrally Forged Vessels
23: External Pressure Design of Copper, Copper Alloy, and Titanium Alloy Seamless Condenser and Heat Exchanger Tubes with Integral Fins
ASME Seção VIII – Divisão 1
257
Apêndices Obrigatórios
24: Design Rules for Clamp Connections
25: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Valves
26: Pressure Vessel and Heat Exchanger Expansion Joints
27: Alternative Requirements for Glass-Lined Vessels
28: Alternative Corner Weld Joint Detail for Box Headers for Air-Cooled Heat Exchangers When Only One Member Is Beveled
ASME Seção VIII – Divisão 1
258
Apêndices Obrigatórios
30: Rules for Drilled Holes Not Penetrating Through Vessel Wall
31: Rules for Cr-Mo Steels With Additional Requirements for Welding and Heat Treatment
32: Local Thin Areas in Cylindrical Shells and in Spherical Segments of Shells
33: Standards Units for Use in Equations
34: Requirements for Use of High Silicon Stainless Steels for Pressure Vessels
ASME Seção VIII – Divisão 1
Apêndices Obrigatórios
35: Rules for Mass-Production of Pressure Vessels
36: Standard Test Method for Determining the Flexural Strength of Certificated Material Using Three-Point Loading
37: Standard Test Method for Determining the Tensile Strength of Certificated Impregnated Graphite Materials
38: Standard Test Method for Compressive Strenth of Impregnated Graphite
39: Testing the Coefficient of Permeability of Impregnated Graphite
ASME Seção VIII – Divisão 1
259
Apêndices Obrigatórios
40: Thermal Expansion Test Method for Graphite and Impregnated Graphite
41: Electric Immersion Heater Element Support Plates
42: Diffusion Bonding
ASME Seção VIII – Divisão 1
260
261
Apêndice não obrigatórios
A: Basis for Establishing Allowable Loads for Tube-to-Tubesheet Joints
C: Suggested Methods for Obtaining the Operating Temperature of Vessel Wall in Service
D: Suggested Good Practice Regarding Internal Structures
E: Suggested Good Practice Regarding Corrosion Allowance
F: Suggested Good Practice Regarding Linings
G: Suggested Good Practice Regarding Piping Reactions and Design of Supports and Attachments
ASME Seção VIII – Divisão 1
262
Apêndice não obrigatóriosH : Guidance to Accommodate Loadings Produced by DeflagrationK: Sectioning of Welded JointsL: Examples Illustrating the Application of Code Formulas and RulesM: Installation and OperationP: Basis for Establishing Allowable Stress ValueR: PreheatingS: Design Considerations for Bolted Flange ConnectionsT: Temperature ProtectionW: Guide for Preparing Manufacturer´s Data Reports
ASME Seção VIII – Divisão 1
263
Apêndice não obrigatórios
Y: Flat Face Flanges With Metal-to-Metal Contact Outside the Bolt Circle
DD: Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization
EE: Half-Pipe Jackets
FF: Guide for the Design and Operation of Quick-Actuating (Quick-Opening) Closures
GG: Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code
HH: Tube Expanding Procedures and Qualification
ASME Seção VIII – Divisão 1
264
Apêndice não obrigatórios
JJ: Flowcharts Illustrating Impact Testing Requirements and Exemptions From Impact Testing by the Rules of UHA-51
KK: Guide for Preparing User’s Design Requirements
LL: Graphical Representations of Ft,min and Ft,max
MM: Alternative Marking and Stamping of Graphite Pressure Vessels
ASME Seção VIII – Divisão 1
265
• Exemplo:
• Vaso projetado segundo critérios do código ASME Seç.VIII - Div.1 Ed. 1995, Construção soldada com material base em aço carbono
• Seções a consultar:
U - UG - UW - UCS
ASME Seção VIII – Divisão 1
266
UG
1. Requisitos gerais para chapas, forjados, tubos, etc,... comprocedimentos de fabricação e fornecimento
2. Certificação de materiais3. Pré-fabricação de componentes4. Construções especiais5. Definição de temperatura e pressão de projeto6. Carregamentos7. Indicação de onde retirar os valores de tensões máximas
admissíveis8. Corrosão9. Dimensionamento a pressão interna e externa10. Aberturas e reforços
ASME Seção VIII – Divisão 1
267
UG
11. Resistência de reforços de abertura12. Múltiplas aberturas13. “Standards” para flanges e tubos14. Ligamentos15. Tolerâncias de fabricação16. Requisitos para teste de impacto17. Teste hidrostático18. Teste pneumático19. “Proof test” para estabelecimento de pressões máximas
admissíveis
ASME Seção VIII – Divisão 1
268
UW
1. Categorias de juntas2. Projeto de juntas soldadas3. Exames de Radiografia e ultra-som4. Detalhes de solda permitidos5. Detalhes de bocais permitidos6. Plug welds7. Soldas de filete8. Requisitos para procedimentos de soldagem9. Requisitos para qualificação de procedimentos10. Tolerâncias de alinhamento de soldas11. Reparo de soldas12. Procedimentos para tratamento térmico após soldagem
ASME Seção VIII – Divisão 1
269
UCS
1. Materiais2. Procedimentos para tratamento térmico após soldagem3. Operação em baixa temperatura
ASME Seção VIII – Divisão 1
270
ASME Seção VIII – Divisão 1
271
• Projeto alternativo devasos de pressão;
• Aplicado quando se exigemaiores pressões deprojeto e equipamentos demaior responsabilidade noprocesso.
ASME Seção VIII – Divisão 2
272
• Regras são mais restritivas quanto ao tipo dematerial a ser utilizado, mas permite-se a utilizaçãode maiores valores de intensificação de tensões deprojeto na faixa de temperaturas na qual este valoré limitado pelo limite de resistência ou escoamento;
• Procedimentos mais precisos de cálculo sãonecessários; os procedimentos permissíveis defabricação são especificamente delineados e maiscompletos métodos de inspeção e teste sãoexigidos.
ASME Seção VIII – Divisão 2
273
Part 1 - General Requirements
Part 2 – Responsibilities and Duties
Part 3 – Materials Requirements
Part 4 – Design by Rules Requirements
Part 5 – Design by Analysis Requirements
Part 6 – Fabrication Requirements
Part 7 – Inspection and Examination Requirements
Part 8 – Pressure Testing Requirements
Part 9 – Pressure Vessel Overpressure Protection
ASME Seção VIII – Divisão 2
274
• A filosofia de projeto da Divisão 2 estabelece regrasespecíficas para o caso do projeto de vasos maiscomuns, assim como a Divisão 1. Quando isto nãoocorre uma completa análise de tensões enecessária e pode ser feita de acordo com osprocedimentos estabelecidos pelo código.
ASME Seção VIII – Divisão 2
275
• Houve alteração do fatores de segurança, resultando em uma redução de espessura de material, porém, com maiores exigências de fabricação, controle de qualidade e inspeção.
ASME Seção VIII – Divisão 2
276
• Nesta revisão foi introduzido o conceito de eficiência de junta, característico do ASME Seção VIII – Divisão 1. Assim, é admitida em algumas condições específicas, a radiografia parcial e o ensaio de US em substituição ao ensaio de RX.
ASME Seção VIII – Divisão 2
277
• Outra possibilidade incorporada à revisão de 2007 do ASME Seção VIII – Divisão 2 é o tratamento de algumas não conformidades de fabricação através do API 579 / ASME FFS-1. Neste caso, o proprietário do equipamento deve aprovar sua utilização.
ASME Seção VIII – Divisão 2
278
• O código ASME - Seção VIII - Divisão 3 complementa as regras da Divisão 2, definindo critérios adicionais para equipamentos de altas pressões de trabalho. Além de requisitos de material, são previstos critérios para a utilização da mecânica da fratura no projeto.
ASME Seção VIII – Divisão 3
279
Part KG - General Requirements
Part KM – Materials Requirements
Part KD – Design by Rules Requirements
Part KF – Fabrication Requirements
Part KR – Pressure Relief Devices
Part KE – Examination Requirements
Part KT – Testing Requirements
Part KS – Marking, Stamping, Reports and Records
ASME Seção VIII – Divisão 3
280
Apêndices Obrigatórios
1: Nomenclature
2: Quality Control Systems
3: Submittal of Technical Inquiries to the Boiler and Pressure Vessel Committee
4: Acceptance of Testing Laboratories and Authorized Observers for Capacity Certification of Pressure Relief Devices
5: Adhesive Attachment of Nameplates
6: Rounded Indications Charts Acceptance Standard for Radiographically Determined Rounded Indications in Welds
7: Standard Units for Use in Equations
ASME Seção VIII – Divisão 3
281
Apêndice não obrigatórios
A: Guide for Preparing Manufacturer’s Data Reports
B: Requalification
C: Guide to Information Appearing on Certificate of Authorization
D: Fracture Mechanics Calculations
E: Construction Details
F: Approval of New Materials Under the ASME Boiler and Pressure Vessel Code
G: Design Rules for Clamp Connections
H: Openings and Their Reinforcement
ASME Seção VIII – Divisão 3
282
Apêndice não obrigatórios
I: Guidance for the Use of U.S. Customary and SI Units in the ASME Boiler and Pressure Vessel Code
J: Stress Concentration Factors for Cross-Bores in Closed-End Cylinders and Square Blocks
ASME Seção VIII – Divisão 3
283
Capítulo 8
Tensões Admissíveis
284
• Tensões admissíveis: são as tensões máximasadotadas no dimensionamento de um vaso depressão.
• Tensões admissíveis para temperaturas abaixo da temperatura de fluência estão relacionados com o limite de escoamento ou com o limite de resistência do material de construção do equipamento.
• Para temperaturas elevadas depende do comportamento à fluência, sendo determinante a taxa de deformação na temperatura e o tempo para a falha.
Tensões Admissíveis
285
Código de Projeto
Abaixo T creep
Acima T creep
ASME VIII –Div.1(FS = 4,0 antes de 1998)
Sr / 3,5(@ Tprojeto)
100% da tensão média que provoca umavelocidade de deformação de 0,01% em 1000 h67% da tensão média que provoca ruptura após100.000 h.80% da tensão mínima que provoca rupturaapós 100.000 h
(2/3)Sy
(@ Tprojeto)
ASME VIII –Div.2 (FS = 3,0 antes de 2007)
Sr / 2,4(@ Tambiente)
Até a revisão de 2007, não existiam critériospara a região de comportamento à fluência.Após 2007, os critérios são semelhantes aos daDivisão 1.
(2/3)Sy
(@ Tprojeto)
Tensões Admissíveis
286
Código de Projeto
Abaixo T creep
Acima T creep
PD-5500
Sy / 1,5 (@ Tprojeto) 1 / 1,3 da tensão média que provoca ruptura
num tempo t, numa temperatura T, de acordocom o materialSr / 2,35
(@ Tambiente)
AD -Merkblatter
Sy / 1,5 (@ Tprojeto)
100% da tensão média que provoca umavelocidade de deformação de 0,01% em 1000 h.67% da tensão média que provoca ruptura após100.000 h.
Tensões Admissíveis
287
• A tabela a seguir exemplifica as diferenças no valor da tensão admissível e peso do equipamento para um material de especificação SA-516 Gr.60, que possui as propriedades mecânicas abaixo descritas para a condição de temperatura ambiente.
• Tensão de escoamento mínima = 32,0 ksi
• Limite de resistência = 60,0 ksi
Tensões Admissíveis
288
Código EdiçãoTensões
Adm. [ksi] Redução
de Peso []
ASME Seç.VIII – Divisão 1 Antes 1998 15,0 0 %
ASME Seç.VIII – Divisão 1 Após 1998 17,1 12,3 %
ASME Seç.VIII – Divisão 2 Antes 2007 20,0 25,0 %
ASME Seç.VIII – Divisão 2 Após 2007 21,3 29,6 %
PD-5500 21,3 29,6 %
AD-Merkblatter 21,3 29,6 %
Tensões Admissíveis
289
TABLE 1A Section I; Section III, Class 2 and 3; and Section VIII, Division 1
Maximum Allowable Stress Values S for Ferrous Materials
Tensões Admissíveis
290
TABLE 1A Section I; Section III, Class 2 and 3; and Section VIII, Division 1
Maximum Allowable Stress Values S for Ferrous Materials
Tensões Admissíveis
291
Capítulo 9
Juntas Soldadas
292
• Código ASME (Tabela UW-12) :– Juntas de topo com cordão duplo (Tipo 1);– Juntas de topo com cordão simples e cobre junta
(Tipo 2);– Juntas de topo com cordão simples (Tipo 3);– Junta sobreposta com solda dupla em angulo
(integral) ( Tipo 4);– Junta sobreposta com solda simples em angulo
(integral) e solda de tampão (Tipo 5);– Junta sobreposta com solda simples em angulo
(integral) (Tipo 6).
Tipos de Juntas Soldadas
293
Tipos de Juntas Soldadas
Somente para solda de fechamento
(vasos pequenos)
Nota: Considerado com Tipo 1, se a qualidade
e a penetração total, da raiz, for garantida
(Via Processo de Soldagem / Procedimento de Soldagem)
Só p/ juntas circ. t ≤
16mm e Ø ≤ 600mm
294
Tipos de Juntas Soldadas
295
Tipos de Juntas Soldadas
DETALHES NÃO PERMITIDOS
296
Tipos de Juntas Soldadas
297
• Categoria da junta: define a localização noequipamento, não define o tipo de junta soldada.– Categoria A - Juntas longitudinais do costado e botas,
transições de diâmetros, pescoço de bocais. Todas asjuntas do corpo da esfera. Soldas circunferenciaisligando tampos hemisféricos ao costado;
– Categoria B - Juntas circunferenciais do costado ebotas, transições de diâmetros, pescoço de bocais.Soldas de ligação entre tampos, exceto o hemisférico,ao costado;
– Categoria C - Juntas conectando flanges, espelhos,tampos planos;
– Categoria D - Juntas de ligação de pescoço de bocais ebotas ao costado.
Categorias de Juntas
298
Categorias de Juntas
299
(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)(1) Todas as juntas de topo em costado e tampos em
vasos com “Serviço Letal”;(2) Todas as juntas de topo em componentes
pressurizados de vasos em que a espessuranominal na região da junta exceda 1 ½ in, ouexceda os limites estabelecidos em UCS-57, UNF-57, UHA-33, UCL-35 ou UCL-36;
(3) Todas as soldas de topo em costado e tampos em“unfired steam boilers” tendo pressão de projetosuperior a 50 psi;
Inspeção de Fabricação
300
(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)
(4) Todas as soldas de topo em bocais, botas, etc,...conectando em seções de vasos ou tampos queexigem radiografia total conforme itens (1) e (2)acima;
Inspeção de Fabricação
301
(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)(5) Todas as juntas de Categorias A & D em seções de
vasos ou tampos onde a eficiência utilizada noprojeto é permitida por UW-12(a), neste caso :
(a) Soldas de Categorias A & B conectando seções de vasos outampos deverão ser do Tipo (1) ou Tipo (2) da Tab. UW-12;
(b) Soldas de Categorias B ou C que interceptam juntas deCategoria A em seções de vasos ou tampos ou conectandoseções ou tampos sem costura devem ser, no mínimo,radiografadas por pontos de acordo com UW-52;
Inspeção de Fabricação
RT 100%
“Spot–min.
“Spot–min.
302
(a) Radiografia Total (Conforme UW-51)(6) Todas as soldas de topo unidas por eletro gás com
passe único maior que 1 ½ in e todas as soldas poreletroescória;
(7) Exame de ultra-som de acordo com UW-53 poderásubstituir o ensaio radiográfico para a solda final defechamento de um vaso que não permite acessopara o filme. A dificuldade de utilização daradiografia não pode ser justificativa para suasubstituição.
Inspeção de Fabricação
Code Case 2235: Permite utilizar Ultra-som com Registro no lugar da Radiografia para todo o vaso
303
(b) - Radiografia por Pontos (Conforme UW-52)
Exceto quando requerido em (a)(5)(b) acima, juntasde topo dos Tipos (1) ou (2) da Tabela UW-12 quenão são requeridas radiografia total, conforme item(a), podem ser examinadas por pontos. Seradiografia por pontos é especificada para o vasointeiro, ensaio radiográfico não é requerido para asjuntas de Categorias B & C em bocais ou botas queexcedem NPS 10 nem 1 1/8 in de espessura.
Inspeção de Fabricação
304
(c) - Sem Radiografia
Exceto como requerido em (a) acima, nenhumaradiografia é requerida para juntas de vasosprojetados apenas para pressão externa, ou quandoo projeto da junta está de acordo com UW-12 (c).
Inspeção de Fabricação
305
Inspeção de Fabricação
Table UCS-57 Thickness above which full radiographic examination of butt-welded joints is mandatory
P-No & Group No.Classification of
Material
Nominal thickness above which butt-welded joints shall be fully
radiographed, in (mm)
1 Gr. 1, 2, 3 1 ¼ (32)
3 Gr. 1, 2, 3 3/4 (19)
4 Gr. 1, 2 5/8 (16)
5A Gr. 1, 2 0 (0)
5B Gr. 1, 2 0 (0)
5C Gr. 1 0 (0)
Ex. 2 ¼ Cr – 1 Mo
Ex. 5 Cr – 1 Mo
Ex. 2 ¼ Cr – 1 Mo - V
306
Inspeção de Fabricação
Table UCS-57 Thickness above which full radiographic examination of butt-welded joints is mandatory
P-No & Group No.Classification of
Material
Nominal thickness above which butt-welded joints shall be fully
radiographed, in (mm)15E, Gr.1 0 (0)9A Gr. 1 5/8 (16)9B Gr. 1 5/8 (16)
10A Gr. 1 3/4 (19)10B Gr. 1 5/8 (16)10C Gr. 1 5/8 (16)10F Gr. 1 3/4 (19)
307
Observação:P-Number é um número que caracteriza grupos de materiais com a mesma soldabilidade. Group Number se fixa características de tratamento térmico e do exame radiográfico de um equipamento. Nas tabelas de tensão admissível constantes das normas encontram-se a indicação do P-Number e Group Number de cada material.
Inspeção de Fabricação
308
Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta
(a)Full2
(b)Spot3
(c)Sem
(1)
Juntas de topo com dupla soldagem ou obtida de modo a manter a mesma qualidade de metal depositado interna e externamente de forma a estar de acordo com os requisitos de UW-35. Soldas utilizando mata-juntas que permaneçam no local são excluídas.
Nenhuma A, B, C & D 1,00 0,85 0,70
Eficiência de Junta Soldada
309
Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta
(a)Full2
(b)Spot3
(c)Sem
(2)
Solda simples em juntas de topo com utilização de mata-juntas ou outro tipo que os incluídos em (1)
(a) Nenhuma exceto como em (b) abaixo;
A, B, C & D
0,90 0,80 0,65
(b) Juntas de topo circunferenciais com um “offset”, conforme UW-13(b)(4) e Figura UW-13.1 sketch (k)
A, B & C 0,90 0,80 0,65
Eficiência de Junta Soldada
310
Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta
(a)Full2
(b)Spot3
(c)Sem
(3)
Solda simples em juntas de topo sem utilização de mata-juntas
Somente em juntas de topo circunferenciais, com espessuras abaixo de 5/8 in e com diâmetros inferiores a 24 in
A, B & C NA NA 0,60
(4)Solda de filete (sobreposta) dupla
(a) Juntas longitudinais com espessura abaixo de 3/8 in;
A NA NA 0,55
(b) Juntas circunferenciais com espessuras abaixo de 5/8 in
B & C6 NA NA 0,55
Eficiência de Junta Soldada
311
Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta
(a)Full2
(b)Spot3
(c)Sem
(5)
Solda de filete(sobreposta)simples com“plug welds”conforme UW-17
(a) Juntas circunferenciais parajunção de tampos comdiâmetros externos nãosuperiores a 24 in e costadocom espessuras inferiores a ½in.
B NA NA 0,50
(b) Juntas circunferenciais4 parajunção de costados ou jaquetascom espessuras nominaisinferiores a 5/8 in, onde àdistância do centro do “plugweld” para a extremidade dachapa não é menor que 1 ½ odiâmetro do furo para o “plug”.
C NA NA 0,50
Eficiência de Junta Soldada
312
Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta
(a)Full2
(b)Spot3
(c)Sem
(6)
Solda defilete simplessem “plugwelds”
(a) Para junção de tampos compressão atuante no lado convexoem costados com espessurarequerida não superiores a 5/8 in,somente com o uso de solda defilete interno ao costado;
A & B NA NA 0,45
(b) Para junção de tampos tendopressão em ambos os lados emcostados com diâmetros internosnão superiores a 24 in e comespessura requerida não superioresa ¼ in com solda de filete no ladoexterno do tampo flangeadosomente.
A & B NA NA 0,45
Eficiência de Junta Soldada
313
Tipo Descrição LimitaçõesCategoria de Junta
(a)Full2
(b)Spot3
(c)Sem
(7)
Juntas de canto,penetração total,penetração parcial,ou solda de filete.
Como limitadopela figura UW-13.2 e figura UW-16.1.
C & D7 NA NA NA
(8) Junta em ângulo
Projeto peloparágrafo U-2(g)para juntasCategoria B e C.
B, C & D NA NA NA
Eficiência de Junta Soldada
314
• Conforme Código ASME Seç.VIII – Divisão 2 (Article D-4), as soldas pressurizadas do equipamento devem ser totalmente radiografadas, sendo admitido o uso de radiografia parcial para algumas condições específicas (aço carbono e espessuras reduzidas).
Eficiência de Junta Soldada
315
• Os tipos de juntas permitidas para o ASME Seção VIII – Divisão 2, são as seguintes :
• Categoria A: Todas as juntas de cat. A devem ser do tipo 1;
• Categoria B: Todas as juntas de cat. B devem ser do tipo 1 ou tipo 2;
• Categoria C: Todas as juntas de cat. C devem ser do tipo 1 de topo, em ângulo com penetração total, ou para aplicações limitadas às juntas cat. C podem ser de filete.
Eficiência de Junta Soldada
316
• Categoria D: Todas as juntas de cat. D devem ser do tipo 1 de topo ou em ângulo com penetração total.
• Os itens do Article D-4 do ASME Seç.VIII – Div.2 apresentam todas as limitações e exceções de geometria de juntas soldadas permitidas.
Eficiência de Junta Soldada
317
Eficiência de Junta Soldada
318
Capítulo 10
Condições de Operação e de Projeto de Vasos de Pressão
319
• A pressão atuante num vaso pode ser definida em várias etapas ao longo do ciclo de operação do equipamento, de tal forma que definimos uma série de conceitos para identificar cada etapa:– mínima de operação;
– máxima de operação;
– de projeto;
– máxima de admissível;
– abertura da válvula de segurança;
– teste hidrostático.
Condições de Projeto
320
• A pressão máxima admissível por ser ainda definida para diversas condições diferentes da vida útil e da condição operacional do equipamento:– PMACQ – condição de equipamento totalmente corroído
(último dia de operação) e na temperatura de projeto;
– PMACF – condição de equipamento totalmente corroído (último dia de operação) e na temperatura ambiente;
– PMANQ – condição de equipamento novo (primeiro dia de operação) e na temperatura de projeto;
– PMANF – condição de equipamento novo (primeiro dia de operação) e na temperatura ambiente.
Condições de Projeto
321
• As pressões máximas admissíveis são utilizadas pelo código de projeto para a definição das condições de teste hidrostático do equipamento na fábrica:– PMACQ – utilizada para a determinação da pressão de
teste hidrostático padrão;
– PMANF – utilizada para a determinação da pressão de teste hidrostático alternativo.
– PMACF e PMANQ – não são calculadas
Condições de Projeto
322
• As pressões de teste hidrostático definidas para o equipamento na fábrica são denominadas Padrão e Alternativa.
• A pressão de teste hidrostático Padrão utiliza a pressão máxima admissível do equipamento na condição corroída e quente e é validada para o último dia de operação;
• A pressão de teste hidrostático Alternativa utiliza as pressões máximas admissíveis dos componentes principais do equipamento na condição novo e frio e é validada para o primeiro dia de operação.
Condições de Projeto
323
• Da mesma forma, as temperaturas de metal sãodecorrentes de várias etapas:– temperatura normal de operação;
– máxima de operação;
– mínima de operação;
– de projeto.
Condições de Projeto
324
• Pressão e temperatura de operação
• A pressão e temperatura de operação são as suas“condições de operação”, isto é, os pares de valoressimultâneos de pressão e temperatura nos quais ovaso deverá operar em condições normais.
• As pressões são definidas como medidas no topo dovaso, devendo-se quando for o caso, acrescentar apressão equivalente à coluna hidrostática do líquidocontido no vaso.
Condições de Projeto
325
• Pressão e temperatura de operação
• Devemos distinguir os valores normais de operaçãodos valores máximos. Os primeiros são valores deregime normal, enquanto os outros são os valoresmáximos que podem ocorrer ao equipamento,mesmo em condições transitórias.
Condições de Projeto
326
• Pressão e temperatura de operação
• Eventualmente, um vaso poderá estar sujeito a maisde uma condição de regime. Quando for este ocaso, todas as condições deverão ser consideradas,inclusive para dimensionamento do equipamento àfadiga (ASME, Seção VIII, Divisão 2, AD-160).
Condições de Projeto
327
• Pressão e temperatura de projeto
• A temperatura, da mesma forma, deve serconsiderada para projeto do equipamento.
• As temperaturas normal e máxima de parede sãoconsideradas na definição da temperatura deprojeto, normalmente acrescentando-se umamargem de segurança em relação à condiçãonormal de operação do fluido.
Condições de Projeto
328
• Pressão e temperatura de projeto
• Se a condição de temperatura máxima for devida àuma condição anômala, podendo ocorrersimultaneamente à condição de operação, então, oequipamento poderá ser projetado por estacondição, visto que o mesmo deve suportar TODASas condições previstas durante a sua vida útil.
Condições de Projeto
329
• Pressão e temperatura de projeto
• Seja em condição normal ou eventual, atemperatura mínima de operação deverá serconsiderada na seleção do material, visto que deacordo com o ASME, Seção VIII, Divisão 1, parágrafoUCS-66, em função da “classe” do material e da suaespessura, poderá ocorrer a modificação docomportamento de dúctil para frágil, podendoocorrer a ruptura frágil em operação, ou mesmodurante o teste hidrostático.
Condições de Projeto
330
• Pressão e temperatura de projeto
• Denominam-se “Condições de Projeto” ao parpressão e temperatura que definiram odimensionamento do equipamento, bem como paraseleção do material de construção.
• De acordo com o parágrafo UG-21 do Código, acondição de projeto é a “pressão correspondente àscondições mais severas de pressão e temperaturacoincidentes que possam ser previstas em serviçonormal”.
Condições de Projeto
331
• Poderá ocorrer que determinado equipamentopossa vir a ser submetido à condições simultâneasde pressão interna e externa, por exemplo, vasospara exploração submarina de petróleo. Ora, emcondição tal que é garantida a existência desimultaneidade nas pressões interna e externa,então o equipamento poderá ser calculado pelapressão diferencial.
Condições de Projeto
332
• Em condições normais, tal não ocorre e oequipamento deverá ser projetado considerando-seseparadamente cada condição.
Condições de Projeto
333
• No caso de vasos de pressão interna, é usual estabelecermos para a pressão de projeto o maior dentre os seguintes patamares:
– 105% da pressão máxima de operação (o dispositivo de alívio for operado por válvula piloto)
– 110% da pressão máxima de operação (demais casos)
– 1,5 kgf/cm2 manométrico.
Condições de Projeto
334
• Para vasos submetidos à pressão externa é usualconsiderar-se a condição de vácuo total, emboraisto não seja exigido pelo Código.
• Esta situação poderá prevenir a ocorrência decondensação de produto em um ambienteconfinado, provocando redução do volumeespecífico com conseqüente geração de vácuoparcial.
Condições de Projeto
335
Colapso em um tampo toroesférico
www.mech.uwa.edu.auCargas impostas - FEA
Condições de Projeto
336
• Situação anômalas a serem consideradas noprojeto, se existentes:– Despressurização súbita de gás a alta pressão, devida a
falha de uma junta de vedação,– Geração de vácuo, devida à interrupção da fonte quente
em uma torre fracionadora, provocando a condensaçãodas frações gasosas;
– Condição de “explosão” dentro do vaso, provocada pelavaporização súbita de um líquido, ou pela rupturacompleta de um tubo em um trocador de calor, gerandouma onda de choque devida à súbita expansão.
Condições de Projeto
337
• Pressão máxima admissível (PMA) e Pressão de abertura da Válvula de Segurança
• A PMA de um vaso é a menor pressão dentre as máximas pressões suportadas por cada componente do equipamento.
Condições de Projeto
338
• Resumindo (passo a passo):–1 – Definição das espessuras corroídas de cada
componente espessuras calculadas (projeto)ou medidas no campo (inspeção);
–2 – Determinação da pressão máxima admissívelde cada componente, considerando-se a suatensão admissível tabelada para a condição detemperatura de projeto;
–3 - A menor dentre as pressões máximasadmissíveis dos componentes, descontada acoluna máxima de líquido em operação, édefinida como a pressão máxima admissível doequipamento.
Condições de Projeto
• Dispositivos de alívio de pressão:
São geralmente válvulas calibradas (PSV – Pressure Safety Valves) que devem ser ajustadas de modo a se abrirem a uma determinada pressão (pressão deInício de Abertura ou “SET” da Válvula) e a estarem completamente abertas (Abertura Plena) quando a pressão atinge um determinado limite permitido pelo Código, para cada condição anormal prevista para o equipamento.
Condições de Projeto
339
340
• O parágrafo UG-125 (c) do Código ASME cita que um vaso com um único dispositivo de alívio poderá atingir, após total abertura desta PSV, até 10% ou 3 psig (o maior dentre estes valores) acima da PMA.
• Quando vários dispositivos são utilizados, tal valor pode chegar a 16% ou 4 psig.
• Tabela - valores máximos da pressão de ajuste, permitidos pelo Código (conforme UG-125 e UG-134), para cada condição anormal, com relação aos seguintes tipos de válvula:
Condições de Projeto
• Válvulas Operacionais – utilizadas para atender a condições anormais de operação
&
• Válvulas para Condição de Fogo – utilizadas para atender a condição de pressão excessiva provocada por fogo externo ao equipamento (quando requerido pelo Projeto Básico).
Condições de Projeto
341
342
Condições de Projeto
343
Capítulo 11
Dimensionamento de Vasos de Pressão
344
t – espessura req., calculada para as condições deprojeto.
P – pressão de projeto;S – tensão admissível na temperatura de projeto;R – raio interno do componente;Ro – raio externo do componente;D – diâmetro interno do componente;Do – diâmetro externo do componente;L – raio interno para o tampo hemisférico ou raio
interno da coroa para o tampo toro-esférico;Lo – raio externo para o tampo hemisférico ou raio
externo da coroa para o tampo toro-esférico;
Dimensionamento
345
- semi-ângulo interno da parte cônica, de umtampo cônico ou toro-cônico, em relação aocentro;
r – raio interno da parte tórica;h – semi-eixo menor do tampo elipsoidal ou sua
profundidade medida a partir da linha detangência;
E – eficiência de junta
Dimensionamento
346
Tensões circunferenciais Tensões longitudinais
P 0,385SE P 1,25SE
Espessura mínima requerida P4,0SE
PR
P6,0SE
PRt o
P4,1SE2
PR
P4,0SE2
PRt o
Pressão máxima admissível
t4,0R
tSE
t6,0R
tSEP
o
t4,1R
tSE2
t4,0R
tSE2P
o
t R / 2
Tensões atuantes
tE
t4,0RP
tE
t6,0RPS o
tE2
t4,1RP
tE2
t4,0RPS o
P > 0,385SE P > 1,25SE
Espessura mínima requerida
21
21
o2
1
Z
1ZR
1ZRt
PSE
PSEZ
21
21
o2
1
Z
1ZR
1ZRt
1SE
PZ
Pressão máxima admissível
2
2
2
2
b1
b1SE
1a
1aSEP
1R
ta 1
R
tb
o
2
22
b
b1SE1aSEP
1R
ta 1
R
tb
o
t > R / 2
Tensões atuantes
2
2
2
2
b1E
b1P
1aE
1aPS
2
2
2 b1E
b1P
1aE
PS
Costado cilíndrico
Dimensionamento
347
Tensões circunferenciais Tensões longitudinais
P 0,385SE P 1,25SE
Espessura mínima requerida P4,0SE
PR
P6,0SE
PRt o
P4,1SE2
PR
P4,0SE2
PRt o
Pressão máxima admissível
t4,0R
tSE
t6,0R
tSEP
o
t4,1R
tSE2
t4,0R
tSE2P
o
t R / 2
Tensões atuantes
tE
t4,0RP
tE
t6,0RPS o
tE2
t4,1RP
tE2
t4,0RPS o
P > 0,385SE P > 1,25SE
Espessura mínima requerida
21
21
o2
1
Z
1ZR
1ZRt
PSE
PSEZ
21
21
o2
1
Z
1ZR
1ZRt
1SE
PZ
Pressão máxima admissível
2
2
2
2
b1
b1SE
1a
1aSEP
1R
ta 1
R
tb
o
2
22
b
b1SE1aSEP
1R
ta 1
R
tb
o
t > R / 2
Tensões atuantes
2
2
2
2
b1E
b1P
1aE
1aPS
2
2
2 b1E
b1P
1aE
PS
Costado cilíndrico
Dimensionamento
348
Casco e tampo esférico
t 0,356LP 0,665SE
Espessura mínima requerida
t = P.L / (2.S.E – 0,2.P) = P.Lo / (2S.E + 0,8.P)
Pressão máxima admissível
P = 2.t.S.E / (L + 0,2.t) = 2.t.S.E / (Lo – 0,8.t)
Tensões atuantes
S = P.(L + 0,2.t) / (2.t.E) = P.(Lo – 0,8.t) / (2.t.E)
Dimensionamento
349
Tampo elipsoidal
K = (1/6).{2+[D/(2.h)]2}Para o tampo padrão :D / (2.h) = 2 K = 1
Espessura mínimarequerida
t = P.D.K/(2.S.E–0,2.P) = = P.Do.K/[2.S.E+2.P.(K–0,1)]
Pressão máximaadmissível
P = 2.t.S.E/(D.K+0,2.t) = = 2.t.S.E/[Do.K – 2.(K – 0,1)]
Tensões atuantes S = P.(D.K+0,2.t)/(2.t.E) == P.[Do.K–2.(K–0,1)]/(2.t.E)
D / 2h 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0
K 1,83 1,73 1,64 1,55 1,46 1,37 1,29 1,21 1,14 1,07 1,00
D / 2h 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0
K 0,93 0,87 0,81 0,76 0,71 0,66 0,61 0,57 0,53 0,50
Dimensionamento
350
Tampo toroesféricoM = (1/ 4).[3 + (L / r)1/2]
Espessura mínimarequerida
t = P.L.M/(2.S.E – 0,2.P) == P.Lo.M / [2.S.E + P.(M – 0,2)]
Pressão máximaadmissível
P = 2.t.S.E / (L.M + 0,2.t) == 2.t.S.E / [Lo.M – (M – 0,2)]
Tensões atuantes S = P.(L.M + 0,2.t)/(2.t.E) == P.[Lo.M – (M – 0,2)]/(2.t.E)
L / r 1,0 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50
M 1,00 1,03 1,06 1,08 1,10 1,13 1,15 1,17 1,18 1,20 1,22
L / r 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0
M 1,25 1,28 1,31 1,34 1,36 1,39 1,41 1,44 1,46 1,48 1,50
L / r 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 16 2/3
M 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62 1,65 1,69 1,72 1,75 1,77
Dimensionamento
351
Tampo conico
30o
Espessura mínima requerida t = P.D/[2.cos.(S.E–0,6.P)]
Pressão máxima admissível P = 2.t.cos.S.E/(D+1,2.t.cos)
Tensões atuantes S = P.(D+1,2.t.cos)/(2.t.cos.E)
> 30o
Análise especial
Dimensionamento
352
• Devem ser adotadas de preferência, como espessuras nominais(comerciais) os seguintes valores, em milímetros : 4,75 / 6,3 / 8,0 / 9,5 / 11,2 / 12,5 / 14,0 / 16,0 / 17,5 / 19,0 / 20,6 / 22,4 / 23,6 / 25,0 / 28,6 / 31,5 / 34,9 / 37,5 / 41,3 / 44,4 / 47,5 / 50,0.
• Para espessuras superiores a 50,0 mm devem ser adotados valores inteiros em milímetros.
Espessuras
353
• As tolerâncias de fornecimento das chapas não precisam ser consideradas, desde que as chapas estejam de acordo com as normas ASTM A-20 e PB-35.
Espessuras
354
• Para tampos abaulados e outras peças prensadas ou conformadas, deve ser previsto um adequado acréscimo na espessura das chapas, para compensar a perda de espessura na prensagem ou na conformação, de forma que a espessura final da peça acabada tenha no mínimo o valor calculado ou o valor que consta nos desenhos.
Espessuras
355
• Nos vasos em que forem previstas diferentes espessuras de chapas para os diversos anéis, permite-se ao projetista modificar para mais essas espessuras, com a finalidade de acertar as alturas dos anéis, com as dimensões comerciais das chapas.
Espessuras
356
• Devem sempre ser acrescentada uma adequada sobrespessura para corrosão exceto quando, para o serviço e o material em questão, a corrosão for reconhecidamente inexistente ou desprezível, ou quando houver um revestimento interno anticorrosivo adequado.
• As sobrespessuras para corrosão devem ser baseadas na vida útil do equipamento, conforme a tabela a seguir. Como regra geral, quando a taxa de corrosão prevista for superior a 0,3 mm/ano recomenda-se que seja considerado o emprego de outros materiais mais resistentes a corrosão.
Espessuras
357
Classe dos EquipamentosRefinarias, Terminais e outras Instalações não
Petroquímicas
Unidades Petroquímicas
Equipamentos de grande porte, grande custo ou essenciais ao funcionamento da unidade industrial (reatores, torres, permutadores ou vasos importantes)
20 anos 15 anos
Outros equipamentos não incluídos na classe acima
15 anos 10 anos
Peças desmontáveis ou de reposição (feixes tubulares, internos de torres, etc,...)
8 anos 5 anos
Espessuras
358
• Exceto quando especificado de outra forma, devem ser adotados os seguintes valores mínimos para a sobrespessura para corrosão, para as partes construídas em aço carbono ou em aços de baixa liga:
• (a) Torres, vasos e permutadores em geral para serviços hidrocarbonetos: 3 mm;
• (b) Potes de acumulação (botas) para os vasos acima: 6 mm;
• (c) Vasos em geral para vapor e ar: 1,5 mm;• (d) Vasos de armazenamento da gases liquefeitos de
petróleo: 1,5 mm
Espessuras
359
Capítulo 12
Teste de Vasos de Pressão
360
• Os testes de pressão são a última prova por que passam os vasos de pressão antes que sejam entregues a operação. São realizados para verificar se a estanqueidade de todas as juntas soldadas e conexões do equipamento e submetê-lo a um nível de tensões superior ao que estará sujeito em condições normais, pela primeira vez, promovendo alívio de tensões provenientes de descontinuidades geométricas.
Teste de Pressão
361
• Pode-se realizar testes hidrostáticos, pneumáticos ou mistos, sendo os mais comuns os primeiros. O teste pneumático ou o misto, só deverão ser realizados em casos excepcionais, devido ao grande perigo que representam.
Teste de Pressão
362
• Definição
• Teste de Pressão - Teste por meio de fluido compressível ou incompressível ou uma mistura de ambos, até um dado valor de pressão, com a finalidade de aliviar as tensões residuais, avaliar a integridade e a resistência estrutural dos componentes sujeitos a pressão, dentro das condições estabelecidas para a sua realização.
Teste de Pressão
363
• Procedimento de Teste: Durante os testes de pressão muito importante que sejam tomadas todas as medidas de segurança necessárias para que se tenha um total controle da situação e sejam evitados acidentes. Entre essas medidas incluem-se as seguintes:
Teste de Pressão
364
• Ocasião do Teste: O teste só pode ser realizado depois de decorrido um prazo de 48 horas após a execução da última soldagem em partes pressurizadas e partes de sustentação do equipamento.
Teste de Pressão
365
• Água: Deve ser verificado com o projetista quais as características de pureza da água adequada e feito o controle dessas características. O teor máximo de cloretos permitidos na água deve ser definido pelo projetista, porém nunca superior a 50 ppm, para equipamentos de aços inoxidáveis austeníticos ou com revestimento interno desses materiais.
Teste de Pressão
366
• Temperatura do Teste: A temperatura da água deve estar compatível com a temperatura de projeto, para equipamentos que operam em baixas temperaturas.
Teste de Pressão
367
• Temperatura do Teste: Para evitar risco de fratura frágil durante o teste, devem ser respeitadas as seguintes condições de temperatura do metal:
• a) equipamentos com espessura de parede maior ou igual a 50,8 mm (2”):
– A temperatura do metal deve ser mantida a, pelo menos, 17°C acima da temperatura de projeto mínima do metal ou, no mínimo, a 15 °C, o que for maior;
Teste de Pressão
368
• Temperatura do Teste:
• b) equipamentos com espessura de parede menor que 50,8 mm (2”):
– A temperatura do metal deve ser mantida a, pelo menos, 6 °C acima da temperatura de projeto mínima do metal ou, no mínimo, a 15 °C, o que for maior.
Teste de Pressão
369
• Nota: A temperatura de teste deve ser igual ou
superior aos valores estabelecidos, a menos que
existam informações sobre características frágeis do
material do equipamento, indicando que uma
temperatura de teste diferente da recomendada
seja aplicável.
Teste de Pressão
370
• Manômetros: Devem ser utilizados no mínimo 3
manômetros para acompanhamento do teste,
sendo um deles registrador. Pelo menos um deles
deve ficar a uma distância segura do equipamento,
devendo ser instalados bloqueios entre os
manômetros e o equipamento para permitir sua
substituição, caso necessário.
Teste de Pressão
371
• A localização e quantidade de manômetros e
registradores utilizados para a realização do teste
devem ser definidas pelo Profissional Habilitado em
função das dimensões, do período de teste e acesso
ao equipamento ou conjunto a ser testado.
Teste de Pressão
372
• Segurança: Devem ser previstas condições de segurança antes e durante a execução do teste. A área deve ser isolada e serão proibidos soldas sobre o equipamento ou sobre qualquer parte em contato elétrico com o mesmo, enquanto o equipamento contiver água.
• Pressão de teste: Devem ser utilizados os valores de pressão de teste determinados pelo projeto mecânico do equipamento.
Teste de Pressão
373
• Pressão de teste
• Os seguintes aspectos devem ser considerados quando da definição de pressão de teste pelo Profissional Habilitado:
– a) código e norma de projeto de fabricação;
– b) código de inspeção em serviços aplicáveis;
– c) relação entre as condições de projeto e condições de operação;
– d) potencial de risco e localização do vaso na unidade industrial;
Teste de Pressão
374
• Pressão de teste
– e) histórico de resultados das inspeções de segurança internas e externas anteriores;
– f) histórico de resultados de testes de pressão anteriores;
– g) possibilidade da existência de defeitos subcríticos;
– h) avaliação da PMTA na condição atual do equipamento.
Teste de Pressão
375
• Recalque: Durante o teste hidrostático deve ser prevista a proteção do equipamento em relação a pressões superiores a pressão de teste ou quanto a possibilidade de vácuo; deve ser também acompanhado e medido o recalque da fundação.
Teste de Pressão
376
• Execução do Teste: Recomenda-se o seguinte procedimento de teste: [Prática Recomendada].
• a) elevar a pressão até 50 % da pressão de teste;
• b) inspecionar o vaso;
• c) elevar gradativamente a pressão até a condição de teste;
Teste de Pressão
377
• d) manter o vaso pressurizado neste patamar pelo tempo mínimo de 30 minutos e por motivo de segurança, nenhuma inspeção deve ser executada durante este período;
• e) reduzir gradativamente a pressão para um valor de até 65 % da pressão de teste;
• f) inspecionar o vaso;
• g) reduzir gradativamente a pressão de teste até a pressão atmosférica, devendo ser abertos os bocais superiores para evitar vácuo no interior do vaso.
Teste de Pressão
378
• Inspeção após o Teste: Após o teste em equipamentos cladeados ou revestidos com tiras soldadas (“strip lining”), recomenda-se a realização de inspeção visual internamente para a avaliação da integridade do revestimento. [Prática Recomendada]
Teste de Pressão
379
Determinação da Pressão de Teste (ASME Seção VIII -Divisão 1)
• Teste Hidrostático Padrão (Ptp)
• Neste teste a pressão em qualquer ponto do equipamento deve ser no mínimo igual ao seguinte valor:
• Ptp = Fth.PMAcq.(Sf / Sq)
Teste de Pressão
380
• onde:
• Fth = 1,5 para vasos projetados anteriormente à edição de 1998; = 1,3 para vasos projetados posteriormente à edição de 1998 do ASME Div.1;
• PMAcq = pressão máxima admissível de trabalho do equipamento na situação corroída na temperatura de projeto;
• Sf = tensão admissível do material a temperatura do teste;
• Sq = tensão admissível do material na temperatura de projeto.
Teste de Pressão
381
Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div.1)
• Teste Hidrostático Padrão (Ptp)
• Este valor é o mínimo estabelecido pelo código, mas a critério do projetista e usuário do equipamento, ele poderá ser testado de acordo com uma pressão de teste determinada através de um procedimento alternativo. Qualquer valor de pressão entre o procedimento padrão e o alternativo pode ser adotado, de acordo com o ASME.
Teste de Pressão
382
Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div 1)• Teste Hidrostático Alternativo (Pta)• A pressão de teste alternativo, atuando no topo do
vaso, será calculada da seguinte forma:• Determina-se a PMA para cada parte constituinte
do equipamento, na condição não corroída e na temperatura do teste (PMAnf para cada componente) ; multiplicamos cada um desses valores por 1,3 ou 1,5, a depender da edição do código; desconta-se a altura hidrostática atuando em cada parte, em relação ao topo do equipamento, adota-se o menor valor calculado.
Teste de Pressão
383
Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div 1)
• Observações
• As condições do teste devem ser claramente definidas entre fabricante e usuário. Deve ficar claro se a pressão de teste é referente ao vaso novo ou corroído, assim como se a pressão de teste referente ao vaso na posição horizontal ou vertical (Para os vasos verticais exige-se a determinação dos valores da pressão de teste nas duas posições).
Teste de Pressão
384
• O código não limita superiormente a pressão de
teste, porém pressões acima dos valores de Ptp ou
Pta, poderão provocar deformações excessivas
causando a rejeição do equipamento.
Teste de Pressão
385
Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div 1)
• Observações
• É importante lembrar que, na condição de teste hidrostático, a tensão máxima poderá atingir 80% ou 90% do limite de escoamento do material na temperatura ambiente, nas partes pressurizadas. Nas partes não pressurizadas pode-se considerar a tensão admissível básica acrescida de 33 1/3%.
Teste de Pressão
386
Determinação da Pressão de Teste (ASME VIII Div 1)
• Vasos submetidos à pressão externa deverão também ser submetidos a um teste hidrostático ou quando este for impraticável a um teste pneumático. Em qualquer caso a pressão de teste não deverá ser inferior a 1,5 vezes a diferença entre a pressão atmosférica normal e a mínima pressão absoluta interna; a pressão interna máxima admissível é calculada da mesma maneira que para os vasos sujeitos a pressão interna.
Teste de Pressão
387
Teste Pneumático ou Hidropneumático
• Cabe ao Profissional Habilitado avaliar as condições de risco e aprovar ou não a alternativa de aplicação do teste com fluido compressível. No caso de aplicação, o teste deve ser supervisionado por Profissional Habilitado.
Teste de Pressão
388
• Nota: A aplicação de teste de pressão com fluido compressível (teste pneumático) ou mistura de fluido compressíveis e incompressíveis (teste hidropneumático) é válida, porém deve ser considerado que um equipamento submetido a teste com fluido compressível tem uma energia armazenada muito maior que o mesmo vaso submetido a teste hidrostático na mesma pressão. Visto que o potencial de risco numa eventual liberação não controlada dessa energia é muito maior, a aplicação de teste pneumático ou hidropneumático deve ser restrita àquelas condições em que um fluido líquido é inviável, ou quando a pressão de teste é de tal ordem que a energia armazenada é comparável àquela existente no vaso na sua condição de operação normal.
Teste de Pressão
389
Teste Pneumático ou Hidropneumático• O sistema para pressurização deve conter, no
mínimo:• a) dispositivo de controle de pressão instalada à
montante do sistema sob teste, ajustada para a pressão de ensaio, de modo a impedir que haja sobrepressão;
• b) válvulas de fechamento rápido, instaladas à montante e à jusante do sistema sob teste.
• Nota: Recomenda-se a utilização de dispositivo de alívio automático contra sobrepressão adequado ao sistema sob teste. [Prática Recomendada]
Teste de Pressão
390
Teste Pneumático ou Hidropneumático• Pressão de teste: Os seguintes aspectos devem ser
considerados quando da definição de pressão de teste pelo Profissional Habilitado:
• a) código e norma de projeto de fabricação;• b) código de inspeção em serviços aplicáveis;• c) relação entre as condições de projeto e
condições de operação;• d) potencial de risco e localização do vaso na
unidade industrial;• e) histórico de resultados das inspeções de
segurança internas e externas anteriores;
Teste de Pressão
391
Teste Pneumático ou Hidropneumático
• Pressão de teste: Os seguintes aspectos devem ser considerados quando da definição de pressão de teste pelo Profissional Habilitado:
• f) histórico de resultados de testes de pressão anteriores;
• g) possibilidade de existência de defeitos subcríticos;
• h) avaliação da PMTA na condição atual do equipamento.
Teste de Pressão
392
Teste Pneumático ou Hidropneumático
• Execução do Teste:
• Recomenda-se o seguinte procedimento de teste: [Prática Recomendada]
• a) elevar a pressão até 102 kPa (1,02 kgf/cm2) ou 10 % da pressão de teste, o que for menor;
• b) inspecionar o vaso;
• c) elevar gradativamente a pressão até a condição de teste;
Teste de Pressão
393
Teste Pneumático ou Hidropneumático
• Execução do Teste:
• Recomenda-se o seguinte procedimento de teste: [Prática Recomendada]
• d) manter o vaso pressurizado neste patamar pelo tempo mínimo de 30 minutos e por motivo de segurança, nenhuma inspeção deve ser executada durante este período;
• e) reduzir gradativamente a pressão para um valor de até 80 % da pressão de teste;
Teste de Pressão
394
Teste Pneumático ou Hidropneumático
• Execução do Teste:
• f) inspecionar o vaso;
• g) reduzir gradativamente a pressão de teste até a pressão atmosférica, devendo ser abertos os bocais superiores para evitar vácuo no interior do vaso.
Teste de Pressão
395
• É um teste de grande periculosidade e substituirá o teste hidrostático quando:
• - O vaso ou seus suportes não forem dimensionados para suportar o peso do teste hidrostático.
• - Qualquer traço d’água ou do fluído utilizado no teste prejudicar o processo.
Teste de Pressão
396
Teste Pneumático ou Hidropneumático
• A pressão do teste pneumático será no mínimo:
• Pteste > Fth.PMAcq.(Sf / Sq)
• Fth = 1,25 para vasos projetados anteriormente à edição de 1998; = 1,1 para vasos projetados posteriormente à edição de 1998 do ASME Div.1.
Teste de Pressão
397
Capítulo 13
Exemplo de Cálculo de Vaso de Pressão
398
Determine para o vaso a seguir representado, as seguintes informações:
• Espessuras mínimas requeridas e nominais• Pressões máximas admissíveis do equipamento
abaixo descrito, para a condição do equipamento corroído e temperatura de projeto (PMAcq);
• Pressão de ajuste de PSV máxima do equipamento.• Pressão de teste hidrostático do equipamento na
fábrica;• Pressão de teste hidrostático do equipamento ao
final de sua vida útil.
Exemplo de Cálculo
399
8,0 m
2,0 m
Nível máximo de líquido em operação
15,0 m
Exemplo de Cálculo
400
Tipo tampos: Torisféricos 2:1 Data de início de operação
L = 0.904.D / r = 0.173.D / h = 0.250.D
2004
Sobrespessura de corrosão Dens. fluido em operação
C = 3,0 mm d = 0,96
Material costado e tampos Eficiência juntas soldadas
SA-516 Gr.60 E = 0,85
Temperatura de projeto Pressão de projeto
T = 400,0oC P = 11,5 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
401
• Solução: Para o material do equipamento, a tensão admissível na temperatura de projeto é de 13,0 ksi (= 914,0 kgf/cm2), e na temperatura ambiente é de 17,1 ksi (= 1.202,0 kgf/cm2) e a tensão de escoamento na temperatura ambiente é de 32,0 ksi (2.250,0 kgf/cm2) (ASME Seç.II – Part D).
Exemplo de Cálculo
402
1 – Determinação das espessuras mínimas requeridas.P = .h / 10 [kgf/cm2; m]P = pressão devido a coluna de líquido em operação [kgf/cm2]; = densidade do fluido em operação;h = altura da coluna de líquido em operação, atuando no componente [m].
Exemplo de Cálculo
403
1.1 - Costado cilíndrico- Pressão de cálculo:P = Pproj + P = 11,5 + 0,96 x 8,0 / 10,0 12,27 kgf/cm2
- Espessura mínima requerida:t = P.(R+C)/(S.E – 0,6.P) = = 12,27 x (1.000,0 + 3,0)/ (914,0 x 0,85 – 0,6 x 12,27) = = 16,0 mm- Espessura mínima de chapa:tmin = t + C = 16,0 + 3,0 = 19,0 mm- Espessura nominal de chapa: tnom = 22,4 mm (valor adotado para a espessura comercial da chapa a ser utilizada no costado do equipamento).
Exemplo de Cálculo
404
1.2 - Tampo Torisférico - superior- Pressão de cálculo:P = Pproj = 11,5 kgf/cm2
- Espessura mínima requerida:L = 0,904.D = 0,904 x 2.000,0 = 1.808,0 mmr = 0,173.D = 0,173 x 2.000,0 = 346,0 mmM = (1/ 4).[3 + (L / r)1/2] =
= (1/ 4).[3 + (1.808,0 / 346,0)1/2] = 1,32 t = P.(L + C).M/(2.S.E – 0,2.P) = = 11,5x(1.808,0+3,0)x1,32 / (2x914,0x0,85 – 0,2x11,5) = 17,7 mm
Exemplo de Cálculo
405
1.2 - Tampo Torisférico - superior
- Espessura mínima de chapa:
tmin = t + C + Cf = 17,7 + 3,0 + 2,0 = 22,7 mm
Cf = 2,0 mm (perda de espessura por conformação)
-Espessura nominal de chapa:
tnom = 25,0 mm (valor adotado para a espessura
comercial da chapa a ser utilizada no tampo superior
do equipamento).
-Espessura nominal do tampo:
tnom = 25,0 – 2,0 = 23,0 mm
Exemplo de Cálculo
406
1.3 - Tampo Torisférico - inferior- Pressão de cálculo:P = Pproj + P = 11,5 + 0,96 x (8,0 + 0,5) / 10,0 12,32 kgf/cm2
- Espessura mínima requerida:L = 0,904.D = 0,904 x 2.000,0 = 1.808,0 mmr = 0,173.D = 0,173 x 2.000,0 = 346,0 mmM = (1/ 4).[3 + (L / r)1/2] =
= (1/ 4).[3 + (1.808,0 / 346,0)1/2] = 1,32 t = P.(L + C).M/(2.S.E – 0,2.P) = = 12,32x(1.808,0+3,0)x1,32/(2x914,0x0,85–0,2x12,32) = 19,0 mm
Exemplo de Cálculo
407
1.3 - Tampo Torisférico - inferior
-Espessura mínima de chapa:
tmin = t + C = 19,0 + 3,0 + 2,0 = 24,0 mm
Cf = 2,0 mm (perda de espessura por conformação)
-Espessura nominal de chapa:
tnom = 25,0 mm (valor adotado para a espessura
comercial da chapa a ser utilizada no tampo inferior do
equipamento).
-Espessura nominal do tampo:
tnom = 25,0 – 2,0 = 23,0 mm
Exemplo de Cálculo
408
2 – Determinação das pressões máximas admissíveis.2.1 - Costado cilíndrico- Pressão máxima admissível – nova e fria:P = t.S.E / (R + 0,6.t) =
= 22,4 x 1.202,0 x 0,85 / (1.000,0 + 0,6 x 22,4) = = 22,6 kgf/cm2
- Pressão máxima admissível – corroída e quente:P = t.S.E/(R + 0,6.t) == (22,4–3,0)x914,0x0,85/[(1.000,0+3,0)+0,6x(22,4–3,0)] = 14,9 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
409
2.2 – Tampo superior
- Pressão máxima admissível – nova e fria:
P = 2.t.S.E / (L.M + 0,2.t) =
= 2 x 23,0x1.202,0 x 0,85/(1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)
= 19,7 kgf/cm2
- Pressão máxima admissível – corroída e quente:
P = 2.t.S.E/(L.M+0,2.t) =
= 2x(23,0–3,0)x914,0x0,85 / [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 +
0,2 x (23,0 - 3,0)] = 13,0 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
410
2.3 – Tampo inferior
- Pressão máxima admissível – nova e fria:
P = 2.t.S.E / (L.M + 0,2.t) =
= 2 x 23,0x1.202,0 x 0,85/(1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)
= 19,7 kgf/cm2
- Pressão máxima admissível – corroída e quente:
P = 2.t.S.E/(L.M+0,2.t) =
= 2x(23,0–3,0)x914,0x0,85 / [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 +
0,2 x (23,0 - 3,0)] = 13,0 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
411
3 – Pressão de ajuste da PSV
A pressão de ajuste da PSV poderá ser definida em
qualquer valor entre a pressão de projeto e a pressão
máxima admissível corroída e quente do equipamento.
Como valor limite, adequada para toda a vida útil
estimada do equipamentos, a pressão máxima
admissível corroída e quente é definida como:
PMAcq:
menor valor entre [PMAcq(comp.)]refer. ao topo do equipamento
Exemplo de Cálculo
412
Pressão [kgf/cm2]
ComponentePMAcq
(componente)P (coluna de
fluido)PMAcq(ref. ao
topo)
Tampo superior 13,0 0,0 13,0
Costado 14,9 0,77 14,1
Tampo inferior 13,0 0,82 12,2
PMAcq (equipamento) [kgf/cm2] 12,2
• A pressão máxima admissível do equipamento, para a condição corroída e quente é 12,2 kgf/cm2, que pode ser definida como a pressão máxima de ajuste da PSV.
Exemplo de Cálculo
413
4 – Determinação da pressão de teste hidrostático de fábrica.A pressão de teste hidrostático a ser aplicada na fábrica, deverá ser o valor mais elevado entre as pressões de teste padrão e alternativa, determinadas de acordo com o código de projeto (ASME Seção VIII –Divisão 1). A tensão atuante em cada componente durante o teste hidrostático não poderá ultrapassar um valor limite equivalente a 90% da tensão de escoamento do material, na temperatura ambiente.
Exemplo de Cálculo
414
4.1 – Pressão de Teste Hidrostático Padrão.
A pressão de teste hidrostático padrão é determinada
conforme a equação a seguir.
Ptp = Fth.PMAcq.(Sf / Sq)
Exemplo de Cálculo
415
4.1 – Pressão de Teste Hidrostático Padrão.Fth = 1,3 para vasos projetados posteriormente à edição de 1998;PMAcq = pressão máxima admissível de trabalho do equipamento na situação corroída na temperatura de projeto = 12,2 kgf/cm2;Sf = tensão admissível do material a temperatura do teste = 1.202,0 kgf/cm2;Sq = tensão admissível do material na temperatura de projeto = 914,0 kgf/cm2.Ptp = 1,3 x 12,2 x (1.202,0 / 914,0) = 20,9 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
416
4.2 – Pressão de Teste Hidrostático Alternativa.
A pressão de teste alternativa é determinada
conforme a equação a seguir.
Pta = menor valor entre [Fth.PMAnf(componente) –
Págua]
Exemplo de Cálculo
417
4.2 – Pressão de Teste Hidrostático Alternativa.
Fth = 1,3 para vasos projetados posteriormente à
edição de 1998;
PMAnf(componente) = pressão máx. adm. de trabalho
do componente na situação nova e fria;
Págua = pressão da coluna de água durante o teste
hidrostático atuando no comp. = .h/10 [kgf/cm2; m]
= densidade da água;
h = altura da coluna de líquido durante o teste
hidrostático, atuando no componente [m].
Exemplo de Cálculo
418
ComponentePMAnf(comp.)
[kgf/cm2]H [m]
Págua
[kgf/cm2]
1,3.PMAnf(comp.)
- Págua
[kgf/cm2]
Tampo superior 19,7 0,5 0,05 25,6
Costado 22,6 15,5 1,55 27,8
Tampo inferior 19,7 16,0 1,60 24,0
Pteste alterntativo (equipamento) [kgf/cm2]
24,0
Exemplo de Cálculo
419
4.3 – Verificação dos componentesA pressão de teste hidrostático a ser aplicado na fábrica deverá corresponder ao valor máximo, calculado entre a pressão de teste padrão e a alternativa.Pth = 24,0 kgf/cm2
- Tampo superiorP = Pth + P = 24,0 + 0,05 = 24,05 kgf/cm2
S = P.(L.M + 0,2.t) / (2.t.E) == 24,05 x (1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)/(2 x 23,0x0,85) = = 1.470,8 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
420
4.3 – Verificação dos componentes- CostadoP = Pth + P = 24,0 + 1,55 = 25,55 kgf/cm2
S = P.(R + 0,6.t) / (t.E) = = 25,55 x (1.000,0 + 0,6 x 22,4) / (22,4 x 0,85) = = 1.359,9 kgf/cm2
- Tampo inferiorP = Pth + P = 24,0 + 1,6 = 25,6 kgf/cm2
S = P.(L.M + 0,2.t) / (2.t.E) == 25,6 x (1.808,0 x 1,32 + 0,2 x 23,0)/(2 x 23,0 x 0,85) = = 1.565,7 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
421
Tensão [kgf/cm2]
Componente S 90% Sy Ok!
Tampo superior 1.470,8 2.025,0 Sim
Costado 1.359,9 2.025,0 Sim
Tampo inferior 1.565,7 2.025,0 Sim
• A pressão de 24,0 kgf/cm2 pode ser aplicada durante o teste hidrostático do equipamento, na fábrica.
Exemplo de Cálculo
422
5 – Determinação da pressão de teste hidrostático ao final da vida útil.A pressão de teste hidrostático a ser aplicada ao final da vida útil do equipamento, deverá ser o valor da pressão de teste padrão, determinada de acordo com o código de projeto (ASME Seç.VIII – Div.1). A tensão atuante em cada componente durante o teste hidrostático não poderá ultrapassar um valor limite equivalente a 90% da tensão de escoamento do material, na temperatura ambiente.
Exemplo de Cálculo
423
5.1 – Verificação dos componentes
A pressão de teste hidrostático deverá corresponder
ao valor calculado da pressão de teste padrão.
Pth = 20,9 kgf/cm2
- Tampo superior
P = Pth + P = 20,9 + 0,05 = 20,95 kgf/cm2
S = P.(L.M + 0,2.t)/(2.t.E) =
= 20,95 x [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 + 0,2 x (23,0 – 3,0)] /
[2 x (23,0 – 3,0) x 0,85] = 1.475,4 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
424
5.1 – Verificação dos componentes- CostadoP = Pth + P = 20,9 + 1,55 = 22,45 kgf/cm2
S = P.(R + 0,6.t) / (t.E) = = 22,45 x [(1.000,0 + 3,0) + 0,6 x (22,4 - 3,0)] /
[(22,4 - 3,0) x 0,85] = 1.381,4 kgf/cm2
- Tampo inferiorP = Pth + P = 20,9 + 1,6 = 22,50 kgf/cm2
S = P.(L.M + 0,2.t)/(2.t.E) == 22,50 x [(1.808,0 + 3,0) x 1,32 + 0,2 x (23,0 - 3,0)] /
[2 x (23,0 - 3,0) x 0,85] = 1.584,6 kgf/cm2
Exemplo de Cálculo
425
Tensão [kgf/cm2]
Componente S 90% Sy Ok!
Tampo superior 1.475,4 2.025,0 Sim
Costado 1.381,4 2.025,0 Sim
Tampo inferior 1.584,6 2.025,0 Sim
• A pressão de 20,9 kgf/cm2 pode ser aplicada durante o teste hidrostático do equipamento, ao final de sua vida útil.
Exemplo de Cálculo
426
Capítulo 14
Seleção de Materiais
427
• Existem vários fatores envolvidos na seleção dos materiais:– resistência mecânica– resistência à corrosão;– custo;– facilidade de fabricação (conformação, usinagem,
soldagem, etc);–peso, etc.
• Portanto, cabe ao projetista a análise criteriosa destes fatores e a comparação da importância relativa entre eles.
Introdução
428
Fatores gerais de influência
• Fatores relativos à resistência mecânica do material
–Devemos estabelecer os limites de resistência à ruptura, ao escoamento, ductilidade, bem como tenacidade, dureza, resistência à fluência e à fadiga.
Introdução
429
Fatores gerais de influência
• Fatores relativos ao serviço
– Temperatura;
–Ação dos fluidos;
– Efeito dos resíduos da corrosão
–Nível de tensões;
–Natureza dos esforços mecânicos;
Introdução
430
Fatores relativos à fabricação• Montagem
– Conformação das chapas e forjados;– Usinagem;– Soldabilidade.
• Disponibilidade• Custo• Experiência prévia• Expectativa de vida útil• Estabilidade dimensional• Segurança
Introdução
431
• Podemos, de maneira muito simplista, agrupá-los nas seguintes classes:
– Metais ferrosos:
• Aço carbono
• Aço liga
• Aço inoxidável
Classificação dos Metais
432
– Metais não-ferrosos
• Alumínio e ligas
• Cobre e ligas
• Níquel e ligas
• Titânio, Zircônio (Metais exóticos)
Classificação dos Metais
433
• Definimos especificação de material a umdocumento normativo emitido por uma Sociedadede Normalização reconhecida, pública ou particular.Por exemplo, temos a ASTM e o ASME.
• O atendimento aos requisitos de uma Especificaçãode Material deve ser registrado em outrodocumento: CERTIFICADO DE QUALIDADE.
Especificações de materiais
434
Certificado de Material
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
Especificações de materiais
435
Resistência mecânica
• A resistência mecânica dos metais é caracterizada principalmente por:
– resistência à tração e ao escoamento;
– ductilidade
– tenacidade
– resistência à fluência
– resistência à fadiga
– dureza.
Propriedades mecânicas
436
Curva tensão- deformação de engenharia
• É usual definirmos a tensão de escoamento como a tensão que provoca uma certa deformação residual (0,2%).
Propriedades mecânicas
437
Recursos para melhorar as propriedades mecânicas
• Vários recursos podem ser adotados para modificar algumas características mecânicas:
─ composição química;
─processos de fabricação;
─ tamanho de grão;
─ tratamentos térmicos
Propriedades mecânicas
438
Processos que conduzem a falhas em serviço• Processos mecânicos:
–deformação permanente por carregamento primário;
– fratura frágil– fluência;– fadiga;–plastificação incremental.
• Processos químicos e/ou eletroquímicos:– corrosão;–oxidação;
Propriedades mecânicas
439
Efeito da temperatura no comportamento mecânico dos metais
• Na prática, todos os metais apresentam limites detemperaturas para seu emprego.
• Estes limites serão tanto para temperaturaselevadas como para temperaturas baixas.
Propriedades mecânicas
440
Variação das propriedades mecânicas com a temperatura(fonte ESDEP)
Propriedades mecânicas
441
Propriedades mecânicas em temperaturas elevadas
• De um modo geral, o aumento de temperatura REDUZ os limites de escoamento e de ruptura dos metais.
Propriedades mecânicas
442
• A elevação da temperatura aumenta a ductilidadedos metais, razão pela qual é explicada aconformação preferencial do aço carbono emtemperaturas mais elevadas, acima da temperaturade recristalização, ou posterior tratamento térmicode alívio de tensões.
• Um efeito conhecido deste fenômeno é a fluência(creep).
Propriedades mecânicas
443
Fluência
• Denomina-se fluência (creep) a um fenômeno dedeformação permanente, lenta e progressiva, quese observa nos metais, com o decorrer do tempo,quando submetidos a um esforço constante detração em temperatura elevada.
• Corresponde a um acúmulo de deformaçõesplásticas decorrente da redução, pela temperatura,da energia envolvida em contornos de grão einclusões na matriz em manter o equilíbrio entre oencruamento e o amolecimento do material.
Altas Temperaturas
444
Fluência
• Em termos práticos
A fluência é importante acima de 0,3.Tf
onde Tf é a temperatura de fusão, em graus Kelvin;
para aços carbono a temperatura de fluência situa-se em torno de 370oC.
• Relacionando-se a progressão da deformação por fluência com o tempo decorrido, obtém-se o que denominamos a curva típica de fluência, representada na figura a seguir.
Altas Temperaturas
445
Fluência
TEMPERATURA
ELEVADA
TEMPO
CAMPO DE
TENSÕES
Altas Temperaturas
446
• A faixa de temperaturas quando a fluência passa a ser significativo denomina-se “faixa de fluência” (creep range).
• Relacionando-se a progressão da deformação, teremos três estágios:
–etapa inicial: a taxa de progressão da deformação diminui com o tempo;
–2º estágio: progressão constante (mínima taxa de deformação);
–3º estágio: taxa da deformação é crescente.
Altas Temperaturas
447
Altas Temperaturas
448
Fluência
• A fim de prevenir-se excessivas deformações e uma ruptura prematura, no código ASME Seção VIII, Divisão 1 foram estabelecidos limites satisfatórios para as tensões em temperaturas acima da temperatura de fluência.
Altas Temperaturas
449
Fluência
• Tensão admissível o menor valor entre:
- 100% da tensão média para produzir uma taxa de deformação dε/dt de 0,01% em 1.000 horas.
- 67% da tensão média para ruptura em 100.000 horas.
- 80% da tensão mínima para ruptura em 100.000 horas.
Altas Temperaturas
450
Tensão que causa 1% de deformação em 100.000 h
Limite Resistência / FS
Limite Resistência
FluênciaEfeito Dominante
Temperatura
Tensão Admissível
Altas Temperaturas
451
Fluência
• Os ensaios de fluência são considerados de longa
duração (acima de 1.000 horas), e para que
representem o comportamento do material exposto
a tempos mais elevados de operação na
temperatura, são utilizadas extrapolações com o
aumento da temperatura do ensaio tornando-o
acelerado.
Altas Temperaturas
452
Fluência
• A equação de Larson-Miller permite esta
extrapolação com base na dependência do estágio
secundário de comportamento com a energia de
ativação, temperatura e estrutura do material.
Como a energia de ativação é dependente da
tensão aplicada, os ensaios são realizados no
mesmo nível de tensão do componente em
operação, com a extrapolação realizada através do
aumento da temperatura, exclusivamente.
Altas Temperaturas
453
• Fluência
• P - parâmetro de Larson-Miller;
• T - temperatura absoluta (ºK ou ºR);
• C - constante do material;
• t - tempo de ruptura (horas).
• Para uma condição de operação (T, t), equivalente a um valor do parâmetro P, pode-se realizar uma extrapolação da temperatura a ser empregada no ensaio para definir um ensaio com duração adequada.
310xtlogC.TP
Altas Temperaturas
454
• Exemplo: Determinar a temperatura de ensaio para um material de um componente projetado para operar durante 20,0 anos na temperatura de 1100oF. Dimensionar o ensaio para um tempo de ensaio equivalente a 30 dias.
• 20.0 anos = 175.200 horas
• 30 dias = 720 horas
Altas Temperaturas
455
• Toperação = 1100oF = 866oK
86,2110x)200.175log(20x866
10xtlog20.TP
3
3
F1262K37,956
10x)720log(20
86,21
10xtlog20
PT
oo
33
Altas Temperaturas
456
Curvas de Creep - Texas Research International
Altas Temperaturas
457
Testes de “Stress rupture”• Estes testes são usados para determinar o tempo
até ocorrer a falha.• Os dados são plotados em uma carta log-log (como
mostrado a seguir).• Uma linha reta é normalmente obtida em cada
temperatura e esta informação pode ser utilizadapara extrapolação de falha em tempos mais longos.
• Mudanças na inclinação das linhas são devidas amudanças estruturais no material e sãosignificantes no sentido de indicar que ainterpolação além deste ponto pode levar a errosgrosseiros.
Altas Temperaturas
458
Curvas de Stress rupture - Materials Engineer.com
Altas Temperaturas
459
A fluência e o projeto de equipamentos
• Os materiais utilizados não devem atingir o 3˚estágio da fluência dentro da vida útil estimada.
• As tensões admissíveis estabelecidas pelo Códigoadmitem que se alcance o 2º estágio de fluência(menor taxa de deformação).
• Usualmente, as tensões admissíveis são baseadasna deformação de 1% ao fim de 100.000 h (poucomais de 11 anos).
Altas Temperaturas
460
• De um modo geral, a granulação grosseira (coarse grain) é mais resistente a deformação por fluência, motivo pelo qual selecionamos aços com maior tamanho de grão para serviços com temperaturas elevadas. Por exemplo, o ASTM A-515 Gr 60.
• As normas API utilizam o parâmetro de “Larson-Miller” como técnica de extrapolação de resultadosde resistência à fluência.
Altas Temperaturas
461
• Existem técnicas que permitem a avaliação dos danos por fluência em condições variáveis, sendo a mais conhecida a “regra da fração de vida”:
(ti / tri) 1
─ ti = tempo de atuação da tensão na temperatura T;
─ tri = tempo para atingir o ponto de iniciação de
trincas naquela tensão e temperatura.
• Assim, a fração (ti / tri) representa o dano acumulado antes da nucleação de uma trinca.
Altas Temperaturas
462
Serviços em temperatura elevada
• Devemos considerar os seguintes fatores:– temperatura – limite;– tempo previsto naquela faixa de temperatura;– resistência mecânica do metal naquela
temperatura;– resistência à fluência;– resistência à corrosão no meio na temperatura;–modificações na estrutura metalúrgica.
• Mesmo condições eventuais ou transitórias devem ser consideradas na avaliação.
Altas Temperaturas
463
Fragilidade à baixa temperatura
• Algumas estruturas cristalinas apresentam comportamento frágil em temperaturas baixas.
• Este fenômeno é conhecido como “fragilização à baixa temperatura” (cold brittleness).
Baixas Temperaturas
464
Introdução
• As fraturas frágeis dão-se por clivagem do material e, por isso, a energia absorvida é muito pequena.
• A velocidade de propagação de uma trinca em um metal “frágil” dá-se com a velocidade do som naquele metal (cerca de 1300 m/s no aço carbono).
• Assim, a propagação de uma trinca em um vaso de pressão de maneira frágil dá-se de forma catastrófica.
Baixas Temperaturas
465
Fratura frágil em vaso de pressão durante teste hidrostático
Ano: Dezembro/65
Material Cr-Mo-V
Espessura 150 mm
Temperatura: 10ºC
Baixas Temperaturas
466
Navio TITANIC
Baixas Temperaturas
467
Por que o navio afundou tão rápido (em menos de 3 horas)?
Qual a natureza do dano no casco devido ao impacto com o iceberg?
Qual a sequencia de enchimento dos compartimentos?
O navio quebrou ao meio na superfície, ou afundou intacto?
Existiam trincas da fabricação que poderiam ser evitadas?
As perguntas que foram feitas em 85 anos de pesquisas foram as seguintes:
Baixas Temperaturas
468
Baixas Temperaturas
469
Baixas Temperaturas
470
Brittle / Ductile Transition Curves
Titanic Longitudinal
Titanic Transversal
Transition
Temperatures
A36 Steel
190
163
136
108
81
54
27
140
120
100
80
60
40
20
0
Im
pac
t E
ne
rgy (
Jo
ule
s)
Temperature (oC)
Im
pact
En
erg
y (
ft-l
bs)
-100 0 100 200
Titanic
Longitudinal
Titanic
Transversal
A36 Steel
120
100
80
60
40
20
0 -50 0 50 100 150
Temperature (degrees oC)
%
Sh
ear
Fra
ctu
re
Baixas Temperaturas
471
O Departamento de Metalurgia doNational Institute of Standards andTechnology realizou uma análisemetalúrgica e mecânica dos materiaisdo casco e rebites do Titanic. Oresultado indicou que o aço utilizadopossuía uma temperatura de transiçãodúctil-frágil elevada, tornando-oinadequado para as temperaturas emque navegou. Em relação aos rebites, oaço fundido utilizado possuía um nívelelevado de impurezas e inclusões queexplicaram o dano acumulado devido àcolisão com o iceberg.
Baixas Temperaturas
472
Tanque de gás natural liquefeitoFalhou com vazamento do produto que vaporizou e se incendiou, ocasionando uma bola de fogo de grande extensão. Algo próximo a 3 km2 foi afetado pelo incêndio com total destruição de 79 casas, 2 fábricas, 217 carros destruídos, 131 pessoas mortas, 300 feridas (1944 –Cleveland).
Baixas Temperaturas
473
Ponte (Silver Bridge) (1967 – Point Pleasant, W. Virginia).
Baixas Temperaturas
474
Ponte (Silver Bridge) ligando o estado W. Virginia a Ohio, com vão central com mais de 130 metros. Em lugar de cabos, a ponte era suspensa por correntes ligadas por pinos. Um dos elos da corrente se rompeu por clivagem devido ao clima frio e sobrecarga, causando a ruptura dúctil de um dos pinos. Com a falha de uma das correntes, toda a estrutura colapsou, causando a morte de 46 pessoas. A ruptura foi causada por micro trincas que cresceram por fadiga e corrosão combinada. O desastre da ponte Silver Bridge tornou-se um marco, pois foi a primeira estrutura civil a ter o colapso investigado com aplicação dos conceitos modernos da mecânica da fratura (1967 – Point Pleasant, W. Virginia).
Baixas Temperaturas
475
Navios da Classe Liberty
Baixas Temperaturas
476
Navios da Classe Liberty
Baixas Temperaturas
477
Navios da Classe Liberty
Baixas Temperaturas
478
Quando da ocasião da 2a guerra mundial, se iniciou uma nova
fase em termos da fabricação, com a construção dos navios de
carga da classe “Liberty”, que se tornaram lendários por terem
sido projetados para fabricação em série, de modo a agilizar o
tempo construtivo (2700 foram construídos, sendo que no final
da guerra o tempo médio de construção era 5 dias) com a
presença de estruturas totalmente construídas por juntas
soldadas em substituição aos rebites.
Baixas Temperaturas
479
Ocorreram a uma série de fraturas catastróficas: de 2700
navios construídos, 400 fraturaram, 90 dos quais foram
considerados graves e 10 quebraram em 2 partes. 1000 navios
sofreram falhas significativas entre 1942-1946 devido às
baixas temperaturas, enquanto que 200 sofreram sérias
fraturas entre 1942-1952. No início 30% deles afundaram com
ruptura catastrófica (no final da guerra a taxa caiu para 5%). A
taxa de falha era muito alta no Atlântico Norte e não existente
em águas mais quentes no Pacífico Sul.
Baixas Temperaturas
480
Estas fraturas ocorriam em condições de baixo carregamento,
o que levou estudiosos a concluírem pela causa relacionada a
presença de defeitos, concentradores de tensão, tensões
residuais de soldagem elevadas e materiais com baixa
tenacidade, falta de experiência dos soldadores e reduzido
tempo de treinamento. Com a utilização de materiais de mais
alta resistência, as tensões de operação tornaram-se mais
elevadas e os fatores de segurança menores, o que levaria a
conseqüências inevitáveis em relação a fraturas e condições
críticas de utilização.
Baixas Temperaturas
481
Tem-se início então as primeiras investigações sistemáticas
patrocinadas pela American Bureau of Shipping, onde se
conclui que a fratura catastrófica era relacionada a 3 fatores:
má qualidade do aço, concentradores de tensão e soldas
defeituosas. Surge, em 1947, primeira norma restritiva quanto
à composição química dos aços empregados na construção
naval (1942-52).
Baixas Temperaturas
482
INÍCIO DA FRATURA
‘marcas de sargento’
apontam para o início da fratura
Baixas Temperaturas
483
Ocorrência de baixas temperaturas
• As baixas temperaturas podem ocorrer comocondição normal de operação ou como condiçãoeventual:
–descompressão de um gás liquefeito, ex GLP;
– teste hidrostático;
Baixas Temperaturas
484
Serviços em baixas temperaturas: considerações
• Os seguintes pontos devem ser considerados:– temperaturas mínimas e condições de pressão/
carregamento;– seleção de materiais (função da espessura);– testes de impacto;– tratamento térmico (alívio de tensões e
normalização)– inspeção de matéria-prima e fabricação;– “segurança versus custos”–detalhes de projeto e de fabricação;
Baixas Temperaturas
485
Teste de Impacto
• A tenacidade de um material é uma propriedade que mede sua resistência à fratura frágil. Para tanto existem diversos ensaios normalizados e adequados conforme a aplicação, tipo de material e estado de tensões na estrutura analisada. O teste de impacto, apesar de não ser um ensaio de tenacidade, é certamente o de maior utilização, principalmente na seleção e adequação de materiais para o projeto.
Baixas Temperaturas
486
Teste de Impacto
• Os principais fatores que afetam a fratura frágil são a temperatura, taxa de carregamento e estado de tensões. A diminuição da temperatura está normalmente associada à perda de tenacidade do material, assim materiais dúcteis à altas temperaturas ou na temperatura ambiente podem ter comportamento frágil em baixas temperaturas.
Baixas Temperaturas
487
Teste de Impacto
• O teste de impacto utiliza carregamentos submetidos a altas taxas de aplicação em corpos de provas padronizados na presença de entalhe na linha de ação do pêndulo.
• Ensaios de impacto Charpy (ASTM E23 e NBR 6157):
Entalhe em V - CVN (Charpy V Notch)
Entalhe em U
Entalhe fechadura (keyhole) (ASTM)
Baixas Temperaturas
488
Ensaio Charpy com entalhe em V.
Baixas Temperaturas
489
Baixas Temperaturas
490
• Os entalhes dos corpos de prova são usinados com dimensões padronizadas, como na figura a seguir para o Charpy tipo “V”.
Baixas Temperaturas
491
L/2
L
D C
W
R
DETALHE DO ENTALHE
DIMENSÃO [in] [mm]
L - Comprimento do C.P. 2,165 0,002 55,0 0,050
L / 2 - Localização do entalhe 1,082 0,002 27,5 0,050
C - Seção reta (profundidade) 0,394 0,001 10,0 0,025
W - Seção reta (largura) 0,394 0,001 10,0 0,025
D - Distância ao fundo do entalhe 0,315 0,001 8,0 0,025
R - Raio do entalhe 0,010 0,001 0,25 0,025
- Ângulo do entalhe 45o 1o
Baixas Temperaturas
492
Fratura FrágilFratura Dúctil
Baixas Temperaturas
493
Teste de Impacto
• Para altas taxas de carregamento as discordâncias presentes na estrutura do material não acompanham a liberação de energia, não sofrendo deformação plástica sensível. O estado de tensões também altera a formação da zona plástica podendo favorecer a fratura frágil do material.
Baixas Temperaturas
494
Teste de Impacto
• Os resultados do ensaio Charpy para baixas (altas) temperaturas são obtidos através do resfriamento (aquecimento) dos corpos de prova em um líquido, tais como álcool e nitrogênio ou acetona e gelo seco (óleo), para a refrigeração (aquecimento) do C.P.
Baixas Temperaturas
495
Teste de Impacto
• Resultados obtidos com o ensaio Charpy:
• Energia Absorvida - A energia absorvida na fratura pode ser determinada através da diferença de energia potencial do pêndulo entre as posições inicial e final do curso do martelo. Normalmente expressa em J, Kgm ou ft-lb, a energia é lida diretamente na escala da máquina. Quanto maior a energia absorvida maior a tenacidade à fratura do material;
Baixas Temperaturas
496
Teste de Impacto
• Percentagem da Fratura Dúctil (cisalhamento) - A percentagem da fratura dúctil é obtida através do exame da fratura após o ensaio. A superfície de uma fratura dúctil apresenta-se fibrosa e opaca, enquanto que a fratura frágil, facetada e brilhante. A superfície do corpo de prova pode apresentar variação entre 100% dúctil (totalmente opaca) à 100% frágil (totalmente brilhante).
Baixas Temperaturas
497
Teste de Impacto• Percentagem da Fratura Dúctil (cisalhamento) - O
valor da percentagem da fratura dúctil é determinada pela comparação da superfície da fratura com cartas ou padrões como os fornecidos pela ASTM;
Baixas Temperaturas
498
Teste de Impacto
• Expansão Lateral - Após a fratura, o corpo de prova
sofre deformação na região oposta ao entalhe por
compressão e, a depender da ductilidade do
material, uma expansão lateral do corpo de prova
na mesma região. Quanto maior a deformação
sofrida pelo corpo de prova maior sua expansão
lateral.
Baixas Temperaturas
499
ENTALHE
ÁREA DE CLIVAGEM (BRILHANTE)
ÁREA DE CISALHAMENTO (OPACA)
A B
A + B = EXPANSÃO LATERAL
Baixas Temperaturas
500
Teste de Impacto
• A repetição de ensaios no mesmo material, para diversas temperaturas diferentes, possibilita o levantamento de uma curva de variação da energia liberada na fratura. Na região do gráfico denominada como patamar superior, a fratura ocorre de maneira dúctil, ao longo da região de transição entre os patamares superior e inferior ocorre uma variação da percentagem de fratura dúctil decrescente com a temperatura, e para o patamar inferior registra-se a ocorrência de fratura frágil.
Baixas Temperaturas
501
100%
50%
0%
Temperatura
Patamar Superior
Patamar Inferior
Aparência
da Fratura
NDT FTP
Fratura por
Clivagem % Energia
Absorvida
FRATURA FRÁGIL
REGIÃO DE TRANSIÇÃO
DÚCTIL - FRÁGIL FRATURA DÚCTIL
Baixas Temperaturas
502
Temperatura de transição – testes de impacto
• É usual definirmos a temperatura de transiçãocomo sendo a temperatura mínima em que umdeterminado corpo de prova (definido em norma)resiste a um impacto, com um determinado valorde energia absorvida, SEM que haja a fratura frágil.
Baixas Temperaturas
503
Temperatura de transição
• De maneira a caracterizar a temperatura de transição, ela é definida como:
–A temperatura na qual um determinado valor de energia é atingido no teste de impacto com entalhe (exemplo: T27 J ou T40 Joules); ou
–A temperatura na qual metade da máxima energia de impacto é atingida (T50%); ou
–A aparência da fratura corresponde a 50% de fratura dútil (FATT 50: Fracture Appearance Transition Temperature, 50% ductile fracture).
Baixas Temperaturas
504
Teste de Impacto
• A temperatura NDT indica o início do patamar inferior. Representa o ponto onde o corpo de prova fratura com 100% de deformação por clivagem (0% de deformação plástica). Nesse caso as tensões elásticas são capazes de iniciar e propagar uma fratura, ou seja, o material não apresenta nenhuma ductilidade (capacidade de deformação plástica).
Baixas Temperaturas
505
Teste de Impacto
• Acima da temperatura FTP a fratura do corpo de prova ocorre com 100% de fratura dúctil, determinando que o início e propagação de fraturas exijam deformação plástica. Dentro da região intermediária, a iniciação da trinca exige deformação plástica, mas a propagação ocorre com tensões elásticas.
Baixas Temperaturas
506
Teste de Impacto
• Em alguns casos, torna-se necessário uma propagação também estável como, por exemplo, em gasodutos em altas pressões, permitindo a ocorrência uma despressurização lenta do gás o que reduz a extensão da fratura. Neste caso, se o material fraturar de maneira instável a propagação irá se estender por longas distâncias.
Baixas Temperaturas
507
Teste de Impacto
• As necessidades da aplicação de requisitos de energia de impacto mínimas são estabelecidas pelos códigos de projeto, em função do material, espessura e temperatura de operação do componente ou equipamento.
Baixas Temperaturas
508
O gráfico apresenta, para alguns gases, as temperaturas de equilíbrio em função da pressão. Como exemplo, um volume pressurizado com etano à 40,0 kgf/cm2 possui uma temperatura de equilíbrio de 20oC, podendo alcançar uma temperatura próxima a -90oC em um vazamento.
Metano
Etileno
Etano
Propileno
Propano
i-Butano n-Butano
1.0 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 60 80 100
+40
+20
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
Pressão [kgf/cm2]
Tem
pera
tura
[oC
]
Baixas Temperaturas
509
Fatores de influência no ensaio Charpy-V
• Efeito combinado dos seguintes fatores:
–natureza e nível de tensões;
–espessura da peça (estado triaxial de tensões);
– concentradores de tensão (entalhes);
–estrutura metalúrgica (composição química e tamanho de grão);
– tratamentos térmicos (alívio de tensões e refino de grão).
Baixas Temperaturas
510
• Ressalta-se que variações de composição química, tamanho de grão e demais tratamentos impostos ao material podem alterar significativamente a sua qualidade definida pela energia Charpy-V. Os gráficos a seguir apresentam alguns destes fatores e sua influência no material.
Baixas Temperaturas
511
140
100
60
20
-20
-60
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Tem
pera
tura
de T
ran
siç
ão
[oC
]
Teor de Carbono [%]
vTrs
vTrE
vTr15
Composição química do aço: 0.99-1.02 Mn, 0.22-0.28 Si, aquecido a 900oC e resfriado a 14oC / min.
Efeito do Teor de Carbono na Energia Charpy-V
Temperatura de Transição
vTrs – 50% de cisalhamento na fratura;
vTrE – metade da energia upper-shelf;
vTr15 – 15 lb-ft de energia
Baixas Temperaturas
512
Baixas Temperaturas
513
Efeito do Teor de Níquel na Tenacidade de Aços Liga Normalizados
13% Ni
8 ½% Ni
0% Ni
7% Ni
2% Ni
5% Ni
3 ½% Ni
-250 -200 -150 -100 -50 0 50
Temperatura [oC]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
En
erg
ia C
harp
y-V
[kg
.m]
Baixas Temperaturas
514
30
20
10
0
-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40
Quenched and Tempered
Normalized
As-rolled
Test Temperature [oC]
Ch
arp
y V
-No
tch
Imp
act V
alu
e [k
g.m
]
30
20
10
0
-140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40
Quenched and Tempered
Normalized
As-rolled
Test Temperature [oC]
Ch
arp
y V
-No
tch
Imp
act V
alu
e [k
g.m
]
Efeito do tratamento térmico na energia de impacto
Baixas Temperaturas
515
Variação na energia absorvida CVN com a temperatura para aço carbono normalizado de diversos teores de carbono.
Baixas Temperaturas
516
Variação de energia absorvida CVN em função do teor de Mn em aço Fe-Mn-0.05C
Baixas Temperaturas
517
A necessidade de controle do tamanho de grão
• As propriedades mecânicas do aço são afetadaspelo tamanho de grão.
• A redução do tamanho de grão aumenta aresistência ao escoamento, além de acarretar umprofundo efeito na temperatura de transição dútil/frágil. (veja slide a seguir)
• Desta forma, obtém-se uma série de benefícios coma mesma mudança micro-estrutural.
Baixas Temperaturas
518
A necessidade de controle do tamanho de grão
• De maneira geral, esta é uma circunstância nãousual, pois geralmente, o aumento em umapropriedade mecânica significa a piora em outra,exigindo um compromisso na obtenção daquelaspropriedades necessárias ao serviço.
• Por exemplo, o aço ASTM A-516 geralmenteapresenta propriedades mecânicas para o seu usoem baixas temperaturas.
Baixas Temperaturas
519
Baixas Temperaturas
520
Valores de tenacidade na iniciação de trinca: KIc versus temperatura em aços 2¼ Cr–1 Mo e A 508.
• Bouyne, E., Joly, P., Houssin, B., Wiesner, C. S. & Pineau, A.Mechanical and microstructural investigations into the crack arrest behaviour of a modern 2¼Cr-1 Mo pressure vessel steel.Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures 24 (2), pg 105.
Baixas Temperaturas
521
Considerações para projeto
• O Código ASME, Seção VIII, Div. 1, apresenta afigura UCS-66 onde estão associadas astemperaturas de transição de “famílias” de açoscom a espessura necessária para a parede do vasode pressão. Esta curva é indicativa para a prevençãoda fratura frágil.
Baixas Temperaturas
522
Baixas Temperaturas
523
Baixas Temperaturas
524
Baixas Temperaturas
525
Baixas Temperaturas
526
• A fig. UCS-66 do ASME Seção VIII – Div.1 pode ser corrigida para componentes em que a espessura seja superior ao valor mínimo exigido para resistir aos carregamentos de projeto:
– Fig. UCS-66.1 – Divisão 1 (antes e após 1998)
• Estas figuras definem de quanto a temperatura requerida para teste de impacto pode ser reduzida sem que o teste seja obrigatório.
Baixas Temperaturas
527
Baixas Temperaturas
528
Baixas Temperaturas
529
Baixas Temperaturas
530
Baixas Temperaturas
531
• Quando utilizada a curva de exceção da UCS-66,
para materiais P1 Group number 1 e 2, a
temperatura obtida poderá ser reduzida de 17oC
(30oF) para equipamento que possuam tratamento
térmico de alívio de tensões, desde que não exigido
pelo código devido à espessura do componente.
Baixas Temperaturas
532
• Vasos fabricados conforme código ASME Seç.VIII –Div.1, que atendem aos requisitos abaixo descritos não necessitam ter avaliado o valor de temperatura de referência.
• 1 – O material é limitado ao P-No 1, Gr.no1 ou 2, como definido pelo código ASME Seç.IX, e a espessura, não excede aos valores abaixo.– 12,7 mm para materiais listados na Curva A da Figura
UCS-66;
– 25,4 mm para materiais listados nas Curvas B, C ou D da Figura UCS-66.
Baixas Temperaturas
533
• 2 – O vaso foi testado hidrostaticamente em uma pressão 1,5 vezes maior que a pressão de projeto do equipamento, para vasos fabricados anteriores a 1999, e 1,3 vezes para vasos fabricados após 1999.
• 3 – A temperatura de projeto é inferior a 343oC (650oF) e superior a –29oC (-20oF). Temperaturas ocasionais abaixo de –29oC (-20oF) são aceitáveis quando ocorrem devido a variações da temperatura ambiente.
• 4 – Carregamentos de choque térmico ou mecânico não são previstos ocorrerem;
• 5 – Não ocorrem variações de carregamento caracterizando um serviço sujeito à fadiga.
Baixas Temperaturas
534
• Definição e propriedades: liga de Fe e 0,05 a 1,5% de C, com limite de resistência em temperatura ambiente de 314 a 647 MPa e escoamento de 167 a 274 MPa e alongamento de 18 a 35%.
Aços Carbono
535
Efeito da composição química
• Variações, decorrentes da composição química:
– Aumento de C:
• aumento nos limites de ruptura e escoamento,
• aumento da dureza,
• diminuição da soldabilidade, devido aoaumento da temperabilidade acima de 0,26%de C (para vasos de pressão).
Aços Carbono
536
• O controle no teor de Carbono permite a garantia de uma maior soldabilidade.
• Caso tenhamos que trabalhar com aços com teores superiores a 0,35% C, então cuidados suplementares serão necessários durante a soldagem.
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
Aços Carbono
537
– Aumento de Mn:
• aumento de dureza,
• maior limite de ruptura e escoamento,
• maior soldabilidade, até Carbono Equivalente
(CE) < 0,45%, pois aumenta tenacidade pela redução da temperatura de transição dútil -frágil.
CE= C + Mn / 16 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu) /15
Aços Carbono
538
– Si e Al: são agentes desoxidantes, utilizadosdurante a solidificação do metal em fusão:
• acalmados: totalmente desoxidados (fully-killed steel);
• semi-acalmados: parcialmente desoxidados;
• efervescentes: (rimmed steel).
Aços Carbono
539
–A desoxidação com Si (mais barato) e com Al(adicional) é para obtenção de aços comcaracterísticas próprias, por exemplo, o aço SA-516 Gr 60 é desoxidado com Si e Al paraobtenção de aços com grão fino para baixatemperatura.
Aços Carbono
540
Soldabilidade e tratamentos térmicos
• Aços carbono são aços de solda fácil, exigindoapenas alguns cuidados:
–Pré-aquecimento a 110°C e manutenção datemperatura inter-passes;
– Tratamento térmico a 590°C, quando a espessuraé superior a 38mm;
– Emprego de eletrodos de baixo hidrogênio
–Radiografia total das soldas de pressão quando aespessura é superior a 31 mm.
Aços Carbono
541
Efeitos da temperatura elevada
• Temos a queda nos limites de ruptura e escoamentoe em temperaturas elevadas (acima de 370°C) umaumento na deformação a carga constante(fluência). Em temperaturas acima de 420°C ocorreo fenômeno de grafitização, favorecido pelapresença de Al.
• O aquecimento em temperaturas acima de 600°Cpode gerar o crescimento exagerado de grão e aesferoidização que diminuem a resistênciamecânica.
Aços Carbono
542
Efeito das baixas temperaturas
• A faixa de transição dútil-frágil é afetada por umasérie de fatores, tais como composição química etamanho de grão.
• De maneira geral, aços carbono especialmenteprojetados para serviço a baixa temperatura, taiscomo o SA-516 normalizado, são utilizáveis emtemperaturas até -45°C.
• Podemos encontrar aços carbono utilizáveis até atemperatura de -60°C, mas são de difícil obtençãono Brasil.
Aços Carbono
543
Indicações de uso para alguns meios corrosivos
• a) Hidrocarbonetos:
• b) Soda cáustica
• c) Hidrogênio
• d) H2S
• e) Amônia
• f) Aminas
Aços Carbono
544
Tipos de aço carbono
a) Aços de baixo carbono: até 0,25 % C: utilizados para fabricação de tubos de pequeno diâmetro;
b) Médio C, não acalmados: C até 0,35%:
c) Médio C, acalmados para temperaturas elevadas: limitados até 400°C, para vasos de pressão;
d) Aços para baixa temperatura: limitado seu uso até -45°C, para vasos de pressão;
e) Aços de qualidade estrutural: apenas para componentes estruturais.
Aços Carbono
545
f) Aços de alta resistência:
– aços especiais, onde elementos micro-ligados,tais como V e Nb aumentam os limites deruptura e de escoamento, pela formação decarbonetos.
– São aços de soldabilidade difícil e que exigemconhecimento específico de fabricação paraconformação, devido ao elevado limite deescoamento.
Aços Carbono
546
f) Aços de alta resistência:
–A obtenção de características de alta resistênciatambém pode ser obtida por tratamentostérmicos específicos durante a fabricação do aço.Contudo, o fabricante do vaso de pressão deveter grande experiência na conformação,usinagem e soldagem destes aços.
Aços Carbono
547
• Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
• Alguns exemplos de aços carbono e baixa liga utilizáveis
Aços Carbono
548
Classificação e casos de emprego dos aços liga
• Todos os aços que possuam qualquer quantidade de outros elementos que não os comumente encontrados no aço carbono.
• Distinguimos:
• baixa liga – até 5% de elementos de liga;
• média liga: entre 5% a 10%;
• alta liga: mais de 10%.
Aços Liga
549
• Principais casos de emprego:
–Alta temperatura – aços Cr-Mo
–Baixas temperaturas: para uso em temperaturas inferiores a -45ºC. Exemplo: aços ligados ao Ni (3,5%)
–Alta corrosão:
–Necessidade de não contaminação
– Segurança
–Alta resistência.
Aços Liga
550
Aço-liga ao Mo e ao Cr-Mo
• São aços contendo até 1% de Mo e até 9% de Cr. São de estrutura ferrítica.
• O principal efeito na adição de Cr é uma sensível melhora na resistência à oxidação e na corrosão. Portanto, são utilizados em serviços com alta temperatura (até 600ºC – 9%Cr).
Aços Liga
551
Aço-liga ao Mo e ao Cr-Mo
• A adição de Mo melhora a resistência à fluência.
• Todos os aços Cr-Mo são soldáveis, contudo são altamente temperáveis, exigindo tratamento térmico após a soldagem.
Aços Liga
552
Efeito da temperatura nos aços-liga Mo e Cr-Mo
• Os aços Mo e Cr-Mo são específicos para serviço a alta temperatura, devido a sua resistência superior à fluência e à oxidação.
• É comum a utilização de aços 2¼Cr para temperaturas até 450ºC.
Aços Liga
553
Emprego dos aços-liga Mo e Cr-Mo
• Aços com até 2,5%Cr são específicos para serviços de alta temperatura e grandes esforços mecânicos e baixa corrosão.
• Aços com maior quantidade de Cr são específicos onde ocorre oxidação intensa, com esforços reduzidos.
Aços Liga
554
• Aços CrMo podem exigir energia maior no ensaioCharpy, como podemos visualizar na tabela 3.3 doASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007.
Aços Liga
555
Aços-liga Níquel
• Específicos para serviço com baixa temperatura:
• 3,5% Ni – até -100ºC;
• 9% Ni - até -196ºC.
• Estes aços devem ser normalizados ou temperados e revenidos, para refinamento do grão.
• Não são facilmente soldáveis exigindo limpeza rigorosa (inclusive com segregação de área de trabalho)
• Exigem tratamento térmico após soldagem.
Aços Liga
556
Aços inoxidáveis
• Aços com mais de 12% Cr. A presença de Cr permite a formação de uma película de óxido, aderente, plástica e com baixa porosidade e resistente à corrosão atmosférica (passivação).
• Os tipos mais convencionais:
– aços inox austeníticos;
– inox ferríticos;
– inox martensíticos.
Aços Inoxidáveis
557
Aços Inoxidáveis
558
Aços Inoxidáveis
Diagrama de Schaeffler
Cr equivalent = (Cr) + 2(Si) + 1.5(Mo) + 5(V) + 5.5(Al) +
+ 1.75(Nb) + 1.5(Ti) + 0.75(W)
Ni equivalent = (Ni) + (Co) + 0.5(Mn) + 0.3(Cu) +
+ 25(N) + 30(C)
559
• Diagrama de Schaeffler - de Long
560
Aços inoxidáveis austeníticos
• Apresentam estrutura Fe em qualquer temperatura,
• Não apresentando temperatura de transformação alfa-gama, portanto não são temperáveis.
• A estabilização da austenita é conseguida pela adição de 7% de Ni.
• Os aços inox austeníticos convencionais são denominados pelo AISI de série “300” e “200”.
• A série 300 abrange aços com 16 a 25% de Cr e 7 a 22% de Ni.
Aços Inoxidáveis
561
• Dentre os aços inox austeníticos, o “304” é o mais comum, por apresentar excelente combinação de resistência à corrosão com propriedades mecânicas e custo aceitável.
• Aços inox contendo Mo (inox 316) apresentam melhor resistência à fluência e obrigam ao uso de teores maiores de Ni para manter a estrutura austenítica.
Aços Inoxidáveis
562
Aços austeníticos – propriedades gerais
• Devido à estrutura austenítica, estes aços sãonão-magnéticos e apresentam grande coeficientede dilatação (cerca de 50% superior aos açosferríticos).
• A estrutura cristalina CFC do Fe apresenta melhorresistência à fluência do que a estrutura CCC doFe. Os aços inox com Mo (316 e 317) bem como osestabilizados (ao Ti 321 e ao Nb 347) apresentamboa resistência à fluência, sendo sua utilização emalta temperatura superior ao 304.
Aços Inoxidáveis
563
Aços austeníticos – propriedades gerais
• A temperatura limite de utilização do inox 304 é de815ºC, conforme Código ASME. Mas apresentarestrições devido à queda acentuada na resistênciamecânica após os 600ºC. Os aços inox austeníticossão muito sensíveis ao fenômeno de sensitização,após os 450ºC, devendo o projetista estar muitoatento a este modificação em sua resistência àcorrosão.
Aços Inoxidáveis
564
Conformação:
• Os aços inox austeníticos são dúteis, de fácilconformação. Não apresentam transiçãodútil-frágil, podendo ser utilizados, sem restrição,em serviços com baixa temperatura (até -195°C),sendo desnecessário a solicitação de ensaio deimpacto, exceto para peças fundidas.
Aços Inoxidáveis
565
• Aços com mais de 17% de Cr podem apresentar a
formação de um composto intermetálico Fe-Cr,
denominado fase “sigma”, quando aquecidos por
longo período entre 560°C e 900°C.
• Esta fase é frágil e extremamente dura, tornando o
aço quebradiço e propiciando o aparecimento de
trincas durante o resfriamento na soldagem.
Aços Inoxidáveis
566
• A fase sigma é principalmente proveniente da
ferrita e sua formação é favorecida pela presença
de elementos ferritizantes, como o Cr.
• A presença de mais de 10% de ferrita no aço inox
austenítico torna-o sujeito à fragilização pela fase
sigma.
Aços Inoxidáveis
567
• Os aços inox austeníticos são de fácil soldabilidade,
contudo, alguns cuidados são necessários, tais
como limpeza rigorosa, para evitarmos
contaminação com aço carbono, bem como Cobre
e Zinco (fragilização).
Aços Inoxidáveis
568
• Aços sujeitos a temperaturas superiores a cerca de450°C e até 650°C podem apresentar precipitaçãode carbonetos de Cr no contorno de grão,provocando o que denomina-se “sensitização”.
Aços Inoxidáveis
569
Mecanismo de sensitização
Formação de Carbetos de Cr
Aços Inoxidáveis
570
Curva de sensitização
Efeito do Carbono na sensitização (Gooch, 1975).
www.msm.cam.ac.uk
Aços Inoxidáveis
571
Aços austeníticos – corrosão em geral
• Como a formação da camada passivada dá-se pelaformação de óxidos de Cr, a sua resistência àcorrosão é boa em meios oxidantes (ricos em O).Em meios redutores, ou pobres em Oxigênio, seocorrer a ruptura da camada passivada, poderáocorrer a formação de pilhas galvânicas e aocorrência de corrosão por pites ou sob tensão.Algumas cinzas fundidas presentes em fornos(óxidos de Vanádio) também podem romper acamada passivada, gerando corrosão por pites.
Aços Inoxidáveis
572
Aços austeníticos – sensitização e corrosão intergranular
• A sensitização é a formação de carbonetos de Cr, nocontorno dos grãos, na faixa de temperatura de450°C e 650°C.
• A formação destes carbonetos torna o contorno degrão pobre em Cr, impedindo a formação dacamada passivada e tornando a região anódica emrelação ao grão e portanto, o aço mais suscetível aoataque.
Aços Inoxidáveis
573
• A corrosão intergranular resultante é caracterizada pelo aparecimento de trincas entre os grãos. A medida que a trinca avança, os grãos vão se destacando, permitindo o ataque aos grãos seguintes, até a ruptura da peça.
Aços Inoxidáveis
574
• A corrosão intergranular ocorre principalmente nos meios ácidos:
– ácido sulfúrico, nítrico, fosfórico;
– ácidos orgânicos, tais como acético, cítrico, lático;
– cloreto ferroso, sulfato de Cobre, nitrato de amônia.
Aços Inoxidáveis
575
• A sensitização é tanto mais rápida e mais intensa quanto maior o teor de Carbono no aço. Assim, aços inox austeníticos “comuns”, com até 0,08%C, podem ser sensitizados durante a operação de soldagem.
• Duas formas de evitarmos a sensitização:
– aços de baixo carbono – reduzindo o teor de C até 0,04%;
– aços estabilizados ao Ti e ao Nb.
Aços Inoxidáveis
576
• O objetivo de ambos os métodos é evitar a
formação de carbonetos de Cr durante a soldagem,
pela restrição de C livre, seja pelo teor baixo de C,
seja pela formação preferencial de carbonetos de Ti
e de Nb.
Aços Inoxidáveis
577
• Para os aços estabilizados:
–durante o resfriamento no ciclo térmico desoldagem, a formação destes carbonetos de Ti ede Nb ocorrerão em temperaturas mais altas,limitando o Carbono livre para a formação decarbonetos de Cr;
–Contudo, nos casos em que estes aços irão operarcontinuamente em altas temperaturas, devemossolicitar sua estabilização durante a suafabricação (requisito suplementar).
Aços Inoxidáveis
578
• Os aços inoxidáveis com baixo C (304L) e os aços estabilizados (321 e 347) não são totalmente imunes à sensitização.
• Devemos escolhê-los em função das temperaturas e períodos a que estarão sujeitos.
Aços Inoxidáveis
579
Aços austeníticos – corrosão com Halogênios
• A possibilidade de corrosão sob tensão e decorrosão por pites é o grande problema de corrosãodestes aços.
• Quando estão sujeitos ao contato com meioscontendo Halogênios (Cl, Flúor, Iodo,Bromo) estesaços perdem a camada passivada, pela propriedadedestes elementos deslocarem o Oxigênio,destruindo os óxidos de Cr.
Aços Inoxidáveis
580
Aços austeníticos – corrosão com Halogênios
• Pela sua maior ocorrência, os cloretos são os meiosmais preocupantes. Água não tratada, água salgada,atmosfera marinha podem promover a corrosão.
Aços Inoxidáveis
581
• A corrosão sob tensão é acelerada pelatemperatura, bem como pela concentração do meioagressivo.
• Contudo, ela exige a presença de umidade, sendoimportante ressaltar que para temperaturas acimado ponto de orvalho não ocorreria corrosão sobtensão, no caso de corrosão atmosférica porambiente salino.
Aços Inoxidáveis
582
• Para temperaturas inferiores a 50°C é consenso quetemos pequeno risco de corrosão sob tensão.Contudo, devemos lembrar que tubulações em inoxaustenítico expostas ao sol em ambiente marinhopodem atingir temperaturas de metal superioresaos 50°C.
• A corrosão sob tensão exige um tempo deincubação, mas uma vez iniciada ocorrerapidamente.
Aços Inoxidáveis
583
Aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos
• Estes aços inox apresentam teor de Cr superior a12%. A maioria é isenta de Ni.
• Os aços inox ferríticos apresentam Fe emqualquer temperatura, não sendo temperáveis.Contudo, podem apresentar endurecimento porencruamento (deformação a frio).
Aços Inoxidáveis
584
Aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos
• Já os aços inox martensíticos apresentam Fe(abaixo da temperatura de transformação) e Fe(acima), sendo temperáveis. Sua dureza e limite deruptura são elevados. Aços de estrutura mista,ferrítico-martensítica, são capazes de têmperaparcial.
Aços Inoxidáveis
585
• Como a resistência à fluência destes aços é inferioraos aços inox austeníticos, as temperaturas limitesde utilização para vasos de pressão também sãoinferiores:
• Para o aço ferrítico inox 405: 540ºC conforme oCódigo ASME, sendo a resistência mecânicaaceitável até 480ºC.
Aços Inoxidáveis
586
• O comportamento destes aços a baixa temperaturasão similares aos do aço carbono.
• Seu coeficiente de dilatação é muito próximo ao doaço carbono, prestando para isto pararevestimentos anticorrosivos de vasos de pressão.
• A soldabilidade destes aços é relativamente difícil,devido à degradação de suas propriedades pelocrescimento elevado do grão.
Aços Inoxidáveis
587
• Estes aços estão sujeitos ao fenômeno defragilização nos 475°C (ou 885°F), principalmenteaqueles com mais de 15%Cr.
• Os aços com mais de 17%Cr também são sujeitos aformação de fase sigma, quando aquecidos na faixade 560°C e 900°C. A formação de fase sigma é bemmais rápida nos aços inox ferríticos que nos açosinox austeníticos.
• Estes aços também estão sujeitos a sensitização,apenas em temperaturas muito superiores (cercade 925°C), sendo por isto incomum este fenômeno.
Aços Inoxidáveis
588
Aços ferríticos e martensíticos – corrosão em geral
• De maneira geral, apresentam resistência àcorrosão inferior aos aços inox austeníticos.
• Também estão sujeitos à corrosão por pites napresença de Halogênios, sendo este tipo de ataquemenos intenso e menos freqüente que nos açosinox austeníticos.
• Os aços martensíticos estão sujeitos à fragilizaçãona presença de Hidrogênio, sendo seu uso evitadoem meios ricos em H2S ou H2.
Aços Inoxidáveis
589
Aços Inoxidáveis
590
• Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
• Alguns aços inoxidáveis utilizáveis
Aços Inoxidáveis
591
Capítulo 15
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
592
• Recomendações para trocadores de calor
–Nos trocadores de calor existem componentes em contato com os dois fluidos.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
593
• Por exemplo, os tubos de troca térmica. Assim,estes tubos devem ser resistentes aos dois fluidos.Não adicionamos nenhuma espessura adicionalpara compensarmos a corrosão.
• Da mesma forma, os espelhos devem ser dematerial compatível com ambos os fluidos, mascom uma sobreespessura para corrosão, ourevestimento anti-corrosivo do lado dos tubos.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
594
• Os demais componentes, sujeitos ao ataque deapenas um dos fluidos devem ser escolhidosapropriadamente.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
595
• Serviço com água doce
–A água doce, ou água de resfriamento, é um fluido tratado e portanto pouco corrosivo. Contudo, em temperaturas superiores a 60ºC, na condição aerada, apresenta liberação de Oxigênio e, portanto, é corrosiva.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
596
–Para trocadores de calor, na condição normal, selecionamos aço carbono. Na condição de temperatura superior a 60ºC, selecionamos latão para os tubos de troca térmica e bronze para os espelhos.
–Cuidado especial deve ser tomado no caso de depósitos, portanto a “dureza” da água (teor de carbonatos) deve ser analisada.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
597
• Serviço com Hidrocarbonetos
–A seleção de material para serviço comhidrocarbonetos é função dos contaminantespresentes no fluxo, tais como sais (cloretos, deamônio,etc), compostos sulfurosos e H2S.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
598
• Serviços em temperaturas elevadas
–A seleção de matérias é feita em função:
• Resistência à fluência
• Oxidação
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
599
• Serviços em baixas temperaturas
–Distinção entre:
• temperaturas até -45ºC: baixa temperatura;
• temperaturas inferiores a -45ºC : serviço criogênico.
–A norma ASME, de forma a evitar o risco defratura frágil, indica para serviços com baixatemperatura a seleção através do uso da fig.UCS-66 (slide 31).
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
600
–Para serviços criogênicos, a seleção recairia entreaço inox austenítico e ligas de Ni, em função decusto de aquisição, fabricação e manutenção.
Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Típicos
601
Capítulo 16
Corrosão
602
Generalidades sobre corrosão
• Corrosão é definida como o conjunto de fenômenos de deterioração progressiva dos materiais, em conseqüência de reações químicas ou eletroquímicas entre o material e o meio ambiente.
Corrosão
603
Corrosão metálica: eletroquímica e química
• A corrosão eletroquímica é devida a ocorrência de reações que envolvem o transporte de correntes elétricas através de um eletrólito, ocorrendo necessariamente em meios úmidos.
• Já o ataque químico é devido a reações químicas diretas do material com o meio corrosivo, por exemplo, o ataque de gases a alta temperatura.
Corrosão
604
• Exemplo clássico de célula eletroquímica:
Zn(s) + CuSO4 (aq)
gerando
Cu(s) + ZnSO4 (aq)
Corrosão
605
Causas da corrosão eletroquímica
• Para que as reações eletroquímicas ocorram é necessário um circuito elétrico completo:
– anodo;
– cátodo;
–eletrólito;
– contato metálico (elétrico).
• Obviamente, a existência do anodo e do catodo implica na diferença de potencial entre estes dois metais.
Corrosão
606
Corrosão
Esquema de pilha de eletrodos diferentes
Resultado da Experiência, após cerca de 10 dias: formação de Fe2O3H2O devido a corrosão do ferro (anodo)
607
Corrosão
Esquema da proteção catódica com anodos galvânicos ou de sacrifício
Resultado da Experiência, após cerca de 7 dias: comparação entre ferro ligado a cobre e ferro ligado a zinco. No último caso, o ferro está catodicamente protegido pelo zinco; o precipitado branco entre o zinco e o ferro é o produto de corrosão do zinco Zn(OH)2
608
Corrosão
Esquema da pilha de aeração diferencial
Resultado da Experiência, após cerca de 30 minutos: área central menos aerada (área anódica, coloração azulada) e área externa mais aerada (área catódica, coloração avermelhada)
609
• A diferença de potencial entre o anodo e o cátodo pode originar-se de numerosas causas:
– contato entre metais diferentes ou com potenciais diferentes;
– diferença de aeração (ou concentração de produto) – corrosão por fresta;
– diferença no estado de tensões, ou tratamento térmico;
–defeitos nos revestimentos protetores (ou camada passivada), etc.
Corrosão
610
• As causas acima citadas podem ser chamadas de“pilhas de ação local”, pela diferença localizadaentre o mesmo componente, ou chamadas “pilhasativo-passivo” quando elementos diferentes estãoatuando (no caso de metais diferentes). (verCorrosão – Vicente Gentil)
Corrosão
611
Formas de corrosão eletroquímica• Uniforme• Localizada:
–Macroscópica:• Por pites• Galvânica• Seletiva• Por frestas• Corrosão-erosão• Bacteriana
Corrosão
–Microscópica:• Sob tensão• Intergranular• Incisiva
612
Corrosão
Peça não corroída Corrosão uniforme Corrosão por pites
Corrosão galvânica Corrosão por frestas Corrosão-erosão
Metal anódico
Metal catódico
Cavidade confinada
Jato de fluido corrosivo
Corrosão seletiva Corrosão sob tensão Corrosão intergranular
Estrutura esponjosa
Trincas ramificadas microscópicas
Tensão trativa
Grãos destacados
613
Corrosão uniforme e corrosão por pites
• a) corrosão uniforme– Manifesta-se aproximadamente igual em toda a
superfície. Pode ser medida e portanto, prevista.
• b) corrosão por pites:– Consiste na formação de pequenas cavidades de
pequeno diâmetro e maior profundidade na peçametálica. Distribuição irregular, de difícil estimativa. Acorrosão por pites é característica dos materiaispassiváveis, mas não exclusiva destes.
Corrosão
614
Corrosão sob tensão
• É uma forma de corrosão (trincamento) provocadapela existência de tensões de valor elevado emregiões da peça e na presença de determinadomeio corrosivo. Desta forma, necessitamos:
–material suscetível;
–meio corrosivo;
– tensões de tração elevadas (fração alta doescoamento – p. ex., os ensaios são realizadosem 80% Sy).
Corrosão
615
• Foto de trinca por corrosão sob tensão e dispositivo normalizado para ensaio NACE TM-0177
www.caltechindia.com
www.corrosion-doctors.org
Corrosão
616
Outras formas de corrosão
• a) Corrosão Galvânica
–Característica da existência de uma pilha emcontato metálico imersos em um eletrólito.
Corrosão
617
Outras formas de corrosão
• b) Corrosão Seletiva
–Quando apenas um dos elementos de uma liga écorroído. Essa forma de corrosão ocorre emalgumas ligas com grande diferença de potencialentre os dois elementos constituintes da liga.Exemplo, latões com mais de 20% de Zinco, emcontato com água salgada e com ácidos, sofre umprocesso de dezincificação.
Corrosão
618
Outras formas de corrosão
• c) Corrosão por Frestas (Crevice Corrosion)– Provocada pela concentração diferencial do meio
corrosivo, devido à estagnação ou aeração diferencial,criando um potencial diferente entre as diferentesregiões do metal.
Corrosão
619
Corrosão por frestas
Corrosão
620
• d) Corrosão Intergranular
–Devida a formação de trincas microscópicas aolongo do contorno dos grãos, não havendoalteração na espessura da peça.
–Ocorre principalmente, nos aços inoxidáveis, emalguns meios corrosivos, principalmente ácidos,quando a periferia do grão fica com menorquantidade de Cromo (Cr) livre que o interior dogrão (sensitização), tornando-se anódica emrelação a este.
Corrosão
621
• Trincas intergranulares em liga de Alumínio contendo Cobre
Corrosão
622
• e) Corrosão Incisiva
– Também conhecida como “knife-edge corrosion”(ou “knife-line”) é uma variante da corrosãointergranular que ocorre em aços inoxidáveisestabilizados (adição de Nb ou Ti). Apresenta-seao longo das soldas, numa faixa muito estreita(fio de faca). É provocada pela formação decarbetos de Cr, na Zona Termicamente Afetada(ZTA).
Corrosão
623
• f) Corrosão-Erosão
–Provocada pela ação conjunta da erosão(velocidade alta) com corrosão. A erosão podeprovocar a remoção do filme passivado,provocando a corrosão, ou a corrosão podeprovocar o enfraquecimento do metal sujeito aação da velocidade do fluido.
Corrosão
624
• Foto de Canadian Cooper and Brass Development Association
Corrosão
625
• g) Corrosão Bacteriológica
–Devida à ação de bactérias que podem aderir àsuperfície metálica e liberar ácidos orgânicosque atacam o metal, ou mesmo provocarcorrosão por fresta (aeração diferencial). Muitocomum em águas pouco tratadas ou sistemas deresfriamento utilizando água do mar.
Corrosão
626
Corrosão por vida marinha em duto submarino
Corrosão
627
Corrosão por gases em temperatura elevada
• Várias reações entre os gases e os metais podem ser enumeradas: oxidação, sulfetação, carbonetação, etc.
• Geralmente, assume a forma de corrosão generalizada uniforme, portanto, é previsível.
Corrosão
628
Fatores que influenciam a corrosão
– características do fluido em contato
– concentração, pH, presença de impurezas ousólidos em suspensão, oxidação (caráter oxidanteou redutor), pressão;
– temperatura
–umidade
– velocidade
–esforços cíclicos
– tensões mecânicas
Corrosão
629
Fatores que influenciam a corrosão
– condições da superfície metálica (corrosão porpites)
– interface entre líquido e gás (dentro do vaso) esolo-atmosfera
– corrosão atmosférica.
Corrosão
630
Controle da corrosão
• Podemos adotar dois caminhos no controle do processo corrosivo:
– eliminar a causa;
– tolerar a existência da corrosão, adotando-se maiores espessuras para a corrosão.
Corrosão
631
Meios de controle da corrosão
• Adotaremos três linhas de ações, que poderão ser adotadas isolada ou simultaneamente:
– projeto contra a corrosão;
– providências relativas quanto à fabricação;
– providências relativas à operação do equipamento.
Corrosão
632
Projeto contra a corrosão
• Emprego de materiais mais resistentes;
• Revestimentos protetores;
• Proteção catódica.
Corrosão
633
• Providências quanto à fabricação
– Tratamentos térmicos;
– Indução de tensões compressivas (martelamento);
– Soldagem;
– Acabamento superficial.
Corrosão
634
• Providências quanto à operação do equipamento
– Modificações no meio corrosivo, tais como inibidores de corrosão, tratamento no meio corrosivo (desaeração, bactericidas, etc)
– Controle da temperatura
– Controle dos fluidos de processo
Corrosão
635
Corrosão
Detalhe Não Permitido Detalhe Permitido
Detalhes de projeto
VazioSoldas de Penetração parcial
Soldas de Penetração total
Solda descontínua Solda contínua
636
Detalhes de projeto
Corrosão
Detalhe Não Permitido Detalhe Permitido
Estrangulamento de seção
Impacto contra a parede Defletor
Dreno sem projeção internaArrendondamento
Fundo com declividade
Aba voltada para baixo
Dreno com projeção interna
Líquido acumulado
Aba voltada para cima
637
Detalhes de projeto
Corrosão
Detalhe Não Permitido Detalhe PermitidoMetais diferentes Metais diferentes
Bucha isolante
Arruela isolante
Solda dissimilar fora da parede de pressão
Anel da saia do mesmo material do equipamento
Metais diferentes
Saia de suportação
Parede de pressão do equipamentoSolda
dissimilar
638
Margem para corrosão
• No caso de corrosão uniforme (e previsível), podemos adotar uma espessura superior aquela necessária para resistir à pressão, de tal forma que esta espessura excedente venha a ser consumida durante a vida útil do equipamento.
Corrosão
639
Recursos para controlas as diversas formas de corrosão
• corrosão uniforme: seleção de materiais mais nobres para os casos mais severos;
• corrosão por pites: seleção de materiais, detalhes de projeto, tais como acabamento superficial;
• corrosão sob tensão: tratamento térmico de alívio de tensão;
• corrosão seletiva: seleção de materiais;
Corrosão
640
Recursos para controlas as diversas formas de corrosão
• corrosão galvânica: evitar materiais com potencial diferentes na presença de um eletrólito forte;
• corrosão por frestas: detalhes de projeto;
• corrosão intergranular: seleção de materiais;
• corrosão-erosão: detalhes de projeto.
Corrosão
641
Capítulo 17
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
642
Introdução
• Os vasos de pressão são fabricados, normalmente,em parede única (single wall), mas há algunsexemplos de vasos fabricados em paredes múltiplas(multi-wall), havendo inclusive, um capítuloespecífico sobre este processo, no Código ASME.
• A diferença entre estes processos pode serexplicada pelo avanço nas aciarias em fabricar açosde grande espessura com controle de composiçãoquímica mais apurada.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
643
Introdução
• Da mesma forma, os processos de soldagemevoluíram acentuadamente: eletrodo submerso,arco-submerso, eletro-escória, etc foram sendodesenvolvidos e compreendidos.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
644
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
645
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
646
• Os efeitos do tratamento térmico, pré-aquecimento, chanfros, etc, levaram adesenvolvimento de procedimentos de soldagemque permitiram soldagens de grandes espessuras(250 mm) com aporte térmico relativamentepequeno, por exemplo, o processo Ultra NarrowGap, com chanfros de 4°.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
647
• Narrow Gap MIG Welding (foto de Babcock-Hitachi Co)
www.bhk.co.jp
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
648
• Processos de conformação mecânica, como ringforging, ou hollow ingot, permitiram a obtenção deforjados de grandes dimensões (até 6m) dediâmetro que permitiram a fabricação de vasos degrande espessura para uso em serviços severos,evitando-se soldas longitudinais (mais solicitadas).
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
649
• Anéis forjados de grande diâmetro
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
650(Foto Nuovo Pignone)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
651
Etapas da fabricação
• De maneira geral, a fabricação e montagem de umvaso de pressão inclui as etapas a seguir:
– Levantamento da matéria-prima necessária,inclusive consumíveis de soldagem;
– Encomenda ou requisição da matéria-prima,através de especificações de compra;
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
652
Etapas da fabricação
–Recepção e identificação da matéria-prima,verificação dos certificados de qualidade, emconformidade com as especificações de compra,inspeção dimensional, existência de reparos emarcação codificada da matéria-prima,identificação do material (por exemplo, flangeØ24”, 150 #, A-105, lote n° 00CXX);
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
653
– Estocagem da matéria-prima, inclusive dosconsumíveis de soldagem em estufas, apóssecagem;
– Traçagem sobre as chapas, identificando aposição dos bocais e verificando existência deinterferências entre as soldas;
– Corte das chapas e preparação dos chanfros;
– Conformação das chapas e verificaçãodimensional para checar circularidade edesalinhamentos;
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
654
– Seleção dos procedimentos de soldagem jáqualificados, bem como dos procedimentos dereparo;
– Seleção dos soldadores qualificados;
– Seleção dos inspetores de Ensaios NãoDestrutivos (END);
– Preparação do Mapa de Soldagem, bem comodo Plano de Inspeção;
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
655
– Preparação para a soldagem, estudo daseqüência, montagem dos dispositivosauxiliares;
– Usinagem das faces dos bocais, preparação daspeças a serem soldadas (suportes internos,reforços, selas), etc;
– Soldagem das chapas em anéis completos e dostampos;
– Soldagem dos bocais, reforços, suportes eoutros acessórios;
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
656
– Inspeção dimensional;
– Inspeção por END;
– Reparos das soldas não aprovadas;
– Re-inspeção por END;
– Tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT);
– Limpeza interna e externa;
– Teste hidrostático;
– Inspeção dimensional final;
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
657
– Preparação para pintura (jateamento) ou revestimento interno (se for aplicável);
– Inspeção final e condicionamento paraembarque (atmosfera inerte, no caso de vasoscladeados com inox austenítico e sujeitos aviagens marítimas);
– Transporte.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
658
Conformação
• A conformação das chapas, perfis, forjados e outroscomponentes compreende a calandragem,prensagem, rebordeamento, dobramento,estampagem e curvamento para a fabricação deanéis cilíndricos, tampos de qualquer perfil, bemcomo peças internas ou externas, soldadas aocostado.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
659
Conformação
• A calandragem para a conformação dos anéiscilíndricos ou cônicos é feita a partir das chapas emcalandras de três rolos (ver figura), onde os rolosinferiores são os motrizes e o superior é livre.Deslocando-se os rolos na horizontal e na vertical,ajusta-se a máquina para a etapa de conformação,em função da espessura e do diâmetro desejado.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
660
Processo de calandragem e Calandra
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
661
• O Código ASME (Seção VIII, Divisão 1, parágrafo UG-80) define alguns desvios aceitáveis em relação aodimensional do vaso de pressão.
• A maior diferença entre os diâmetros mínimo emáximo (ou falta de circularidade) aceitável é de0,01D (1% do diâmetro).
• Reproduzimos a seguir a figura UW-80.2, ondeestão representados estes valores
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
662
Figura UCS-80.2: Falta de circularidade
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
663
• Da mesma maneira que o casco cilíndrico, o Códigodefine no parágrafo UG-81 as tolerâncias máximasadmissíveis para os tampos: 0,0125 D (1,25% dodiâmetro).
• Da mesma forma, a Divisão 2 também apresentaalguns limites aceitáveis. (ver ASME, Seção VIII,Divisão 2, item 4.3.2)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
664
e 0,0125 DiDi
GABARITO PARA MEDIR PELO LADO INTERNO
e < 0,00625 De
De
GABARITO PARA MEDIR PELO LADO EXTERNO
OBS. Di = diâmetro interno.De = diâmetro externo.e = folga medida.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
665
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
666
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
667
Soldagem
• A soldagem do costado não envolve apenas a soldadas chapas propriamente dita.
• Antes da realização da primeira solda, oprocedimento de soldagem deverá ser devidamentequalificado.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
668
Soldagem
• Devidamente qualificado por instituiçãorepresentativa, um técnico de soldagem iráselecionar os procedimentos cabíveis, bem comoespecificar o processo de soldagem mais adequadopara a fabricação do equipamento.
• No caso do Brasil, a instituição certificadora é aFBTS (Fundação Brasileira de Tecnologia deSoldagem).
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
669
• O planejamento antecipado das operações desoldagem deve ser previamente discutido eaprovado para a realização das etapas de soldagem,de maneira a minimizar operações dispendiosas dereparo, além de provocar atraso na fabricação.
• A correta seleção do consumível, sua secagem, bemcomo sua conservação em estufa, a manutenção desuas propriedades durante a fabricação (corpos deprova de fabricação) são garantias do Sistema deGarantia da Qualidade do fabricante.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
670
• Garantindo as boas práticas de fabricação e aobtenção de resultados satisfatórios ao final doprocesso, minimizamos os reparos posteriores.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
671
• O Código ASME, Seção IX, define as variáveisessenciais de soldagem para cada processo (SAW,SMAW,TIG) durante o processo de execução.
• Estas variáveis devem ser mantidas conforme oprocedimento qualificado, sob pena dedescaracterizar o procedimento.
• Como exemplo de variáveis essenciais, temos:
– O P-Number;
– O aporte térmico;
– A exigência de tratamento térmico.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
672
• Algumas variáveis no processo de soldagem (porexemplo, a duração ou a temperatura dotratamento térmico (TTAT)) são variáveis essenciaissuplementares, cuja modificação afetará atenacidade da solda.
• Se o usuário definir na sua Especificação de Compraque o equipamento deverá apresentar garantia detenacidade, então estas variáveis deverão serobedecidas durante a execução do processo defabricação.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
673
• As soldas devem ser conduzidas o maissimetricamente possível em relação ao eixo neutrodo vaso, para reduzir as distorções decorrentes doresfriamento da solda.
• A soldagem em passes sucessivos, para grandesespessuras apresenta vantagens interessantes, jáque o depósito seguinte, promove o revenimentodo passe anterior, devido à superposição dos ciclostérmicos dos diversos passes.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
674
• De maneira a minimizar o trincamento das soldasseja devido a:
– transformações metalúrgicas na ZonaTermicamente Afetada (ZTA), ou
–pela presença de Hidrogênio durante a deposiçãodo metal fundido,
• Costuma-se promover o pré-aquecimento e/ ou opós-aquecimento das partes a soldar, procurandodesta maneira, suavizar as curvas de resfriamentodo metal.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
675
Pré-aquecimento das soldas(COMETARSA – Argentina)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
676
• Na prática de fabricação, as técnicas de soldagemautomática (arco submerso (SAW)) de grandeprodução são preferidas para a fabricação dos anéiscilíndricos, enquanto são selecionados os processosmanuais (eletrodo revestido (SMAW)) para asoldagem de bocais e/ ou acessórios, pois sãosoldas de pequena extensão.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
677
Arco submerso (Submerged arc welding - SAW)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
678
Diagrama esquemático do dispositivo de soldagem por arco submerso
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
679
• Por exemplo, a soldagem dos tubos no espelho deum trocador de calor pode ser realizada porprocesso automático (Tungstênio com gás inerte(TIG)) já que o processo é repetitivo, eliminando-seassim, quaisquer diferenças decorrentes do cansaçodo operador, durante o processo manual.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
680
Solda TIG orbital dos tubos no espelho de trocador de calor
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
681
Exames Não Destrutivos
• Todas as soldas, depois de completadas, devem serinspecionadas para verificar a existência depossíveis defeitos através de Ensaios NãoDestrutivos (END).
• A realização dos ensaios deve ser após decorridas48 horas após a soldagem, para permitir que trincasdevidas à fragilização pelo Hidrogênio possam vir aser nucleadas e detectadas pelo métodos de ensaio.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
682
Exames Não Destrutivos
• São os seguintes os métodos usuais de inspeção:
–Visual;
– Líquido penetrante (dye penetrant test)(PT);
–Partícula magnética (magnetic particles)(PM);
– Inspeção por ultra-som (UT);
– Inspeção radiográfica (RX).
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
683
Exames Não Destrutivos
• Quaisquer que sejam os métodos de inspeçãoadotados, é sempre exigido que seja feita aqualificação do procedimento de exame, bem comoa qualificação dos operadores e inspetores porentidade reconhecida.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
684
Exames Não Destrutivos
• No caso do Brasil, a certificação dos inspetores deEND fica a cargo da ABENDE (Associação Brasileirade Ensaios Não Destrutivos).
• Esta qualificação tem a finalidade de assegurar aadequação do método de ensaio para o tipo desolda a inspecionar, bem como a capacitaçãoprofissional dos inspetores e operadores do ensaio.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
685
Exames Não Destrutivos
• Por exemplo, soldas em chapas de espessura fina(t < 9,5 mm) não apresentam bom resultado emexame por ultra-som, devido à existência de ruídodevido ao acoplamento.
• Desta forma, defeitos sub-superficiais também sãode difícil detecção no ultra-som.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
686
Exames Não Destrutivos
• A Seção V do Código ASME descreve osprocedimentos para vários processos de END emvasos de pressão e contém exigências,recomendações e detalhes específicos dessesexames.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
687
Inspeção visual
• É sempre exigida e deve ser feita obrigatoriamenteem todas as soldas.
• Essa inspeção é capaz de descobrir os defeitossuperficiais (trincas, mordeduras, etc).
• O inspetor também deve ser qualificadopreviamente.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
688
Inspeção com Liquido Penetrante
• Utilizada para detecção de defeitos superficiais,recomendada como método auxiliar em soldas deresponsabilidade.
• Devido ao seu baixo custo e facilidade de execução,a inspeção com (LP) é muito usada para o exameentre passes de cada camada de solda, emparticular para o passe de raiz.
• É obrigatoriamente feita em soldas de açoinoxidável austenítico, devido a característica nãomagnética deste aço.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
689
Inspeção por líquido penetrante em espelho de trocador de calor
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
690
Inspeção com Partícula Magnética
• Apresenta maior sensibilidade a defeitossuperficiais do que a (LP) e detecta defeitossub-superficiais que seriam impossíveis deidentificar pelo (LP).
• Não é recomendada para aços inoxidáveisausteníticos, pois são não-magnéticos.
• Exige razoável grau de conhecimento do operadorpara gerar o campo magnético de forma aidentificar a descontinuidade.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
691
Inspeção com Partícula Magnética
• O uso de eletrodos para posições de difícil acessoexige certo grau de habilidade do operador paraevitar abrir o arco elétrico e danificar a superfíciedo costado.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
692
Exame por partícula magnética com o uso de yoke
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
693
• O Código ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007passou a ser mais exigente em relação ao materialrecebido.
• Por exemplo, forjados que tenham sido usinadosdevem ter as superfícies acessíveis inspecionadospor Partículas Magnéticas, conforme ASTM A-275.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
694
Transcrição do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
695
Inspeção por Ultra-som
• O ultra-som é um processo extremamente sensível,aplicando-se muito bem a espessuras maiores e degeometria mais elaborada.
• Até há pouco tempo, o Code Case n° 2235 permitiao seu uso em substituição à radiografia paraespessuras superiores a 100 mm (4”).
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
696
Inspeção por Ultra-som
• Mais recentemente, o mesmo documento permitiusua utilização para espessuras superiores a12.7 mm (1/2”), ressalvando-se a exigência danecessidade de método automático e registrável,exigindo cabeçotes em tandem, fazendo-se avarredura tanto com cabeçotes retos quantoangulares.
• A interpretação do ensaio ultrassônico é mais difícildo que a radiografia.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
697
Time Of Flight Diffraction (TOFD)• O resultado da aceitação do Code Case 2235 é que,
a partir de agora, técnicas de inspeção por ultra-som, tais como o TOFD, podem ser utilizadas comosubstituição à radiografia.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
698
• Em contrapartida, as chapas utilizadas passaram aser mais inspecionadas no recebimento.
• Ensaios de recebimento de material passaram a sermais rigorosos.
• O Código ASME Seção VIII, Div. 2 passou a exigir queas chapas com espessura superior a 50 mm sejamexaminadas por ultra-som, conforme SA-578, nívelB (descontinuidades circunscritas em um círculocom diâmetro inferior a 76 mm).
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
699
Transcrição do ASME, Seção VIII, Div. 2
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
700
Radiografia ou Gamagrafia
• É o processo mais usual de ensaio.
• Embora as soldas não radiografadas sejampermitidas em alguns casos pela Divisão 1, é práticausual a exigência de radiografia parcial (spot) dassoldas de vasos de pressão.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
701
• Para a Divisão 2, o critério é um pouco diferente.
• Em função do “Examination Group”, é determinadaa extensão exigida de ensaio e qual a eficiência dejunta a adotar.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
702
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
• Exame da junta soldada
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
703
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
704
• Após a fabricação, o vaso será inspecionado para recebimento. Os END utilizados deverão seguir os critérios adotados nos parágrafos correspondentes.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
705
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
706
Critério de aceitação de defeito encontrado no RX
Extraído do ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição 2007
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
707
• Exemplos de indicações aceitáveis no exameradiográfico (ASME, Seção VIII, Divisão 2, edição2007)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
708
• Quando especificada radiografia total, deve-se ter ocuidado de indicar juntas soldadas facilmenteradiografáveis.
• Para espessuras superiores a 70 mm a radiografia épossível, mas extremamente onerosa, pois o uso defontes especiais de radiação (gamagrafia) aumentaimensamente as dificuldades de realização doensaio.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
709
• O uso de aceleradores lineares tem sido maisfreqüente para espessuras elevadas, permitindoobtenção de registros de elevada qualidade.
• Contudo, a necessidade de bunkers de concretopara proteção da elevada radiação restringe seu usoa poucos fabricantes especializados.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
710
• Radiografia com acelerador linear
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
711
• O exame radiográfico é capaz de identificar defeitosinternos nas soldas, tais como trincas, porosidades,etc.
• O critério de aceitação no exame radiográfico éindicado no Código, nos apêndices 4 (Divisão 1) e 8(Divisão 2).
• Uma das grandes vantagens da radiografia é aexistência de registros, ou seja, filmes radiográficosque são documentos permanentes de consulta.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
712
•Radiografia digital
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
713
• O uso de radiografia digital ainda não estátotalmente desenvolvido e descrito em Códigos deProjeto.
• Por este motivo, só tem sido utilizado em examesradiográficos durante a operação do equipamento,não sendo ainda aceito para fins de projeto.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
714
Tratamento Térmico
• O Tratamento Térmico de Alívio de Tensões (TTAT)consiste no aquecimento do equipamento até umatemperatura acima da temperatura derecristalização (temperatura de encharcamento –soaking temperature), mantendo-se durante umdeterminado intervalo de tempo de maneira agarantir o relaxamento e redistribuição das tensõesdecorrentes da soldagem, pela plastificaçãoresultante da redução do limite de escoamento.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
715
• Tratamentos térmicos
• De maneira geral os métodos térmicos de alívio de tensões residuais podem ser divididos em: – Tratamentos realizados no interior de fornos (toda a
peça ou a peça em partes);
– Tratamentos utilizando um aquecimento interno à estrutura e tratamentos localizados.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
716
• a) Tratamento térmicos no interior de fornos.
• Este é o procedimento preferível e deverá ser utilizado sempre que possível; durante a realização do tratamento térmico deverão ser controladas principalmente as seguintes variáveis:
– Taxa de aquecimento.
– Temperatura de tratamento.
– Tempo de permanência na temperatura de tratamento.
– Taxa de resfriamento.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
717
• a) Tratamento térmicos no interior de fornos.
• Um aspecto que deverá merecer atenção será o suporte da própria estrutura no interior do forno; em certas situações, principalmente no caso de vasos de paredes finas, grande diâmetro e formas mais complexas, será inevitável a utilização de suportes e reforços provisórios durante o tratamento.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
718
Forno para tratamento térmico (foto Nuovo Pignone)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
719
Tratamento térmico de tampo torisférico
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
720
• b) Tratamentos térmicos por aquecimento interno
• Neste caso a estrutura soldada será ela própria o forno. As esferas de armazenamento de GLP são tradicionalmente tratadas dessa maneira, conforme figura a seguir.
• Neste caso, a expansão radial durante o tratamento térmico será facilitada pela utilização de roletes ou chapas deslizantes sob as colunas de sustentação.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
721
1 – Queimador principal;2 – Abafador (“damper”) com regulagem na boca de visita superior;3 – Queimador piloto;4 – Painel de comando;5 – Alimentação do gás propano para o queimador piloto;6 – Compressor de ar;7 – Reservatório de ar;8 – Alimentação de ar;9 – Alimentação de óleo diesel
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
722
Tratamento térmico de esferas (on-site)
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
723
• c) Tratamentos Térmicos Localizados• Em diversas situações não é possível, por motivos
construtivos ou técnicos, o tratamento térmico de alívio de tensões da estrutura completa no interior de um forno, como nos seguintes casos:– Estrutura de grandes dimensões, incompatíveis com as
dimensões dos fornos disponíveis. – Vaso fabricados em seções, cada seção tratada
térmicamente com soldas de fechamento na obra.– Reparos por solda, para os quais o código exige
tratamento térmico de alívio de tensões, realizados durante a montagem de estruturas já tratadas térmicamente.
Fabricação, Montagem e Controle de Qualidade
724
• c) Tratamentos Térmicos Localizados
• Soldas de manutenção, quando em situação análoga a anterior.
• O tratamento localizado é normalmente realizado por meio de aquecimento por resistência elétrica.
• Adotamos para o tratamento térmico localizado a temperatura de tratamento e o tempo de permanência normalmente recomendados para um tratamento térmico de alívio de tensões no interior de fornos.
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• c) Tratamentos Térmicos Localizados
• O tratamento térmico localizado produzirá deformações plásticas na estrutura tratada: o gradiente térmico durante o aquecimento localizado devera ser cuidadosamente controlado para evitar a introdução na estrutura soldada, de um estado de tensões residuais mais perigoso do que o existente anteriormente ao tratamento.
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• Conforme Subseção UCS do código ASME Seç.VIII –Div.1, os requisitos específicos de material para realização do tratamento térmico de alívio de tensões são definidos (UCS-56).
• A necessidade de tratamento térmico é definida em função da espessura nominal considerada e do tipo de material do vaso (P-Number). As temperaturas e tempos de tratamento estão contidas nas Tabelas UCS-56 e UCS-56.1.
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• Quando materiais com P-Number diferentes forem soldados, o tratamento térmico será feito de acordo com os requisitos
para o material que necessitar de maior temperatura de
tratamento.
• O ciclo térmico do tratamento, conforme o parágrafo UCS-
56, item (d) está esquematizado na Figura a seguir.
Abaixo de 800oF não há limites para as taxas de aquecimento e resfriamento
Temperatura e Tempo de permanência definidos na tabela UCS-56
Taxa de AquecimentoT < 400 oF/h inT < 400 oF/h
Taxa de ResfriamentoT < 500 oF/h inT < 500 oF/h
Tempo
Abaixo de 800oF não há limites para as taxas de aquecimento e resfriamento
Temperatura e Tempo de permanência definidos na tabela UCS-56
Taxa de AquecimentoT < 400 oF/h inT < 400 oF/h
Taxa de ResfriamentoT < 500 oF/h inT < 500 oF/h
Tempo
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• A duração do TTAT, bem como a temperatura deencharcamento, é uma variável essencialsuplementar, portanto, afetará a tenacidade finaldo aço.
• Por isto, alguns aços sujeitos a serviços quedemandam garantia de tenacidade, devem serqualificados para sucessivos TTAT, previstos durantea fabricação.
• Esta qualificação deve garantir as propriedadesmecânicas ao final da fabricação ou da vida útil, nocaso de reparos ao longo da vida do equipamento.
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• A tabela UCS 56.1 admite que a temperatura deTTAT possa ser inferior à mínima temperaturarecomendada na tabela UCS 56, desde quecompensado por um aumento no tempo depatamar.
• Desta forma, a diminuição na temperatura podefavorecer algumas situações como o TTAT de vasosde pressão verticais já montados no campo e quepoderiam sofrer algum tipo de deformação devidoao peso próprio.
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• Contudo, cuidado especial é necessário, pois paraalguns aços (por exemplo, o aço 1¼ Cr ½Mo (P-No.4)) a tabela UCS 56.1 não pode ser utilizada, devidoà transformações metalúrgicas (precipitação decarbonetos) ocorridas em temperaturas inferiores àadmitida pela tabela UCS 56.
• Da mesma forma, apenas os aços carbono (P-No. 1)admitem redução superior à 83°C (150°F) comoindicado nas notas da tabela UCS 56.1.
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• Ou, em outras palavras, a utilização da redução natemperatura de patamar do TTAT deve sercriteriosamente estudada, de maneira a evitar-sedanos no equipamento.
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• - Conformação de cascos e tampos (UCS-79)
• Partes conformadas de vasos de pressão, em aço carbono ou aço liga, que tenham um alongamento máximo da fibra externa superior a 5% deverão sofrer alívio de tensões antes de operações subseqüentes.
• Para materiais de P-Number 1 e Group Number 1 e 2, o alongamento máximo da fibra extrema pode chegar a 40%, se nenhuma das condições de (1) a (5), listadas abaixo, ocorre:
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– 1 - O vaso contém substâncias letais;
– 2 - A espessura, antes da operação de conformação, e superior a 5/8”;
– 3 - O material requer teste de impacto;
– 4 - A redução de espessura, na conformação a frio, a partir da condição de como laminado, excede 10%.
– 5 - A temperatura do material durante a conformação está entre 250oF (121oC) e 900oF (482oC)
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• - Conformação de cascos e tampos (UCS-79)
• O alongamento máximo da fibra extrema pode ser determinado pelas seguintes fórmulas:
• Para seções com dupla curvatura:
• % = (75.t/Rf).(1 – Rf / Ro)
• Para seções com curvatura simples:
• % = (50.t/Rf).(1 – Rf / Ro)
• t - espessura da chapa
• Rf - raio final de curvatura
• Ro - raio inicial de curvatura (Ro = , chapa plana)
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Capítulo 18
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• Em 1977 foi assinada a Lei n 6514, alterando o capítulo V do Título II da Consolidação das Leis do Trabalho, relativa à segurança e medicina do trabalho. Essa lei contem seções com vários assuntos, sendo que a Seção XII trata de Caldeiras, Fornos e Recipientes Sob Pressão.
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• Em 1978 o Ministério do Trabalho aprovou as Normas Regulamentadoras (NR), previstas na Lei 6514, visando detalhar as disposições daquela lei. Dentre as 28 Normas Regulamentadoras somente as NR-13 - VASOS DE PRESSÃO e NR-14 - FORNOS tratavam diretamente dos equipamentos industriais. Apesar do título, a NR-13 tratava apenas de caldeiras e era simplesmente uma cópia da antiga portaria n20, com todos os seus problemas.
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• Em 1983 o Ministério do Trabalho resolveu estender a NR-13 a outros vasos de pressão, como: compressores, tanques de ar comprimido, vasos de ar comprimido, reservatórios em geral de ar comprimido e outros com auto-claves, que são tão perigosos quanto as caldeiras.
• Em 1984 e 1985 a NR-13 sofreu algumas alterações, continuando com vários problemas que praticamente inviabilizavam a sua utilização.
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• Em 1995 a NR-13 sofreu novas alterações, agora com a participação de técnicos de algumas industrias e foi totalmente modificada, sendo introduzida nesta, conceitos existente em Normas Européia. A atual NR-13 classifica os vasos de pressão em função dos dados de projeto e estabelece entre outros itens a freqüência de inspeção e a periodicidade de testes.
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• Atualmente no Brasil as Normas Regulamentadoras são os instrumentos legais que exigem inspeção em vasos de pressão e por sua natureza tem força de lei. A NR-1 descreve que as Normas Regulamentadoras são de observância obrigatória pelas empresas privadas e públicas e pelos órgãos públicos da administração direta e indireta, bem como pelos órgãos dos poderes legislativo e judiciário, que possuam empregados regidos pela Consolidação das Leis Trabalhistas (CLT).
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• Comentários da NR-13, referentes a Vasos de Pressão
• A seguir serão feitos alguns comentários referentes às exigências da NR-13, da parte referente a vasos de pressão.
• a) A principal modificação introduzida na NR-13 é a adoção da classificação dos vasos de pressão em CATEGORIAS DE INSPEÇÃO, em função do: tipo de fluido armazenado, produto da pressão máxima de operação do vaso e seu volume geométrico e o grupo potencial de risco do vaso.
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CLASSE DE FLUIDO
GRUPO DE POTENCIAL DE RISCO
1PV 100
2100 > PV 30
330 > PV 2,5
42,5 > PV 1
5PV < 1
A- Fluido inflamável- Combustível com temperatura igual ou superior a 200oC- Tóxico com limite de tolerância 20 ppm;- Hidrogênio;- Acetileno.
I I II III III
B- Combustível com temperatura < 200C;- Tóxico com limite de tolerância > 20 ppm.
I II III IV IVC
- Vapor de água;- Gases asfixiantes simples;- Ar comprimido.
I II III IV V
D- Água ou outros fluidos não enquadrados nas classes A, B, ou C, com temperatura >50C.
II III IV V V
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• b) As categorias de inspeção variam de I a V, sendo mais rigorosa quanto MENOR for sua categoria. Assim um vaso enquadrado na categoria I é aquele que estará submetido aos maiores rigores da Norma.
• c) A Norma NR-13, na parte referente a vasos de pressão aplica-se, basicamente, a vasos de pressão, estacionários, não sujeitos a chama, cujo produto da pressão máxima de operação (KPa) e seu volume geométrico (m3) seja superior a 8 ou que armazene fluido classe A.
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• d) Independente da categoria, todos os vasos devem possuir:
• - Placa de identificação: placa fixada no vaso, em local visível que deve conter algumas informações, referentes às condições de projeto do vaso, selecionadas pela Norma.
• - Prontuário: são os dados de projeto do vaso.
• - Registro de Segurança: registro de todas as ocorrências que possam influir na segurança do vaso.
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• - Projeto de Instalação: características das instalações onde o vaso está localizado.
• - Projeto de Alterações ou Reparos: registro dos reparos realizados no vaso que possam interferir na sua segurança e do procedimento de reparo utilizado.
• - Relatórios de Inspeção: registro de alterações do vaso que estejam em desacordo com sua placa de identificação.
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• e) Todo vaso enquadrado nas categorias I e II, deve possuir um manual de operação que contenha os procedimentos específicos adotados para o vaso em manobras operacionais, como: paradas, partidas, emergências, etc. Além disso, os operadores devem ser treinados, conforme os requisitos especificados na Norma.
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• f) Todos os reparos ou alterações devem respeitar o respectivo código de projeto e construção do vaso.A critério do Profissional Habilitado, podem ser utilizadas tecnologias de cálculo ou procedimentos mais avançados em substituição aos previstos pelos códigos de projeto e construção.
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• g) A periodicidade de inspeção exigida pela Norma, depende da categoria do vaso e se a empresa possui Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos. A tabela a seguir mostra os prazos de inspeção e exigências de teste hidrostático para vasos de pressão.
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Categoria do Vaso
Exame Externo Exame Interno Teste Hidrostático
Com SPIE Sem SPIE Com SPIE Sem SPIE Com SPIE Sem SPIE
I 3 anos 1 ano 6 anos 3 anos 12 anos 6 anos
II 4 anos 2 anos 8 anos 4 anos 16 anos 8 anos
III 5 anos 3 anos 10 anos 6 anos A critério 12 anos
IV 6 anos 4 anos 12 anos 8 anos A critério 16 anos
V 7 anos 5 anos A critério 10 anos A critério 20 anos
Com SPIE = empresas Com Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos.Sem SPIE = empresas Sem Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos.
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• h) As válvulas de segurança devem ser desmontadas, inspecionadas e recalibradas durante o exame interno do vaso.
• i) Em situações que possam alterar as condições iniciais do vaso este deve ser submetido a uma inspeção de segurança extraordinária. Por exemplo: quando houver alteração de local do vaso.
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• j) Após a inspeção deve ser emitido relatório de inspeção contendo no mínimo o seguinte:– identificação do vaso;– fluido de serviço e categoria do vaso;– tipo do vaso;– data de início e término da inspeção;– tipo de inspeção executada;– descrição dos exames e testes executados;– resultados das inspeções e intervenções
executadas;
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– conclusões;– recomendações e providências necessárias;– data prevista para a próxima inspeção;– nome e assinatura do profissional habilitado;– nome e assinatura dos técnicos que participaram
da inspeção.
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• Fiscalização e Penalidades• As delegacias Regionais do Trabalho (DRT) cabem
executar as atividades relacionadas com a segurança e medicina do trabalho e a fiscalização do cumprimento dos preceitos legais e regulamentares sobre a segurança e higiene do trabalho.
• A fiscalização quanto ao cumprimento dos requisitos da NR 13 pode ser feita pelos empregados da empresa ou seus sindicatos de classe, mediante solicitação formal a empresa, ou através de denuncia ao ministério público.
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• Fiscalização e Penalidades• Cabe, portanto, as DRT’s impor penalidades,
embargar, interditar etc. em função da inobservância das Normas Regulamentadoras.
• A NR-1 estabelece também que cabe ao empregador cumprir e fazer cumprir as disposições legais e regulamentares, sob pena de aplicação das penalidades previstas na legislação pertinente.
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• Fiscalização e Penalidades
• Ao empregado cabe cumprir essas disposições. A recusa injustificada constitui ato faltoso.
• Merece destaque o não cumprimento dos itens da NR 13 considerados como risco grave e iminente, nesses casos a empresa está sujeita a interdição total ou parcial de suas atividades enquanto esses itens não forem atendidos. Os critérios de interdição para embarco de obras ou interdição de unidades operacionais estão descritos na Norma Regulamentadora NR 3.
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• Fiscalização e Penalidades
• A interdição e embargo poderão ser requeridos pelo Setor de Segurança e Medicina do Trabalho da DRT ou por entidade sindical.
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• Fiscalização e Penalidades• As penalidades que as empresas e profissionais
habilitados estão sujeitos por não atendimento aos requisitos da Norma Regulamentadora No 13 estão descritas na Norma Regulamentadora No 28.
• São exemplos de risco grave e emitente a falta de dispositivos de segurança, de indicadores de pressão, etc.
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