engenharia mecanica e eletrica, Notas de aula de Engenharia Mecânica

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PROJETO MECÂNICO

VASOS de PRESSÃO

e

TROCADORES DE CALOR CASCO e TUBOS

Revisão 2008

Carlos Falcão

Apresentação

A finalidade deste texto é orientar na utilização e interpretação dos principais códigos adotados em projeto de vasos de pressão e trocadores de calor casco e tubos, além de apresentar os assuntos que não fazem parte, ou são apresentados apenas parcialmente pelos códigos.

O texto é composto de dezesseis seções, cada uma tratando de um assunto específico, que representam a maioria dos tópicos importantes e necessários para o dimensionamento destes equipamentos.

Estão abordados os requisitos relevantes e usuais, para projeto, dos códigos ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e da norma européia EN 13445, bem como das publicações fundamentais como o WRC Bulletin 107 e Bulletin 297.

Será dada maior ênfase para o ASME Seção VIII Divisão 1, por ser o código de maior utilização no Brasil. Os códigos que praticamente não tem aplicação, ASME Seção VIII Divisão 3 e AD- Merkblätter, são tratados apenas superficialmente.

No caso de haver discordâncias entre o documento PD 5500 e a norma BS 5500 (ver item 1.5), publicados pelo BSI - British Standard Institution, neste texto prevalece a Edição de 1997 Amendment dezembro de 1999, desta última.

A edição de 2007 do ASME Seção VIII Divisão 2, foi modificada significativamente em relação às edições anteriores. Para possibilitar a adaptação às modificações, o ASME através do Code Case 2575, está permitindo, até julho de 2009, o uso da edição 2004 Addenda 2006. É desta forma que está considerado no texto aqui apresentado.

É claro que, devido à dinâmica dos códigos, das normas e publicações de projeto, incorporando periodicamente alterações e complementações, é necessário consultá-las nas suas últimas edições.

Maio de 2008

Texto registrado sob o número 284827 do Livro 514 folha 487 do Escritório de Direitos Autorais da Fundação Biblioteca Nacional do Ministério da Cultura

i Revisão 2008

• 1. Critérios e Códigos de Projeto
  • 1.1 ASME Section VIII, Division 1 – Rules for Construction of Pressure Vessels...........
    • Alternative Rules 1.2 ASME Section VIII, Division 2 – Rules for Construction of Pressure Vessels –
    • Alternative Rules for High Pressure Vessels 1.3 ASME Section VIII, Division 3 – Rules for Construction of Pressure Vessels –
  • 1.4 Critérios para escolha entre Divisão 1 e Divisão 2....................................................
  • 1.5 PD 5500 (BS 5500)– Specifications for Unfired fusion welded pressure vessels
  • 1.6 AD-Merkblätter
  • 1.7 EN 13445 Unfired pressure vessels - submetido à pressão interna.................................................................................... PD 5500 (BS 5500), AD-Merkblätter.e EN 13445 para um casco cilíndrico
  • 1.9 Evolução do ASME Seção VIII Divisão 1..................................................................
  • 1.10 Critérios para equipamentos existentes – API-579...............................................
• 2. Categorias, Combinação e Limites de Tensões
  • 2.1 Tensões primárias (Pm, Pb e PL)
  • 2 2 Tensões secundárias (Q)
  • 2 3 Tensões de pico (F)
  • 2.4 Combinação e limites de intensidade de tensões - Divisão 2, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445............................................................... 2.5 Bases para critério de tensões primárias e secundárias do ASME Seção VIII
• 3. Tensões em Vasos de Pressão
  • 3.1 Cascos Cilindricos
  • 3.2 Casco Esféricos e Tampos Semi-esféricos................................................................
  • 3.3 Tampos e Seções Cônicas
  • 3.4 Tampos Torisféricos
  • 3.5 Tampos Semi-elípticos
  • 3.6 Tampos Toricônicos
  • 3.7 Tensões em descontinuidades...................................................................................
• 4. Materiais e Corrosão
  • 4.1 Corrosão por perda de espessura e vida útil
  • 4.2 Resistência para condições de temperatura
  • 4.3 Custo
  • 4.4 Facilidade de fabricação
  • 4.5 Disponibilidade no mercado
  • 4.6 Serviços especiais e corrosão sob tensão
• 5. Vasos Verticais
  • 5.1 Tensões circunferenciais devidas à pressão
  • 5.2 Tensões longitudinais
  • 5.3 Deflexão estática
  • 5.4 Vibrações induzidas pelo vento - ii Revisão
• 6. Vasos Horizontais
  • 6.1 Análise de tensões
• 7. Suportes de Vasos de Pressão
  • 7.1 Suportes de vasos verticais
  • 7.2 Suportes de vasos horizontais
• 8. Bocais e Reforços
  • 8.1 Teoria das aberturas reforçadas
  • 8.2 Critérios para reforços conforme ASME Seção VIII Divisão
  • 8.3 Espessura mínima de bocais.....................................................................................
• 9. Flanges
  • 9.1 Tensões atuantes
  • 9.2 Tipos de flanges
  • 9.3 Dimensionamento de flanges
  • 9.4 Parâmetros adicionais para dimensionamento
  • 9.5 Flanges padronizados
• 10. Juntas de Vedação
  • 10.1 Mecânica da vedação
  • 10.2 Fatores de seleção
  • 10.3 Materiais das juntas
  • 10.4 Tipos e faces de flanges
  • 10.5 Tipos de juntas
  • 10.6 Dureza máxima das juntas metálicas
  • 10.7 Problemas de vedação
• 11. Tensões Localizadas em Bocais e Suportes
  • 11.1 Procedimentos de avaliação das tensões localizadas
    • PD 5500 (BS 5500) e EN 13445.............................................................................. 11.2 Escopo de aplicação, limites e vantagens do Boletim 197, Boletim 297,
  • 11.3 Procedimento simplificado para cálculo das tensões localizadas em bocais
    • estruturais 11.4 Procedimento simplificado para cálculo das tensões localizadas em suportes
  • 11.5 Cálculo por elementos finitos
• 12 Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA)
  • 12.1 Determinação da PMTA
  • 12.2 PMTA dos componentes principais
  • 12.3 PMTA dos componentes secundários
  • 12.4 PMTA considerando cargas localizadas
• 13 Dimensionamento Mecânico de Trocadores de Calor Casco e Tubos
  • 13.1 Condições de projeto
  • 13.2 Dimensionamento mecânico - iii Revisão
• 14 Fadiga.e Concentração de Tensões
  • 14.1 Introdução a fadiga
    • número de ciclos admissíveis 14.2 Tensões médias e amplitude das tensões alternadas. Determinação do
  • 14.3 Danos acumulados - avaliação de fadiga 14.4 Critérios do ASME Seção VII, Divisão 2 e PD 5500 (BS 5500) para
  • 14.5 Critérios da EN 13445 para avaliação de fadiga....................................
  • 14.6 Tensões de pico
  • 14.7 Fatores de concentração de tensões
  • 15. Fratura Frágil e Temperatura Mínima
  • 15.1 Mecânica da fratura
  • 15.2 Critérios do ASME Seção VIII Divisão 1 e Divisão 2 para baixa temperatura
  • 15.3 Critérios do ASME Seção VIII, Divisão
  • 15.4 Critérios do PD 5500 (BS 5500)
  • 15.5 Critérios do AD-Merkblätter
  • 15.6 Critérios da EN 13445...............................................................................................
• 16. Eficiência de soldas
  • 16.1 Eficiência de soldas para ASME Seção VIII Divisão 1.............................................. - PD 5500 (BS 5500), AD Merkblätter e EN 13445.............. 16.2 Eficiência de soldas para ASME Seção VIII Divisão 2 e Divisão 3,
• Referências - iv Revisão

pressão interna ou externa. Informa que outros carregamentos, como cargas de vento e sísmica, peso próprio e do conteúdo, esforços localizados em suportes soldados no equipamento ou em bocais, cargas cíclicas devidas a flutuações de pressão e temperatura, gradientes e expansões térmicas, devem ser consideradas, porém não estabelece metodologia para esta avaliação.

Este código é limitado a pressões interna, máxima de 20685 kPa e mínima de 103 kPa, ou pressão externa máxima de 103 kPa. Tem como critério de projeto a teoria da “máxima tensão de ruptura”. Apresenta critérios e tabelas para obtenção de tensões admissíveis de tração e curvas para as tensões admissíveis de compressão na Seção II.

Para diferentes tipos de materiais ferrosos e não ferrosos (exceto parafusos), as tensões admissíveis de tração são obtidas da seguinte forma:

• Para temperaturas abaixo da faixa de fluência a tensão admissível de tração é o menor dos valores:
  • 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente;
  • 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto;
  • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente;
  • 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto.

A evolução dos fatores de segurança, para este código, está descrita no item 1.8.

• Para temperaturas na faixa de fluência a tensão admissível de tração é o menor dos valores:
  • 100% da tensão média para uma razão de fluência de 0,01% / 1000 horas;
  • 67% da tensão média de ruptura ao fim de 1000000 horas;
  • 80% da tensão mínima de ruptura a 1000000 horas.

Para alguns materiais não ferrosos e aços inoxidáveis austeníticos as tabelas de tensões admissíveis de tração apresentam dois níveis de tensões. Como regra geral, para componentes que permitem pequenas deformações (cascos e tampos) adota-se os maiores valores e para componentes onde deformações são prejudiciais ao desempenho (flanges) adota-se os menores valores.

As tensões primárias de membrana, normais às paredes do vaso, induzidas pelos carregamentos impostos aos equipamentos não deverão ultrapassar os valores estabelecidos para as tensões admissíveis, admitindo que quando existirem tensões devidas a cargas de vento ou sísmicas, as tensões admissíveis poderão ser majoradas em 20%. Não estabelece critérios para classificação de tensões, porém admite que a combinação das tensões primárias de membrana e flexão poderão ser limitadas a 1,5 vezes o valor das tensões admissíveis.

Apesar de prever flutuações de pressão e temperatura não apresenta critérios para análise de fadiga.

O código somente trata de dimensionamento para pressões nos componentes principais, não apresentando métodos para computação e avaliação, nestes componentes, das tensões resultantes de esforços localizados tais como cargas nos suportes de sustentação (saias, pernas, selas, sapatas ou anéis), cargas em suportes de acessórios (tubulações ou plataformas) e cargas em bocais devidas esforços de tubulação. Para esta avaliação é necessário consultar a literatura complementar, indicada nas seções seguintes deste texto e

também nas referências. No caso de dimensionamento que exija uma análise mais detalhada de tensões (incluindo tensões localizadas), normalmente emprega-se a teoria da máxima tensão de cisalhamento (ver seção 2).

O código também estabelece uma metodologia para obtenção da temperatura mínima de projeto, para evitar fratura frágil, em função da tensão atuante, das espessuras requerida e nominal, da corrosão e do material.

1.2 ASME Section VIII, Division 2 – Rules for Construction of Pressure Vessels – Alternative Rules

A Divisão 2 do código ASME Seção VIII foi criada em 1969, como alternativa à Divisão 1, adotando critérios e detalhes de projeto, fabricação, exames e testes mais rigorosos e tensões admissíveis superiores, além de não limitar a pressão de projeto.

O critério de projeto adota classificação de tensões para as mais usuais combinações de carregamento, análise de fadiga para equipamentos submetidos a condições cíclicas e gradientes térmicos e projeto alternativo baseado em análise de tensões em descontinuidades geométricas.

Da mesma forma que a Divisão 1, não adota procedimentos para avaliação de tensões localizadas em suportes e bocais, sendo também necessário consultar a literatura complementar.

É adotada a teoria da “máxima tensão de cisalhamento” (ruptura pelo cisalhamento máximo), conhecida como critério de Tresca, por sua facilidade de aplicação e por ser adequada para a análise de fadiga. Esta tensão é igual a metade da maior diferença algébrica entre duas das

tensões principais (σ1, σ2, σ 3 ) de um corpo submetido à tração. Nos sólidos de revolução estas

tensões principais ocorrem nas direções longitudinal, tangencial e radial às paredes do vaso.

Se σ 1 > σ 2 > σ 3 ⇒ τ = 0,5 (σ 1 - σ 3 )

A intensidade de tensões (S) é definida como: S = 2 τ

A intensidade de tensão resultante não deve ultrapassar a tensão máxima admissível Sm.

Estabelece metodologia de cálculo de espessuras com fórmulas simplificadas, da mesma forma que a Divisão 1, ou cálculo alternativo baseado em análise e classificação de tensões em categorias.

Caso seja adotada a alternativa de cálculo, com classificação e combinação de tensões, a tensão máxima admissível deverá ser multiplicada por um fator de intensificação (K), obtido em figuras e tabelas do código, além de permitir tensões majoradas dependendo da combinação da categoria das tensões atuantes envolvidas.

Apresenta critérios e tabelas para obtenção de tensões admissíveis de tração e curvas para as tensões admissíveis de compressão na Seção II.

é o caso de equipamentos com pressão interna de projeto superior a 20685 kPa, pois a Divisão 1 limita o seu escopo de aplicação a esta pressão.

Caso não haja nenhuma das condições acima deve ser feita uma análise de custos e prazos para a seleção da Divisão a ser adotada. A Divisão 2 permite espessuras mais finas, devidas a tensões admissíveis mais altas (ver tabela 1.1), porém exige exames, testes e inspeção mais rigorosos (por exemplo: radiografia total), o mesmo ocorrendo com detalhes construtivos.

Entretanto, existem algumas considerações, de caráter prático, que indicam a Divisão 2 como a mais apropriada:

• Quando o diâmetro for maior que 1500 mm e a pressão interna ultrapassar 7,0 MPa;
• Quando o vaso for construído de material de qualidade superior aos aços carbono do grupo P.1 e a pressão for superior a 2,0 MPa;
• Quando o vaso for do tipo multicamada;
• Quando a razão diâmetro/espessura for menor que 16;
• Quando a espessura for maior que 75,0 mm.

Estas considerações são ilustrativas e podem variar de acordo com os custos de fabricação da época.

O emprego da Divisão 2 também é vantajoso em casos onde a redução da espessura requerida, em relação à Divisão 1, permite dispensar o tratamento térmico de alivio de tensões. Este é o caso de algumas esferas para armazenamento de GLP.

A título de exemplo, a tabela 1.1 apresenta uma comparação entre as tensões admissíveis da Divisão 1 e da Divisão 2, para dois aços carbono de largo emprego na fabricação de vasos no Brasil (chapas SA-515-70 e SA-516-70).

Temperatura (ºC)

-29 a 38 93 149 204 260 315 343 371 399 427 454 482 510 538 Div 1 – S (MPa) 138 138 138 138 138 134 129 125 102 83 64 46 27 17 Div 2 – Sm (MPa) 161 159 155 149 141 129 127 126 NP^ NP^ NP^ NP^ NP^ NP SY (MPa) (^262 240 232 224 214 200 194 187 181 176 170 165 160 )

SR (MPa) (^482 482 482 482 482 482 482 482 476 443 404 360 316 )

SY – mínima resistência ao escoamento; SR – mínima resistência à tração; NP – não permitido

Tabela 1.1 – Tensões Admissíveis – ASME Seção VIII, Divisão 1 e Divisão 2

1.5 PD 5500 (BS 5500) –Specifications for Unfired fusion welded pressure vessels

Com a publicação da norma européia EN-13445, em 2002, o British Standard Institution cancelou a conhecida norma BS 5500, que era considerada a norma mais completa e compreensiva para vasos de pressão. Como os usuários ainda não estavam adequados para o

uso da nova norma, houve solicitações para que a norma inglesa fosse mantida. Foi tomada a decisão de se manter este código, não mais como uma norma, e sim como um documento publicado (PD – “ published document ”), sendo emitido em 2003 e identificado como PD 5500. Este documento substituiu a última edição com as atualizações da BS 5500, sem alterar o seu conteúdo e aplicabilidade. A norma PD 5500 (BS 5500) é muito similar ao ASME Seção VIII Divisão 2 e EN 13445, adotando os mesmos critérios de projeto (teoria da máxima tensão de cisalhamento), e também com cálculo alternativo baseado em classificação e análise de tensões, além de avaliação de fadiga.

As tensões admissíveis, indicadas em tabelas, são obtidas adotando-se o seguinte critério:

a) para temperaturas até 50°C, deve ser o menor dos valores entre a.1 e a.2: a.1) Re / 1,5; a.2) Rm / 2,35 (para aços carbono e baixa liga) ou Rm / 2,5 (para aços austeníticos).

Re – mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; Rm – mínima resistência à tração na temperatura ambiente.

b) para temperaturas acima de 150°C, deve ser o menor dos valores entre b.1 e b.2: b.1) Re(T) / 1,5 (para aços carbono e baixa liga especificados para alta temperatura); Re(T) / 1,6 (para aços carbono e baixa liga especificados para alta temperatura); Re(T) / 1,35 (para aços austeníticos); b.2) Rm / 2,35 (para aços carbono e baixa liga) ou Rm / 2,5 (para aços austeníticos).

Re(T) – mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto; Rm – mínima resistência à tração na temperatura ambiente.

c) para temperaturas entre 50°C e 150°C o valor da tensão admissível deve ser interpolado linearmente das expressões dos itens a e b.

d) para temperaturas na faixa de fluência: 1/1,3 da tensão média que provoca ruptura a uma determinada temperatura.

O código ainda apresenta quatro níveis de tensões admissíveis, dependendo da vida útil do equipamento, que pode ser de 100000, 150000, 200000 e 250000 horas.

Seções muito interessantes deste código são as que apresentam, nos Apêndices D e E, detalhes típicos de soldas dos componentes principais de forma muito completa (incluindo detalhes especiais para baixas temperaturas), e os procedimentos para avaliação de tensões localizadas em bocais e suportes soldados, além de dimensionamento de selas e suportes de apoio, apresentados no Apêndice G. Desta forma, este código pode dispensar consulta complementar para estes assuntos. É interessante notar que os códigos ASME recomendam a utilização da norma inglesa, como critério para avaliação de tensões localizadas, referindo-se ao Apêndice G da antiga BS 5500.

Também tem procedimentos para cálculo de espelhos de trocadores de calor.

Adota critérios e procedimentos para operação em baixa temperatura, para aços carbono e aços liga, em função da tensão de membrana atuante na parede do equipamento.

Também adota, como o PD 5500 (BS 5500) e o ASME Seção VIII, Divisão 2, os procedimentos de cálculo simplificados baseados em fórmulas ( DBF – Design by formulae ) e com análise e classificação de tensões ( DBA – Design by analysis ). Para o procedimento DBA adota os critérios de resistência da máxima tensão de cisalhamento (Tresca) ou da máxima energia de distorção (Von Mises).

Alguns dos principais tópicos, nem sempre incluídos em outras normas são:

• Cálculo de espelhos para trocadores de calor;
• Cálculo de tensões localizadas devidas às cargas em bocais;
• Cálculo de vasos horizontais apoiados em selas, anéis e colunas;
• Cálculo de vasos verticais apoiados em sapatas, anéis, pernas e saias;
• Análise de fadiga (método simplificado e método detalhado);
• Procedimento para avaliar a máxima pressão externa permitida para vasos com circularidade fora de tolerância.

O critério para obtenção das tensões admissíveis para partes pressurizadas é:

a) Aços (exceto fundidos) não austeníticos, com deformação mínima à ruptura abaixo de 30%:

a.1) O menor dos dois valores abaixo, para condição de cargas de operação:

• Re/t / 1,5 ou Rp0,2/t / 1,5;
• Rm / 2,

a.2) Para condição de teste:

• Re/t / 1,05 ou Rp0,2/t / 1,

b) Aços austeníticos (exceto fundidos), com deformação mínima à ruptura maior que 30% até 35%:

b.1) Para condição de cargas de operação:

• Rp1,0/t / 1,5;

b.2) Para condição de teste:

• Rp1,0/t / 1,

c) Aços austeníticos (exceto fundidos), com deformação mínima à ruptura maior que 35%

c.1) O maior dos dois valores abaixo, para condição de cargas de operação:

c.1.1) Rp1,0/t / 1,5;

c.1.2) o menor dos dois valores, quando o valor de Rm/t é disponível: ƒ Rm/t /3,0; ƒ Rp1,0/t / 1,

c.2) O maior dos dois valores abaixo, para condição de teste: ƒ Rp1,0/t / 1,05; ƒ Rm/t /2,0, quando o valor de Rm/t é disponível ;

Re/t – mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto ou teste; R0,2/t – resistência ao escoamento para uma deformação residual de 0,2% na temperatura de projeto ou teste; R1,0/t – resistência ao escoamento para uma deformação residual de 1,0% na temperatura de projeto ou teste; Rm/t – mínima resistência à tração na temperatura de projeto ou teste.

1.8 Comparação de dimensionamento entre ASME Seção VIII, Divisões 1 e 2, PD 5500 (BS 5500), AD-Merkblätter e EN 13445, para um casco cilíndrico em aço carbono submetido à pressão interna

Para comparação é apresentado um exemplo simples de espessuras requeridas, para um cilindro submetido apenas à pressão interna e sem corrosão, para chapa em aço carbono acalmado, adotando-se materiais equivalentes para os códigos em referência.

Para efeito de equalização dos cálculos será adotado exame radiográfico total para a solda longitudinal, para o ASME Divisão 1, AD-Merkblätter e EN 13445. Para o ASME Divisão 2 e equipamentos classe 1 do PD 5500 (BS 5500) este exame total é mandatório. A tabela 1. apresenta um resumo dos resultados.

A nomenclatura adotada é:

• P, p: pressão interna;
• D, Di: diâmetro interno;
• Da: diâmetro externo;
• R: raio interno;
• S, f, K: tensões admissíveis, fator de segurança;
• t, s, e: espessuras requeridas;
• E, v, z: eficiência de solda.

Pressão interna: 1,50 MPa Diâmetro interno: 4000 mm; diâmetro externo: 4044,4 mm (adotando chapa de 22,2 mm); Temperatura de projeto: 50°C; Materiais equivalentes:

• ASME: SA-515-60/SA-516-60 (413,7 MPa / 220 MPa);
• BS-1501-224-400A (400 MPa / 265 MPa);
• DIN 17155 -19 Mn 5 (509 a 608 MPa / 313 MPa)
• EN 10028-2 P265 GH (400 MPa / 215 MPa)

As tensões indicadas entre parêntesis referem-se aos valores de mínima resistência à tração e ao escoamento, respectivamente.

Tensões admissíveis na temperatura de projeto: ASME Divisão 1 (tabela 1A da Seção II Parte A): S = 117,9 MPa; ASME Divisão 2 (tabela 2A da Seção II Parte A): S =137,9 MPa; PD 5500 (BS 5500) (tabela 2.3-2 para vida útil de 150000 horas e espessura entre 16 mm e 40 mm): f =170 MPa; AD-Merkblätter (tabela 2 da DIN 17155): K = 270 MPa; EN 13445: f = 138 MPa (das tabelas da EN -10028-2)

• Edição de1950: inclui os requisitos de tratamento térmico de alívio de tensões, melhorias nas técnicas e materiais de soldagem e requisitos de tenacidade e teste de impacto para baixa temperatura (até –29°C) em aços carbono e de baixa liga;
• Edição de 1968: esta edição inclui mudanças significativas, em relação às edições anteriores, abrangendo quase todo o escopo, detalhes de projeto, eficiências de solda, etc., Esta edição é essencialmente, no tocante a estes assuntos, a base da edição atualmente em vigor;
• Addenda 1982: inclui o Apêndice AA - 1 (facultativo) para dimensionamento de espelhos para trocadores de calor casco e tubos com tubo “U”;
• Addenda 1987: inclui critérios inteiramente novos, baseados em estudos de fratura frágil para vasos de pressão, relativos a tenacidade e teste de impacto para aços carbono e de baixa liga, introduzindo o conceito de redução de temperatura (em função do nível de tensão atuante), que podem chegar a valores abaixo de –29°C;
• Edição de 1992: inclui o Apêndice AA - 2 (facultativo) para dimensionamento de espelhos fixos para trocadores de calor casco e tubos;
• Addenda 1999: em 1998 foi publicado o Bulletin 435 do WRC [referência 46], propondo que uma redução no coeficiente de segurança para a tensão admissível, em relação à tensão de ruptura, de 4,0 para 3,5 para alguns materiais, poderia ser adotada sem que houvesse aumento na probabilidade de falha. Esta conclusão foi baseada na experiência com vasos em operação, testes de ruptura realizados em vasos de prova e, melhorias introduzidas ao longo dos anos, tais como critérios de projeto e requisitos de tenacidade, qualidade de materiais e mão de obra, além da evolução das técnicas de testes, ensaios e fabricação. Em junho de 1998, como conseqüência e aceitação do estudo do WRC, o ASME emitiu o “Code Case 2290 – Alternative Maximum Allowable Stress Based on a Factor of 3,5 on Tension Strength Section II, Part D, and Section VIII, Division 1”, alterando as tabelas de tensões admissíveis e os valores da curva de redução de temperatura para os requisitos de baixa temperatura e teste de impacto. Esta importante modificação foi definitivamente incorporada ao texto do código na addenda 1999;
• Addenda 2003: Inclui a Parte UHX, para dimensionamento de espelhos de trocadores casco e tubos, agora de forma mandatória, em substituição ao Apêndice AA (espelhos com tubos em “U” e espelhos fixos). Estabelece também procedimentos para o dimensionamento de espelhos flutuantes.

1.10 Critérios para equipamentos existentes – API- 579

Os critérios e regras de projeto, estabelecidos pelos códigos são aplicáveis apenas para equipamentos novos. Para equipamentos em operação que estão sujeitos a danos como corrosão sob tensão, perda de espessura (localizada ou generalizada), trincas, etc. a aplicação destes códigos não é satisfatória e segura.

A preocupação com a integridade de equipamentos em serviço resultou, recentemente, em uma série de procedimentos de verificação e inspeção para a adequação quanto a probabilidade de falhas e manutenção necessária para permanecer em operação. Dentre estes

procedimentos, em termos de avaliação e inspeção, destacam-se as seguintes publicações do Welding Research Council (WRC) e do American Petroleum Intitute (API):

• WRC 447 – Evaluation of Operating Margins for In-Service Pressure Equipment, publicado em 1999;
• API-RP-581 – Risk Based Inspection, publicado em 1999;
• API-RP-579 [referência 47] – Fitness-for-Service, publicado em 2000.

O boletim WRC 447, estabelece que um fator de segurança de 2,4, referente à tensão de ruptura do material, menor que os fatores dos códigos de projeto, pode ser aplicado desde que uma série de exigências de avaliação de corrosão, tenacidade, exames não destrutivos de soldas (radiografia e ultra-som), e também que sejam atendidos os requisitos de fabricação, soldagem e tolerâncias conforme ASME Seção VIII, Divisão 2. Além destes requisitos também é exigido que todos os critérios e metodologia de cálculo estejam de acordo com o API-579.

O API-581 é uma norma de inspeção que se baseia na análise de risco para elaborar e desenvolver planos de inspeção de forma a reduzir as probabilidades de falhas. Apresenta uma série de artigos com análise dos principais tipos de falhas (fadiga, corrosão sob tensão, fratura, ataque por hidrogênio a alta temperatura, etc) e figuras, gráficos e tabelas com taxas de corrosão por perda de espessuras para diversos materiais e meios corrosivos, susceptibidade a à corrosão sob tensão e para mecanismos de deterioração.

O API-579 surgiu pela necessidade de haver um procedimento de cálculo e de avaliação de danos em vasos de pressão, tubulações e tanques de armazenamento em operação, devida à omissão dos códigos de projeto tradicionais para estes equipamentos em serviço. No caso de vasos de pressão esta norma é direcionada para equipamentos projetados e fabricados pela ASME Seção VIII, Divisões 1 e 2, e PD 5500 (BS 5500). A norma é dividida em seções, para avaliação e adequação dos seguintes itens:

• Fratura frágil;
• Perda de espessura generalizada;
• Perda de espessura localizada;
• Corrosão por pontos (“pitting”);
• Empolamento (“blister”) e dupla laminação;
• Desvios de forma (desalinhamento de soldas e distorções nos cascos);
• Trincas;
• Operação a alta temperatura e em regime de fluência (“creep”);
• Danos causados por fogo.

Estas avaliações têm como conclusão critérios de aceitação, baseados em tensões admissíveis, fatores de resistência (que define a aceitação de um componente do equipamento para operação contínua) e num diagrama de avaliação de descontinuidades planas (FAD- Failure Acessment Diagram), que define a aceitação de um componente com trincas.

Ainda são apresentados diversos apêndices, com subsídios de cálculo, incluindo critérios, equações e soluções para:

• Cálculo de espessuras e tensões atuantes;
• Execução de análise de tensões;
• Valores de coeficientes de intensificação de tensões em trincas;
• Tensões e colapso de regiões com trincas;

A tabela 1.3 apresenta um resumo desta equivalência para os materiais com emprego mais usual.

Tipo de material Especificação ASTM

Especificação ASME

Edições aceitáveis (3) ASTM-A-36 (1) SA-36 1988 a 1996 ASTM-A-53 (1) SA-53 1988 a 1998 ASTM-A-105 (1) SA-105 1987 a 1998 ASTM-A-106 (2) SA-106 1988 a 1995 ASTM-A-178 (1) SA-178 1989 a 1995 ASTM-A-179 (1) SA-179 1988 a 1990a ASTM-A-181 (2) SA-181 1987 a 1995b ASTM-A-193 (2) SA-193 1987 a 1998a ASTM-A-194 (2) SA-194 1987 a 1998a ASTM-A-214 (1) SA-214 1988 a 1990a ASTM-A-234 (1) SA-234 1982a a 1997 ASTM-A-266 (1) SA-266 1987 a 1995 ASTM-A-283 (1) SA-283 1988 a 1993 ASTM-A-285 (1) SA-285 1982(1987) a 1990 ASTM-A-333 (1) SA-333 1994 ASTM-A-335 (2) SA-335 1988a a 1995a ASTM-A-350 (1) SA-350 1987 a 1995b ASTM-A-387 (1) SA-387 1998 a 1992 ASTM-A-420 (1) SA-420 1985a a 1995 ASTM-A-515 (1) SA-515 1982 a 1993

Aços carbono e aços liga

ASTM-A-516 (1) SA-516 1986 a 1990 ASTM-A-182 (2) SA-182 1987a a 1998 ASTM-A-213 (2) SA-213 1988a a 1995a ASTM-A-240 (2) SA-240 1986c a 1997a ASTM-A-312 (2) SA-312 1988a a 1995a

Aços inoxidáveis

ASTM-A-403 (2) SA-403 1986 a 1995 Chapas ASTM-A-263 (1) SA-263 1988 a 1994a cladeadas (^) ASTM-A-264 (1) SA-264 1988 a 1994a

Notas: 1 – As especificações ASTM são idênticas ás especificações ASME. 2 - As especificações ASTM não são idênticas às especificações ASME. Devem ser requalificadas para atender o ASME. 3 – A edição mais recente corresponde à edição válida na época da adenda 1999.

Tabela 1.3 Equivalência e edições de materiais aceitáveis (Fonte: ASME Seção II, Parte A)

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Categorias, Combinação e Limites de Tensões

Nas paredes dos vasos de pressão existem tensões de membrana e flexão devidas a pressão e esforços localizados. As tensões de membrana são tensões normais e atuam uniformemente distribuídas na seção transversal das paredes. As tensões de flexão também são normais, porém variam linearmente em relação ao eixo neutro da seção transversal da parede do equipamento.

Além disto, as tensões podem atuar uniformemente em toda a parede do equipamento (tensões gerais), oriundas de um carregamento uniforme como pressão, ou atuar localizadamente numa região restrita (tensões locais) como, por exemplo, tensões em bocais e aberturas.

Como vimos na seção anterior, alguns códigos de projeto como o ASME Seção VIII, Divisão 2 e Divisão 3, o PD 5500 (BS 5500) e EN 13445 apresentam procedimentos de cálculo mais apurado, com critérios baseados em classificação de tensões em categorias. São apresentadas, a seguir, as várias categorias de tensões, em conformidade com estes códigos.

2.1 Tensões primárias (Pm , Pb e PL)

São tensões causadas por esforços mecânicos permanentes, não incluindo as tensões devidas a concentrações e descontinuidades. Sua principal característica é não ser auto-limitante, isto é, não é reduzida ou anulada em função de deformações. Caso estas tensões levem ao escoamento do material poderão ocorrer deformações excessivas que causarão a ruptura e devem ser limitadas para evitar o colapso plástico da estrutura. São subdivididas nas categorias de tensões primárias gerais e locais.

2.1.1 Tensões primárias gerais de membrana (Pm) e primárias de flexão (Pb)

São tensões necessárias para equilibrar as forças mecânicas internas ou externas. Havendo deformação nas paredes do vaso as tensões não serão reduzidas e, freqüentemente, levam ao colapso da estrutura. Por exemplo, a pressão interna provoca deformação que tende a aumentar o diâmetro, sem que esta deformação provoque redução na pressão e consequentemente diminuição da tensão.

Estas tensões podem ser gerais de membrana (Pm) ou de flexão (Pb).

Como exemplo das tensões primárias gerais de membrana pode-se citar as causadas por pressão, peso próprio e cargas de vento.

Exemplos de tensões primárias de flexão são as causadas por pressão em placas planas e na região esférica de tampos conformados (ver seção 3).