Projetista de Calderaria e Tubulação

Projetista de Calderaria e Tubulação

(Parte 1 de 23)

Lobão & Cia Ltda

Treinamento

SUMÁRIO

SUMÁRIO 2

Principais materiais para tubos 4

Processos de Fabricação de Tubos 5

Diâmetros comerciais dos “Tubos para Condução” de aço 26

Espessuras de paredes dos “Tubos para Condução” de aço 28

Tubos de ferro fundido e de ferro forjado 31

Tubos de materiais não-metálicos 35

Principais meios de ligação de tubos 43

Ligações Flangeadas 49

Tipos de Flanges para tubos 50

O ressalto tem 1/16" de altura para as classes de pressão 150# e 300#, e 1/4" de altura para as classes de pressão mais elevadas. A superfície do ressalto pode ser ranhurada (com ranhuras concêntricas ou espiraladas, também chamadas de "fonográficas") ou lisa, sendo as ranhuras espiraladas o acabamento mais comum e mais barato. De acordo com a norma MSS-SP-6, da "Manufacturers Standardization Society" (que não é seguida por todos os fabricantes), as ranhuras devem ter uma profundidade de até 0,15 mm e passo de 0,5 a1,0 mm. O ressalto liso pode ter vários graus de acabamento, de acordo com a necessidade do serviço ou o tipo da juntas; para serviços com hidrogênio em pressão superior a 4 kg/cm2, é normalmente exigido uma rugosidade média máxima de 0,003 mm (125 milionésimos de polegada). 53

38°C (100°F) — 19 kg/ cm² (275 psi) 56

Juntas para flanges 60

Assim, as juntas duras, se por um lado resistem a pressões mais altas, por outro lado exigem maior perfeição no acabamento das faces dos flanges e no alinhamento dos tubos, e vice-versa. O material das juntas deverá ainda resistir à ação corrosiva do fluido, bem como a toda faixa possível de variação de temperaturas. 60

Parafusos e estojos para flanges 63

Ligações de ponta e bolsa 66

Movimentos das juntas de expansão 75

Juntas de telescópio 76

Juntas de fole ou de sanfona 78

Definição e finalidades do purgadores de vapor 82

Detalhes de instalação dos purgadores de vapor 85

Principais tipos de purgadores de vapor 88

Cálculo da quantidade de condensado a eliminar 98

a = área lateral unitária do tubo (pé²/pé). 99

Outros dispositivos separadores 101

Filtros para tubulações 104

Classificação das Tubulações Industriais quanto ao emprego 108

Tubulações de transmissão hidráulica 108

Tubulações para água salgada 113

As tubulações para serviço contínuo com água salgada (para fins de refrigeração, por exemplo), constituem sempre um dos graves problemas de manutenção, devido à intensa corrosão a que estão sujeitas. A corrosão é agravada com a temperatura e também para velocidades de circulação muito altas ou muito baixas (ou nulas). 113

Além da corrosão há ainda o problema da proliferação de algas, mariscos e outros organismos marinhos, que causam obstrução das tubulações e ataque biológico ao metal. Esse último problema pode ser reduzido ou controlado pela cloração prévia da água. 113

Tubulações para gases 122

Nas indústrias de processamento de fluidos existem quase sempre redes especiais de esgotos para fluidos residuais e também para a drenagem de emergência da instalação. 127

Nessas tubulações os fluidos circulantes são os próprios fluidos que estão sendo processados. Por essa razão os materiais empregados são os mesmos das tubulações de processo, ou sejam, tubos de aço-carbono soldados a topo, na maioria dos casos. 127

Essas tubulações são geralmente acima do solo e trabalham com temperaturas e pressões baixas. A drenagem de emergência pode ser feita succionando-se com bombas os fluidos contidos no sistema (pumpout), ou deixando-se os fluidos serem expulsos pela própria pressão do sistema (blow down). 127

133

Definição e classificação dos suportes de tubulação 147

Suportes imóveis 149

Nos suportes de tubulação procura-se geralmente evitar o contato direto entre os tubos e a superfície de apoio, com a finalidade de permitir a pintura da face inferior dos tubos e da própria superfície de apoio. 151

Um dos recursos usados para evitar esse contato direto é a colocação de um vergalhão de aço (geralmente de 3/4" ), transversalmente aos tubos, soldado na superfície metálica do suporte, como mostram vários exemplos da Fig. 54. 151

O vergalhão costuma ter as extremidades com as pontas viradas para cima, de modo a impedir que os tubos possam cair fora do suporte. 151

São usados principalmente quando se têm grandes cargas simultaneamente com grandes deslocamentos verticais. 162

Os contrapesos devem ter dispositivos de segurança contra quedas e também limitadores de curso. Para maior segurança,os contrapesos devem, sempre que possível, ficar no nível do solo, e com guias laterais, como mostra a Fig. 63. 162

O contrapeso deve ser calculado de forma que tenha o peso um pouco menor do que o tubo a ser suportado, para evitar que por imprecisão de cálculo o tubo fique depois com tendência a ser puxado para cima. 162

Quando possível, o contrapeso deve ser regulável, mediante a adição ou remoção de pequenos pesos, para garantir o ajuste certo do peso depois do conjunto instalado. 162

As guias para os tubos horizontais consistem, na maioria das vezes, em barras chatas ou em perfis, soldados também na viga ou na chapa de apoio, deixando uma pequena folga (1,5 mm a 3 mm) de cada lado do tubo. 164

Quanto maior for o diâmetro do tubo maior terá de ser o comprimento da guia (medido paralelamente ao tubo), para evitar possíveis movimentos angulares da tubulação. 164

As guias usadas para os tubos horizontais geralmente não impedem o movimento vertical do tubo, que é combatido simplesmente pelo peso da tubulação. 164

As guias para os tubos verticais devem limitar os movimentos transversais da tubulação em duas direções ortogonais, como mostra o exemplo da Fig. 64. Para os tubos com isolamento térmico as ancoragens, guias e batentes devem ser modificados para conter o patim de proteção do isolamento. 164

Localização dos suportes de tubulação 169

Alinhamento do Tubo 174

JUNTA "T" AO TUBO: 176

Junte os chanfrados deixando lugar para a solda. Ponteie no topo. Centralize o esquadro no topo do tubo. Coloque o segundo esquadro no centro de saída lateral do "T". Mova a junta "T" até os esquadros estarem alinhados. 176

Fluxogramas 180

Tubulação Industrial

  • Principais materiais para tubos

  • Empregam-se hoje em dia uma variedade muito grande de materiais para a fabricação de tubos. Só A,S.T.M (American Society for Testing and Materiais) especifica mais de 500 tipos diferentes de materiais. Damos a seguir um resumo dos principais materiais usados:

              • Aços-carbono(carbon steel)

              • Aços-liga(low alloy,high alloy steel)

              • Aços inoxidaveis (stainless-steel)

        • Ferrosos Ferro fundido (cast iron)

              • Ferro forjado (wrought iron)

              • Ferros ligados (alloy cast iron)

              • Ferro modular ( nodular cast iron)

  • Tubos Metálicos

                • Cobre (copper)

                • Latões (brass)

                • Cupro-níquel

        • Não Ferrosos Alumínio

                • Níquel e ligas

                • Metal monel

                • Chumbo ( lead)

                • Titânio, Zircônio

                  • Cloreto de poli-vinil(PVC)

                  • Polietileno

                  • Acrílicos

Materiais plásticos Acetato de celulose

                  • Epóxi

                  • Poliésteres

                  • Fenólicos, etc.

  • Tubos não metálicos Cimento-amianto (transite)

          • Concreto Armado

          • Barro vibrado (clay)

          • Borrachas

          • Vidro

          • Cerâmica, porcelana, etc.

          • Zinco

  • Tubos de aço com Materiais plásticos

  • Revestimento interno Elastômeros (borrachas), ebonite, asfalto

          • Concreto

          • Vidro, porcelana, etc.

Veremos adiante com mais detalhes, os tubos dos materiais de maior importância industrial.

A escolha do material adequado para uma determinada aplicação é sempre um problema complexo, cuja solução depende principalmente da pressão e temperatura de trabalho do fluido conduzido (aspectos de corrosão e contaminação) , do custo, do maior ou menor grau de segurança necessário, das sobrecargas externas que existirem, e também, em certos casos, da resistência ao escoamento (perdas de carga). Voltaremos mais adiante a todas essas questões.

Processos de Fabricação de Tubos

Há quatro grupos de processos industriais de fabricação de tubos:

Laminação

Tubos sem costura (seamless pipe) Extrusão(extrusion)

Fundição(casting)

Tubos com costura (welded pipe) Fabricação por solda (welding).

Os processos de laminação e de fabricação por solda são os de maior importância, e por eles são feitos mais de 2/3 de todos os tubos usados em instalações industriais.

Fabricação de tubos por laminação

Os processos de laminação são os mais importantes para a fabricação de tubos de aço sem costura. Empregam-se para a fabricação de tubos de aços-carbono, aços-liga e aços inoxidáveis, desde 8 cm até 65 cm de diâmetro.

Há vários processos de fabricação por laminação, o mais importante é o processo “Mannesmann”, que consiste resumidamente nas seguintes operações:

  1. Um lingote cilíndrico de aço, com o diâmetro externo aproximado do tubo que se vai fabricar, é aquecido a cerca de 1.200ºC e levado ao denominado “laminador oblíquo”.

  1. O laminador oblíquo tem rolos de cone duplo, cujos eixos fazem entre si um pequeno ângulo (Fig.1). O lingote é colocado entre os dois rolos que o prensam fortemente, e lhe imprimem, ao mesmo tempo, um movimento helicoidal de rotação e translação. Em conseqüência do movimento de translação o lingote é pressionado contra uma ponteira cônica que se encontra entre os rolos. A ponteira abre um furo no centro do lingote, transformando-o em tubo, e alisa continuamente a superfície interna recém-formada. A ponteira, que é fixa, está colocada na extremidade de uma haste com um comprimento maior do que o tubo que resultará.

  1. O tubo formado nessa primeira operação tem paredes muito grossas. A ponteira é então retirada e o tubo, ainda bastante quente, é levado para um segundo laminador oblíquo, com uma ponteira de diâmetro um pouco maior, que afina as paredes do tubo, aumentando o comprimento e ajustando o diâmetro externo.

  1. Depois das duas passagens pelos laminadores oblíquos, o tubo está bastante empenado. Passa então em uma ou duas máquinas desempenadoras de rolos.

  1. O tubo sofre, finalmente, uma série de operações de calibragem dos diâmetros externo e interno, e alisamento das superfícies externa e interna. Essas operações são feitas em várias passagens em laminadores com mandris e em laminadores calibradores (Fig.2).

Processos de extrusão e fundição

Processos de Extrusão e Fundição

  1. Extrusão – Na fabricação por extrusão, um tarugo maciço do material, em estado pastoso, é colocado em um recipiente de aço debaixo de uma poderosa prensa. Em uma única operação, que dura no total poucos segundos, dão-se as seguintes fases (Fig.3):

    1. O êmbolo da prensa, cujo diâmetro é o mesmo do tarugo, encosta-se no tarugo.

    2. O mandril, acionado pela prensa, fura completamente o centro do tarugo.

    3. Em seguida, o êmbolo empurra o tarugo obrigando o material a passar pelo furo de uma matriz calibrada e por fora do mandril, formando o tubo.

Para tubos de aço a temperatura de aquecimento é da ordem de 1.200ºC; as prensas são sempre verticais e o esforço da prensa pode chegar a 1.500 t. os tubos de aço saem dessa primeira operação curtos e grossos; são levados então, ainda quentes, a um laminador de rolos para redução do diâmetro. Vão finalmente para outros laminadores que desempenam e ajustam as medidas do diâmetro e da espessura das paredes.

Fabricam-se por extrusão tubos de aço de pequenos diâmetros ( abaixo de 8 cm) e também tubos de alumínio, cobre, latão, chumbo e outros metais não ferrosos, bem como de materiais plásticos.

  1. Fundição – Nesses processos o material do tubo, em estado líquido, é despejado em moldes especiais, onde se solidifica adquirindo a forma final.

Fabricam-se por esse processo, tubos de ferro fundido, de alguns aços especiais não-forjáveis, e da maioria dos materiais não-metálicos, tais como: barro vidrado, concreto, cimento-amianto, borrachas, etc.

Para os tubos de ferro fundido e de boa qualidade, usa-se a fundição por centrifugação, em que o material líquido é lançado em um molde com movimento rápido de rotação, sendo então centrifugado contra as paredes do molde. O tubo resultante da fundição centrifugada tem uma textura mais homogênea e compacta e também paredes de espessura mais uniforme. Os tubos de concreto armado são também vibrados durante a fabricação para o adensamento do concreto.

Fabricação de tubos com costura

Fabricam-se pelos diversos processos com costura, descritos a seguir, tubos de aços-carbono, aços-liga, aços inoxidáveis e ferro forjado, em toda a faixa de diâmetros usuais na indústria.

Existem duas disposições da costura soldada: longitudinal (ao longo de uma geratriz do tubo) e espiral (Fig.4), sendo a longitudinal a empregada na maioria do casos.

Para os tubos com solda longitudinal a matéria-prima pode ser uma bobina de chapa fina enrolada, ou chapas planas avulsas. As bobinas são usadas para a fabricação contínua de tubos de pequeno diâmetro, empregando-se as chapas planas para os tubos de diâmetros médios e grandes. A bobina ou a chapa é calandrada no sentido do comprimento até formar o cilindro, sendo então as bordas entre si; a circunferência do tubo formado é a largura da bobina ou da chapa.

No caso da solda em espiral, a matéria-prima é sempre uma bobina (para a fabricação contínua), para todos os diâmetros, permitindo esse processo a fabricação de tubos de qualquer diâmetro, inclusive, muito grandes. A bobina é enrolada sobre si mesma, sendo a largura da bobina igual à distância entre duas espiras da solda.

Empregam-se também dois tipos de solda: de topo (butt-weld) e sobreposta (lap-weld), cujos detalhes estão mostrados na Fig.5 . A solda de topo é usada em todos os tubos soldados por qualquer dos processos com a adição de metal, e também nos tubos de pequeno diâmetro soldados por resistência elétrica. A solda sobreposta é empregada nos tubos de grande diâmetro soldados por resistência elétrica.

São os seguintes os processos industriais mais importantes de execução da solda:

    1. solda elétrica por arco protegido (com adição de metal do eletrodo):

      • solda por arco submerso(submerged arc welding)

      • solda com proteção de gás inerte(inert gás welding)

    1. solda por resistência elétrica (eletric resistance welding - ERW) (sem adição de metal).

Nos processos de solda com adição de metal, a bobina ou a chapa é sempre dobrada a frio até o diâmetro final; a conformação pode ser conseguida pela dobragem contínua da bobina por meio de rolos, em máquinas automáticas, ou pela calandragem ou prensagem de cada chapa. Qualquer que seja o processo de soldagem, a solda é feita sempre a topo e com o mínimo de dois passes, um dos quais, nos tubos de boa qualidade, é dado pelo lado interno do tubo. Em qualquer caso,exige-se sempre que os bordos da bobina ou da chapa sejam previamente aparados e chanfrados para a solda. A solda por arco submerso e a solda com proteção de gás inerte são feitas automática ou semi-automaticamente. O processo de solda manual é raramente empregado por ser anti-econômico.

Todos os processos de solda por arco protegido são usados principalmente para a fabricação de tubos de aço de grandes diâmetros (25 cm em diante), embora seja possível a fabricação de tubos desde 10 cm. A costura de solda pode ser longitudinal ou em espiral.

Os tubos com costura são quase sempre de qualidade inferior aos sem costura, mas o seu uso é bastante generalizado por serem geralmente mais baratos.

No passado foram muito usados, para diâmetros grandes, tubos de chapas de aço rebitado. Esses tubos, já há bastante tempo, estão completamente em desuso.

Fabricação de tubos soldados por resistência elétrica.

Nos processos de solda por resistência elétrica, a bobina de chapa depois de cortada na largura certa, é conformada inteiramente a frio, em uma máquina de fabricação contínua com rolos que comprimem a chapa de cima para baixo e depois lateralmente, como mostra a Fig.6 . Uma vez atingido o formato final do tubo, dá-se a solda pelo duplo efeito da passagem de uma corrente elétrica local de grande intensidade e da forte compressão de um bordo contra o outro pela ação de dois rolos laterais.

Há dois sistemas de condução da corrente elétrica ao tubo: 1- O processo dos discos de contato [Fig.7(a)] que rolam sobre o tubo com pequena pressão, próximos aos bordos a soldar. Esse processo aplica-se aos tubos de diâmetros acima de 15 cm. 2- Processo “Thermatool”, mais moderno e aplicável aos tubos de pequeno diâmetro, em que a corrente passa entre dois eletrodos de cobre maciço que deslizam suavemente sobre os bordos do tubo, como mostra a Fig.7(b).

Em qualquer dos casos, a corrente elétrica usada é sempre alternada, de baixa voltagem e de alta freqüência (até 400.000 ciclos/s). A corrente de alta freqüência tem a vantagem de produzir um aquecimento mais uniforme e mais local, pelo fato de caminhar apenas pela superfície do metal. A intensidade da corrente, que é sempre elevada, dependerá da espessura da chapa e da velocidade de passagem do tubo pelos eletrodos. A temperatura no local da solda é da ordem de 1.400ºc, devendo, por isso, tanto o tubo como os eletrodos, terem uma ampla circulação de óleo de resfriamento.

Imediatamente depois da solda, a rebarba externa é removida e em seguida o tubo é resfriado, desempenado, calibrado e cortado no comprimento certo.

Até 15 a 20 cm de diâmetro os tubos são soldados a topo, e para diâmetros maiores a solda é sobreposta, devendo os bordos ser previamente chanfrados.

As tolerâncias de fabricação dos tubos com costura de resistência elétrica (variação da espessura do diâmetro e ovalização) podem ser bem mais rigorosas do que as relativas aos tubos sem costura.

Os tubos de boa qualidade soldados por resistência elétrica costumam ser normalizados para o refinamento da estrutura próximo à solda, e para alívio das tensões resultantes da solda.

Os tubos fabricados por resistência elétrica apresentam quase sempre uma rebarba interna decorrente da solda, difícil de ser removida.

Tubos de aço-carbono

Devido ao seu baixo custo, excelentes qualidades mecânicas e facilidade de solda e de conformação, o aço-carbono é o denominado “material de uso geral” em tubulações industriais, isto é, só se deixa de empregar o aço-carbono quando houver alguma circunstância especial que proíba. Desta forma, todos os outros materiais são usados apenas em alguns casos específicos. Em indústrias de processamento, mais de 80% dos tubos são de aço-carbono, que é usado para água doce, vapor de baixa pressão, condensado, ar comprimido, óleos, gases e muitos outros fluidos pouco corrosivos, em temperaturas desde -45ºC e a qualquer pressão.

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