apostila - caldeiraria tubulação industrial - senai

(Parte 1 de 6)

Departamento Regional do Espírito Santo 3

CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Caldeiraria Caldeiraria

Tubulação Industrial

4 Companhia Siderúrgica de Tubarão

Matemática Aplicada - Caldeiraria

© SENAI - ES, 1997

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

Coordenação Geral

Supervisão

Elaboração Aprovação

Editoração

Luís Cláudio Magnago Andrade (SENAI) Marcos Drews Morgado Horta (CST)

Alberto Farias Gavini Filho (SENAI) Wenceslau de Oliveira (CST))

Carlos Roberto Sebastião

(SENAI)

Silvino Valadares Neto (CST) Nelson de Brito Braga (CST)

Ricardo José da Silva (SENAI)

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial DAE - Divisão de Assistência às Empresas Departamento Regional do Espírito Santo Av. Nossa Senhora da Penha, 2053 - Vitória - ES. CEP 29045-401 - Caixa Postal 683 Telefone: (027) 325-0255 Telefax: (027) 227-9017

CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão AHD - Divisão de Desenvolvimento de Recursos Humanos AV. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n, Jardim Limoeiro - Serra - ES. CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1322 Telefax: (027) 348-1077

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Tubulação Industrial	03
• Principais materiais para Tubos	03
• Processos de Fabricação de Tubos	04
• Fabricação de tubos por laminação	04
• Processos de Extrusão e Fundição	07
• Fabricação de tubos com costura	08
• Fabricação de tubos soldados por resistência elétrica	10
• Tubos de aço-carbono	12
• Especificações para tubos de aço-carbono	14
• Aços-liga e Aços-inoxidáveis - Casos gerais de emprego	17
• Tubos de Aços-liga	18
• Tubos de Aços inoxidáveis	20
• Diâmetros comerciais dos “Tubos para Condução” de aço	21
• Espessuras de parede dos “Tubos para Condução” de aço	23
• Dados para encomenda ou requisição de tubos	24
• Tubos de aço fabricados no Brasil	24
• Tubos de ferro fundido e de ferro forjado	24
• Tubos de metais não-ferrosos	26
• Diâmetros e espessuras dos tubos não-ferrosos	28
• Tubos não-metálicos	29
• Tubos de materiais plásticos	32
• Principais materiais plásticos para tubulação	34
• Tubos de aço com revestimentos internos	35
Meios de ligação de tubos	37
• Principais meios de ligação de tubos	37
• Ligações Rosqueadas	38
• Ligações Soldadas	39
• Solda do topo e solda de encaixe	40
• Ligações Flangeadas	42
• Tipos de Flanges para tubos	43
• Faceamento dos flanges	46
• Materiais, Fabricação, Classes e Diâmetros comerciais dos flanges de aço	47
• Flanges de outros materiais	51
• Juntas para flanges	51
• Parafusos e estojos para flanges	54
• Ligações de ponta de bolsa	56
• Outros meios de ligação de tubos	59
• Sistemas de ligação para tubulações de aços	62

Sumário Juntas de expansão ................................................................................................. 63

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• Juntas de expansão	63
• Movimentos das juntas de expansão	6
• Juntas de telescópio	67
• Juntas de fole ou de sanfona	68
• Tipos de juntas de expansão de fole	69
Purgadores de vapor, separadores diversos e filtros	73
• Definição e finalidades do purgadores de vapor	73
• Casos típicos de emprego de purgadores	74
• Detalhes de instalação dos purgadores de vapor	7
• Principais tipod de purgadores de vapor	80
• Escolha e dimensionamento dos purgadores de vapor	85
• Cálculo da quantidade de condensado a eliminar	89
• Outros dispositivos separadores	91
• Filtros para tubulações	94
• Filtros provisórios e permanentes	95
Emprego da Tubulações Industriais	9
• Classificação das Tubulações Industriais quanto ao emprego	9
• Classificação das tubulações industriais quanto ao fluido conduzido	101
• Tubulações para Água Doce	102
• Tubulações para água salagada	103
• Tubulações para vapor	105
• Tubulações para hidrocarbonetos	107
• Tubulações para ar comprimido	109
• Tubulações para temperaturas elevadas	110
• Tubulações para baixas temperaturas	1
• Tubulações para gases	1
• Tubulações para hidrogênio	112
• Tubulações para ácidos e para álcalis	113
• Tubulações para esgotos e para drenagem	115
• Facilidades para montagem, operação e manutenção	116
• Fixação de cotas de elevação de tubulações e de equipamentos	119
• Detalhes de tubulação	122
• Detalhes especiais em áreas de processamento	128
• Tubulações subterrâneas	130
• Tubulações de esgotos	132
Suporte de tubulação	135
• Definição e classificação dos suportes de tubulação	135
• Cargas que atuam sobre os suportes	136
• Suportes imóveis	137
• Contato entre os tubos e os suportes	139
• Suportes semimóveis, suportes para tubos verticais	141

• Suportes especiais para tubos leves .................................................................... 143

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• Suportes móveis	143
• Suportes de mola	145
• Suportes de contrapeso	149
• Suportes que limitam os movimentos dos tubos	150
• Finalidades dos suportes que limitam os movimentos dos tubos	152

movimentos	154
• Suportes para tubos sujeitos a vibrações	157
• Localização dos suportes de tubulação	158
• Projeto dos suportes de tubulação	158
• Estruturas de apoio e fundações	161
Alinhamento do Tubo	165
Fluxogramas	171

• Exemplos de emprego e localização dos dispositivos de limitação de • Desenhos isométricos ......................................................................................... 178

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Tubulação Industrial

Principais materiais para Tubos

Empregam-se hoje em dia uma variedade muito grande de materiais para a fabricação de tubos. Só a A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials) 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 inoxidáveis (stainless-steel)

Ferrosos Ferro fundido (cast iron)

Ferro forjado (wrought iron) Ferros ligados (alloy cast iron) Tubos metálicos Ferro modular (nodular cast iron)

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

Epoxi 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 de elastômeros (borrachas), ebonite, asfalto concreto vidro, porcelana, etc.

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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 (rolling) 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 dos quais é o processo “Mannesmann”, que consiste resumidamente nas seguintes operações:

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

Fig. 1 Fabricação de tubos por laminação - Laminador oblíquo “Mannesmann”. (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.)

2. 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.

3. 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.

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

5. O tubo sofre, finalmente, uma série de operação 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).

Fig. 2 Fabricação de tubos por laminação - Laminadores de acabamento. (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.)

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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):

Fig. 3 Fabricação de tubos por extrusão (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.) a) O êmbolo da prensa, cujo diâmetro é o mesmo do tarugo, encosta-se no tarugo.

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

c) 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 1.200°C; 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.

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2. Fundição — Nesses processos o material do tubo, em estado líquido, é despejado em moldes especiais, onde solidifica-se 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, cimentoamianto, 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 paredesdo 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 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 dos casos.

Fig. 5 Tipos de solda em tubos com costura. Fig. 4 Tubo com solda em espiral.

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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 distancia 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 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:

a) 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 gas welding).

b) Solda por resistência elétrica (electric 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 antieconômico.

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.

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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 chapa de aço rebitada. 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.

Fig. 6 Fabricação de tubos por solda de resistência elétrica. (Cortesia da Cia. Siderúrgica Mannesmann.)

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 400.0 ciclos/s). A corrente de alta freqüência tem a vantagem de

16 Companhia Siderúrgica de Tubarão 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 1.400°C, 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 serem 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.

Fig. 7 Processos de soldagem por resistência elétrica.

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.

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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 circunstancia 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 — 45°C, e a qualquer pressão.

Alguns tubos de aço-carbono são galvanizados, ou seja, com um revestimento interno e externo de zinco depositado a quente, com a finalidade de dar maior resistência à corrosão.

A resistência mecânica do aço-carbono começa a sofrer uma forte redução em temperaturas superiores a 400°C, devido principalmente ao fenômeno de deformações permanentes por fluência (creep), que começa a ser observado a partir de 370°C, e que deve ser obrigatoriamente considerado para qualquer serviço em temperaturas acima de 400°C. As deformações por fluência serão tanto maiores e mais rápidas quanto mais elevada for a temperatura, maior for a tensão no material e mais longo for o tempo durante o qual o material esteve submetido à temperatura. (*)

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