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1 ENGENHARIA E SEGURANÇA DO TRABALHO NR-13 VASOS DE PRESSÃO PROFISSIONAL HABILITADO ENGº SATYRO LUIZ SILVA TAVARES / RNP 06016275-04 ENGº MECÂNICO (Graduado) ENGº DE SEGURANÇA DO TRABALHO (Pós-Graduado) ENGº DE PETRÓLEO E GÁS (Pós-Graduado) Fortaleza, 26 de janeiro de 2018. 2 Sumário 1. Introdução. .................................................................................................................................... 1 2. Aplicações. .................................................................................................................................... 1 3. Classificação de vasos de pressão. ............................................................................................... 1 a. Quanto à presença de chama ou não. ............................................................................................ 1 b. Quanto à pressão de operação. .................................................................................................... 2 c. Quanto ao formato. ...................................................................................................................... 2 d. Quanto à posição de instalação ..................................................................................................... 4 e. Componentes estruturais .............................................................................................................. 7 4. Noções sobre projetos de vasos de pressão. ............................................................................... 12 a. Pressão de operação ................................................................................................................. 12 b. Temperatura de operação ........................................................................................................... 12 c. Pressão de projeto ..................................................................................................................... 12 d. Temperatura de projeto .............................................................................................................. 13 e. Pressão Máxima Admissível de Trabalho ..................................................................................... 13 f. Espessura de parede de um vaso ................................................................................................ 14 5. Seleçãp de materiais de confecção de vasos de pressão. ............................................................ 14 6. Razões para inspeção de um vasos de pressão. .......................................................................... 15 7. Citamos alguns equipamentos considerados vasos de pressão, conforme NR-13: ...................... 15 8. Quais os ramos de atividades que utilizam vasos de pressão? .................................................... 16 9. Trocador de Calor ........................................................................................................................ 17 a. Definição ................................................................................................................................... 17 b. Equipamento ............................................................................................................................. 19 c. Classificação do trocadores e calor .............................................................................................. 20 d. Tipos de Trocadores ................................................................................................................... 21 10. Fornos. ..................................................................................................................................... 23 a. Definição ................................................................................................................................... 23 b. Classificação dos fornos ............................................................................................................. 25 c. Partes constituintes. ................................................................................................................... 28 11. Alto fornos. .............................................................................................................................. 37 12. Noções de grandezas físicas e unidades. ................................................................................. 39 3 a. Pressão; .................................................................................................................................... 39 b. Pressão interna de um vaso de pressão. ...................................................................................... 40 c. Calor e Temperatura. ................................................................................................................. 42 13. Inspeção de segurança. ........................................................................................................... 56 a. INSPEÇÃO EXTERNA ............................................................................................................... 57 b. INSPEÇÃO INTERNA ................................................................................................................ 57 c. TESTE HIDROSTÁTICO ............................................................................................................ 58 d. EXAME DE ULTRA-SOM ........................................................................................................... 58 14. Legislação e normalização. ...................................................................................................... 60 15. NR-13. ...................................................................................................................................... 62 1 1 1. Introdução. Segundo Silva Telles (1996), vasos de pressão designam genericamente todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter um fluido sob pressão. Essa definição é ampla, e inclui diversos equipamentos, desde uma panela de pressão ou botijão de gás até os mais sofisticados reatores nucleares ou aquecedores, trocadores de calor, etc. No entanto, neste trabalho serão abordados apenas os tipos de vasos de pressão que podem ser considerados como equipamentos de processos, ou seja, equipamentos usados em indústrias, em processos de transformações da matéria (físicas e/ou químicas), ou as que se dedicam a armazenagem, manuseio e distribuição de fluidos. 2. Aplicações. De forma geral, os vasos de pressão são empregados em três condições distintas: Armazenamento de gases sob pressão: os gases são armazenados sob pressão para que se possa ter um grande peso em um volume relativamente pequeno. Acumulação intermediaria de líquidos e gases: isto ocorre em sistemas onde é necessária armazenagem de líquidos ou gases em etapas de um mesmo processo ou entre processos diversos. Processamento de gases e líquidos: Inúmeros processos de transformação em líquidos e gases precisam ser efetuados sob pressão. 3. Classificação de vasos de pressão. a. Quanto à presença de chama ou não. Os vasos sujeitos a chama são aqueles onde há presença de fogo. Os não sujeitos à chama apesar de não apresentarem fogo podem, em muitos casos, trabalhar em elevadas temperatura. Assim, pode-se separar os vasos em dois grupos: 1. Vasos não sujeitos a chama: Vasos de armazenamento e de acumulação Torres de destilação fracionada, retificação, absorção,etc 2 2 Reatores diversos Esferas de armazenamento de gases Permutadores de calor 2. Vasos sujeitos a chama: Fornos Caldeiras b. Quanto à pressão de operação. Os vasos podem classificados quanto a sua pressão de operação: c. Quanto ao formato. Basicamente, a paredeperiódicas é importante também o registro e tratamento das de deterioração de uma planta e seus pontos críticos. Por exemplo, levantamentos estatísticos feitos em plantas petroquímicas mostram que 50% das falhas em vasos de pressão ocorrem em tubulações de pequeno diâmetro (diâmetro inferior a 2”). Essa informação pode orientar para o estabelecimento de uma periodicidade de inspeção menor para essas partes do vaso, bem como o emprego de técnicas de inspeção que possam ser executadas com o equipamento na condição normal de operação (exemplo: gamagrafia, 57 57 ultra-som, etc.). Outra constatação interessante é que 70% das falhas registradas em permutadores de calor, do tipo feixe tubular, ocorrem por corrosão nos tubos do feixe. Essa informação pode significar que o intervalo de inspeção do vaso deve ser governado pela vida do feixe. Entende-se como acesso disponível ao equipamento para a execução da inspeção a possibilidade de entrar no seu interior. Assim, a inspeção pode ser dividida como segue: a. INSPEÇÃO EXTERNA Essa inspeção pode ser executada com o equipamento na sua condição normal de operação ou com este fora de operação. A inspeção externa de um vaso de pressão tem como principal finalidade avaliar a superfície externa do casco, bem como todos os acessórios externos ligados ao casco. Na inspeção externa não é necessário acesso total ao vaso, mas apenas aos pontos considerados críticos ou que venham a despertar suspeita durante a inspeção. Essa inspeção é visual e pode ou não ser acompanhada de medição de espessura com ultra-som ou outro método de inspeção. Essa inspeção tem intervalo máximo (tempo entre inspeções) definido pela Norma Regulamentadora N013 do Ministério do Trabalho, em função das dimensões do vaso, das características do meio contido no vaso e das habilidades comprovadas do setor de inspeção existente na empresa. b. INSPEÇÃO INTERNA É quando a inspeção só pode ser realizada com o equipamento fora de operação, drenado e após neutralização do meio no interior do vaso. A inspeção interna de um vaso de pressão tem como principal finalidade avaliar a superfície interna do casco, bem como todos os acessórios internos ligados ou não diretamente ao seu casco. Para a inspeção interna não é necessária a remoção dos internos e acessórios ligados ao casco, mas apenas a remoção do necessário adequado para um acesso aos pontos considerados críticos, de controle ou que venham a despertar suspeita durante a inspeção do vaso. Essa inspeção também tem intervalo máximo (tempo entre inspeções) definido pela Norma 58 58 Regulamentadora N013 do Ministério do Trabalho, em função das dimensões do vaso, das características do meio contido no vaso e das habilidades comprovadas do setor de inspeção existente na empresa. c. TESTE HIDROSTÁTICO Trata-se de uma avaliação da resistência mecânica do vaso quando este é pressurizado em valores acima das condições normais de operação na temperatura ambiente e usando água como fluido. Portanto, o vaso deve ser retirado da condição normal de operação para executar o teste. Não é necessária a remoção do isolamento externo ou pintura total do vaso na condição de manutenção a menos que se trate de um vaso novo ou que existam novas soldas a serem testadas, o mesmo vale para os vasos revestidos internamente. A remoção do revestimento interno e ou externo do vaso que não teve reparos de solda só deverá ser realizada quando houver alguma suspeita a ser avaliada. A pressão de teste deve ser definida por um Profissional Habilitado e que conheça as condições físicas atuais do vaso, bem como seu histórico operacional, de reparos e de inspeção. A pressão de teste na condição de manutenção pode não ser a mesma para avaliar a condição de projeto ou um reparo estrutural, mas sim uma pressão que garanta a segurança das pessoas e do meio ambiente quando o vaso estiver submetido a sua máxima condição operacional. Ë um teste exigido pela Norma Regulamentadora N013 do Ministério do Trabalho e também tem intervalo máximo de execução (tempo entre testes) definido em função das dimensões do vaso, das características do meio contido no vaso e das habilidades comprovadas do setor de inspeção existente na empresa. O teste hidrostático também é exigido quando o vaso for submetido a reparos com solda, modificações ou reparos estruturais. d. EXAME DE ULTRA-SOM CONCEITO: Nesta técnica emite-se uma onda sônica no interior do equipamento e analisa-se sua resposta. As falhas típicas detectadas por esta técnica são trincas ou vazios internos e 59 59 superficiais, bem como impurezas internas no metal ou soldas. Além de ser largamente usado na avaliação de perda de espessura. O sucesso deste método é grandemente influenciado pela posição do refletor em relação ao feixe sônico aplicado. APLICAÇÕES: Pode ser usado em materiais metálicos ou não metálicos, numa faixa de espessura entre 2,5 e 254 mm, para valores fora dessa faixa são necessárias técnicas especiais. A temperatura da superfície deve estar abaixo de 150o C, para valores maiores são necessários equipamentos e procedimentos especiais. Esse exame pode ser aplicado em fundidos, forjados, laminados e vasos de pressão para inspeção de soldas ou da matéria prima a ser aplicada na fabricação. A preparação da superfície requerida é a remoção de carepas, tinta não aderida, produtos de corrosão ou outros depósitos que possam impedir ou prejudicar o acoplamento do cabeçote. VANTAGENS: Detecção de falhas internas em materiais e soldas. Além de ser usado para acompanhar o desenvolvimento de defeitos, devido a sua grande capacidade de repetibilidade dos resultados. LIMITAÇÕES: Materiais de granulação grosseira, como soldas austeníticas e alguns fundidos, podem dificultar a interpretação dos resultados. Geometrias complicadas e pouco acesso podem dificultar uma melhor inspeção. Deve se ter cuidado também na escolha dos equipamentos mais adequados para cada serviço. NOTA: O exame de ultra-som automatizado é indicado quando se deseja um acompanhamento mais detalhado da evolução de uma falha do tipo trinca, áreas com redução de espessura, etc. O sistema automatizado geralmente é formado por um computador que controla simultaneamente a inspeção com dois ou mais cabeçotes. Os sinais recebidos são armazenados junto com a posição correspondente da origem do sinal. As principais vantagens desta técnica automatizada são: - Uma visão de várias posições de uma falha com a identificação do comprimento, localização, profundidade, largura e orientação. - Todos os resultados da inspeção são armazenados num disquete e podem ser analisados na época oportuna e por várias pessoas. 60 60 - A interferência do inspetor é minimizada. 14. Legislação e normalização. a. O Ministério do Trabalho e Emprego (MTE); As Normas regulamentadoras são de observância obrigatória, tanto para empresas, pessoa jurídica, quanto por qualquer outro que possua empregados regidos pela CLT. O Ministério do Trabalho e Emprego (MTE); A Secretaria de Segurança e Saúde no Trabalho (SSST); (NR 13 – Caldeiras e Vaso de Pressão). As caldeiras estão enquadradas especificamente na norma regulamentadora NR-13 Caldeiras e Vasos de Pressão, mas naturalmente está agregado a essa norma outras normas que preveem a integridade da saúde e segurança da vida do operador de caldeira ou pessoas ligadas ao setor (manutenção, inspeção, etc).Essas normas abrangem todos os requisitos para a execução de atividade do trabalhador junto a equipamentos como a caldeira de forma que não ocorra acidentes nem lesões graves sendo que a observância maior se dá intrinsecamente com base na NR-13 onde o a capacitação e conhecimento técnico do operador de caldeira são requisitos primordiais para a execução de sua atividade com segurança. São essas normas previstastambém pelo MTE, como: NR 4 - Serviços especializados em engenharia de segurança e em medicina do trabalho (SESMT). NR 6 - Equipamento de Proteção Individual – EPI NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade NR 12 – Segurança no trabalho em máquinas e equipamentos NR 13 - Caldeiras e Vasos de Pressão NR 14 - Fornos NR-15 - Atividades e Operações Insalubres / Anexo Nº 13 NR 17 – Ergonomia NR 20 – Segurança e saúde no trabalho com inflamáveis e combustíveis. NR 23 - Proteção Contra Incêndios 61 61 NR 26 - Sinalização de Segurança NR 33 - Segurança e Saúde nos trabalhos em espaço confinado NR 35 – Segurança e Saúde no Trabalho em altura b. Normas técnicas de construção, manutenção e operação da caldeira. As normas de projetos de vasos de pressão, são, como o próprio nome diz, são textos normativos desenvolvidos por associações técnicas ou por sociedade de normalização públicas ou particulares. São várias as normas de regulamentação sobre caldeiras, abrangendo de todas as formas os critérios de segurança que uma caldeira pode exigir dentre elas citamos algumas, como: NR 13 – Segurança e Medicina do trabalho. ASME - American Society of Mechanical Engineers, Section VIII – Rules for Construction of Pressure Vessels. ABM - Associação Brasileira de Metais. INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. ASA - American Standard Association. ASTM - American Society for Testing and Materials. AWS - American Welding Society. A norma da American Society of Mechanical Engineers (ASME) sobre caldeiras e vasos de pressão existe desde 1914, e estabelece parâmetros de projeto, fabricação e inspeção dos equipamentos citados. Atualmente ela é atualizada com freqüência anual, por um comitê de mais de 950 engenheiros voluntários, e está em sua edição 2007 - Boiler and Pressure Vessel Code – 2007 Edition. As normas de projeto levam em consideração muitas características funcionais e operacionais, como: Aplicação Fluido utilizado Temperatura Pressão 62 62 Etc. Quando se fala de projeto está inserido na palavra tudo que diz respeito ao funcionamento e segurança do vaso, como: Materiais da chapa, tubos, e conexões. Tratamentos térmicos Inspeções de soldas Teste de ensaio não destrutivo Procedimentos de inspeção e qualificação. Etc. 15. NR-13. i. Pontos importantes da norma regulamentadora. 13.1. Introdução. 13.1.1. Esta Norma Regulamentadora – NR estabelece requisitos mínimos para gestão da integridade estrutural de caldeiras a vapor, vasos de pressão e suas tubulações de interligação nos aspectos relacionados à instalação, inspeção, operação e manutenção, visando à segurança e à saúde dos trabalhadores. 13.5. Vasos de Pressão 13.5.1. Vasos de pressão – disposições gerais. 13.5.1.1. Vasos de pressão são equipamentos que contêm fluidos sob pressão interna ou externa, diferente da atmosférica. 13.5.1.2. Para efeito desta NR, os vasos de pressão são classificados em categorias segundo a classe de fluido e o potencial de risco. a) Os fluidos contidos nos vasos de pressão são classificados conforme descrito a seguir: Classe A: - fluidos inflamáveis; - fluidos combustíveis com temperatura superior ou igual a 200 ºC (duzentos graus Celsius); - fluidos tóxicos com limite de tolerância igual ou inferior a 20 (vinte) partes por milhão (ppm); - hidrogênio; 63 63 - acetileno. Classe B: - fluidos combustíveis com temperatura inferior a 200 ºC (duzentos graus Celsius); - fluidos tóxicos com limite de tolerância superior a 20 (vinte) partes por milhão (ppm). Classe C: - vapor de água, gases asfixiantes simples ou ar comprimido. Classe D: - outro fluido não enquadrado acima. b) Quando se tratar de mistura deverá ser considerado para fins de classificação o fluido que apresentar maior risco aos trabalhadores e instalações, considerando-se sua toxicidade, inflamabilidade e concentração. c) Os vasos de pressão são classificados em grupos de potencial de risco em função do produto P.V, onde P é a pressão máxima de operação em MPa e V o seu volume em m3, conforme segue: Grupo 1 – P.V ≥ 100 Grupo 2 – P.V 20 ppm I II III IV IV C - Vapor de água Gases asfixiantes simples Ar comprimido I II III IV V D - Outro fluido II III IV V V Notas: a) Considerar volume em m³ e pressão em MPa; b) Considerar 1 MPa correspondente a 10,197 kgf/cm². 13.5.1.3. Os vasos de pressão devem ser dotados dos seguintes itens: a) válvula ou outro dispositivo de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior à PMTA, instalado diretamente no vaso ou no sistema que o inclui, considerados os requisitos do código de projeto relativos a aberturas escalonadas e tolerâncias de calibração; b) meios utilizados contra o bloqueio inadvertido de dispositivo de segurança quando este não estiver instalado diretamente no vaso; c) instrumento que indique a pressão de operação, instalado diretamente no vaso ou no sistema que o contenha. 13.5.1.4. Todo vaso de pressão deve ter afixado em seu corpo, em local de fácil acesso e bem visível, placa de identificação indelével com, no mínimo, as seguintes informações: a) fabricante; b) número de identificação; c) ano de fabricação; 65 65 d) pressão máxima de trabalho admissível; e) pressão de teste hidrostático de fabricação; f) código de projeto e ano de edição. 13.5.1.5. Além da placa de identificação, deve constar, em local visível, a categoria do vaso, conforme item 13.5.1.2, e seu número ou código de identificação. 13.5.1.6. Todo vaso de pressão deve possuir, no estabelecimento onde estiver instalado, a seguinte documentação devidamente atualizada: a) Prontuário do vaso de pressão a ser fornecido pelo fabricante, contendo as seguintes informações: - código de projeto e ano de edição; - especificação dos materiais; - procedimentos utilizados na fabricação, montagem e inspeção final; - metodologia para estabelecimento da PMTA; - conjunto de desenhos e demais dados necessários para o monitoramento da sua vida útil; - pressão máxima de operação; - registros documentais do teste hidrostático; - características funcionais, atualizadas pelo empregador sempre que alteradas as originais; - dados dos dispositivos de segurança, atualizados pelo empregador sempre que alterados os originais; - ano de fabricação; - categoria do vaso, atualizada pelo empregador sempre que alterada a original; b) Registro de Segurança em conformidade com o item 13.5.1.8; c) Projeto de Instalação em conformidade com os itens 13.5.2.4 e 13.5.2.5; d) Projeto de alteração ou reparo em conformidade com os itens 13.3.6 e 13.3.7; e) Relatórios de inspeção em conformidade com o item 13.5.4.13; f) Certificados de calibração dos dispositivos de segurança, onde aplicável. 13.5.1.7. Quando inexistenteou extraviado, o prontuário do vaso de pressão deve ser reconstituído pelo empregador, com responsabilidade técnica do fabricante ou de PH, sendo imprescindível a reconstituição das premissas de projeto, dos dados dos dispositivos de segurança e da memória de cálculo da PMTA. 66 66 13.5.1.8. O Registro de Segurança deve ser constituído por livro de páginas numeradas, pastas ou sistema informatizado com confiabilidade equivalente onde serão registradas: a) todas as ocorrências importantes capazes de influir nas condições de segurança dos vasos de pressão; b) as ocorrências de inspeções de segurança periódicas e extraordinárias, devendo constar a condição operacional do vaso. 13.5.1.9. A documentação referida no item 13.5.1.6 deve estar sempre à disposição para consulta dos operadores, do pessoal de manutenção, de inspeção e das representações dos trabalhadores e do empregador na Comissão Interna de Prevenção de Acidentes – CIPA, devendo o empregador assegurar pleno acesso a essa documentação inclusive à representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento, quando formalmente solicitado. 13.5.2. Instalação de vasos de pressão. 13.5.2.1. Todo vaso de pressão deve ser instalado de modo que todos os drenos, respiros, bocas de visita e indicadores de nível, pressão e temperatura, quando existentes, sejam facilmente acessíveis. 13.5.2.2. Quando os vasos de pressão forem instalados em ambientes fechados, a instalação deve satisfazer os seguintes requisitos: a) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente desobstruídas, sinalizadas e dispostas em direções distintas; b) dispor de acesso fácil e seguro para as atividades de manutenção, operação e inspeção, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas; c) dispor de ventilação permanente com entradas de ar que não possam ser bloqueadas; d) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes; e) possuir sistema de iluminação de emergência. 13.5.2.3. Quando o vaso de pressão for instalado em ambiente aberto, a instalação deve satisfazer as alíneas “a”, “b”, “d” e “e” do item 13.5.2.2. 13.5.2.4. A autoria do projeto de instalação de vasos de pressão enquadrados nas categorias I, II e III, conforme item 13.5.1.2, no que concerne ao atendimento desta NR, é de responsabilidade de PH e deve obedecer aos aspectos de segurança, saúde e meio ambiente previstos nas Normas Regulamentadoras, convenções e disposições legais aplicáveis. 13.5.2.5. O projeto de instalação deve conter pelo menos a planta baixa do estabelecimento, com o posicionamento e a categoria de cada vaso e das instalações de segurança. 67 67 13.5.2.6. Quando o estabelecimento não puder atender ao disposto no item 13.5.2.2, deve ser elaborado projeto alternativo de instalação com medidas complementares de segurança que permitam a atenuação dos riscos. 13.5.3. Segurança na operação de vasos de pressão. 13.5.3.1. Todo vaso de pressão enquadrado nas categorias I ou II deve possuir manual de operação próprio ou instruções de operação contidas no manual de operação de unidade onde estiver instalado, em língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores, contendo no mínimo: a) procedimentos de partidas e paradas; b) procedimentos e parâmetros operacionais de rotina; c) procedimentos para situações de emergência; d) procedimentos gerais de segurança, saúde e de preservação do meio ambiente. 13.5.3.2. Os instrumentos e controles de vasos de pressão devem ser mantidos calibrados e em boas condições operacionais. 13.5.3.2.1. Poderá ocorrer à neutralização provisória nos instrumentos e controles, desde que não seja reduzida a segurança operacional, e que esteja prevista nos procedimentos formais de operação e manutenção, ou com justificativa formalmente documentada, com prévia análise técnica e respectivas medidas de contingência para mitigação dos riscos, elaborada por PH. 13.5.3.3. A operação de unidades que possuam vasos de pressão de categorias I ou II deve ser efetuada por profissional capacitado conforme item “B” do Anexo I desta NR. 13.5.4. Inspeção de segurança de vasos de pressão. 13.5.4.1. Os vasos de pressão devem ser submetidos a inspeções de segurança inicial, periódica e extraordinária. 13.5.4.2. A inspeção de segurança inicial deve ser feita em vasos de pressão novos, antes de sua entrada em funcionamento, no local definitivo de instalação, devendo compreender exames externo e interno. 13.5.4.3. Os vasos de pressão devem obrigatoriamente ser submetidos a Teste Hidrostático – TH em sua fase de fabricação, com comprovação por meio de laudo assinado por PH, e ter o valor da pressão de teste afixado em sua placa de identificação. 13.5.4.3.1. Na falta de comprovação documental de que o Teste Hidrostático-TH tenha sido realizado na fase de fabricação, se aplicará o disposto a seguir: a) para equipamentos fabricados ou importados a partir da vigência desta NR, o TH deve ser feito durante a inspeção de segurança inicial; 68 68 b) para equipamentos em operação antes da vigência desta NR, a critério do PH, o TH deve ser realizado na próxima inspeção de segurança periódica. 13.5.4.4. Os vasos de pressão categorias IV ou V de fabricação em série, certificados pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia – INMETRO, que possuam válvula de segurança calibrada de fábrica ficam dispensados da inspeção inicial e da documentação referida no item 13.5.1.6, alínea “c), desde que instalados de acordo com as recomendações do fabricante. 13.5.4.4.1. Deve ser anotada no Registro de Segurança a data da instalação do vaso de pressão a partir da qual se inicia a contagem do prazo para a inspeção de segurança periódica. 13.5.4.5. A inspeção de segurança periódica, constituída por exames externo e interno, deve obedecer aos seguintes prazos máximos estabelecidos a seguir: a) para estabelecimentos que não possuam SPIE, conforme citado no Anexo II: Categoria do Vaso Exame Externo Exame Interno I 1 ano 3 anos II 2 anos 4 anos III 3 anos 6 anos IV 4 anos 8 anos V 5 anos 10 anos b) para estabelecimentos que possuam SPIE, conforme citado no Anexo II, consideradas as tolerâncias nele previstas: Categoria do Vaso Exame Externo Exame Interno I 3 anos 6 anos II 4 anos 8 anos III 5 anos 10 anos 69 69 IV 6 anos 12 anos V 7 anos a critério 13.5.4.6. Vasos de pressão que não permitam acesso visual para o exame interno ou externo por impossibilidade física devem ser submetidos alternativamente a outros exames não destrutivos e metodologias de avaliação da integridade, a critério do PH, baseados em normas e códigos aplicáveis à identificação de mecanismos de deterioração. 13.5.4.7. Vasos de pressão com enchimento interno ou com catalisador podem ter a periodicidade de exame interno ampliada, de forma a coincidir com a época da substituição de enchimentos ou de catalisador, desde que esta ampliação seja precedida de estudos conduzidos por PH ou por grupo multidisciplinar por ele coordenado, baseados em normas e códigos aplicáveis, onde sejam implementadas tecnologias alternativas para a avaliação da sua integridade estrutural. 13.5.4.8. Vasos de pressão com temperatura de operação inferior a 0 ºC (zero grau Celsius) e que operem em condições nas quais a experiência mostre que não ocorre deterioração devem ser submetidos a exame interno a cada 20 (vinte) anos e exame externo a cada 2 (dois) anos. 13.5.4.9. As válvulas de segurança dos vasos de pressão devem ser desmontadas, inspecionadas e calibradas com prazo adequado à sua manutenção, porém, não superior ao previsto para a inspeção de segurança periódica interna dos vasos de pressão por elas protegidos. 13.5.4.10. A inspeção de segurança extraordinária deve ser feita nas seguintes oportunidades: a) sempre queo vaso de pressão for danificado por acidente ou outra ocorrência que comprometa sua segurança; b) quando o vaso de pressão for submetido a reparo ou alterações importantes, capazes de alterar sua condição de segurança; c) antes do vaso de pressão ser recolocado em funcionamento, quando permanecer inativo por mais de 12 (doze) meses; d) quando houver alteração do local de instalação do vaso de pressão, exceto para vasos móveis. 13.5.4.11. A inspeção de segurança deve ser realizada sob a responsabilidade técnica de PH. 13.5.4.12. Imediatamente após a inspeção do vaso de pressão, deve ser anotada no Registro de Segurança a sua condição operacional, e, em até 60 (sessenta) dias, deve ser emitido o relatório, que passa a fazer parte da sua documentação, podendo este prazo ser estendido para 90 (noventa) dias em caso de parada geral de manutenção. 70 70 13.5.4.13. O relatório de inspeção, mencionado no item 13.5.1.6, alínea “e”, deve ser elaborado em páginas numeradas, contendo no mínimo: a) identificação do vaso de pressão; b) fluidos de serviço e categoria do vaso de pressão; c) tipo do vaso de pressão; d) data de início e término da inspeção; e) tipo de inspeção executada; f) descrição dos exames e testes executados; g) resultado das inspeções e intervenções executadas; h) parecer conclusivo quanto a integridade do vaso de pressão até a próxima inspeção; i) recomendações e providências necessárias; j) data prevista para a próxima inspeção; k) nome legível, assinatura e número do registro no conselho profissional do PH e nome legível e assinatura de técnicos que participaram da inspeção. 13.5.4.14. Sempre que os resultados da inspeção determinarem alterações das condições de projeto, a placa de identificação e a documentação do prontuário devem ser atualizadas. 13.5.4.15. As recomendações decorrentes da inspeção devem ser implementadas pelo empregador, com a determinação de prazos e responsáveis pela sua execução. 13.6. Tubulações 13.6.1. Tubulações – Disposições Gerais 13.6.1.1. As empresas que possuem tubulações e sistemas de tubulações enquadradas nesta NR devem possuir um programa e um plano de inspeção que considere, no mínimo, as variáveis, condições e premissas descritas abaixo: a) os fluidos transportados; b) a pressão de trabalho; c) a temperatura de trabalho; d) os mecanismos de danos previsíveis; 71 71 e) as consequências para os trabalhadores, instalações e meio ambiente trazidas por possíveis falhas das tubulações. 13.6.1.2. As tubulações ou sistemas de tubulação devem possuir dispositivos de segurança conforme os critérios do código de projeto utilizado, ou em atendimento às recomendações de estudo de análises de cenários de falhas. 13.6.1.3. As tubulações ou sistemas de tubulação devem possuir indicador de pressão de operação, conforme definido no projeto de processo e instrumentação. 13.6.1.4. Todo estabelecimento que possua tubulações, sistemas de tubulação ou linhas deve ter a seguinte documentação devidamente atualizada: a) especificações aplicáveis às tubulações ou sistemas, necessárias ao planejamento e execução da sua inspeção; b) fluxograma de engenharia com a identificação da linha e seus acessórios; c) PAR em conformidade com os itens 13.3.6 e 13.3.7; d) relatórios de inspeção em conformidade com o item 13.6.3.9. 13.6.1.5. Os documentos referidos no item 13.6.1.4, quando inexistentes ou extraviados, devem ser reconstituídos pelo empregador, sob a responsabilidade técnica de um PH. 13.6.1.6. A documentação referida no item 13.6.1.4 deve estar sempre à disposição para fiscalização pela autoridade competente do Órgão Regional do Ministério do Trabalho e Emprego, e para consulta pelos operadores, pessoal de manutenção, de inspeção e das representações dos trabalhadores e do empregador na Comissão Interna de Prevenção de Acidentes – CIPA, devendo, ainda, o empregador assegurar o acesso a essa documentação à representação sindical da categoria profissional predominante no estabelecimento, quando formalmente solicitado. 13.6.2. Segurança na operação de tubulações 13.6.2.1. Os dispositivos de indicação de pressão da tubulação devem ser mantidos em boas condições operacionais. 13.6.2.2. As tubulações de vapor e seus acessórios devem ser mantidos em boas condições operacionais, de acordo com um plano de manutenção elaborado pelo estabelecimento. 13.6.2.3. As tubulações e sistemas de tubulação devem ser identificáveis segundo padronização formalmente instituída pelo estabelecimento, e sinalizadas conforme a NR-26. 13.6.3. Inspeção periódica de tubulações 13.6.3.1. Deve ser realizada inspeção de segurança inicial nas tubulações. 72 72 13.6.3.2. As tubulações devem ser submetidas à inspeção de segurança periódica. 13.6.3.3. Os intervalos de inspeção das tubulações devem atender aos prazos máximos da inspeção interna do vaso ou caldeira mais crítica a elas interligadas, podendo ser ampliados pelo programa de inspeção elaborado por PH, fundamentado tecnicamente com base em mecanismo de danos e na criticidade do sistema, contendo os intervalos entre estas inspeções e os exames que as compõem, desde que essa ampliação não ultrapasse o intervalo máximo de 100% (cem por cento) sobre o prazo da inspeção interna, limitada a 10 (dez) anos. 13.6.3.4. Os intervalos de inspeção periódica da tubulação não podem exceder os prazos estabelecidos em seu programa de inspeção, consideradas as tolerâncias permitidas para as empresas com SPIE. 13.6.3.5. O programa de inspeção pode ser elaborado por tubulação, linha ou por sistema, a critério de PH, e, no caso de programação por sistema, o intervalo a ser adotado deve ser correspondente ao da sua linha mais crítica. 13.6.3.6. As inspeções periódicas das tubulações devem ser constituídas de exames e análises definidas por PH, que permitam uma avaliação da sua integridade estrutural de acordo com normas e códigos aplicáveis. 13.6.3.6.1. No caso de risco à saúde e à integridade física dos trabalhadores envolvidos na execução da inspeção, a linha deve ser retirada de operação. 13.6.3.7. Deve ser realizada inspeção extraordinária nas seguintes situações: a) sempre que a tubulação for danificada por acidente ou outra ocorrência que comprometa a segurança dos trabalhadores; b) quando a tubulação for submetida a reparo provisório ou alterações significativas, capazes de alterar sua capacidade de contenção de fluído; c) antes da tubulação ser recolocada em funcionamento, quando permanecer inativa por mais de 24 (vinte e quatro) meses. 13.6.3.8.A inspeção periódica de tubulações deve ser executada sob a responsabilidade técnica de PH. 13.6.3.9. Após a inspeção de cada tubulação, sistema de tubulação ou linha, deve ser emitido um relatório de inspeção, com páginas numeradas, que passa a fazer parte da sua documentação, e deve conter no mínimo: a) identificação da(s) linha(s) ou sistema de tubulação; b) fluidos de serviço da tubulação, e respectivas temperatura e pressão de operação; c) data de início e término da inspeção; d) tipo de inspeção executada; e) descrição dos exames executados; 73 73 f) resultado das inspeções; g) parecer conclusivo quanto à integridade da tubulação, do sistema de tubulação ou da linha até a próxima inspeção; h) recomendações e providências necessárias; i) data prevista para a próxima inspeção; j) nome legível, assinatura e número do registro no conselho profissional do PH e nome legível e assinatura de técnicos que participaram da inspeção. 13.6.3.9.1. O prazo para emissão desse relatório é de até 30 (trinta) dias para linhas individuais e de até 90 (noventa) dias para sistemas de tubulação. 13.6.3.10. As recomendações decorrentes da inspeção devem ser implementadas pelo empregador, com a determinação de prazos e responsáveis pela sua execução. 13.7 GlossárioAbertura escalonada de válvulas de segurança – condição de calibração diferenciada da pressão de abertura de múltiplas válvulas de segurança, prevista no código de projeto do equipamento por elas protegido, onde podem ser estabelecidos valores de abertura acima da PMTA, consideradas as vazões necessárias para o alívio da sobrepressão em cenários distintos. Adequação ao uso – estudo conceitual multidisciplinar de engenharia, baseado em códigos ou normas, como o API 579-1/ASME FFS-1 – Fitness – for – Service, usado para determinar se um equipamento com desgaste conhecido estará apto a operar com segurança por determinado tempo. Alteração – mudança no projeto original do fabricante que promova alteração estrutural ou de parâmetros operacionais significativos definidos por PH, ou afete a capacidade de reter pressão ou possa comprometer a segurança de caldeiras, vasos de pressão e tubulações. Avaliação ou inspeção de integridade - conjunto de estratégias e técnicas utilizadas na avaliação detalhada da condição física de um equipamento. Caldeira de fluido térmico – caldeira utilizada para aquecimento de um fluido no estado líquido, chamado de fluido térmico, sem vaporizá-lo. Caldeiras de recuperação de álcalis – caldeiras a vapor que utilizam como combustível principal o licor negro oriundo do processo de fabricação de celulose, realizando a recuperação de químicos e geração de energia. Código de projeto – conjunto de normas e regras que estabelece os requisitos para o projeto, construção, montagem, controle de qualidade da fabricação e inspeção de equipamentos. 74 74 Códigos de pós-construção – compõe-se de normas ou recomendações práticas de avaliação da integridade estrutural de equipamentos durante a sua vida útil. Construção – processo que inclui projeto, especificação de material, fabricação, inspeção, exame, teste e avaliação de conformidade de caldeiras, vasos de pressão e tubulações. Controle da qualidade – conjunto de ações destinadas a verificar e atestar a conformidade de caldeiras, vasos de pressão e suas tubulações de interligação nas etapas de fabricação, montagem ou manutenção.As ações abrangem o acompanhamento da execução da soldagem, materiais utilizados e realização de exames e testes tais como: líquido penetrante, partículas magnéticas, ultrassom, visual, testes de pressão, radiografia, emissão acústica e correntes parasitas. Dispositivo Contra Bloqueio Inadvertido – DCBI – meio utilizado para evitar que bloqueios inadvertidos impeçam a atuação de dispositivos de segurança. Dispositivos de segurança – dispositivos ou componentes que protegem um equipamento contra sobrepressão manométrica, independente da ação do operador e de acionamento por fonte externa de energia. Duto – tubulação projetada por códigos específicos, destinada à transferência de fluidos entre unidades industriais de estabelecimentos industriais distintos ou não, ocupando áreas de terceiros. Empregador – empresa individual ou coletiva, que, assumindo os riscos da atividade econômica, admite, assalaria e dirige a prestação pessoal de serviços; equiparam-se ao empregador os profissionais liberais, as instituições de beneficência, as associações recreativas ou outras instituições sem fins lucrativos, que admitem trabalhadores como empregados. Enchimento interno – materiais inseridos no interior dos vasos de pressão com finalidades específicas e período de vida útil determinado, tipo catalisador, recheio, peneira molecular, e carvão ativado. Bandejas e acessórios internos não configuram enchimento interno. Especificação da tubulação – código alfanumérico que define a classe de pressão e os materiais dos tubos e acessórios das tubulações. Exame – atividade conduzida por PH ou técnicos qualificados ou certificados, quando exigido por códigos ou normas, para avaliar se determinados produtos, processos ou serviços estão em conformidade com critérios especificados. Exame externo – exame da superfície e de componentes externos de um equipamento, podendo ser realizado em operação, visando avaliar a sua integridade estrutural. Exame interno – exame da superfície interna e de componentes internos de um equipamento, executado visualmente, com o emprego de ensaios e testes apropriados para avaliar sua integridade estrutural. Fabricante – empresa responsável pela construção de caldeiras, vasos de pressão ou tubulações. 75 75 Fluxograma de engenharia (P&ID) – diagrama mostrando o fluxo do processo com os equipamentos, as tubulações e seus acessórios, e as malhas de controle de instrumentação. Fluxograma de processo – diagrama de representação esquemática do processo de plantas industriais mostrando o percurso ou caminho percorrido pelos fluidos. Força maior – todo acontecimento inevitável, em relação à vontade do empregador, e para a realização do qual este não concorreu, direta ou indiretamente. A imprevidência do empregador exclui a razão de força maior. Gerador de vapor – equipamentos destinados a produzir vapor sob pressão superior à atmosférica, sem acumulação e não enquadrados em códigos de vasos de pressão. Inspeção de segurança extraordinária – inspeção realizada devido a ocorrências que possam afetar a condição física do equipamento, tais como hibernação prolongada, mudança de locação, surgimento de deformações inesperadas, choques mecânicos de grande impacto ou vazamentos, entre outros, envolvendo caldeiras, vasos de pressão e tubulações, com abrangência definida por PH. Inspeção de segurança inicial – inspeção realizada no equipamento novo, montado no local definitivo de instalação e antes de sua entrada em operação. Inspeção de segurança periódica – inspeções realizadas durante a vida útil de um equipamento, com critérios e periodicidades determinados por PH, respeitados os intervalos máximos estabelecidos nesta Norma. Instrumentos de monitoração ou de controle – dispositivos destinados à monitoração ou controle das variáveis operacionais dos equipamentos a partir da sala de controle ou do próprio equipamento. Integridade estrutural – conjunto de propriedades e características físicas necessárias para que um equipamento ou item desempenhe com segurança e eficiência as funções para as quais foi projetado. Linha – trecho de tubulação individualizado entre dois pontos definidos e que obedece a uma única especificação de materiais, produtos transportados, pressão e temperatura de projeto. Manutenção preditiva – manutenção com ênfase na predição da falha e em ações baseadas na condição do equipamento para prevenir a falha ou degradação do mesmo. Manutenção preventiva – manutenção realizada a intervalos predeterminados ou de acordo com critérios prescritos, e destinada a reduzir a probabilidade de falha ou a degradação do funcionamento de um componente. Máquinas de fluido – aquela que tem como função principal intercambiar energia com um fluido que as atravessa. Mecanismos de danos – conjunto de fatores que causam degradação nos equipamentos e componentes. 76 76 Pacote de máquina – conjunto de equipamentos e dispositivos integrantes de sistemas auxiliares de máquinas de fluido para fins de arrefecimento, lubrificação ou selagem. Pessoal qualificado – profissional com conhecimentos e habilidades que permitam exercer determinadas tarefas, e certificado quando exigível por código ou norma. Placa de identificação – placa contendo dados do equipamento de acordo com os requisitos estabelecidos nesta NR, fixada em local visível. Plano de inspeção – descrição das atividades, incluindo os exames e testes a serem realizados, necessárias para avaliar as condições físicas de caldeiras, vasos de pressão e tubulações, considerando o histórico dos equipamentos e os mecanismos de danos previsíveis. Pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) – é o maior valor de pressão a que um equipamento pode ser submetido continuamente,de acordo com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. Programa de inspeção – cronograma contendo, entre outros dados, as datas das inspeções de segurança periódicas a serem realizadas. Projetos de alteração ou reparo – PAR – projeto realizado por ocasião de reparo ou alteração que implica em intervenção estrutural ou mudança de processo significativa em caldeiras, vasos de pressão e tubulações. Projeto alternativo de instalação – projeto concebido para minimizar os impactos de segurança para o trabalhador quando as instalações não estiverem atendendo a determinado item desta NR. Projeto de instalação – projeto contendo o posicionamento dos equipamentos e sistemas de segurança dentro das instalações e, quando aplicável, os acessos aos acessórios dos mesmos (vents, drenos, instrumentos). Integra o projeto de instalação o inventário de válvulas de segurança com os respectivos DCBI e equipamentos protegidos. Prontuário – conjunto de documentos e registros do projeto de construção, fabricação, montagem, inspeção e manutenção dos equipamentos. Recipientes móveis – vasos de pressão que podem ser movidos dentro de uma instalação ou entre instalações e que não podem ser enquadrados como transportáveis. Recipientes transportáveis – recipientes projetados e construídos para serem transportados pressurizados. Registro de Segurança – registro da ocorrência de inspeções ou de anormalidades durante a operação de caldeiras e vasos de pressão, executado por PH ou por pessoal de operação, inspeção ou manutenção diretamente envolvido com o fato gerador da anotação. Relatórios de inspeção – registro formal dos resultados das inspeções realizadas nos equipamentos com laudo conclusivo. 77 77 Reparo – intervenção realizada para correção de danos, defeitos ou avarias em equipamentos e seus componentes, visando restaurar a condição do projeto de construção. Sistema de iluminação de emergência – sistema destinado a prover a iluminação necessária ao acesso seguro a um equipamento ou instalação na inoperância dos sistemas principais destinados a tal fim. Sistema de intertravamento de caldeira – sistema de gerenciamento das atividades de dois ou mais dispositivos ou instrumentos de proteção, monitorado por interface de segurança. Sistema de tubulação – conjunto integrado de linhas e tubulações que exerce uma função de processo, ou que foram agrupadas para fins de inspeção, com características técnicas e de processo semelhantes. SPIE – Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos. Teste de estanqueidade – tipo de teste de pressão realizado com a finalidade de atestar a capacidade de retenção de fluido, sem vazamentos, em equipamentos, tubulações e suas conexões, antes de sua entrada ou reentrada em operação. Teste hidrostático – TH – tipo de teste de pressão com fluido incompressível, executado com o objetivo de avaliar a integridade estrutural dos equipamentos e o rearranjo de possíveis tensões residuais, de acordo com o código de projeto. Tubulações – conjunto de linhas, incluindo seus acessórios, projetadas por códigos específicos, destinadas ao transporte de fluidos entre equipamentos de uma mesma unidade de uma empresa dotada de caldeiras ou vasos de pressão. Unidades de processo – conjunto de equipamentos e interligações de uma unidade fabril destinada a transformar matérias primas em produtos. Vasos de pressão – são reservatórios projetados para resistir com segurança a pressões internas diferentes da pressão atmosférica, ou submetidos à pressão externa, cumprindo assim a sua função básica no processo no qual estão inseridos; para efeitos desta NR, estão incluídos: a) permutadores de calor, evaporadores e similares; b) vasos de pressão ou partes sujeitas à chama direta que não estejam dentro do escopo de outras NR, nem dos itens 13.2.2 e 13.2.1, alínea “a)” desta NR; c) vasos de pressão encamisados, incluindo refervedores e reatores; d) autoclaves e caldeiras de fluido térmico. Vida remanescente – estimativa do tempo restante de vida de um equipamento ou acessório, executada durante avaliações de sua integridade, em períodos pré-determinados. Vida útil - tempo de vida estimado na fase de projeto para um equipamento ou acessório. 78 78 Volume – volume interno útil do vaso de pressão, excluindo o volume dos acessórios internos, de enchimentos ou de catalisadores. NR-13 ANEXO I Capacitação de Pessoal B. Vasos de Pressão B1 Condições Gerais B1.1 A operação de unidades de processo que possuam vasos de pressão de categorias I ou II deve ser efetuada por profissional com Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processos. B1.2 Para efeito desta NR será considerado profissional com Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo aquele que satisfizer uma das seguintes condições: a) possuir certificado de Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo expedido por instituição competente para o treinamento; b) possuir experiência comprovada na operação de vasos de pressão das categorias I ou II de pelo menos 2 (dois) anos antes da vigência da NR13 aprovada pela Portaria SSST nº 23, de 27 de dezembro de 1994. B1.3 O pré-requisito mínimo para participação, como aluno, no Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo é o atestado de conclusão do ensino fundamental. B1.4 O Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo deve obrigatoriamente: a) ser supervisionado tecnicamente por PH; b) ser ministrado por profissionais capacitados para esse fim; c) obedecer, no mínimo, ao currículo proposto no item B2 deste Anexo B1.5 Os responsáveis pela promoção do Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo estarão sujeitos ao impedimento de ministrar novos cursos, bem como a outras sanções legais cabíveis, no caso de inobservância do disposto no item B1.4. B1.6 Todo profissional com Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo deve cumprir estágio prático, supervisionado, na operação de vasos de pressão de 300 (trezentas) horas para o conjunto de todos os vasos de pressão de categorias I ou II. B2 Currículo Mínimo para Treinamento de Segurança na Operação de Unidades de Processo. 1. Noções de grandezas físicas e unidades. Carga horária: 4 (quatro) horas 79 79 1.1. Pressão 1.1.1. Pressão atmosférica 1.1.2. Pressão interna de um vaso 1.1.3. Pressão manométrica, pressão relativa e pressão absoluta 1.1.4. Unidades de pressão 1.2. Calor e temperatura 1.2.1. Noções gerais: o que é calor, o que é temperatura 1.2.2. Modos de transferência de calor 1.2.3. Calor específico e calor sensível 1.2.4. Transferência de calor a temperatura constante 1.2.5. Vapor saturado e vapor superaquecido 2. Equipamentos de processo. Carga horária estabelecida de acordo com a complexidade da unidade, mantendo um mínimo de 4 (quatro) horas por item, onde aplicável 2.1. Trocadores de calor 2.2. Tubulação, válvulas e acessórios 2.3. Bombas 2.4. Turbinas e ejetores 2.5. Compressores 2.6. Torres, vasos, tanques e reatores 2.7. Fornos 2.8. Caldeiras 3. Eletricidade. Carga horária: 4 (quatro) horas 4. Instrumentação. Carga horária: 8 (oito) horas 5. Operação da unidade. Carga horária: estabelecida de acordo com a complexidade da unidade 5.1. Descrição do processo 5.2. Partida e parada 80 80 5.3. Procedimentos de emergência 5.4. Descarte de produtos químicos e preservação do meio ambiente 5.5. Avaliação e controle de riscos inerentes ao processo 5.6. Prevenção contra deterioração, explosão e outros riscos 6. Primeiros socorros. Carga horária: 8 (oito) horas 7. Legislação e normalização. Carga horária: 4 (quatro) horas X x Sattav EngenhariaSatyro Luiz Silva Tavares Engº Mecânico e de Segurança do Trabalho - RNP 0601627504 +55 85 9 8828 3300 / 9 9180 8300 E-mail: sattav@terra.com.br / diretoria@sattav.com.br Site: www.sattav.com.br Fortaleza – Ceará – Brasil mailto:sattav@terra.com.br mailto:diretoria@sattav.com.br http://www.sattav.com.br/de pressão de um vaso compõe-se do casco (ou cascos) do vaso e dos tampos de fechamento. O casco dos vasos de pressão tem sempre o formato de uma superfície de revolução, sendo as formas básicas a cilíndrica, a cônica e a esférica (pode haver combinação dessas). 1. Cilíndricos. É o formato mais utilizado. Esta preferência dá-se ao fato do cilíndrico ser o mais fácil de se fabricar e transportar, prestar-se a maioria dos serviços, e permitir o aproveitamento de chapas inteiras para fabricação do vaso. Para escoamentos com vazões aproximadamente iguais em todas as seções transversais ao longo do vaso, o casco será um cilindro simples. Quando, entretanto, houver grande diferença de vazão Tipos de vasos Pressões equivalentes Vasos atmosféricos 0 a 0,5 psig 0 a 0,35 Kg/cm² 0 a 0,33 atm Vasos de baixa pressão 0,5 a 15 psig 0,033 a 1,054 Kg/cm² 0,033 a 0,1020 atm Vasos de alta pressão 15 a 3000 psig 1,054 a 210,81 Kg/cm² 1,020 a 204,07 atm 3 3 entre uma seção e outra do mesmo vaso - devido à existência de vários pontos importantes de entrada e saída de fluidos – utiliza-se o casco cilíndrico composto, com dois ou mais corpos cilíndricos de diâmetros diferentes, interligados por seções cônicas ou toroidais de concordância, de tal maneira que a velocidade geral de escoamento dos fluidos ao longo do vaso seja aproximadamente constante. Ou seja, aumentando-se o diâmetro onde a vazão for maior, e vice-versa. 2. Esféricos. Teoricamente, o formato ideal para um casco de pressão, pois com ele consegue-se chegar a menor espessura de parede e ao menor peso, em igualdade de condições para pressão e volume contido. Entretanto, os vasos esféricos são pouco utilizados, pois além de serem úteis somente como vasos armazenadores, são caros e difíceis de fabricar, ocupam muito espaço e raramente podem ser transportados inteiros. Esses vasos só são econômicos para grandes dimensões, para a armazenagem de gases sob pressão. 3. Cônicos. 4 4 É empregado para a seção de transição entre dois corpos cilíndricos de diâmetros diferentes). Também utilizado quando o fluido de trabalho é muito viscoso ou quando deseja-se minimizar as perdas por escoamento. Não é muito comum. 4. Outros tipos. Embora raros, são também usados os formatos de esferas múltiplas (Fig. 4) e de ovóide. d. Quanto à posição de instalação 5 5 Quanto a posição de instalação os vasos podem ser verticais, horizontais ou inclinados, da sua função. 1. Verticais. Utilizados quando se deseja a ação gravitacional para o funcionamento do vaso ou para o escoamento dos fluidos. Em geral, são mais caros do que os horizontais, principalmente quando de grande altura. Porém possuem a vantagem de ocupar menor área, sendo por isso preferidos quando há necessidade de economia de terreno (Fig 1). Como exemplo temos as torres de fracionamento, de absorção e de retificação. 2. Horizontais. Muito utilizados para trocadores de calor e para maioria dos vasos de acumulação. 6 6 3. Inclinados. Exceções, usados apenas quando o serviço exigir, como, por exemplo, para o escoamento por gravidade para materiais difíceis de escoar. 4. Geminados. Além disso, os vasos cilíndricos horizontais ou verticais podem, se necessário, ser geminados, isto é, dois ou mais vasos do mesmo diâmetro, formando um único conjunto. Essa disposição, que é econômica pode ser vantajosa quando a pressão pelo lado convexo do tampo intermediário é moderada. 5. Corte esquemático de um vaso de pressão. 7 7 e. Componentes estruturais 8 8 1. Casco O casco dos vasos de pressão tem sempre o formato de uma superfície de revolução. Quase todos os vasos, com raras exceções, tem o casco com uma das três formas básicas: cilíndricas, cônicas e esféricas, ou combinações dessas formas ( Figuras tipo de vasos de pressão). 2. • Tampos São peças de fechamento dos cascos cilíndricos dos vasos de pressão. Os tampos podem ter vários formatos, dos quais os mais usuais são os seguintes: semi-elípticos, toro-esféricos, cônicos, hemisférico e planos. A escolha do tipo de tampo é função de determinados fatores, como por exemplo: • Exigência de Serviço. 9 9 • Diâmetro. • Pressão de Operação. A seguir, as figuras ilustram os tipos mais comuns de tampos: 3. Abertura e Reforços Todos os vasos de pressão têm sempre várias aberturas com diversas finalidades. a. Bocais. São as aberturas feitas nos vasos para: Ligação com tubulações de entrada e saída de produto. • Instalação de válvulas de segurança. Instalação de instrumentos, drenos e respiros. Abaixo, seguem exemplos de instalação de bocais: b. Bocas de Visita 10 10 São as portas de acesso ao interior dos vasos. Na maioria dos casos as bocas de visita são construídas de modo similar a um bocal flangeado, sendo a tampa um flange cego. c. Reforços 11 11 São componentes colocados nas aberturas de diâmetro maior, de forma a compensar a perda de massa resistente dessas aberturas. Podem ainda existir aberturas para permitir a ligação entre o corpo do vaso e outras panes do mesmo vaso; por exemplo, ligação a potes de drenagem. d. Suportes Existem vários tipos de estruturas de suporte, tanto para vasos verticais como para horizontais. A maioria dos vasos horizontais são suportados em dois berços (selas), sendo que para permitir a dilatação do vaso, em um dos berços os furos para os chumbadores são ovalados. Os vasos verticais são usualmente sustentados por uma "saia" de chapa, embora vasos verticais de pequenas dimensões possam também ser sustentados em sapatas ou colunas. As torres devem ser suportadas por meio de saias. A saia de suporte deve ter um trecho com 1000mm de comprimento a partir da ligação com o vaso, com o mesmo material do casco nos seguintes casos: temperatura de projeto abaixo de 10ºC; temperatura de projeto acima de 250ºC; Serviços com Hidrogênio; Vasos de aços-liga, aços inoxidáveis e materiais não ferrosos. As esferas para armazenagem de gases são sustentadas por colunas, soldadas ao casco aproximadamente na linha do equador da esfera. Abaixo, as figuras mostram alguns tipos de suportações de vasos de pressão: 12 12 4. Noções sobre projetos de vasos de pressão. a. Pressão de operação É a pressão no topo de um vaso em posição de operação normal. A pressão de operação não deverá exceder à Pressão Máxima Admissível de Trabalho ( PMTA ) e será mantida a um nível relativamente inferior ao valor de abertura do dispositivo de alívio de pressão ( Válvula de segurança ou de alivio ). b. Temperatura de operação Para um determinado componente de um vaso de pressão e para uma certa condição de operação, a temperatura de operação será a temperatura da sua superfície metálica. c. Pressão de projeto 13 13 É a pressão utilizada na determinação da espessura mínima permissível ou das características físicas das diferentes partes de um vaso de pressão. A pressão de projeto deverá ser estabelecida considerando-se a condição mais severa de pressão e temperatura simultânea. Deve-se considerar a máxima diferença de pressão entre o interior e o exterior. d. Temperatura de projeto É a temperatura correspondente à pressão de projeto. A temperatura de projeto de um vaso de pressão está baseada na temperatura real da parede do vaso, levando-se em consideração o efeito de isolamento térmico interno, resfriamento pela atmosfera, etc. Ocorrendo variações cíclicas de temperatura para uma pressão aproximadamente constante, a temperatura de projeto será a máximade possibilitar a fabricação com ligas metálicas resistentes à corrosão e, são apropriados para o aquecimento, resfriamento, evaporação ou condensação de qualquer fluido. O projeto completo de um trocador de calor pode ser dividido em três partes principais: Análise Térmica - se preocupa, principalmente, com a determinação da área necessária à transferência de calor para dadas condições de temperaturas e escoamentos dos fluidos. Projeto Mecânico Preliminar – envolve considerações sobre as temperaturas e pressões de operação, as características de corrosão de um ou de ambos os fluidos, as expansões térmicas relativas e tensões térmicas e, a relação de troca de calor. Projeto de Fabricação – requer a translação das características físicas e dimensões em uma unidade, que pode ser fabricada a baixo custo (seleção dos materiais, selos, involucros e arranjo mecânico ótimos) e os procedimentos na fabricação devem ser especificados. Para atingir a máxima economia, a maioria das indústrias adota linhas padrões de trocadores de calor. Os padrões estabelecem os diâmetros dos tubos e as relações de pressões promovendo a utilização de desenhos e procedimentos de fabricação padrões. A padronização não significa entretanto, que os trocadores possam ser retirados da prateleira, porque as necessidades de serviço são as mais variadas. O engenheiro especialista em instalações de trocadores de calor em unidades de energia e métodos de instalação é solicitado frequentemente para selecionar a unidade de troca de calor adequada a uma aplicação particular. A seleção requer uma análise térmica, para determinar se uma unidade padrão (que é mais barata!) de tamanho e geometria especificados, pode preencher os requisitos de aquecimento ou resfriamento de um dado fluido, com uma razão especificada, neste tipo de análise deve ser levado em conta, no que diz respeito ao custo, a vida do equipamento, facilidade de limpeza e espaço necessário, além de estar em conformidade com os requisitos dos códigos de segurança da ASME. 19 19 b. Equipamento O equipamento de transferência de calor pode ser identificado pelo tipo ou pela função. Quase todo tipo de unidade pode ser usado para efetuar qualquer ou todas estas funções, abaixo, a Erro! Fonte de eferência não encontrada. mostra as principais definições dos equipamentos de troca térmica. Os principais tipos de trocadores de calor multitubulares são: o Permutadores com espelho flutuante. Tipo AES (a) o Permutadores com espelho fixo. Tipo BEM (b), o tipo mais usado que qualquer outro. o Permutadores com cabeçote flutuante e gaxeta externa. Tipo AEP (c) o Permutadores de calor com tubo em U. Tipo CFU (d) o Permutadores do tipo refervedor com espelho flutuante e removível pelo carretel. Tipo AKT o Permutadores com cabeçotes e tampas removíveis. Tipo AJW (f) 20 20 c. Classificação do trocadores e calor 21 21 d. Tipos de Trocadores 1. Classificação quanto à utilização Os trocadores de calor são designados por termos correspondentes às modificações que realizam nas condições de temperatura ou estado físico do fluido de processo. No caso de o equipamento operar com dois fluidos de processo, prevalece, se possível, a designação correspondente ao serviço mais importante. Através deste critério, os trocadores de calor são classificados como: – resfriador (cooler) – resfria um líquido ou gás por meio de água, ar ou salmoura; – refrigerador (chiller) – resfria também um fluido de processo através da evaporação de um fluido refrigerante, como amônia, propano ou hidrocarbonetos clorofluorados; – condensador (condenser) – retira calor de um vapor até a sua condensação parcial ou total, podendo inclusive sub-resfriar um líquido condensado. O termo “condensador de superfície, aplica-se ao condensador de vapor exausto de turbinas e máquinas de ciclos térmicos; – Aquecedor (heater) – aquece o fluido de processo, utilizando, em geral, vapor d’água ou fluido térmico; – Vaporizador (vaporizer) – cede calor ao fluido de processo, vaporizando-o total ou parcialmente através de circulação natural ou forçada. O termo “refervedor” (reboiler) aplica-se ao vaporizador que opera conectado a uma torre de processo, vaporizando o fluido processado. O termo “gerador de vapor” (steam generator) aplicase ao vaporizador que gera vapor d’água, aproveitando calor excedente de um fluido de processo; – Evaporador (evaporator) – promove concentração de uma solução pela evaporação do líquido, de menor ponto de ebulição. 2. Classificação quanto à forma construtiva – Trocadores tipo casco e tubo (shell and tube) – Equipamentos constituídos basicamente por um feixe de tubos envolvidos por um casco, normalmente cilíndrico, circulando um dos fluidos externamente ao feixe e o outro pelo interior dos tubos. Os componentes principais dos trocadores tipo casco e tubo são representados pelo cabeçote de entrada, casco, feixe de tubos e cabeçote de retorno ou saída. – Trocadores especiais – Em face das inúmeras aplicações específicas dos trocadores de calor, são encontradas várias formas construtivas que não se enquadram nas caracterizações comuns (casco e tubo, tubo duplo, serpentina, trocador de placas, resfriadores de ar, rotativos regenerativos, economizadores, etc). Para estes tipos, é atribuída a classificação de “ESPECIAIS”, dada a sua peculiaridade de construção, em decorrência da aplicação. 22 22 23 23 10. Fornos. a. Definição O forno é um equipamento projetado para transferir ao fluido um fluxo de calor, de tal forma que se forem mantidas constantes a vazão e a temperatura de entrada, também será constante a temperatura de saída. É necessário gerar no forno uma quantidade de calor que supra o processo e compense também as perdas. Esse calor é gerado pela queima de uma quantidade suficiente de combustível através de maçaricos instalados, normalmente, na base ou nas paredes laterais da câmara de combustão do forno. Os tubos são, geralmente, colocados próximos às paredes laterais e ao teto da câmara de combustão, onde o calor é principalmente transferido por radiação, e dispostos também em outra câmara chamada de “câmara ou zona de convecção”, onde o calor é principalmente transferido por convecção. O ar necessário à combustão pode ser admitido no forno pela depressão (pressão negativa) reinante na câmara de combustão devido à remoção (tiragem) natural feita pela chaminé, ou auxiliada por de ventiladores de tiragem forçada ou induzida. As fornalhas consistem de uma serpentina (ou mais) de tubos que é colocada dentro de uma caixa ou câmara onde há combustão, a fim de aquecer o produto, que passa internamente nos tubos. A 24 24 serpentina poderá ser um tubo contínuo, ou constituída de uma série de tubos interligados entre si na sua extremidade por meio de cabeçotes, curva de retorno ou coletores. Os tubos poderão estar dispostos internamente na fornalha em forma helicoidal, vertical ou horizontal. Em qualquer caso deverão estar convenientemente suportados, em função da sua disposição, comprimento, diâmetro e condições operacionais. A caixa onde há combustão, ou simplesmente fornalha, deverá ser adequada para altas temperaturas, pois nelas haverá o desenvolvimento de calor proporcionado pela queima do combustível. Assim sendo, as paredes das fornalha deverão ter alta resistência ao calor, e normalmente são construídos em tijolos refratários contidos por uma estrutura metálica. O calor desenvolvido na câmara de combustão é proveniente de maçaricos ou queimadores, que poderão ser alimentado por óleo ou gás combustível e ou outro combustível. A quantidade de calor fornecido pelos maçaricos e a vazão do produto internamente nos tubos, são rigidamente controlados através de instrumentos tendo em vistas as condições operacionais de pressão e temperatura.A câmara de combustão está normalmente conectada à chaminé, por onde se faz a exaustão dos gases. Essa conexão poderá ser feita através do próprio corpo do forno ou por meio de dutos aéreos ou enterrados. Dependendo da finalidade as fornalhas são constituídas das seções de convecção, radiação e chaminé. O critério de escolha é função da temperatura na entrada da carga e de fatores econômicos. A seção de radiação é a parte da fornalha onde se efetua a queima e na qual as superfícies dos tubos estão expostas ao calor das chamas. Nesta seção a maior parte do calor cedido aos tubos e a carga são por radiação. A seção de convecção situa-se em região afastada dos maçaricos não recebendo o calor de radiação das chamas. Os gases de combustão que passam da seção de radiação para a de convecção, possuem temperatura elevada, sendo, portanto capazes de ceder calor aos tubos desta seção, por convecção ou condução. Para facilitar a transmissão de calor, os tubos da seção de convecção às vezes possuem grande quantidade de pinos ou aletas soldados as superfície externas para aumentar à superfície de troca de calor. 25 25 b. Classificação dos fornos 1. Classificação quanto ao serviço. Os fornos também são classificados de acordo com o serviço que executam. Cada tipo de serviço exige do forno características próprias que influenciam no projeto do mesmo. a. Fornos Refervedores (pré-flash). São fornos que operam com temperaturas de saída baixas (280º C a 340º C). É devido, a baixa tendências de formação de coque. b. Fomos Atmosféricos São fornos de grandes porte, que operam com temperaturas de saída baixas (350º C a 370 0C). É devido à baixa tendência de formação de coque. c. Fornos de Vácuo São fornos que operam com temperaturas de saída elevadas (390º C a 420º C) e com produtos de alta viscosidade. Devido a esta alta tendência ao coqueamento, possuem injeção de vapores nos tubos. d. Fomos de Reforma Catalítica São fornos que operam com temperatura elevada de saída (500º C a 530 0C) e critico com relação à perda de carga. Tem problema de temperatura de parede elevada dos tubos. e. Reformadores / Pirólise São fomos que operam com temperaturas de metal extremamente elevadas (800º C a 900 0C) e que leva a projetos de fornos muito complexos, tanto do ponto de vista térmico como mecânico. 2. Quanto ao aspecto construtivo. Há três tipos principais de fornalhas, classificadas segundo a posição dos tubos da serpentina de aquecimento. a. Horizontais 26 26 No tipo horizontal são considerados as fornalhas em que os tubos da serpentina para o aquecimento da carga tanto da seção de radiação como da seção de convecção são distribuídos horizontalmente com os queimadores instalados no piso. Possuem convecção extensas na qual é absorvida grande parte da carga térmica. Requerem grandes áreas de instalação, pois além da área efetivamente ocupada necessitam de espaço para retirada dos tubos. São os tipos mais indicados para as grandes capacidades e para produtos que necessitam limpeza interna do tubos. Devido a grandes seções de convecção São capazes de altas eficiências mesmo sem sistema de pré-aquecimento de ar. Para redução do investimento pode-se optar por soluções nas quais se aquecem produtos diferentes numa mesma carcaça através da utilização de paredes divisórias ou varias fornalhas compartilhando a mesma convecção e chaminé. Há numerosos modelos de projetos de fornos desse tipo. b. Verticais . As fornalhas tipo vertical são aquelas em que os tubos da serpentina de aquecimento tanto da seção de radiação como da seção de convenção são dispostos verticalmente ao redor do círculo dos queimadores, havendo opção de serpentinas helicoidais para pequenas vazões. A seção de convecção quando existente é de pequeno porte, sendo que em alguns fornos o mesmo tubo passa pelas seções de convecção e radiação. São os fornos mais baratos e que requerem menores áreas para instalação. São indicados nos casos em que o produto circule apenas na radiação. 27 27 c. Tipo cilíndrico vertical sem seção de convecção. A carcaça metálica tem a forma cilíndrica e os tubos são posicionados na posição vertical. Geralmente os tubos ficam alinhados junto à parede interna da carcaça metálica enquanto os queimadores e maçaricos ficam no meio, na parte inferior do piso. Devido a sua baixa eficiência eles são usados em serviços periódicos (forno de partida). Portanto tem pouca aplicação. d. Tubos verticais com queima de ambos os lados. Nesses fornos os tubos são dispostos verticalmente em ambos os lados. Nos casos mais críticos os queimadores podem ser instalados nas paredes ao longo do comprimento do tubo. Proporcionam excelente distribuição de calor circunferencial e longitudinal, sendo os mais indicados quando se tem altas temperaturas do produto. e. Misto. O tipo misto é aquele em que os tubos da serpentina de aquecimento da seção de radiação são verticais e da seção de convenção são horizontais. As serpentinas de aquecimento da seção de convecção, nem sempre são utilizadas para aquecimento de hidrocarbonetos, muitas vezes são utilizadas como gerador de vapor, economizando energia para a unidade. 28 28 c. Partes constituintes. Os fornos se compõem basicamente em três partes, a saber - Serpentina de aquecimento, Fornalha, Chaminé. i. Serpentina de Aquecimento A função da serpentina é transportar os hidrocarbonetos, ou misturas de gases a serem aquecidos, e constitui-se de vários tubos interligados entre si por meio de conexões das mais variadas. Essas conexões são de diversas formas, e são conhecidas comumente como cabeçote. Nos fornos que operam com altas temperaturas as conexões são do tipo curvas soldadas. Os cabeçotes poderão ser do tipo mandrilado ou soldado, havendo outros tipos de menor uso, com as extremidades flangeadas e parafusadas. Dependendo da finalidade do forno, a serpentina poderá ser classificada segundo a transmissão de calor em duas partes: - Radiação - Convecção Seção de Radiação É a parte da serpentina onde a superfície dos tubos está exposta ao calor radiante das chamas. Nesta seção a maior parte do calor é cedido aos tubos e a carga, por radiação. Tubos 29 29 Os tubos da seção de radiação são sempre lisos, pois a utilização de tubos aletados em uma seção onde as taxas de calor são muito elevadas provocaria a formação de pontos quentes nos tubos e acarretariam a falha prematura do material. Porém, existem casos onde se prevê a utilização de tubos cuja superfície externa admite um acabamento rugoso (HK-40; HP-40) dentro de determinados limites. O diâmetro varia de 2” a 8”, sendo 4” o diâmetro nominal que geralmente leva a configuração mais econômica. O comprimento usual é de 40 a 50ft para os formos com tubos horizontais de 20 a 30ft para os tubos verticais. Seção da convecção Situa-se em região afastada dos maçaricos, não recebendo o calor de radiação das chamas. Os gases de combustão que passam da seção de radiação para a de convecção possuem temperatura elevada, sendo portanto capazes de ceder calor aos tubos dessa seção por convecção e condução. Para facilitar a transmissão de calor, os tubos da seção de convecção possuem grande quantidade de pinos ou aletas, a fim de aumentar a sua superfície de troca de calor e seu rendimento. Considerando-se o número de entradas e saídas de produtos nas duas seções, o forno poderá ter um ou mais passos. 30 30 ii. Fornalha A fornalha é constituída das seguintes partes: Estrutura Refratários Equipamentos auxiliares a. Estrutura Obviamente, a finalidade da estrutura metálica de um forno é a de sustentação do peso do forno e ainda os esforços devido aos ventos. Os suportes dos tubos apoiam-se diretamente nas vigas. Observamos que a estruturanão está sujeita as altas temperaturas dos gases de combustão, pois está colocada externamente nos refratários. As chapas que formam a carcaça metálica se apóiam na estrutura e servem para apoiar os revestimentos (quando forem de fibras cerâmica ou concreto refratários) e garantir a estanqueidade do forno prevista pelo projeto. Geralmente são chapas de aço carbono de 3/16” ou 1/4”. Fazem parte da estrutura todos os componentes necessários para a sustentação das serpentinas e refratários, além da parte estrutural propriamente dita ou arcabouço da fornalha. Tanto a estrutura quanto a carcaça não estão sujeitas ao contato com alta temperatura por isso elas estão localizadas externamente e são protegidas pelo refratário. 31 31 b. Refratários Toda parte da fornalha em contato com os gases a alta temperatura e que não deve trocar de calor com qualquer meio, normalmente é revestida com material refratário ou isolante térmico. Assim sendo parte do fundo da fornalha, paredes laterais o abobada são revestidos com tijolos refratários. Outras partes onde a temperatura é menor como internamente nas chaminés e nos dutos de gases, o revestimento interno é feito com argamassa refratária. Têm como finalidade isolar a câmara de combustão dos elementos estruturais; reiradiar o calor não absorvido pêlos tubos para dentro da câmara; evitar perdas de calor para o exterior; evitar que os gases de combustão, que normalmente contêm S02 atinjam as chapas da carcaça metálica onde se condensariam formando ácidos corrosivos. Como facilmente pode-se deduzir, os materiais refratários empregados em um forno deve ter: capacidade de resistir a altas temperaturas; resistência mecânica elevada; resistência á erosão; resistência ataques químicos de ácidos, bases, metais, etc., que podem ser encontrados nos gases de combustão de óleos combustíveis. i. Os principais tipos de materiais refratários e isolantes são: 1. Tijolos Refratários Fabricados a partir do misturas do sílica, alumina, óxidos de magnésio e outros minerais, que lhe confere à resistência a alta temperatura. Resistem a temperaturas de até 32 32 28000F. Foram muito empregados no passado, usualmente com uma camada do bloco isolante, externamente, sendo sua utilização, hoje em dia, imitada a serviços de alta temperatura na câmara de combustão, tais como nos fornos reatores. 2. Concreto Refratário São massas aplicadas manualmente ou jateadas compostas, basicamente, de Luminita, Haydita e Vermiculita que são minerais de ótimas propriedades refratárias e isolantes. Trabalham até cerca do 19000F apresentando baixos coeficientes de dilatação térmica. Constituem-se nos materiais refratários mais empregados atualmente, principalmente quando se destinam a blocos monolíticos em que a sua construção e montagem é muito facilitada. Após sua aplicação é necessário o procedimento de cura e secagem, a fim de que toda a umidade existente seja eliminada. 3. Fibras Cerâmicas São as mais recentes novidades na área. Apresentam boas características refratárias e isolantes e densidade muito baixa, permitindo que a estrutura do forno seja bem mais leve. São fabricados a partir de materiais refratários fundidos e soprados para formar fibras. Apresentam, ainda, as vantagens de não necessitarem do mão-de-obra especializada para a sua instalação e dispensarem os procedimentos de cura e secagem requeridos pelo concreto refratário o tijolos refratários. Como inconvenientes, podemos assinalar a baixa resistência à erosão e permeabilidade aos gases de combustão. Trabalham a temperaturas até cerca de 2OOOº F. Vantagens: boas propriedades Isolantes e refratária; baixa densidade; dispensam procedimento de cura e secagem; dispensam mão de obra especializada para sua aplicação; permitem que as estruturas sejam mais leves. Desvantagens: baixa resistência à erosão; é permeável aos gases de combustão; só pode ser empregado quando a velocidade dos gases é baixa (e de forma bem definida às altas taxas de liberação de calor. Desvantagens: requer pressões de gás relativamente altas. Quando a pressão de gás cai abaixo de 10psig no queimador, a quantidade de ar aspirado cai rapidamente e a flexibilidade operacional é reduzida. Pode ocorrer retorno de chama por baixa pressão de gás ou quando a fração de gases tendo alta velocidade de propagação da chama, toma-se alta. Por este motivo, este tipo de queimador é usado para combustíveis pobres em hidrogênio tal como gás natural. O nível de ruído é maior do que o tipo sem pré-mistura. 2. Sem pré-mistura (“Raw Gás Burner”) O gás combustível chega ao bico do queimador sem pré-mistura do ar de combustão. O gás é então queimado no bico através de pequenas aberturas. Vantagens: apresenta elevado índice da relação entre a máxima e a mínima liberação de calor para 35 35 uma dada condição de combustão. Pode operar com baixa pressão de gás com uma variedade de combustíveis e sem retorno da chama. O nível de ruído é baixo. Desvantagens: A flexibilidade é limitada, devido às necessidades de ajustes no ar de combustão ao variar a sua capacidade de operação. Um alargamento das aberturas do bico geralmente resultam em condições de chamas insatisfatórias. Quando o queimador é colocado além do nível de projeto, a chama tende a se alongar e as condições da chama ficam insatisfatórias. 3. b) Maçaricos a Óleo Ao contrário dos combustíveis gasosos que em seu estado natural já estão em condições de reagir com o oxigênio, os óleos combustíveis precisam ser processados. c) Sopradores de fuligem (ramonadores) Os gases de combustão do óleo combustível, ao passarem pela região de convecção, que é geralmente formada por tubos de superfície estendida, geralmente pinos, tendem a deixar depósitos que, com o acúmulo, prejudicam notavelmente a transferência do calor. Os principais constituintes destes depósitos são: enxofre, vanádio, sódio, e cinzas, sendo as cinzas, os principais responsáveis pela alta taxa de decomposição. O método mais usual de se remover em operação estes depósitos, é o de se empregar jatos de vapor d’água sobre a superfície dos tubos. c. Chaminé e abafadores A chaminé tem como finalidade lançar os gases de combustão a uma altura tal que não traga problema ecológicos na região; fornecer a tiragem necessária, isto é, permitir que por diferença de densidades os gases, ao subirem, succionem o ar para a combustão; manter todo o forno em pressões levemente negativas, a fim de evitar fugas de gases através das paredes, onde poderiam aquecer a estrutura do forno. 36 36 A escolha do material, tamanho e localização das chaminés de fumaça variam muito e dependem tanto da unidade em que vão operar, como das premissas estabelecidas em função do custo de projeto. As chaminés de fumaça podem ser projetadas para operarem com tiragem natural, ou com tiragem forçada e/ou induzida mecânica. A eficiência de uma fornalha ou caldeira, depende grandemente do escoamento dos gases de combustão para a atmosfera, bem como do suprimento de ar para combustão. Ao fluxo de gases de combustão através da câmara e chaminé, dá-se o nome de tiragem. A tiragem é medida pela diferença entre a pressão atmosférica e a pressão do gás de combustão num determinado ponto dentro do sistema câmara-chaminé; em outras palavras a tiragem é a diferença de pressão que é disponível para produzir um fluxo de gases. Assim sendo a tiragem será tanto maior quanto maior for essa diferença de pressão. A função do abafador da chaminé é ajustar o perfil de tiragem do forno, controlando a tiragem na região diretamente abaixo da seção de convecção do forno. Os abafadores podem ser de folha única ou de folha múltiplas, quando a chaminé tiver grandes diâmetros. Eles são operados manualmente do solo, através de cabos. Em casos de grandes abafadores é possível poder manuseados com operadores pneumáticos. 37 37 11. Alto fornos. Alto-forno é como se chama a construção, na siderurgia, de tamanho variável, externamente revestido por metal e internamente com material refratário, onde é fundido o minério de ferro, a fim de transformá-lo em ferro-gusa. O ALTO FORNO é um reator metalúrgico de contra corrente, com a carga descendo e os gases (CO e CO2) subindo oriundos da queima do combustível nas VENTANEIRAS que sopram AR aquecido a 1000 ° centígrados ou mais. O ALTO FORNO é tecnicamente dividido em REGIÕES OU ZONAS. Na região das VENTANEIRAS o OXIGÊNIO (O2)que corresponde a 21% do AR QUENTE que é soprado no interior da ZONA DE COMBUSTÃO, queima o CARBONO do coque ou carvão vegetal, gerando CO2. Este https://pt.wikipedia.org/wiki/Siderurgia https://pt.wikipedia.org/wiki/Refrat%C3%A1rio https://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro https://pt.wikipedia.org/wiki/Ferro-gusa 38 38 gás CO2 reagirá com mais CARBONO enquanto a temperatura for superior a 900 ° celsius na chamada ZONA DE RESERVA TÉRMICA gerando CO (monóxido de carbono) Essa reação que é uma das mais importantes do ALTO FORNO é chamada de REGENERAÇÃO DO CO2 pode ser assim representada: CO2 + C = 2CO Esse CO é um GÁS REDUTOR capaz de reagir com o OXIGÊNIO dos óxidos de ferro presentes, gerando CO2 (dióxido de carbono) e liberando o Ferro que é depositado no CADINHO na forma líquida e é chamado de FERRO GUSA. A ESCÓRIA,que é oriunda das chamadas IMPUREZAS que estão presentes na carga, tais como os óxidos de Silício (SiO2), óxido de Alumínio (Al2O3), óxido de cálcio (Cao)e óxido de magnésio (MgO), são derretidas na região inferior do ALTO FORNO (RAMPA) devido a altas temperaturas reinantes, e quimicamente combinadas em quantidades dosadas através das correções feitas com os 39 39 FUNDENTES. Isso confere à ESCÓRIA a necessária FLUIDEZ para permitir seu escoamento para fora do CADINHO do ALTO FORNO. É importante ressaltar que no CADINHO do ALTO FORNO, GUSA e ESCÓRIA ocupam os VAZIOS deixados pelo COQUE ou CARVÃO VEGETAL.A ESCÓRIA por ser mais leve fica por cima do GUSA que é mais denso. As reações de REDUÇÃO DOS ÓXIDOS DE FERRO podem ser resumidas assim: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3CO2 12. Noções de grandezas físicas e unidades. A hidrostática é a parte da física que estuda os líquidos e os gases em repouso, sob ação de um campo gravitacional constante, como ocorre quando estamos na superfície da Terra. As leis que regem a hidrostática estão presentes no nosso dia-a-dia, mais do que podemos imaginar. Elas se verificam, por exemplo, na água que sai da torneira das nossas residências, nas represas das hidrelétricas que geram a energia elétrica que utilizamos e na pressão que o ar está exercendo sobre você nesse exato momento. Para entender essas leis, é preciso compreender primeiramente o conceito de pressão. a. Pressão; A grandeza física determinada pelo quociente entre uma força aplicada e a área de ação dessa força recebe o nome de pressão. É o que se vê na figura abaixo: 40 40 De acordo com o Sistema Internacional de Pesos e Medidas, a unidade de medida da pressão é o pascal (pa), mas é muito comum usar-se também a atmosfera (atm)e o milímetro de mercúrio (mmHg). b. Pressão interna de um vaso de pressão. São forças distribuídas internamente pela ação de um fluido gasoso ou líquido que atuam na parte interna do casco do vaso. A pressão interna de um vaso consiste em uma força existente em seu interior, atmosférica ou não, como; caixa d´água, balão do compressor, caldeira, etc. A pressão interna pode ser uma pressão positiva (acima de zero), ou pressão negativa (abaixo de zero). 41 41 Lembramos que esta pressão depende sensivelmente e diretamente da temperatura e de outras características do fluido. i. Pressão atmosférica, relativa e absoluta. Os manômetros de ponteiros, geralmente, medem a diferença de pressãoexistente entre um meio e a pressão atmosférica, Se a pressão medida for maior que a pressão atmosférica, a diferença é conhecida como pressão manométrica ou relativa e se inferior à atmosférica é comumente denominada de vácuo. A pressão relativa, medida pelos manômetros de ponteiro, pode ser definida como sendo a pressão que se acrescenta à pressão atmosférica existente, enquanto que o vácuo será o valor decrementado. Portanto, a pressão absoluta é o resultado da soma da pressão relativa (manométrica) e a pressão atmosférica. Quando se tratar de vácuo, se determina subtraindo o valor de pressão indicado no vacuômetro do valor medido por um barômetro. Considerando um local de pressão atmosférica normal (101,325 kPa ou 101 kPa aproximados), a Figura 01 mostra uma comparação gráfica. https://sites.google.com/site/pressaooutencaomecanica/contatod/fluid_0080.png?attredirects=0 42 42 ii. Unidades de medidas de pressão c. Calor e Temperatura. 1. Energia e suas formas. Energia é a propriedade de um sistema que lhe permite realizar trabalho. Como exemplo podemos dizer que quando falta energia a um homem ele diminui o seu ritmo de trabalho, isto é, ele começa a se sentir fraco. A energia assume várias formas; entre elas podemos citar, Energia: » Calorífica, » Elétrica, » Mecânica, » Luminosa. As formas de energia podem ser transformadas umas nas outras e nós usamos constantemente esta propriedade. Como exemplo podemos citar o processo de obtenção de energia elétrica. Começamos queimando lenha em uma caldeira e produzindo energia calorífica. Esta energia evapora 43 43 a água produzindo vapor. Neste processo a energia que estava na madeira foi transferida para o vapor. O vapor passa numa turbina que se move girando. A energia calorífica do vapor é assim transformada em energia de movimento. O giro da turbina produz energia elétrica. Esta energia é transmitida por meio de fios até uma lâmpada onde se transforma em energia luminosa de enorme utilidade para todos nós. Se pensarmos sobre este processo veremos que a energia calorífica que estava acumulada na madeira foi transformada para iluminar nossa vida. 2. Calor. Calor é a energia térmica em trânsito, é a energia que flui entre um sistema e sua vizinhança como conseqüência da diferença de temperatura entre esses dois sistemas. Considere um corpo inicialmente aquecido à temperatura T0 e que agora, exposto ao ambiente, está esfriando, isto é, está diminuindo sua temperatura, procurando atingir a mesma temperatura T1 do ambiente. Lembramos que temperatura é a medida do estado de agitação dessas partículas, ou ainda, da energia térmica do corpo. Se a temperatura do corpo está diminuindo, então significa que está reduzindo a energia de agitação de suas partículas, isto é, perdendo energia térmica. De fato, a energia térmica do corpo se transfere para o ambiente. 44 44 Denomina-se calor, a energia térmica em trânsito que se transfere. Espontaneamente, o calor flui de pontos de maior temperatura para os de menor temperatura. 3. Termometria. A termometria é a parte da Física que tem por objetivo o estudo e a medida da temperatura. A noção de temperatura está associada à sensações de “quente” e “frio” que os corpos em geral causam. Mas é importante, em nosso estudo, conceituar a temperatura em relação ao aspecto microscópio. Temperatura de um corpo é o número que mede o estado de agitação das partículas que constituem esse corpo, caracterizando o seu estado térmico. 4. Modos de transferência de calor. 45 45 1. Mudança do estado físico. Os estados físicos da matéria são: sólido, líquido e gasoso. Uma substância poderá passar de um estado a outro, ao receber ou perder calor. O esquema abaixo mostra, por exemplo, que, do estado sólido para o líquido e do estado líquido para o gasoso, a substância absorve calor da vizinhança, ocorrendo portanto uma transformação endotérmica, endergônica ou endoenergética, caracterizado por Q > 0. E, no sentido contrário, as transformações são exotérmicas, exergônicas ou exoenergéticas, isto é, a substância libera calor para a vizinhança, caracterizado por Qde água aumente sua temperatura em 1º Celsius ou que é necessário retirar 1 cal para que a temperatura diminua em 1º Celsius. Mas para a água em estado sólido, essa quantidade já é c = 0,5 cal/ g.ºC. A equação utilizada para calcular o calor sensível de um material é: Q = m . c . Δθ Sendo: Q — quantidade de calor; m — massa da substância; c — calor específico da substância; Δθ — Variação de temperatura. A definição de calor sensível está relacionada também com o conceito de Capacidade térmica, que corresponde à quantidade de calor que a massa total de um corpo precisa receber ou perder para que sua temperatura varie 1ºC. A capacidade térmica é dada por: C = m . c Sendo: C – Capacidade térmica; m – massa do objeto; c – calor específico. 2. Calor específico. 51 51 Calor específico c de uma substância, é definido como sendo divisão entre a capacidade térmica do corpo e a sua massa. Por isso que o calor específico também é conhecido como capacidade térmica por unidade de massa. 3. Calor latente. Já o calor latente, representado pela letra L, é a quantidade de calor que, ao ser fornecida ou retirada de um corpo, não altera sua temperatura, mas causa mudança em seu estado de agregação. Observamos esse fenômeno no derreter do gelo, em que é possível ver a água no estado sólido e líquido à mesma temperatura. O calor que está sendo fornecido para a substância é revertido totalmente para a mudança de fase, e não para o aumento da temperatura. O calor latente é calculado com a expressão: Q = m . L Sendo que: Q – Quantidade de calor; m – Massa da substância; 52 52 L – Calor latente. Se a substância recebe calor para alterar seu estado, que é o que ocorre na fusão e na vaporização, então o valor de L é positivo. Mas se a substância perde calor, L é negativo, sendo o que ocorre na solidificação e liquefação. 4. Capacidade térmica. Essa capacidade tem por objetivo determinar a quantidade de calor que certo corpo precisa para que sua temperatura varie. Para calcularmos a capacidade térmica, devemos usar a seguinte fórmula: Capacidade térmica C de um corpo, por definição, é o quociente entre a quantidade de calor recebido Q e a correspondente variação de temperatura. A unidade de capacidade térmica pode ser tanto em cal/°C (caloria/grau celsius), como em J/K (joule/kelvin). 6. Gás e Vapor javascript:void(0) 53 53 Sobre a curva de vaporização, num diagrama de fases, existe um ponto chamado de ponto crítico. Este ponto, é tal que, a partir dele poderemos distinguir gás de vapor: Gás é a substância que na fase gasosa se encontra em uma temperatura superior à sua temperatura crítica e que não pode ser liquefeita por compressão isotérmica. Vapor é a substância que na fase gasosa se encontra em uma temperatura abaixo de sua temperatura crítica e que pode ser liquefeita por compressão isotérmica. O estado físico (sólido, líquido, gás) em que uma substância se encontra depende basicamente das condições de pressão e temperatura. A Figura 01 abaixo dá o diagrama (aproximado e sem escalas) para a água. Mudanças de pressão e/ou temperatura e consequente troca da calor podem provocar as conhecidas mudanças de estado físico: de sólido para líquido ou vice-versa (fusão / solidificação), de sólido para gás ou vice-versa (sublimação / deposição), de líquido para gás ou vice-versa (vaporização / condensação). No diagrama, as linhas divisórias indicam condições de pressão e temperatura nas quais pode haver transição de estados e, portanto, os dois estados físicos podem coexistir. O ponto triplo é a única condição de temperatura e pressão em que os três estados físicos podem coexistir. 54 54 Na transição líquido / vapor, a temperatura correspondente a cada pressão de acordo com a curva é denominada temperatura de saturação. Portanto, na temperatura de saturação ocorre o efeito do calor latente conforme tópico anterior. Para água sob pressão normal, a temperatura de saturação é 100°C, que é a ebulição da água nessa condição. A temperatura de saturação aumenta com a pressão, mas há um limite, denominado ponto crítico, acima do qual não há transição definida entre os dois estados. As coordenadas do ponto crítico são, naturalmente, a pressão crítica e a temperatura crítica. Acima da temperatura crítica, um gás não pode ser liqüefeito apenas com aumento de pressão. É também necessária uma redução de temperatura. Comentam-se agora os termos gás e vapor. São o mesmo estado físico da substância e, muitas vezes, são empregados sem distinções. O termo vapor é em geral usado para o gás de uma substância que é líquida em condições normais de ambientes. A água é o exemplo comum. De forma mais técnica, vapor pode ser considerado o gás em temperatura inferior à crítica. 1. Vapor saturado é o vapor na temperatura de saturação. Portanto, as condições de temperatura e pressão devem estar em algum ponto da linha divisória líquido / vapor. É o vapor que se encontra no limite entre a temperatura de condensação ou evaporação. 55 55 2. Vapor superaquecido é o vapor com temperatura acima da saturação, resultante do fornecimento de calor ao vapor saturado. Em Termodinâmica, é comum o emprego do diagrama temperatura x entropia para o estudo das transições líquido / vapor. A Figura 02 dá um gráfico aproximado para a água. A linha 234 é uma linha típica de pressão constante (aproximadamente 10 bar). Linhas para outros valores de pressão têm formato parecido, acima ou abaixo da anterior. Se uma determinada massa de água é aquecida de 1 até 2 e, a partir desse ponto, mantida a pressão constante de 10 bar, entre 2 e 3 ocorre a evaporação do líquido e a temperatura é constante conforme já visto. Assim, no sentido de 2 para 3, a quantidade de vapor saturado aumenta e a de líquido diminui. O parâmetro χ é massa de vapor em relação à massa total e as curvas de χ constante mostram claramente a variação. Em 3, há apenas vapor saturado e, continuando o aquecimento com pressão constante, ocorre vapor superaquecido em um ponto genérico 4 da curva. A linha logo abaixo de 1234 é uma curva típica para volume específico constante. 56 56 13. Inspeção de segurança. Tomando como base o que se espera da atividade de Inspeção de Equipamentos hoje, pode-se resumir a missão da inspeção como: ²ZELAR PELAS CONDIÇÕES FÍSICAS DOS EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS², ou de uma maneira mais moderna podemos dizer que a missão seja: “COLABORAR PARA GARANTIR A CONFIABILIDADE DOS EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS”. Esse novo conceito torna a atividade inspeção como a principal responsável pela otimização do aproveitamento econômico das instalações, a um nível de segurança que atenda aos requisitos estabelecidos nos códigos de construção e normas regulamentadoras vigentes no país. Para cumprir sua missão a atividade inspeção deve agir de maneira a priorizar os seguintes itens: a. Programar inspeções de maneira a detectar deteriorações que possam comprometer a segurança de um equipamento; b. Estabelecer programas que contemplem à análise, acompanhamento e prevenção de deteriorações; c. Acompanhar e implementar o uso de “ferramentas² adequadas para a detecção de avarias; d. Estabelecer uma sistemática de atuação de maneira a possibilitar a previsão de reparos e e. substituições, dentro de prazos adequados; f. Criar programas de análise de vida residual; g. Adotar uma sistemática de auditoria dos níveis de qualidade empregados pela manutenção; h. Sistematizar um método de registro das condições físicas dos equipamentos, de maneira a facilitar a consulta de todos os interessados; i. Implementar um programa de inspeção para toda a planta; j. Estabelecer um programa de treinamento, que contemplem as necessidades de cada técnico. Durante a campanha, além das inspeçõesSatyro Luiz Silva Tavares Engº Mecânico e de Segurança do Trabalho - RNP 0601627504 +55 85 9 8828 3300 / 9 9180 8300 E-mail: sattav@terra.com.br / diretoria@sattav.com.br Site: www.sattav.com.br Fortaleza – Ceará – Brasil mailto:sattav@terra.com.br mailto:diretoria@sattav.com.br http://www.sattav.com.br/