Equipamentos Mecânicos Industriais - Dimensionamento de tubulação

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ENGENHARIA MECÂNICA
BRUNO MARTINS MARQUES
CARLOS HENRIQUE SOUZA LIMA JÚNIOR
DANILO SILVA SANTOS
MARCELO EYNG MEIRELLES JÚNIOR
PAULO VINICIUS LIMA DE SIQUEIRA TRINDADE
VINÍCIUS LEÃO DE CARVALHO CUNHA DO AMARAL
EQUIPAMENTOS MECÂNICOS INDUSTRIAIS
DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÃO.
Salvador
2014�
BRUNO MARTINS MARQUES
CARLOS HENRIQUE SOUZA LIMA JÚNIOR
DANILO SILVA SANTOS
MARCELO EYNG MEIRELLES JÚNIOR
PAULO VINICIUS LIMA DE SIQUEIRA TRINDADE
VINÍCIUS LEÃO DE CARVALHO CUNHA DO AMARAL
EQUIPAMENTOS MECÂNICOS INDUSTRIAIS
DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÃO
Trabalho apresentado à disciplina de Equipamentos Mecânicos Industriais da grade de Engenharia Mecânica - Universidade Salvador – UNIFACS, como requisito parcial para conclusão da disciplina.
Docente: José Fábio
Salvador
2014
SUMÁRIO
41.	INTRODUÇÃO	�
62.	CONCEITOS	�
61)	Cargas	�
62)	Tensões e coeficiente de segurança.	�
83.	CRITÉRIOS	�
91)	Em função da velocidade (Válido para tubulações curtas)	�
92)	Em função das perdas de cargas (Aplicado em tubulações longas)	�
103)	Em função da perda de carga total ( J )	�
114)	Em função da pressão e temperatura de projeto	�
125)	Considerações sobre cálculo da espessura de parede	�
146)	Considerações de cálculos de vãos entre suportes	�
157)	Considerando o movimento vertical limite para emprego de suporte móveis.	�
168)	Considerações sobre cálculos de acordo com a Norma ANSI/ASME B.31	�
174.	ATIVIDADE	�
195.	REFERÊNCIAS	�
206.	ANEXOS	�
201)	Cálculo do Recalque	�
212)	Cálculo da Sucção	�
�
INTRODUÇÃO 
A existência das tubulações decorre principalmente do fato do ponto de geração ou de armazenagem dos fluidos estar, em geral, distante do seu ponto de utilização. Dessa forma tem-se algumas definições onde tubos são classificados como condutos fechados, destinados ao transporte de fluidos, sendo de seção circular, apresentando-se como cilindros ocos, onde a grande maioria funciona como condutos forçados, isto é, sem superfície livre, com o fluido tomando toda área da seção transversal. Já a tubulação se dá a um conjunto de tubos e de seus acessórios.
As tubulações servem para o transporte de todos os materiais capazes de escoar, isto é, todos os fluidos conhecidos, líquidos ou gasosos, assim com materiais pastosos e fluidos com sólidos em suspensão, possuindo grande importância na indústria. 
Todas as indústrias têm redes de tubulações de maior ou menor importância, e quase todas essas redes são essenciais ao funcionamento da indústria. Essa importância é ainda maior nas chamadas indústrias de processo, nas quais as tubulações são os elementos físicos de ligação entre os equipamentos (vasos de pressão, reatores, tanques, bombas, trocadores de calor, etc.), por onde circulam os fluidos de processo e de utilidades.
Nessas indústrias o valor das tubulações representa em média, 20 a 25% do custo total da instalação industrial. A montagem das tubulações atinge, em média, 45 a 50% do custo total da montagem de todos os equipamentos. O projeto das tubulações vale, em média, 20% do custo total do projeto da indústria. É válido observar que indústria de processo é um nome genérico para designar as indústrias em que materiais fluidos sofrem transformações físicas e/ou químicas, ou as que se dedicam à armazenagem, manuseio ou distribuição de fluidos. 
Dessa forma as tubulações podem ser aplicadas em diversos tipos de áreas, sendo assim, pode-se ter tubulações em áreas de processo, isto é, no interior de áreas onde os fluidos passam por transformações físicas ou químicas; e tubulações em áreas externas – isto é, fora da área de processo –, que são as tubulações de interligação, tubulações em áreas de armazenagem, etc. 
Chamam-se tubulações de processo às tubulações do fluido ou dos fluidos que constituem a finalidade básica da indústria, nas indústrias cuja atividade principal é o processamento, a armazenagem ou a distribuição de fluidos. Por exemplo: Tubulações de óleos em refinarias, terminais e instalações de armazenagem ou distribuição de produtos de petróleo; tubulações de vapor em centrais termoelétricas; tubulações de produtos químicos em indústrias químicas; etc. 
As tubulações de utilidades são as tubulações de fluidos auxiliares nas indústrias cuja atividade principal é o processamento, a armazenagem ou a distribuição de fluidos, e também as tubulações em geral em todas as indústrias que se dedicam a outras atividades. As tubulações de utilidades podem servir não só ao funcionamento da indústria propriamente dita (sistemas de refrigeração, aquecimento, vapor para acionamento de máquinas, etc.), como também para outras finalidades normais ou eventuais, tais como: manutenção, limpeza, combate de incêndio, etc. Nas indústrias em geral, costumam constituir tubulações de utilidades as redes de água doce, água salgada, vapor, condensado e ar comprimido 
As de instrumentação são as tubulações para a transmissão de sinais de ar comprimido para as válvulas de controle e instrumentos automáticos, e também as pequenas tubulações, de fluidos diversos, para os instrumentos automáticos. As tubulações de instrumentação não são destinadas ao transporte de fluidos 
As tubulações de transmissão hidráulica, que também não se destinam ao transporte de fluidos, são as tubulações de líquidos sob pressão para os comandos e servomecanismos hidráulicos.
As tubulações de drenagem são as redes encarregadas de coletar e conduzir ao destino conveniente os diversos efluentes fluidos de uma instalação industrial. Preferimos, nesta classificação, não incluí-las como tubulações de utilidades, por causa da característica peculiar a quase todas as tubulações de drenagem de trabalharem sem pressão e com fluidos muitos variados e frequentemente mal definidos. 
As tubulações de transporte são os troncos empregados para o transporte de líquidos e gases a longa distância fora de instalações industriais. Estão incluídas nesta classe as adutoras de água, as tubulações de transporte de óleos e gases (oleodutos e gasodutos) e os coletores de drenagem. 
As tubulações de distribuição são as redes ramificadas fora de instalações industriais; pode ser de distribuição propriamente dita (de água, vapor, etc.) quando o fluxo se dá em direção às extremidades do ramal, e de coleta (de drenagem, esgotos, etc.) quando o fluxo se dá em direção às linhas-tronco. 
Por fim, deve ser observado que, em qualquer caso, os tubos que fazem parte integrante de equipamentos e máquinas (caldeiras, fornos, trocadores de calor, motores, etc.) não são considerados como pertencentes às redes de tubulações.
CONCEITOS
Cargas
As cargas que atuam sobre as tubulações podem provim de cargas internas ou externas (pressão), cargas do tubo, fluido, acessórios, etc (pesos), variação de temperatura (dilatação térmica), movimentos de pontos extremos, atrito nos suportes, vibrações, reações de juntas de expansão, tensões decorrentes de montagem, dentre outros. Na prática, para dimensionamento de tubulações, adotam-se as tensões admissíveis menores para que se possa compensar os esforços não considerados.
Tensões e coeficiente de segurança.
As tensões podem ser consideradas primárias ou secundárias, onde estas exercem pressão nas paredes dos tubos, podendo causar problemas e deformações na tubulação, tendo como consequência a mudança da tensão admissível do sistema, afetando a segurança do sistema. Segue abaixo imagens para melhor visualização do explicitado.
Figura 1 – Tensões primárias e secundárias. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Figura 2 – Tensão admissível. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Figura 3 – Tensões nas paredes dos tubos. Fonte:TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Figura 4 – Dilatações e deformações. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Figura 5 – Diminuição da tensão admissível. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
CRITÉRIOS
Na maioria dos casos, o dimensionamento do diâmetro das tubulações traz consigo um problema hidráulico, podendo ser em função da vazão, das diferenças de cotas existentes, das pressões disponíveis, velocidades e perdas de carga admissíveis, assim como por conta da natureza do fluido, do material ou do tipo de tubulação. Onde a determinação desse diâmetro é em função do cálculo da velocidade e das perdas de cargas decorrentes de escoamento, tendo como exceções o diâmetro do bocal do equipamento, para tubos curtos, e o vão entre suportes, para vazões pequenas.
	
Em função da velocidade (Válido para tubulações curtas)
O aumento da perda de energia durante o escoamento é proporcional ao aumento da velocidade de escoamento, onde aumentando o diâmetro do tubo há uma diminuição da velocidade, resultando, assim, em um problema econômico:
↑A= ↑(π D2 )/4
Obs.: 
1. Toma-se o maior valor possível para a vazão (Q).
2. Arbitra-se um valor para (D).
3. Compara-se a velocidade calculada (V) com a velocidade econômica para o caso.
4. A velocidade de escoamento deve ser igual ou imediatamente inferior à velocidade econômica.
5. É preciso adequar o valor encontrado com as dimensões normalizadas para fabricação de tubos.
 Em função das perdas de cargas (Aplicado em tubulações longas)
Considera-se o maior valor de vazão (Q), a menor diferença de pressões (P1 – P2) e maiores valores de viscosidade cinemática (v) e pressão de vapor na temperatura de operação (Pv). Utilizando as velocidades econômicas arbitra-se um diâmetro.
Em função da perda de carga total ( J )
Onde: L = Comprimento total do tubo mais os comprimentos equivalentes de todos os acidentes existentes; V = Velocidade do fluido; g = Aceleração da gravidade; d = Diâmetro interno do tubo; γ = Peso específico do fluido; f = Coeficiente de atrito do fluido. Tem-se as fórmulas: 
Figura 6 – Fórmulas para calcular a perda de carga total. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
É importante lembrar que as perdas de cargas em acessórios e em derivações são obtidas experimentalmente, para cada tipo e tamanho de acidente, dadas em comprimento equivalente de tubo reto de mesmo diâmetro. Considerando a perda relativa da carga, perda em um determinado comprimento, calcula-se: 
Figura 7 – Fórmulas para calcular a perda de carga relativa para sucção e recalque. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
A partir daí compara-se o valor da perda de carga total (J) com os valores obtidos nas equações (I) ou (II), considerando:
Figura 8 – Considerações sobre os valores de J. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Dessa forma, a partir das dimensões normalizadas, arbitra-se um novo valor para o diâmetro, procurando-se obter um valor de (J) imediatamente inferior aos valores de (I) ou de (II).
Em função da pressão e temperatura de projeto
São os valores considerados para efeito de cálculo, correspondendo as condições mais severas de pressão e temperatura simultâneas. É importante não deixar de considerar as condições transições transitórias que podem ocorrer nas tubulações, como, por exemplo:
Partida e parada do sistema (flutuações de pressão e temperatura);
Falhas no sistema de proteção ou de controle, bem como erros de operação (abertura ou fechamento indevido de uma válvula);
Paralisação repentina da circulação de um líquido – Golpe de Aríete;
Resfriamento de gases contidos em tubulações (diminui a pressão e pode produzir vácuo);
Expansão de líquido contido em tubulação pelo aumento da temperatura (o simples aquecimento do sol pode provocar pressões variações de até 30ºC, aumentando até 0Kgd/cm² para cada ºC);
A vaporização anormal de líquidos dentro das tubulações provoca aumento de pressão (falha no sistema de resfriamento);
O congelamento de líquidos dentro de tubulações provoca aumento de pressão;
A descompressão de gases liquefeitos causa abaixamento considerável de temperatura (temperatura de ebulição do propano líquido na pressão atmosférica é – 50 °C);
Pré-aquecimento por lavagem de vapor.
Dessa forma é importante lembrar que é preciso bom senso na consideração das condições transitórias, devido a eterna disputa entre segurança e economia.
Considerações sobre cálculo da espessura de parede
Para diâmetros acima de 6t. Seguem considerações:
Figura 9 – Fórmulas da tensões circunferencial e longitudinal . Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Onde, Sci = 2Sl. Portanto SCi será a tensão limitante. Fazendo Sci = Sh tem-se tm para resistir à pressão interna do tubo, resultando em:
Figura 10 – Fórmula para cálculo da espessura da parede. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Para os diversos diâmetros temos:
Figura 11 – Formula de Lamé e Clavarino. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Obs.: Para baixas pressões, em temperatura moderada, o cálculo resulta em espessuras muito pequenas. Entretanto, para garantir a resistência estrutural do tubo geralmente são adotadas as seguintes espessuras mínimas:
Figura 12 – Espessuras mínimas. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Considerações de cálculos de vãos entre suportes
Tem-se como fatores limitantes a tensão máxima, no ponto de maior momento fletor, onde esta deverá ser inferior a uma determinada tensão admissível; e a flecha máxima, no meio do vão, onde esta deverá ser inferior a um determinado valor admissível.
Utiliza-se a fórmula:
Figura 13 – Fórmula da tensão máxima de flexão. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
De forma que a flecha, no meio do vão, poderá ser calculada por:
Figura 14 – Flecha máxima. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Os valores admitidos são: 
Figura 15 – Valores de flecha admissíveis. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Considerando o movimento vertical limite para emprego de suporte móveis.
Se o movimento vertical for superior ao deslocamento verticalmáximo, será necessário o emprego de um suporte móvel no ponto B. Tem-se como exemplo:
Figura 16 – Fórmula do deslocamento vertical máximo. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Considerações sobre cálculos de acordo com a Norma ANSI/ASME B.31
Figura 17 – Norma ANSI/ASME B.31. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Onde os critérios, válidos para as seções 31.1, 31.3, 31.5 e 31.7 são:
Figura 18 – Critérios para norma ANSI/ASME B.31. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Para calcular-se a espessura da parede, exceto quando P/SE> 0,385 e também quando t> D/6, adotam-se as fórmulas:
Figura 19 – Fórmula da espessura. Fonte: TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
Na falta de dados, para o aço carbono e aços de baixa liga, pode-se considerar 1,2mm como valor mínimo para sobreespessura de corrosão; 2mm em serviços de média corrosão ou até 4mm em serviços de alta corrosão. A sobreespessura para corrosão e erosão será o produto da taxa anual de corrosão pelo número de anos da vida útil, onde, para tubulações em geral, toma-se de 10 a 15 anos de vida útil.
ATIVIDADE
Nesse campo consta as informações da atividade a ser desenvolvida, sendo que imagens da resolução em Excel da mesma constará em anexos.
Seguem alguns dados:
Figura 20 – Dados da atividade.
Figura 21 – Esquema da atividade. 
REFERÊNCIAS
CLÉLIO. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS. Disponível em: <ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM141/aula09_USP.pdf>. Acesso em: 17 out. 2014.
DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO. Disponível em: <http://www.escoladavida.eng.br/mecfluquimica/dimensionamento%20da%20tubula%C3%A7%C3%A3o.pdf>. Acesso em: 17 out. 2014.
DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS – TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS. Disponível em: <http://www.inspetordeinstrumentacao.com.br/TREINAMENTOS/Silva_Telles_calculo_.pdf>. Acesso em: 17 out. 2014.
PAULETTO, RENAN. Dimensionamento mecânico de tubulações: Projeto normatizado, análise de flexibilidade e esforços atuantes. Disponível em: <http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/66462/000871309.pdf?sequence=1>. Acesso em: 17 out. 2014.
SIMEI. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS. Disponível em: <http://lcsimei.files.wordpress.com/2012/10/tubulac3a7c3b5es-industriais_i_simei7.pdf>. Acesso em: 17 out. 2014.
TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS 10º EDIÇÃO. Disponível em: <http://www.inspetordeinstrumentacao.com.br/TREINAMENTOS/Silva_Telles_materiais_projeto.pdf>. Acesso em: 17 out. 2014.
TELLES, SILVA. TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS – CÁLCULO. Disponível em: <http://pt.scribd.com/doc/57413553/DIMENSIONAMENTO-DE-EQUIPAMENTOS-TUBULACOES-INDUSTRIAIS>. Acesso: em 17 out. 2014.
ANEXOS
Cálculo do Recalque
Cálculo da Sucção
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