Equipamentos Mecânicos Industriais - Dimensionamento de vaso de pressão

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE SALVADOR
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA
ENGENHARIA MECÂNICA
EQUIPAMENTOS MECÂNICOS INDUSTRIAIS
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 VASOS DE PRESSÃO
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 VASOS DE PRESSÃO
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	�
52.	CONCEITOS	�
51)	Classificação dos Vasos de Pressão	�
72)	Descrição	�
113.	CRITÉRIOS	�
164.	ATIVIDADE	�
175.	CONCLUSÃO	�
186.	REFERÊNCIAS	�
191)	ANEXOS	�
�
INTRODUÇÃO 
Segundo a NR 13, vasos de pressão são equipamentos que contem em seu interior fluidos sob pressão interna ou externa. Já segundo a Petrobrás na norma N-253: “Entende-se como vaso de pressão todos os reservatórios de qualquer tipo, dimensões ou finalidade, não sujeitos à chama, que contenham qualquer fluido em pressão manométrica igual ou superior a 103 kPa (1,05 kgf/cm2) ou submetidos à pressão externa”.
Vasos de pressão estão sempre submetidos simultaneamente à pressão interna e à pressão externa. Até mesmo para os vasos que operam com vácuo estão submetidos a essas pressões, uma vez que não existe vácuo absoluto. Convenientemente, o que se considera vácuo é qualquer pressão que seja inferior à pressão atmosférica. O vaso é dimensionado, considerando-se a pressão diferencial resultante que atua sobre as paredes, que poderá ser maior interna ou externamente.
Vasos de pressão podem ser construídos de materiais e formatos geométricos diversos de acordo com o tipo de utilização a que se destinam, provocando assim o desenvolvimento de vasos de pressão esféricos, cilíndricos, cônicos, etc., construídos em aço carbono, alumínio, aço inoxidável, fibra de vidro e outros materiais. Os vasos de pressão podem conter líquidos, gases ou misturas destes. Algumas aplicações são: armazenamento final ou intermediário, amortecimento de pulsação, troca de calor, contenção de reações, filtração, destilação, separação de fluidos, criogenia, etc.
Em relação aos riscos, para a NR 13, constitui risco grave e iminente a falta de qualquer um dos itens: válvula ou outro dispositivo de segurança com pressão de abertura ajustada na PMTA instalada diretamente no vaso ou no sistema que o inclui; dispositivo de segurança contra bloqueio inadvertido da válvula quando esta não estiver instalada diretamente no vaso; e instrumento que indique a pressão de operação.
Pressão Máxima de Trabalho Permitida – PMTP ou Pressão Máxima de Trabalho Admissível – PMTA, é o maior valor de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais empregados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais.
CONCEITOS
O nome vaso de pressão designa genericamente todos os recipientes estanques, de qualquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter um fluido pressurizado. Dentro de uma definição tão abrangente inclui-se uma enorme variedade de equipamentos, desde uma simples panela de pressão de cozinha até os mais sofisticados reatores nucleares. Dentre suas aplicações, os vasos de pressão são todos os reservatórios destinados ao armazenamento e processamento (transformações físicas ou químicas) de líquidos e gases sob pressão ou sujeitos a vácuo total ou parcial, e são empregados em três ocasiões diferentes: 
• 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 intermediária de líquidos e gases: isto ocorre em sistemas onde é necessária armazenagem de líquidos ou gases entre 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. 
Por apresentar diversos tipos de riscos, a construção de um vaso de pressão é submetida a vários cuidados e preocupações no que se diz respeito ao seu projeto, fabricação, montagem e testes. Além disso, este tipo de equipamento tem um alto investimento e deve-se operar durante um longo período de tempo com segurança e sem a necessidade de parar o equipamento para manutenção.
Classificação dos Vasos de Pressão
Quanto à função, os vasos podem ser classificados em Vasos não sujeitos a chama ou Vasos sujeitos a chama.
Vasos não sujeitos a Chama
Vasos de armazenamento e de acumulação; Torres de destilação fracionadora, retificadora, absorvedora e etc; Reatores diversos; Esferas de Armazenamento de gases; Permutadores de calor.
 Vasos sujeitos a chama 
Caldeiras; Fornos.
Quanto a pressão de operação, eles podem ser classificados da seguinte forma:
Vasos atmosféricos - 0 a 0,5psig; 0 a 0,035kg/cm2; 0 a 0,33 ATM 
Vasos de baixa pressão - 0,5 a 15psig; 0,033 a 1,054kg/cm2; 0,033 a 0,1020 ATM 
Vasos de alta pressão - 15 a 3000psig; 1,054 a 210,81kg/cm2; 1,020 a 204,07 ATM 
Quanto a posição de instalação (dimensão em relação do solo), baseando-se na posição em que essas três dimensões estão em relação ao solo, podemos classificar os vasos de pressão como mostrado a seguir: 
Cilíndrico Vertical: DI e DE, paralelos em relação ao solo e CET, perpendicular ao solo. 
Cilíndrico inclinado: DE, Dl, CET, inclinados em relação ao solo: 
Cilíndrico horizontal: DE, DI perpendiculares ao solo e CET, paralelo ao solo. 
Esférico: Quando a dimensão CET não pode ser definida. 
 
O comprimento entre tangentes (CET) é o comprimento total do corpo cilíndrico, ou a soma dos comprimentos dos corpos cilíndricos e cônicos sucessivos. As linhas de tangência, que limitam o comprimento entre tangentes, são linhas traçadas próximo a ambos os extremos do casco, na tangência entre o corpo cilíndrico e os tampos de fechamento. As figuras abaixo ilustram os tipos de vasos de pressão: 
Figura 1 – Cilindro vertical, cilindro vertical modificado e cilindro inclinado, respectivamente. FONTE: Instituto Santa Catarina, CURSOS E TREINAMENTOS PROFISSIONAIS. Disponível em: <http://www.institutosc.com.br/app/webroot/files/20130328_115109.pdf>. Acesso em: 20 nov. 2014.
Descrição
A variedade de tipos e detalhes de peças internas em vasos de pressão é enorme e ela depende exclusivamente do serviço para o qual o vaso será designado. Todas as peças internas que devem ser desmontáveis (grades, bandejas, distribuidores, defletores, extratores de névoa, etc.) devem ser obrigatoriamente subdivididas em seções, de tal maneira que cada seção possa passar com facilidade através das bocas de visita dos vasos.
Componentes estruturais
• Casco 
O casco dos vasos de pressão tem sempre o formato de uma superfície de revolução. A grande maioria dos vasos, com pouquíssimas exceções, tem o casco com uma das três formas básicas: cilíndricas, cônicas e esféricas, ou combinações dessas formas.
• 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 exigência de serviço, diâmetro e pressão de operação. A figura ilustra alguns tipos de tampos:
.
Figura 2 – Tampos semi elíptico, toro-esférico, hemisférico e cônico, respectivamente. FONTE: Instituto Santa Catarina, CURSOS E TREINAMENTOS PROFISSIONAIS.Disponível em: <http://www.institutosc.com.br/app/webroot/files/20130328_115109.pdf>. Acesso em: 20 nov. 2014.
Abertura e reforços
Todos os vasos de pressão têm sempre várias aberturas com diversas finalidades. 
Bocais 
São as aberturas feitas nos vasos para realizar ligação com tubulações de entrada e saída de produto, instalação de válvulas de segurança, instalação de instrumentos, drenos e respiros. 
 Figura 3 – Exemplos de instalação de bocais. FONTE: Instituto Santa Catarina, CURSOS E TREINAMENTOS PROFISSIONAIS. Disponível em: <http://www.institutosc.com.br/app/webroot/files/20130328_115109.pdf>. Acesso em: 20 nov. 2014.
Bocas de Visita 
 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. 
Reforços 
 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. 
 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. 
Torres 
Os processos de destilação simples e redestilação são demorados e onerosos, especialmente em se tratando de uma mistura de mais de dois componentes como no caso do petróleo. Para eliminar esse inconveniente as indústrias usam denominados torres ou colunas, que permitem em uma única operação realizar todas as destilações e redestilações necessárias. As torres normalmente servem para separar ou absorver componentes de misturas líquidas e gasosas. Esta separação pode ser feita por meio da destilação, daí também o nome de torre destilação. Absorção é feita em torres absorvedoras, com finalidade de separar produtos indesejáveis no produto final. 
Existem duas grandes classes de torres: torres de pratos e torres recheadas. Na primeira, o contato entre as fases é feito em estágios. Na segunda, o contato é contínuo.
CRITÉRIOS
Para o dimensionamento de um vaso de pressão, os cálculos são realizados através de alguns parâmetros de engenharia que são imprescindíveis para a realização de um projeto de um vaso. Esses parâmetros serão vistos a seguir, bem como suas fórmulas e os cálculos envolvidos.
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).
Temperatura de operação
Para um determinado componente de um vaso de pressão e para certa condição de operação, a temperatura de operação será a temperatura da sua superfície metálica.
Pressão de projeto
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.
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 máxima temperatura alcançada. A temperatura da superfície metálica não deverá exceder aos valores listados nas tabelas de tensões admissíveis do material em consideração.
 
Pressão Máxima Admissível de Trabalho (PMTA)
A Pressão Máxima Admissível de Trabalho (PMTA) pode se referir a cada uma das partes de um vaso, ou ao vaso considerado como um todo. 
A PMTA de cada parte de um vaso é a pressão que causa na parte em questão uma tensão máxima igual a tensão admissível do material na temperatura de operação correspondente à parte considerada. Essas pressões são calculadas pelas fórmulas dadas na mesma norma de projeto adotada para o cálculo do vaso. Pela definição do código ASME, Seção VIII, Divisão 1 (parágrafo UG - 98), o cálculo da PMTA deve ser feito em função das espessuras corroídas, descontando-se portanto a sobre espessura para a corrosão que houver. 
O cálculo da PMTA pode ser definido pela fórmula:
Onde:
S = tensão admissível do material
F = eficiência da junta
t = espessura real
R = raio interno do cilindro (caso a geometria seja cilíndrica)
A norma acima citada define a PMTA do vaso todo como sendo "o maior valor permissível para pressão, medida no topo do vaso, na sua posição normal de trabalho, na temperatura correspondente à pressão considerada, tomando-se o vaso com a espessura corroída". Essa pressão será portanto a pressão que causa, na parte mais frágil do vaso, uma tensão igual à tensão admissível do material, ou, em outras palavras, será o menor dos valores das PMTA, das diversas partes do vaso, corrigidas do efeito da coluna hidrostática do liquido contido. 
Um acréscimo de espessura deve ser considerado sempre que houver perda sensível de espessura da chapa no processo de conformação das partes do vaso, como ocorre, por exemplo, nos tampos elípticos, toriesféricos e hemisféricos, fabricados por prensagem ou processo semelhante. Para os corpos cilíndricos e cônicos, onde há apenas trabalho de calandragem, a perda de espessura é desprezível, e o acréscimo de espessura não precisa ser considerado. 
A PMTA do vaso (ou de suas partes) pode ser calculada para diversas temperaturas, e portanto em função de diferentes valores da tensão admissível, e também para varias condições do vaso. Além da PMTA para o vaso corroído e em operação, é usual calcular-se também para o vaso novo e frio, em função das espessuras e da tensão admissível do material para a temperatura ambiente. Como os valores das PMTA são diferentes entre si, é necessário sempre referir a que temperatura e espessura corresponde um determinado valor da PMTA de um vaso. 
Teste de Pressão Hidrostática
O cálculo do teste de pressão hidrostática é dado por:
Espessura da parede de um vaso
Espessura Mínima: é o valor determinado com as formulas constantes no código de projeto do vaso, considerando-se a pressão e temperatura de projeto, sem adicionar a sobre-espessura de corrosão. 
Sobre-espessura de corrosão: é o valor determinado com base na corrosão prevista e na vida útil especificada no projeto do vaso. Como regra geral, quando a taxa de corrosão for superior a 0,3mm/ano ou quando a sobre-espessura para corrosão prevista for maior que 6mm, recomenda- se que seja usado outro material de maior resistência a corrosão. Quando houver um revestimento anticorrosivo não se deve usar sobre-espessura para corrosão. 
Espessura de Projeto: é a soma da espessura mínima e da sobre-espessura para corrosão. 
Espessura Nominal: é ovalor da espessura de projeto adicionado a quantia necessária para compensar as perdas na conformação e para ajustar a espessura de projeto a uma espessura normal de mercado. Assim., a espessura nominal será sempre maior ou igual a espessura do projeto. 
Pela norma ASME, seção VIII, divisão 1, os vasos cilíndricos são divididos em vasos de pequena e grande espessura. Para determinarmos a espessura mínima devido à pressão interna de um vaso, é necessário que se faça os cálculos tratando o vaso como casco cilíndrico e de pequena espessura:
Para o cálculo da espessura de vasos de pressão submetidos à pressão externa, são feitas aproximações, utilizando um método empírico. A premissa para a utilização desse método é que os cilindros devem ter a relação Do/t ≥ 10, que é o caso do vaso cilíndrico deste projeto. Com os dados requeridos pelo projeto, inicia-se o cálculo com os seguintes parâmetros:
Com o valor de treq, calculamos Do pela seguinte relação:
Sobre-espessura com base em corrosão (C).
A margem ou sobrespessura para corrosão (Corrosion Allowance) é um fator de acréscimo a ser adotado no calculo da espessura, tomando como base o consumo da parede ao longo da vida útil do vaso, pela ação da corrosão.
Meios pouco corrosivos: 1,5 mm
Meios medianamente corrosivos: 3,0 mm
Meios muito corrosivos: 4,0 a 6,0 mm
O diâmetro externo (Do) fornece o valor dos parâmetros L/Do e Do/t, para o cálculo dos fatores A e B. Sendo L e h definidos como:
As variáveis A e B são utilizadas no cálculo da pressão externa máxima admissível, em Pa, e são encontradas a partir dos valores de Do/treq e L/Do mencionados anteriormente.
A pressão externa máxima admissível é dada por:
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 4 – Dados da atividade.
CONCLUSÃO
A partir dos cálculos relacionados à atividade em questão, é possível concluir que:
A situação problema pode ser considerada como vaso de pressão de acordo com a NR-13;
Grupo potencial de risco: 1;
Classe do fluido: A;
Categoria: I;
O plano de inspeção do vaso, de acordo com a NR-13, é:
Exame externo: 1 ano;
 Exame interno: 3 anos;
Teste hidrostático: 6 anos;
Espessura comercial: 75 mm;
PMTA: 747,7241 kgf/cm2;
PTH: 972,0414 kgf/cm2.
 
REFERÊNCIAS
SIMEI. Equipamentos Estáticos e Dinâmicos. Disponível eletronicamente em: <http://lcsimei.files.wordpress.com/2012/09/equipamentos-estc3a1ticos-e-dinc3a2micos_prof-simei_8.pdf>. Acesso em 22 nov. 2014.
Instituto Santa Catarina. Módulo 8, Vasos de Pressão. Disponível eletronicamente em: <http://www.institutosc.com.br/app/webroot/files/20130328_115109.pdf>. Acesso em: 22 nov. 2014.
ANEXOS
� PAGE \* MERGEFORMAT �3�