Aula 8 CTM 2017 2 SELEÇÃO DE MATERIAIS

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SELEÇÃO DE MATERIAIS 
Aula 8 17-24/11/2017 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO – UFMA 
CURSO DE BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM 
CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
 MATÉRIA: CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS 
PROFESSOR: LUIS VENANCIO 
PROGRAMA DA DISCIPLINA 
1. Introdução a Ciência e 
Tecnologia dos Materiais. 
2. Estrutura dos materiais: 
arranjos atômicos e 
iônicos. 
3. Fundamentos de 
cristalografia. 
4. Imperfeições em sólidos 
cristalinos. 
5. Diagrama de fases 
6. Polímeros, materiais 
compósitos e nano 
estruturados. 
7. Propriedades dos 
materiais. 
8. Seleção de materiais. 
 
DATA DESCRIÇÃO 
06-Sep Introdução a Ciência e Tecnologia dos Materiais 
13-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos 
15-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos 
20-Sep Fundamentos de Cristalografia 
22-Sep Exercícios 
27-Sep Exercícios 
29-Sep Avaliação 1 
04-Oct Cancelada 
06-Oct Imperfeições em Sólidos Cristalinos 
11-Oct Diagramas de Fases 
13-Oct Ponto facultativo 
18-Oct Polímeros, Materiais Compósitos e Nanoestruturados 
25-Oct Exercícios 
27-Oct Exercícios 
01-Nov Avaliação 2 
03-Nov Propriedades dos Materiais 
08-Nov Fratura, Fadiga e Fluência 
10-Nov Cerâmicas 
17-Nov Seleção de Materiais 
22-Nov Seleção de Materiais 
24-Nov Seleção de Materiais 
29-Nov Exercícios 
01-Dec Avaliação 3 
06-Dec Revisão 
13-Dec Reposição 
15-Dec Revisão 
20-Dec Final 
22-Dec Revisão 
EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS 
Equipamentos usados em indústrias de processamento 
ou fabricação bem como na armazenagem, manuseio ou 
distribuição de graneis sólidos e líquidos. 
- Refinarias de petróleo. 
- Indústrias químicas e petroquímicas. 
- Indústrias alimentares e farmacêuticas, 
- Terminais de armazenagem e distribuição de graneis. 
- Fábricas de equipamentos. 
 
EQUIPAMENTOS DE PROCESSOS 
Tubulações e Dutos 
Equipamentos de caldeiraria 
Máquinas 
Na indústria existem três condições características que tornam 
necessário um maior grau de confiabilidade para os 
equipamentos (o que inclui a seleção de materiais para esses 
equipamentos) em comparação com a exigência normal. 
1. Regime de trabalho (24 x 7 versus 44 h) 
2. Fluxograma do processo – cadeia contínua entre os 
equipamentos. 
3. Manuseio de produtos de risco e condições de risco. 
EQUIPAMENTOS DE PROCESSOS 
Fatores que influenciam na seleção 
Fatores relativos à resistência mecânica do material 
Propriedades mecânicas: - limite de resistência e de 
escoamento; ductilidade; resistência à fluência e à fadiga; 
temperatura de transição; dureza; módulo de elasticidade 
Fatores relativos ao serviço 
• Temperatura de trabalho – geralmente temperatura do 
fluido em contato; 
• Fluidos em contato: 
 natureza, composição química, concentração; 
 pH, caráter oxidante/redutor 
 Impurezas 
 Pressão, temperatura, velocidade 
 Toxidez, explosividade, 
 flamabilidade 
Fatores relativos ao serviço 
Fatores que influenciam na seleção 
• Ação do fluidos sobre os materiais – devem ser 
considerados os fenômenos de corrosão bem como outros 
efeitos deletérios do fluido sobre o material, como a 
fragilização, alterações químicas etc. 
 
Obs: em alguns equipamentos existem peças em contato 
simultâneo com dois fluidos (trocadores de calor). Para esses 
casos a escolha dos materiais adequados é bastante difícil, 
devido a diversidade dos efeitos corrosivos e de temperatura 
dos dois fluidos em contato. 
Fatores que influenciam na seleção 
Fatores relativos ao serviço 
• Efeitos dos produtos de corrosão: a seleção deverá passar 
pelo máximo tolerável de contaminação e suas 
consequências sobre a cor, o gosto, a toxidez etc. os 
resíduos de corrosão quando se acumulam no fundo dos 
equipamentos e tubulações podem ocasionar sérios 
problemas de corrosão por pites e de corrosão em frestas. 
 
• Níveis de tensões no material: resistência mecânica deve 
ser compatível com o nível de tensões: pressão, ação do 
vento, reações de dilatações térmicas, sobrecargas 
externas, esforços de montagem etc. 
Fatores que influenciam na seleção 
Fatores relativos ao serviço 
• Natureza dos esforços mecânicos: tração, compressão, 
flexão, estáticos ou dinâmicos, choques, vibrações etc, 
condicionam a escolha do material. 
 
Ex: Materiais frágeis – não são adequados quando ocorrem 
esforços dinâmicos, choques ou altas concentrações de 
tensões. [ferro fundido/cerâmica/vidro]. 
Materiais dúcteis – pontos de concentração de tensões às 
vezes não são importantes – material se deforma localmente; 
porém com repetição ou inversão cíclica das tensões podem 
aparecer trincas (fadiga). 
 
Fatores que influenciam na seleção 
Fatores relativos à fabricação do equipamento 
• Limitações relativas às possibilidades de fabricação ou 
montagem devem ser consideradas. Tipo, formato e 
tamanho da peça ou do equipamento já de saída excluem o 
emprego de determinados materiais. Soldabilidade, 
usinabilidade, facilidade de conformação devem ser sempre 
consideradas. 
Disponibilidade dos materiais 
• Facilidade de obtenção: importação, entrega etc. 
• Forma de apresentação: chapas grossas, chapas finas, 
forjados, fundidos etc. 
Fatores que influenciam na seleção 
Custo do material 
• Fator às vezes decisivo na escolha. Não deve ser 
considerado apenas o custo direto do material, mas 
também os custos de fabricação, tempo de vida, custo de 
paralisação e de reposição do equipamento etc. 
 
Ex: O custo por quilo de um aço inoxidável austenítico tipo 
304 é, aproximadamente, 2,7 vezes superior ao custo de um 
aço-liga 1 ¼Cr-½Mo, entretanto, a construção de um 
equipamento em aço tipo 304 pode ser mais econômica do 
que em aço liga, já que a soldagem do aço inoxidável é mais 
fácil, além de não ser necessário um tratamento térmico 
posterior. 
Fatores que influenciam na seleção 
Experiência prévia 
• Investigar a experiência prévia que possa existir com esse 
material no mesmo serviço. Dados de experiência devem 
ser relativos a um serviço exatamente igual e não apenas 
semelhante. 
Tempo de vida previsto 
• O tempo de duração mínima do material tem de ser 
compatível com o tempo de vida útil previsto para o 
equipamento ou para peça. 
Variações toleradas de forma ou de dimensões 
• Para a maioria dos equipamentos de processo podem ser 
toleradas variações na forma ou na dimensão (1%) durante 
a vida útil. Porém, há casos onde não se pode ter essa 
variação. 
Fatores que influenciam na seleção 
Segurança 
• Quando o risco potencial do equipamento, ou do local onde 
o mesmo se encontra, for grande ou, ainda, quando o 
equipamento for essencial ao funcionamento de uma 
instalação importante, há necessidade do emprego de 
materiais que ofereçam o máximo de segurança, evitando 
ocorrência de rupturas, vazamentos, ou outros acidentes. 
 
São exemplos de risco potencial elevado: 
- Equipamentos que trabalhem com fluidos inflamáveis, 
tóxicos, explosivos, em temperaturas e pressões altas. 
- Materiais de baixo ponto de fusão não devem ser 
empregados em equipamentos que devem ser à prova de 
fogo (plásticos, borrachas, alumínio, chumbo etc.) 
Fatores que influenciam na seleção 
Outros fatores específicos 
• Para tubos em geral o COEFICIENTE DE ATRITO deve ser 
considerado, pois às vezes o valor da perda de carga 
admissível é limitado, o que necessita de um material com 
um coeficiente de atrito mais baixo. Além disso, durante a 
vida útil esse coeficiente irá aumentar (incrustações, 
corrosão etc), o que deve também ser levado em 
consideração. 
 
• Para tubos de troca de calor CONDUTIVIDADE TÉRMICA e 
materiais diferentes empregados. Principalmente para tubos 
de trocade calor de superfície estendida (aletas). 
Fatores que influenciam na seleção 
Outros fatores específicos 
• DUREZA e RESISTÊNCIA À ABRASÃO – para peças sujeitas 
a desgaste superficial pronunciado – tubulações sujeitas a 
escoamentos de catalisadores, minérios, lamas, escoamento 
bifásico, que provoca o impingimento. 
 
• Possibilidade de solda com outro material: a seleção pode 
às vezes ser ditada pela necessidade de solda com outras 
partes, o que impõe que os metais sejam soldáveis entre si. 
 
Observações sobre a seleção 
Em muitos equipamentos, algumas partes costumam ser feitas 
de material diferente e mais nobre do que o empregado para 
a construção do equipamento. Exemplos: 
• Tubos de troca de calor de caldeiras, fornos, trocadores 
de calor etc. – contato com dois fluidos diferentes, 
paredes finas (melhorar troca térmica e redução de 
peso) – devem ser de material melhor e mais resistente 
à corrosão. 
• Peças internas desmontáveis em vasos de pressão 
(bandejas, borbulhadores, grades, recheios etc.) são 
frequentemente de material mais resistente à corrosão 
para permitir ajuste mecânico, desmontagem e também 
menor espessura para redução de peso. 
Observações sobre a seleção 
• Materiais de aparafusamento e fixação (parafusos, 
porcas, arruelas, grampos etc) são peças pequenas, 
sujeitas a grandes esforços e que não podem sofrer 
alterações dimensionais nem desgaste por corrosão. 
Emprega-se materiais mais resistentes. 
• Peças internas em válvulas, purgadores, filtros e outros 
são geralmente feitas de material mais resistente à 
corrosão, pois estão sujeitas a grandes esforços, e não 
se podem admitir alterações dimiensionais. 
Observações sobre a seleção 
Do que foi exposto pode se apontar as seguintes etapas para a 
seleção de um material para um determinado serviço: 
1. Relacionar e estudar a experiência prévia existente para o 
serviço em questão; 
2. Estudar e analisar todos os fatores que possam influir na 
seleção do material; 
3. Colocar esses fatores em ordem de importância; 
4. Estabelecer as características que deve ter o material ideal; 
5. Conhecer os materiais disponíveis e suas limitações físicas 
e de fabricação; 
6. Realizar ensaios e testes, caso possível e necessário; 
7. Comparar os materiais que possam satisfazer, otimizando 
os custos. 
 
Classificação dos materiais para EP 
Classificação dos materiais para EP 
Classificação dos materiais para EP 
Recomendações de materiais 
Recomendações para equipamentos de troca térmica: 
• Partes em contato simultâneo com ambos os fluidos 
(quente e frio). Tubos do feixe tubular, espelhos. O 
material deve ser compatível com ambos os fluidos. 
• Os tubos devem ser sempre de paredes finas 
(melhorar troca térmica/peso menor) assim 
materiais mais nobres devem ser adotados. 
• O material do tubo deve ser compatível com o 
espelho para evitar corrosão galvânica. 
• Do ponto de vista da seleção é sempre preferível 
que o fluido mais corrosivo, ou que exige materiais 
mais nobres passe por dentro do tubo. 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com vapor: 
• Vapor d’água é um fluido pouco corrosivo e a 
limitação de uso será dada pela resistência a 
fluência do material. Porque com o aumento da 
temperatura ocorre aumento da pressão e portanto 
de solicitação mecânica no material. 
• A temperatura crítica do vapor saturado é de 374 
°C, esta é a maior temperatura que teoricamente é 
possível atingir o vapor saturado. Por esse motivo, 
todas as partes em contato com o vapor saturado 
são sempre de aço carbono, qualquer que seja a 
pressão do vapor. 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com águas agressivas: 
• Água do mar, águas salobras, águas poluídas, de um modo geral 
são extremamente agressivas para o aço carbono e outros 
materiais metálicos. O que gera sempre problemas de 
manutenção devido a corrosão. 
• As recomendações para tubos de condução dessas água podem 
ser resumidas como: 
 Até 4” de diâmetro: PVC ou aço galvanizado. Monel e 
cobre-níquel podem ser usados, mas são mais caros, 
ideais para pressões mais altas. 
 Diâmetros de 2” ou maiores, aço carbono com 
revestimento interno de epóxi ou borracha. 
 Diâmetros de 6” ou maiores, aço carbono com 
revestimento de concreto. Acima de 500 mm usa-se 
armação metálica internamente, para reforçar o 
revestimento. 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com águas agressivas: 
• As recomendações para válvulas são: 
 Até 2” de diâmetro: bronze 
 Diâmetros de 3” ou maiores, ferro fundido com 
internos de bronze (pode ocorrer corrosão 
galvânica). Às vezes é interessante utilizar 
válvulas de ferro-níquel com internos de bronze, 
apesar do custo elevado. 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com hidrocarbonetos: 
• A corrosividade desses compostos e portanto a 
seleção do material adequado, depende 
fundamentalmente, da temperatura e da presença de 
impurezas, principalmente de produtos sulfurosos e 
clorados (H2S – mercaptanas - ácidos naftênicos – 
etc). 
• Petróleo ácido – presença de produtos de S superior 
1% (em peso). Pode conter ou não ácidos naftênicos. 
Quando passa do limite (0,5 -1,0 mg de KOH de 
neutralização) leva a problemas de corrosão em 
temperaturas superiores a 220 °C. 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com hidrocarbonetos: 
• Nesses casos recomenda-se aço inoxidável 316 para 
as tubulações, para os tubos de troca de calor, peças 
internas de válvulas, peças desmontáveis em vasos de 
pressão e revestimentos anticorrosivos. 
• Para os óleos sem ácidos naftênicos, o ataque pelo 
H2S, a partir de 260 °C atinge o máximo a cerca de 
450 °C. Nesses casos pode ser usado os aços-liga Cr 
(5Cr-1/2 Mo). 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços em altas temperaturas: 
 Para serviços não corrosivos a altas temperaturas a 
seleção é feita usando dois limites de temperatura: 
 Temperatura-limite de resistência à fluência 
aceitável; 
 Temperatura-limite de início de formação de 
carepas (oxidação superficial intensa). 
Obs: a temperatura-limite de resistência à fluência 
podem ser ultrapassadas* quando em serviço contínuo 
para partes não sujeitas a esforços mecânicos e em 
curto período para equipamentos em geral. 
*não se pode atingir temp. de formação de carepa e 
nem temperatura máxima de resistência mecânica. 
Recomendações de materiais 
Variação do limite de resistência com a temperatura 
Recomendações para serviços em altas temperaturas: 
Recomendações de materiais 
Materiais para temperaturas elevadas 
Recomendações para serviços em altas temperaturas: 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com ácidos 
Ácido sulfúrico 
Recomendações de materiais 
Recomendações para serviços com ácidos 
Ácido clorídrico 
Exemplo de seleção 
Torre de destilação atmosférica em uma refinaria de 
petróleo. 
Equipamento de grande porte – 55 m de altura; 250 t de peso 
 
Condições de operação: 
• Fluido contido: hidrocarboneto, com alguma quantidade 
de compostos sulfurosos, mas sem ácidos naftênicos. 
• Temperaturas aproximadas: Topo: 100 °C, fundo: 350 °C, 
máxima (região de entrada de carga): 370 °C 
• Pressão: 1,5 Kg/cm2 
Exemplo de seleção 
Torre de destilação atmosférica em uma refinaria de petróleo. 
A torre é dividida em três seções 
(economia) 
1. Seção superior: temperaturas 
abaixo do ponto de orvalho (120 
°C), possibilidade de formação 
de HCl (hidrólise de cloretos). 
Materiais: casco: aço carbono 
+clad de metal monel – 
bandejas e peças desmontáveis 
internas: metal monel. 
Torre de destilação atmosféricaExemplo de seleção 
Torre de destilação atmosférica em uma refinaria de petróleo. 
A torre é dividida em três seções 
(economia): 
 
2. Seção média: temperaturas 
acima do ponto de orvalho e abaixo 
de 300 °C. Materiais: 
Casco: aço carbono + margem para 
corrosão de 4 a 6 mm – bandejas e 
outras partes móveis: aço inoxidável 
tipo 405 ou 410, devido aos 
produtos sulfurosos. 
Exemplo de seleção 
Torre de destilação atmosférica em uma refinaria de petróleo. 
A torre é dividida em três seções 
(economia): 
 
3. Seção inferior: temperaturas 
acima de 300 °C. Materiais: 
Casco: aço carbono + clad de aço 
inoxidável tipo 405 (produtos 
sulfurosos) - bandejas e outras 
partes móveis: aço inoxidável tipo 
405 ou 410. 
BIBLIOGRAFIA: 
Telles P.C. Materiais para equipamentos de processos – 
Editora Interciência 
Material produzido pela Profa. Maria Eliziane Pires de Souza com modificações