Instalações Industriais e Instrumentação I

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TUBOS:MATERIAIS, FABRICAÇÃO E NORMALIZAÇÃO DIMENSIONAL 
Instalações Industriais e Instrumentação I
Profa. Dra. Mabel de Barros Batista
TUBOS
DEFINIÇÃO:
Tubos são condutos rígidos e fechados, destinados principalmente ao transporte de fluidos. 
CARACTERÍSTICAS:
possuem geralmente seção circular e formato de cilindros ocos;
O fluido a ser transportado ocupa todo o espaço interno dos mesmos;
É necessário uma força (impulso) para realizar o transporte do fluido;
Existe uma grande variedade de materiais de fabricação de tubos.
Materiais de maior importância industrial: metálicos (aço carbono, aços-liga e aços inoxidáveis) e não metálicos (plásticos, cimento-amianto e concreto armado).
http://www.metalfas.com.br/tubos-aco.html
MATERIAIS USADOS NA FABRICAÇÃO DE TUBOS
Tubos metálicos
Ferrosos
Não-ferrosos
Aços-carbono
Aços-liga
Aços inoxidáveis
Ferro fundido
Ferro forjado
Ferros ligados
Ferro nodular
Cobre
Latões
Cobre-níquel
Alumínio
Níquel e ligas
Metal Monel
Chumbo
Tiíânio, zircônio
MATERIAIS USADOS NA FABRICAÇÃO DE TUBOS
Tubos não metálicos
Materiais plásticos 
Cloreto de polivinil (PVC)
Polietileno
Acrílicos
Acetato de celulose
Epóxi
Poliésteres
Fenólicos, etc.
Cimento-amianto
Concreto armado
Barro vidrado
Elastômeros (borrachas)
Vidro
Cerâmica
Porcelana, etc.
MATERIAIS USADOS NA FABRICAÇÃO DE TUBOS
Tubos de aço com revestimento interno
Zinco
Aços inoxidáveis
Materiais plásticos
Elastômeros (borracha)
Ebonite
Asfalto
Esmaltes asfálticos
Concretos
Vidro
Porcelana
Uma das grandes dificuldades em um projeto de tubulações está relacionada com a seleção e especificação do material mais apropriado para cada tubulação.
Os principais fatores são:	
SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE TUBOS
Pressão e temperatura de trabalho;
Tipo de fluido a ser conduzido (corrosão e contaminação);
Custo do tubo;
Do maior ou menor grau de segurança exigido;
Das sobrecargas externas existentes;
Da resistência ao escoamento (perdas de carga).
SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE TUBOS
Vale salientar que todos os materiais usados em tubulações industriais devem ter suas propriedades bem conhecidas e garantidas.
Uma exigência geral de todas as normas de projeto de tubulações industriais é que qualquer material que seja adotado deva obedecer a alguma especificação.
Especificações de Material são documentos normativos emitidos por sociedades de normalização reconhecidas ou por alguns fabricantes.
Cada Especificação de Material é designada por uma sigla numérica ou alfanumérica , bem como uma “classe” ou um “grau “da especificação.
Esses documentos de especificação devem constar as seguintes informações e exigências:	
Descrição e finalidade do material;
Composição química;
Propriedades mecânicas;
Ensaios e testes exigidos ou recomendados;
E ainda: dados dimensionais, propriedades físicas e químicas, exigências suplementares opcionais, etc.
FABRICAÇÃO DE TUBOS
Os processos de fabricação de tubos podem ser agrupados ou classificados como:
Tubos sem costura: laminação, 
 extrusão e, 
 fundição;
Tubos com costura (solda).
Os processos mais empregados são laminação e fabricação por solda (2/3 de todos os tubos usados em instalações industriais)
Processo Mannesman de laminação.
http://www.krp.com.br/v1/saiba-como-funciona-o-processo-de-fabricacao-de-tubos-industriais/, acesso em 19/07/2018.
http://www.centerval.com.br/tubos-helicoidais, acesso em 19/07/2018.
TUBOS DE AÇO CARBONO
CARACTERÍSTICAS
Chamado de material de uso geral em tubulações industriais;
Fácil de ser encontrado no mercado;
Fácil de soldar e de conformar, mas de baixa resistência à corrosão;
Menor relação custo/resistência mecânica;
Possuem propriedades fortemente influenciadas pela sua composição química e pela temperatura;
Para tubos, o teor de carbono não deve exceder 0,35% ;
Em temperaturas elevadas (acima de 370oC), o aço carbono sofre reduções da resistência mecânica (deformações por fluência), oxidação superficial e precipitação de carbono (grafitização);
Em temperaturas muito baixas (inferiores a -45oC), o aço carbono fica frágil podendo haver prejuízos sérios por fraturas repentinas;
A influência da temperatura varia com a composição química, tamanho dos grãos, espessura da peça; nível de tensões e por irregularidades geométricas na peça (defeitos internos da peça ou de solda).
EMPREGO
Em tubulações industriais, emprega-se tubos de aço carbono para água doce, vapor de baixa pressão, condensado, ar comprimido, óleos, gases e muitos outros fluidos pouco corrosivos;
Cuidado com o contato direto com solos úmidos ou ácidos (ferrugem);
ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAL
A norma ASME B.31proibe o emprego de qualquer material que não obedeça alguma especificação;
Especificações da American Society for Testing and Materials (ASTM). Ex.: ASTM A53 (graus A e B), ASTM A106 (graus A, B e C) e ASTM A672 (15 classes de material).
Especificação do American Petroleum Institute (API). Ex.:API 5L (graus A e B), 
TUBOS DE AÇO CARBONO
CARACTERÍSTICAS
Aços-liga são os aços que possuem quantidade de outros elementos, além dos que entram no aço-carbono;
Todos são bem mais caros que os de aço carbono. Quanto maior o teor de outros elementos, mais caro será o material;
Podem ser denominados de aços de baixa liga (até 5% de elementos de liga), aço de liga intermediária (entre 5 a 10%) e aços de alta liga (mais de 10% de elementos de liga);
Aços inoxidáveis são os aços-liga que possuem pelo menos 12% de cromo, o que lhes confere a propriedade de não se enferrujarem mesmo em exposição prolongada a uma atmosfera normal.
A montagem e soldagem de tubos de aços-liga são mais difíceis e caras.
CLASSIFICAÇÃO
TUBOS DE AÇOS-LIGA E AÇOS INOXIDÁVEIS 
Aços-liga
Aços inoxidáveis
Molibidênio e cromo-molibdênio
Níquel.
Austeníticos (mais importante)
Ferríticos (magnéticos)
TUBOS DE AÇOS-LIGA E AÇOS INOXIDÁVEIS 
EMPREGO
Serviços com altas temperaturas, superiores às de uso para aço-carbono;
Serviços com baixas temperaturas (menor que -45oC),;
Serviços de alta corrosão porque esses tipos de tubos possuem melhor resistência à corrosão que os de aço carbono;
Exigência de não contaminação (produtos alimentares e farmacêuticos);
Serviços de alta responsabilidade (fluidos perigosos).
ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAL
Especificações da American Society for Testing and Materials (ASTM). Ex.: ASTM A-335 e ASTM A-333.
Especificação do AISI. Ex.:AISI 304 L, AISI 316
TUBOS DE FERRO FUNDIDO E DE FERRO FORJADO 
CARACTERÍSTICAS
Possuem boa duração e resistência à corrosão, principalmente à corrosão pelo solo;
São fabricados por fundição centrifugada;
Há no Brasil vários fabricantes desses tipos de tubos;
Esses tubos resistem bem ao contato com água, atmosfera e solo;
Os de ferro forjado são comumente chamados de tubos galvanizados e possuem baixa resistência mecânica;
Existem também tubos de ferro fundido nodular e de ferros-ligados;
TUBOS DE FERRO FUNDIDO E DE FERRO FORJADO 
EMPREGO
Serviços de condução de água, gás, água salgada e esgoto;
Serviços de baixa pressão, temperatura ambiente e com poucos esforços mecânicos.
Os tubos de ferro fundido são empregados em tubulações para hidrocarbonetos, fluidos inflamáveis e tubulações enterradas;
Os tubos de ferro forjado são bastante usados em tubulações industriais secundárias, de baixas pressões e temperaturas, como tubulações para água, ar comprimido e condensado.
ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAL
Normas da ABNT. Ex.: EB-43 e P-EB-137.
Norma ASME B.31.3.
TUBOS DE METAIS NÃO FERROSOS 
CARACTERÍSTICAS
Possuem melhor resistência à corrosão e mais caros, comparados com os aços carbono;
Porem possuem menor resistência mecânica e a altas temperaturas que os tubos de aço carbono;
São pouco usados devido ao seu alto custo;
Em serviços corrosivos, estes estão sendo substituídos pelos materiais plásticos, pelas vantagens de preço e melhorresistência à corrosão.
TIPOS
Cobre e suas ligas (alto coeficiente de transmissão de calor); 
Alumínio e suas ligas (serviços criogênicos com baixo custo);
Chumbo (excepcional resistência à corrosão, inclusive ao ácido sulfúrico em qualquer concentração);
Níquel e suas ligas (excepcional resistência à corrosão, mecânica e às temperaturas, tanto altas como baixas);
Titânio, zircônio e suas ligas (propriedades extraordinárias);
TUBOS DE METAIS NÃO FERROSOS 
COBRE E SUAS LIGAS
Existe uma grande variedade desses materiais no mercado;
A aplicação desses materiais é reduzida devido ao elevado custo;
Os tubos de cobre e suas ligas possuem excelente resistência ao ataque da atmosfera, da água (inclusive água salgada), dos álcalis, dos ácidos diluídos, de muitos compostos orgânicos e de muitos outros fluidos corrosivos;
As ligas de cobre possuem baixa resistência a amônia, aminas e outros compostos nitrogenados;
Os tubos de cobre e suas ligas não devem ser usados para conduzir produtos alimentícios ou farmacêuticos porque estes deixam resíduos tóxicos pela corrosão.
EMPREGO
Devido ao elevado coeficiente de transmissão de calor, os tubos de cobre e de latão (cobre e zinco) são empregados em serpentinas e tubos de aquecimento e de refrigeração;
Para diâmetro pequeno (até 2”), os tubos de cobre podem ser usados para água, ar comprimido, óleos, vapor de baixa pressão, serviços de refrigeração e para transmissão de sinais de instrumentação.
TUBOS DE METAIS NÃO FERROSOS 
ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
Os tubos desses materiais são muito leves;
Também possuem alto coeficiente de transmissão de calor;
Os tubos de alumínio e suas ligas também possuem excelente resistência ao ataque da atmosfera, da água e de muitos compostos orgânicos , inclusive ácidos orgânicos;
Os resíduos resultantes da corrosão desses metais não são tóxicos;
A resistência mecânica é baixa, mas pode ser melhorada com adição de pequenas quantidades de Fe, Si, Mg e outros metais;
Possuem baixo ponto de fusão;
EMPREGO
Os tubos de alumínio e suas ligas são empregados em serviços de aquecimento e de refrigeração, serviços criogênicos e serviços de exigência de não-contaminação;
TUBOS DE METAIS NÃO FERROSOS 
CHUMBO 
Os tubos de chumbo são macios e pesados;
A resistência mecânica também é baixa como o alumínio;
Possuem excepcional resistência à corrosão, resistindo muito bem a atmosfera, às águas (inclusive salgadas e ácidas), ao solo, aos álcalis, aos halógenos e a numerosos outros meios corrosivos;
EMPREGO
Os tubos de chumbo são empregados em tubulações de esgoto industriais, que operam sem pressão;
O chumbo é dos raros materiais que pode trabalhar com ácido sulfúrico, em qualquer concentração.
TUBOS DE METAIS NÃO FERROSOS 
NÍQUEL E SUAS LIGAS
Existem diferentes materiais dessa classe usados na fabricação de tubos;
 Os mais utilizados são: níquel comercial, metal Monel (67%Ni, 30%Cu) e Inconel (80%Ni, 13%Cr);
Todos possuem excepcional resistência à corrosão, boas qualidades mecânicas e resistência às temperaturas, tanto elevadas como baixas.
O custo muito elevado desses materiais restringe seu uso.
EMPREGO
Os tubos de níquel e suas ligas podem ser empregados em serviços corrosivos usuais, para serviços com vários ácidos diluídos e álcalis quentes;
Os tubos de metal Monel podem ser empregados em tubulações de água salgada, ácido sulfúrico diluído, ácido clorídrico diluído, ácido fluorídrico, álcalis aquecidos e outros serviços corrosivos ou com exigência de não-contaminação. 
TUBOS DE METAIS NÃO FERROSOS 
TITÂNIO, ZIRCÔNIO E SUAS LIGAS
Esses metais possuem propriedades extraordinárias tanto de resistência à corrosão (melhor que dos aços inoxidáveis e das ligas de níquel), como de resistência às temperaturas;
Possuem também ótimas qualidades mecânicas;
O peso específico desses metais é cerca de dois terço do peso dos aços;
O custo muito elevado desses materiais também restringe seu uso.
EMPREGO
Possuem emprego corrente em tubulações industriais, apesar do custo elevado;
TAREFA DE CASA: Pesquisar sobre a aplicação de tubos de titânio, zircônio e suas ligas em tubulações industriais.
TUBOS NÃO METÁLICOS 
MATERIAIS PLÁSTICOS
Existe um grande número de materiais não metálicos empregados em tubulações industriais. Dentre todos, os tubos de materiais plásticos são os mais empregados, principalmente como substituto dos tubos de aços inoxidáveis e de metais não-ferrosos.
CARACTERÍSTICAS (vantagens)
Eles possuem baixo peso e alta resistência à corrosão; 
Coeficiente de atrito muito baixo;
Custo muito mais baixo comparado com os outros materiais de resistência à corrosão;
Facilidade de fabricação e manuseio;
Baixa condutividade elétrica e térmica;
Boa aparência e dispensa pintura e alguns podem ser translúcidos, permitindo a visualização do fluido conduzido;
Os plásticos não produzem resíduos tóxicos, logo raramente haverá contaminação do fluido circulante pelo contato com o mesmo;
MATERIAIS PLÁSTICOS
CARACTERÍSTICAS (desvantagens)
A pior desvantagem é a falta de resistência ao calor;
Sofrem decomposição lenta quando expostos à luz solar por muito tempo;
Baixa resistência mecânica e pouca estabilidade dimensional (deformações por fluência);
Insegurança sobre as informações técnicas relativas ao comportamento mecânico e a dados físicos e químicos;
Alto coeficiente de dilatação (15 vezes maior que o de aço-carbono);
Alguns plásticos são combustíveis ou alimentam lentamente uma combustão;
Alguns materiais plásticos não são impermeáveis, necessitando de uma camisa externa de material estanque;
A maioria dos plásticos é atacada pelos ácidos minerais altamente concentrados.
TUBOS NÃO METÁLICOS 
TUBOS NÃO METÁLICOS 
MATERIAIS PLÁSTICOS
CLASSIFICAÇÃO
Existem duas classes de materiais de plásticos:
Os termoplásticos – são polímeros de cadeia linear. Estes amolecem com a elevação da temperatura até a sua fusão sem mudanças nas suas propriedades, podendo ser reaproveitado.
Os termoestáveis	ou termofixos - são polímeros de cadeia ramificada. A elevação da temperatura pode ocasionar a quebra nas ligações moleculares ramificadas, degradando o material, não podendo ser reutilizado.
TUBOS NÃO METÁLICOS 
MATERIAIS PLÁSTICOS
EMPREGO
Serviços de temperatura ambiente ou moderada;
Baixos esforços mecânicos, simultâneo com a necessidade de grande resistência à corrosão ou de não-contaminação do fluido conduzido;
Serviços de condução de ácidos minerais diluídos, álcalis, halógenos, soluções salinas e ácidas, água salgada e numerosos produtos químicos;
Serviços em contato com atmosfera, água e solo (mesmo úmido ou ácido); 
TIPOS
Polietileno;
Cloreto de polivinil (PVC);
Acrílico butadieno-estireno (ABS), Acetato de celulose;
Hidrocarbonetos fluorados;
Epóxi;
Poliesteres fenólicos.
TUBOS NÃO METÁLICOS 
CIMENTO -AMIANTO
São fabricados de argamassa de cimento e areia com armação de fibras de amianto;
Tem excelente resistência à atmosfera, ao solo, às águas neutras e alcalinas, à água salgada, aos álcalis, aos óleos e aos compostos orgânicos;
Baixa resistência ao meio ácido, sendo fortemente atacado por fluidos ácidos;
São de baixo custo, inferior aos plásticos e metais não-ferrosos.
EMPREGO
Serviços de baixa pressão e onde não sofram grandes esforços externos;
O principal emprego de tubos de cimento-amianto é em tubulações de esgoto;
TUBOS NÃO METÁLICOS 
CONCRETO ARMADO
Possui equivalente resistência à corrosão comparado com o cimento-amianto ;
Resistência mecânica bem superior ao cimento-amianto ;
EMPREGO
São empregados principalmente em tubulações de água e de esgoto com tubos de grande diâmetro;
BARRO VIDRADO
Excelente resistência à corrosão;
 baixa resistência mecânica;
EMPREGO
Serviços em contato com o solo, a atmosfera e fluidos corrosivos;
São empregadas quase exclusivamente para tubulações de esgotos.
TUBOS NÃO METÁLICOS 
VIDRO , CERÂMICA
O vidroé o material mais resistente que existe a todos os meios corrosivos;
São tubos de uso e fabricação raros.
EMPREGO
Serviços especiais de alta corrosão;
Serviços que exigem absoluta pureza do fluido conduzido.
BORRACHAS
Existem muitos tipos de tubos de borrachas, naturais e sintéticas;
 São em sua maioria , bastante flexíveis;
Tornam-se também quebradiças quando expostas por muito tempo em contato com a luz solar.
EMPREGO
Serviços de condução de águas (ácidas e alcalinas), ácidos diluídos, aos sais e diversos fluidos corrosivos;
TUBOS DE AÇO COM REVESTIMENTO INTERNO 
FINALIDADES
Revestir o tubo com material anticorrosivo;
Evitar a contaminação do fluido conduzido;
Para revestir com material antiabrasivo e antierosivo;
Para isolar termicamente com revestimentos refratários
CARACTERÍSTICAS
Grande variedade e baixo custo;
Boa resistência mecânica, à corrosão, à abrasão, à altas temperaturas e soldabilidade;
Ampla disponibilidade do aço-carbono;
Podem ser revestidos na fabricação do tubo (galvanizados);
Para serviços de alta corrosão os tubos são fabricados com chapas cladeadas (bimetálicas);
Os materiais plásticos são os mais usados no revestimento e bastante fácil de ser aplicado;
Para serviços de alta responsabilidade, o revestimento protetor tem que ser perfeito e contínuo, ou seja, não apresente defeitos locais.
TUBOS DE AÇO COM REVESTIMENTO INTERNO 
EMPREGO
Varia de acordo com o tipo de revestimento interno e ocorre quando se deseja reduzir o custo de projeto, melhorar a resistência mecânica, à corrosão, à abrasão, à erosão, à altas temperaturas e existe a possibilidade de fabricação;
Tubos com revestimento de zinco (galvanizados) são utilizados em serviços de baixa responsabilidade e corrosão moderada (água, água salgada, ar comprimido, etc);
Para serviços de alta corrosão podem ser usados tubos de chapas cladeadas, principalmente para grandes diâmetros (aço-carbono e aço inoxidável);
Tubos com revestimento de materiais plásticos podem ser empregados em tubulações de álcalis, ácidos, soluções salinas, outros produtos químicos agressivos e em serviços com exigência da pureza do fluido conduzido; 
Tubos de concreto de cimento comum são usados para tubulações de água salgada;
Tubos de concreto refratário são aplicados em serviços de altas temperaturas (até 1800oC);
Tubos de vidro e de porcelana são de mais rara aplicação
DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS
NORMALIZAÇÃO
Os diâmetros comerciais para tubos de condução de aço-carbono e aços-liga estão definidos pela norma americana ANSI. B.36.10;
Tubos de aços inoxidáveis, a norma americana é a ANSI. B.36.19;
Essas normas são aplicadas para qualquer tipo de fabricação de tubos;
As normas designam os tubos por um número chamado “Diâmetro Nominal IPS (Iron Pipe Size)” ou simplesmente “bitola nominal”.
DIÂMETROS COMERCIAIS DE TUBOS
A ANSI. B.36.10 abrange tubos com diâmetros nominais de 1/8” até 36”;
A ANSI. B.36.19 abrange tubos com diâmetros nominais de 1/8” até 12”;
Diâmetro nomimal de 1/8” até 12” não corresponde a nenhuma dimensão física dos tubos;
Tubos de 14” a 36” de diâmetro nominal, esses valores coincidem com o diâmetro externo dos mesmos; acima de 36” não são padronizados;
Para cada diâmetro nominal o diâmetro externo é sempre constante, variando apenas o diâmetro interno, que será tanto menor quanto maior for a espessura de parede do tubo.
Existem 300 diferentes espessuras de parede mas apenas 100 são usuais;
As normas citadas foram adotas pela norma brasileira P-PB-225 da ABNT.
A espessura de parede (ou peso) dos tubos foram definidas pela norma ANSI.B.36.10 como “séries” (schedule);
O número de série é um número obtido aproximadamente da expressão:
Série = 1.000 P
 S
Onde: P = pressão interna de trabalho em psig;
 S = tensão admissível do material em psi. 
Exemplo: séries 10, 20... 40 (bastante usada), 60, 80...160.
ESPESSURA DE PAREDE DE TUBOS DE AÇO
DADOS PARA ENCOMENDA DE TUBOS
Os tubos de condução são sempre referidos ao seu diâmetro nominal;
Para encomenda ou requisição de tubos de condução os seguintes dados devem ser indicados:
Quantidade (em unidade de comprimento ou peso)
Diâmetro nominal;
Espessura de parede ou número de série;
Norma a ser obedecida;
Especificação completa do material;
Tipo de extremidade;
Alguns casos são ainda necessários:
Processo de fabricação e de acabamento dos tubos;
Revestimento interno ou externo;
Condições ou exigências especiais.