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ENGENHARIA DE CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DE TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS Profº: MSc. Gerson Alves Inácio26/01/2019 TÓPICOS DO CURSO: 26/01 - CURVAMENTO E TRATAMENTO TÉRMICO 09/02 - UNIÕES FLANGEADAS 23/02 - MONTAGEM, TESTES E COMISSIONAMENTO 23/03 - GERENCIAMENTO DE CANTEIROS • Engenheiro Mecânico, Mestre em Engenharia Metalúrgica pela UFF, MBA em Gerenciamento de Projetos pela FGV, Especialista em Engenharia Mecatrônica; Especialista em Docência Superior, Especialista em Engenharia na CSN atuando na área de Laminação à mais de 19 anos, Coordenador do Curso Superior de Manutenção Industrial da FASF, Coordenador dos Cursos Técnicos em Mecânica e Eletromecânica do ICT. Como Engenheiro tendo atuado em Projetos como Alto-Forno#2 e #3 e Revamp do Laminador de Tiras a Frio#3 na CSN e Implantação da Fábrica de Pó, Fábrica de Pastilha e Enriquecimento de Urânio da INB, somando 33 anos de experiência em projeto de tubulações e mecânica, montagem, produção e manutenção industrial. Professor: MSc. Gerson Alves Inácio ENGENHARIA DE CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DE TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS Projeto de Tubulações para Equipamentos On e Off Shore Profº: MSc. Gerson Alves Inácio CURVAMENTO 28/07/2018 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: - CURVAMENTO APRESENTAÇÃO DE AULA MONTADA COM AS REFERÊNCIAS CITADAS ABAIXO: -Análise de Critérios para Aceitação de Enrugamento em dutos Curvados a Frio- Capítulo 02. Autor: Jordana Luiza Barbosa da Costa Vieira, Dissertação de Mestrado - PUC- RJ, 2008; - Curvamento por Indução de Tubo da Classe API 5L X80- Capítulo 02. Autor: Gilmar Zacca Batista, Dissertação de Mestrado – PUC- RJ, 2005. -Correlação entre Parâmetros de Curvamento por Indução de Tubo API X80 e Propriedades Mecânicas e Microestruturais- Capítulo 02. Autor: Rafael de Araújo Silva, Dissertação de Mestrado – PUC-RJ, 2009; - Tubulações Industriais, Materiais, Projeto e Montagem. Págs: 136 e 205. Autor: Pedro Carlos Silva Telles, LTC, Rio de Janeiro, 2002. - Engenharia de Dutos. Autor: José Luiz de França Freire. Rio de Janeiro: ABCM, 2009. 528p. - Análise de Tensões em Dutos Curvos sob Flexão no Plano de Curvatura. Autor: André Filipe Silva Teiga, Universidade de Aveiro, 2009. - Modelagem de Curvamento à Frio de Tubulações. Autor: Marcelo Coelho Netto de Araújo, CEFET- RJ, 2016. - ASME INTERNATIONAL, 2002. -ABNT 15280-1/ASME B31.4. Introdução Os tubos com grandes diâmetros e as conexões tubulares fazem parte de quase todas as configurações industriais hoje em dia. Este tipo de equipamento encontra-se mais comumente em empresas petrolíferas, refinarias, fábricas de produção de químicos e produtos farmacêuticos, siderurgia e também em centrais nucleares. Introdução Os tubos são utilizados para transporte de substâncias, que devido às suas características de pressão e temperatura, características físicas e químicas, podem trazer sérios problemas para a saúde e para o meio ambiente caso sejam libertadas para a atmosfera. Alguns exemplos dessas substâncias são o óleo, petróleo, gás clorídrico, etc. Curvamento Muitas vezes uma tubulação precisa ser desviada de algum obstáculo ou seguir uma direção diferente; nestes casos, é necessário curvar um ou mais tubos que compõem a linha de tubulação. Introdução O curvamento de tubos está relacionado à deformação por flexão que induz tensões de compressão na camada interna e de tração na camada externa ao curvamento. O diferencial de tensões entre a parte distendida e a parte comprimida é responsável por uma redução na seção do tubo conformado. Esta deformação depende do diâmetro do tubo, da espessura da parede e do raio de curvatura. Introdução A relação diâmetro do tubo e a espessura de parede, D/t , é conhecida como “estabilidade estrutural do tubo”. À medida que D/t cresce, menor é a estabilidade do tubo e maior é a tendência de achatamento na região da dobra e de enrugamento na região côncava. Apoios rotativos Introdução Por exemplo, para tubos de diâmetros compreendidos entre 1”e 2” (25,4 a 50,8 mm) e raios de curvatura de duas vezes e meia o diâmetro, a redução de secção pela operação de curvamento é da ordem de 2,5 a 3,0%. Introdução As curvas de tubo curvado devem ser usadas sempre que possível em tubulações de aço carbono, em lugar de joelhos e curvas, porque representam economia de solda e acessórios, além de causarem menor perda de carga e menores riscos de vazamentos, de erosão e de corrosão. É usual o uso de acessórios em tubos mais de 8”, que são difíceis ou até impossíveis de curvar e em locais apertados, porque o tubo curvado deve ter em geral um raio médio de 5 diâmetros do tubo. Os tubos até 1” são geralmente curvados a frio em prensas manuais, para os tubos de 1 ½” ou maiores emprega-se o encurvamento a frio ou encurvamento a quente, que é o processo recomendado para tubos com mais de 4” de diâmetro. Introdução A norma ANSI/ASME B31 Seções 1 e 3 exige tratamento térmico de alívio de tensões após o encurvamento, para os tubos curvados a frio, de aço carbono e de aços liga ferríticos, de qualquer espessura, quando o alongamento da fibra mais distendida for superior a 50% do alongamento básico especificado do material, se houver exigência de teste de impacto, este tratamento é exigido quando o alongamento da fibra mais distante for superior a 5% do alongamento básico Introdução Como regra geral não se recomenda o uso de tubos com costura para a fabricação de curvas de tubos curvados, quando este uso for indispensável, posicionar a costura na linha média da curva, longe das regiões mais tensionadas. Métodos de Dobra de Tubos As formas de minimizar este efeito serão detalhadas a partir do equipamento utilizado no curvamento dos tubos que podem ser feitos segundo vários métodos: • A frio: geralmente com o tubo vazio; • A quente: geralmente com o tubo cheio de areia; • Por pregas: trabalho feito com emprego de calor, • Criocurvamento: feito com o tubo cheio de gelo. O material de que é feito o tubo condiciona o método a ser empregado no curvamento. Curvamento a Frio - Tubos de Aço O curvamento a frio é o mais utilizado e pode ser feito a mão ou a máquina. • Curvamento a mão Pode ser feito por meio de flexões sucessivas do tubo colocado entre dois pinos encaixados em furos de uma bancada ou mesa. Dependendo do ângulo de curvatura desejado, os pinos podem ser colocados em diversas posições. • Curvamento a máquina É feito por dois tipos de máquina: as que funcionam por pressão, como uma prensa, e as que curvam por meio de um gabarito. Curvamento a Frio - Tubos de Aço Curvamento a Quente - Tubos de Aço O curvamento a quente é feito com auxílio de maçarico oxiacetilênico ou oxipropano. Para executar esse trabalho, o tubo deve ser preso ao gabarito e aquecido até o vermelho cereja claro (800ºa 900ºC); em seguida, é feito o curvamento. No curvamento a quente, geralmente se usa o tubo cheio de areia bem seca, limpa e de granulação fina para evitar que tubos médios e grandes, se curvados com raios reduzidos, fiquem aplastados ou ovalados. O tubo é vibrado para eliminar os vazios da areia. As extremidades do tubo são depois firmemente tamponadas. Características do curvamento a quente: O aquecimento para curvar um tubo cheio de areia deve ser lento (800º a 1000ºC) com bom controle da temperatura; Faz-se em seguida um aquecimento a uma temperatura mais baixa, em todo o tubo, para aquecer a areia com as finalidades de guardar calor e evitar o resfriamento posterior muito rápido. Ao atingir a curvatura desejada, o tubo deve esfriar sob temperatura ambiente, lentamente. A areia empregada deve ser seca. Curvamento a Quente - Tubos de Aço Equipamentos Tubos de diâmetro grande podem ser curvados com auxílio do tirfor. Esta máquina funciona por meio de três alavancas: uma serve para puxar, outra para retroceder e outra para permitir o encaixe de um cabo de aço dentro do tirfor. Existem também dois ganchos: um é fixo na máquina e nele se prende um cabo de aço ligado a um ponto fixo;o outro gancho é fixado em outro cabo de aço que se movimenta para permitir o curvamento. O curvamento por pregas é feito por meio de aquecimento, a intervalos regulares, da região a ser curvada; a região aquecida deve ter a forma de pequenos triângulos cujo vértice toca as geratrizes da zona neutra. Com a aplicação de força, o tubo se curva e na região interna forma-se uma prega. Este trabalho é aplicado aos tubos com paredes de espessura aproximada de 1mm, e diâmetro aproximado de 25,4mm. Curvamento por Pregas Tubos de Aço Inoxidável O curvamento dos tubos de aço inoxidável é feito segundo os mesmos métodos aplicados aos tubos comuns, apenas com mais cuidado para não trincar o metal e para evitar inclusão de partículas de aço comum que possam mais tarde dar origem a corrosão. Tubos de Aço Inoxidável Os tubos de aço inoxidável pode ser curvados a mão ou a máquina. Quando a espessura dos tubos é pequena, o curvamento é feito a máquina com um mandril colocado em seu interior. Tubos de Aço Inoxidável Quando se deseja um raio grande de curvatura, emprega-se máquina com três cilindros. Tubos de Cobre O curvamento dos tubos de cobre é feito geralmente a frio, a máquina e com o tubo vazio. Segue o mesmo método utilizado para os tubos de aço comum e são utilizadas as mesmas máquinas. De acordo com a necessidade, recomenda-se recozer o tubo antes de curvá-lo, a fim de que fique mais maleável e o trabalho seja facilitado. Tubos de Chumbo Para os tubos de chumbo o procedimento mais utilizado para curvar é a frio, a máquina e com o tubo cheio de areia ou com mandril. Tubos de Ligas Leves O curvamento é feito a frio, a máquina e com o tubo vazio (processo mais simplificado e econômico); Porém,é possível curvar tubos de ligas leves a quente; Em curvamento a quente, usa-se o tubo cheio de areia bem socada. Em tubos com costura, a linha de solda deve estar localizada junto à linha neutra. Máquinas, ferramentas e utensílios para curvar tubos MÁQUINAS As máquinas para curvar tubos podem ser classificadas em máquinas curvadoras por pressão e curvadoras por tração e flexão. • Curvadoras por pressão - funcionam por meio de pressão exercida no tubo por um estampo curvo onde o tubo se encaixa. As curvadoras por pressão são utilizadas para curvar tubos com até 25mm de diâmetro. Máquinas, ferramentas e utensílios para curvar tubos MÁQUINAS Curvadoras por tração e flexão – apresentam um estampo curvo, chamado roda de garganta onde o tubo é preso, e um estampo reto, ou guia, que ajuda a flexioná-lo. Estas máquinas têm capacidade para curvar tubos com diâmetro externo que varia entre 9,5 e 32mm e espessura entre 0,8 e 3mm. Máquinas, ferramentas e utensílios para curvar tubos FERRAMENTAS • Curvador de tubos – usado para tubos de cobre, latão, alumínio, aço e aço inoxidável, com diâmetro que variam entre 4,7 e 12,7mm. Máquinas, ferramentas e utensílios para curvar tubos FERRAMENTAS • Dobra-tubos do tipo alavanca e catraca – utilizado para tubos de aço e para tubos de cobre duro. Máquinas, ferramentas e utensílios para curvar tubos UTENSÍLIOS • Bancada de curvar – é uma chapa de aço, espessa e com uma série de furos passantes, fixada em uma mesa de madeira. A mesa, por sua vez, deve presa no piso para garantir estabilidade. Nos furos da chapa são colocados pinos de aço, dispostos de tal modo que correspondam ao raio de curvatura desejado. CURVAMENTO À QUENTE POR INDUÇÃO CURVAMENTO À QUENTE POR INDUÇÃO Processo utilizado como uma opção ao curvamento a frio quando o raio de curvamento requerido é pequeno. Na área de dutos as curvas por indução, são largamente usadas como importantes conexões para mudar a direção do transporte dos fluidos e para aliviar tensões térmicas, aplicadas em loops ou liras de expansão. As técnicas utilizadas tem sido desenvolvidas para chegar-se a curvas de alta resistência mecânica, compatíveis com a resistência dos tubos. Um das extremidades do tubo é empurrada por um impulsor e a outra é fixada por um braço giratório que guia o tubo até a completa conformação da curva. O braço giratório é regulado com o raio da curvatura que se deseja obter e, dessa forma, força o tubo a mudar continuamente a direção enquanto é lentamente movimentado pelo impulsor. O tubo passa por uma bobina de indução de alta freqüência entre o impulsor e o braço giratório. Esta bobina cria um campo magnético altamente concentrado que induz um potencial elétrico no tubo criando um fluxo de corrente. A resistência do tubo ao fluxo provoca um aquecimento rápido e localizado . Imediatamente após passar pela bobina, o tubo é resfriado com jatos de água (b). CURVAMENTO À QUENTE POR INDUÇÃO Figura – (a) curva por indução à quente em tubo de 48”, (b) Detalhe da resistência para indução e do resfriamento com jato de água. CURVAMENTO À QUENTE POR INDUÇÃO Como este processo é a quente, a microestrutura e as propriedades mecânicas da curva são diferentes do tubo original, e se este for de alta resistência e tiver sido fabricado pelo processo de laminação controlada, a mudança de resistência entre o tubo e a curva pode ser grande. A espessura original do tubo é reduzida devido ao afinamento que ocorre no extrado da curva, é necessário otimizar as dimensões e a composição química dos tubos que serão curvados a quente por indução. CURVAMENTO À QUENTE POR INDUÇÃO NBR 15273 – estabelece condições técnicas de fornecimento de curvas feitas por este processo para uso em sistema de transporte por dutos para a indústria de petróleo e gás. Esta norma permite um ressalto (enrugamento) que é de natureza estética (aparência) e não é classificado como um defeito pernicioso. Este ressalto é uma característica deste processo e pode ocorrer em função da relação D/t em cada ponto de tangência de uma curva. Este enrugamento para ser considerado aceitável, deve atender aos seguintes requisitos: - As formas da ruga concordam com a superfície do tubo de forma gradual, com profundidade máxima de crista-vale de 1% do diâmetro externo real; - A razão entre a distância entre cristas adjacentes, I, e a crista-vale seja no mínimo 25. CURVAMENTO A FRIO O curvamento a frio, é frequentemente necessário por toda a extensão de qualquer duto, para que este tenha as mudanças de direção necessárias, conforme requerido pelo traçado ou pela topografia. CURVAMENTO A FRIO O custo relativamente alto do curvamento a quente por indução, em comparação com o curvamento a frio faz com que sua aplicação fique restrita aos casos em que o curvamento a frio não possa ser aplicado. COMPARAÇÃO CURVAMENTO A FRIO O curvamento a frio é realizado utilizando-se uma máquina curvadeira para curvar tubo, devido ao encruamento do material que sofre deformação plástica durante este processo. CURVAMENTO A FRIO A figura mostra uma curvadeira típica. É importante compreender o funcionamento de uma máquina de curvamento a frio para que haja o correto entendimento das condições e restrições do modelo de curvamento a frio realizado em FEM. CURVAMENTO A FRIO No tubo submetido a este processo pode ocorrer a formação de um padrão de deformações residuais e imperfeições, como mostrado na figura, geradas por um mandril pneumático que é utilizado dentro do tubo durante o curvamento. Estas marcas são desprezadas devido as suas pequenas dimensões. CURVAMENTO A FRIO A máquina de curvamento a frio é uma curvadeira de mandril pneumático . Ela é capaz de curvar tubos de diâmetros variando entre 24 e 32 polegadas. Durante a fase de construção do duto, os tubos a serem curvados são colocados na máquina antes do processo de soldagem de união (solda circunferencial). MÉTODO DE CURVAMENTO A FRIO O tubo é introduzido completamente na máquina, com a ajuda de um side boom, equipamento responsável por toda a movimentação do tubo na fase de construção e montagem do duto. . MÉTODO DE CURVAMENTO A FRIO SIDE BOOM A geratriz superior do tubo deve ficar em contato com a sela damáquina e a geratriz inferior deve estar em contato total com o berço. Na extremidade do tubo, oposta ao início do curvamento, é colocado um imobilizador de forma a evitar ovalizações. O berço, onde o tubo é posicionado, é elevado para que seja efetuado o curvamento. O tubo é, então, curvado contra a sela, que pode ser vista na figura. MÉTODO DE CURVAMENTO A FRIO Esta elevação causa deformação em uma pequena extensão do tubo, normalmente próximo à sela. Quando a força gerada para elevação do berço é retirada, o tubo retorna elasticamente para uma posição entre a original e a que estava com aplicação da força do berço. O tubo é então movido pelo side boom ou pela própria máquina curvadeira, de modo que a região já curvada seja retirada da linha de centro da sela e um novo trecho do tubo seja posicionado abaixo dela, e todo o processo se repete ao longo da extensão do tubo. CURVAMENTO A FRIO Durante o processo de curvamento é posicionado um mandril, como mostrado na figura a seguir, com sapatas pneumáticas, dentro do tubo. O mandril se expande no interior do tubo tocando a superfície interna de forma a manter o tubo na posição desejada e evitar a ovalização durante o processo. Ele é desenvolvido de modo a manter o contorno radial do tubo e permitir flexibilidade longitudinal para que se possa curvar junto com o tubo. CURVAMENTO A FRIO CURVAMENTO A FRIO O tubo é curvado em intervalos medidos, de modo geral de 300 a 500mm, dependendo do seu diâmetro e do ângulo desejado para a curva. Depois que o tubo é posicionado na máquina, o operador usa giz para marcar cada intervalo de curvamento na lateral do tubo. Uma pequena curva é feita depois que cada marca de giz é alinhada com a marca da curvadeira. Cada marca é então numerada, e estas são muitas vezes denominadas “marcas de puxada”. CURVAMENTO A FRIO Um esquema do princípio do funcionamento de uma máquina de curvar é mostrado na figura, utiliza o princípio de 3 pontos, mas com aplicação do carregamento em uma das extremidades. Esta máquina curva o tubo segurando-o em uma extremidade por um calço na geratriz inferior do tubo e aplicando o carregamento pelo berço, na extremidade oposta à fixação do tubo. Entre estes dois pontos há a sela (fôrma) que é fixa, assim, uma pequena parte do tubo é curvada e terá o perfil da sela, que possui o contorno da superfície externa do tubo, assim durante o curvamento evitam-se distorções, enrugamento, achatamento ou o colapso dos tubos. CURVAMENTO A FRIO Durante o curvamento, o mandril é expandido para garantir suportação interna e a curva é feita pela curvadeira. Após o curvamento o mandril é retraído , depois avançado pelo tubo até atingir a próxima marca de puxada, por fim ele é reposicionado e tudo é programado novamente para a próxima curva. Para evitar ovalizações nas extremidades do tubo, figura a e b, utiliza- se também um imobilizador posicionado no tubo, na figura mostra um imobilizador sem estar sendo utilizado. CURVAMENTO A FRIO Na figura a, pode ser observado o TruBend, aparelho digital utilizado na medição de ângulo. Com este aparelho não é necessário interromper o curvamento. São utilizados dois sensores um em cada extremidade do tubo, figura b. Um mostrador digital que exibe para o operador o ângulo obtido com o golpe, pode ser visto na figura. CURVAMENTO A FRIO OBSERVAÇÕES DEFEITOS PROVÁVEIS E SUAS CAUSAS DEFEITOS PROVÁVEIS E SUAS CAUSAS a) Enrugamento do tubo; b) Riscos ou marcas feitas na linha central do tubo; c) Colapso do tubo com ou sem rugas ao longo da curva: d) Marcas do mandril ao longo da curva: e) Marcas da ferramenta ou riscos ao longo da curva: DEFEITOS PROVÁVEIS E SUAS CAUSAS O efeito de Spring-back depende do ângulo de dobragem que por outro lado depende de outros parâmetros. Retorno elástico: Spring-back, ou retorno elástico, é o termo utilizado para descrever a tendência que o metal deformado tem para voltar ao seu estado inicial. O Efeito Brazier Quando um tubo fino e longo com seção transversal deformável é submetido a um momento de flexão pura, ocorre uma mudança no estado de equilíbrio, que irá induzir uma mudança no formato da seção transversal. Esta mudança será um achatamento, comumente chamado de ovalização. É possível verificar uma diminuição da resistência e da rigidez à flexão ocasionada pelo aumento da curvatura que induz a uma diminuição do momento de inércia e a uma mudança na geometria. Mecanismo de Falha Local a) Tubos com relação D/t alta podem falhar pela formação de rugas localizadas na face de compressão que precedem a falha pelo efeito Brazier. b) Para tubos com relação D/t moderada a falha ocorre pelo desenvolvimento de uma ruga circunferencial que cresce até formar uma dobra. c) Durante a flexão pura, o mecanismo de falha não é distinto para tubos com baixa relação D/t. A ovalização cresce gerando uma progressiva redução na rigidez à flexão, ou seja, redução no momento de inércia de área. Colapso O colapso de uma estrutura pode ocorrer de dois modos: -pela ruptura do material ou; -pela instabilidade da estrutura. A ruptura do material ocorre quando as estruturas atingem o limite de resistência do material. A instabilidade da estrutura constitui domínio da estabilidade estrutural. Para estruturas esbeltas, o colapso pode ocorrer por perda da estabilidade, sob níveis de tensão inferior ao da resistência dos materiais. Com o aumento da esbeltez, a não-linearidade geométrica e as imperfeições tornam-se cada vez mais importantes. Critérios de aceitação ou de rejeição para enrugamentos: Códigos utilizados PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO PROJETO Análise de Tensões de Tubulações Curvadas PROJETO PROJETO PROJETO EXERCÍCIOS: 1) Dimensionar a espessura mínima necessária de parede de uma tubulação de gasoduto, para resistir a pressão interna e curvatura, com os seguintes dados: - Material: API 5L - Tubo sem costura - Diâmetro nominal: DN 300 (12”); - Sobre espessura para corrosão: 1,3 - Tubulação regida pela norma ASME B 31.8. - Temperatura de Trabalho: 80ºC máx. - Classe de locação: 01 OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!!! Profº Gerson Alves Inácio E-mail: gerson.inacio@csn.com.br (24) 99994-2729
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