Nocoes de Hidraulica e Pneumatica

NOÇÕES DE HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA

Autor: Dirceu Silveira Sampaio

Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS.

Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS".

Órgão gestor: E&P-CORP/RH

Autor: Dirceu Silveira Sampaio

Ao final desse estudo, o treinando poderá:

• Reconhecer os conceitos básicos da mecânica dos fluidos aplicáveis aos sistemas hidráulicos e pneumáticos;

• Relacionar os conceitos de hidráulica e pneumática às atividades práticas de operação e manutenção.


Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais na Companhia.

É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo.

Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P.

Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia.

O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos.

Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é.

Programa Alta Competência

Programa Alta Competência

Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso.

No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.

Autor

Ao fi nal desse estudo, o treinando poderá:

• Identifi car procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas;

• Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança;

• Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

ATERRAMENTO DE SEGURANÇA

Como utilizar esta apostila

Objetivo Geral

O material está dividido em capítulos.

No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específi cos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.

No fi nal de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem.

Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas

Cap

ítu

lo 1

Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Ao fi nal desse capítulo, o treinando poderá:

• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos;

• Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos;

• Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

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Alta Competência

21

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

A gravidade dos efeitos fi siológicos no organismo está relacionada a quatro fatores fundamentais:

Tensão;•

Resistência elétrica do corpo; •

Área de contato;•

Duração do choque.•

Os riscos elétricos, independente do tipo de • instalação ou sistema, estão presentes durante toda a vida útil de um equipamento e na maioria das instalações. Por isso é fundamental mantê-los sob controle para evitar prejuízos pessoais, materiais ou de continuidade operacional.

Os • choques elétricos representam a maior fonte de lesões e fatalidades, sendo necessária, além das medidas de engenharia para seu controle, a obediência a padrões e procedimentos de segurança.

1.4. Exercícios

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?______________________________________________________________________________________________________________________________

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

A) Risco de incêndio e explosão B) Risco de contato

( ) “Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

( ) “Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

( ) “Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

( ) “Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certifi cação.”

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Alta Competência

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CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007.

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005.

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: <http://www.mte.gov.br/legislacao/normas_regulamentadoras/nr_10.pdf> - Acesso em: 14 mar. 2008.

NFPA 780. Standard for the Installation of Lightining Protection Systems. National Fire Protection Association, 2004.

Manuais de Cardiologia. Disponível em: <http://www.manuaisdecardiologia.med.br/Arritmia/Fibrilacaoatrial.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Educação. Disponível em: <http://mundoeducacao.uol.com.br/doencas/parada-cardiorespiratoria.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Ciência. Disponível em: <http://www.mundociencia.com.br/fi sica/eletricidade/choque.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.



( B ) “Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

( A ) “Nas instalações elétricas de áreas classifi cadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

( B ) “Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

( A ) “Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certifi cação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

( V ) O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

( F ) Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

( V ) Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

( V ) Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fi o terra”.

( F ) A queimadura é o principal efeito fi siológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

1.7. Gabarito1.6. Bibliografi a

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas defi nições estão disponíveis no glossário. Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente identifi cados, pois estão em destaque.

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Alta Competência Capítulo 3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

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3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

Todas as Unidades de Exploração e Produção possuem um plano de manutenção preventiva de equipamentos elétricos (motores, geradores, painéis elétricos, transformadores e outros).

A cada intervenção nestes equipamentos e dispositivos, os mantenedores avaliam a necessidade ou não da realização de inspeção nos sistemas de aterramento envolvidos nestes equipamentos.

Para que o aterramento de segurança possa cumprir corretamente o seu papel, precisa ser bem projetado e construído. Além disso, deve ser mantido em perfeitas condições de funcionamento.

Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.

3.1. Problemas operacionais

Os principais problemas operacionais verifi cados em qualquer tipo de aterramento são:

• Falta de continuidade; e

• Elevada resistência elétrica de contato.

É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 defi ne o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.

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Alta Competência Capítulo 3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

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Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica.

Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica.

Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.


COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade – Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.






3.5. Bibliografi a3.4. Glossário

Objetivo Específi co

Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografi a ao fi nal de cada capítulo.

Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos.

A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado de um determinado item do capítulo.

“Importante” é um lembrete das questões essenciais do conteúdo tratado no capítulo.

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Alta Competência

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COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.






Manuais de Cardiologia. Disponível em: <http://www.manuaisdecardiologia.med.br/Arritmia/Fibrilacaoatrial.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Educação. Disponível em: <http://mundoeducacao.uol.com.br/doencas/parada-cardiorespiratoria.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

Mundo Ciência. Disponível em: <http://www.mundociencia.com.br/fi sica/eletricidade/choque.htm> - Acesso em: 20 mai. 2008.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.



( B ) “Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

( A ) “Nas instalações elétricas de áreas classifi cadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

( B ) “Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

( A ) “Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certifi cação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

( V ) O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

( F ) Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

( V ) Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

( V ) Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fi o terra”.

( F ) A queimadura é o principal efeito fi siológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

1.7. Gabarito1.6. Bibliografi a

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Alta Competência

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É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.

Os riscos elétricos de uma instalação são divididos em dois grupos principais:

1.1. Riscos de incêndio e explosão

Podemos defi nir os riscos de incêndio e explosão da seguinte forma:

Situações associadas à presença de sobretensões, sobrecorrentes, fogo no ambiente elétrico e possibilidade de ignição de atmosfera potencialmente explosiva por descarga descontrolada de eletricidade estática.

Os riscos de incêndio e explosão estão presentes em qualquer instalação e seu descontrole se traduz principalmente em danos pessoais, materiais e de continuidade operacional.

Trazendo este conhecimento para a realidade do E&P, podemos observar alguns pontos que garantirão o controle dos riscos de incêndio e explosão nos níveis defi nidos pelas normas de segurança durante o projeto da instalação, como por exemplo:

A escolha do tipo de • aterramento funcional mais adequado ao ambiente;

A seleção dos dispositivos de proteção e controle;•

A correta manutenção do sistema elétrico.•

O aterramento funcional do sistema elétrico tem como função permitir o funcionamento confi ável e efi ciente dos dispositivos de proteção, através da sensibilização dos relés de proteção, quando existe uma circulação de corrente para a terra, provocada por anormalidades no sistema elétrico.

Observe no diagrama a seguir os principais riscos elétricos associados à ocorrência de incêndio e explosão:

Já a caixa de destaque “Resumindo” é uma versão compacta dos principais pontos abordados no capítulo.

Em “Atenção” estão destacadas as informações que não devem ser esquecidas.

Todos os recursos didáticos presentes nesta apostila têm como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo.

Aproveite este material para o seu desenvolvimento profi ssional!

Uma das principais substâncias removidas em poços de petróleo pelo pig de limpeza é a parafi na. Devido às baixas temperaturas do oceano, a parafi na se acumula nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode vir a bloquear o fl uxo de óleo, em um processo similar ao da arteriosclerose.

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É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

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É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

Recomendações gerais

• Antes do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador;

• Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs;

• Lançadores e recebedores deverão ter suas

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NÍVEL DE RUÍDO DB (A) MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL

85 8 horas

86 7 horas

87 6 horas

88 5 horas

89 4 horas e 30 minutos

90 4 horas


92 3 horas



95 2 horas

96 1 hora e 45 minutos


100 1 hora

102 45 minutos

104 35 minutos

105 30 minutos

106 25 minutos

108 20 minutos

110 15 minutos

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SumárioSumárioIntrodução 17

Capítulo 1 - Conceitos básicos Objetivos 191. Conceitos básicos 21

1.1. Propriedades dos fluidos 211.1.1. Massa específica 221.1.2. Peso específico 221.1.3. Densidade 231.1.4. Pressão 231.1.5. Viscosidade 24

1.2. Hidrostática 251.2.1. Pressão atmosférica 261.2.2. Pressão hidrostática 27

1.3. Vazão e velocidade 281.3.1. Vazão 291.3.2. Velocidade 301.3.3. Fluxo 31

1.4. Exercícios 331.5. Glossário 351.6. Bibliografia 361.7. Gabarito 37

Capítulo 2 - Hidráulica Objetivos 392. Hidráulica 41

2.1. Fundamentos da Hidráulica 422.1.1. Força e pressão 422.1.2. Potência hidráulica 45

2.2. Principais componentes de um circuito hidráulico 462.2.1. Bombas hidráulicas 472.2.2. Cilindros e motores hidráulicos 572.2.3. Válvulas 632.2.4. Acumuladores hidráulicos 732.2.5. Fluidos e circuitos hidráulicos 79

2.3. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos 86

2.4. Principais cuidados na manutenção 872.4.1. Vazamentos 872.4.2. Desgaste de bomba pneumática 872.4.3. Perda de pressão de pré-carga nos acumuladores 872.4.4. Emperramento das válvulas direcionais hidráulicas 88

2.5. Cuidados nas instalações e partidas de unidades hidráulicas 882.5.1. Retirada da embalagem e inspeção visual 892.5.2. Colocação da unidade na base 902.5.3. Pré-partida do sistema hidráulico 902.5.4. Pré-partida do sistema elétrico 912.5.5. Partida da unidade 912.5.6. Flushing (limpeza) das linhas 92

2.6. Limpeza de sistemas hidráulicos 922.6.1. Análise da limpeza do fluido 932.6.2. Norma de limpeza 942.6.3. Técnicas de montagem e desmontagem 942.6.4. Alguns cuidados na manutenção 95

2.7. Exercícios 972.8. Glossário 1002.9. Bibliografia 1022.10. Gabarito 103

Capítulo 3 - Pneumática Objetivos 1053. Pneumática 107

3.1. Pneumática - fundamentos 1073.1.1. Propriedades físicas do ar 1083.1.2. Lei de Bernouille 109

3.2. Compressão 1103.2.1. Compressores – tipos 110

3.3. Preparação do ar comprimido 1163.3.1. Tratamento da umidade 1163.3.2. Resfriador posterior 1173.3.3. Reservatório de ar comprimido 1183.3.4. Secadores por refrigeração 1203.3.5. Secador por absorção 1213.3.6. Secador por adsorção 121

3.4. Distribuição do ar comprimido 1233.4.1. Redes de distribuição 1233.4.2. Configurações de redes 1243.4.3. Implementação da rede 1253.4.4. Drenagem de umidade 1263.4.5. Unidades de condicionamento (filtros reguladores) 126

3.5. Principais componentes de um circuito pneumático 1283.5.1. Válvulas pneumáticas 1283.5.2. Cilindros e motores pneumáticos 1293.5.3. Circuitos pneumáticos - elaboração e interpretação 130

3.6. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos e pneumáticos 1343.7. Defeitos mais freqüentes dos sistemas pneumáticos 135

3.7.1. Vazamentos 1353.7.2. Desgaste dos compressores 1353.7.3. Saturação de secadoras de ar 1353.7.4. Queima de solenóides das válvulas direcionais 136

3.8. Cuidados nas instalações e manutenções de unidades pneumáticas 1363.8.1. Montagem 1373.8.2. Teste de pressão 137

3.9. Limpeza de sistemas pneumáticos 1383.10. Exercícios 1393.11. Glossário 1423.12. Bibliografia 1433.13. Gabarito 144

17

Introdução

No mundo atual, vivemos em uma era de contrastes no que diz respeito às escalas e dimensões envolvidas nos processos produtivos. Sob influência da nanotecnologia - cuja unidade

de medida é o nanômetro, que corresponde a um bilionésimo de metro - os equipamentos usados na instrumentação e nos sistemas de interface com os técnicos de operação são cada dia mais compactos, necessitando de cada vez menos energia para seu funcionamento. Por outro lado, em função das crescentes demandas dos processos produtivos, principalmente na indústria de petróleo e gás, os elementos finais de controle são cada vez maiores, requerendo mais energia para seu funcionamento.

Sistemas de potência precisam ser construídos de forma a preencher a lacuna que se abre entre as duas extremidades de controle. Isso permite que os comandos dados através dos supervisórios de baixa potência efetivamente atuem nos equipamentos de grande porte e alto consumo energético existentes no campo.

Atualmente, são utilizadas quatro formas de gerar e transmitir energia: a mecânica, a elétrica, a hidráulica e a pneumática. As duas primeiras são nossas velhas conhecidas. A mecânica move nossos carros; elétrica alimenta nossas casas. Elas também estão presentes em diversas aplicações nos processos industriais. Já o uso dos sistemas hidráulicos e pneumáticos sob pressão como meio de geração e transmissão de energia é relativamente recente. Seu desenvolvimento foi posterior à Primeira Guerra. Na área industrial, em especial na de petróleo, esses sistemas estão entre as principais fontes de energia para acionamento de válvulas, sobretudo nas plantas de processo.

Assim, é importante conhecer os conceitos básicos de Hidráulica e Pneumática envolvidos nos sistemas de fornecimento e transmissão de energia, com vasta gama de aplicações na Petrobras.

RESERVADO

RESERVADO

Cap

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Conceitos básicos

Ao final desse capítulo, o treinando poderá:

• Enumerar as propriedades dos fluidos;

• Distinguir pressão atmosférica e pressão hidrostática;

• Identificar as principais grandezas envolvidas nas áreasde Hidráulica e Pneumática;

• Identificar as expressões matemáticas envolvendo a Hidrostática.

RESERVADO

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Alta Competência

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Capítulo 1. Conceitos básicos

1. Conceitos básicos

Toda vez que se lida com algum elemento, é necessário conhecer seu comportamento e a propriedade para que se possa fazê-lo de forma segura.

Para um eletricista, é importante conhecer o comportamento dos elétrons e as suas propriedades; se o trabalho estiver relacionado à área nuclear, é fundamental conhecer o comportamento das radiações. Da mesma forma, deve-se conhecer o comportamento dos fluidos para atuar com segurança em circuitos hidráulicos ou pneumáticos.

A mecânica dos fluidos é a ciência que estuda os seus comportamentos, subdividida em duas áreas básicas: a hidrostática, que estuda os fluidos em equilibrio estático, ou seja, em repouso, e a hidrodinâmica, que estuda os fluidos em movimento. De forma parecida, a Hidráulica compõe essas duas ciências estudando o comportamento dos fluidos em movimento e em repouso, porém em suas aplicações práticas.

1.1. Propriedades dos fluidos

São classificadas como fluidos as substâncias capazes de escoar e tomar a forma de seus recipientes.

O primeiro exemplo de fluido que vem à mente é a água, no estado líquido, porém, os fluidos podem ser divididos em:

Líquidos: • fluidos praticamente incompressíveis que ocupam volumes definidos e possuem superfícies livres;

Gases: • fluidos compressíveis e capazes de se expandir até ocupar todas as partes do recipiente.

Os fluidos apresentam diferentes propriedades. Sendo assim, é importante destacar o peso específico, a massa específica, a densidade, a pressão e a viscosidade, por serem os mais importantes para o estudo de sistemas hidráulicos e pneumáticos de aplicação prática.

RESERVADO

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Alta Competência

Dependendo do tipo de fluido e da sua aplicação, cada propriedade poderá ter um papel fundamental, secundário ou inócuo. Por exemplo, na dinâmica dos líquidos, a massa específica e a viscosidade ocupam papel primordial por interferirem diretamente em sua forma de escoamento. No caso dos gases, os princípios da termodinâmica serão determinantes em função da sua compressibilidade, que é a capacidade de ser comprimido.

1.1.1. Massa específica

É a massa de uma unidade de volume de uma substância, e é representada por ρ. Por exemplo, o litro como unidade de volume, pode-se dizer que a massa específica da água é de 1kg/l a 4oC.

ρ = massa / volume

A massa específica de uma substância é dimensional, ou seja, uma grandeza que precisa ser expressa com a sua unidade (kg/l, g/cm3, ton/m3 etc...) e não deve ser confundida com a densidade que é uma grandeza adimensional, ou seja, que não pode ser expressa por uma unidade de medida.

A massa específica deve ser sempre referenciada a uma temperatura em função da dilatação ocorrida nos materiais quando aquecidos, o que altera sua massa específica.

1.1.2. Peso específico

Peso é uma força exercida pela ação da gravidade sobre uma massa, logo peso é igual à força, portanto peso específíco é força por unidade de volume.

Se um indíviduo tem uma massa de 60 quilogramas, ele exercerá sobre o solo uma força de aproximadamente 600 N (60 Kg . 10 m/s2).

RESERVADO

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Assim, peso específico de uma substância é o peso de uma unidade de volume dessa substância e é representado por w:

w = peso/volume

1.1.3. Densidade

A densidade de um corpo é o número adimensional que representa a relação de peso da unidade de volume de uma substância comparada ao peso da mesma unidade de volume de uma substância tomada como padrão.

Normalmente, a substância padrão utilizada para sólidos e líquidos é a água porque seu peso específico, quando expresso em Kgf/l (quilograma-força por litro), equivale a 1 (um) .

1.1.4. Pressão

A pressão é definida como a razão entre a força exercida sobre uma superfície e a área dessa superfície.

Pressão = Força / Área

Isso significa que quanto maior for a área onde se aplica uma determinada força, menor será a pressão obtida. Ao contrário, quando a mesma força é aplicada sobre uma área cada vez menor, maior será a pressão obtida. Dessa forma, a pressão obtida a partir de uma força constante é inversamente proporcional à área.

Se for considerada a relação anterior, sob o ponto de vista da pressão constante exercida sobre uma determinada área, a força obtida será proporcinal à área.

Em um fluido a pressão é transmitida com igual intensidade em qualquer direção. Quando a pressão é exercida sobre uma área surge uma força sempre perpendicular a ela, expressa pela fórmula (F = P . A).

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Alta Competência

ATENÇÃO

Pressão absoluta é aquela referenciada ao vácuo, ou seja, à ausência de atmosfera.

Pressão manométrica é aquela usual e que está referenciada à pressão atmosférica local (mede-se com um manômetro).

1.1.5. Viscosidade

A viscosidade expressa a resistência ao escoamento exercida por um fluido quando submetido a uma força externa, logo, fluidos ditos de alta viscosidade exercem grande resistência ao escoamento, enquanto os de baixa viscosidade exercem pouca ou quase nenhuma resistência ao escoamento. Pode ser considerada como a força de atrito interna do fluido que aparece quando uma camada de fluido é forçada a se mover em relação à outra.

A viscosidade de um fluido determina o seu perfil de velocidade dentro de uma tubulação e, portanto, tem influência direta sobre o cálculo de sua vazão.

O conceito de viscosidade foi definido por Isaac Newton a partir das tensões de cisalhamento provocadas pela movimentação de uma camada de fluido sobre a outra, ou seja pelas forças internas de atrito. Em seu estudo, assumiu que a viscosidade seria independente do tempo para um mesmo fluido e também não deveria variar em função da intensidade das tensões de cisalhamento aplicadas.

Dessa forma, quando o fluido possui viscosidade, independente do tempo e da tensão de cisalhamento aplicada para uma determinada temperatura, chama-se Newtoniano.

Sempre se consideram Newtonianos os fluidos usados nos circuitos hidráulicos.

RESERVADO

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A unidade SI (Sistema Internacional) de viscosidade, ou viscosidade absoluta, é o Pascal Segundo ou Poiseuille (não confundir com o poise). A unidade de Poiseuille é Newton segundo por metro quadrado (N.s/m2).

a) Viscosidade cinemática

Define-se como viscosidade cinemática a divisão da viscosidade absoluta de um fluido pela sua densidade. Como existem diferentes tipos de viscosidade, existe certa confusão no que diz respeito às unidades de viscosidade.

A unidade de viscosidade cinemática no SI é o metro quadrado/segundo, ou m2/s. A unidade de viscosidade cinemática não SI é o stoke (St) com dimensão de cm2/s. Na prática, o mais utilizado é o seu submúltiplo, o centistoke.

b) Viscosidade dinâmica

A viscosidade dinâmica (1 poise) é definida como uma força tangencial de 1 d/cm2, resistindo à vazão de duas lâminas móveis e paralelas do fluido, com velocidade diferencial de 1 cm/s, separadas entre si por um centímetro. Como o poise é muito grande, usa-se normalmente seu submúltiplo, o centipoise. O poise é a unidade não SI de viscosidade dinâmica.

1.2. Hidrostática

A palavra hidrostática é formada pelo radical “hidro”, que significa água e “statica”, que significa imóvel. A partir dessa análise, pode-se conceituar hidrostática como a parte da Física que estuda os líquidos em repouso ou o equilíbrio estático. A referência à água deve-se ao fato de que é a substância mais abundante na natureza. A partir dela, todos os conceitos começaram a ser definidos.

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Alta Competência

1.2.1. Pressão atmosférica

O planeta Terra é envolvido por uma camada de ar que se chama atmosfera. O ar é composto por um conjunto de gases e, portanto, constitui “matéria” e possui peso (força). O peso do ar exerce pressão sobre a superfície terrestre, que é denominada pressão atmosférica.

Atmosfera

Terra

A camada de gases que envolve a Terra é chamada de ar atmosférico ou simplesmente atmosfera.

A pressão atmosférica foi determinada pela primeira vez pelo físico italiano Torricelli (1608-1647), discípulo de Galileu, que realizou a seguinte experiência:

Ele encheu um tubo de vidro com mercúrio e emborcou a extremidade, tampada com o dedo, dentro de uma cuba contendo o mesmo líquido. Ao destampar o tubo, verificou que o mercúrio do tubo descia até a altura de 76 cm. Torricelli concluiu, então, que a pressão atmosférica equivale à pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura.

76 cm

Vácuo

Coluna de mercúrio

A pressão da atmosfera que age sobre a superfície livre do líquido (mercúrio), equilibra uma coluna de mercúrio de 76 cm de altura.

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Torricelli determinou, então, uma unidade de pressão, expressa em mmHg (milímetros de mercúrio). Assim:

1 atmosfera (atm) = 760 mmHg

1.2.2. Pressão hidrostática

Já é sabido que os fluidos sempre se ajustam ao formato do seu recipiente. Mesmo a água, na natureza, toma a forma do oceano, do lago ou do rio. E assim como acontece com o ar na atmosfera, seu peso exerce sobre a superfície desse recipiente, rio ou lago, uma pressão que é chamada de pressão hidrostática. Pode-se observar, intuitivamente, que quanto mais fundo se mergulha um objeto em um fluido qualquer, maior será a massa de fluido acima do objeto mergulhado. Portanto, maior será o peso desse fluido sobre a superfície de tal objeto. Isso indica que maior será a pressão exercida pelo fluido sobre o objeto.

Muitos submarinos, durante a Segunda Guerra Mundial, ao tentarem escapar de seus inimigos, foram esmagados quando desceram a profundidades superiores a sua capacidade.

VOCÊ SABIA??

A relação entre pressão do fluido e profundidade é determinada pelo Princípio Fundamental da Hidrostática (Lei de Stevin), segundo o qual a pressão em um ponto qualquer no interior de um líquido é proporcional à massa específica (ρ) do líquido, à aceleração da gravidade local (g) e à altura (h) da coluna de líquido acima do ponto considerado. Isto é:

p = ρ.g.h

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Alta Competência

Observe que a expressão anterior se refere apenas à coluna de líquido. Não se pode esquecer que acima dela existe ainda a pressão atmosférica. Quando se trabalha com pressões manométricas referenciadas à pressão atmosférica local, estas já expressam diretamente a pressão manométrica naquela profundidade. Entretanto, para obter a pressão absoluta em uma determinada profundidade de líquido, deve-se somar a pressão atmosférica, alterando a expressão para:

p = patm + ρ.g.h

Veja como a teoria se aplica na prática:

Um recipiente de forma cilíndrica, hermeticamente fechado, possui 1L de água em seu interior. Sabendo que a altura do cilindro é de 30cm, determine a pressão que a água exerce no fundo do recipiente.

Bem, sendo o cilindro hermeticamente fechado, supõe-se que a pressão atmosférica não aja diretamente sobre o fluido (água). Dessa forma, a pressão no interior do cilindro será dada apenas pelo peso da água em cada ponto. Sendo assim:

p = ρ.g.h = 1000 kg/m3 . 10m/s2 . 0,3m = 3000 N/m2

supondo g = 10 m/s2 e ρ = 1000 kg/m3

Observe que o formato do recipiente foi absolutamente irrelevante, pois a única coisa que importa é a altura da coluna de líquido acima do ponto onde se quer calcular a pressão.

1.3. Vazão e velocidade

A produtividade de um poço de petróleo é indicada através da vazão de certa quantidade de barris de petróleo por dia. Mas, o que vem a ser vazão e como pode ser medida?

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1.3.1. Vazão

A vazão de um fluido pode ser definida como o volume de fluido que escoa, por uma unidade de tempo. Isso significa que a vazão é a rapidez com que um volume escoa. Ou seja:

Vazão (Q) = Vol / t

A exploração da Bacia de Campos começou no final de 1976.

O primeiro poço foi o 1-RJS-9-A, que deu origem ao campo de Garoupa. Mas a exploração comercial da Bacia de Campos só começou em agosto de 1977, com o poço 3-EM-1-RJS, no campo de Enchova. Esse poço tinha vazão de 10 mil barris/dia.

Plataforma Cidade de Armação dos Búzios acoplada à plataforma fixa de Garoupa, na bacia de Campos. Esta é uma plataforma do tipo SMU (Safety Maintenance Unity), que atua ao mesmo tempo como um Flotel (hotel flutuante) e uma unidade de apoio e manutenção de plataformas.

VOCÊ SABIA??

São adotadas para o cálculo, em geral, as seguintes unidades de medida: m³/s (metro cúbico por segundo); m3/h (metro cúbico por hora); l/s (litro por segundo) ou l/h (litro por hora).

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1.3.2. Velocidade

Embutido no conceito de vazão, “um volume que escoa ou que se desloca no tempo”, percebe-se, intuitivamente, um conceito de movimento associado. Se um objeto qualquer se desloca por uma distância x em um tempo t, pode-se determinar sua velocidade:

V=x/t

V (velocidade) = x (distância)/ t (tempo)

Com isso, é possível estabelecer que se um fluido está escoando, suas partículas estão em movimento e possuem velocidade e, portanto, todo o fluido escoando está em movimento e em velocidade.

A velocidade nem sempre é a mesma para todas as partículas do fluido, nem mesmo possuem a mesma direção. Essa variação se dá tanto em valor (módulo) quanto em direção, uma vez que a velocidade pode ser definida como uma grandeza vetorial. Entretanto, se o fluido escoa em um duto, seja ele aberto ou fechado, possuirá uma velocidade média em cada ponto. Essa velocidade média é a velocidade considerada para o cálculo da vazão. Além disso, apenas sua parcela ortogonal à seção reta por ela atravessada é utilizada.

Agora, supondo que um duto qualquer por onde escoe um fluido, num ponto em que possua uma seção reta de área A, a vazão do fluido poderia ser considerada como correspondente ao produto da área da seção transversal atravessada pelo fluido pelo valor (módulo) da velocidade média com que ele a atravessa.

Dessa forma, se um fluido incompressível, ou seja, que não altera o seu volume com a pressão, atravessa uma área qualquer de um duto fechado (uma tubulação, por exemplo), em um determinado intervalo de tempo, nesse mesmo intervalo de tempo, um volume igual irá atravessar qualquer outra área do duto, mesmo se esta não for idêntica a anterior.

RESERVADO

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Isso significa que:

A vazão de um • fluido incompressível (água, por exemplo) em um duto forçado (tubulação, por exemplo) será sempre constante, em qualquer ponto do duto;

Se a área do duto variar, a velocidade do • fluido irá variar inversamente, de forma a manter a vazão constante.

1.3.3. Fluxo

Considerando velocidade como uma grandeza vetorial, pode-se criar outro vetor, que é chamado de fluxo, composto pelo produto do vetor velocidade pela área por ele atravessada. Chega-se a um “valor”, dimensionalmente igual ao da vazão (m3/h), porém associado a uma direção.

Quando se fala de volume de um fluido que passa por uma unidade de tempo em uma tubulação, identifica-se a vazão.

Quando se quer saber qual o sentido em que o fluido se movimenta, usa-se o termo “sentido de fluxo”, e jamais sentido de vazão, porque a vazão é uma grandeza apenas modular, enquanto o fluxo é uma grandeza vetorial que possui um módulo e uma direção.

ImpOrTANTE!

Embora constitua um fenômeno que participa com freqüência do nosso cotidiano, o escoamento dos fluidos é um tema bastante complexo e nem sempre sujeito à análise matemática exata, uma vez que cada elemento do fluido pode estar sujeito a diferentes vazões e acelerações.

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Por ora, o estudo se concentrará apenas no caso de dutos forçados, que se aplica às plantas de processos. Neste caso, o vetor velocidade do fluido pode assumir diferentes módulos e direções em cada ponto de uma mesma seção reta do duto. Em alguns pontos, o vetor velocidade pode estar até apontando contrariamente à direção de fluxo.

Considera-se o escoamento em dutos forçados como unidirecional, porque a soma de todos os vetores de velocidade em uma mesma seção reta aponta na direção do fluxo.

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1) Um mergulhador consulta seu manômetro de pulso que indica a pressão absoluta de 1,6x105 N/m2. Antes do mergulho, ele verificou a pressão atmosférica local e anotou o valor de 1x105 N/m2. A que pro-fundidade se encontra esse mergulhador?

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2) Complete as lacunas a seguir:

a) O ___________________de uma substância é o peso de uma unidade de volume dessa substância e é representado por w, sendo w = peso/volume.

b) ____________________de uma substância é a massa de uma unidade de volume da substância e é representada por ρ, sendo ρ = massa / volume.

c) A ___________________ expressa a resistência que o fluido exerce ao escoamento, quando submetido a uma força externa.

d) Define-se a _____________________como o volume, por unidade de tempo, que escoa através de determinada seção transversal de um conduto livre ou de um conduto forçado.

e) A __________________varia em diversos pontos da mesma seção reta. Essa variação se dá tanto em valor quanto em direção.

1.4. Exercícios

RESERVADO

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3) Leia as definições a seguir e complete corretamente com “pressão hidrostática” ou “pressão atmosférica”:

É o peso do ar exercendo pressão sobre a superfície terrestre.

É a pressão exercida por um fluido sobre um corpo nele mergulhado.

RESERVADO

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Atrito - força que inibe o deslizamento de objetos, agindo no sentido oposto ao deslizamento.

Centistoke - unidade de viscosidade cinemática (submúltiplo do stoke).

Fluido - corpo cujas moléculas são tão pouco aderentes entre si que deslizam umas sobre as outras, tomando o corpo, sem consistência, a forma do vaso que o contém.

Grandeza vetorial - grandezas que são completamente definidas quando são especificados o seu módulo, direção e sentido.

Inócuo - sem efeito, indiferente, irrelevante etc.

Manômetro - instrumento para medir e indicar a pressão de gases e vapores.

Parcela ortogonal - parcela do duto que forma um ângulo reto.

Planta de processo - unidade de processo.

Stoke - unidade de viscosidade cinemática.

Tensão de cisalhamento - definida como força por unidade de área, que atua tangencialmente à superfície, e não perpendicularmente, como a tensão normal.

Termodinâmica - ciência que estuda as interações energéticas e as correspondentes

variações de propriedades de um sistema.

1.5. Glossário

RESERVADO

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CHERESOURCES. A process design engineer’s perspective on using equivalent lengths of valves and fittings in pipeline pressure drop calculation. Rio de Janeiro: Paper, 2008.

GILES, Ranald V. Mecânica dos fluidos e hidráulica. Coleção Schaum. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1972.

RIBEIRO, Marco Antônio. Medição de vazão - fundamentos e aplicações. 5ª Edição. Rio de Janeiro: 2002.

1.6. Bibliografia

RESERVADO

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1) Um mergulhador consulta seu manômetro de pulso que indica a pressão absoluta de 1,6x105 N/m2. Antes do mergulho, ele verificou a pressão atmosférica local e anotou o valor de 1x105 N/m2. A que profundidade se encontra esse mergulhador?

Considerando que o mergulhador está em um lago ou mar aberto para atmosfera, a pressão absoluta no ponto em que ele se encontra é resultante de dois componentes: a pressão atmosférica na superfície da água e a pressão exercida pela coluna d’água. Portanto:

p = patm + ρ.g.h = 1,6x105N/m2

Como a pressão atmosférica na superfície fora anotada pelo mergulhador (1,0x105N/m2) temos que:

1,6x105N/m2 = 1,0x105N/m2 + ρ.g.h --> ρ.g.h = 0,6x105N/m2

supondo g = 10 m/s2 e ρ = 1000kg/m3

h = 0,6x105N/m2 / (10m/s2 . 1000kg/m3) = 6x104N/m2 / 1x104kg/m2s2

bem, como a unidade N (Newton) equivale dimensionalmente a kg.m/s2

temos que: h = 6x104(kg/m2s2)m / 1x104kg/m2s2 = 6m

Portanto, o mergulhador encontra-se a 6 metros de profundidade.

2) Complete as lacunas a seguir:

a) O peso específico de uma substância é o peso de uma unidade de volume dessa substância e é representado por w, sendo w = peso/volume.

b) Massa específica de uma substância é a massa de uma unidade de volume da substância e é representada por ρ, sendo ρ = massa / volume.

c) A viscosidade expressa a resistência que o fluido exerce ao escoamento, quando submetido a uma força externa.

d) Define-se a vazão do fluido como o volume, por unidade de tempo, que escoa através de determinada seção transversal de um conduto livre ou de um conduto forçado.

e) A velocidade do fluido varia em diversos pontos da mesma seção reta. Essa variação se dá tanto em valor quanto em direção.

3) Leia as definições a seguir e complete corretamente com “pressão hidrostática” ou “pressão atmosférica”:

Pressão atmosféricaÉ o peso do ar exercendo pressão sobre a superfície terrestre.

Pressão hidrostáticaÉ a pressão exercida por um fluido sobre um corpo nele mergulhado.

1.7. Gabarito

RESERVADO

RESERVADO

Cap

ítu

lo 2

Hidráulica


• Identificar fundamentos de Hidráulica;

• Relacionar equipamentos hidráulicos às suas características;

• Listar os defeitos mais freqüentes em equipamentos hidráulicos;

• Identificar os cuidados básicos para instalação e partida de unidades hidráulicas;

• Distinguir procedimentos característicos dos processos de limpeza, montagem e desmontagem de sistemas hidráulicos.

RESERVADO

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Alta Competência

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Capítulo 2. Hidráulica

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2. Hidráulica

Aqui começa o estudo da aplicabilidade prática dos sistemas hidráulicos de potência. Esses sistemas são normalmente utilizados para transmissão de potência

para acionamentos diversos.

O mecanismo de freio ou de direção do automóvel é um bom exemplo da aplicação prática de princípios e sistemas hidráulicos para transmissão de potência. Mas, agora, é importante pensar na aplicabilidade em processos industriais, observando vantagens e desvantagens dessa aplicação.

Existem apenas quatro métodos conhecidos de transmissão de potência, do ponto de vista comercial: mecânica, elétrica, pneumática e hidráulica.

A transmissão mecânica é a mais antiga e conhecida. Tudo começou com a invenção da roda, mas dispõe, hoje, de artifícios muito mais apurados como engrenagens, correias, molas, polias, dentre outros.

VOCÊ SABIA??

O uso de sistemas elétricos, com geradores, motores elétricos, condutores e uma gama muito grande de outros componentes, teve início no século XIX e constitui, atualmente, a forma mais barata e eficaz de se transmitir energia a grandes distâncias e mesmo de fazer a sua distribuição comercial.

O uso dos sistemas pneumáticos e hidráulicos sob pressão, como meios de transmissão de potência é mais recente. Seu desenvolvimento foi posterior à Primeira Guerra Mundial.

RESERVADO

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Comparados aos sistemas elétricos, por exemplo, tanto os sistemas hidráulicos quanto os pneumáticos têm um rendimento baixo - de modo geral, em torno de 65% - principalmente por perdas de carga e vazamentos internos nos componentes. A construção dos elementos exige tecnologia de precisão, o que encarece os custos de geração.

Apresentam, no entanto, algumas vantagens como, por exemplo, facilidade de controle da velocidade e inversão praticamente instantânea do movimento. Os sistemas são geralmente compactos, se comparados às demais formas de transmissão de energia.

Uma vantagem fundamental torna os sistemas pneumáticos e hidráulicos preciosos para a indústria do petróleo e seus derivados: o fato de que são absolutamente seguros em áreas classificadas, uma vez que não constituem “fonte de ignição”, como a energia elétrica. Por isso, apesar de todo o avanço tecnológico em relação aos dispositivos elétricos, os principais meios de acionamento em plantas de processo de qualquer material inflamável ou explosivo, até hoje, ainda são o pneumático e o hidráulico.

2.1. Fundamentos da Hidráulica

É importante conhecer o conceito de pressão, força e potência hidráulica, assim como as suas interligações, na escolha dos circuitos hidráulicos adequados a cada aplicação.

2.1.1. Força e pressão

É de suma importância resgatar os conceitos de força e pressão. Para isso, deve-se ler com atenção o princípio de Blaise Pascal:

A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais.

RESERVADO


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Blaise Pascal, nascido em Paris a 19 de junho de 1623, foi um importante filósofo, físico e matemático francês. Dedicou-se à aritmética, desenvolveu cálculos de probabilidade, a fórmula de geometria do acaso, o Triângulo de Pascal e o tratado sobre as potências numéricas.

Faleceu em 19 de agosto de 1662.

VOCÊ SABIA??

Imagine um recipiente cheio de um líquido praticamente incompressível. Quando aplicada uma força F em um êmbolo de área A, o resultado será uma Pressão = F.A aplicada ao fluido, que agirá igualmente e de forma normal (perpendicular) sobre todas as paredes do recipiente (circuito confinado) que o contém, independente da forma desse recipiente, como é possível verificar ao observar a ilustração a seguir:

A pressão é idêntica em qualquer ponto do circuito, independente da forma.

Mas qual a diferença entre força e pressão?

Do ponto de vista da física, força representa a capacidade de alterar o estado de repouso ou de movimento de um corpo, provocando a aceleração ou a deformação do mesmo.

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A pressão, por sua vez, é uma grandeza modular (sem sentido e sem direção) que indica o estado de tensão entre as moléculas em um determinado ponto. Quando a pressão é exercida sobre uma área surge uma força sempre normal perpendicular a ela.

A força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é grandeza vetorial, ou seja, possui sentido, direção e intensidade.

Relação entre força e pressão: F = P.A (força é igual a pressão sobre área).

a) Multiplicação de força

Observando a ilustração a seguir, suponha que seja aplicada uma força “F1” sobre a superfície “A1” e uma força “F2” sobre a superfície “A2”. Por uma simples utilização do princípio de Blaise Pascal, a pressão P, desenvolvida no interior do sistema, atua igualmente em toda a superfície interna. Dessa forma, diz-se que:

P = F1 / A1 = F2 / A2 F2 = (A2/A1) x F1

Multiplicador de força vulgo macaco hidráulico

Assim, foi criado um multiplicador de força pela razão de áreas entre os dois pistões. Como aplicação prática, um bom exemplo é o macaco hidráulico.

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b) Multiplicação de pressão

Suponha agora, observando a ilustração a seguir, que o êmbolo esteja em equilíbrio estático e que na câmara 1 seja aplicada uma pressão P1 e na câmara 2 uma pressão P2. Como o êmbolo está em equilíbrio:

P1 A1 A2 P2F F

A1 . P1 = F = A2 . P2 P2 = (A1/A2) P1

Multiplicador de pressão

Com isso, gera-se um multiplicador de pressão pela razão das áreas dos êmbolos. Entre as aplicações práticas para o multiplicador de pressão está a bomba com acionamento pneumático.

2.1.2. Potência hidráulica

A partir da mecânica convencional, sabe-se que a potência é obtida pelo produto da força aplicada a um objeto e a velocidade obtida. Dessa forma:

Potência = F . v

Usando um pequeno artifício matemático, é preciso multiplicar e dividir simultaneamente a expressão por A, a área de aplicação da força, o que não alterará o resultado:

Potência = F/A . v . A

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Mas F/A = P (pressão) e v . A = Q (vazão volumétrica) e, portanto, a potência de um sistema hidráulico é dada pelo produto:

Potência hidráulica = P . Q

A potência de um sistema hidráulico é determina-da por sua capacidade de fornecer vazão manten-do a pressão do fluido. Ela irá balizar a especifi-cação de pistões hidráulicos, motores hidráulicos, bombas etc.

ImpOrTANTE!

Veja um exemplo de aplicação:

É preciso determinar a potência do motor de uma bomba que irá proporcionar uma elevação de pressão de 106 N/m2 à vazão de 10-5 m3/s. A potência requerida será de:

P . Q = 106. 10-5 = 10 watts

Considerando o rendimento do sistema, o motor da bomba deverá dispor, pelo menos, de:

10 / 0,65 = 15,4 watts

2.2. Principais componentes de um circuito hidráulico

Um circuito hidráulico é constituído por diversos componentes tais como, bombas, cilindros, válvulas, entre outros, cada um com uma função específica.

Na operação, é corriqueiro o contato com muitos deles, por isso, é importante estar informado sobre os principais.

RESERVADO


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2.2.1. Bombas hidráulicas

Uma bomba hidráulica possui um mecanismo de conversão de energia mecânica em energia hidráulica. Opera criando um vácuo parcial na linha de entrada e provocando a sucção de fluido para o seu interior. Por ação mecânica, pressiona e conduz esse fluido à linha de saída, forçando-o para o interior do sistema hidráulico. Dessa forma, a bomba hidráulica produz vazão do fluido para o interior do sistema. A resistência à vazão gera a pressão do sistema e quanto maior essa resistência, maior deverá ser a pressão exercida pela bomba.

2.2.1.1. Bombas hidrodinâmicas

São bombas de fluxo contínuo que não suportam pressão na saída. Quanto maior a resistência à vazão, maior há deslizamento interno do fluido, ou seja, maior o volume do fluido que retorna da câmara de saída para a câmara de entrada. Nesse tipo de bomba, pode-se fechar completamente a saída de fluido, que ela continua em funcionamento. São também chamadas de bombas de deslocamento não-positivo.

Os tipos mais comuns de bombas hidrodinâmicas são a centrífuga e a de hélice axial.

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Saída

Impulsor

Hélice

Entrada

Tipo axial (hélice)

Tipo centrífugo (impulsor)

As lâminas, ao girar,propiciam a forçacentrífuga que causaa ação de bombeamento.

O fluxo axial é geradopor uma hélice rotativa.

Bombas: centrífuga e axial

ATENÇÃO

As bombas hidrodinâmicas (centrífugas e axiais) raramente são utilizadas em sistemas hidráulicos de potência, porque sua vazão se reduz rapidamente com a pressão. Essas bombas são mais usadas para a transferência de fluidos.

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2.2.1.2. Bombas hidrostáticas

Também chamadas de bombas de deslocamento positivo, fornecem uma quantidade de fluido constante a cada rotação ou ciclo. Normalmente, proporcionam fluxo pulsante. Nesse tipo de bomba, o deslizamento da vazão é desprezível. No entanto, o fechamento total da saída de fluido pode ser desastroso, porque proporciona o aumento da pressão, sem limite, até a ruptura de partes internas ou mesmo da carcaça da própria bomba.

Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo são as de pistão e as de engrenagem. Como são os tipos mais utilizados em sistemas hidráulicos de potência, por trabalhar em regimes de média e alta pressão, seu funcionamento também será detalhado a seguir.

a) Bombas de engrenagem

• Externa

Esse tipo de bomba é constituído por um sistema de duas engrenagens que giram dentro de uma caixa com folgas bem apertadas entre si e com a parede da caixa. As engrenagens giram em direções opostas e encaminham o óleo lateralmente, no espaço entre os dentes e a parede da caixa, empurrando-o para o sistema hidráulico. A eficiência da bomba é medida pela folga entre a engrenagem e a carcaça da bomba.

3. O óleo é forçado para a abertura de saída quando os dentes se engrenam novamente.

Engrenagem motriz

2. O óleo é transportado através da carcaça em câmaras formadas entreos dentes, a carcaça e as placas laterais.

4. A pressão de saída, atuando contra os dentes,cauda uma carga não-balanceada nos eixos,como indicam as setas.

1. O vácuo é criado aqui quandoos dentes se desengrenam. O óleoé succionado do reservatório.Entrada

Saída

Esquema de funcionamento da bomba de engrenagem externa

RESERVADO

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• Interna

Consiste em um sistema de duas engrenagens, uma interna e outra externa. A engrenagem interna tem um dente a menos que a externa. Enquanto as engrenagens giram, de um lado forma-se uma câmara de volume crescente, enquanto do outro, uma de volume decrescente. Quando o fluido é impelido da entrada para a saída, uma vedação positiva é mantida pela característica construtiva das engrenagens em que a crista dos dentes da interna seguem os contornos da externa.

Volumecrescente

Volumedecrescente

Orifício deentrada

Bomba tipo gerotor

Orifício de saída

Placa deorifício

Esquema de funcionamento da bomba de engrenagem interna

O volume de saída de uma bomba de engrenagem é determinado pelo produto do volume de fluido deslocado por cada dente da engrenagem e pelo número de rotações por minuto. Em decorrência disso, a substituição das engrenagens originais ou a variação das rotações da bomba acarreta alteração de volume da bomba de engrenagem.

RESERVADO


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b) Bombas de palheta

• Desbalanceada

Nesse tipo de bomba, um eixo de acionamento faz girar um rotor provido de ranhuras. Em cada ranhura há uma palheta retangular chata que se move radialmente. Quando o rotor gira, a força centrífuga aciona as palhetas para fora e elas tocam a parede interna do rotor com suas extremidades, criando uma vedação positiva entre o topo e a parede. Devido à excentricidade do rotor em relação à carcaça da bomba, as câmaras de entrada de óleo se ampliam e o movimento das palhetas conduz o óleo à saída da bomba. Nesse ponto, as câmaras diminuem de tamanho e empurram o óleo para o sistema hidráulico.

• Balanceada

Na ilustração, vê-se que as diferenças de pressão agindo sobre as áreas laterais do rotor geram, no eixo do rotor, esforços que podem ser muito sérios quando em aplicações de alta pressão. Para compensar essa condição, a forma da cavidade interna da bomba onde gira o rotor é alterada de circular para elíptica e a bomba passa a ter duas câmaras de entrada e duas câmaras de saída opostas entre si, de forma que os esforços proporcionados por cada uma se anulam mutuamente. As bombas de palheta usadas em sistemas industriais são geralmente de projeto balanceado.

EntradaAberturas de pressão opostas

cancelam cargas laterais no eixo

Entrada

EntradaRotação

Rotação

Eixo motrizRotor

Anel elíptico

Saída

Saída

Saída

PalhetaSaída

Volumecrescente

Câmaras de bombeamento

CarcaçaPalhetas

Eixo

Rotor

Volumedecrescente

Entrada

Bomba de palheta desbalanceada Bomba de palheta balanceada

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• De volume variável e pressão compensada

Em uma bomba do tipo palheta, uma forma de variar a vazão está na variação da excentricidade do eixo. Isso é possível se a câmara (anel) for dissociada da carcaça externa e um parafuso de ajuste da excentricidade for acrescentado, conforme ilustração a seguir.

Bomba de palheta com volume variável e pressão compensada

Na ilustração anterior, se for acrescentada uma mola com tensão ajustável que permita o deslocamento automático do anel quando a pressão interna for suficientemente alta, o anel se moverá automaticamente para uma posição central onde a vazão diminui até chegar a zero.

Regulagem da mola

Exemplo de bomba de palheta com volume variável e pressão compensada, com regulagem da mola

RESERVADO


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As bombas de pressão compensada e volume variável devem ser providas de dreno de carcaça. Qualquer acúmulo de fluido dentro da carcaça pode impedir o seu movimento. Normalmente, os acúmulos de fluido dentro da carcaça são direcionados à câmara de entrada da bomba. Como esse tipo de bomba fica muito tempo operando na posição central, em que não há vazão principal, uma pequena vazão de controle e lubrificação é mantida e direcionada para um dreno externo.

c) Bombas de pistão

No mercado estão disponíveis três tipos de bombas de pistão: a axial, a radial e a em linha.

• Axial

As bombas axiais são assim conhecidas porque os pistões estão dispostos no eixo ou paralelamente ao eixo de rotação da bomba. Pelas características de seus componentes, subdividem-se ainda em:

Axial simples• : o mecanismo de uma bomba de pistões axiais consiste basicamente de cilindros, pistões com sapatas, uma placa de deslizamento, além de molas e outros dispositivos. Quando o tambor de cilindros gira, a sapata desliza sobre a placa de deslizamento, que não gira. Como ela está colocada em ângulo com o eixo de giro, os pistões são forçados a alternar dentro dos cilindros. Em metade do ciclo, eles são retirados de dentro dos cilindros, provocando a sucção do fluido. Na metade seguinte do ciclo eles são introduzidos no cilindro expulsando o fluido.

Placa de deslizamento

Sapato do pistão Tambor do

cilindro

Pistão

Bomba de pistões axiais - detalhe

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Alta Competência

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Em geral, para melhor desempenho, vários cilindros são adaptados na mesma placa de deslizamento, como mostrado na ilustração anterior.

Axial com compensação de pressão• : nesse caso, a placa de deslizamento é conectada a um pistão que varia o seu ângulo em função da pressão de saída, diminuindo sua vazão, pela redução do ângulo, à medida que a pressão aumenta.

Fluxo pleno

A pressão do sistema é transmitida aqui

Sem fluxo

Pistão compensadorDreno

Mola

Bomba de pistão axial com compensação de pressão

Axial com eixo inclinado• : esse é um tipo de bomba usado para vazão constante ou até, o que é mais comum, como motor hidráulico. Nessa variante não existe placa de deslizamento; os pistões são fixados por articulações a uma placa que gira solidária a eles. Um pivot central absorve os esforços radiais do tambor.

Bomba de pistão axial com eixo inclinado

RESERVADO


5555

• Radial

São assim conhecidas porque o movimento dos pistões acontece perpendicularmente ao eixo de rotação da bomba. Pelas características de seus componentes, subdividem-se ainda em:

Radial com anel excêntrico• : nesse tipo de bomba, o conjunto gira em torno de um pivot estacionário por dentro de um anel ou rotor. Conforme o conjunto gira, a força centrífuga faz com que os pistões sigam o contorno do anel externo excêntrico com relação ao bloco dos cilindros. Assim como nas bombas axiais, em metade do ciclo as câmaras dos pistões expandem e succionam o fluido e em metade do ciclo elas contraem e expulsam o fluido. Nesse tipo de bomba é possível, também, fazer a compensação de pressão pela alteração da excentricidade.

Pinos

Saída

Pistões

Entrada

Anel de reaçãoBlocos dos cilindros

Carcaça

Linha de centroLinha de centro do bloco do cilindro

Detalhe de bomba com anel excêntrico

Radial em estrela• : nesse tipo de bomba, os cilindros estão fixos na carcaça e os pistões se movem por ação de um came central. Como em cada ciclo de giro o pistão precisa succionar para depois expelir o fluido, um conjunto de válvulas do tipo check é colocado para coletar o fluido da entrada e garantir que seja direcionado para a saída. Normalmente, essas bombas não possuem variação de vazão ou compensação por pressão, entretanto são úteis em circuitos de alta pressão, com altas vazões.

RESERVADO

56

Alta Competência

56 Detalhe de bomba de pistões em estrela

Em linha• : as bombas de pistões em linha têm funcionamento idêntico ao das de pistão em estrela e são muito utilizadas em circuitos de altas vazões, com altas pressões. São bombas alternativas nas quais, ao invés dos pistões ficarem dispostos em estrela, são dispostos em linha, necessitando cada um de seu próprio excêntrico de acionamento. Nesse caso, cada came está defasado um do outro por ângulo igual a 360o dividido pelo número de cilindros, mais ou menos ao estilo de um eixo de comando de válvulas num motor a combustão. Esse tipo de procedimento, em geral, reduz as dimensões da carcaça da bomba.

2.2.1.3. Principais problemas nas bombas

Todo equipamento é passível de problemas, que podem ser mecânicos e/ou químicos. No caso específico das bombas, os principais problemas são a cavitação e a aeração. Esses problemas reduzem significativamente a vida útil do equipamento e, em algumas vezes, podem até impedir o seu funcionamento.

RESERVADO


5757

a) Cavitação

A cavitação ocorre quando o vácuo relativo causado pela sucção da bomba gera pressões absolutas abaixo da pressão de vapor do fluido. Com isso, surgem bolhas de vapor na câmara de sucção que irão colapsar na câmara de pressão, devolvendo quase instantaneamente enorme quantidade de energia ao sistema, sob a forma de ondas de choque. Essas ondas de choque acabam ocasionando erosão nos internos e na carcaça da bomba. Além disso, a presença dessas bolhas diminui a taxa de fluxo da bomba e torna instável a pressão na saída. Quando em contato com as superfícies internas, as bolhas criam áreas sem lubrificação, o que aumenta muito o desgaste da bomba.

Um sinal de que a bomba está cavitando é o ruído e a vibração ocasionados pelas ondas de choque. O ruído se parece, muitas vezes, com o som de castanholas tocando dentro da bomba.

b) Aeração

É um fenômeno parecido com a cavitação, mas ocorre em razão da entrada de ar no sistema. Por isso é chamado de aeração. Indica a necessidade de se prestar atenção à vedação na sucção da bomba. Caso haja pressão abaixo da pressão atmosférica e baixa vedação, pode haver admissão de ar na câmara de sucção, ocasionando o fenômeno de aeração.

2.2.2. Cilindros e motores hidráulicos

É preciso que se apresente a energia hidráulica realizando o trabalho mecânico.

O trabalho mecânico pode ser produzido de duas formas diferentes: a giratória, realizada pelos motores hidráulicos; e a linear, realizada pelos cilindros. É importante conhecer melhor cada uma delas.

De modo geral, todas as bombas vistas anteriormente são, potencialmente, motores hidráulicos giratórios. Nas bombas, é imposta uma relação “torque X velocidade angular” (energia) para obter outra relação “pressão X vazão” (energia).

RESERVADO

58

Alta Competência

No caso dos motores, esses binômios são invertidos, forçando uma relação “pressão X vazão” e é obtido no eixo um binômio equivalente de “torque X velocidade angular”.

Os motores hidráulicos são muito utilizados em situações nas quais se requer potência para movimento ou nas situações em que motores a combustão ou elétricos não são viáveis (exemplo: motores submersos, ou que trabalham em ambientes explosivos) ou em locais onde a transmissão mecânica não é viável.

Os cilindros hidráulicos também são motores, porém, são motores lineares e possuem a característica de que seu movimento é limitado ao curso de um êmbolo. Normalmente, esses cilindros são utilizados mais para gerar força mecânica para a realização de um trabalho do que para gerar movimento, como no caso dos motores giratórios. Dessa forma, é dito que os cilindros hidráulicos têm por função realizar movimentos retilíneos e transmitir força.

Basicamente, o cilindro hidráulico se compõe de um cilindro e um êmbolo, a exemplo de uma seringa de injeção. Se fechado todo o êmbolo e soprado pelo bocal onde se fixa a agulha, vê-se o êmbolo se mover para fora da seringa.

A força máxima de um cilindro é função da área útil do êmbolo e da pressão máxima de trabalho admissível:

F = P . A

A velocidade do êmbolo vai depender da vazão do fluido no cilindro. De qualquer forma, pode-se dizer que o binômio “força X velocidade do êmbolo” (energia) é obtida a partir do binômio “pressão x vazão” do fluido aplicado (energia). Conforme sua construção, os cilindros podem gerar forças de tração ou compressão.

RESERVADO


59

a) Tipos de cilindros

Cilindro de ação simples• : esse tipo de cilindro pode transmitir força em apenas um sentido. O retorno depende de ação externa.

Cilindro com retorno por mola• : nesse caso, o cilindro também tem ação simples, mas o retorno não depende de ação externa, pois ocorre em função de mola. Esse tipo de cilindro é muito utilizado na Petrobras, como atuador de válvulas de segurança (SDV) devido a sua característica fail safe. Essa característica faz com que, em caso de falha hidráulica ou perda de comando, a válvula assuma uma posição segura, normalmente fechada.

Cilindro de ação dupla• : nesse tipo de cilindro, deve-se manter o pórtico B despressurizado e aberto e injetar fluido através do pórtico A para avançar o pistão. O retorno do pistão depende da inversão das pressões, ou seja, para retornar, é preciso despressurizar o pórtico A, mantê-lo aberto e injetar fluido pelo pórtico B. Entretanto, observe que a força aplicada depende da pressão e da área atuada.

A - Porta de admissão do fluido no cilindro


RESERVADO

60

Alta Competência

No caso desse cilindro, uma vez considerada a disposição de uma unidade de suprimento hidráulico com pressão constante, durante o processo de acionamento, a área envolvida corresponde ao círculo completo da superfície do êmbolo. Entretanto, no retorno, a área corresponde apenas a uma coroa circular da superfície do êmbolo, ao redor do eixo do pistão, que é menor do que a área. Dessa forma, a força aplicada durante o avanço é maior do que a força aplicada durante o retorno. Como o volume da câmara de retorno é menor e ela pode ser preenchida mais rapidamente do que a de avanço, a velocidade de retorno é maior que a velocidade de avanço.

Cilindro com haste dupla ou passante• : esse tipo de cilindro opera como um cilindro de dupla ação, mas como as áreas em ambas as câmaras são iguais, fica garantido que as forças e as velocidades se igualam em ambas as direções - de atuação e de retorno.

B - Porta de admissãodo fluido no cilindro

A - Porta de admissãodo fluido no cilindro

Cilindro telescópico• : com esse tipo de construção, consegue-se grandes cursos utilizando reduzido espaço para montagem. A altura de montagem praticamente corresponde ao primeiro estágio do cilindro.

AAção simples


B - Porta de admissão do fluido no cilindro

RESERVADO


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A BAção dupla

b) Cuidado com o dimensionamento de cilindros

Sendo um equipamento real, o cilindro de acionamento está sujeito a limitações físicas. Uma delas é a deformação por excesso de carga que pode ocorrer na haste do êmbolo. Essa deformação é chamada de flambagem. Essa deformação é chamada de flambagem e, via de regra, pode ser calculada através da fórmula de Euler, considerando que seu diâmetro, na maioria das vezes, é pequeno em relação ao seu comprimento.

Carga de flambagem:

¶ 2 . E . J K = sK2

Onde:

sK2 = comprimento livre de flambagem em cm

E = módulo de elasticidade (Kp/cm2) = 2,1 x 106 para o aço

J = Movimento de inércia (cm4) para seção circular

Carga máxima de trabalho:

Força = K/S

S = coeficiente de segurança.

Essa informação é fornecida pelo fabricante do equipamento, seguindo o seu grau aceitável de risco.

RESERVADO

62

Alta Competência

O comprimento a ser considerado livre de flambagem, pode ser determinado nas distintas formas de carregamento, de acordo com a fórmula de Euler. Para os cálculos, a rigidez adicional fornecida pelo tubo é desprezada. Isso assegura aos cilindros standard a necessária segurança para absorver as tensões de flexão adicionais.

F

L

F

L

FL

F

L

F

L

L L

L

F F F

LL

FLL

F

Caso 1 Caso 2(basico)

Caso 3 Caso 4

Uma extremidadelivre, outra fixa

Duas extremidadesarticuladas

Uma extremidadearticulada e outra fixa

Duas extremidadesfixas

Sol

icita

ções

seg

undo

ca

rga

de E

uler

Rep

rese

ntaç

ãoes

quem

átic

a

comprimentosem flambagem

Situ

ação

de

mon

tage

m d

o ci

lindr

o hi

dráu

lico

Obs

erva

ção Guiar a carga

com cuidado, porquehá possibilidadede travamento

Inadequando, provável ocorrênciade travamento

sK = 2 L sK = 2 L sK = L . 0.7sK = L

2

RESERVADO


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c) Aplicação para cilindros hidráulicos

Há uma grande quantidade de aplicações possíveis no cotidiano para os cilindros hidráulicos. Bons exemplos são a utilização dos cilindros nas cadeiras dos dentistas (regulagem), nos caminhões de coleta de lixo (acionamento da caçamba), entre outras.

Nas plantas de processo, entretanto, a utilização mais significativa é como atuadores de válvulas.

2.2.3. Válvulas

Sabendo-se sobre a geração de potência hidráulica (bombas) e a transformação de energia hidráulica novamente em movimento ou trabalho mecânico (cilindros e motores), serão verificados, em seguida, como direcionar, regular, bloquear e liberar essa energia hidráulica, de forma que ela efetivamente realize aquilo que se deseja, no momento em que se deseja. Esse é o papel das válvulas no circuito hidráulico.

a) Tipos de válvulas

Existe, no mercado, uma infinidade de válvulas para atender aos requisitos dos circuitos. Muitas são desenvolvidas especificamente para as aplicações a que se destinam.

Válvulas • fail safe (falha segura): são válvulas acionadas através de comando hidráulico, que retornam à posição fechada por ação de mola. Isso garante que na falha de comando ou energia, assuma a posição segura. O tipo de montagem apresentada é comum para válvulas gaveta:

RESERVADO

64

Alta Competência

Funcionamento interno

Vista externa da válvula

Válvulas de manobra• : são válvulas utilizadas para alinhamento de tanques. Em alguns casos - no carregamento de navios, por exemplo - podem possuir aberturas proporcionais às operações.

RESERVADO


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Nas ilustrações a seguir, verifica-se dois cilindros de ação simples, conectados a um mesmo eixo, cumprindo a função de cilindro de dupla ação. Uma cremalheira transforma o movimento linear do eixo em movimento rotativo para a válvula. Esse tipo de montagem é comum para válvulas do tipo esfera ou borboleta. Nesse tipo de válvula, quando há falta de energia, a válvula é mantida na última posição.

Válvula de manobra - vista externa

Válvula de manobra - funcionamento

Válvulas de bloqueio• : constituem o tipo mais simples de válvula e nada diferem das utilizadas em processo, por exemplo. As válvulas de bloqueio em circuitos hidráulicos, na maioria das vezes, são atuadas manualmente e têm por objetivo isolar determinadas partes do circuito, por razões operacionais ou de manutenção. A maioria das válvulas de bloqueio utilizadas em circuitos hidráulicos é do tipo esfera ou plug. Alguns também consideram a válvula de bloqueio como direcional. Sua simbologia em circuito hidráulico, na maioria das vezes, segue a simbologia usual de válvula:

RESERVADO

66

Alta Competência

Simbologia usual:

Simbologia como válvula direcional:

A

P

Válvulas de retenção• : também chamadas de check valves, em circuitos hidráulicos têm a função de bloquear a passagem de fluido em um sentido e permitir passagem livre no outro. A ilustração a seguir mostra uma válvula de retenção simples, na qual o elemento de retenção é um assento móvel (plug) pressionado contra uma sede, por mola.

Assento móvel Mola

Funcionamento

Simbologia

Válvulas limitadoras de pressão diretamente operadas: • são válvulas baseadas no equilíbrio de forças sobre um plug. Enquanto a força da mola for maior do que a força gerada pela pressão interna do sistema sobre a área do plug, a válvula permanece fechada e a pressão interna é mantida. A partir do momento em que a pressão interna gerar força superior à da mola, o plug é deslocado e a válvula abre, ocasionando alívio da pressão. Normalmente, como apresentado na ilustração a seguir, existe um ajuste na tensão da mola de forma a variar o set-point (ponto de ajuste) de abertura da válvula.

RESERVADO


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P

T

Simbologia

T

AP

1

2

3

1 - Plug2 - Mola3 - Passagem de alívio do fluidoP - Pressão A - AtuaçãoT - Tanque ou reservatório de retorno do fluido

P

A

6

2

1

54

3

1 - Corpo da válvula2 - Castelo da válvula(parte externa)3 - Mola4 - Parafuso de ajuste5 - Plug6 - Assentamento do plug

RESERVADO

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Alta Competência

As válvulas limitadoras de pressão são normalmente utilizadas como válvulas de segurança (PSV – Pressure Safety Valves), de forma a evitar que defeitos no sistema ou erros operacionais acabem por provocar ruptura de conexões, tubulações ou vasos, o que pode causar graves acidentes.

Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas• : apesar de não serem muito usadas na maioria dos circuitos hidráulicos convencionais, são utilizadas principalmente dentro do E&P, em unidades hidráulicas para comando de poços e para sistemas de carregamento e lastro em plataformas offshore. Nesses casos, deseja-se pressão constante com vazões variáveis, para as quais as válvulas reguladoras de pressão são fundamentais. Essas válvulas são, em verdade, válvulas redutoras ou limitadoras de pressão. A diferença é que trabalham a maior parte do tempo abertas. Esse tipo de válvula necessita, em geral, de dreno para tanque, para alívio de pequenas câmaras internas da válvula, permitindo um funcionamento adequado.

As válvulas reguladoras só permitem vazão em um sentido. Caso se queira sentido inverso de vazão, deve-se associar uma válvula de retenção com sentido de fluxo inverso ao da válvula.

P A

Simbologia

Na maioria das vezes, essas válvulas são pilotadas para reduzir o tamanho da mola necessária para equilibrar a alta pressão de trabalho.

RESERVADO


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Válvulas controladoras de vazão• : são válvulas cuja função é reduzir a vazão em determinados ramos do circuito hidráulico, de forma ajustável. São, em geral, válvulas do tipo agulha, e são bastante utilizadas quando se deseja regular o tempo de abertura de excursão de um cilindro, evitando “pancadas” nas extremidades. Essas válvulas atuam pelo ajuste do orifício de restrição que introduzem na linha.

Válvula controladora de vazão e simbologia

Válvulas direcionais hidráulicas• : constituídas por um corpo com passagens internas, que são conectadas ou desconectadas, conforme a posição de suas partes móveis. Possuem esse nome porque o seu objetivo é direcionar a vazão do fluido ou a pressão de acionamento para um ou mais caminhos.

Simbologia e identificação das válvulas direcionais hidráulicas: as válvulas direcionais são identificadas nos circuitos hidráulicos por meio de símbolos gráficos, cujas características mais importantes a serem representadas são o número de posições, o número de vias, a posição normal da válvula e a forma de atuação.

Número de posições: as válvulas são representadas por quadrados unidos. O número de quadrados unidos indica a quantidade de posições ou manobras distintas que a válvula pode assumir:

RESERVADO

70

Alta Competência

02 Posições 03 Posições

Número de vias: corresponde ao número de conexões úteis que uma válvula pode assumir:

02 Vias 03 Vias 04 Vias

As vias podem ser de passagem ou de bloqueio . Assim, nos quadrados, encontram-se vias de passagem de bloqueio e suas combinações.

Passagem Bloqueio Ambas Ambas

É importante observar que o número de quadrados pode ser variável, mas o número de vias expostas em cada um deve ser o mesmo em cada válvula:

Posição normal da válvula: corresponde à posição dos internos da válvula em situação de repouso ou não operada. Essa posição, normalmente, é garantida por força de mola. Em alguns casos, essa posição é indiferente e garantida por um travamento hidráulico. Na posição normal das válvulas indicam-se as suas vias de acionamento.

Principais tipos de válvulas direcionais: existe uma infinidade de tipos de válvulas direcionais. As mais comuns e aplicáveis ao E&P serão vistas a seguir:

RESERVADO


71

2 vias / 2 posições

É o tipo mais simples de válvula, equivalente à uma válvula de bloqueio simples.

A

P


É o tipo utilizado em acionamentos hidráulicos de válvulas com atuadores de retorno por mola (SDVs, BDVs, ADVs etc.). Na posição de repouso, o atuador (pórtico A) fica alinhado para tanque (pórtico T), enquanto o sistema de pressão (pórtico P) está bloqueado. Quando atuada, alinha o pórtico P com o A, enviando fluido pressurizado para o atuador. Nesse caso, o pórtico de retorno a tanque (T) fica bloqueado.

A

P T


É o tipo utilizado em acionamentos hidráulicos de válvulas com atuadores de dupla ação (válvulas de alinhamento – XVs). Supondo que os pórticos A e B estejam conectados às câmaras de ambos os lados de um atuador, ela alterna os alinhamentos de pressão e retorno, abrindo ou fechando a válvula comandada.

A

P T

B

RESERVADO

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Alta Competência


É utilizada no acionamento hidráulico de válvulas com atuadores de dupla ação (válvulas de alinhamento – XVs), em que se pretende manter a válvula acionada aberta em posições intermediárias (20%, 30%, 50% etc.). Funciona de forma parecida com a anterior. Entretanto, na posição central de repouso, bloqueia todos os pórticos, garantindo que a pressão fique “trapeada” e a válvula acionada permaneça na posição.

A B

P T

• Tipo de acionamento para válvulas direcionais

O tipo de acionamento define a função da válvula no circuito. Existem muitas formas de acionar uma válvula direcional. O acionamento pode ser manual, mecânico, pneumático, hidráulico ou elétrico (em geral por solenóide). Serão apresentadas, aqui, apenas aquelas mais utilizadas nos circuitos aplicados a comandos hidráulicos dentro do E&P:

Mola

Solenóide

Piloto ou atuador Hidráulico

Mola

Solenóide

Piloto ou atuador hidráulico

RESERVADO


73

Exemplos:

Válvula atuada por solenóide e retorno por mola para a posição central:

Válvula hidraulicamente operada, com retorno por mola à posição central:

Válvula pilotada, atuada por solenóide, com retorno por mola à posição central:

2.2.4. Acumuladores hidráulicos

Os acumuladores hidráulicos são vasos de pressão que têm por finalidade manter a pressurização do sistema dentro dos limites para o qual foi calculado, mesmo quando há algumas perdas de fluido. Pode-se dizer, na prática, que os acumuladores “armazenam pressão hidráulica”.

a) Tipos de acumuladores

Existem diferentes tipos de acumuladores, como os ilustrados a seguir. O mais usado será também descrito:

RESERVADO

74

Alta Competência

Pesos

PistãoA pressão é o quociente

do pesopela área do pistão

Mola

Pressão = forçada mola dividida

pela área do pistão

Pistão

Abertra de saída

Gás

Esta base de metal evita a

extrusão dabolsa

Peso Mola Pistão Diafragma

Acumuladores de bexiga• : de todos os acumuladores, o tipo mais usado nas aplicações do E&P é o tipo bexiga. Esse tipo de acumulador é composto por uma bexiga de borracha sintética dentro de uma carcaça de metal. A bexiga deve estar cheia de gás comprimido, que em geral é nitrogênio. Uma válvula do tipo assento, localizada no fundo, fecha o orifício de saída sempre que o acumulador estiver completamente vazio.

Tubulação

Acumulador de bexiga

b) Modos de expansão de um gás

Há três formas possíveis de expandir ou comprimir um gás:

Isotérmica;•

Isobárica;•

Adiabática. •

RESERVADO


75

Na primeira, a temperatura do gás é mantida constante. Na segunda, a pressão é mantida constante, e na terceira, o calor do sistema é armazenado no fluido. É preciso conhecer as principais características da compressão isotérmica e da adiabática, pois são as mais importantes:

Características da compressão isotérmica

Características da compressão adiabática

Compressão lenta Ocupa maior espaço na compressão

Ocupa menor espaço na compressão Compressão rápida

No enchimento armazena mais fluido No enchimento armazena menos fluido

No esvaziamento descarrega mais fluido No esvaziamento descarrega menos fluido

Expandido isotermicamente ocupa mais volume

Expandido adiabaticamente ocupa menos volume (espaço).

Nas ilustrações a seguir observa-se a representação da compressão e da expansão isotérmica e isobárica:

Gás Gás Gás

Gás comprimido Gás expandidoadicabaticamente auma dada pressão

Gás expandidoisotermicamente

à mesma pressão

RESERVADO

76

Alta Competência

Na prática, os acumuladores de bexiga ou hidro-pneumáticos, operam entre as duas condições: isotérmica e adiabática.

c) Dimensionamento do acumulador

Por ser o mais comumente utilizado em unidades operacionais do E&P, considera-se apenas o dimensionamento dos acumuladores de bexiga. A mesma idéia pode ser aplicada aos demais.

É preciso definir alguns termos e conceitos importantes para a compreensão da funcionalidade do acumulador e também do processo de cálculo.

Pré-carga de um acumulador• : a pressão do gás dentro da bexiga, enquanto o acumulador está completamente vazio de fluido, é chamada pressão de pré-carga. A pressão de pré-carga é determinada em função da pressão do sistema e do volume retido no acumulador.

Volume útil• : é o volume entregue ao circuito enquanto o acumulador excursiona entre as pressões máxima e mínima estabelecidas em projeto. Para dimensionar um acumulador, é necessário definir alguns parâmetros:

Volume útil = ∆V = V3 – V2Pressão máxima e mínima (P2 e P3)

Pressão de pré-carga (P1)

RESERVADO


77

ATENÇÃO

(P1, V1) = pressão de pré-carga associada à expansão máxima da bexiga, correspondente ao volume total do acumulador que se pretende calcular. Normalmente determinada como 90% da pressão mínima de operação (P2).

(P2, V2) = pressão mínima de operação com volume máximo de expansão da bexiga em operação.

(P3, V3) = pressão máxima de operação com volume mínimo de contração da bexiga em operação.

Cálculo do acumulador• : calcular o acumulador resume-se em determinar seu volume total ou do banco de acumuladores (V1), o que vai, indiretamente, determinar o número de garrafas do banco.

Para o cálculo, supõe-se que a bexiga é contraída de V1 até V3 de forma isotérmica, e expandida de forma adiabática de V3 até V2. Com isso, forma-se o sistema de equações abaixo, através do qual se determinam as variáveis V1, V2 e V3:

V3 = P1.V1/P3V2 = (P3 x (V3**n)/P2)**1/n

∆V = V3 – V2

Onde n é a constante adiabática, usualmente arbitrada em 1,4.

d) Cuidados operacionais

Os principais cuidados com o acumulador, no que diz respeito à operação, são a verificação da integridade da bexiga e reposição periódica da pré-carga.

RESERVADO

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Alta Competência

Para isso, cada acumulador deve ser isolado do banco, drenado e, então, a pressão deve ser verificada através do manômetro existente no topo. É importante observar que somente depois de drenado o acumulador, a pressão no topo corresponde à de pré-carga. Se estiver fora do valor especificado, deverá ser completada com nitrogênio. Após drenado, se a pressão do acumulador cair a zero, essa é uma indicação quase absoluta de ruptura da bexiga, requerendo a abertura do mesmo para verificação de sua integridade e devida substituição.

e) Exemplo de circuito com acumulador

Veja, a seguir, um exemplo de circuito com acumulador:

M

Veja observaçõessobre segurança

Mantendo a pressãodo sistema

Circuito com acumulador

RESERVADO


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2.2.5. Fluidos e circuitos hidráulicos

O fluido hidráulico é a alma, o elemento vital nos circuitos hidráulicos industriais. Ele é o meio de transmissão de energia para a realização do trabalho pretendido. Além disso, assume outras funções no circuito, tais como lubrificante, elemento de vedação e refrigerante, transferindo o calor gerado no sistema.

No mercado, existe disponível uma enorme variedade de fluidos hidráulicos para atender às mais variadas aplicações, desde o acionamento de “munks” em caminhões até o acionamento de válvulas em árvores de natal submarinas (ANM).

As principais características que precisam ser observadas em um fluido hidráulico são:

Viscosidade• : a viscosidade do fluido garante a lubricidade para as partes móveis e a vedação. Além disso, fluidos com alta viscosidade são mais estáveis às variações de temperatura e são, portanto, adequados a circuitos em que é gerado muito calor. Por outro lado, a viscosidade oferece resistência à vazão e, portanto, os circuitos que precisam transmitir força hidráulica a grandes distâncias devem utilizar fluidos com baixa viscosidade;

Inibição de corrosão• : o óleo está sujeito a absorver oxigênio do ar. Essa característica pode ser intensificada pela presença de resíduos metálicos e temperaturas altas. O oxigênio é circulado pelo óleo e pode atacar as superfícies metálicas, além de reagir quimicamente com o óleo, formando ácidos e ainda aumentando a viscosidade. Dessa forma, aditivos inibidores de corrosão são importantes e visam formar uma película nas superfícies metálicas que os isolam do oxigênio e possíveis ácidos que venham a se formar;

Aditivos antidesgastes• : protegem pontos do circuito sujeitos a altas pressões e temperaturas, como pontas das palhetas de bombas ou motores, contra desgastes prematuros;

RESERVADO

80

Alta Competência

Antiespumantes• : são aditivos que impedem a formação de espuma, ou seja, aglomerados de bolhas de ar que são transportados no circuito e baixam a capacidade de lubrificação do óleo e ainda absorvem energia gerada na compressão, além de outros distúrbios;

Proteção antichama• : um dos inconvenientes do fluido à base de óleo é ser inflamável, uma vez que é um derivado do petróleo. Dessa forma, cuidados devem ser tomados com a sua temperatura, principalmente no retorno ao tanque, quando irá entrar em contato com o oxigênio do ar. Quando esse for o caso, trocadores de calor devem ser utilizados no retorno do fluido ao tanque. Também não deve ser utilizado em ambientes sujeitos à exposição direta a chamas. Uma forma de fugir desse inconveniente é usar o fluido à base de água.

a) Tipos de fluidos

Dois tipos básicos de fluidos estão disponíveis. O mais comum é o baseado em óleo mineral. O outro tipo, muito utilizado, principalmente no E&P, é o fluido à base de água.

Fluido• à base de óleo mineral: esse fluido é, em sua essência, um óleo derivado do petróleo, acrescido de diversos aditivos que visam dar ao óleo as características apropriadas ao circuito a que se destina;

Fluido• à base de água: o fluido à base de água é uma mistura de água com glicol em percentagens que variam de acordo com a situação. Normalmente, o glicol entra com 25% a 40% na composição e o seu objetivo principal é servir de anti-congelante e melhorar as características lubrificantes do fluido, considerando que a viscosidade da água, em si, é muito baixa. Aditivos são necessários também, conforme descritos acima, além de outros como biocidas, uma vez que a água permite o crescimento de microorganismos, principalmente bactérias.

RESERVADO


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O fluido à base de água é largamente utilizado no E&P para comando de sistemas submarinos, por uma série de fatores, a saber:

Baixa viscosidade, o que permite a transmissão da energia • hidráulica a grandes distâncias;

Densidade do • fluido semelhante à da água do mar, evitando diferenças de pressão por causa das diferentes densidades das colunas de líquidos. Lembre que algumas ANMs (árvores de natal molhadas) estão localizadas a quase 2.000 metros de profundidade, onde só a coluna d’água corresponde a 200 bar;

Tolerância a contaminações por água do mar. No caso dos • óleos minerais, a contaminação por água do mar, além de formar emulsões que alteram as características do fluido, ainda proporcionam o crescimento biológico que pode bloquear a passagem do fluido e, portanto, a transmissão da pressão.

A desvantagem dos fluidos à base de água diz respeito também à sua baixa lubricidade e maior absorção de oxigênio, o que requer componentes especiais no circuito, resistentes à corrosão e ao desgaste.

b) Limpeza do fluido

Todos os fluidos possuem impurezas em suspensão. Entretanto, a quantidade dessas impurezas e principalmente o tamanho das partículas sólidas em suspensão pode ser fatal para o bom funcionamento do sistema.

Conforme dito anteriormente, o fluido hidráulico tem por finalidade transmitir potência hidráulica, lubrificar partes móveis, transferir calor e vedar folgas entre algumas partes móveis. No entanto, impurezas presentes no fluido podem impedir a realização dessas funções, uma vez que:

Obstruem a passagem do • fluido – alguns pilotos de válvulas possuem internos com passagens de alguns décimos de milímetro;

RESERVADO

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Alta Competência

Provocam a abrasão das partes móveis;•

Alteram as características físico-químicas do • fluido, diminuindo sua capacidade de retirar calor do sistema, além de formar depósitos que dificultam as trocas de calor.

Sendo assim, tanto a qualificação do fluido usado quanto a utilização de filtros no circuito são medidas fundamentais para o bom funcionamento e a preservação da vida útil do sistema hidráulico.

c) Reservatório de fluido

O reservatório do fluido precisa, pelo menos, ser dotado de uma “chicana” ou placa defletora, a fim de evitar que o fluido, ao retornar, encontre um caminho preferencial direto para a sucção de volta para o circuito, de forma a depositar arrastes e dissipar calor residual.

Chicana

Nas unidades hidráulicas utilizadas para acionamento de ANMs, normalmente divide-se o reservatório em duas câmaras absolutamente independentes, às quais são denominadas de “retorno” e supply (suprimento). O fluido que retorna do circuito é direcionado ao reservatório de retorno. Uma bomba específica faz o fluido recircular, através de um filtro. Amostras são tiradas do fluido e é verificado o seu grau de limpeza em comparação com padrões (norma NAS -1638 - Cleanliness requirements of parts used in hydraulic systems - Requisitos de limpeza de peças utilizadas em sistemas hidráulicos - em geral é adotada a classe 6). Quando a classe de limpeza é atingida, o fluido é transferido, então, para o reservatório de supply. Esse procedimento garante a qualidade do fluido no circuito hidráulico.

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Exemplo de circuito hidráulico

d) Tubulações e conexões

É necessário verificar os tipos mais comuns de tubos e conexões utilizados em circuitos hidráulicos disponíveis no mercado.

Tipos de tubos• : os tubos são escolhidos por várias características, dentre as quais as mais importantes são: diâmetro nominal, material, classe de pressão e característica construtiva (com ou sem costura).

Essas características estão normalmente especificadas de forma inseparável em tabelas. A norma Petrobras N-1931 (Material de tubulação para instrumentação) estabelece alguns padrões para tubos utilizados em instrumentação, que podem também ser aproveitados para os circuitos hidráulicos.

Diâmetro nominal e classe de pressão• : a escolha do diâmetro nominal segue padrões métricos (em milímetros) ou ingleses, em polegadas, que são os mais comuns. Os diâmetros mais utilizados são os de 3/8”, 1/2”, 3/4”, 1”, 1¼”, 1½”, 2” etc. Geralmente (há exceções) o diâmetro nominal equivale ao diâmetro externo do duto. A espessura de parede é determinada em função da classe de pressão do tubo e impacta no diâmetro interno do tubo. Dessa forma, dependendo da utilização pretendida, deve-se atentar o real diâmetro interno do tubo escolhido.

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Alta Competência

A classe de pressão para os tubos diz respeito à pressão máxima de operação. Normalmente, é estabelecida em psi (libras por polegada quadrada) ou também em bar. As mais comuns são 150 psi, 600 psi, 1.500 psi, 3.000 psi e 5.000 psi, porém, existem muitas outras padronizadas.

Existem duas outras especificações, em termos de pressão, que não devem ser confundidas com a classe acima. São elas:

• Pressão de teste: é a pressão de teste hidrostático. Normalmente, corresponde a 1,5 vezes à pressão máxima de operação;

• Pressão de ruptura: é a menor pressão capaz de romper o tubo.

Além disso, muitas vezes, é estabelecido também um fator de segurança (ex: 1/3) que representa a relação entre a pressão de teste e a pressão de ruptura do tubo.

Materiais• : existem muitos materiais disponíveis no mercado, entretanto, o mais comumente utilizado nos circuitos hidráulicos de unidades offshore é o aço inox AISI-316L. O aço carbono é utilizado em alguns casos de menor responsabilidade, mas exclusivamente em circuitos nos quais o fluido hidráulico é o óleo mineral.

Características construtivas: •

• Tubos com costura: é chamada de costura a solda para fechamento do tubo feita a partir da calandragem de chapa.

Esse é o tipo mais comum e mais barato de tubo, mas, por outro lado, o mais susceptível a rupturas por falhas na solda.

As costuras podem ser longitudinais – quando seguem a direção do eixo do tubo – ou helicoidais – quando formam um helicóide em torno do eixo do tubo. Este é um pouco mais resistente do que o longitudinal.

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• Tubos sem costura: são fabricados de uma peça única e sem emendas ou soldas. São, portanto, mais resistentes a rupturas. Em circuitos hidráulicos, pneumáticos e também para linhas de impulso usadas offshore, são utilizados apenas tubos sem costura.

Tipos de conexões• : existe uma variedade enorme de conexões, como as curvas, joelhos, tês, nipples, luvas etc. que podem ser identificadas nos catálogos dos fabricantes.

É importante, entretanto, avaliar as formas como essas conexões são fixadas aos tubos e entre si, que podem ser: soldadas, roscadas e roscadas/anilhadas.

• Conexões soldadas: há dois tipos a serem considerados.

De topo: a solda é feita como em qualquer tubulação:

Soquete: o tubo é encaixado na conexão que recebe a solda por fora:

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Alta Competência

• Roscadas: esse tipo de conexão normalmente é o mais usado em tubos de maiores diâmetros, em função da necessidade de abertura de rosca nos tubos:

• Roscada/anilhada: cada fabricante define um formato diferente de anilha, que pode ser simples ou dupla (mostrada na ilustração a seguir). O princípio de fixação é parecido entre eles. A idéia é que a anilha se deforme junto com o tubo, formando um engaste entre eles provendo um tipo de vedação metal-metal. Esse tipo de conexão é o mais utilizado para as terminações dos tubos, pela facilidade e confiabilidade das vedações.

Anilha traseira

Ponto de encunhamento

Porca

Anilha frontal

Corpo de conexão

Tubo

2.3. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos

As normas internacionais para a simbologia de componentes não distingue sistemas hidráulicos de pneumáticos, ou seja, a simbologia é a mesma para os dois tipos de circuitos. A simbologia utilizada tem por base a norma ISO 1912 – “Fluid power systems and components – graphic symbols and circuit diagrams” (Potência dos fluidos, sistemas e componentes – símbolos gráficos e diagramas de circuito).

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2.4. Principais cuidados na manutenção

Cada aplicação ou tipo de HPU corresponderá um diferente conjunto de defeitos, também característico. Entretanto, alguns podem ser considerados genéricos. Alguns desses serão tratados a seguir, além de outros, usuais nas HPUs de comando de poços utilizados em UEPs offshore.

2.4.1. Vazamentos

O vazamento pode ser considerado o defeito mais comum e presente nas unidades hidráulicas. Ocorre tanto internamente, nas válvulas (reguladoras, de segurança etc.) ocasionando retorno do fluido para o reservatório, quanto externamente, principalmente nas conexões hidráulicas, por falha de vedação, causando perda do fluido.

2.4.2. Desgaste de bomba pneumática

Uma conseqüência imediata dos vazamentos é o desgaste prematuro das bombas com acionamento pneumático. Essas bombas normalmente são utilizadas para repor as pequenas perdas do sistema. Os vazamentos constantes fazem com que elas operem freqüentemente ou continuamente, o que ocasiona o seu desgaste prematuro. É recomendável, portanto, observar o comportamento dessas bombas. Se elas estiverem operando dessa forma, é sinal de vazamento no sistema.

2.4.3. Perda de pressão de pré-carga nos acumuladores

A perda de pressão de pré-carga nos acumuladores pode ocorrer por duas razões:

a) Vazamento no circuito de nitrogênio (topo dos acumuladores)

Nesse caso, deverá ser feito o reparo no vazamento, despressurizado o acumulador e refeita a recarga.

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Alta Competência

b) Ruptura da bexiga

Nesse caso, deve-se despressurizar o acumulador, substituir a bexiga e refazer a pré-carga.

ATENÇÃO

É importante lembrar que, ao fazer teste de pressão dos acumuladores (1,5 vezes a pressão máxima), estes devem estar sem as bexigas.

2.4.4. Emperramento das válvulas direcionais hidráulicas

O emperramento das válvulas direcionais hidráulicas ocorre, geralmente, por conta de contaminação do fluido que entope as passagens micrométricas dos pilotos das válvulas. Nesse caso, as válvulas devem ser isoladas, retiradas e desmontadas para limpeza.

Cuidados especiais devem ser tomados pois essas válvulas possuem normalmente componentes muito pequenos, alguns deles com dimensões calibradas em laboratório para aquela válvula específica. Portanto, o desmonte deve ser feito preferencialmente pelo fabricante ou em caso de impossibilidade, em bancada, para garantir que cada componente retorne à sua posição original. De qualquer forma, a experiência tem mostrado que jamais deve ser delegada a manutenção dessas válvulas a terceiros, por mais que se digam habilitados.

2.5. Cuidados nas instalações e partidas de unidades hidráulicas

As tarefas de instalar, comissionar e partir as unidades hidráulicas são delegadas aos seus fornecedores. Entretanto, cabe à Petrobras a tarefa de fiscalizar os serviços, o que requer algum conhecimento quanto ao que exigir desses prestadores de serviços.

RESERVADO


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É sempre bom lembrar que, em tarefas desse tipo, você estará lidando com altas pressões hidráulicas e altas tensões elétricas.

É preciso estar bastante consciente dos procedimentos adequados, de forma a evitar acidentes, que podem ser fatais.

ImpOrTANTE!

2.5.1. Retirada da embalagem e inspeção visual

Quanto à retirada da embalagem, deverão ser seguidas as recomendações do fabricante responsável pelo empacotamento adequado para viagem até o local de instalação.

Cumprida essa etapa, deverá ser conduzida uma inspeção visual, de forma a detectar possíveis danos ocorridos durante o transporte até o local de instalação, incluindo, mas não se limitando a:

Verificar danos a pinturas;•

Retirar possíveis pacotes de “sílica gel” colocados nas caixas • de junção;

Verificar o estado das manoplas de válvulas e mostradores de • manômetros e transmissores;

Verificar a integridade das fixações de acumuladores, bombas, • filtros e demais equipamentos pesados que possam ter sido afrouxadas devido à vibração durante o transporte;

Verificar a integridade das linhas, mangueiras e conexões • hidráulicas;

Verificar se toda a • HPU está despressurizada.

RESERVADO

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Alta Competência

2.5.2. Colocação da unidade na base

Para a colocação da HPU em sua base, deverão ser utilizados os olhais de içamento e observadas as recomendações do fabricante quanto à fixação e aos ângulos das lingadas.

É necessário fixar a HPU à sua base (por solda ou parafusos, conforme o projeto), não esquecendo de conectar o rabicho de aterramento.

2.5.3. Pré-partida do sistema hidráulico

Antes do Comissionamento da Unidade deverão ser observadas, pelo menos, as seguintes recomendações quanto ao sistema hidráulico da HPU:

Verificar se a unidade foi fornecida limpa até a classe 6 da • NAS-1638 - Cleanliness requirements of parts used in hydraulic systems (Requisitos de limpeza de peças utilizadas em sistemas hidráulicos);

Certificar-se de que todo o sistema esteja realmente • despressurizado;

Verificar se todas as linhas a serem conectadas à unidade • hidráulica também foram flusheadas até a classe 6 de limpeza;

Colocar todas as válvulas nas posições seguras (fechada ou • eventualmente aberta), conforme indicado no P&Id;

Verificar se todos os • caps das terminações dos bulkheads estão apertados. Nem todas serão interligadas imediatamente e um cap frouxo pode causar acidente;

Verificar os • set-points de todos os pressostatos e PSVs.

RESERVADO


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2.5.4. Pré-partida do sistema elétrico

Antes do Comissionamento da Unidade deverão ser observadas, pelo menos, as seguintes recomendações quanto ao sistema elétrico da HPU:

Verificar se os parafusos dos terminais de fixação dos cabos • elétricos nos motores, starters, caixas de junção etc. estão devidamente apertados. Eles podem ter afrouxado no transporte;

Verificar se os disjuntores no painel elétrico onde a • HPU será conectada estão desligados;

Verificar se todas as chaves de comando estão na posição• off.

2.5.5. Partida da unidade

Antes da partida da unidade, deverão ser observadas, pelo menos, as seguintes recomendações:

Completar o tanque de retorno da • HPU com fluido hidráulico na quantidade e especificação adequados;

Ainda que tenha sido fornecido limpo, o • fluido deve ser recirculado (quando houver recursos para tal) e verificado o grau de limpeza antes de transferido para o reservatório de suprimento;

Dar pré-carga com nitrogênio nos acumuladores hidráulicos e • amortecedores de pulsação da unidade;

Recircular o • fluido, verificar sua limpeza e transferir para o reservatório de suprimento.

RESERVADO

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Alta Competência

ATENÇÃO

Ao iniciar a primeira pressurização da unidade, é recomendável fazê-lo por degraus de pressão e observar possíveis vazamentos. É recomendável, também, que durante o processo seja mantida distância de segurança do sistema hidráulico.

2.5.6. Flushing (limpeza) das linhas

Além dos componentes hidráulicos, existem também as linhas que compõem o sistema, as quais são dobradas, cortadas e anilhadas nas oficinas do montador da unidade. Mesmo que fossem fornecidas já limpas, certamente seriam alvo de contaminação durante o processo de montagem. Isso implica que elas precisam ser limpas antes de receber o fluido hidráulico de operação, para não contaminá-lo.

Normalmente, o flushing é feito pela circulação de um fluido através da linha com alto número de Reynolds (fluxo turbulento), de forma a arrastar partículas que estejam aderidas às paredes. Isso é feito com uma unidade hidráulica apropriada, utilizando o mesmo tipo de fluido de operação ou um fluido específico para limpeza, mas compatível com o fluido de operação.

O fluido que retorna da linha é filtrado através de um elemento de 3 microns, no caso das HPUs utilizadas em acionamento de ANMs. A cada intervalo de tempo pré-estabelecido, o fluido é amostrado e verificado o grau da limpeza que retorna do tubing sob flushing.

2.6. Limpeza de sistemas hidráulicos

O flushing aplicado ao sistema hidráulico antes da operação não encerra o processo de limpeza do fluido. O cuidado com a limpeza permanece, e dois dispositivos são utilizados para garantir o controle dos níveis de impurezas no fluido circulante:

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A colocação de um filtro a jusante da bomba de potência • hidráulica para filtragem do fluido injetado no circuito;

Divisão do reservatório em duas partes, de modo a constituir • um reservatório de retorno e um reservatório de suprimento.

O reservatório de retorno recebe o fluido proveniente do circuito, que pode estar trazendo contaminação. Uma bomba especial de recirculação faz o fluido recircular em um filtro. A cada intervalo de tempo, uma amostra é retirada do fluido para análise de limpeza. Somente depois de atingida a classe desejada, o fluido é transferido para o reservatório de suprimento. Este, por sua vez, alimenta o circuito.

Em razão das pequenas passagens existentes entre as válvulas direcionais e também por causa do uso de fluidos à base de água, mais sujeitos à contaminação por microorganismos, a questão da limpeza do fluido é fundamental para o bom funcionamento do circuito. Dessa forma, a necessidade de limpeza no circuito é atendida de diversas formas, desde a compra dos componentes até a operação do circuito.

2.6.1. Análise da limpeza do fluido

Há mais de uma forma de se avaliar a limpeza do fluido. No caso de sistemas offshore, principalmente utilizando fluidos à base de água, a forma mais comum é através de microscópio.

O método consiste em retirar, com uma seringa especial, um volume predeterminado de fluido (em geral 200ml) e fazer com que esse fluido passe através de um filtro especial, padronizado e absolutamente limpo. O filtro é colocado em um microscópio e sua imagem é comparada a outros filtros-padrões, com imagens típicas de cada classe estabelecida em norma.

RESERVADO

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Alta Competência

2.6.2. Norma de limpeza

A norma de limpeza para fluidos adotada pela Petrobras é a NAS-1638 - Cleanliness requirements of parts used in hydraulic systems (Requisitos de limpeza de peças utilizadas em sistemas hidráulicos). Essa norma estabelece o número máximo de partículas de diversos tamanhos que podem estar presentes em cada uma das classes.

A norma define 12 classes diferentes de limpeza, de acordo com a quantidade de partículas encontradas em amostra do fluido, que é analisada em microscópio e comparada com um padrão, de forma a ser determinada a sua classe de limpeza.

Normalmente, a classe 6 é adotada para os circuitos hidráulicos, ou seja, os componentes como válvulas, bombas, fluido etc. são comprados com a exigência de serem entregues limpos até essa classe. Entretanto, na especificação dos componentes, é exigido que eles sejam tolerantes até a classe 12 de limpeza, de forma a garantir o funcionamento dos circuitos hidráulicos, mesmo que alguma contaminação esteja presente.

Para novos projetos, a NAS-1638 foi substituída pela SAE-AS4059 - Aerospace fluid power - Cleanliness classification for hydraulic fluids (Potência dos fluidos aeroespaciais - classificação de limpeza para fluidos hidráulicos), que possui praticamente o mesmo conteúdo.

2.6.3. Técnicas de montagem e desmontagem

A manutenção de sistemas hidráulicos muitas vezes requer mão de obra qualificada e especializada, principalmente quando envolve válvulas direcionais hidráulicas. Muitos componentes hidráulicos possuem componentes pequenos, com dimensões parecidas, o que requer bastante cuidado para retornar ao seu lugar específico.

O material de cada componente também é fundamental. Dessa forma, é sempre prudente que a manutenção seja delegada ao fabricante.

Os cuidados, nessa etapa, são semelhantes aos das unidades hidráulicas ao tratar dos cuidados na partida e comissionamento da unidade.

RESERVADO


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2.6.4. Alguns cuidados na manutenção

De início, a primeira providência deve ser bloquear o trecho em manutenção e despressurizá-lo, garantindo-se contra qualquer possível acidente.

É preciso lembrar do fato que se está lidando com pressões altíssimas, mantidas por acumuladores.

Deve-se utilizar ferramentas adequadas, de forma a evitar a deformação das roscas das conexões.

Substituir, sempre que possível, as anilhas antes da remontagem.

Recomenda-se evitar ao máximo desmontar válvulas direcionais hidráulicas. Caso seja inevitável, faça uma “vista explodida” com as peças (como exemplo, veja a ilustração a seguir), de forma a garantir que cada uma retorne ao seu lugar original e na mesma posição. Jamais suponha que uma peça possa ser substituída por similar ou até por outra retirada de outra válvula. Muitas dessas peças são “calibradas” para aquela situação específica e não podem ser substituídas, a não ser em laboratório, pelo fabricante.

Principalmente em circuitos com fluidos à base de água, nunca use graxa nas roscas das conexões.

O vazamento pode ser considerado o defeito mais comum e presente nas unidades hidráulicas.

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Alta Competência

Vista expandida de bomba

É importante reforçar que a manutenção de sistemas hidráulicos (principalmente a bordo de unidades offshore) deve ser evitada ao máximo. O sistema foi limpo e a abertura do circuito pode ocasionar a contaminação do fluido.

Na maioria das vezes, não se conta com uma unidade de flushing para a descontaminação necessária. Além disso, a abertura das linhas hidráulicas permite o ingresso de ar no sistema, o que nem sempre é simples de retirar.

RESERVADO


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1) A força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é grandeza vetorial.

Analisando a frase acima, responda:

a) Por que a força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é considerada uma grandeza vetorial?

___________________________________________________________

b) Qual a definição física de força?

______________________________________________________________________________________________________________________

c) Qual a definição física de pressão?

______________________________________________________________________________________________________________________

2) Marque (V) verdadeiro ou (F) falso nas seguintes afirmativas:

( ) Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas são constituídas por um corpo com passagens internas interligadas ou bloqueadas conforme a posição de suas partes móveis.

( ) A bomba de engrenagem consiste em um sistema de duas engrenagens que giram em direções opostas dentro de uma caixa e encaminham o óleo lateralmente, através do espaço entre os dentes e a parede da caixa.

( ) Nas bombas hidrodinâmicas, o fechamento total da saída de fluido pode ser desastroso, porque proporciona o aumento da pressão sem limite, até a ruptura de partes internas ou até da carcaça da própria bomba.

( ) Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo são as de pistão e as de engrenagem.

( ) Os defeitos mais freqüentes em sistemas hidráulicos são vazamentos hidráulicos, desgaste em bombas, perda de pré-carga nos acumuladores e emperramento de válvulas direcionais hidráulicas.

2.7. Exercícios

RESERVADO

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Alta Competência

3) Preencha a segunda coluna de acordo com os tipos de falhas mais freqüentes da primeira.

( A ) Cavitação ( ) Pode haver admissão de ar na câmara de sucção, caso haja pressão abaixo da pres-são atmosférica.

( ) As pressões absolutas ficam abaixo da pressão de vapor de fluido uma vez que a sucção da bomba ocasiona um vácuo relativo.

( B ) Aeração

( ) O ruído e a vibração ocasionados pelas ondas de choque, são sinais característi-cos desse problema.

( ) Como fenômeno, não tem nada a ver com a pressão de vapor do fluido.

RESERVADO


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4) Complete as afirmações a seguir com um dos processos referentes a sistemas hidráulicos, a saber:

• Montagem do sistema;

• Pré-partida do sistema;

• Partida do sistema;

• Limpeza do sistema;

• Manutenção do sistema.

a) O flushing, realizado no processo de _______________, consiste na circulação de um fluido através da linha dos sistemas hidráulicos, em fluxo turbulento, de modo a arrastar partículas que estejam aderidas às paredes.

b) Certificar-se de que todo o sistema esteja realmente despressurizado é uma das recomendações mais importantes da __________________.

c) Providenciar a pré-carga com nitrogênio nos acumuladores hidráulicos e amortecedores de pulsação da unidade é um dos procedimentos que antecedem a __________________.

d) Principalmente em circuitos com fluidos à base de água, não usar graxa nas roscas das conexões, nos processos de _________________.

e) Verificar a integridade das fixações de acumuladores, bombas, filtros e demais equipamentos pesados que possam ter sido afrouxadas por causa da vibração durante o transporte é um procedimento indispensável à etapa de __________________.

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Alta Competência

ANM (Árvore de Natal Molhada) - é o nome dado ao conjunto de válvulas instalado em poços de exploração de petróleo e gás natural (poços offshore), que regula a produção destes hidrocarbonetos.

Came - dispositivo de máquina, destinado a converter um movimento rotativo regular em movimento rotativo irregular, rápido ou lento, intermitente ou alternativo.

Comissionamento da unidade - etapa de verificação da funcionalidade de equipamentos e circuitos e correção de desvios que antecede a partida.

Cremalheira - peça mecânica que consiste em uma barra ou trilho dentado, que em conjunto com uma engrenagem a ele ajustada, converte movimento retilíneo em rotacional e vice-versa.


Grandeza vetorial - grandezas que são completamente definidas quando são especificados o seu módulo, direção e sentido.

HPU - Unidade de Potência Hidráulica.

ISO - International Organization for Standardization - Organização Internacional para Padronização.

Lingada - amarrado de mercadorias correspondentes à porção a ser içada por guindaste ou pau-de-carga.


Munk - braço mecânico, acionado hidraulicamente, utilizado para içar carga para a caçamba de caminhões.

Olhal de içamento - argola posicionada em locais devidamente calculados, visando ao içamento de um equipamento.

P&Id - diagrama de Engenharia de Processo.


Plug - peça interna da válvula que tampona a passagem do fluido.

Pressostato - instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais.

PSV - Pressure Safety Valves - válvula de segurança.

2.8. Glossário

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Set-point - ponto de ajuste.

Solenóide - bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético.

Supply - suprimento.

Torque - pode ser definido como a fração da força aplicada sobre um objeto que é efetivamente utilizada para fazê-lo girar em torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto pivô ou ponto de rotação.

Trapeada - enclausurada.

Tubing - encanamento, tubos, canos, tubulação, sonda, em geral com capacidade de ser dobrado.

UEP - Unidade Estacionária de Produção.

Válvula do tipo check - permite a passagem do fluxo em apenas um sentido.

RESERVADO

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Alta Competência

COSTA JUNIOR, Ezequiel de Souza. Hidráulica. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro: 2008.


PARKER. Apostila de Hidráulica do Curso de Treinamento. Rio de Janeiro: 2008.

PETROBRAS. Material de Tubulação para Instrumentação, N-1931. Rio de Janeiro: 2008.

REXROTH. Hidráulica. Apostila do curso de treinamento. Petrobras. São Paulo: 2007.

SWAGELOK. Catálogo. São Paulo: 2007.

2.9. Bibliografia

RESERVADO


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1) A força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é grandeza vetorial.

Analisando a frase acima, responda:

a) Por que a força criada pelo exercício de pressão sobre uma área é considerada uma grandeza vetorial?

Por ela possuir módulo (intensidade), direção e sentido.

b) Qual a definição física de força?

Força é a capacidade de alterar o estado de repouso ou de movimento de um corpo, provocando a aceleração ou a deformação do mesmo.

c) Qual a definição física de pressão?

É uma grandeza modular (sem sentido e sem direção) que indica o estado de tensão entre as moléculas em um determinado ponto.

2) Marque (V) verdadeiro ou (F) falso nas seguintes afirmativas:

( F ) Válvulas reguladoras de pressão diretamente operadas são constituídas por um corpo com passagens internas interligadas ou bloqueadas confor-me a posição de suas partes móveis.

Justificativa: um corpo com passagens internas interligadas ou bloqueadas conforme a posição de suas partes móveis é a constituição das válvulas direcionais hidráulicas.

( V ) A bomba de engrenagem consiste em um sistema de duas engrenagens que giram em direções opostas dentro de uma caixa e encaminham o óleo lateralmente, através do espaço entre os dentes e a parede da caixa.

( F ) Nas bombas hidrodinâmicas, o fechamento total da saída de fluido pode ser desastroso, porque proporciona o aumento da pressão sem limite, até a ruptura de partes internas ou até da carcaça da própria bomba.

Justificativa: nesse tipo de bomba pode-se fechar completamente a sa-ída de fluido que ela continua em funcionamento sem causar danos à bomba.

( V ) Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo são as de pis-tão e as de engrenagem.

( V ) Os defeitos mais freqüentes em sistemas hidráulicos são vazamentos hi-dráulicos, desgaste em bombas, perda de pré-carga nos acumuladores e emperramento de válvulas direcionais hidráulicas.

2.10. Gabarito

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Alta Competência

3) Preencha a segunda coluna de acordo com os tipos de falhas mais freqüentes da primeira.

( A ) Cavitação ( B ) Pode haver admissão de ar na câmara de sucção, caso haja pressão abaixo da pressão atmosférica.

( A ) As pressões absolutas ficam abaixo da pressão de vapor de fluido uma vez que a sucção da bomba ocasiona um vácuo relativo.

( B ) Aeração

( A ) O ruído e a vibração ocasionados pelas ondas de choque, são sinais característicos desse problema.

( B ) Como fenômeno, não tem nada a ver com a pressão de vapor do fluido.

4) Complete as afirmações a seguir com um dos processos referentes a sistemas hidráulicos, a saber:

• Montagem do sistema;

• Pré-partida do sistema;

• Partida do sistema;

• Limpeza do sistema;

• Manutenção do sistema.

a) O flushing, realizado no processo de limpeza do sistema, consiste na circulação de um fluido através da linha dos sistemas hidráulicos, em fluxo turbulento, de modo a arrastar partículas que estejam aderidas às paredes.

b) Certificar-se de que todo o sistema esteja realmente despressurizado é uma das recomendações mais importantes da pré-partida do sistema.

c) Providenciar a pré-carga com nitrogênio nos acumuladores hidráulicos e amortecedores de pulsação da unidade é um dos procedimentos que antecedem a partida do sistema.

d) Principalmente em circuitos com fluidos à base de água, não usar graxa nas roscas das conexões, nos processos de manutenção do sistema.

e) Verificar a integridade das fixações de acumuladores, bombas, filtros e demais equipamentos pesados que possam ter sido afrouxadas por causa da vibração durante o transporte é um procedimento indispensável à etapa de montagem do sistema.

RESERVADO

Cap

ítu

lo 3

Pneumática


• Identificar fundamentos físicos da Pneumática;

• Reconhecer a estrutura de distribuição de ar comprimido industrial e os principais tipos de compressores utilizados em unidades de produção;

• Identificar a representação gráfica de circuitos pneumáticos simples;

• Distinguir procedimentos característicos dos processos de limpeza, montagem e desmontagem de sistemas pneumáticos.

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Alta Competência

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Capítulo 3. Pneumática

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3. Pneumática

A palavra “pneumática” tem origem no termo grego pneumos – referente à respiração ou expiração – e constitui a parte da Física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos relativos

aos gases ou vácuos e da conservação e transformação da energia pneumática em energia mecânica.

O ar comprimido é utilizado hoje, na indústria, em mecanismos de acionamento e controle de processos, em ejetores de fluidos, na produção de peças de vidro ou plástico, em compressores para jateamento e pintura, no acionamento de freios, em operações submarinas, dentre outros.

Provavelmente o fole foi o primeiro equipamento a aproveitar o ar comprimido. Na Alexandria, no século III A.C., já eram usadas máquinas pneumáticas simples, limitadas pelos materiais e tecnologias então disponíveis para compressão e condicionamento do ar.

Hoje, o alto desenvolvimento de materiais e tecnologias permite um amplo emprego de sistemas pneumáticos na geração de energia e diminuição do esforço em várias aplicações industriais.

VOCÊ SABIA??

3.1. Pneumática - fundamentos

Agora, é preciso pensar na aplicação das propriedades físicas do ar.

RESERVADO

108

Alta Competência

3.1.1. Propriedades físicas do ar

Compressibilidade

O ar, como os demais gases, é compressível.

Se confinado em um cilindro com êmbolo, por exemplo, uma vez aplicada uma força a este êmbolo, o volume ocupado pelo ar diminui.

Essa propriedade é utilizada nos compressores do tipo pistão.

Ar submetido a um volume inicial V1


F

V2 < V1

Elasticidade

Retirada a força exercida sobre o êmbolo, a elasticidade do ar faz com que o êmbolo se desloque e até aumente o volume ocupado.



F

V2 > V1

Difusibilidade

Gases diferentes sob mesma pressão, em recipientes diferentes, quando interligados, tenderão a migrar de um recipiente para outro até que a mistura esteja homogênea.

Volumes contendoar e gases;

válvula fechadaVálvula aberta temos uma

mistura homogênea

2

Expansibilidade

Resultado da propriedade do gás de expandir-se até ocupar todo o recipiente em que se encontra.

Possuimos um recipiente contendo ar;a válvula na situação 1 está fechada

Quando a válvula é aberta, o ar expande,assumindo o formato dos recipientes;porque não possui forma própria

RESERVADO


109

3.1.2. Lei de Bernouille

Apesar de não reger todos os fenômenos ligados à Pneumática, a lei de Bernouille nos dá uma boa noção do comportamento do ar em circuitos pneumáticos. Com ela, entende-se porque a pressão em um vaso fechado aumenta quando a temperatura é elevada ou porque pode formar gelo nas saídas de exaustão do ar comprimido.

Segundo Bernouille, para os gases perfeitos, tem-se a seguinte forma:

P0.V0/T0 = P1.V1/T1

Onde:

P = Pressão;

V = Volume;

T = Temperatura.T1

T2

V1

V2

P1

P2

T3

V3

P3

T4V4

P4

Mesma Temperatura:Volume Diminui - Pressão Aumenta

Mesmo Volume:Pressão Aumenta - TemperaturaAumenta e Vice-Versa

Mesma Pressão:Volume Aumenta - TemperaturaAumenta e Vice-Versa

RESERVADO

110

Alta Competência

3.2. Compressão

A propriedade de compressibilidade dos gases tem como principal aplicação a criação de compressores, com vasto emprego industrial e até mesmo doméstico. É bom lembrar que ao se falar de um aparelho de nebulização ou de uma turbina de avião, ambos exemplificam o emprego de compressores. Agora, faz-se necessário tratar do emprego industrial desses equipamentos.

Compressores são máquinas utilizadas para proporcionar a elevação da pressão ou o escoamento de um gás. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas.

3.2.1. Compressores – tipos

Os compressores de uso industrial podem ser divididos em duas categorias, de acordo com os princípios que estão por trás de seu funcionamento. São eles os compressores volumétricos e os compressores dinâmicos.

a) Compressores volumétricos

Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás. Na operação dessas máquinas podem ser identificadas diversas fases, constituindo os ciclos de funcionamento. Inicialmente, certa quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de compressão, que então é cerrada e sofre redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o gás liberado para consumo.

Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e a descarga. Pode-se constatar, a seguir, que é possível haver algumas diferenças entre os ciclos de funcionamento das máquinas dessa espécie, em função das características específicas de cada uma.

RESERVADO


111

Dentro dos compressores volumétricos encontram-se os compressores alternativos.

Compressores alternativos •

Compressores alternativos caracterizam um tipo de equipamento que se utiliza de um sistema biela-manivela para converter o movimento rotativo de um eixo no movimento translacional de um pistão ou êmbolo, como mostra a ilustração a seguir:

Compressor alternativo

Dessa maneira, a cada rotação do acionador, o pistão efetua um percurso de ida e outro de volta na direção do cabeçote, estabelecendo um ciclo de operação.

O funcionamento de um compressor alternativo está intimamente associado ao comportamento das válvulas. Estas possuem um elemento móvel denominado obturador, que funciona como um diafragma, comparando as pressões interna e externa ao cilindro.

O obturador da válvula de sucção se abre para dentro do cilindro quando a pressão na tubulação de sucção supera a pressão interna do cilindro e se mantém fechado em caso contrário. O obturador da válvula de descarga se abre para fora do cilindro quando a pressão interna supera a pressão na tubulação de descarga e se mantém fechado na situação

RESERVADO

112

Alta Competência

inversa. Com isso, atingem-se as etapas do ciclo de funcionamento do compressor mostradas na ilustração a seguir:

Etapa de admissão Etapa de compressão

Etapa de expansãoEtapa de descarga

Etapas do ciclo de funcionamento do compressor

Acompanhe, passo a passo, as etapas do ciclo de funcionamento do compressor, na ordem em que acontecem.

Etapa Descrição

Admissão

Nessa etapa, o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro, propiciando a abertura da válvula de sucção. O gás é então aspirado.

Compressão

Nesse ponto, inverte-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que a pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga.

Descarga

Ocorre quando a válvula de descarga se abre e a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Ela se prolonga até que o pistão encerre o seu movimento no sentido do cabeçote. É importante observar que o gás anteriormente comprimido não é totalmente descarregado do cilindro. A existência de um espaço ou volume morto, entre o cabeçote e o pistão, no ponto final do deslocamento desse último, faz com que a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente ao se iniciar o curso de retorno. Isso faz com que a válvula de descarga se feche, sem que a de admissão se abra, o que só ocorrerá quando a pressão interna cair o suficiente para tal.

ExpansãoEtapa em que as duas válvulas estão bloqueadas e o pistão se movimenta em sentido inverso ao do cabeçote. Precede a etapa de admissão de um novo ciclo.

RESERVADO


113

Pode-se concluir, então, que devido ao funcionamento automático das válvulas, o compressor alternativo aspira e descarrega o gás respectivamente nas pressões instantaneamente reinantes na tubulação de sucção e na tubulação de descarga. Em termos reais, há naturalmente certa diferença entre as pressões interna e externa ao cilindro durante a aspiração e a descarga, em função da perda de carga no escoamento. Dentre os compressores alternativos, existe um modelo que precisa ser citado: os compressores de palheta.

Compressores de palheta •

No compressor de palheta, um rotor ou tambor central gira excentricamente em relação à carcaça. O tambor possui rasgos radiais ao longo do seu comprimento, nos quais são inseridas palhetas retangulares. Observe as ilustrações a seguir.

Visão frontal do rotor

Visão lateral do rotor

RESERVADO

114

Alta Competência

Ao girar o tambor, as palhetas se deslocam sob a ação da força centrífuga, ou seja, radialmente, do centro para a carcaça, e com ela se mantêm em contato. O gás entra pela abertura de sucção e preenche os espaços entre as palhetas. Devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços entre as palhetas se reduzem e provocam a compressão progressiva do gás.

A variação do volume de gás contido entre duas palhetas vizinhas, do final da admissão até o início da descarga, define uma relação de compressão interna fixa para a máquina. Em função da natureza do gás e das trocas térmicas que ocorrem no momento em que se inicia o processo de descarga, a pressão do gás poderá ser diferente da pressão interna. No entanto, a condição de equilíbrio é restabelecida quase que instantaneamente e o gás, descarregado.

Compressores de parafuso •

São compressores nos quais dois rotores em forma de parafusos giram em sentidos opostos, porém mantendo-se engrenados entre si. Veja a ilustração a seguir:

Compressor de parafuso

O compressor se conecta com o sistema por meio de aberturas diametralmente opostas de sucção e descarga, como pode ser visto na ilustração a seguir:

RESERVADO


115

Vista lateral indicando a movimentação do gás em um compressor de parafusos

Através da abertura de sucção, o gás penetra e preenche os intervalos entre os filetes dos rotores. No instante em que ocorre o “engrenamento” de um filete, o gás nele contido fica retido entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz com que o ponto de “engrenamento” vá se deslocando para frente, reduzindo o espaço disponível para o gás, o que provoca a sua compressão. O gás alcança a abertura de descarga e é liberado.

A relação de compressão interna do compressor de parafusos depende da geometria da máquina e da natureza do gás.

b) Compressores dinâmicos

Os compressores dinâmicos possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor. O impelidor é um órgão rotativo, munido de pás, que transfere ao gás a energia recebida de um acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética, em parte pela forma de entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo, denominado difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás em entalpia, com conseqüente ganho de pressão. Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua e, portanto, correspondem exatamente ao que se denomina em termodinâmica como volume de controle.

Veja no quadro a seguir que os compressores volumétricos e dinâmicos se dividem ainda em outros tipos.

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116

Alta Competência

Compressores

Volumétricos

Alternativos Palhetas

RotativosParafusos

Lóbulos

DinâmicosCentrífugos

Axiais

3.3. Preparação do ar comprimido

O ar atmosférico, além de vários gases, contém vapor de água e poeira. A poeira é abrasiva e pode causar desgastes em partes móveis. A água pode condensar no sistema, causando uma série de problemas. Como se não fosse o bastante, o ar também se contamina com óleo no próprio compressor, que poderá também formar depósitos em outras partes não desejadas do sistema. Dessa forma, o ar, antes de ser aplicado como meio de transmissão de potência, precisa ser tratado.

3.3.1. Tratamento da umidade

A quantidade de “água” contida no ar depende de sua temperatura e volume. A permanência dessa água no estado de vapor depende do ponto de orvalho nas condições daquele volume, assim como da pressão de saturação à temperatura do ar. O vapor estará saturado quando sua pressão parcial for igual à pressão de saturação. Quando sua pressão parcial for menor do que a de saturação, diz-se que o vapor está superaquecido e que nenhum problema traria, pois nessa condição não há risco de condensações.

Agora, é preciso supor que um determinado volume de ar está saturado, ou seja, que a sua umidade relativa é de 100% e que será comprimido até a metade de seu volume. Uma vez que aquele volume de ar já estava com a sua capacidade máxima de reter umidade, ao se reduzir à metade, parte desse vapor será condensado e precipitado sob a forma de água. Isso acontece ao se considerar que a compressão ocorreu sem variações de temperatura, ou seja, de forma isotérmica.

RESERVADO


117

Entretanto, na prática, isso não acontece. Ao contrário, nota-se um aumento significativo da temperatura do ar quando submetido à compressão. Dessa forma, muito provavelmente, não haverá a precipitação de água, uma vez que a capacidade de retenção de vapor também aumenta com a temperatura. Com isso, não haverá, provavelmente, acúmulo de água nas câmaras de compressão, mas sim espalhado pelo circuito pneumático. Conforme esse ar for esfriando o vapor começa, então, a condensar.

Essa condensação de vapor nas linhas traz diversas conseqüências, sendo as principais:

Oxidação;•

Formação de emulsão com os filmes de óleo, alterando sua • viscosidade e causando desgaste das partes móveis.

Por isso, é importante retirar do ar toda a parcela de vapor capaz de condensar e trazer problemas ao circuito.

3.3.2. Resfriador posterior

O resfriador posterior é um trocador de calor colocado imediatamente a jusante do compressor e a montante do pulmão (reservatório de ar comprimido) com o objetivo de promover a condensação da umidade do ar de forma e em local adequados.

Um resfriador posterior é basicamente uma colméia com uma câmara de condensado provida de dreno.

É importante observar que, por causa da retirada do vapor, o volume útil do ar diminui. Entretanto, isso não corresponde a uma perda real de energia, considerando que a condensação ocorreria de qualquer forma dentro do circuito reduzindo o volume do ar. Apenas essa condensação foi realizada dentro de um compartimento adequado, evitando os problemas citados anteriormente.

RESERVADO

118

Alta Competência

Simbologia

Resfriador posterior

O resfriador posterior retira de 75% a 90%, aproximadamente, da umidade do ar, além de retirar também vapores de óleo que tenham sido absorvidos pelo ar no próprio compressor. Além disso, esse equipamento é importante para impedir que o ar circule em alta temperatura na tubulação, causando choques térmicos nas conexões e conseqüentes trincas e vazamentos.

ImpOrTANTE!

3.3.3. Reservatório de ar comprimido

Depois de passar pelo resfriador posterior, o ar comprimido é armazenado em um reservatório, que por ter essa função, usualmente é chamado de “pulmão”.

Além de armazenar o ar, os reservatórios ainda assumem outras funções:

Terminam a tarefa dos resfriadores posteriores, auxiliando • na eliminação de condensado. Em alguns casos, em pequenos sistemas, perfazem a função de “resfriadores”, eliminando o resfriador posterior;

RESERVADO


119

Amortecem a pulsação do compressor, principalmente quando • este é alternativo;

Compensam as flutuações de pressão e vazão no sistema.•

Na qualidade de vasos de pressão, os “pulmões” devem ser dotados de válvulas de segurança, de forma a impedir que sua pressão exceda àquela para a qual foram projetados, e submetidos à “teste de pressão” antes da sua utilização. Normalmente, são dotados também de manômetro, pressostato ou transmissor de pressão para controle de partida e parada do compressor.

5

1

2

3

4

7

8

6

Simbologia

1 - Manômetro2 - Válvula Registro3 - Saída4 - Entrada

5 - Placa de Identificação6 - Válvula de Alívio7 - Escotilha para Inspeção8 - Dreno

Reservatório de ar comprimido

RESERVADO

120

Alta Competência

a) Desumidificadores ou secadores de ar

Principalmente nos circuitos de ar de instrumentos, o ar comprimido deveria estar absolutamente seco e limpo. Entretanto, como o absoluto é impraticável, considera-se seco o ar que, apesar de ainda arrastar algum teor de umidade, está reduzido a níveis que não mais causam danos para aquela aplicação a que se destina.

Os secadores de ar são colocados nos circuitos pneumáticos a jusante dos “pulmões”.

3.3.4. Secadores por refrigeração

O método da secagem por refrigeração é quase idêntico ao do resfriador posterior, sendo que, neste caso, o ar é refrigerado para remover o condensado.

Não é desejável o uso do ar comprimido em baixa temperatura. Assim, um pré-resfriador utiliza o ar seco que retorna ao circuito para resfriar o ar úmido que entra no resfriador. Dessa forma, o ar seco recupera parte da energia perdida e ainda ajuda a melhorar a eficiência do resfriador.

Pré-Resfriador

Resfriador Principal

Compressorde Refrigeração

Bypass

Dreno

Condensado

Simbologia Freon

Secagem por RefrigeraçãoAr Úmido

A

B

EC

D

Ar Seco

Separador

Secagem por refrigeração

RESERVADO


121

3.3.5. Secador por absorção

O método consiste em passar o ar através de um conjunto de pastilhas higroscópicas que absorvem a umidade. Há dois tipos de substâncias higroscópicas: as solúveis e as insolúveis. As solúveis são aquelas que se liquefazem em contato com a água e são eliminadas junto com o condensado. As insolúveis não se liquefazem. O método é conhecido como processo químico de secagem.

De qualquer forma, essas pastilhas requerem substituição, pois sem isso o sistema torna-se deficiente. As substâncias higroscópicas mais comumente utilizadas são o cloreto de cálcio, o cloreto de lítio e o dry-o-lite.

Secagem por Absorção

Ar Seco

PastilhasDessecantes

Condensado

Drenagem

Ar Úmido

Simbologia

Secagem por absorção

3.3.6. Secador por adsorção

O método consiste na fixação de um adsorvato (água) na superfície de um adsorvente, em geral sólido (por exemplo, o SiO2 – mais conhecido como sílica gel). O método é conhecido como processo físico de secagem, cujo funcionamento é pouco conhecido.

RESERVADO

122

Alta Competência

Sabe-se, entretanto, que o processo é regenerativo, ou seja, quando a substância adsorvente está saturada, ela pode liberar água através de um aquecimento regenerativo.

Para tal, normalmente, usam-se duas torres de forma que uma esteja funcionando como secadora e a outra como regeneradora, de forma alternada. Para a regeneração, utiliza-se um fluxo do próprio ar seco, aquecido, passando através do adsorvente que é liberado para a atmosfera carregando o vapor d’água.

Na saída de ar seco para o circuito pneumático deve ser colocado um filtro, de forma que partículas do adsorvente não sejam arrastadas para o circuito, provocando problemas nas partes móveis do sistema.

ImpOrTANTE!

Um filtro de carvão ativo também deve ser colocado a montante do secador, para absorver arrastes de óleo que se depositariam no adsorvente, de forma não regenerável, a fim de prevenir a redução da sua eficiência.

RESERVADO


123Secando

Ar Úmido

Ar Seco

Esquematização da Secagem por Adsorção

Secando

Adsorvente

Secagem por AdsorçãoAr Seco

Ar Úmido

Regenerando

Regenerando

Simbologia

Secagem por adsorção

3.4. Distribuição do ar comprimido

Quando se tem uma grande quantidade de consumidores de ar comprimido, normalmente, como acontece em muitas plantas industriais, a forma mais adequada de atender à demanda é através de um sistema central de compressão, condicionamento e armazenagem do ar comprimido, o que é distribuído através de uma rede aos seus diversos consumidores.

3.4.1. Redes de distribuição

A finalidade básica da rede de distribuição de ar é a de fazer chegar aos consumidores a potência pneumática gerada no sistema central. Para tal finalidade deve atender a alguns requisitos:

RESERVADO

124

Alta Competência

Minimizar a queda de pressão entre a geração e o consumo;•

Garantir a • estanqueidade. Vazamentos muitas vezes reduzem a potência do sistema;

Facilitar a retirada de condensados residuais. •

3.4.2. Configurações de redes

Principalmente para grandes redes instaladas em plantas industriais, o formato adotado é em geral o em anel.

Rede de Distribuição em Anel Fechado

Consumidores

Reservatório Secundário

A - Rede de distribuição com tubulações derivadas do anel.

B - Rede de distribuição com tubulações derivadas das transversais.

Rede de distribuição em anel fechado

A configuração em anel aumenta a confiabilidade do sistema, garantindo que haja sempre um caminho alternativo para o ar entre o compressor e o consumidor. Além disso, um esmagamento da tubulação de distribuição, em qualquer ponto, não será capaz de interromper o fornecimento de ar para os demais pontos. A ruptura pode ser também mais facilmente solucionada pelo imediato esmagamento das extremidades abertas, até que a recuperação da linha seja possível.

RESERVADO


125

Para sistemas menores, um único anel pode ser suficiente (configuração A da ilustração anterior), no qual todos os consumidores encontram-se distribuídos ao longo do anel. Quando o sistema tem maiores dimensões a configuração B é a mais indicada. Observe que ela corresponde, na verdade, a diversos anéis e que possui excelente imunidade a esmagamentos ou rupturas das linhas.

Em contrapartida, a drenagem sistemática de condensado deixa de ser tão trivial, uma vez que não se pode manter um caimento constante desde a compressão até o final da linha de distribuição.

Além da configuração da linha, o aumento da confiabilidade depende também do uso de válvulas de bloqueio que garantam o isolamento de determinadas áreas para que os vazamentos ou as manutenções de trechos não impeçam o fornecimento de ar para os demais consumidores.

AC

Isolamento da Rede de Distribuição com Válvulade Fechamento

Isolamento da rede de distribuição com válvula de fechamento

3.4.3. Implementação da rede

As conexões entre os tubos podem ser efetuadas de diversas formas. A mais comum, em função do baixo custo, é a roscada. Esta, entretanto, requer cuidados, em função da maior susceptibilidade a vazamentos devido a imperfeições da rosca. Fitas de Teflon ou mesmo veda juntas, como o lock-tight, devem ser usadas para garantir sua estanqueidade.

As conexões soldadas são bastante utilizadas, principalmente em tubos com diâmetros superiores a 1 ½”. Nesse caso, alguns cuidados devem ser tomados quanto à formação de escamas dentro do tubo.

RESERVADO

126

Alta Competência

Em alguns casos, é preferível que a conexão seja flangeada, principalmente em locais onde haja a possibilidade de desmonte para manutenção.

3.4.4. Drenagem de umidade

Mesmo com os cuidados tomados para retirar umidade, uma quantidade suficiente para condensar dentro da tubulação persiste no ar comprimido. Dessa forma, é recomendável que a tubulação seja montada com declives e aclives, de forma que drenos ou purgadores sejam colocados nos pontos baixos.

Armazenagemde Condensados

Ar Comprimido

Prevenção e Drenagem para o Condensado

Separador

Drenos Automáticos

Prevenção e drenagem para o condensado

3.4.5. Unidades de condicionamento (filtros reguladores)

Após ter passado por todo o processo de produção, tratamento e atravessado o sistema de distribuição, o ar comprimido precisa passar por um último estágio de condicionamento antes de ser entregue a seu consumidor final. O condicionamento, nesse caso, consiste em filtragem para retirar as partículas remanescentes que possam atuar como abrasivos e ainda proporcionar regulação da pressão, de forma a garantir pressão constante ao consumidor final.

RESERVADO


127

Refil - Filtro Regulador

A - ManoplaB - Orifício de SangriaC - Válvula de AssentoD - Defletor SuperiorE - Defletor Inferior

F - MolaG - Orifício de ExaustãoH - DiafragmaI - Passagem do Fluxo de ArJ - Elemento Filtrante

Simbologia

F

G

I

H

J

E

D

C

B

A

Filtro Regulador

O esquema a seguir apresenta um circuito típico de fornecimento de ar comprimido para o atuador de uma válvula pneumática:

1

3 2

S

Válvula solenóide

Exist. Constr.(Nota 2)

ZSH

ZSL

Fornecido com a válvula

Filtro regulador de pressão

XV-514001A/B

Circuito de ar comprimido

RESERVADO

128

Alta Competência

Após o uso pelo consumidor final, o ar comprimido retorna para a atmosfera. Essa, inclusive é uma das grandes vantagens da utilização dos circuitos pneumáticos em comparação com os hidráulicos: o fluido é gratuito e abundante, o que elimina a situação de falta do mesmo no sistema.

3.5. Principais componentes de um circuito pneumático

É importante diferenciar os principais componentes de um circuito pneumático. Válvulas, cilindros e motores são os equipamentos a serem abordados a partir de agora.

3.5.1. Válvulas pneumáticas

Em termos de funcionamento, não existe nenhuma diferença entre as válvulas e motores acionados pneumaticamente daqueles acionados de forma hidráulica. Ressalta-se, aqui, algumas das principais diferenças entre os dois sistemas.

a) Considerações

Da mesma forma que acontece com os cilindros, a principal diferença a ser considerada é a pressão envolvida. Enquanto os sistemas hidráulicos operam, na maioria das vezes, em pressões acima de 100 bar, os sistemas de ar comprimido operam em pressões de até 10 bar (em geral, regulada em cerca de 7 bar, ou 100 psi). No caso das válvulas, o principal impacto está realmente nos materiais utilizados e, muitas vezes, nas suas dimensões.

Válvulas em plástico, alumínio e zamac jamais poderiam ser utilizadas em altas pressões, portanto, esses materiais não podem ser utilizados em válvulas para sistemas hidráulicos. No caso de unidades offshore, entretanto, o aço inox continua sendo uma exigência para ambos os casos, em função do ambiente agressivo em que se encontram instaladas.

Os tipos mais comuns de válvulas hidráulicas também se aplicam aos sistemas pneumáticos.

RESERVADO


129

É importante observar que, dependendo do fabricante, os mais variados tipos de válvulas estão disponíveis. Embora as válvulas mais comuns oferecidas no mercado sejam adequadas às aplicações mais usuais, na indústria do petróleo, para algumas aplicações, válvulas especiais são construídas de forma dedicada. A solução construtiva varia de fabricante para fabricante, tanto para a válvula pneumática quanto, principalmente, para a válvula hidráulica.

3.5.2. Cilindros e motores pneumáticos

O princípio de funcionamento dos cilindros e motores acionados pneumaticamente é semelhante ao dos cilindros acionados de forma hidráulica. É necessário, após uma breve referência ao estudo sobre cilindros hidráulicos, ressaltar as principais diferenças que irão, inclusive, balizar a escolha para as diversas aplicações.

a) Considerações

É importante ressaltar que o cilindro pneumático, assim como o hidráulico, se compõe de um cilindro e um êmbolo e que a força máxima de um cilindro é função da área útil do êmbolo e da pressão máxima de trabalho admissível:

F = P. A

A velocidade do êmbolo está diretamente correlacionada à vazão do fluido no cilindro. O binômio “força X velocidade do êmbolo” (energia) é obtida a partir do binômio “pressão X vazão” do fluido aplicado (energia).

A principal diferença a ser considerada é a pressão de operação. Enquanto os sistemas hidráulicos operam, na maioria das vezes, em pressões acima de 100 bar, os sistemas de ar comprimido operam em pressões de até 10 bar (em geral, regulada em cerca de 7 bar, ou 100 psi). Isso traz impactos muito importantes quanto às características construtivas dos cilindros e motores:

RESERVADO

130

Alta Competência

Para uma mesma força requerida, os cilindros pneumáticos • possuem dimensões muito maiores do que as dos cilindros hidráulicos. Lembre-se de que F = P . A. Se a pressão é menor, a área do pistão precisa ser maior;

As características construtivas e os materiais utilizados nos • cilindros e motores são menos rígidos.

A conseqüência imediata dessas diferenças está na escolha dos sistemas de potência para operar válvulas.

Os cilindros pneumáticos são geralmente utilizados nas plantas de processo com atuadores para válvulas remotamente operadas. As vantagens, como já foi visto, dizem respeito à disponibilidade do fluido (ar, na atmosfera) e à maior facilidade de geração e distribuição do ar comprimido.

Nas aplicações de altas pressões e vazões, em razão das altas potências exigidas para movimentação da válvula, o atuador pneumático pode se tornar in-viável. Nesses casos, a adoção de atuadores basea-dos em cilindros hidráulicos pode ser a alternativa mais adequada.

Em aplicações “offshore”, o E&P adota o critério de utilizar atuadores pneumáticos até 2 m de compri-mento. Quando o cálculo do atuador aponta para cilindros com mais de 2 m de comprimento, adota-se opção hidráulica.

ImpOrTANTE!

3.5.3. Circuitos pneumáticos - elaboração e interpretação

Os circuitos apresentados a seguir podem ser projetados tanto para sistemas pneumáticos como hidráulicos.

RESERVADO


131

a) Exemplos de circuitos

Cilindro de ação simples com comando direto, local:

a2 2

A

1 3

Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local:

a22

2

212

a0

1 3

1 3

RESERVADO

132

Alta Competência

Cilindro de ação simples com comando indireto (piloto duplo), local:

a22

2

2

12 10

a0

a1

A

1 13 3

1 3

Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada local), utilizando elemento lógico “OU” (“válvula shuttle”):

a2 a4

a.02

a0

A

12

2 2

2

2

1

1

1

1

13 3

3

RESERVADO


133

Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos simultâneos (válvula pilotada), local, utilizando elemento lógico “E”:

a2 a4

a.02

a0

A

12

2 2

2

2

1

1

1

1

13 3

3

Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento:

a2

a0

a.01 a.02

144 2

12

35

1

a1

A

2 2

1 3 1 3

RESERVADO

134

Alta Competência

Exemplo de um circuito pneumático real utilizado no acionamento de bombas hidráulicas em unidades de geração de potência hidráulica em plataformas marítimas de produção de petróleo:

Suprimentopneumático

100 PSIG

PIT1210301

PI

1210302

PI

1210303

PI

1210304PI

1210306

PI

1210305

XY1210302

XY1210301

M

R

R

2

2

R2

Exemplo de um circuito hidráulico real utilizado no acionamento das válvulas de uma árvore de natal em plataforma de produção:

LL

LL

LL

L

L L L L L L L

LL

LL L

LL

L

LL L L L L L L

L L L L L L L L

L L L L L L L L L L L

L

L

LL

LL

L L LL L L L L L L L L L L L L

LLLLLLLLLLLLLLL

TYPICAL SCHEME FOR WELL VALVE ACTUATIONS FOR ONE (1) PRODUCTION X-MAS TREE

3.6. Simbologia aplicada a circuitos hidráulicos e pneumáticos

As normas internacionais para a simbologia de componentes não distingue sistemas hidráulicos de pneumáticos, ou seja, a simbologia é a mesma para os dois tipos de circuitos.

RESERVADO


135

A simbologia apresentada aqui foi baseada na norma internacional ISO 1912 – “Fluid power systems and components – graphic symbols and circuit diagrams” (Potência dos fluidos, sistemas e componentes – símbolos gráficos e diagramas de circuito).

3.7. Defeitos mais freqüentes dos sistemas pneumáticos

A cada aplicação ou tipo de circuito corresponde um diferente conjunto de defeitos característicos. Entretanto, alguns podem ser considerados genéricos. Alguns desses serão tratados e também alguns usuais nos sistemas de ar comprimido utilizados em UEPs offshore.

3.7.1. Vazamentos

Assim como nas unidades hidráulicas, pode-se considerar o vazamento como o defeito mais comum e presente em todos os sistemas. Isso pode ocorrer em conexões, válvulas ou até em rupturas de linha. Os vazamentos correspondem a perdas de energia do sistema. Dependendo do seu tamanho, podem ocasionar a perda da energia pneumática para o trabalho a que se destina.

3.7.2. Desgaste dos compressores

Uma conseqüência imediata dos vazamentos é o desgaste prematuro dos compressores, principalmente os do tipo alternativo (pistão), devido ao atrito prolongado entre as partes móveis.

3.7.3. Saturação de secadoras de ar

A qualidade do ar é fundamental para o bom funcionamento de um circuito. A falta de regeneração de secadoras de adsorção ou falta de substituição de partículas em secadoras de absorção, pode ocasionar a admissão de grande quantidade de umidade no sistema. Essa quantidade extra poderá, também, ocasionar entupimentos de filtros além dos distúrbios já mencionados.

RESERVADO

136

Alta Competência

3.7.4. Queima de solenóides das válvulas direcionais

Na maioria das vezes, as válvulas direcionais são operadas remotamente por solenóides. Por questões de segurança, esses solenóides são mantidos energizados durante a operação, de forma a levar a unidade para condição segura em caso de falta de energia. Se o solenóide não tiver um projeto robusto o bastante para suportar essa condição, ou se a temperatura de operação ficar acima daquela para a qual foi projetada, o solenóide da válvula se deteriora e “queima”, ocasionando operação indevida da válvula para a posição segura.

Normalmente, os sistemas pneumáticos submetidos minimamente à manutenção costumam ser bastante robustos, simples e baratos, constituindo, até hoje, a opção mais freqüente para acionamento de válvulas em plantas industriais.

3.8. Cuidados nas instalações e manutenções de unidades pneumáticas

Em geral, as unidades de compressão e preparação de ar comprimido são adquiridas como unidades pacote e o fabricante costuma ter procedimentos pré-estabelecidos para montagem, instalação e comissionamento das mesmas. De qualquer forma, alguns cuidados devem ser tomados por aqueles que fiscalizam o processo, como o de inspecionar visualmente o pacote recebido e, após a sua instalação, realizar um teste funcional.

Com o sistema de distribuição, o panorama é diferente, porque ele não constitui um pacote. Deve ser montado, testado e comissionado durante a obra, e requer alguma atenção.

Os itens a seguir são dedicados a cuidados importantes a serem tomados com o sistema de distribuição do ar comprimido.

RESERVADO


137

3.8.1. Montagem

Cuidados na montagem, como inclinação das linhas, utilização de potes de drenagem nos pontos baixos e outros, aplicáveis ao sistema de distribuição de ar comprimido, são igualmente importantes para sistemas pneumáticos.

É muito importante que a montagem dos tubos de distribuição de ar comprimido não esteja sujeita a altos e baixos que permitam acúmulo de umidade, possibilitando que venham a se tornar êmbolos no sistema.

Cabe ainda lembrar que sejam observados os raios mínimos de cada tipo de tubing, na hora de dobrá-los, quando for o caso, e também usar selantes adequadamente nas conexões.

3.8.2. Teste de pressão

No teste de pressão das linhas de distribuição do sistema pneumático, deverá ser utilizado ar comprimido limpo, seco e isento de hidrocarbonetos ou nitrogênio.

A pressão de teste hidrostático deverá ser, no mínimo, a pressão de projeto das tubulações, acrescida de 10%.

Quando a pressão atingir o valor da pressão do teste pneumático, a mesma deverá ser aliviada até o valor da pressão de projeto para que se possa proceder inspeção visual, quanto à existência de vazamentos. Por uma questão de segurança, a verificação visual do sistema quanto à existência de vazamentos, durante o teste pneumático, não poderá ser executada quando a pressão do sistema estiver mais alta do que sua pressão de projeto.

Uma vez concluída a inspeção, o sistema deverá ser repressurizado até o valor de teste, durante 30 minutos. A monitoração deverá ser efetuada através de manômetros.

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3.9. Limpeza de sistemas pneumáticos

Antes da montagem final do sistema, os trechos de tubos devem ser “soprados” para a retirada de impurezas que, por serem abrasivas, podem causar diversos tipos de problemas.

A sopragem deve ser executada antes do teste de estanqueidade, no local de instalação, no sentido normal do fluxo de ar na linha. Para tanto, as extremidades dos tubos a serem soprados devem estar abertas.

Os tubos podem ser soprados tanto com o próprio ar de instrumentos (seco, isento de óleo), como com nitrogênio. Em ambos os casos, a pressão mínima será de 5 Kg/cm², de modo a secar o tubo internamente e arrastar qualquer corpo estranho que possa estar em seu interior.

A sopragem deve ser mantida por um período de tempo suficiente para que, por uma inspeção visual do ar ou nitrogênio que sai para a atmosfera, não seja constatada a presença de umidade, sujeira ou partículas de qualquer natureza.

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1) Quais as propriedades físicas do ar?

( ) Compressibilidade, elasticidade, inércia e densidade.( ) Pressão, elasticidade, massa específica e difusibilidade.( ) Viscosidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.( ) Compressibilidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.

2) Relacione a primeira coluna de acordo com as características da segunda.

Tipos de compressores Características

( A ) Compressores volumétricos

( B ) Compressores dinâmicos

( ) Nesses compressores, a transferência de energia se faz em parte na forma cinética, em parte pela forma de entalpia.

( ) Também conhecido como compressor de deslocamento positivo.

( ) É um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção ou a descarga.

( ) Possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor.

( ) Efetuam o processo de compressão de maneira contínua.

( ) Nesse tipo de compressor, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás.

3.10. Exercícios

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3) Com base em seus estudos sobre simbologia, identifique os circuitos representados a seguir e marque com X a especificação correspondente:

a)

a22

2

212

a0

1 3

1 3

( ) Cilindro de ação simples com comando indireto (piloto duplo), local.

( ) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos in-dependentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).

( ) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local, retorno por mola.

( ) Cilindro de dupla ação com comando indireto por válvula duplo piloto e ajustes independentes de velocidade para cada sentido de movimento.

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b)

a2 2

A

1 3

( ) Cilindro de ação simples com comando direto, local.

( ) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos in-dependentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).

( ) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local.


4) Complete as lacunas das frases a seguir:

a) É muito importante que a ______________ dos tubos de distribuição de ar comprimido não seja feita com altos e baixos que permitam acúmulo de umidade, possibilitando que venham a se tornar êmbolos no sistema.

b) A ______________de teste hidrostático deverá ser, no mínimo, a ______________de projeto das tubulações, acrescida de 10%.

c) A ______________deve ser executada antes do teste de estanqueidade, no local de instalação, no sentido normal do fluxo de ar na linha.

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Adsorvato - substância adsorvida num processo de adsorção.

Atrito - força que inibe o deslizamento de objetos, agindo no sentido oposto ao deslizamento.

Biela-manivela - peça de uma máquina que serve para transmitir ou transformar o movimento retilíneo alternativo em circular contínuo.

Dry-o-Lite - dissecante químico.

Energia cinética - trabalho fornecido a um corpo (sistema) através da aceleração desse corpo até uma determinada velocidade (depende de um referencial). É conhecida também como energia de velocidade.

Entalpia - soma da energia interna de um corpo e o produto de seu volume multiplicado pela pressão.

Estanqueidade - capacidade de estancar, parar, interromper.


Higroscópica - substância capaz de absorver a umidade do ar.

ISO - International Organization for Standardization - Organização Internacional para Padronização.



Pressostato - instrumento de medição de pressão utilizado como componente do sistema de proteção de equipamento ou processos industriais.

Solenóide - bobina contendo um elemento móvel de material magnético que se move em função da direção do campo magnético.

Termodinâmica - ciência que estuda as interações energéticas e as correspondentes variações de propriedades de um sistema.

Tubing - encanamento, tubos, canos, tubulação, sonda em geral com capacidade de ser dobrado.

UEP - Unidade Estacionária de Produção.

Zamac - liga metálica composta de zinco, magnésio, alumínio e cobre.

3.11. Glossário

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PARKER. Apostila de Treinamento M-1001BR. Rio de Janeiro: 2000.

RIBEIRO, Marco Antônio. Medição de vazão - fundamentos e aplicações. 5ª edição.

Rio de Janeiro: 2002.

3.12. Bibliografia

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1) Quais as propriedades físicas do ar?

( X ) Compressibilidade, elasticidade, inércia e densidade.

( ) Pressão, elasticidade, massa específica e difusibilidade.

( ) Viscosidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.

( ) Compressibilidade, elasticidade, difusibilidade e expansibilidade.

2) Relacione a primeira coluna de acordo com as características da segunda.

Tipos de compressores Características

( A ) Compressores volumétricos

( B ) Compressores dinâmicos

( B ) Nesses compressores, a transferência de energia se faz em parte na forma cinética, em parte pela forma de entalpia.

( A ) Também conhecido como compressor de deslocamento positivo.

( A ) É um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção ou a descarga.

( B ) Possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor.

( B ) Efetuam o processo de compressão de maneira contínua.

( A ) Nesse tipo de compressor, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás.

3.13. Gabarito

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3) Com base em seus estudos sobre simbologia, identifique os circuitos representados a seguir e marque com X a especificação correspondente:

a)

a22

2

212

a0

1 3

1 3

( ) Cilindro de ação simples com comando indireto (piloto duplo), local.

( ) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).

( X ) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local, retorno por mola.


b)

a2 2

A

1 3

( X ) Cilindro de ação simples com comando direto, local.

( ) Cilindro de ação simples com dois comandos indiretos independentes (válvula pilotada), local, utilizando elemento “OU” (“válvula shuttle”).

( ) Cilindro de ação simples com comando indireto (válvula pilotada), local.


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4) Complete as lacunas das frases a seguir:

a) É muito importante que a montagem dos tubos de distribuição de ar comprimido não seja feita com altos e baixos que permitam acúmulo de umidade, possibilitando que venham a se tornar êmbolos no sistema.

b) A pressão de teste hidrostático deverá ser, no mínimo, a pressão de projeto das tubulações, acrescida de 10%.

c) A sopragem deve ser executada antes do teste de estanqueidade, no local de instalação, no sentido normal do fluxo de ar na linha.

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