Curso de Inspetor de Equipamentos
1
Vasos de Pressão e Torres
Rio de Janeiro, 12 ao 20 de Setembro de 2006
Professor: Juan Manuel Pardal
Introdução
2
São todos os reservatórios de qualquer tipo, dimensões ou finalidades, não sujeitos a
chama, que contenham qualquer fluido em pressão manométrica igual ou superior a
1,02 kgf/cm², ou submetidos à pressão externa (sujeitos a vácuo parcial ou total)
Vasos de Pressão
Introdução
3
Os principais usos dos vasos de pressão são os mencionados a seguir:
ARMAZENAMENTO DE GASES SOB PRESSÃO
ACUMULAÇÃO INTERMEDIÁRIA DE LÍQUIDOS E GASES
PROCESSAMENTO
Introdução
4
A construção de um vaso de pressão envolve uma série de cuidados especiais relacionados ao seu projeto,
fabricação, montagem, inspeção e testes. Isto porque falhas em um vaso de pressão em operação, além de
perda de produto e parada de um processo, pode acarretar perda de vidas.
Nomenclatura
5
A Subcomissão de Inspeção de Equipamentos do Instituto Brasileiro de Petróleo aprovou, em fevereiro de 1963, a Guia número dois de
Inspeção de Equipamentos que padronizou a nomenclatura a ser usada para equipamentos e
acessórios nas refinarias de petróleo.
Classificação
6
•Diâmetro Interno (DI)
•Diâmetro Externo (DE)
•Comprimento Entre Tangentes (CET)
Quanto à posição em que estas três dimensões encontram-se em relação ao solo, os vasos de pressão podem ser classificados, como
Podem ser classificados através de três dimensões:
Cilíndricos Verticais Cilíndricos Horizontais
Cilíndricos Inclinados Esféricos
Classificação
7
Exemplos
8
Exemplos
9
Exemplos
10
Vasos de Pressão
11
•Vasos Não Sujeitos a Chama
Vasos de Armazenamento e acumulação
Torres de Destilação Fracionada
Reatores Diversos
Esferas de Armazenamento de Gases
•Trocadores de Calor Aquecedores, Resfriadores, Condensadores,Refervedores, Resfriadores ao Ar
•Vasos Sujeitos a Chama
Classes e Finalidades
Fornos
•CaldeirasFumotubulares – FlamotubularesAquotubulares
Componentes
12
•Casco (Shell)
•Tampos, Calotas (Heads)
Tipos de Tampos
13
Plano
14
Características dos Tampos
L R h
ASME 6% D 0,06 D 0,169 D
ASME 10% D O,1 D 0,194 D
ASME 2:1 (falsa elipse) 0,904 D 0,173 D 0,25 D
•Semielipticos (D/2h=2)
•Toriesféricos (D/2h=2)
•Cônicos e Toricônicos (Escoamento Fluido)
•Hemisférico (Calota Central e Gomos Ø gdes)
•Planos (para pequenos Ø, Inspeção)
Aberturas
15
Reforços
16
As aberturas num vaso de pressão, apesar de necessárias para o seu funcionamento, causam um enfraquecimento local na
parede do vaso. Além disso, elas são pontos onde há concentração de tensões. Logo, para combater este efeito
indesejável, é necessária, em função do diâmetro da abertura e da espessura da chapa, a colocação de reforços ao redor de dita
abertura
As aberturas devem ter formato: Circular elíptico ou oblongo (Boca Inspeção)
17
Acessórios Internos
18
•BANDEJAS
•DISTRIBUIDORES
•GRADES
•ANEIS E VIGAS DE SUSTENTAÇÃO
•ENCHIMENTOS (Torres de Recheio)
•RETENTORES DE GOTÍCULAS (Demisters)
Sobre as Torres de Recheios
19
•Remoção dos contaminantes de um fluxo de gás (absorção) •Remoção de componentes voláteis (líquido), por contato com um gás inerte que escoa em contra-corrente (desorção)
Torres de Recheio
20
•Tipos de recheios Cerâmicos Anéis Pall
Anéis Cross-Partition
Anéis Raschig Anéis Lessing
Acerca de Retentores de Gotículas
21
•Retenção de Gotículas como particulas sólidas
22
Acessórios Externos
•Reforços de vácuo
•Anéis de suporte de isolamento térmico externo
•Chapas de ligação, orelhas ou cantoneiras para suportes de tubulação, plataformas, escadas ou outras estruturas
•Suportes para turcos de elevação de carga
•Turcos para as tampas de bocas de visita e outros flanges cegos
23
24
Acessórios Externos
25
Acessórios Externos
26
Suportes
27
Todos os vasos de pressão devem ter suporte próprio não se admitindo, mesmo para vasos leves ou de pequenas
dimensões, que fiquem suportados pelas tubulações a ele ligadas.
•SUPORTES PARA VASOS HORIZONTAIS
•SUPORTES PARA VASOS VERTICAIS
28
Suportes
•SUPORTES PARA VASOS HORIZONTAIS
A maioria dos vasos horizontais são suportados em dois berços (selas), sendo que, para permitir a livre dilatação do vaso, em um dos berços de furos para os chumbadores são
ovalados (furos oblongos).
Suportes Vasos Horizontais
29
Considerando-se o vaso de pressão como sendo uma viga bi-apoiada, com os extremos em balanço, os
berços deveriam ser colocados em uma posição tal que seja obtido no meio do vão entre os suportes um momento fletor igual à soma daqueles nos pontos de
apoio (ZICK)
30
31
Suportes Vasos Horizontais
32
Suportes Vasos Verticais
Estes vasos são, usualmente, sustentados por meio de saias cilíndricas ou cônicas, colunas
ou sapatas
33
Suportes Vasos Verticais
34
Suportes Vasos Verticais
35
Suportes Vasos Verticais
Suportes Vasos Verticais
36
Suportes Vasos Esféricos
37
As esferas para armazenagem de gases (GLP) também são sustentadas por colunas, soldadas ao casco aproximadamente na linha do equador da
esfera
Códigos de Projeto
38
As normas e códigos de projeto foram estabelecidos não só com a finalidade de padronizar e simplificar o cálculo e projeto dos
vasos de pressão, mas principalmente para garantir as condições mínimas de segurança para a sua operação.
Códigos de Projeto
39
•Filosofias
1. limita as tensões de membrana nas diversas partes do vaso de pressão a uma fração arbitrária do limite de resistência ou escoamento
A.D. Merkblatt, o SNTC, o ASME VIII Divisão 1 e a B.S. 5.500 (Projeto Simplificado)
Códigos de Projeto
40
•Filosofias
2. Adoção de maiores tensões de projeto, associadas a uma rigorosa e criteriosa análise de tensões dos equipamentos
ASME VIII Divisão 2 e a B.S. 5.500 (Projeto baseado em A.T.)
Códigos de Projeto
41
•B.S. 5500
Elaborado pela (British Standards Institution), aborda aspectos relativos a materiais, projeto, fabricação, inspeção e testes dos vasos
de pressão. Inclui vários apêndices, entre os quais se destacam:
Apêndice A Trata do critério para análise de tensões para equipamentos ou condições de projeto que não puderem ser enquadrados nas fórmulas mais simplificadas de cálculo
Apêndice B Considera o efeito combinado de pressão e outros carregamentos, tais como peso e vento
Apêndice C Trata-se da análise de fadiga
Apêndice G Trata das tensões causadas por cargas localizadas. (Reações de apoio e esforços provenientes de dilatação de tubulações)
Códigos de Projeto
42
•A.D. MERKBLATT
Respaldo da TÜV (União das Associações de Insp. Técnica)
Elaborado pela Associação dos Construtores de Vasos de Pressão, este código alemão é obrigatório nesse pais e está
constituído das seguintes seções:
Série G Parte Geral Série A Acessórios
Série B Projeto Série H Soldagem
Série W Materiais
Códigos de Projeto
43
•SNCTTI (França- Uso legal não Obrigatório)
Elaborado pelo (Syndicat National de la Chaudronnerie, Tolerie et Tuyaunterie Industrialle). Aborda métodos de cálculo para
pressão interna e externa e outros carregamentos
•ISO –DIS 2694
Elaborada sob responsabilidade da "International Standard Organization" pelo Technical Committee número 11 (TC - 1 l ), a norma DIS 2694 é baseada nas normas européias. Esta norma destina-se a ser adotada em
todos os países membros da ISO, mas até hoje não tem tido grande aplicação
Códigos de Projeto
44
•P-NB-109A norma Brasileira foi elaborada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). A norma relacionada com vasos de
pressão é a NB - 109
Códigos de Projeto
45
•Código ASME
A (American Society of Mechanical Engineers) tem a função de estabelecer regras para que os métodos de projetos, fabricação, montagem, inspeção e testes utilizados possam oferecer condições operacionais seguras e com menor
taxa de deterioração
•Seu uso é legal é obrigatório em algumas regiões de EUA
•Publicações geralmente cada 3 (três) anos e duas vezes por anos são publicados adendos a essas normas
Código ASME
46
Este Código Está dividido em Varias Seções: Seção I Caldeiras. Seção II Especificação de Materiais. Seção III Vasos Nucleares (Div. 1 e 2). Seção IV Caldeiras para Aquecimento. Seção V Ensaios Não- Destrutivos. Seção VI Recomendações quanto à segurança e Operação de Caldeiras para Aquecimento. Seção VII Recomendações quanto à segurança e Operação de Caldeiras. Seção VIII Vasos de Pressão: Divisão 1 - Projeto Padrão.
Divisão 2 - Projeto Alternativo. Seção IX Qualificação de Soldadores, Operadores de Solda e de Diversos Processos de Soldagem. Seção X Vasos de Pressão em Plástico Reforçado com Fibra de Vidro. Seção XI Recomendações para a Inspeção em Serviço de Reatores.
ASME VIII div I
47
•Não se encontram no Escopo
• Aqueles cobertos por outras seções do ASME
• Vasos Sujeitos a chama direta
• Vasos para armazenamento de água, aquecida por vapor ou outro meio indireto, quando nenhuma das seguintes limitações for excedida:- aquecimento de 200.000 Btu/h;- temperatura de 210 ºF;- capacidade de 454 l.•Vasos com o diâmetro interno, largura, altura ou diagonal da seção transversal inferior a 6"
• TK´s Armazenamento (API 620-API650-API 653)
ASME VIII div I
48
•Se encontram no Escopo
• Evaporadores• Trocadores de calor
Equipamentos donde exista geração de vapor (mas não aqueles com contato direto com fogo)
ASME VIII div I
49
•Filosofia
A espessura de parede de um vaso de pressão, dimensionado de acordo com as regras estabelecidas
nesta divisão deve ser tal que a tensão máxima primária geral de membrana, resultante dos carregamentos a que
esteve sujeito o equipamento durante a sua operação normal, não exceda os limites de tensão admissível do
material do vaso
ASME VIII div I
50
A divisão 1 está dividida da seguinte forma:
Sub-seções (A,B e C)
Apêndices Obrigatórios (1-26)
Apêndices Não-Obrigatórios (A Z)
A subseção A abrange os requisitos gerais, comuns à construção de todos os vasos de pressãoA subseção B abrange os requisitos referentes ao processo de fabricaçãoA subseção C abrange os requisitos referentes ao material de fabricação
51
ASME VIII div ISUBSEÇÃO PARTE REQUISITOS APLICAÇÃO
A UG GERAIS TODOS OS VASOS
B UW SOLDAGEM VASOS COM PARTES SOLDADAS.
UR REBITAMENTO VASOS COM PARTES REBITADAS.
UF FORJAMENTO VASOS COM PARTES FORJADAS.
UB BRAZAGEM VASOS COM PARTES UNIDAS POR BRAZAGEM.
C UCS AÇO CARBONO E BAIXA LIGA VASOS COM PARTES EM AÇO CARBONO OU BAIXA LIGA.
UNF METAIS NÃO FERROSOS VASOS COM PARTES EM METAIS NÃO FERROSOS.
UHA AÇO ALTA LIGA VASOS COM PARTES EM ALTA LIGA.
UCI FERRO FUNDIDO VASOS COM PARTES EM FERRO FUNDIDO.
UCL REVESTIMENTOS VASOS COM PARTES REVESTIDAS (CLAD OU LINING).
UCD FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS VASOS COM PARTES EM FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
UHT AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA VASOS COM PARTES EM AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA.
ASME VIII div II
52
•Filosofia
Está divisão adota um critério de projeto diferente à divisão I contendo uma tecnologia mais avançada, o mesmo critério é
empregado na Seção III (Vasos Nucleares)
•Preparação de Especificação de Projeto de Usuário (User´s Design Specification)
Detalhes das Condições de Operação, Acompahmento de Vaso em condições de operação (Vida útil).
ASME VIII div II
53
•Filosofia
“A Div II Permite Tensões mais elevadas que a Div I”
Em Compensação para garantir um grau de segurança e feita uma serie de exigências adicionais de projeto, calculo, materiais, fabricação e inspeção (CUSTO MAIOR) de forma que nem sempre compensa a economia feita em material e
solda (Função da Espessura e material).
ASME VIII div II
54
•Exigências•Análise Matemática de todas as tensões e condições de
carregamento de acordo com a teoria da elasticidade. Estudos por “fotoelasticidade” e por “strain-gage”
•Maior exigência quanto a materiais (requisitos adicionais)•Maiores limitações e exigências mais rigorosas quanto a detalhe de projeto de soldas
•Obrigação de Análise por fadiga (Apêndice 5) + Cálculo analítico das tensões (Apêndice 4)•Obrigação do Fabricante da apresentação do (User´s Design Specification) assinados por um profissional habilitado
ASME VIII div II
55
A divisão II está dividida:
- Apêndice 4 Projeto Baseado em Análise de Tensões
- Apêndice 5 Projeto Baseado em Análise de Fadiga
- Apêndice 6 Análise Experimental de Tensões
As Exigências, como ser a análise de tensões, se encontram nos seguintes apêndices:
- Parte AG Requisitos Gerais
- Parte AM Materiais
- Parte AD Projeto
- Parte AF Fabricação
- Parte AR Dispositivos de Alívio de Pressão
- Parte AI Inspeção e Radiografias
- Parte AT Testes - Parte AS Marcação e Relatórios
- Apêndices Não Obrigatórios - Apêndices Obrigatórios
COMPARAÇÃO ENTRE AS DIVISÕES 1 E 2 DO CÓDIGO ASME SEÇÃO VIII
56
A Divisão 2 utiliza como critério de resistência o critério de Tresca enquanto na Divisão 1 utiliza-se o critério de Rankine
A Divisão 1 apresenta fórmulas para o cálculo da espessura mínima de parede, baseada na teoria da membrana, ou seja, utiliza fórmulas de cálculo simplificadas; a Divisão 2, quando exige análise de tensões, requer cálculo detalhado e o tipo de tensão atuante em cada parte do vaso que são comparados com diferentes valores de intensificação de tensões de projeto
A Divisão 2 considera a possibilidade de falha por fadiga e dá regras para esta análise (Apêndice 5).
GeneralidadesAbordagem a Materiais
57
•As tensões Admissíveis (Sadm), deve ser menores aos Limites de elasticidade (Se) (aprox=escoamento) e Ruptura (Sr) do material na temperatura considerada
•As tensões Admissíveis (Sadm) para as partes pressurizadas dos vasos são valores fixados pelas normas de projeto para cada caso e cada material
•Com o aumento da temperatura as tensões Admissíveis (Sadm) do material diminuem (Até o limite do uso pratico do material). Então, as normas de projeto fornecem os diversos valores de Sadm em função da temperatura na qual o material se encontre
•Para as partes não pressurizadas (suportes, estruturas, etc.), se costuma utilizar as tensões admissíveis usuais para estruturas metálicas em geral (levando em consideração o efeito da temperatura)
Generalidades sobre as Normas
Abordagem a Materiais
58
•Os materiais dúcteis podem ter coeficientes de segurança menores do que os materiais frágeis
•Em alguns casos o coeficiente de segurança pode depender da relação entre Sr/Se
ASME VIII Div ITemp. abaixo da faixa de fluência
LR/3,5 (Verif.) ou LE/1,5 (Adotar o menor)
Outros requerimentos. Estes serão analisados separadamente mais adiante (Ver Fluência*)
•Critérios de Cálculo adotados (Máxima tensão circunferencial de membrana Pint)
Generalidades sobre as Normas
Abordagem a Materiais
59
BS-5500 (Exigências Maiores que ASME)Aços Ferríticos
LR/2,35 e LE/1,5
Aços Austeníticos
LR/2,5 e LE/1,5
•Critérios de Cálculo adotados (Para tensões primarias de membrana Pint)
Para temperaturas dentro da faixa de Fluência adotar:
Tensão de ruptura por fluência /1,3
A.D. MERKBLATTPara aços laminados com garantia de qualidade (item 3 DIN-50049) adota:
Tensão de ruptura por fluência em 10000 h /1,5L.E. /1,5 ou Sy (0,2%)/1,5
Tensão para 1% de deformação em fluência em 10000 h
•Para outros materiais o coeficiente de segurança é maior 1,8
MATERIAIS
60
A seleção dos materiais adequados a cada uma das partes de um vaso de pressão é um dos problemas mais difíceis
para o projetista do equipamento. Os fatores normalmente considerados na escolha do material para a fabricação de
um vaso de pressão são os citados a seguir:
Condições de serviço do equipamento (pressão e temperatura de operação)
Nível e natureza das tensões atuantes
Natureza, concentração e impurezas, por exemplo, dos fluidos em contato com o vaso
Custo do material e segurança
Facilidade de fabricação, montagem e manutenção
Tempo de vida previsto para o equipamento
Influencia de Altas Temperaturas
61
A partir de determinada temperatura, característica de cada metal ou liga metálica, o material torna-se sujeito a um processo de deformação plástica
ao longo do tempo, provocado por uma tensão que pode mesmo ser inferior ao limite de escoamento do material, a este fenômeno
denominamos fluência
Curva de Fluência
62
A tensão admissível em fluência para o código ASME Seção VIII div I é o menor valor entre:
63
Temp. abaixo da faixa de fluência
LR/3,5 (Verif.) ou LE/1,5 (Adotar o menor)
Temp. dentro da faixa de fluência
- LR/3,5 (Verif.) e LE/1,5 (Adotar o menor)
Lembrando os Critérios de Cálculo adotados (Máxima tensão circunferencial de membrana Pint)
Fluência
- 100% da tensão média para taxa de deformação por fluência de 0,01% em 1.000 horas
- 67% da tensão média para ruptura em 100.000 horas
- 80% da tensão mínima para ruptura em 100.000 horas
Fluência
64
Materiais Temperaturas Limites (º C)
PartesPressurizadas
Partes nãoPressurizadas
Aços-carbono qualidade estrutural 150 530
Aços-carbono não acalmados (materiais qualificados)
400 530
Aços-carbono acalmados com Si (Grão Grosso)
450 530
Aços-liga ½ Mo 510 530
Aços-liga 1 ¼ Cr - ½ Mo 550 550
Aços-liga 9 Cr - 1 Mo 600 650
Aço inoxidável 405 500 700
Aços inoxidáveis 304, 316 600 900
Aço inoxidável 446 550 1100
Aços inoxidável 310 600 1100
PB N-253
Influências em Baixas Temperaturas
65
“Numerosos metais que apresentam um comportamento dúctil em temperatura ambiente podem tornar-se
quebradiços quando submetidos a temperaturas baixas, ficando sujeitos a rupturas repentinas por fratura frágil”
“As fraturas frágeis caracterizam-se por apresentarem pouca ou nenhuma deformação prévia, por isso as fraturas frágeis têm caráter
catastrófico, com perda total do equipamento quando ocorrem”
Influências em Baixas Temperaturas
66
Três condições são necessárias para ocorrência de uma fratura frágil:
- Tensões de tração elevadas;- Presença de entalhes;
- Temperaturas abaixo da temperatura de transição
Temperatura Transição Dúctil Frágil
67
Temperatura Transição Dúctil Frágil
68
Ensaios de Impacto (UCS-66)
69
Materiais para Serviços Criogênicos (<-45ºC)
70
71
CRITÉRIOS PARA ESPECIFICAÇÃO DOS MATERIAIS COMPONENTES DE VASOS DE
PRESSÃO
A fim de facilitar a orientação da especificação dos materiais para os diversos
componentes de um vaso de pressão, utilizaremos uma divisão destes
componentes em 6 (seis) classes (PB N-253)
72
MATERIAL BÁSICO DO VASO
Classe da Partedo VasoConsiderado
Aço-Carbono Aço-Carbono Para Baixas Temperaturas
(com teste de impacto)
Aços-Liga, Aços Inoxidáveis e Metais Não Ferrosos
I Mesmo material do casco
Mesmo material do casco
Mesmo material do casco
II Mesmo material do casco
Mesmo material do casco
Material com o mesmo "P-Number" do material
do casco
III Aço-carbono de qualidade estrutural
Aço-carbono para baixas temperaturas com teste de impacto
Material com o mesmo "P-Number" do material
do casco (ver nota)
IV Materiais especificados em cada caso
Materiais especificados em cada caso
Materiais especificados em cada caso
V Aço-carbono de qualidade estrutural
Aço-carbono de qualidade estrutural
Aço-carbono de qualidade estrutural
VI Aço-carbono de qualidade estrutural
Aço-carbono de qualidade estrutural
Material com o mesmo "P-Number" do material
do casco
CRITÉRIOS PARA ESPECIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
Materiais Utilizados
73
•ASTM A - 285 Gr C; ASTM A - 515 Gr 60 e Gr 70; ASTM A - 516 Gr 60 e 70
Numa abordagem bem ampla poderíamos classificar o ASTM A - 285 Gr C como adequado para partes não pressurizadas ou para serviços não tóxicos, em pressões e temperaturas não muito elevadas; os ASTM A - 515 Gr 60 e Gr 70, acalmados, para temperaturas mais elevadas; e o ASTM A - 516 Gr 60 e 70, acalmados, para serviços em baixas temperaturas. O aço ASTM A 283 Gr C
pode ser utilizado, mas possue certas restrições na sua utilização.
74
Materiais Utilizados
Numa faixa de temperatura mais elevada e para serviços com hidrogênio, são muito utilizados os aços de liga Mo e Cr -Mo, sendo os mais comuns os seguintes:
ASTMA A - 204 Gr A/B/C (1/2 Mo); ASTM A - 387 Gr 11 (1 ¼ Cr- ½ Mo); ASTM A - 387 Gr 22 (2 ¼ Cr - 1 Mo).
Numa faixa de temperatura mais elevada, seriam indicados os aços inoxidáveis, ASTM A - 240 Gr 304 (AISI 304); ASTM A - 240 Gr 304 L
(AISI 304 L); ASTM A - 240 Gr 316 (AISI 316); ASTM A - 240 Gr 316 L (AISI 316 L); ASTM A - 240 Gr 321 (AISI 321); ASTM A - 240 Gr 405 (AISI
405Em baixas temperaturas são utilizados:
- Aços liga ao Níquel: ASTM A - 203 Gr A/Gr B (2 ¼ Ni); ASTM A - 203 Gr D/Gr E (3 ½ Ni); ASTM A - 353 (9 Ni);
- Aços Inoxidáveis Austeníticos;- Metais não ferrosos:
Ligas de Alumínio/Magnésio - ASTM B - 209 (5083) Ligas de Alumínio/Silício - ASTM B - 209 (6061).
75
Especificações da ASTM
76
Especificações da ASTM
77
Especificações da ASTM
Tipos de Válvulas
94
Válvulas de Segurança e Alivio
Controle da Pressão Montante
Caldeira Aquotubular
Tipos de Tampos Planos
Ligação de Tubulações
57
Flanges
ANSI B.16.5
Top Related