OTIMIZAÇÃO DE ESPESSURAS EM TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS ATRAVÉS DA ANÁLISE ESTRUTURAL Francisco Ruiz Dominguez, MSc (1), ENGESERV Ltda.
[email protected] Edison Gonçalves, PhD (2), Prof.Titular - EPUSP
[email protected]
Resumo Nas plantas industriais dos setores químico e petroquímico observa-se uma grande quantidade de complexas redes de tubulações instaladas, o que se deve basicamente à necessidade de transferir e processar fluídos em diversas condições de pressão e temperatura em suas operações produtivas. Uma indústria petroquímica de médio porte possui entre 3.000 e 15.000 toneladas de tubulações de aço-carbono instaladas, fazendo com que o adequado dimensionamento desse sistema de tubulações adquira grande importância. Via de regra, esses sistemas de tubulações operam sob pressões e temperaturas elevadas, além de serem linhas longas, com arranjos e rotas tridimensionais e de vinculação hiperestática. Procedimentos normativos e métodos de solução estrutural são discutidos e comparados, com o objetivo de validar premissas originais, aplicar o Método dos Elementos Finitos como ferramenta de otimização estrutural e principalmente buscar soluções construtivas seguras e mais econômicas. Abstract In the chemical and petrochemical plants we can notice a big amount and complexity of pipings installeds, it happens due to the need to transfer and process fluids with differents pressures and temperatures and to get the operational requirements of production. A middle size petrochemical plant has among 3,000 to 15,000 tons of carbon steel pipings assembled so an adjusted sizing of these piping systems is very important. In general, these piping systems work under elevated pressures and temperatures, are long, with tridimension arrangement and have hyperstatic restrictions. Code procedures and structural solutions methods are discussed and compared with goal to verify original rules, to apply the Finite Element Analyze as tool to structural optimatization and mainly to get building solutions safety and cheaper. This paper is part of master degree work from author1, where can find it the complete work.
Palavras chave: Tubulações, análise de flexibilidade, ASME, redução espessuras de tubo, elementos finitos, casca, viga, SIF. Piping, flexibility, stress analyse, ASME, thickness reduction, finite element, shell, beam, SIF
1
Introdução O projeto e construção de linhas de tubulações industriais, pressurizadas e/ou aquecidas, tem na norma ASME serie B31 e já de longa data um conjunto de procedimentos que orientam requisitos para os materiais empregados, controle de qualidade de fabricação e também seu projeto, em especial, uma parte dirigida à análise de flexibilidade de tubulações. Esses critérios são caracterizados desde os idos de 1950 por (KELLOGG, 1979, [14] ), no Brasil nos anos 70 por (TELLES, 2000, [18] ) e (BAILONA, 2006, [4] ). Existem 04 pontos, que sempre fundamentaram os projetos nessa área até o momento, que são: 1) A solução estrutural da linha de tubulação, pela teoria de vigas e pela teoria de membrana para a pressão interna. 2) Os fatores de intensificação de tensões (SIF-normativos) são aplicados, sobre esforços de viga, em singularidades como conexões, visando prever um nível de tensões mais compatível para essas regiões. 3) O efeito de relaxamento espontâneo (“self-springing”) que reduz com o tempo ou ciclos o nível das tensões secundárias. 4) Via de regra, a espessura mínima é regida pela tensões circunferenciais, oriundas da pressão interna mas a espessura final adotada pode ser dependente também das tensões secundárias, devido a intensificação local de tensões. Esses aspectos são discutidos e reavaliados, permitindo apresentar a real possibilidade de redução da espessura de parede final, adotada para os tubos aplicados nesses projetos. Tensões Atuantes em Tubulações A norma ASME B31.3 dirigida a instalações petroquímicas e seus fluídos de processo e a norma ASME B31.1 destinada a produção e distribuição de vapor, entre outras, classificam as tensões atuantes em uma tubulação, basicamente em 02 grupos: - Tensões Primárias, oriundas de carregamentos como pressão, peso-próprio, vento, cargas de componentes ou equipamentos montados nestas, etc. cuja variação do carregamento tem interação direta com a rigidez estrutural, afetando o nível de tensões internas do tubo. - Tensões Secundárias, desenvolvidas pelo processo de expansões térmicas, sob temperaturas acima da temperatura ambiente, dos diversos segmentos de uma linha de tubulação, onde estes deslocamentos impostos entre trechos ortogonais, geram um conjunto de esforços mecânicos, em especial os de flexo-torção. Nas tensões secundárias, observa-se e demonstra-se também, que as forças desenvolvidas na distribuição das parcelas de dilatação térmica entre trechos da tubulação, estão associadas com a flexibilidade, ou melhor, nível de restrição do trecho que irá receber essa parcela de deslocamento imposto. Essa rigidez é caracterizada, em linhas gerais, pelo comprimento ao cubo dos trechos ortogonais “absorvedores” da dilatação, a partir das forças decorrentes que produzirão os deslocamentos, geram-se uma série de esforços internos. Como há uma relação deslocamento por expansão térmica (Δn), flexibilidade (L3) e conseqüente força (F) desenvolvida, a mudança apenas da espessura do tubo (para um determinado diâmetro) ou seja, a rigidez própria (I) da secção desse tubo não altera o nível das tensões secundárias. 2
Isso tudo, visto pela ótica da teoria de vigas estaria correto, porém nas singularidades (regiões de concentração de tensões) e se considerarmos aspectos de ovalização, caracterizados por teoria de cascas, iremos verificar, que localmente o quadro acima pode se modificar com a variação da espessura.
Os materiais empregados em tubulações, em especial os aços carbono, tem suas propriedades físicas como limite de escoamento e resistência decaindo com o aumento de temperatura, estes valores já associados aos coeficientes de segurança são disponibilizados pela ASME taba, como, tensão admissível Sc (na temperatura ambiente) e Sh (na temperatura de projeto). As tensões primárias atuantes devem ser comparadas, com as admissíveis, da seguinte forma normativa: a) tensões tangenciais (“hoop stress”) ou circunferências, devido a pressão interna, seguindo-se a tensão membrana ( Stp=P.D/2.tc) ajustada pela norma B31.3 nos itens 304.1 e 304.2 Stp
