Curso de Inspetor de Equipamentos

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Vasos de Pressão e Torres

Rio de Janeiro, 12 ao 20 de Setembro de 2006

Professor: Juan Manuel Pardal

Introdução

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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

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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

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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

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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

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•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

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Exemplos

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Exemplos

9

Exemplos

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Vasos de Pressão

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•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

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•Casco (Shell)

•Tampos, Calotas (Heads)

Tipos de Tampos

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Plano

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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

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Reforços

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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)

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Acessórios Internos

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•BANDEJAS

•DISTRIBUIDORES

•GRADES

•ANEIS E VIGAS DE SUSTENTAÇÃO

•ENCHIMENTOS (Torres de Recheio)

•RETENTORES DE GOTÍCULAS (Demisters)

Sobre as Torres de Recheios

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•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

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•Tipos de recheios Cerâmicos Anéis Pall

Anéis Cross-Partition

Anéis Raschig Anéis Lessing

Acerca de Retentores de Gotículas

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•Retenção de Gotículas como particulas sólidas

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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

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Acessórios Externos

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Acessórios Externos

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Suportes

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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

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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

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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)

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Suportes Vasos Horizontais

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Suportes Vasos Verticais

Estes vasos são, usualmente, sustentados por meio de saias cilíndricas ou cônicas, colunas

ou sapatas

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Suportes Vasos Verticais

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Suportes Vasos Verticais

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Suportes Vasos Verticais

Suportes Vasos Verticais

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Suportes Vasos Esféricos

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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

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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

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•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

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•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

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•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

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•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

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•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

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•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

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•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

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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

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•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

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•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

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•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

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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

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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

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•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

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•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

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•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

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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

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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

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•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

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•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

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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

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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

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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

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A tensão admissível em fluência para o código ASME Seção VIII div I é o menor valor entre:

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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

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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

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“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

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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

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Temperatura Transição Dúctil Frágil

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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)

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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

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•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.

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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