UNIVERSIDADE CASTELO BRANCO FELIX ALBERTO MURGA CABALLERO ANÁLISES DOS PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS RIO DE JANEIRO 2010
UNIVERSIDADE CASTELO BRANCO
FELIX ALBERTO MURGA CABALLERO
ANÁLISES DOS PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS
RIO DE JANEIRO
2010
FELIX ALBERTO MURGA CABALLERO
ANÁLISES DOS PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS
Monografia apresentada à Coordenação de Cursos de Pós-Graduação de Petróleo e Gás da Universidade Castelo Branco como requisito parcial à Obtenção do Grau de Especialista em Engenharia de Construção e Montagem de Tubulação On-Shore e Off-Shore.
ORIENTADOR: Prof. Carlos Alexandre de Araujo, MSc.
RIO DE JANEIRO
2010
FELIX ALBERTO MURGA CABALLERO
ANÁLISES DOS PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS
Monografia apresentada à Coordenação de Cursos de Pós-Graduação de Petróleo e Gás da Universidade Castelo Branco como requisito parcial à Obtenção do Grau de Especialista em Engenharia de Construção e Montagem de Tubulação On-Shore e Off-Shore.
Aprovada em:
Bancada Examinadora:
Prof. Dr. Luiz Carlos Da Silva
Prof. Esp. Fabrinny Araujo Da Silva
DEDICATÓRIA
Aos meus familiares
i
AGRADECIMENTOS
A Deus, por ser meu guia do meu caminho.
À memória de minha mãe, Luisa Caballero, que mesmo não estando presente entre
nós, continua sendo um símbolo de amor e ternura.
Ao meu pai, Felix Murga pelos conselhos, incentivos, orientações nos meus estudos e
opções profissionais.
À minha irmã Donata, pelo apoio, compreensão e se orgulhar de minha pessoa.
À minha esposa Leda e meus filhos Ana Luisa e Andre Filipe pela compreensão, apoio
e paciência que tiveram na elaboração deste trabalho.
Em especial, ao orientador e professor Carlos Alexandre de Araujo, pelo apoio,
dedicação e amizade.
Aos amigos que no decorrer deste período colaboraram direta e indiretamente.
Ao corpo docente a coordenação do curso.
ii
EPÍGRAFE
“Há homens que lutam um dia e são bons. Há outros que lutam um ano e são melhores.
Há os que lutam muitos anos e são muito bons. Porém, há os que lutam toda a vida.
Esses são os imprescindíveis."
Bertolt Brecht
iii
RESUMO
Felix Alberto Murga Caballero, Carlos Alexandre De Araujo (Orientador).
ANALISES DOS PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS. Monografia apresentada
à Coordenação de Cursos de Pós-Graduação de Petróleo e Gás da Universidade Castelo
Branco como requisito parcial à obtenção do Grau de Especialista em Engenharia de
Construção e Montagem de tubulação On-Shore e Off-Shore. 2010. Rio de Janeiro.
Curvas em tubos são elementos importantes usados em mudanças de direção em
sistemas de dutos da indústria do petróleo e gás. Um sistema de dutos geralmente transporta:
óleo, diesel, gasolina, querosene de aviação (QAV), GLP, gás natural entre outros. A
fabricação e montagem destes elementos curvados nos dutos devem garantir que o transporte
dos fluidos seja feita com alto grau de segurança e confiabilidade.
Essa Monografia procura descrever de forma sucinta e exploratória, os resultados
relativos ao processo de pós-dobramento de tubos, através de uma analise comparativa das
diversas variáveis envolvidas no processo, como por exemplo: diâmetro, espessura, material,
e deformação do material.
Em um processo de curvamento de tubos, algumas peças curvadas podem apresentar
defeitos ou anormalidades, o critério da tolerância destes defeitos são julgadas através das
normas mais usadas na indústria de dutos deforma que garanta de forma segura o transporte
do petróleo e seus derivados e que são expostas nesta Monografia.
PALAVRAS CHAVE: Processos de curvamento, raios de curvatura, defeitos em tubos
curvados.
iv
RESUMEM
Felix Alberto Murga Caballero, Carlos Alexandre De Araujo (Supervisor).
ANÁLISES DE LOS PROCEDIMIENTOS DE FEXIÓN EN CONDUCTOS. Monografia
presentada a la Coordinación de los Cursos de Postgrado de Petróleo e Gas de la Universidad
Castelo Branco como requisito parcial para obtener el Titulo de Especialista en Ingenieria,
Construcción e Instalacion de tuberias On-shore y Off-shore. 2010. Rio de Janeiro.
Las curvas por tubos, son elementos importantes utilizadas en los sistemas de
conductos cuando son necesarios cambios de dirección em estas lineas para la industria del
Petroleo e Gas. Un sistema de conductos por lo general transporta: aceite, diesel, gasolina, jet
fuel (combustible de aviación), GLP, gas natural y otros productos similares a este grupo. La
fabricación y montaje de estos elementos curvos en los conductos debe garantir que el
transporte de liquidos se haga con alta seguridad y fiabilidad.
Esta monografia intenta describir de manera sucinta y exploratoria los resultados
existentes en el proceso de post-doblado de tubos, por medio de un analises comparativo de
las distintas variables involucradas en el proceso, tales como: el diametro, espesor, material, y
la deformación del material.
En un tubo doblado, algunas piezas pueden presentar defectos o anomalias. El criterio
de la tolerancia de estos defectos pude ser a taves de las normas de Projecto e Construcción
más utilizadas en este ramo de industria. En esta monografia son expuestas algunos de esos
criterios.
PALABRAS CLAVE: Procesos de flexión. Radios de Flexión. Os defectos en los tubos
curvos.
v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Refinaria de produção de derivados de petróleo.....................................................3
Figura 2 – Petroleiro usado no transporte de petróleo e seus derivados....................................4
Figura 3 – Dutos de uma refinaria [25]......................................................................................7
Figura 4 – Seções transversais em tubos. [9]............................................................................13
Figura 5 - Tipos de extremidades de tubo de aço. [25]............................................................14
Figura 6 – Fabricação de tubos por laminação - Laminador oblíquo [25]...............................16
Figura 7 – Fabricação de tubos por laminação – Laminadores de acabamento [25]...............16
Figura 8 – Fabricação de tubos por extrusão [25]....................................................................17
Figura 9 - Sistema de fundição centrífuga para produção de tubos de ferro fundido..............18
Figura 10 – Processo de fabricação de tubo com costura longitudinal [28]............................18
Figura 11 - Tubo com costura helicoidal [25]..........................................................................18
Figura 12 - Processo de solda por resistência elétrica por pontos (a) e por costura (b) [16]....19
Figura 13 – Soldagem a arco submerso [16]............................................................................20
Figura 14 - Calandras de perfis e tubos [7]..............................................................................20
Figura 15 - Calandras numéricas de perfis e tubos [7].............................................................21
Figura 16 – dobramento de tubos metálicos [7].......................................................................22
Figura 17 – Diagrama tensão-deformação específica de materiais elastoplásticos, bilineares
[3]..............................................................................................................................................23
Figura 18 – Momentos fletores abaixo do regime elástico [3].................................................23
Figura 19 – Momentos fletores no limite do regime elástico [3].............................................24
Figura 20 – Momentos fletores provocando zonas de plastificação [3]...................................24
Figura 21 – Momentos fletores plásticos e formação de rótula plástica [3].............................25
Figura 22 - Maquina curvadeira de tubos [7]...........................................................................30
Figura 23 – Curvamento a frio no campo [13].........................................................................31
Figura 24 – Curvamento a quente a alta freqüência [5]...........................................................36
Figura 25 - Transferidor de grau para curvamento a quente [5]...............................................37
Figura 26 – Diagrama esquemático para medição de ondulações [17]....................................38
Figura 27 - Variação do raio mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X42 em função do
diâmetro nominal......................................................................................................................42
Figura 28 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X46 em função
do diâmetro Nominal................................................................................................................44
vi
Figura 29 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X52 em função
do diâmetro Nominal................................................................................................................46
Figura 30 - Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X56 em função
do diâmetro nominal.................................................................................................................48
Figura 31 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X60 em função
do diâmetro nominal.................................................................................................................50
Figura 32 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X65 em função
do diâmetro Nominal................................................................................................................52
Figura 33 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X70 em função
do diâmetro Nominal................................................................................................................54
Figura 34 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X80 em função
do diâmetro Nominal................................................................................................................57
Figura 35 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X42 em função
da espessura da parede.............................................................................................................59
Figura 36 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X46 em função
da espessura da parede..............................................................................................................61
Figura 37 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X52 em função
da espessura da parede..............................................................................................................63
Figura 38 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X56 em função
da espessura da parede..............................................................................................................65
Figura 39 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X60 em função
da espessura da parede..............................................................................................................67
Figura 40 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X65em função
da espessura da parede..............................................................................................................69
Figura 41 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X70 em função
da espessura da parede..............................................................................................................71
Figura 42 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X80 em função
da espessura da parede..............................................................................................................73
Figura 43 - Variação do raio mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L em função do
diâmetro nominal, de X42 até X80...........................................................................................76
Figura 44 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L em função da
espessura da parede, de X42 a X80...........................................................................................78
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Graus de Material Tubo API e Tensão Mínima de Escoamento (Sy) de materiais
para Tubos [2]...........................................................................................................................11
Tabela 2 - Curvamento a frio para tubos...................................................................................32
Tabela 3 - Determinação do ângulo Maximo de curvatura [29]...............................................35
Tabela 4 - Graus e Propriedades Mecânicas de Tubos aço-carbono API 5L [18]....................39
Tabela 5 – Variação do (Rm) para tubos API 5L X42..............................................................41
Tabela 6 - Variação do Rm para tubos API 5L X46.................................................................43
Tabela 7 - Variação do Rm para tubos API 5L X52.................................................................45
Tabela 8 - Variação do Rm para tubos API 5L X56.................................................................47
Tabela 9 - Variação do Rm para tubos API 5L X60.................................................................49
Tabela 10 - Variação do Rm para tubos API 5L X65...............................................................51
Tabela 11 - Variação do Rm para tubos API 5L X70...............................................................54
Tabela 12 - Variação do Rm para tubos API 5L X80...............................................................56
Tabela 13 - Variação da Rm para Tubos API 5L X42..............................................................59
Tabela 14 - Variação da Rm para Tubos API 5L X46..............................................................61
Tabela 15 -Variação da Rm para Tubos API 5L X52...............................................................63
Tabela 16 - Variação da Rm para Tubos API 5L X56..............................................................65
Tabela 17 - Variação da Rm para Tubos API 5L X60..............................................................67
Tabela 18 - Variação da Rm para Tubos API 5L X65..............................................................69
Tabela 19 - Variação da Rm para Tubos API 5L X70..............................................................71
Tabela 20 - Variação da Rm para Tubos API 5L X80..............................................................73
viii
SUMÁRIO
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO ................................................................................................ 1
1.1. PETRÓLEO E SEUS DERIVADOS .............................................................................. 1
1.1.1. O que é o petróleo? ....................................................................................................... 1
1.1.2. Formação das bacias sedimentares e petróleo .............................................................. 1
1.1.3. Obtenção dos derivados do petróleo ............................................................................. 2
1.1.3.1. Exploração .............................................................................................................. 2
1.1.3.2. Perfuração ............................................................................................................. 2
1.1.3.3. Produção ................................................................................................................. 2
1.1.3.4. Refino ..................................................................................................................... 3
1.1.3.5. Transporte .............................................................................................................. 3
1.2. OBJETIVOS DA MONOGRAFIA ................................................................................. 4
CAPÍTULO II: CONCEITOS INICIAIS ................................................................................... 6
2.1. TUBOS E TUBULAÇÕES ................................................................................................. 6
2.2. DUTOS ................................................................................................................................ 6
2.3. CLASSIFICAÇÕES DAS TUBULAÇÕES ........................................................................ 8
2.3.1. Tubulações quanto ao emprego .................................................................................... 8
2.3.2. Tubulações quanto ao fluido conduzido ....................................................................... 8
2.4. MATERIAIS PARA FABRICAÇÃO DE TUBOS ............................................................ 8
2.4.1. Tubos de aço carbono ................................................................................................... 9
2.4.2. Especificação de material de tubos de aço carbono .................................................... 10
2.4.3. Tubos de Aço - liga ..................................................................................................... 12
2.5. NORMALIZAÇÃO DOS TUBOS ................................................................................... 13
2.6. DADOS PARA AQUISIÇÃO DE TUBOS ..................................................................... 14
2.7. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TUBOS ............................................................... 15
ix
2.7.1. Fabricação de Tubos por Laminação .......................................................................... 15
2.7.2. Fabricação de Tubos por Extrusão .............................................................................. 16
2.7.3. Fabricação de Tubos por Fundição ............................................................................. 17
2.7.4. Fabricação de Tubos com Costura – Fabricação soldada ........................................... 18
2.8 PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS ............................................................ 20
2.8.1. Conceituação ............................................................................................................... 20
2.8.2. A física do processo de curvamento de dutos ............................................................. 21
2.8.3. Análise do processo de conformação mecânica de dobramento ................................. 22
2.8.4. Dobramento contínuo por rolos - tubos ...................................................................... 25
2.8.5. Recuperação elástica ................................................................................................... 27
2.8.6. Tipos de curvamento ................................................................................................... 28
2.8.7. Curvamento Natural .................................................................................................... 28
2.8.8. Curvamento a frio ....................................................................................................... 30
2.8.9. Critérios de aprovação ou rejeição de anormalidades na região curvada a frio .......... 32
2.8.10. Curvamento a Quente ............................................................................................... 35
2.8.11. Critérios de aprovação ou rejeição de anormalidades na região curvada a quente ... 37
CAPITULO III: ANÁLISES COMPARATIVAS ................................................................... 39
3.1 PROPRIDADES MECÂNICAS DOS TUBOS ................................................................. 39
3.2 METODOLOGIAS DE ANÁLISES .................................................................................. 39
3.2.1. Analise do raio de curvatura mínimo (Rm) em função da variação do diâmetro nominal (D). .......................................................................................................................... 40
3.2.1.1. Comportamento do Rm para tubos aço classe API 5L X42. ................................ 40
3.2.1.2 – Comportamento do Rm para tubos aço classe API 5L X46. ............................... 42
3.2.1.3 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X52 .......................... 44
3.2.1.4 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X56 .......................... 46
3.2.1.5 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X60 .................................... 48
x
3.2.1.6 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X65. ................................... 50
3.2.1.7 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X70. ................................... 52
3.2.1.8 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X80. ................................... 55
3.2.2 – Analise do raio de curvatura mínimo (Rm) em função da variação da espessura da parede do tubo. ...................................................................................................................... 58
3.2.2.1 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API X 42 .............................. 58
3.2.2.2 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X46 .......................... 60
3.2.2.3 – Comportamento do Rm para tubos aço classe API 5L X52. .............................. 62
3.2.2.4 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X56 .......................... 64
3.2.2.5- Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X60............................ 66
3.2.2.6 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X65 .......................... 68
3.2.2.7- Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X70............................ 70
3.2.2.8 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X80 .......................... 72
CAPITULO IV: CONCLUSÃO ............................................................................................... 75
4.1. ANÁLISE DO RAIO DE CURVATURA MÍNIMO (Rm) EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DO DIÂMETRO NOMINAL (D) ...................................................................... 75
4.2. ANALISE DO RAIO DE CURVATURA MÍNIMO (Rm) EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DA ESPESSURA DA PAREDE DO TUBO. .................................................... 77
xi
1
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO
1.1. PETRÓLEO E SEUS DERIVADOS
1.1.1. O que é o petróleo?
Do latim Petra (pedra) e Oleum (óleo). O petróleo é uma substancia oleosa,
inflamável, e com cheiro característica e em geral, menos densa que a água e com cor
variando entre o negro e o castanho escuro. É um produto de origem orgânica, sendo uma
combinação de moléculas de carbono e hidrogênio. Admite-se que esta origem esteja ligada à
decomposição dos seres que compõem o plâncton – organismos em suspensão nas águas
doces ou salgadas tais como protozoários, celenterados e outros – causados pela pouca
oxigenação e pela ação de bactérias [30].
Estes seres decompostos foram, ao longo de milhões de anos, se acumulando no fundo
dos mares e dos lagos, sendo pressionados pelos movimentos da costa terrestre e
transformaram-se na substância oleosa, que é o petróleo.
Ao contrário do que se pensa o petróleo não permanece na rocha que foi gerado – a
rocha matriz – mas desloca-se até encontrar um terreno apropriado para se concentrar. Estes
terrenos são denominados bacias sedimentares, formadas por camadas ou lençóis porosos de
areia, arenitos ou calcários. O petróleo aloja-se ali, ocupando os poros rochosos como forma
”lagos”. Ele acumula-se, formando jazidas. Ali são encontrados o gás natural, na parte mais
alta, e petróleo com água nas partes mais baixas.
1.1.2. Formação das bacias sedimentares e petróleo
A idade do nosso planeta, a Terra, é calculada em bilhões de anos. As jazidas de
petróleo, não tão idosas, também têm idades fabulosas, que variam de um a quatrocentos
milhões de anos.
Durante esse período, aconteceram grandes e inúmeros fenômenos, como erupções
vulcânicas, deslocamento dos pólos, separação dos continentes, movimentação dos oceanos e
ação dos rios, acomodando a crosta terrestre na forma que a conhecemos hoje.
Com isso, grandes quantidades de restos vegetais e animais se depositaram no fundo
dos mares e lagos, sendo soterrados pelos movimentos da costa terrestre, sob pressão das
camadas de rochas e pela ação do calor. Esses restos orgânicos foram se decompondo até se
transformarem em petróleo.
2
Por longo tempo, os sedimentos foram se acumulando em camadas, dando origem as
rochas sedimentares e estas geram as bacias sedimentares. O petróleo só pode ser encontrado
em áreas onde houve acumulação de restos orgânicos e rochas sedimentares.
1.1.3. Obtenção dos derivados do petróleo
Como já visto, o petróleo não se acumula na rocha em que foi gerado. Ele passa
através dos poros das rochas, ate encontrar outra rocha que o aprisione, formando a jazida.
Para a obtenção dos diversos derivados do petróleo é necessário fazer uma serie de atividades:
1.1.3.1. Exploração
É o ponto de partida, onde é realizada a busca do petróleo para a localização de uma
jazida. Nesta fase são analisados o solo e o subsolo, mediante a aplicação dos conhecimentos
de Geologia e de Geofísica, entre outros
1.1.3.2. Perfuração
Nos locais determinados pelos estudos Geológicos e Geofísicos, perfura-se um poço -
o chamado “Poço Pioneiro” – mediante o uso de uma sonda. Comprovada a existência de
petróleo, outros poços são perfurados para se avaliar a extensão da jazida.
Essa avaliação é que vai determinar se é comercialmente viável, ou não, produzir o
petróleo descoberto. Caso positivo, o número de poços perfurados forma um Campo de
Petróleo.
1.1.3.3. Produção
Nesta fase, o óleo pode vir à superfície espontaneamente, impelida pela pressão
interna dos gases. Estes poços são chamados Poços Surgentes. Para controlar esse óleo é
usado, um conjunto de válvulas chamadas Árvore de Natal.
Quando, a pressão fica reduzida, são empregados processos mecânicos, como o
Cavalo de Pau, equipamento usado para bombear o petróleo para a superfície.
Os trabalhos em mar seguem critérios aplicados em terra, mas utilizam equipamentos
especiais de perfuração e produção: as Plataformas e os Navios-sonda.
Dos campos de produção, seja em terra ou em mar, o petróleo e o gás seguem para o
parque de armazenamento, onde ficam estocados. Este parque é uma grande área na qual se
3
encontram instalados diversos tanques que se interligam por médio de tubulações (ou dutos),
com diferentes materiais, geometrias, condições ambientais e restrições mecânicas;
1.1.3.4. Refino
Neste estágio na Refinaria, o petróleo vai sendo submetido a diversos processos para a
obtenção de muitos derivados.
Figura 1 – Refinaria de produção de derivados de petróleo.
Refinar petróleo é separar suas frações, processá-lo, transformando-o em produtos de
grande utilidade. A Petrobras possui 11 refinarias, localizadas do norte ao sul do Brasil,
responsável pelo processamento de milhões de barris diários de petróleo, essas refinarias
suprem nosso mercado com todos os derivados que podem ser obtidos a partir do petróleo
nacional ou importado: gasolinas, óleos combustíveis, além de outros.
1.1.3.5. Transporte
O transporte do petróleo e seus derivados se realizam por Oleodutos, Gasodutos,
Navios Petroleiros, Terminais Marítimos e Caminhões – Tanques. Oleodutos e Gasodutos são
sistemas que transportam o óleo e o gás, por meio de dutos (tubos) subterrâneos.
4
Figura 2 – Petroleiro usado no transporte de petróleo e seus derivados.
O transporte do petróleo e seus derivados por dutos tem se mostrado o meio, mas
econômico e seguro para o transporte de grandes volumes e por longas distâncias. Sua infra-
estrutura fixa que pode ser de superfície, subterrânea ou submarina, ligando os locais de
produção ou extração aos pontos de distribuição, refino ou embarque, como terminais de
portos.
Os primeiros Oleodutos foram construídos nos Estados Unidos entre 1875-1880. No
século XX, ampliarem-se as redes em diversas regiões do mundo, especialmente naquelas que
são grandes produtoras de petróleo, como o oriente médio e a antiga União Soviética, ou
grandes consumidores, coma a Europa [27].
No “Rio Pipeline 2009”, evento organizado em Rio de Janeiro – Brasil foi declarado
que a indústria dutoviária movimenta mais de 30 bilhões de dólares por ano no mundo. No
Brasil, são 20 mil quilômetros de dutos construídos, e existe um grande desafio para expansão
dessa malha, principalmente os dutos “offshore”. A perspectiva para os próximos cinco anos
para incrementar a malha de dutos é de investimentos cujo valor chegue a U$ 8 bilhões. Esta
malha de dutos deve ser expandida até 2013 conforme esta previsão: 1.000 km de oleodutos;
2.400 km de gasodutos; 2.000 km de dutos rígidos submarinos e 2.000 km de alcooldutos
[26].
1.2. OBJETIVOS DA MONOGRAFIA
A fabricação de dutos por dobramento objetiva à conformação do projeto dos sistemas
de tubulações às mudanças de direção necessárias para sua implementação no complexo
industrial de refino e transporte de derivados de petróleo.
5
Dessa forma, a presente Monografia procura descrever, de forma sucinta e
exploratória, os resultados relativos aos processos de dobramento de dutos de transporte de
petróleo e seus derivados, por meio de uma análise comparativa das diversas variáveis
envolvidas nesse processo, como por exemplo: diâmetro, espessura, temperatura, material,
deformação do material.
Assim, o presente Capítulo I apresentou um pequeno histórico sobre os fluidos a serem
transportados por dutos (petróleo e seus derivados).
No Capítulo II foram aprofundados os aspectos principais da engenharia de dutos, no
que concerne à classificação, materiais, diâmetros comerciais e espessuras, sua fabricação e
processos mecânicos de dobramento.
Já no Capítulo III concentra-se o foco do presente estudo, qual seja: elaborar uma
análise comparativa entre raios de curvatura mínimos requeridos em função de alguns
parâmetros de projeto, a saber: pressão de trabalho, diâmetro, e espessura do tubo em
dobramento, dentre outros.
Finalizando, o Capítulo IV versará sobre as conclusões do presente estudo e possíveis
contribuições do mesmo para a melhora e compreensão do estado da arte na fabricação de
dutos de transporte de derivados de petróleo.
Iniciando os estudos, foi feita uma extensa pesquisa bibliográfica a diversas fontes,
que podem ser encontradas ao final do trabalho.
6
CAPÍTULO II: CONCEITOS INICIAIS
Neste capitulo são abordados, de forma sucinta, alguns conceitos iniciais que são
fundamentais para o desenvolvimento e compreensão da presente monografia.
2.1. TUBOS E TUBULAÇÕES
Tubos são condutos fechados de seção circular e apresentam-se como cilindros ocos
compridos e são destinados ao transporte de fluidos. A condução do fluido é feita ocupando
toda área da seção transversal do tubo e trabalham como condutos forçados.
Tubulações são um conjunto de tubos e seus diversos acessórios devidamente
interligados entre si, cujo objetivo é armazenar e/ou interligar pontos de geração de fluidos os
quais podem estar distantes das máquinas que os usam.
Usam-se tubulações para a condução de todos os fluidos conhecidos, líquidos ou
gasosos, bem como materiais pastosos e fluidos com sólidos em suspensão, em toda faixa de
variação de pressão e temperatura usada nas indústrias.
A importância das tubulações nas indústrias é grande: em todas as indústrias há linhas
de tubulações de maior ou menor importância, e todas essas linhas são fundamentais ao seu
funcionamento. Nas chamadas Indústrias de Processos, onde as tubulações são todos os
componentes físicos de ligação entre os diversos equipamentos mecânicos (vasos de pressão,
tanques, bombas, trocadores de calor, etc.), e por onde circulam os fluidos de processo e
utilidades, o valor das tubulações representa, até 25% do custo total da instalação industrial.
Na indústria do petróleo e gás, o sistema de tubulações é conhecido como Dutos e tem
como objetivo principal o transporte de petróleo e seus derivados.
2.2. DUTOS
Dutos ou tubos são componentes dos sistemas de tubulações especialmente projetados
e construídos de acordo com as normas internacionais de segurança, para transportar produtos
tais como: petróleo e seus derivados, álcool e gás por distâncias longas. São fabricados de
diversos tipos de materiais os quais recebem tratamentos contra corrosão, sendo
inspecionados periodicamente por modernos equipamentos e monitoramento à distância.
7
Figura 3 – Dutos de uma refinaria [25].
Entre os dispositivos de segurança estão as válvulas de bloqueio, instalados em vários
intervalos dos dutos para impedir a passagem de produtos em caso de alguma anormalidade.
Dessa maneira, um duto permite que grandes quantidades de produtos sejam movimentadas
de forma relativamente segura.
Os dutos também são instalados dentro de uma refinaria. São instalados entre
municípios, entre estados ou entre países. Estes dutos interligam píeres, terminais marítimos e
fluviais, campos de produção de petróleo e gás, refinarias, companhias distribuidoras e
consumidoras. Na maior parte são instalações subterrâneas, há também os aéreos e os
submarinos, estes localizados nas imediações das plataformas de petróleo e terminais
marítimos.
Todo o complexo sistêmico de dutos (tubulações) implica num traçado dessas linhas
por áreas urbanas, rurais, avenidas e rodovias, condomínios, fazendas, serras e montanhas,
rios, lagos, mares, manguezais, ou seja, cortam uma grande diversidade de locais.
Na construção de um duto, os projetistas encontram dificuldade em relação ao traçado
do duto. Uma configuração reta é inviável, sendo necessário então fazer mudanças de direção,
devido à existência de acidentes geográficos, transversais e cruzamentos ao longo da
passagem do duto. Estas mudanças de direção só são possíveis mediante a fabricação de tubos
curvos nos diversos processos de dobramento.
8
2.3. CLASSIFICAÇÕES DAS TUBULAÇÕES
A literatura classifica as tubulações em dois grupos: tubulações quanto ao emprego e
tubulações quanto ao fluido conduzido.
2.3.1. Tubulações quanto ao emprego
As tubulações deste grupo ainda podem ser subdividas em:
• Tubulações dentro das instalações industriais, formadas pelas seguintes linhas:
tubulações de processo, tubulações de utilidades, tubulações de
instrumentação, tubulações de transmissão hidráulica e tubulações de
drenagem; e
• Tubulações fora de instalações industriais, formadas pelas seguintes redes:
tubulações de transporte e tubulações de distribuição.
2.3.2. Tubulações quanto ao fluido conduzido
Pertencem a este grupo, as tubulações que são empregadas na indústria para o
transporte de fluidos, tais como: água, vapor, óleos, ar, gases, esgoto e drenagem, produtos
químicos e fluidos diversos.
Nesta Monografia, serão focadas as tubulações de transporte (dutos) da linha tronco
que transportam os hidrocarbonetos e seus derivados (óleo, gás) e álcool, fora das instalações
industriais e para longas distâncias. Neste escopo, vale salientar que o projeto, construção e
montagem destas linhas seguem os critérios das normas ASME B31.4 [21], ASME 31.8 [22],
ABNT 12712 [2] e NORMA PETROBRAS N-464 [24].
2.4. MATERIAIS PARA FABRICAÇÃO DE TUBOS
Atualmente é grande a variedade dos materiais usados para fabricação de tubos. Só a
ASTM (Americam Society for Testing and Materials) especifica mais de 500 tipos diferentes
de materiais [8]. Damos a seguir um resumo dos principais materiais usados.
• Tubos de aço-carbono;
• Tubos de aço-liga;
• Tubos de aço inoxidável;
• Tubos de ferro fundido;
9
• Tubos de metais não-ferrosos (cobre, latões, cobre-niquel, alumínio, níquel e
ligas, metal monel, chumbo, titânio e zircônio); e
• Tubos de materiais plásticos (PVC, polietileno, epóxi, concreto armado,
elastômeros, vidro, etc.).
A seguir uma breve explicação dos tubos de aço-carbono e aços-liga no sentido de
facilitar a compreensão desta Monografia.
2.4.1. Tubos de aço carbono
O aço-carbono é o material industrial que apresenta a menor relação custo/resistência
mecânica. É um material fácil de soldar, conformar e não tem dificuldade de ser encontrado
no mercado. Em uma refinaria, por exemplo, mas de 90% de toda a tubulação é de aço-
carbono. Tubos de aço-carbono são usados para conduzir água doce, vapor de baixa pressão,
óleos, gases e muitos outros fluidos pouco corrosivos.
Os principais componentes químicos do aço-carbono [4] para serem aplicados na
fabricação tubos de vários diâmetros para oleodutos, gasodutos e afins são: Carbono (C),
Manganês (M), Fósforo (P), Enxofre (S), Alumínio (Al) e Silício (Si).
O aumento do porcentual de carbono na composição do aço-carbono produz um
aumento nos limites de resistência das tensões de escoamento e de ruptura, na dureza e na
temperabilidade do aço. Por outro lado, esse aumento prejudica a ductilidade (capacidade de
se deformar) e soldabilidade do aço. Devido a estas restrições, a quantidade de carbono para
tubos limita-se ate 0, 35%, sendo que até 0,30 % de carbono a solda é fácil, e até 0,25 % de
carbono os tubos podem ser curvados a frio.
Aços com teor de carbono de até 0,25 % são considerados aços de baixo carbono e
tem limite de resistência mecânica (σr) entre 310 a 370 MPa e o limite de escoamento (σy)
entre 150 a 220 Mpa. Para aços com teor de carbono de 0,35 % são considerados aços de
médio carbono e seus limites de resistência mecânica (σr) está entre 370 a 540 MPa. com
limite de tensão de escoamento (σy) entre 220 a 280 MPa.
Aços-carbono podem ser acalmados com adição de Silício para eliminar os gases, ou
efervescentes, tem estrutura metalúrgica mais fina e uniforme com menor incidência de
defeitos internos. Aços-carbono acalmados são adequados para usos com temperatura acima
de 400⁰C ou temperaturas inferiores a 0⁰C.
Em altas temperaturas, o aço-carbono começa a ter suas propriedades mecânicas
alteradas. Acima dos 370⁰C observa-se deformação permanente (fluência). Acima dos 400⁰C
10
tem sua resistência mecânica bastante reduzida. Uma exposição permanente sobre os 440⁰C
pode causar precipitação de carbono (grafitização) e acima dos 530⁰C o aço carbono sofre
uma intensa oxidação superficial.
Em temperaturas baixas o aço-carbono perde a ductibilidade, ficando sujeito a fraturas
frágeis repentinas, não devem ser empregadas as tubulações de aço-carbono quando ocorrem
temperaturas inferiores a -45⁰C. e os limites máximos para altas temperaturas recomendam-
se:
• Tubulações principais – serviço continuo: até 450⁰C
• Tubulações secundarias – serviço continuo: até 480⁰C
2.4.2. Especificação de material de tubos de aço carbono
As principais Especificações de Material para tubos de aço-carbono de origem norte-
americana são citadas a seguir ([14] e [25]):
• ASTM (American Society for Testing and Materials)
• API (American Petroleum Institute)
As Especificações mais usadas são:
• ASTM A53: tubos de qualidade media, para uso geral, com costura ou sem
costura, de 1/8" a 26" de diâmetro nominal. Os tubos podem ser pretos ou
galvanizados. Fabricados com dois graus de material: Grau A (0,25% C) e
Grau B (0,30% C);
• ASTM A 106: tubos de alta qualidade, sem costura. Fabricados com diâmetro
nominal de 1/8" até 26", para altas temperaturas e devem ser acalmadas com
silício. Fabricados com três graus de material: Grau A (0,25% C), Grau B
(0,30% C e Grau C (0,35% C).
• ASTM A 120: tubos especificados para qualidade estrutural, pretos ou
galvanizados. Fabricados com ou sem costura, de 1/8" até 26". A norma ASME
B 31.3 limita o uso desta linha de fabricação de tubos para fluidos não
inflamáveis, não tóxicos e não perigosos, em pressões até 1 MPa e temperatura
de até 185oC;
• ASTM A 333: especificação para tubos com e sem costura, especiais para
baixa temperatura, normalizados e acalmados;
11
• ASTM A 671: tubos fabricados a partir de chapas de aço acalmado (ASTMA
516), ou não-acalmados (ASTM A 285 Gr. C). Tubos feitos com costura por
solda elétrica (arco submerso), em diâmetros de 16" ou maiores, para serviços
em temperatura ambiente e baixas;
• ASTM A 672: especificação para tubos fabricados com costura por solda
elétrica (arco submerso), em diâmetros de 16", ou maiores, para serviços de
altas pressões, em temperaturas moderadas. Os tubos são feitos de chapa de
aço acalmado (ASTM A 515 ou 516), ou não-acalmados (ASTM A 285 Gr. C);
• API 5L: especificação para tubos de qualidade media, com ou sem costura, e
1/8" até 64" de diâmetro nominal, em dois graus: A (0,25%C) e B (0,30%C); e
• API 5LX: especificação para tubos com ou sem costura, de aço-carbono de alta
resistência, especial para oleodutos e gasodutos, abrangendo oito graus de
material, conforme mostra a Tabela 2.1.
Tabela 1 – Graus de Material Tubo API e Tensão Mínima de Escoamento (Sy) de materiais para Tubos [2].
Especificação: API 5L
Grau
Limite de Escoamento (Sy)
(MPa)
X42 290
X46 317
X52 359
X56 386
X60 414
X65 448
X70 483
X80 552
De acordo com a norma ASME B.31.3 [20], os tubos desta especificação não devem
ser empregados para temperaturas acima de 200⁰C.
12
2.4.3. Tubos de Aço - liga
Chamados também de aços especiais [1], é uma liga de aço-carbono com elementos de
adição (níquel, cromo, manganês, tungstênio, molibdênio, vanádio, silício, cobalto e
alumínio) para conferir a esses aços características especiais, tais como: resistência à tração e
à corrosão, elasticidade e dureza, entre outras, tornando-os melhores do que os aços-carbono
comuns.
A adição de elementos de liga tem objetivo de promover mudanças micro estruturais
que, por sua vez, promovem mudanças nas propriedades físicas e mecânicas, permitindo que
ao material desempenhar funções especiais.
Referente aos materiais para fabricar tubos deste grupo [25], há dois tipos de aços-liga
que são importantes:
• Aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio; e
• Aços-liga níquel.
Os aços-liga Molibdênio e Cromo-Molibdênio contêm ate 1% de Mo e até 9% de Cr,
em diversas proporções, sendo estes materiais adequados para uso em elevadas temperaturas.
O Cromo causa uma melhora na resistência à oxidação e à corrosão, sendo este efeito melhor
quanto maior for a quantidade de Cromo.
Aços-liga com até 2,5% de Cr são específicos para serviços em alta temperatura, com
grandes esforços mecânicos e baixa corrosão, para os quais a principal preocupação é a
resistência à fluência. Aços-liga com alto teor de Cromo são específicos para serviços em alta
temperatura, com esforços mecânicos reduzidos e alta corrosão.
O Molibdênio é o elemento mais importante na melhoria da resistência à fluência do
aço. Tubos aço-liga não devem ser empregados para serviços com temperatura abaixo de 0°C.
Tubos aço-liga Cr-Mo, com baixo Cromo são adequados para linhas de vapor superaquecido.
Enquanto que tubos aço-liga Cr-Mo com alto cromo são adequados para tubulações que
transportam hidrocarbonetos em temperaturas elevadas e todos os tubos aço-liga Cr-Mo são
também indicados para serviços com Hidrogênio.
Os aços-liga com teor de níquel são adequados para uso em temperaturas muito
baixas, sendo a temperatura limite quanto mais baixa quanto maior for a quantidade de
Níquel.
Os tubos de aços-liga são bem mais caros do que os de aço-carbono, sua montagem e
soldagem são também difíceis, exigindo quase sempre tratamentos térmicos. Como todas as
instalações industriais estão sujeitas a se tornarem obsoletas em relativamente pouco tempo,
13
não é econômico nem recomendável o emprego de aços-liga apenas para tornar muito mais
longa a vida de uma tubulação
As principais Especificações de Material da ASTM para tubos de aço liga são as
seguintes:
• ASTM A 335: tubos fabricados sem costura e nos seguintes graus (Gr.): P1,
P5, P7, P9, P11 e P22.; e
• ASTM A 333: tubos fabricados sem costura e nos seguintes graus (Gr.): Gr. 3 e
Gr. 7.
2.5. NORMALIZAÇÃO DOS TUBOS
Os diâmetros comerciais dos tubos de aço-carbono e de aços liga estão definidos pela
norma americana ASME 36.10M [23], abrange tubos com diâmetros nominais de 1/8" até
80". A norma API 5LX [19] define tubos de aço-carbono e aço-liga especiais para oleodutos e
gasodutos.
Todos estes tubos são designados por um valor chamado “Diâmetro Nominal Dn”,
também é conhecido como “IPS (Iron Pipe Size)” ou “bitola nominal”. O diâmetro nominal
não corresponde a nenhuma dimensão física do tubo, é apenas uma referencia comercial, a
partir de 14"em diante, o diâmetro nominal coincide com o diâmetro externo do tubo(Figura
4).
Figura 4 – Seções transversais em tubos. [9]
Os diâmetros nominais padronizados pelas normas são as seguintes: 1/8", 1/4", 3/8",
1/2", 3/4", 1", 1 1/4", 1 1/2", 2", 2 1/2", 3", 3 1/2", 4", 5", 6", 8", 10", 12", 14", 16", 18", 20",
22", 24", 26", 30" e 36". Os diâmetros nominais de 1 1/4", 2 1/2", 3 1/2" e 5", são pouco
usados na prática, razão pela qual devem ser evitados nos projetos. Os tubos de diâmetro
14
nominal acima de 36" não são padronizados, sendo fabricados por encomenda, e somente com
costura, pelos processos de fabricação por solda.
Tubos sem costura os comprimentos de fabricação variam entre 6 e 10 metros, embora
existam tubos com comprimento de até 18 metros.
Os tubos com costura podem ser fabricados em comprimento que variam entre 12 e 18
metros.
Os tubos de aço são fabricados em três tipos de extremidade, de acordo com o sistema
de ligação a ser usada (Figura 5)
• Pontas lisas, simplesmente esquadrejadas;
• Pontas chanfradas, para uso com solda de topo; e
• Pontas rosqueadas.
Figura 5 - Tipos de extremidades de tubo de aço. [25]
Para definir a espessura de parede dos tubos é adotado o termo de “serie” (“Schedule
Number” - SCH), onde essas séries são valores padronizadas e ajudam bastante na
especificação dos tubos. O SCH varia de 10 ate 160, da seguinte forma: SCH 10, 20, 30, 40,
60, 80, 100, 120, 140 e 160 (Figura 4).
Existem ainda as classificações complementares:
• S – Standard, até 10" aproximado a SCH40;
• XS – Extra-strong, até 8" aproximado a SCH80; e
• XXS – Double extra-strong, até 8" aproximado ao SCH 160.
2.6. DADOS PARA AQUISIÇÃO DE TUBOS
Para encomendar ou adquirir tubos, devemos considerar, no mínimo, os seguintes
dados:
• Diâmetro nominal;
• Quantidade (em unidades de comprimento ou peso);
15
• Número da série;
• Norma dimensional;
• Especificação completa e grau do material;
• Tipo de extremidade;
• Processo de fabricação;
• Tipo de acabamento externo e interno; e
• Outras exigências especiais a critério do projetista.
2.7. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE TUBOS
Na indústria de fabricação de tubos há os seguintes processos:
• Tubos sem costura:
o Extrusão ou Laminação; e
o Fundição.
• Tubos com costura:
o Fabricação por solda.
2.7.1. Fabricação de Tubos por Laminação
Os processos de laminação são os mais importantes para a fabricação de tubos de aço
sem costura. São empregados para a fabricação de tubos de aço-carbono, aços-liga e aços
inoxidáveis, desde cerca de 80 até 650 mm de diâmetro [25].
Há vários processos de fabricação por laminação, o mais importante dos quais é o
Processo “Mannesman”. Nesse processo, uma barra de seção circular de aço com o diâmetro
externo aproximado do tubo que se vai fabricar é aquecido a cerca de 1200°C e levado a um
laminador chamado “laminador oblíquo” . Neste laminador a barra é colocada entre os rolos e
prensada. Logo a ponteira de uma haste cônica abre um furo no centro da barra,
transformando-o num tubo curto, empenado com paredes grosas (Figura 6).
16
Figura 6 – Fabricação de tubos por laminação - Laminador oblíquo [25].
O tubo obtido nesta primeira parte passa a um outro laminador chamado “laminadores
de acabamento” onde sofre uma serie de calibrações dos diâmetros externos e internos e
melhoramentos do acabamento superficial (Figura 7).
Figura 7 – Fabricação de tubos por laminação – Laminadores de acabamento [25].
2.7.2. Fabricação de Tubos por Extrusão
Neste processo, um tarugo cilíndrico maciço de material de aço, em estado pastoso, é
colocado em um recipiente de aço debaixo de uma poderosa prensa (Figura 8). Em uma única
operação, que dura poucos segundos, executam-se as seguintes atividades:
• O êmbolo da prensa, encosta-se no tarugo;
17
• O mandril, acionado pela prensa, fura completamente o centro do tarugo; e
• Em seguida, o embolo empurra o tarugo, obrigando o material a passar pelo
furo de uma matriz calibrada, por fora do mandril, formando o tubo.
Os tubos de aço que saem desta primeira operação são curtos e de paredes grosas;
sendo levados ainda quentes a outros laminadores de rolos para ajustar o diâmetro externo e
interno, a espessura da parede e o desempeno.
Figura 8 – Fabricação de tubos por extrusão [25].
2.7.3. Fabricação de Tubos por Fundição
Nestes processos o material do tubo, em estado liquido, é despejado em moldes
especiais, onde se solidifica adquirindo a forma final.
No processo de fundição por centrifugação para fabricação de tubos, o molde tem um
movimento de rotação. A força centrifuga faz com que o metal líquido vá de encontro às
paredes do molde, onde se solidifica. O cilindro que atua como molde é rodeado por uma
camisa de água. A Figura 9 ilustra o processo de fundição de tubos por centrifugação. Tubos
de ferro fundido, utilizados em suprimento de água, são produzidos dessa forma.
18
Figura 9 - Sistema de fundição centrífuga para produção de tubos de ferro fundido.
2.7.4. Fabricação de Tubos com Costura – Fabricação soldada
Tubos com costura são fabricados a partir de uma chapa que é curvada e soldada nas
extremidades. Esta técnica é bastante usada na indústria, obtendo tubos com grandes
diâmetros e espessuras de parede.
Existem duas modalidades da costura nesse processo: longitudinal e helicoidal.
Figura 10 – Processo de fabricação de tubo com costura longitudinal [28].
Figura 11 - Tubo com costura helicoidal [25].
Existem vários processos de solda, sendo os mais empregados: solda por resistência
elétrica (“Eletric Resistence Welding” - ERW) e solda por arco submerso (“Submerged Arc
Welding” - SAW).
19
A soldagem por resistência elétrica é para fabricar tubos de menores diâmetros (até
450 mm). A matéria-prima utilizada normalmente é uma bobina de chapa enrolada que é
soldada na borda de forma a obter uma produção continua de tubos. A circunferência do tubo
é a largura da bobina, que deverá ser cortada e aparada na largura exata, depois do
desbobinamento e aplainação.
Figura 12 - Processo de solda por resistência elétrica por pontos (a) e por costura (b) [16].
Na primeira etapa, os rolos conformadores pressionam o centro da bobina e,
simultaneamente, roletes de lamina efetuam o corte lateral da bobina da chapa.
A segunda etapa se da o formato final do tubo, a traves da compressão de rolos que
comprimem a chapa sucessivamente em duas direções. A seguir é feita a soldagem por
resistência elétrica e finalmente submetida aos diversos tipos de acabamento para obter o
produto final.
A soldagem por arco submerso é utilizada quando se trata de fabricar de tubos de
médios e grandes diâmetros usando chapas planas comerciais com largura máxima de 2,44
metros. Neste caso as chapas são calandradas no sentido do comprimento até formar os
diâmetros.
20
Figura 13 – Soldagem a arco submerso [16].
Na fabricação de tubos com grandes diâmetros, é necessário efetuar a calandragem no
comprimento da chapa, para então as bordas sejam soldadas entre si.
2.8. PROCESSOS DE CURVAMENTO EM DUTOS
2.8.1. Conceituação
É um processo de fabricação de dutos de transporte de petróleo e seus derivados,
cujo objetivo é obter uma geometria que atenda às mudanças de direção mantendo as suas
características definidas no projeto (tolerância dimensional, geometria e de material) de
maneira que possam ser instaladas no local geográfico previsto.
Figura 14 - Calandras de perfis e tubos [7].
Hoje já existem muitas máquinas dotadas do recurso CNC (Computer Numeric
Control ou Controle Numérico Computadorizado) com funcionamento hidráulico / elétrico.
21
Figura 15 - Calandras numéricas de perfis e tubos [7].
A norma da Petrobras N-464 [24], no seu item 6.8, estabelece que o processo de
curvamento de tubos deva seguir os critérios estabelecidos nas seguintes normas:
• Para oleodutos, seguir os princípios da norma ASME B.31.4 [21];
• Para gasodutos, seguir os princípios das normas ASME B31.8 [22] e ABNT
NBR 12712 [2].
2.8.2. A física do processo de curvamento de dutos
As mudanças de direção são obtidas pelos processos industriais de curvamento nos
dutos, podendo ser: curvamento natural, curvamento a frio ou curvamento a quente.
O curvamento é uma operação onde ocorre uma deformação permanente por flexão,
ou seja, o material sofre deformações além do seu limite elástico.
Quando um metal é curvado, a sua superfície externa fica tracionada e a interna
comprimida. Estas tensões normais aumentam a partir de uma linha neutra, chegando a
valores máximos nas camadas externa e interna.
22
Figura 16 – dobramento de tubos metálicos [7].
Em outras palavras, em um curvamento a tensão normal varia de um máximo negativo
na camada interna para zero na linha neutra e daí sobe a um máximo positivo na camada
externa. Desta forma, uma parte das tensões normais atuantes na seção curvada estará abaixo
do limite de escoamento (LE) e a outra parte supera este limite, conferindo a peça a uma
deformação plástica permanente.
O diferencial de tensões entre a parte distendida e a parte comprimida é responsável
também por uma redução na seção transversal do tubo conformado. Esta deformação depende
do diâmetro do tubo, da espessura da parede e do raio de curvatura.
2.8.3. Análise do processo de conformação mecânica de dobramento
O estudo e trabalho de Beer & Johnston Jr. [3] mostra o comportamento dos materiais,
considerando a deformação plástica de uma barra em flexão, perfeitamente aplicável à
compreensão do processo de dobramento de tubos.
Para o caso de uma barra feita de material elastoplástico, o diagrama tensão-
deformação ideal é mostrado na Figura 17.
23
Figura 17 – Diagrama tensão-deformação específica de materiais elastoplásticos, bilineares [3].
Enquanto a tensão normal σx não ultrapassar o valor da tensão de escoamento, a lei de
Hooke pode ser aplicada sendo a distribuição de tensões linear ao longo da seção. A tensão
normal para flexão é determinada por (Figura 18):
IcM
m.
=σ Equação 1
Figura 18 – Momentos fletores abaixo do regime elástico [3].
Aumentando-se o valor do momento fletor de forma a σm atingir a tensão de
escoamento σe (Figura 19), tem-se o máximo momento elástico, ou seja, o maior valor de
momento para o qual as deformações se mantêm totalmente elásticas:
24
Figura 19 – Momentos fletores no limite do regime elástico [3].
ee cIM σ=
Equação 2
Aumentando ainda mais o valor do momento fletor, aparecem zonas plastificadas na
barra, que apresentam tensões uniformes e iguais a -σe na parte superior e +σe na parte inferior
da barra (Figura 20).
Figura 20 – Momentos fletores provocando zonas de plastificação [3].
Entre as duas regiões plásticas, permanece um núcleo de material em estado ainda
elástico, onde a tensão varia linearmente com a distância y à linha neutra (centro). Desta
forma, pode-se dizer que:
yye
ex .σσ −=
Equação 3
Se o momento aumentar mais, a região plastificada se expande, até que, no limite, as
deformações são totalmente plastificadas, apresentando rótula plástica (Figura 21), que é o
limite teórico para a estabilidade estrutural do elemento em análise.
25
Figura 21 – Momentos fletores plásticos e formação de rótula plástica [3].
Pode-se afirmar também que, o momento fletor correspondente a uma seção
totalmente plástica é chamado de momento plástico da barra estudada:
eP MM .23
= Equação 4
Das cinco últimas equações tem-se, • σm = tensão normal máxima; • σe = tensão de escoamento; • σx = tensão em determinada região da barra retangular (y); • M = momento fletor; • Me = momento fletor máximo, antes do escoamento; • Mp = momento plástico; • c =metade da altura da seção transversal da barra retangular; • I = momento de inércia; • y = distância de uma determinada região da barra à linha neutra; • ye = metade da espessura do núcleo elástico; e • b = largura da barra retangular.
2.8.4. Dobramento contínuo por rolos - tubos
Para se determinar o melhor método de execução de um curvamento de um tubo,
devem ser levados em consideração a geometria da peça (diâmetro, espessura de parede e
comprimento), o material do tubo, o raio de dobramento, precisão requerida e número de
dobras projetadas [15].
No mercado encontram-se equipamentos devidamente construídos para tais
finalidades, mais sofisticados, dependendo do produto final. A utilização de um suporte
interno (mandril) ao tubo no processo de dobramento de tubo torna-se muito importante, pois
a espessura de suas paredes afeta as distribuições das tensões de tração e compressão [27].
26
O critério que diferencia um tubo de parede fina de um tubo de parede grossa é seu
diâmetro externo e sua espessura de parede. Os tubos são considerados de paredes finas
quando a relação entre seu diâmetro e espessura λ for maior que 30. (American Society for
Metals apud [11]).
302>=
trλ
Equação 5
A relação Diâmetro do duto 2r a espessura de parede t é conhecida também como
“Estabilidade Estrutural do Tubo”. Quanto menor é a estabilidade do duto λ, maior e a
tendência de achatamento na região da curva e de enrugamento na região côncava.
Nos processos de curvamento de dutos deve ser observado que haverá uma redução na
seção do duto conformado. Neste processo, o raio externo sofre um esforço de
tração,enquanto o raio interno um esforço de compressão. Este comportamento gera um
diferencial de esforços que seria o responsável pela redução da seção do duto curvado.
As técnicas de dobramento para ambos os tipos de paredes são semelhantes. Apesar
disto, os tubos de paredes finas devem, muitas vezes, utilizar mandris internos para evitar a
flambagem especialmente em conformação categorizada como dobradeiras de rotação e
prensas hidráulicas.
A necessidade ou não de utilização de mandril interno para dobramento de tubo é
analisada pela razão de dobramento μ, sendo a razão entre o raio mínimo de dobramento Rm,
medido a partir da linha neutra, e o diâmetro externo 2r, ou seja:
rRm
2=μ
Equação 6
A velocidade de dobramento e a força exercida devem ser menores quando ocorre o
curvamento de um tubo de parede fina [11].
Durante o processo de dobramento manual ou automático, os métodos utilizados serão
os mesmos, sendo que, no método manual, a repetibilidade se torna questionável. Isto ocorre
porque algumas dobradeiras possuem dispositivos de atrito para evitar o deslizamento do tubo
na matriz durante o dobramento e também evitar rugas nas paredes do tubo.
As ferramentas utilizadas pelo método de dobramento de barras se diferenciam do
método de dobramento de tubos pelo fato de necessitarem de uma guia de encaixe bem
27
preciso para a parede externa do tubo, preservando a seção transversal circular durante o
processo.
2.8.5. Recuperação elástica
Uma das dificuldades na conformação de materiais metálicos, em termos gerais, é o
efeito de mola ou recuperação elástica.
“O efeito de mola é a variação dimensional sofrida pela peça conformada depois que a
ferramenta de conformação é liberada. Isto ocorre devido às variações da deformação
produzidas pela recuperação elástica.” [6]
A recuperação elástica dos materiais submetidos à conformação é uma dificuldade a
ser considerada. Conforme a referência [6], este efeito de mola ocorre em todos os processos
de conformação, porém, no dobramento ele é percebido mais facilmente e também mais
estudado.
De acordo com [12], no processo de dobramento ocorre a recuperação elástica porque
o material deformado na região elastoplástica recupera parte da sua deformação elástica
induzido pelo dobramento. O restante da deformação elástica permanece armazenado no
material, e, como a região elástica está entre duas regiões plásticas, estas impedem a
recuperação das deformações elásticas totais do material.
A recuperação elástica é proporcional ao limite de escoamento, ao módulo elástico e a
deformação plástica e será tanto maior quanto:
• maior limite de escoamento;
• menor o módulo elástico;
• maior a deformação plástica.
Assim, a definição do efeito de mola por Dieter [6] pode ser descrita pela razão:
o
fKαα
= Equação 7
onde,
K = coeficiente de resistência do material;
α0 = ângulo de curvatura antes da liberação da carga;
αf = ângulo de curvatura após liberação da carga.
28
2.8.6. Tipos de curvamento
Para atender à demanda da topografia do local onde serão instalados os dutos, existem
três principais métodos de fabricação, de acordo com a situação de cada local de instalação e
as características mecânicas do material do tubo, estes três métodos são citados abaixo:
• Curvamento natural,
• Tubos curvados a frio ou pré-curvados a frio
• Tubos curvados a quente ou pré-curvados a quente.
2.8.7. Curvamento Natural
É um processo de mudança de direção feita a traves de curvamento em dutos durante
na fase de instalação na vala, sem que ocorra uma deformação permanente.
A norma da ABNT NBR 12712 [2] que define as condições mínimas exigíveis para
projeto, especificação de materiais e equipamentos, fabricação de componentes e ensaios dos
sistemas de transmissão e distribuição de gás combustível por dutos. Possui um subitem
especificamente sobre os processos de execução do curvamento natural. Neste subitem expõe
as seguintes recomendações:
a) O curvamento natural é um processo de mudança de direção que só pode ser
empregado em gasodutos enterrados;
b) O curvamento natural é produzido no duto dentro da faixa elástica do material e só
pode ser usado para grandes raios de curvatura. O curvamento natural é realizado, durante a
fase de construção, pelo ajuste da tubulação ao fundo da vala, provocado pelo peso da própria
coluna de tubos;
c) O raio mínimo de curvatura (Rm), para gasodutos operados à temperatura ambiente,
onde a mudança de direção é feita pelo curvamento natural, deve ser calculada pela seguinte
equação:
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
×××
−×
×=
eDPS
DERy
cm
27,09,0
2/
Equação 8
Onde:
• Rm=Raio mínimo de curvatura para curvamento natural (cm); • Ec=Modulo de elasticidade do material (MPa);
29
• Sy=Tensão mínima de escoamento (MPa); • D=Diâmetro externo do duto (cm); • e= Espessura da parede do duto (cm); e • P=Pressão de projeto do gasoduto (MPa).
A equação acima se refere ao cálculo do raio mínimo de curvatura em dutos quando
transporta de produtos a temperatura ambiente.
Quando o produto transportado está acima da temperatura ambiente, sofrendo uma
variação térmica Δθ, a Norma Petrobras N-464 [24] fixa as condições exigíveis para
construção, montagem, teste, condicionamento e aceitação de dutos terrestres nestas
condições. Desta forma, diz-se que o curvamento natural não deve ultrapassar o limite elástico
do material para a variação térmica Δθ, sendo o raio mínimo calculado pela seguinte formula:
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ Δ−
×××
−×
×=
θα **2
7,09,0
2/
Ece
DPS
DERy
cm
Equação 9
Onde: • Rm=Raio mínimo de curvatura para curvamento natural, em cm; • Ec=Modulo de elasticidade do material, em MPa; • Sy=Tensão mínima de escoamento, em MPa; • D=Diâmetro externo do tubo, em cm; • e= Espessura da parede do tubo, em cm; • P=Pressão, em Mpa; • α=Coeficiente de dilatação térmica linear do aço, em 1/⁰C , e • Δθ=Diferença entre a temperatura de operação do duto e a
temperatura estimada de montagem do duto, em ⁰C. Sendo adotados os seguintes parâmetros:
• Ec= 2,00x105 MPa, para aço-carbono à temperatura ambiente de 21°C;
• P é a pressão mínima de teste hidrostático para duto transportando produto a temperatura ambiente. P é a pressão de projeto para duto transportando produto quente; e
• Δθ = 0 para duto transportando produto à temperatura ambiente.
30
Nesta Monografia será analisado o comportamento do raio mínimo de curvatura
(curvamento natural) em dutos terrestres e transportando o produto à temperatura ambiente.
2.8.8. Curvamento a frio
Foi visto que no curvamento em tubos ocorrem mudanças de direção feitas ao longo
da linha tronco de dutos, para atender ao traçado projetado ou à topografia do terreno. Quando
estas mudanças são de ângulos menores, a execução é possível colocando-se simplesmente o
duto na vala preparada permitindo uma deformação do duto até a faixa elástica, sendo este um
processo de curvamento natural. Mas se as mudanças de direção nos dutos sejam necessários
ângulos maiores, então uma curvatura permanente é necessária.
Estas operações de mudanças de direção em dutos com maiores ângulos são realizadas
pelo processo de curvamento a frio e em maquinas especiais chamadas “Maquinas
Curvadeiras”. Figura 22. Este trabalho é feito, sem necessidade de aquecimento.
Figura 22 - Maquina curvadeira de tubos [7].
Nas operações de curvamento a frio, o esforço de flexão é feito de modo que provoca
uma deformação permanente do material. A deformação que é feita no tubo pelo processo de
curvamento a frio chama-se deformação plástica, antes desta deformação, porém, ocorre uma
outra, chamada deformação elástica, que não é permanente.
31
Figura 23 – Curvamento a frio no campo [13].
Segundo a norma da ABNT NBR 12715 [2], o raio mínimo de curvatura para tubos
curvados a frio é fixado conforme critérios abaixo:
a) O raio mínimo de curvatura para tubos com diâmetros =12,75" ou maiores pode ser
determinado conforme a Tabela 2. A coluna “desvio angular” fornece a variação angular
máxima, em graus por metro linear, do eixo longitudinal do duto; a coluna “raio mínimo”
fornece o raio mínimo de curvatura em função do diâmetro externo do tubo;
b) O desvio angular α, em graus por metro, deve ser calculado pela formula seguinte:
πα 1801
×=mR Equação 10
Onde:
Rm= raio mínimo de curvatura (m).
c) Raios mínimos de curvatura inferiores aos valores da Tabela 2 são permitidos desde que as curvas obedeçam a todos os outros requisitos expostos em norma e que a espessura de parede, após o curvamento, não seja inferior à mínima permitida pela norma pela qual o tubo é fabricado.
32
Tabela 2 - Curvamento a frio para tubos.
D Diâmetro Externo
Desvio angular α (graus/metro)
Rm Raio mínimo de
curvatura mm
Polegadas
< 323,85 12,75 9,8 18D 356,6 14 7,7 21D 406,4 16 5,9 24D 457,2 18 4,6 27D
>508,0 20 3,8 30D
2.8.9. Critérios de aprovação ou rejeição de anormalidades na região curvada
Nesta parte da monografia, ressaltar-se-á alguns critérios de aprovação ou rejeição dos
defeitos apresentados na região dos tubos curvados (ovalização, mossas, fissuras). Estes
princípios de aprovação ou rejeição estão especificados nos códigos nacionais usados na
construção de dutos como a norma Petrobrás N-464 [24] e a norma ABNT NBR 12712 [2], e
as de origem Americana ASME B 31.4 [21] e ASME 31 B 31.8 [22]. São estas normas as de uso
mais comum na indústria Brasileira de dutos e que determinam os princípios básicos de
projeto, material, fabricação, montagem e testes de sistemas de dutos e seus acessórios.
A norma da ABNT NBR 12712 [2] tem como objetivo fixar as condições mínimas
para projeto, especificação de materiais e equipamentos, fabricação de componentes e ensaios
dos sistemas de transmissão e distribuição de gás combustível por dutos. Esta norma diz:
1) O tubo pré-curvado é obtido pelo curvamento a frio ou quente do tubo, o qual
produz uma deformação plástica do material;
2) O tubo pré-curvado deve estar isento de enrugamentos, fissuras ou outras
evidencias de danos mecânicos;
3) Quando no tubo pré-curvado houver uma solda circunferencial, esta deve ser
inspecionada por um método não-destrutivo após o curvamento;
4) A ovalização da circunferência seção transversal do tubo pré-curvado deve ser
controlada de forma que não haja danos à integridade estrutural do tubo ou que possa
provocar futuros problemas operacionais no gasoduto; e
33
5) A diferencia entre o maior e o menor dos diâmetros externos, medidos em qualquer
seção do tubo pré-curvado, não pode exceder 5% do seu diâmetro externo especificado na
norma dimensional de fabricação.
A norma Petrobras N-464 [24] estabelece as condições exigíveis para construção,
montagem, testes e aceitação de dutos terrestres, nos seguintes aspectos:
1) O curvamento de tubos deve atender ao disposto na norma para oleodutos ASME
B 31.4 [21] e, para gasodutos, deverá atender o especificado nas as normas ASME B 31.8 [22].
e ABNT NBR 12712 [2];
2) Para adequação ao projeto de terraplanagem e abertura da vala, no que se refere
aos raios horizontais e verticais, o raio mínimo de curvatura do tubo deve ser previamente
verificado, através de um teste de qualificação com os tubos a serem aplicados, preservando-
se o disposto no seu item (a);
3) O teste de qualificação deve ser realizado distribuindo ao longo de um tubo
revestido, golpes com valores progressivos de ângulo, até a ocorrência de enrugamento
externamente visível ou danos observáveis no revestimento anticorrosivo. Posteriormente, o
tubo testado deve ser examinado internamente, nas regiões mais tracionadas e comprimidas,
determinando o limite angular aceitável por golpe, sem danos ao revestimento, de maneira a
atender aos critérios de enrugamento, ovalização e espessura de parede apresentados nesta
norma e nas normas ASME B 31.4 ou B 31.8;
4) O método de curvamento deve ser previamente aprovado e satisfazer as seguintes
condições mínimas de inspeção:
a. A diferença entre o maior e o menor dos diâmetros externos, medidos em
qualquer seção do tubo, após o curvamento, não pode exceder 2,5% do seu
diâmetro externo especificado na norma dimensional de fabricação;
b. Não são permitidos enrugamento e danos mecânicos no tubo e no
revestimento;
c. A curvatura deve ser distribuída, o mais uniformemente possível, ao longo
do comprimento do tubo;
d. Em cada extremidade do tubo a ser curvado deve ser deixado um
comprimento reto mínimo determinado na qualificação;
e. Nos tubos com costura, não é permitida a coincidência da solda
longitudinal com a geratriz mais tracionada ou mais comprimida, devendo
o curvamento ser executado de forma que a solda longitudinal seja
34
localizada o mais próximo possível do eixo neutro do tubo curvado, com
uma tolerância de ± 30°; e
f. Nos curvamentos de tramos que contenham uma solda circunferencial,
deve ser deixado um comprimento reto de 1m para cada lado da solda
circunferencial.
A norma ASME B 31.4 [21] é o código que estabelece os requisitos para o projeto,
materiais, construção, montagem, inspeção e testes de tubos que transportam líquido como
petróleo, óleo, condensado, gasolina natural, gás de petróleo liquefeito, gás carbônico, álcool
liquido, amônia anidra liquida e produto de petróleo liquida entre instalações de produção
(producers´s lease facilities), plantas de processamento de gás natural, refinarias, plantas de
estações de amônia, terminais (marítimos, ferroviários e de caminhões) e outros pontos de
recebimento e entrega. Segue abaixo alguns critérios dessa norma:
1) As curvas com rugas não devem ser utilizadas;
2) As curvas devem ser feitas de tubo com espessura de parede que tenha sido
calculado em conformidade com o parágrafo 404.2.1 dessa norma;
3) As curvas devem ser feitas de tal forma a preservar a forma transversal do tubo, e
devem ser livres de descolamentos, rachaduras ou outras provas de danos
mecânicos. O diâmetro da tubulação não pode ser reduzido em qualquer ponto por
mais de 2,5% do diâmetro nominal. Esta curvatura deve deixar passar o “pig” de
limpeza especificado conforme o parágrafo 437.7.1b;
4) Os raios mínimos das curvas a frio de campo serão como especificados no
parágrafo 406.2.1b;
5) Tangentes cerca de 6 pés (2 metros) de comprimento são adequadas em ambas
extremidades das curvaturas a frio, como especificado no parágrafo 437.1.1d;
6) Quando curvas são feitas de tubos com soldas longitudinais, a solda longitudinal
deve estar dentro ou cerca da linha de eixos da curva, como especificado no parágrafo
437.1.1e;
A norma ASME B31.8 [22] é o código que abrange: projeto, fabricação, instalação,
inspeção e teste das instalações de dutos usados para o transporte de gás. Esta norma cobre
também aspectos de segurança e manutenção de essas instalações. Citam-se os critérios mais
relevantes desta norma:
1) A curva será feito livre de empenamento, rachaduras ou outras evidencias de danos
mecânicos;
35
2) O máximo grau de curvamento de uma curva a frio no campo pode ser
determinado por qualquer método e devem respeitar os valores da Tabela 3. Nesta
tabela são indicados: o diâmetro nominal do tubo, a máxima deflexão em um
comprimento de arco igual ao diâmetro e o raio mínimo de curvamento como uma
função do diâmetro.
Tabela 3 - Determinação do ângulo Maximo de curvatura [29].
Diâmetro Nominal
Deflexão do eixo
longitudinal °C
Raio mínimo de
curvatura em diâmetro
do tubo (4)
< 12 - 18D
12 3,2 18D
14 2,7 21D
16 2,4 24D
18 2,1 27D
> 20 1,9 30D
3) Um curvamento a frio no campo pode ser feito para um radio menor do que
permitido na Tabela 3, desde que o tubo curvado cumpra todos os requisitos desta
norma e a espessura da parede após curvamento não seja menor do que permitido
pelo parágrafo 841.11; e
4) Para tubulações menores de 12 polegadas de diâmetro, os requisitos do item 1
devem ser atendidos, e a espessura da parede depois da flexão não seja inferior ao
mínimo permitido pelo parágrafo 841.1.
2.8.10. Curvamento a Quente
O curvamento a quente ou curvamento por indução com alta freqüência é utilizado
como uma opção ao curvamento a frio quando o raio de curvatura requerido é muito pequeno.
Estas curvas têm chamado a atenção recentemente devido ao seu uso potencial em gasodutos.
Na área de dutos, as curvas por indução são largamente usadas como importantes
conexões para mudar a direção de transporte dos fluidos e para aliviar tensões térmicas,
através da sua aplicação como juntas de expansão [30].
36
O curvamento por indução por alta freqüência é um aquecimento local e por um
período de tempo curto não havendo prejuízo para com o material, seja por oxidação, seja por
alterações metalúrgicas [22]. Neste processo de curvamento o efeito das tensões envolvidas é
similar aos de curvamento a frio, as estruturas das fibras do lado externo da curva são
esticadas e as fibras do lado interno comprimidas.
O aquecimento por indução de alta freqüência para dobramento de tubos [20], é obtido
a traves de um sistema eletromagnético, gerando quantidades de calor que variam conforme o
tipo de material. No processo, envolve-se a peça com uma bobina onde flui uma corrente
alternada, e cria-se um campo magnético, esse campo altamente concentrado, induz um
potencial elétrico na peça a ser curvada e, como a mesma representa um circuito fechado, a
voltagem induzida provoca o fluxo de corrente. A resistência da peça ao fluxo de corrente
induzida causa o aquecimento (Figura 24).
Figura 24 – Curvamento a quente a alta freqüência [5].
A primeira etapa do processo é a colocação do tubo a ser curvado pela parte posterior
da máquina, fazendo-se passar pelos pares de rolos guia e pelo indutor. Depois o tubo é
agarrado, ficando assim, rigidamente ligado ao braço giratório, já previamente regulado com o
raio de curvamento que se pretende obter. A outra extremidade do tubo é acoplada ao carinho
impulsor, que proporciona a forma necessária ao curvamento.
Inicia-se, então, o aquecimento que por ser indutivo, atinge quase instantaneamente a
temperatura ideal de curvamento, neste instante, o carro impulsor é acionado e inicia-se o
37
curvamento a uma velocidade constante. A seção aquecida, ao sair da bobina, sofre
resfriamento forçado ou não, dependendo do material em processamento. Graças ao
transferidor de grau, acoplado na base de giração do braço, o ângulo de curvamento pode ser
visualizado e, ao se atingir o ângulo requerido, interrompe-se o processo (Figura 25).
Figura 25 - Transferidor de grau para curvamento a quente [5].
2.8.11. Critérios de aprovação ou rejeição de anormalidades na região curvada a quente
A norma ABNT NBR 12712, em seu item 27.3.10 estabelece que o curvamento a
quente, feito em tubos expandidos a frio ou tratados termicamente, reduz o valor de sua tensão
mínima de escoamento; nesses casos, a tensão mínima de escoamento especificada deverá ser
calculada de acordo com o prescrito em seus itens 7.5.2.1 e 7.5.4 [2].
A norma da Petrobras N-464 [24], no seu item 6.8.6, estabelece que o curvamento a
quente só pode ser empregado quando seu método de execução previr aquecimento uniforme
por indução elétrica de alta freqüência e resfriamento controlado. O raio da curva obtida deve
atender a limitação definida pelo projeto básico, quanto ao raio mínimo para de “pig”
instrumentado. Ainda segundo esta norma, “Pigs” são dispositivos inseridos em um duto e
desloca-se livremente dirigido pelo próprio fluido, cujo objetivo é manter limpa a parede
interna do duto de qualquer elemento estranho aderida nela, verifica a geometria do mesmo
detectando qualquer anormalidade.
A norma Brasileira ABNT NBR 15273 [17], tem como objetivo estabelecer as
condições técnicas de fornecimento para curvas de dutos feitas pelo processo de curvamento
por indução para a utilização em sistemas de transporte por dutos para as industriais de
petróleo e gás natural . Este código expõe algumas recomendações, tais como:
38
1) Uma característica do processo de indução é que um ressalto (enrugamento) pode
ocorrer em função da relação entre diâmetro e espessura λ= 2r/t (Estabilidade Estrutural do
Tubo) em cada ponto de tangencia (transição) de uma curva. Estes ressaltos ou enrugamentos
deverão de natureza estética (aparência) e não serem classificados como defeitos perniciosos.
O enrugamento, conforme mostrado na Figura 26 deve ser aceitável, desde que sejam
atendidos os seguintes requisitos:
a) As formas da ruga concordem com a superfície do tubo de forma gradual, com
profundidade crista-a-vale, CVD, de 1% do diâmetro externo real.
b) A razão entre a distancia entre cristas adjacentes, l, e a CVD seja no mínimo 25.
CVD deve ser calculado conforme abaixo:
342
2DDDCVD −
+=
Equação 11
Onde:
• D₂ e D₄ são os diâmetros externos de duas cristas adjacentes; e
• D₃ é o diâmetro externo do vale intercalado.
Figura 26 – Diagrama esquemático para medição de ondulações [17].
2) A ovalização das extremidades, deve ser medida com paquímetro nas extremidades
retas e deve ser avaliada a diferença do diâmetro externo máximo e mínimo em relação ao
diâmetro nominal. Não devem exceder 1,5%, desde que o trecho reto mínimo seja de 500 mm
em ambas as extremidades.
3) A ovalização no corpo da curva, deve ser medida com paquímetro no meio do corpo
da curva e deve ser avaliada a diferença do diâmetro externo máximo e mínimo em relação ao
diâmetro externo nominal, não devendo exceder de 3,0%.
39
CAPITULO III: ANÁLISES COMPARATIVAS
3.1 PROPRIDADES MECÂNICAS DOS TUBOS
As propriedades mecânicas listadas na Tabela 4 [4] são para tubos soldáveis de media
e alta resistência mecânica, especificados para serem aplicados na fabricação de dutos de
vários diâmetros para gasodutos e oleodutos da indústria brasileira.
Esta análise comparativa será feita abrangendo os nove graus de material usados na
fabricação de tubos para dutos, conforme especificação da norma API 5L [18], sendo esses
nove tubos os mais usuais na indústria de dutos.
Tabela 4 - Graus e Propriedades Mecânicas de Tubos aço-carbono API 5L [18].
Especificação do material e grau (API 5L)
Limite de tensão de escoamento (Sy)
Limite de Resistência (σr)
PSIx10³ MPa PSIx10³ MPa X42 42 290 60,000 414 X46 46 317 62,898 434 X52 52 359 65,942 455 X56 56 386 71,014 490 X60 60 414 74,927 517 X65 65 448 76,956 531 X70 70 483 81,884 565 X80 80 552 90,068 621
3.2 METODOLOGIAS DE ANÁLISES
Para verificar o comportamento do raio de curvatura mínimo (Rm) em função de
diversos parâmetros listados a seguir para tubos em curvamento natural, vamos utilizar a
Equação 8, dada da seguinte forma:
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
×××
−×
×=
eDPS
DER
y
cm
27,09,0
2/
Equação 8
E os seguintes parâmetros:
40
• Ec=Modulo de elasticidade do material (MPa); • Sy=Tensão mínima de escoamento (MPa); • D=Diâmetro externo do duto (cm); • e= Espessura da parede do duto (cm); e • P=Pressão de Projeto (MPa).
Através de gráficos, será mostrado a tendência das diversas curvas parametrizadas
obtidas, considerando-se a temperatura invariante na análise. Considerações para análises
onde as temperaturas variam não serão abordadas na presente Monografia.
Segue abaixo os tipos de analises de comportamento do Rm para cada condição dos
parâmetros envolvidos nesta equação.
3.2.1. Analise do raio de curvatura mínimo (Rm) em função da variação do diâmetro nominal (D).
Considerando-se o raio mínimo Rm variando com o diâmetro nominal D, sendo todos os demais parâmetros condicionantes constantes (ceteris paribus), obtêm-se as seguintes relações:
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
×××
−×
×=
eDPS
DER
y
cm
27,09,0
2/
Equação 8
Sendo que: ( ) 0
27,09,0 >
×××
−×e
DPS y
Onde o diâmetro da família de tubos fica limitado a:
PeS
D Y ××< 57,2
Equação 12
3.2.1.1. Comportamento do Rm para tubos aço classe API 5L X42.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) de 21⁰C; 2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X42; o Modulo de elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa; o Tensão de Escoamento (Sy): 290 MPa; e
3. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
41
4. Pressão (P): 7,5 MPa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária à instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polDmmD
MPammMPaD
25636
5,74,629057,2
<<
××<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 25”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 5 – Variação do (Rm) para tubos API 5L X42.
D (cm) Rm (cm) 32,39 25274,99 35,56 30925,94 40,64 43090,79 45,70 62127,34 50,80 96503,41 55,90 176214,75 61,00 564569,78
Segue abaixo o gráfico mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em função
da variação do diâmetro nominal (D) do tubo, acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
42
Figura 27 - Variação do raio mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X42 em função do diâmetro nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que: 1. Existe um limite superior de aplicação de diâmetros em 25 polegadas (63,50
cm). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo,
análise proposta é valida para diâmetros de até 24 polegadas (61,00 cm)
comercial;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 93%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 20
(50,80cm) e 24 polegadas (61,00 cm), os raios mínimos obtidos crescem de
forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada,
obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento
para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura,
tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.2 – Comportamento do Rm para tubos aço classe API 5L X46.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X46;
43
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 317 MPa; e
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (D) de um mínimo de
12" (32,39 cm) até um maximo de DN 76" (193,00 cm);
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que
é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma
API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças
de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão,
quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são
comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de
energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto,
sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de
Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade
é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polDoummDMPa
mmMPaD 276955,7
4,631757,2 <<⇒×
×<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 26”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 6 - Variação do Rm para tubos API 5L X46.
D(cm) Rm (cm) 32,39 21246,26 35,56 25500,47 40,64 34262,83 45,70 46700,0450,80 66024,94 55,90 99781,06 61,00 173765,97 66,00 452151,57
44
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em função da variação do diâmetro nominal (D) do tubo, acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
Figura 28 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X46 em função do diâmetro Nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que: 1. A equação apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 27 polegadas
(valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 26 polegadas (comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 92%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 20 e 24 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.3 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X52
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C; 2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X52
45
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa o Tensão de Escoamento (Sy): 359 MPa
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (DN) de um mínimo de 12”até um maximo de DN 76”;
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polDmmD
MPammMPaD
31787
5,74,635957,2
<<
××<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 30”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 7 - Variação do Rm para tubos API 5L X52.
D (cm) Rm (cm) 32,39 17024,932 35,56 20062,236 40,64 25982,578 45,70 33687,508 50,80 44273,769 55,90 59580,492 61,0 83670,888 66,0 125961,71 71,10 225865,535 76,20 721526,853
46
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em função da variação do diâmetro nominal (DN) do tubo, acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
Figura 29 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X52 em função do diâmetro Nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que: 1. A equação apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 31 polegadas
(valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 30 polegadas (comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 92%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 28 e 30 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.4 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X56
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C; 2. Características do material:
47
o Tubo aço-carbono: API 5L X56 o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa o Tensão de Escoamento (Sy): 386 MPa
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (DN) de um mínimo de 12”até um maximo de DN 76”;
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polD
mmDMPa
mmMPaD
33
8465,7
4,638657,2
<
<⇒×
×<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 32”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 8 - Variação do Rm para tubos API 5L X56.
D (cm) Rm (cm) 32,39 15096,69 35,56 17643,40 40,64 22488,76 45,70 28569,89 50,80 36536,08 55,90 47323,69 61,0 62754,18 66,0 86053,05 71,10 127467,54 76,20 218582,76 81,30 583089,60
48
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação do diâmetro nominal (DN) do tubo, acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
Figura 30 - Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X56 em função do diâmetro nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que: 1. A equação apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 33 polegadas
(valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 32 polegadas (comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 92%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 30 e 32 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.5 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X60
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C; 2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X60
49
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa o Tensão de Escoamento (Sy): 414 MPa
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (DN) de um mínimo de 12”até um máximo de DN 76”;
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polDmmD
MPammMPaD
36908
5,74,641457,2
<<
××<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 34”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 9 - Variação do Rm para tubos API 5L X60.
D (cm) Rm (cm) 32,39 13509,88 35,56 15682,58 40,64 19736,54 45,70 24681,54 50,80 30930,23 55,90 39002,91 61,0 49834,69 66,0 64771,37 71,10 87800,64 76,20 126871,15 81,30 207700,14 86,40 474074,07
50
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação do diâmetro nominal (DN) do tubo, acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
Figura 31 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X60 em função do diâmetro nominal
Do gráfico acima, depreende-se que: 1. A equação 3.6 apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 35 polegadas
(valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 34 polegadas (comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 92%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 28 e 34 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.6 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X65.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C; 2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X65
51
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa o Tensão de Escoamento (Sy): 448 MPa
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (DN) de um mínimo de 12”até um maximo de DN 76”;
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polD
mmDMPa
mmMPaD
38
9825,7
4,644857,2
<
<⇒×
×<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 38”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 10 - Variação do Rm para tubos API 5L X65.
D (cm) Rm (m) 32,39 11980,75 35,56 13817,84 40,64 17183,02 45,70 21181,08 50,80 26072,59 55,90 32140,72 61,00 39868,06 66,00 49812,50 71,10 63721,72 76,20 84049,43 81,30 116570,89 86,40 176958,53 91,40 322772,17
52
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em função da variação do diâmetro nominal (DN) do tubo, acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
Figura 32 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X65 em função do diâmetro Nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que: 1. A equação apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 39 polegadas
(valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 38 polegadas (comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 90%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 34 e 38 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.7 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X70.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C; 2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X70
53
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa o Tensão de Escoamento (Sy): 483 MPa
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (DN) de um mínimo de 12”até um maximo de DN 76”;
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polDmmD
MPammMPaD
401005
5,74,648357,2
<<
××<
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 40”
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
54
Tabela 11 - Variação do Rm para tubos API 5L X70.
D (cm) Rm (cm) 32,39 10730,481 35,56 12310,955 40,64 15163,475 45,70 18482,674 50,80 22444,049 55,90 27212,188 61,0 33061,491 66,0 40244,669 71,10 49692,859 76,20 62376,732 81,30 80301,873 86,40 107563,025 91,40 152798,893 96,50 248076,962101,60 565033,021
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação do diâmetro nominal (DN) do tubo.
Figura 33 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X70 em função do diâmetro Nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que:
55
1. A equação 3.8 apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 40 polegadas (valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 40 polegadas (comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 95%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 38 e 40 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros, sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento, temperatura e pressão).
3.2.1.8 – Comportamento do Rm para tubos de aço API 5L X80.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes: 1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C; 2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X80; o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa; o Tensão de Escoamento (Sy): 552 MPa;
3. Dimensões dos dutos variando entre diâmetros nominais (DN) de um mínimo de 12”até um maximo de DN 76”;
4. Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm., que é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma API;
5. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito, conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos:
polDmmD
MPammMPaD
471210
5,74,655257,2
<<
××<
56
Ou seja, o diâmetro D dos dutos variam de um mínimo de 12” até um máximo de 46
para a validade da formulação aplicada. Valores de D no intervalo de validade são dados pela
tabela abaixo. Foram desconsiderados os valores de D fora desse intervalo.
Tabela 12 - Variação do Rm para tubos API 5L X80.
D (cm) Rm (cm) 32,39 8899,565 35,56 10132,543 40,64 12310,955 45,70 14772,501 50,80 17611,943 55,90 20895,427 61,0 24735,945 66,0 29191,027 71,10 34652,685 76,20 41354,397 81,30 49772,574 86,40 60663,507 91,40 74968,921 96,50 95545,293101,60 126871,147106,70 180348,347111,80 292323,406116,80 658491,896
Segue abaixo o gráfico mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em função
da variação do diâmetro nominal (D) do tubo, acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores dos raios mínimos.
57
Figura 34 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X80 em função do diâmetro Nominal.
Do gráfico acima, depreende-se que:
1. A equação apresenta um limite de aplicação de diâmetros em 46 polegadas
(valor máximo). Acima deste, a equação não tem validade para os parâmetros
dados. Logo, análise proposta é valida para diâmetros de até 46 polegadas
(comercial);
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo exponencial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 95%;
3. Dentro desse limite e para esse aço, observa-se que para diâmetros entre 42 e
46 polegadas, os raios mínimos obtidos crescem de forma exponencial. Com
isso, conclui-se que para esta faixa de diâmetros dada, obtêm-se maiores raios
de curvatura, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros,
sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de escoamento,
temperatura e pressão).
58
3.2.2 – Analise do raio de curvatura mínimo (Rm) em função da variação da espessura da parede do tubo.
Nesta verificação, o raio de curvatura mínimo (Rm) varia com a espessura da parede
do tubo, todos os outros parâmetros envolvidos na Equação 8 permanecem constantes.
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
×××
−×
×=
eDPS
DER
y
cm
27,09,0
2/ Equação 8
Sendo que: ( )
( )
( )y
y
y
SDPe
eDPS
eDPS
××>
××>×
>××
−×
39,02
7,09,0
02
7,09,0
3.2.2.1 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API X 42
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X42;
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x10⁵ MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 290 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal de 12” fixo fabricado conforme
a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
59
Logo, para os parâmetros dados, teremos; ( )
cme
e
33,0290
39,325,739,0
>
××>
Tabela 13 - Variação da Rm para Tubos API 5L X42.
Espess.(cm) Rm (cm) 0,64 25274,99 0,79 21118,17 0,87 19838,12 1,03 18150,47 1,27 16691,39 1,59 15607,69 1,91 14961,78 2,22 14544,16 2,54 14235,73
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 35 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X42 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
60
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo acima de 0,33cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que 0,33cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 95%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com espessuras cada vez maiores.
3.2.2.2 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X46
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X46;
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 317 MPa;
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixo fabricado
conforme a norma API.
4. Sy=317 Mpa, para o aço Especificação do material e grau (API 5L) X46.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
61
( )
cme
e
299,0317
39,325,739,0
>
××>
Tabela 14 - Variação da Rm para Tubos API 5L X46.
Espess.(cm) Rm (m) 0,64 21246,260,79 18229,910,87 17268,081,03 15975,131,27 14833,841,59 13971,691,91 13451,842,22 13113,312,54 12862,05
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 36 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X46 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
62
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo em 0,299 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que 0,299 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 94%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
3.2.2.3 – Comportamento do Rm para tubos aço classe API 5L X52.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X52
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa
o Tensão de Escoamento (Sy): 359 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixa fabricado
conforme a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
63
Tabela 15 -Variação da Rm para Tubos API 5L X52.
Espess.(cm) Rm (m) 0,64 17024,930,79 15031,910,87 14371,821,03 13464,831,27 12644,831,59 12012,941,91 11626,622,22 11372,852,54 11183,39
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 37 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X52 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
64
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo
em 0,264 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os
parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que
0,264 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 95%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
3.2.2.4 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X56
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X56
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa
o Tensão de Escoamento (Sy): 386 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixa fabricado
conforme a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
65
Tabela 16 - Variação da Rm para Tubos API 5L X56.
Segue abaixo o gráfico mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em função
da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do material
do tubo e a tabela com os valores.
Figura 38 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X56 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
Espess.(cm) Rm (cm)0,64 15096,690,79 13508,500,87 12973,041,03 12229,441,27 11549,211,59 11019,781,91 10693,832,22 10478,782,54 10317,72
66
1. A equação 3.13 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do
tubo em 0,245 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os
parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que
0,245 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 96%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
3.2.2.5- Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X60
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21o C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X60;
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 414 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixa fabricado
conforme a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
67
Tabela 17 - Variação da Rm para Tubos API 5L X60.
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 39 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X60 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
Espess.(cm) Rm (cm)0,64 13509,88
0,79 12223,80
0,87 11783,69
1,03 11511,70
1,27 10597,01
1,59 10149,60
1,91 9872,44
2,22 9688,87
2,54 9511,02
68
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo
em 0,229 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os
parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que
0,229 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 96%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
3.2.2.6 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X65
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X65;
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 448 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixa fabricado
conforme a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
69
Tabela 18 - Variação da Rm para Tubos API 5L X65.
Espess.(cm) Rm (cm)0,64 11980,750,79 10958,300,87 10603,281,03 10101,281,27 9632,651,59 9261,541,91 9030,212,22 8876,382,54 8760,54
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 40 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X65em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
70
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo
em 0,211 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os
parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que
0,211 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 97%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
3.2.2.7- Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X70
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X70;
o Módulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 483 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixa fabricado
conforme a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
71
Tabela 19 - Variação da Rm para Tubos API 5L X70.
Espess.(cm) Rm (cm)0,64 10730,480,79 9902,930,87 9612,091,03 9197,721,27 8807,561,59 8496,271,91 8301,192,22 8171,022,54 8072,76
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 41 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X70 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
72
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo
em 0,196 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os
parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que
0,196 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 97%;
4. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
3.2.2.8 – Comportamento do Rm para tubos de aço classe API 5L X80
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
1. Temperatura ambiente (T) 21⁰C;
2. Características do material:
o Tubo aço-carbono: API 5L X80;
o Modulo de Elasticidade (Ec): 2x105 MPa;
o Tensão de Escoamento (Sy): 552 MPa
3. Considero-se um tubo com diâmetro Nominal (D) de 12” fixa fabricado
conforme a norma API.
4. A pressão de projeto (P) foi estabelecida em 7,5 Mpa; que é a pressão mínima
no interior do duto para o transporte do petróleo, seus derivados e o também
álcool. Numa rede de dutos este transporte é possível pela ajuda de diferenças de
pressões existente dentro dos dutos. O fluido é introduzido sob pressão, quando
líquidos são comprimidos por bombas e quando gases são comprimidos por
compressores. Por força do fluxo, existe uma perda de energia por atrito,
conseqüentemente a pressão vai caindo ao longo do duto, sendo necessária a
instalação de umas unidades chamadas “Estação de Compressão”, estas unidades
são colocadas de trecho em trecho cuja finalidade é elevar a pressão do duto e dar
continuidade à transferência do produto.
Logo, para os parâmetros dados, teremos;
73
Tabela 20 - Variação da Rm para Tubos API 5L X80.
Espess.(cm) Rm (cm)0,64 8899,560,79 7952,340,87 7708,201,03 7535,151,27 7306,14 1,59 7161,411,91 7064,322,22 7024,882,54 6990,75
Segue abaixo os gráficos mostrando o comportamento do raio mínimo (Rm) em
função da variação da espessura da parede (e), acompanham o gráfico as características do
material do tubo e a tabela com os valores.
Figura 42 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L X80 em função da espessura da parede.
Do gráfico acima, depreende-se que:
74
1. A Equação 8 apresenta um limite de aplicação de espessuras da parede do tubo
em 0,171 cm. Abaixo deste valor, a equação não tem validade para os
parâmetros dados. Logo, análise proposta é valida para espessuras maiores que
0,171 cm;
2. O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é do tipo polinomial, com
coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de 88%;
3. O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão
os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as
curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto
representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com
espessuras cada vez maiores.
75
CAPITULO IV: CONCLUSÃO
Neste capitulo são colocados as conclusões complementares da Monografia. Algumas
conclusões parciais já foram expostas no Capitulo III, nos itens analisados para cada grau de
tubo API 5L em processo de curvamento a frio.
Foi mostrado que no processo de curvamento de tubos estes têm suas limitações
físicas (material) e geometria, sendo que estas limitações foram estabelecidas pela equação
geral de curvamento natural. Foram realizadas basicamente duas análises dos parâmetros
envolvidos na equação geral de dobramento de tubos a frio:
• Análise do raio de curvatura mínimo em função da variação do diâmetro
nominal dos tubos; e
• Análise do raio de curvatura mínimo em função da variação da espessura dos
tubos.
4.1. ANÁLISE DO RAIO DE CURVATURA MÍNIMO (Rm) EM FUNÇÃO DA
VARIAÇÃO DO DIÂMETRO NOMINAL (D)
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
• O raio mínimo Rm varia com o diâmetro nominal D, sendo todos os demais
parâmetros condicionantes constantes (ceteris paribus);
( ) PeSD
eDPS
DER Y
y
cm
××<
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
×××
−×
×= 57,2,
27,09,0
2/
• Família de materiais: Especificação do material e grau (API 5L) - X42, X46,
X52, X56, X60, X65, X70 e X80;
• Temperatura ambiente (T) de 21⁰C constante;
• Considerou-se que a espessura da parede do tubo (e) é fixa e vale 6,4 mm, que
é a espessura mínima para tubos de DN 12”, fabricados conforme a norma
API;
• Pressão (P): 7,5 MPa; que é a pressão mínima no interior do duto para o
transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool.
76
Dessa forma, obteve-se o gráfico abaixo da variação de Rm x D, para cada grau dos
tubos:
Rm x D
0,00
100000,00
200000,00
300000,00
400000,00
500000,00
600000,00
700000,00
800000,00
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00
Diametro Nominal (cm)
Rai
o de
cur
vatu
ra m
inim
a (c
m)
API 5L X42API 5L X46API 5L X52API 5L X56API 5L X60API 5L X65API 5L X70API 5L X80
Figura 43 - Variação do raio mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L em função do diâmetro nominal, de X42 até X80.
Conclui-se que:
• O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(D) é tipicamente exponencial
para as diversas famílias de aço grau (API 5L) - X42, X46, X52, X56, X60,
X65, X70 e X80, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e D da ordem de
95%. Isto demonstra que o comportamento matemático das curvas para todos
os materiais pode ser aproximado ao da função exponencial, com correlação
estatística de 95%;
• Para um determinado grau de material do tubo, o raio mínimo de curvatura
aumenta à medida que o diâmetro nominal do tubo aumenta. Isto é, para
diâmetros maiores de tubo de um mesmo material, seus raios de curvatura são
maiores, ou seja, maior capacidade de dobramento para maiores diâmetros,
sendo os demais parâmetros constantes (espessura, tensão limite de
escoamento, temperatura e pressão);
• Os raios mínimos curvatura para um determinado grupo de tubos tem um
comportamento limitado conforme o grau do material. Pode-se verificar que,
77
para maiores graus de material, maiores são os raios mínimos de curvatura.
Numa aplicação industrial o projetista deve considerar este fator, porque tubos
com maiores graus são mais caros, sendo este um fator limitante do
dobramento.
4.2. ANALISE DO RAIO DE CURVATURA MÍNIMO (Rm) EM FUNÇÃO DA
VARIAÇÃO DA ESPESSURA DA PAREDE DO TUBO.
Para essa análise, foram consideradas as seguintes condicionantes:
• O raio de curvatura mínimo Rm varia com a espessura da parede do tubo, todos
os outros parâmetros envolvidos permanecem constantes (ceteris paribus).
( )( )
yy
cm S
DPe
eDPS
DER ××>
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
×××
−×
×=
39,0,
27,09,0
2/
• Família de materiais: Especificação do material e grau (API 5L) - X42, X46,
X52, X56, X60, X65, X70 e X80;
• Temperatura ambiente (T) de 21⁰C constante;
• Considero-se um tubo com diâmetro Nominal de 12” fixo fabricado conforme
a norma API.
• Pressão (P): 7,5 MPa; que é a pressão mínima no interior do duto para o
transporte do petróleo, seus derivados e o também álcool.
78
Rm x e
0,00
5000,00
10000,00
15000,00
20000,00
25000,00
30000,00
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Espessura (cm)
Rai
o M
ínim
o de
Cur
vatu
ra (c
m)
API 5L X42API 5L X46API 5L X52API 5L X56API 5L X60API 5L X65API 5L X70API 5L X80
Figura 44 – Variação do Raio Mínimo de curvatura (Rm) para tubos API 5L em função da espessura da parede, de X42 a X80.
Para essa análise, conclui-se que:
• O comportamento gráfico que relaciona Rm=F(e) é tipicamente polinomial
decrescente, com tendência matemática à estabilização em um determinado
patamar, com coeficiente de correlação R2 entre Rm e “e” da ordem de 95%.
Isto demonstra que o comportamento matemático das curvas para os diversos
graus (materiais) pode ser aproximado ao da função polinomial decrescente,
com correlação estatística de 95%;
• O gráfico mostra que quanto maiores as espessuras da parede, menores serão os raios mínimos de curvatura obtidos e, conseqüentemente, maiores as curvaturas requeridas no processo de dobramento. Em termos práticos, isto representa um maior grau de dificuldade no dobramento de tubos com espessuras cada vez maiores;
• Para um mesmo grau de material de tubo, o raio mínimo de curvatura diminui à medida que a espessura da mesma aumenta. Este fato está ligado diretamente ao fator de tensão de flexão (Sf) e ao momento de Inércia (I) de um elemento estrutural metálico. Durante o processo de curvamento de um tubo, geram-se tensões de flexão e compressão na região curvada e o raio de curvatura poderá ser maior ou menor em função do momento de inércia deste elemento. Em nosso caso, tubos com menores espessuras de parede têm maior raio de
79
curvatura e tubo com maiores espessuras de parede tem menor raio de curvatura. Com tubos com graus altos de material podemos conseguir menores raios de curvatura.
• Pode-se verificar que, para maiores graus de material, menores são os raios
mínimos de curvatura. Numa aplicação industrial o projetista deve considerar
este fator, porque tubos com maiores graus são mais caros, sendo este um fator
limitante do dobramento.
80
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
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www.cim.com.br/portal/listar_letra_mn acessado em 04/04/2010.
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[3] BEER & JOHNSTON JR (1995).Resistência dos Materiais. M
[4] CATÁLOGO TECNICO DA COMPANHIA SIDERURGICA NACIONAL (CSN).
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dos Aços-inoxidaveis. Literatura Técnica. Publicação. Dezembro 1997. ACESSITA.
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[9] FRANCISCO J.G. QUARESMA. Manual Pratico de Montagem Industrial. Q3
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Aeronáutica – Tecnologia de Fabricação), Divisão de Pós-Graduação do Instituto
Tecnológico de Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos
Campos, 2000.
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Tese (Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica – Tecnologia de
Fabricação), Divisão de Pós-Graduação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica,
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81
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