OPERAÇÕES UNITÁRIAS II - UNIABC Equipamentos de processo  materiais sólidos ou fluidos sofrem transformações físicas ou químicas ou armazenagem, manuseio ou distribuição de fluidos  parte mais importante das indústrias de processamento  itens de maior tamanho, peso e custo. Essenciais ao funcionamento de toda uma instalação ou uma indústria  totalmente paralisada com a paralisação de um único equipamento. Trabalham  condições severas, de grande risco, com fluidos inflamáveis, tóxicos, explosivos etc,

Fatores de Influência na Seleção de Materiais Condições de serviço do equipamento  resistir à pressão e faixa de variações de temperatura  consideradas as condições extremas de temperatura  tanto máxima como mínima  mesmo que só ocorram em situações transitórias ou eventuais. Fluidos em contato Natureza e concentração do fluido  Impurezas e contaminantes existentes  gases dissolvidos ou de sólidos em suspensão.  Temperatura, pH, velocidade relativa do fluido em relação ao material.  Resistência à corrosão do material em relação aos fluidos  Contaminação do fluido pelos resíduos da corrosão.  Contaminação e conseqüências sobre a cor; o gosto, a toxidez, etc. Peças em contato com dois fluidos diferentes (ex.: feixes tubulares e serpentinas) Nível de tensões no material.  deve resistir aos esforços  resistência mecânica compatível com o nível de tensões que se tenha  espessuras das peças razoável  esforços: pressão do fluido, pesos, ação do vento, reações de dilatações térmicas, sobrecargas externas, esforços de montagem, etc.

Fatores de Influência na Seleção de Materiais Natureza dos esforços mecânicos.  tração, compressão, flexão, esforços estáticos ou dinâmicos, choques, vibrações, esforços cíclicos, etc.  materiais frágeis não devem ser utilizados em esforços dinâmicos, choques, ou altas concentrações de tensões. Custo do material.  decisivo na escolha. Para cada aplicação  vários materiais possíveis  o melhor será o que for mais econômico. Decisão de qual o material mais econômico  custo inicial, custo de fabricação, tempo de vida, custo de paralisação e de reposição do equipamento, etc. Segurança  risco potencial do equipamento grande ou equipamento essencial ao funcionamento de uma instalação importante  materiais que ofereçam o máximo de segurança  evitar rupturas, vazamentos ou outros acidentes. Facilidades de fabricação e de montagem.  o tipo e o tamanho da peça ou do equipamento, já excluem o emprego de determinados materiais, com os quais não seja possível ou seja muito caro Soldabilidade, usinabilidade, e a facilidade de conformação do material e de tratamentos térmicos.

Fatores de Influência na Seleção de Materiais Tempo de vida previsto  depende aplicação do equipamento principal ou secundário, peça de reposição, da importância do equipamento, do tempo de amortização do investimento, etc. Experiência prévia  decisão por um material  experiência prévia com esse material no mesmo serviço. Coeficiente de atrito.  aplica-se aos tubos  perda de carga admissível  materiais de baixo coeficiente de atrito  possibilidade do aumento das perdas de carga com incrustações ou ao envelhecimento do tubo. Facilidade de obtenção do material.  obtenção dos materiais, necessidade de importação, prazos de entrega, estoques, etc. Variações toleradas de forma ou de dimensões da peça.  toleradas variações grandes nas dimensões (1%, ou mais). Algumas peças essas variações não podem ser admitidas, por motivo de ajustagem mecânica, vedação, etc., devendo por isso o material selecionado apresentar maior estabilidade dimensional. Possibilidade de solda com outros metais.  metais sejam soldáveis entre si  suportes dos vasos, que devem ser de material compatível com a solda no casco do vaso.

Observações sobre a Seleção de Materiais Experiência do projetista é indispensável e insubstituível. Existem materiais consagrados pela tradição, pela prática dos projetistas, ou pelas normas e códigos existentes. Algumas peças devem ser feitas de material mais nobre Tubos de troca de calor de caldeiras, fornos, permutadores, aquecedores, etc.  devem ter paredes finas  melhorar a troca de calor  redução de peso do conjunto do feixe tubular. Peças internas de vaso de pressão (bandejas, borbulhadores, grades, recheios, etc.)  material mais resistente à corrosão porque também devem ter pequena espessura, por motivo de economia de peso e por necessidade de fabricação Parafusos e porcas  grandes esforços  não podem sofrer alteração dimensional nem desgaste por corrosão Peças internas em válvulas, purgadores, filtros e outros aparelhos.  feitas de material mais resistente à corrosão  pequenas dimensões, sujeitas a grandes esforços  não se podem admitir alterações dimensionais devido aos ajustes e folgas apertadas.

Classificação dos Materiais p/ Equip. de Processo

Classificação dos Materiais p/ Equip. de Processo

Tensões Admissíveis das Normas de Projeto Normas de projeto  estabelecem tensões admissíveis para materiais  dimensionamento mecânico desses equipamentos. Conhecer as tensões admissíveis das normas  limite de solicitação mecânica que se permite a cada material.  Critério de cálculo (mais preciso ou mais grosseiro)  Tipo de material (dúctil ou frágil)  Tipo de carregamento (estático ou dinâmico, permanente ou eventual )  Grau de inspeção de material e de fabricação  Variações possíveis nas condições de operação  Grau de risco potencial do equipamento Tensões admissíveis variam com a temperatura  diminuição da resistência mecânica dos materiais em temperaturas elevadas. Em altas temperaturas (dentro da chamada "faixa de fluência"), as tensões admissíveis dependem ainda da deformação permanente residual que se admite ao fim de um certo tempo.

Comparação de Custo dos Materiais Preços corrigidos  preços por quilograma multiplicados pelo peso específico e divididos pela tensão admissível de cada material.

Comparação de Custo dos Materiais Preços da tabela  materiais trabalhando na temperatura ambiente. Para temperaturas mais elevadas os índices de preços relativos serão bastante diferentes, devido à diversidade de variação das tensões admissíveis dos materiais em função das temperaturas. Comparação de custos Resistência à corrosão dos diversos materiais  sobre-espessura de sacrifício, aumentando assim a espessura total e o peso de material. Alívio de tensões.  grande espessura do material  tratamento térmico de alívio de tensões nas soldas  encarece fabricação do equipamento. Dificuldade de solda  técnicas especiais de solda, tratamentos térmicos antes e depois da solda, e métodos rigorosos de inspeção das soldas. Facilidade de conformação e de trabalho do material.

Propriedades Mecânicas dos Metais em Temperaturas Elevadas Metais e ligas metálicas  propriedades mecânicas sofrem grandes variações em função da temperatura. Aumento de temperatura  diminui o limite de resistência, o limite de elasticidade e o módulo de elasticidade dos metais

Propriedades Mecânicas dos Metais em Temperaturas Elevadas

Propriedades Mecânicas dos Metais em Temperaturas Elevadas Ductilidade do metal a diferentes temperaturas até o rompimento.

Fluência metálica acima da temperatura de fluência Terceira fase de fluência. Leva a ruptura Contração pela remoção de carga Primeira fase de fluência Segunda fase de fluência Deformação com o esforço inicial

Fluência metálica Curvas de fluência do aço carbono a 450°C Curvas de fluência à tensão constante

Fluência metálica Deformações por fluência vão aumentando,  ruptura do material Tempo até a ruptura  menor quanto mais alta for a temperatura ou a tensão inicial  segunda fase da fluência  algumas horas ou anos. Não se deve permitir a terceira fase da fluência  deformação se acelera. Deformação final de 1%  admissível para os equipamentos de processo, sem que haja prejuízo para o seu funcionamento normal. Peças onde não se pode permitir deformação  construídas de um material mais resistente à fluência. Parafusos  perderiam o aperto se sofressem qualquer aumento de comprimento. Peças móveis que tenham ajustagem de precisão (peças internas de válvulas, por exemplo), também não podem ter nenhuma alteração dimensional durante a vida útil. A permanência por muito tempo em temperaturas acima da de projeto, pode causar graves danos ao material, mesmo que a diferença de temperaturas não seja grande, devido ao rápido aumento de deformações por fluência que decorre de um acréscimo de temperatura. Fluência metálica  composição química da liga metálica e tamanho dos grãos da estrutura cristalina afetam muito a resistência à fluência.

Serviços em Temperaturas Elevadas Deve-se levar em conta: Temperatura limite  operação normal ou outra condição (transitória ou eventual): partida, parada, situações anormais de operação, lavagem com vapor, etc. Temperaturas das paredes metálicas do equipamento podem ser diferentes da temperatura do fluido de operação. Margem de segurança  prevenir erros ou flutuações imprevistas. Acrescentar 10% da temperatura ou 30°C, o que for menor. Tempo previsto em cada faixa de temperaturas  serviço contínuo, intermitente, eventual ou de curta duração  pode-se permitir que durante pouco tempo ocorram temperaturas superiores à de projeto. Resistência mecânica dos materiais (limite de resistência e limite de elasticidade) na temperatura de projeto. Resistência à fluência dos materiais  terceira fase da fluência e deformação permanente final aceitável. Resistência à oxidação dos materiais em temperatura elevada. Resistência à corrosão em temperatura elevada. Modificações na estrutura cristalina do metal.

Fragilidade a Baixa Temperatura Metais  comportamento dúctil em temperatura ambiente  quebradiços quando submetidos a temperaturas baixas  rupturas repentinas por fratura frágil, com um nível de tensões muito inferior ao limite de resistência ou mesmo ao limite de elasticidade do metal. Fraturas frágeis  catastróficas  perda total do equipamento  apresentam pouca ou nenhuma deformação prévia  propagação instantânea, em diversas direções, a uma grande extensão do material.

Fragilidade a Baixa Temperatura Gráfico temperatura x energia necessária para fraturar por impacto Diminuição de temperatura tende a aumentar a energia de ruptura  aumento de resistência mecânica do metal  continuando o aquecimento atinge-se a um máximo  em seguida uma queda brusca na curva de energia de ruptura  comportamento frágil.

Fragilidade a Baixa Temperatura Fratura frágil inicia-se sempre em um ponto onde haja o que se denomina de um "entalhe"  qualquer descontinuidade que modifique a distribuição de tensões no material  propaga-se depois em várias direções no material vizinho. Entalhes  defeitos na matéria prima (inclusões, bolhas, dupla laminação, etc), defeitos de solda (trincas, poros, mordeduras, regiões de fusão ou de penetração incompletas), ou descontinuidades de forma geométrica da peça, causadoras de pontos de concentração de tensões. Fatores que influenciam a ocorrência de fratura frágil: Nível de tensões: Apenas tensões de tração originam uma fratura frágil. Entalhes são causadores de fortes concentrações de tensões. Tensões provenientes de solicitações externas, como também as + tensões internas residuais, conseqüentes de soldas, trabalhos a frio (dobramentos, calandragem, martelamento) + dilatações contidas, etc. Espessura da peça: maior espessura da peça  menor sua resistência à fragilidade a frio. Quanto maior espessura menor energia de ruptura para uma temperatura

Fragilidade a Baixa Temperatura Fatores que influenciam a ocorrência de fratura frágil: Peças de maior espessura tem menor resistência à fragilidade porque nelas aparecem mais defeitos internos e irregularidades de granulação cristalina, e também porque as tensões residuais são mais elevadas devido à maior dificuldade de deformação para acomodar essas tensões. Distribuição de tensões na peça:quanto mais irregular a distribuição de tensões menor será a resistência à fragilidade  conseqüência do formato geométrico da peça e da existência e da gravidade de defeitos e descontinuidades geométricas. Tamanho dos grãos da estrutura cristalina: granulação cristalina grosseira têm menor resistência à fragilidade do que granulação fina. Três condições mínimas necessárias para fragilidade ao frio: Tensões de tração suficientemente e elevadas Existência de um entalhe suficientemente grave, de qualquer natureza. Temperatura inferior a uma certa "temperatura de transição" Basta que uma dessas três condições não se verifique para que seja evitada a possibilidade de fraturas frágeis.

Fragilidade a Baixa Temperatura Temperatura de Transição - Testes de Impacto temperatura de transição  abaixo da qual existe a possibilidade de fratura frágil de uma peça metálica.  na prática a temperatura de transição é a temperatura mínima em que um determinado corpo de prova resiste a um choque com um determinado valor de energia (testes de impacto), sem que haja fratura frágil. Testes de impacto  medir a energia de choque necessária para romper pelo impacto uma barra metálica contendo um entalhe ASTM A-370

Ocorrência de Baixas Temperaturas Podem ocorrer como condição normal de operação (serviços criogênicos e de baixa temperatura) ou como condição eventual  pode ser perigosa mesmo quando de curta duração Causas mais comuns de baixas temperaturas: Descompressão acidental de um gás liquefeito sob pressão. GLP pode atingir até - 50°C em um escapamento de gás. Teste hidrostático obrigatório antes de entrar em operação  enche-se o equipamento de água e aplicar-se pressão de 1,5 vezes a pressão de projeto  água muito fria e pressão elevada  acidentes de fragilidade. Serviços em Baixas Temperaturas Estabelecer os mínimos de temperatura em todas situações possíveis. Seleção de materiais  mínimo de temperatura, espessura de cada peça e nível de tensões no material  materiais para altas temperaturas resistem mal à fragilidade. Exigência de testes de impacto para a verificação da ductilidade. Detalhes e de cuidados de projeto e de fabricação que diminuem muito o risco de fraturas frágeis. Evitar as descontinuidades geométricas causadoras de concentrações de tensões ou atenuá-las, reduzir tensões residuais.

Descontinuidades geométricas que podem aumentar a probabilidade de fraturas frágeis e formas de atenuá-las.

Fragilidade a Baixas Temperaturas Evitar fazer ranhuras, marcas de punção, marcas de abertura de arco de solda e soldas provisórias sem os devidos cuidados. Alívio de tensões: tratamento térmico de alívio de tensões  no equipamento pronto   reduz as tensões internas e melhora as condições metalúrgicas das zonas afetadas pelas soldas, aumentando com isso a resistência à fragilidade. Inspeção de matéria prima e de fabricação: tamanho dos defeitos detectáveis ligado ao grau de inspeção, tanto os defeitos de matéria-prima como os defeitos de solda. Equipamentos importantes ou de grande risco  exame de ultra-som da matéria prima e exame das soldas com raios X total, com partículas magnéticas ou com Ilíquidos penetrantes. Segurança e custo: precauções contra a fragilidade a frio são problemas de segurança e de custo do equipamento. Equipamentos onde uma possível fratura frágil pode constituir um desastre com vítimas pessoais ou um prejuízo considerável, exige-se uma segurança total. Uma fratura frágil resulta quase sempre na perda completa do equipamento.