Ao projetar um sistema de tubulação de pressão, o engenheiro responsável geralmente especifica que a tubulação do sistema deve estar em conformidade com uma ou mais partes do Código de tubulação de pressão ASME B31. Como os engenheiros seguem adequadamente os requisitos do código ao projetar sistemas de tubulação?
Primeiro, o engenheiro deve determinar qual especificação de projeto deve ser selecionada. Para sistemas de tubulação de pressão, isso não está necessariamente limitado a ASME B31. Outros códigos emitidos por ASME, ANSI, NFPA ou outras organizações governamentais podem ser regidos pela localização do projeto, aplicação etc. No ASME B31, existem atualmente sete seções separadas em vigor.
ASME B31.1 Tubulação Elétrica: Esta seção abrange a tubulação em usinas de energia, plantas industriais e institucionais, sistemas de aquecimento geotérmico e sistemas de aquecimento e resfriamento central e distrital. Isso inclui tubulações externas e externas de caldeiras usadas para instalar caldeiras da Seção I da ASME. A ASME B31.1 remonta à década de 1920, com a primeira edição oficial publicada em 1935. Observe que a primeira edição, incluindo os apêndices, tinha menos de 30 páginas, e a edição atual tem mais de 300 páginas.
ASME B31.3 Tubulação de Processo: Esta seção abrange a tubulação em refinarias;plantas químicas, farmacêuticas, têxteis, de papel, semicondutoras e criogênicas;e plantas de processamento e terminais associados. Esta seção é muito semelhante à ASME B31.1, especialmente ao calcular a espessura mínima da parede para tubos retos. Esta seção originalmente fazia parte da B31.1 e foi lançada separadamente pela primeira vez em 1959.
ASME B31.4 Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurry: Esta seção cobre a tubulação que transporta principalmente produtos líquidos entre plantas e terminais, e dentro de terminais, bombeamento, condicionamento e estações de medição. Esta seção era originalmente parte de B31.1 e foi lançada separadamente pela primeira vez em 1959.
ASME B31.5 Tubulação de Refrigeração e Componentes de Transferência de Calor: Esta seção abrange a tubulação para refrigerantes e refrigerantes secundários.
ASME B31.8 Sistemas de tubulação de distribuição e transmissão de gás: Isso inclui tubulação para transportar produtos principalmente gasosos entre fontes e terminais, incluindo compressores, estações de condicionamento e medição;e tubulação de coleta de gás. Esta seção originalmente fazia parte de B31.1 e foi lançada separadamente pela primeira vez em 1955.
ASME B31.9 Tubulação de Serviços de Construção: Esta seção abrange a tubulação comumente encontrada em edifícios industriais, institucionais, comerciais e públicos;e residências com várias unidades que não exigem as faixas de tamanho, pressão e temperatura abrangidas no ASME B31.1. Esta seção é semelhante ao ASME B31.1 e B31.3, mas é menos conservadora (especialmente ao calcular a espessura mínima da parede) e contém menos detalhes. É limitada a aplicações de baixa pressão e baixa temperatura, conforme indicado no parágrafo 900.1.2 do ASME B31.9. Foi publicado pela primeira vez em 1982.
ASME B31.12 Tubulações e Tubulações de Hidrogênio: Esta seção abrange tubulações em serviços de hidrogênio gasoso e líquido e tubulações em serviços de hidrogênio gasoso. Esta seção foi publicada pela primeira vez em 2008.
Qual código de projeto deve ser usado depende do proprietário. A introdução ao ASME B31 declara: “É responsabilidade do proprietário selecionar a seção do código que mais se aproxima da instalação de tubulação proposta”.Em alguns casos, “várias seções de código podem se aplicar a diferentes seções da instalação”.
A edição de 2012 do ASME B31.1 servirá como a referência principal para as discussões subsequentes. O objetivo deste artigo é orientar o engenheiro responsável por algumas das principais etapas do projeto de um sistema de tubulação de pressão compatível com ASME B31. Seguir as diretrizes do ASME B31.1 fornece uma boa representação do projeto geral do sistema. Métodos de projeto semelhantes são usados ​​se o ASME B31.3 ou B31.9 for seguido. para sistemas ou aplicativos específicos e não serão discutidos posteriormente. Embora as principais etapas do processo de projeto sejam destacadas aqui, esta discussão não é exaustiva e o código completo deve sempre ser referenciado durante o projeto do sistema. Todas as referências ao texto referem-se a ASME B31.1, salvo indicação em contrário.
Depois de selecionar o código correto, o projetista do sistema também deve revisar todos os requisitos de projeto específicos do sistema. O parágrafo 122 (Parte 6) fornece requisitos de projeto relacionados a sistemas comumente encontrados em aplicações de tubulação elétrica, como vapor, água de alimentação, purga e purga, tubulação de instrumentação e sistemas de alívio de pressão. ASME B31.3 contém parágrafos semelhantes ao ASME B31.1, mas com menos detalhes. As considerações no parágrafo 122 incluem requisitos de pressão e temperatura específicos do sistema, bem como várias limitações jurisdicionais delineadas entre o corpo da caldeira, a tubulação externa da caldeira e a tubulação externa que não é da caldeira conectada à tubulação da caldeira ASME Seção I.definição. A Figura 2 mostra essas limitações da caldeira de tambor.
O projetista do sistema deve determinar a pressão e a temperatura nas quais o sistema irá operar e as condições que o sistema deve atender.
De acordo com o parágrafo 101.2, a pressão interna do projeto não deve ser inferior à pressão máxima de trabalho contínuo (MSOP) dentro do sistema de tubulação, incluindo o efeito da carga estática. A tubulação submetida à pressão externa deve ser projetada para a pressão diferencial máxima esperada em condições de operação, desligamento ou teste. Além disso, os impactos ambientais precisam ser considerados. De acordo com o parágrafo 101.4, se o resfriamento do fluido for capaz de reduzir a pressão no tubo abaixo da pressão atmosférica, o tubo deve ser projetado para suportar a pressão externa ou medidas devem ser tomadas para quebrar o vácuo. Em situações onde a expansão do fluido pode aumentar a pressão, os sistemas de tubulação devem ser projetados para suportar o aumento da pressão ou medidas devem ser tomadas para aliviar o excesso de pressão.
Começando na Seção 101.3.2, a temperatura do metal para o projeto da tubulação deve ser representativa das condições sustentadas máximas esperadas. Para simplificar, geralmente assume-se que a temperatura do metal é igual à temperatura do fluido. Se desejado, a temperatura média do metal pode ser usada desde que a temperatura da parede externa seja conhecida. Atenção especial também deve ser dada aos fluidos extraídos através de trocadores de calor ou de equipamentos de combustão para garantir que as piores condições de temperatura sejam levadas em consideração.
Freqüentemente, os projetistas adicionam uma margem de segurança à pressão e/ou temperatura máxima de trabalho. O tamanho da margem depende da aplicação. Também é importante considerar as restrições do material ao determinar a temperatura do projeto. Especificar altas temperaturas de projeto (maiores que 750 F) pode exigir o uso de materiais de liga em vez do aço carbono mais padrão. Os valores de tensão no Apêndice A obrigatório são fornecidos apenas para as temperaturas permitidas para cada material. temperaturas acima de 800 F podem fazer com que o tubo carbonize, tornando-o mais quebradiço e propenso a falhas. Se operar acima de 800 F, o dano de fluência acelerada associado ao aço carbono também deve ser considerado. Consulte o parágrafo 124 para uma discussão completa dos limites de temperatura do material.
Às vezes, os engenheiros também podem especificar pressões de teste para cada sistema. O parágrafo 137 fornece orientação sobre testes de resistência. Normalmente, os testes hidrostáticos serão especificados em 1,5 vezes a pressão de projeto;no entanto, as tensões circulares e longitudinais na tubulação não devem exceder 90% do limite de escoamento do material no parágrafo 102.3.3 (B) durante o teste de pressão. Para alguns sistemas de tubulação externa sem caldeira, o teste de vazamento em serviço pode ser um método mais prático de verificação de vazamentos devido a dificuldades em isolar partes do sistema ou simplesmente porque a configuração do sistema permite um teste de vazamento simples durante o serviço inicial.Concordo, isso é aceitável.
Uma vez estabelecidas as condições do projeto, a tubulação pode ser especificada.A primeira coisa a decidir é qual material usar.Conforme mencionado anteriormente, diferentes materiais têm diferentes limites de temperatura.O parágrafo 105 fornece restrições adicionais para vários materiais de tubulação.A seleção do material também depende do fluido do sistema, como ligas de níquel em aplicações químicas corrosivas de tubulação, aço inoxidável para fornecer ar de instrumento limpo ou aço carbono com alto teor de cromo (maior que 0,1%) para evitar corrosão acelerada por fluxo.Corrosão acelerada por fluxo (FAC ) é um fenômeno de erosão/corrosão que demonstrou causar um desbaste severo de paredes e falha de tubulação em alguns dos sistemas de tubulação mais críticos. A falha em considerar adequadamente o desbaste de componentes de encanamento pode e tem tido sérias consequências, como em 2007, quando um tubo de dessuperaquecimento na usina elétrica IATAN da KCP&L estourou, matando dois trabalhadores e ferindo gravemente um terceiro.
A Equação 7 e a Equação 9 no parágrafo 104.1.1 definem a espessura de parede mínima necessária e a pressão interna máxima de projeto, respectivamente, para tubos retos sujeitos a pressão interna. As variáveis ​​nessas equações incluem a tensão máxima permitida (do Apêndice A obrigatório), o diâmetro externo do tubo, o fator de material (conforme mostrado na Tabela 104.1.2 (A)) e quaisquer tolerâncias de espessura adicionais (conforme descrito abaixo). Com tantas variáveis ​​envolvidas, é possível especificar o material de tubulação apropriado, o diâmetro nominal e a espessura da parede um processo iterativo que também pode incluir velocidade do fluido, queda de pressão e custos de tubulação e bombeamento. Independentemente da aplicação, a espessura mínima de parede necessária deve ser verificada.
Tolerância de espessura adicional pode ser adicionada para compensar vários motivos, incluindo FAC. Tolerâncias podem ser necessárias devido à remoção de roscas, ranhuras, etc. material necessário para fazer juntas mecânicas. De acordo com o parágrafo 102.4.2, a tolerância mínima deve ser igual à profundidade da rosca mais a tolerância de usinagem. A tolerância também pode ser necessária para fornecer resistência adicional para evitar danos ao tubo, colapso, curvatura excessiva ou flambagem devido a cargas sobrepostas ou outras causas discutidas no parágrafo 102.4.4. As tolerâncias podem também devem ser adicionados para levar em conta juntas soldadas (parágrafo 102.4.3) e cotovelos (parágrafo 102.4.5). Finalmente, tolerâncias podem ser adicionadas para compensar corrosão e/ou erosão.
O Anexo IV opcional fornece orientação sobre o controle de corrosão. Revestimentos protetores, proteção catódica e isolamento elétrico (como flanges isolantes) são todos métodos de prevenção da corrosão externa de tubulações enterradas ou submersas. Inibidores de corrosão ou revestimentos podem ser usados ​​para evitar a corrosão interna. Também deve-se tomar cuidado para usar água de teste hidrostático de pureza apropriada e, se necessário, drenar completamente a tubulação após o teste hidrostático.
A espessura mínima da parede do tubo ou tabela necessária para cálculos anteriores pode não ser constante ao longo do diâmetro do tubo e pode exigir especificações para diferentes tabelas para diferentes diâmetros. Os valores apropriados de tabela e espessura da parede são definidos no ASME B36.10 Tubo de aço forjado soldado e sem costura.
Ao especificar o material do tubo e realizar os cálculos discutidos anteriormente, é importante garantir que os valores máximos permitidos de tensão usados ​​nos cálculos correspondam ao material especificado. Por exemplo, se o tubo de aço inoxidável A312 304L for incorretamente designado como tubo de aço inoxidável A312 304, a espessura da parede fornecida pode ser insuficiente devido à diferença significativa nos valores máximos permitidos de tensão entre os dois materiais. Da mesma forma, o método de fabricação do tubo deve ser especificado adequadamente. Por exemplo, se o máximo permitido o valor de tensão para tubo sem costura é usado para o cálculo, tubo sem costura deve ser especificado. Caso contrário, o fabricante/instalador pode oferecer tubo com costura soldada, o que pode resultar em espessura de parede insuficiente devido a valores de tensão máximos permitidos mais baixos.
Por exemplo, suponha que a temperatura de projeto da tubulação seja de 300 F e a pressão de projeto seja de 1.200 psig.2″ e 3″. Será usado fio de aço carbono (A53 Grau B sem costura).
Em seguida, determine os valores de tensão máxima permitida para A53 Grau B nas temperaturas de projeto acima da Tabela A-1. Observe que o valor para tubo sem costura é usado porque o tubo sem costura é especificado:
A tolerância de espessura também deve ser adicionada. Para esta aplicação, uma tolerância de corrosão de 1/16 polegadas é assumida. Uma tolerância de fresamento separada será adicionada posteriormente.
3 polegadas. O tubo será especificado primeiro. Supondo um tubo Schedule 40 e uma tolerância de fresagem de 12,5%, calcule a pressão máxima:
O tubo Schedule 40 é satisfatório para 3 polegadas.tubo nas condições de projeto especificadas acima. Em seguida, verifique 2 polegadas. A tubulação usa as mesmas suposições:
2 polegadas. Sob as condições de projeto especificadas acima, a tubulação exigirá uma espessura de parede mais espessa do que a Tabela 40. Tente 2 polegadas. Tabela 80 Tubos:
Embora a espessura da parede do tubo seja frequentemente o fator limitante no projeto de pressão, ainda é importante verificar se os encaixes, componentes e conexões usados ​​são adequados para as condições de projeto especificadas.
Como regra geral, de acordo com os parágrafos 104.2, 104.7.1, 106 e 107, todas as válvulas, conexões e outros componentes contendo pressão fabricados de acordo com os padrões listados na Tabela 126.1 devem ser considerados adequados para uso em condições normais de operação ou abaixo das taxas de pressão e temperatura especificadas em . limites mais rígidos devem ser aplicados.
Em interseções de tubos, Tês, transversais, cruzes, juntas soldadas de ramais, etc., fabricados de acordo com os padrões listados na Tabela 126.1 são recomendados. Em alguns casos, as interseções de tubulações podem exigir conexões de ramais exclusivas. O parágrafo 104.3.1 fornece requisitos adicionais para conexões de ramais para garantir que haja material de tubulação suficiente para suportar a pressão.
Para simplificar o projeto, o projetista pode optar por definir as condições de projeto mais altas para atender à classificação do flange de uma determinada classe de pressão (por exemplo, classe ASME 150, 300, etc.), conforme definido pela classe de pressão e temperatura para materiais específicos especificados em ASME B16.5 Flanges de tubos e juntas de flange ou padrões semelhantes listados na Tabela 126.1. Isso é aceitável, desde que não resulte em um aumento desnecessário na espessura da parede ou em outros projetos de componentes.
Uma parte importante do projeto de tubulação é garantir que a integridade estrutural do sistema de tubulação seja mantida uma vez que os efeitos de pressão, temperatura e forças externas são aplicados. A integridade estrutural do sistema é frequentemente negligenciada no processo de projeto e, se não for bem feita, pode ser uma das partes mais caras do projeto. A integridade estrutural é discutida principalmente em dois locais, Parágrafo 104.8: Análise de componentes de dutos e Parágrafo 119: Expansão e flexibilidade.
O parágrafo 104.8 lista as fórmulas de código básicas usadas para determinar se um sistema de tubulação excede as tensões permitidas pelo código. Essas equações de código são comumente referidas como cargas contínuas, cargas ocasionais e cargas de deslocamento. Carga sustentada é o efeito da pressão e do peso em um sistema de tubulação. um caso de carga separado no momento da análise. Cargas de deslocamento são os efeitos do crescimento térmico, deslocamento do equipamento durante a operação ou qualquer outra carga de deslocamento.
O parágrafo 119 discute como lidar com a expansão e a flexibilidade da tubulação em sistemas de tubulação e como determinar as cargas de reação. A flexibilidade dos sistemas de tubulação geralmente é mais importante nas conexões de equipamentos, pois a maioria das conexões de equipamentos pode suportar apenas a quantidade mínima de força e momento aplicada no ponto de conexão.
Para acomodar a flexibilidade do sistema de tubulação e garantir que o sistema seja adequadamente suportado, é uma boa prática apoiar os tubos de aço de acordo com a Tabela 121.5. Se um projetista se esforçar para atender ao espaçamento de suporte padrão para esta tabela, consegue três coisas: minimiza a deflexão do peso próprio, reduz as cargas sustentadas e aumenta a tensão disponível para cargas de deslocamento. nos suportes do tubo. Minimizar a deflexão do peso próprio ajuda a reduzir a chance de condensação em tubos que transportam vapor ou gás. Seguir as recomendações de espaçamento na Tabela 121.5 também permite que o projetista reduza a tensão sustentada na tubulação para aproximadamente 50% do valor contínuo permitido pelo código. De acordo com a Equação 1B, a tensão permitida para cargas de deslocamento é inversamente relacionada às cargas sustentadas. Portanto, ao minimizar a carga sustentada, a tolerância à tensão de deslocamento pode ser maximizada. O espaçamento recomendado para suportes de tubos é mostrado na Figura 3.
Para ajudar a garantir que as cargas de reação do sistema de tubulação sejam consideradas adequadamente e que as tensões do código sejam atendidas, um método comum é realizar uma análise de tensão de tubulação auxiliada por computador do sistema. Existem vários pacotes de software de análise de tensão de tubulação disponíveis, como Bentley AutoPIPE, Intergraph Caesar II, Piping Solutions Tri-Flex ou um dos outros pacotes disponíveis comercialmente. alterações na configuração. A Figura 4 mostra um exemplo de modelagem e análise de um trecho de tubulação.
Ao projetar um novo sistema, os projetistas do sistema normalmente especificam que todas as tubulações e componentes devem ser fabricados, soldados, montados, etc. conforme exigido por qualquer código usado. No entanto, em alguns retrofits ou outras aplicações, pode ser benéfico para um engenheiro designado fornecer orientação sobre certas técnicas de fabricação, conforme descrito no Capítulo V.
Um problema comum encontrado em aplicações de retrofit é o pré-aquecimento da solda (parágrafo 131) e o tratamento térmico pós-soldagem (parágrafo 132). Entre outros benefícios, esses tratamentos térmicos são usados ​​para aliviar tensões, prevenir rachaduras e aumentar a resistência da solda. Número P. Para pré-aquecimento, o parágrafo 131 fornece a temperatura mínima à qual o metal de base deve ser aquecido antes que a soldagem possa ocorrer. Para PWHT, a Tabela 132 fornece a faixa de temperatura de retenção e o tempo para manter a zona de solda. Taxas de aquecimento e resfriamento, métodos de medição de temperatura, técnicas de aquecimento e outros procedimentos devem seguir rigorosamente as diretrizes estabelecidas no código. Efeitos adversos inesperados na área soldada podem ocorrer devido à falha no tratamento térmico adequado.
Outra área potencial de preocupação em sistemas de tubulação pressurizada são as curvas de tubos. Tubos de dobra podem causar adelgaçamento da parede, resultando em espessura de parede insuficiente. De acordo com o parágrafo 102.4.5, o código permite curvas, desde que a espessura mínima da parede satisfaça a mesma fórmula usada para calcular a espessura mínima da parede para tubos retos. Normalmente, uma tolerância é adicionada para considerar a espessura da parede. A Tabela 102.4.5 fornece tolerâncias de redução de curvatura recomendadas para diferentes raios de curvatura. - tratamento térmico de flexão e/ou pós-flexão. O parágrafo 129 fornece orientações sobre a fabricação de cotovelos.
Para muitos sistemas de tubulação de pressão, é necessário instalar uma válvula de segurança ou válvula de alívio para evitar sobrepressão no sistema. Para essas aplicações, o Apêndice II opcional: Regras de projeto de instalação de válvulas de segurança é um recurso muito valioso, mas às vezes pouco conhecido.
De acordo com o parágrafo II-1.2, as válvulas de segurança são caracterizadas por uma ação pop-up totalmente aberta para serviços com gás ou vapor, enquanto as válvulas de segurança abrem em relação à pressão estática a montante e são usadas principalmente para serviços com líquidos.
As unidades de válvula de segurança são caracterizadas por serem sistemas de descarga abertos ou fechados.Em uma exaustão aberta, o cotovelo na saída da válvula de segurança geralmente descarregará no tubo de exaustão para a atmosfera.Normalmente, isso resultará em menos contrapressão.Se for criada contrapressão suficiente no tubo de exaustão, uma parte do gás de exaustão pode ser expelida ou retrolavada da extremidade de entrada do tubo de exaustão.O tamanho do tubo de exaustão deve ser grande o suficiente para evitar o retorno.Em aplicações de ventilação fechada, a pressão aumenta na saída da válvula de alívio devido à compressão do ar na linha de ventilação, podendo causar a propagação de ondas de pressão. No parágrafo II-2.2.2, recomenda-se que a pressão de projeto da linha de descarga fechada seja pelo menos duas vezes maior que a pressão de trabalho em regime permanente. As Figuras 5 e 6 mostram a instalação da válvula de segurança aberta e fechada, respectivamente.
As instalações de válvulas de segurança podem estar sujeitas a várias forças, conforme resumido no parágrafo II-2. Essas forças incluem efeitos de expansão térmica, a interação de múltiplas válvulas de alívio ventilando simultaneamente, efeitos sísmicos e/ou de vibração e efeitos de pressão durante eventos de alívio de pressão. Embora a pressão de projeto até a saída da válvula de segurança deva corresponder à pressão de projeto do tubo descendente, a pressão de projeto no sistema de descarga depende da configuração do sistema de descarga e das características da válvula de segurança. As equações são fornecidas no parágrafo II-2.2 para determinar a pressão e a velocidade no cotovelo de descarga, entrada do tubo de descarga e saída do tubo de descarga para sistemas de descarga abertos e fechados. Usando essas informações, as forças de reação em vários pontos do sistema de exaustão podem ser calculadas e contabilizadas.
Um exemplo de problema para uma aplicação de descarga aberta é fornecido no parágrafo II-7. Existem outros métodos para calcular as características de fluxo em sistemas de descarga de válvula de alívio, e o leitor é advertido para verificar se o método usado é suficientemente conservador. Um desses métodos é descrito por GS Liao em "Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis" publicado pela ASME no Journal of Electrical Engineering, outubro de 1975.
A válvula de alívio deve estar localizada a uma distância mínima do tubo reto longe de qualquer curva. Essa distância mínima depende do serviço e da geometria do sistema, conforme definido no parágrafo II-5.2.1. Para instalações com múltiplas válvulas de alívio, o espaçamento recomendado para conexões de ramal da válvula depende dos raios do ramal e da tubulação de serviço, conforme mostrado na Nota (10)(c) da Tabela D-1. De acordo com o parágrafo II-5.7.1, pode ser necessário conectar suportes de tubulação localizados nas descargas da válvula de alívio à tubulação de operação em vez de estruturas adjacentes para minimizar os efeitos da expansão térmica e interações sísmicas. Um resumo dessas e outras considerações de projeto no projeto de conjuntos de válvulas de segurança pode ser encontrado no parágrafo II-5.
Obviamente, não é possível cobrir todos os requisitos de projeto da ASME B31 dentro do escopo deste artigo. Mas qualquer engenheiro designado envolvido no projeto de um sistema de tubulação de pressão deve pelo menos estar familiarizado com este código de projeto. Esperamos que, com as informações acima, os leitores considerem a ASME B31 um recurso mais valioso e acessível.
Monte K. Engelkemier é o líder do projeto na Stanley Consultants.Engelkemier é membro da Iowa Engineering Society, NSPE e ASME, e atua no Comitê e Subcomitê de Código de Tubulação Elétrica B31.1. clientes industriais e é membro da ASME e da Iowa Engineering Society.
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