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INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS Instalações Industriais Paulo Henrique Palma Setti Paulo Henrique Palma Setti GRUPO SER EDUCACIONAL gente criando o futuro Um dos propósitos da engenharia é projetar e produzir bens que satisfaçam as neces- sidades da sociedade. No entanto, a aquisição desses bens depende de processos que, por sua vez, demandam investimentos em instalações industriais adequadas. Durante nossos estudos, iremos compreender toda essa cadeia de processos, avan- çando em direção à satisfação das necessidades de nossa sociedade. Nosso objetivo é conhecer os conceitos fundamentais de instalações industriais, as tubulações envol- vidas em uma unidade produtiva e trabalhar com os requisitos que envolvem o proje- to de todas as instalações necessárias a uma planta industrial. A cada dia que passa, novos requisitos são incluídos nos projetos de instalações in- dustriais. Há de se considerar, por exemplo, o pensamento da sustentabilidade e da economia de energia. Esse é um dos principais desa� os da atualidade para os enge- nheiros que desenvolvem instalações com um alto consumo de energia. Sendo assim, é de extrema relevância o conhecimento dos cálculos de instalações industriais. Isso possibilita o atendimento de todas as necessidades de um cliente, fornecendo a ele o equipamento necessário para facilitar seus processos, de forma correta e pelo menor custo possível. Capa_formatoA5.indd 1,3 23/04/20 13:04 © Ser Educacional 2020 Rua Treze de Maio, nº 254, Santo Amaro Recife-PE – CEP 50100-160 *Todos os gráficos, tabelas e esquemas são creditados à autoria, salvo quando indicada a referência. Informamos que é de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização. A violação dos direitos autorais é crime estabelecido pela Lei n.º 9.610/98 e punido pelo artigo 184 do Código Penal. Imagens de ícones/capa: © Shutterstock Presidente do Conselho de Administração Diretor-presidente Diretoria Executiva de Ensino Diretoria Executiva de Serviços Corporativos Diretoria de Ensino a Distância Autoria Projeto Gráfico e Capa Janguiê Diniz Jânyo Diniz Adriano Azevedo Joaldo Diniz Enzo Moreira Paulo Henrique Palma Setti DP Content DADOS DO FORNECEDOR Análise de Qualidade, Edição de Texto, Design Instrucional, Edição de Arte, Diagramação, Design Gráfico e Revisão. SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 2 24/04/20 15:53 Boxes ASSISTA Indicação de filmes, vídeos ou similares que trazem informações comple- mentares ou aprofundadas sobre o conteúdo estudado. CITANDO Dados essenciais e pertinentes sobre a vida de uma determinada pessoa relevante para o estudo do conteúdo abordado. CONTEXTUALIZANDO Dados que retratam onde e quando aconteceu determinado fato; demonstra-se a situação histórica do assunto. CURIOSIDADE Informação que revela algo desconhecido e interessante sobre o assunto tratado. DICA Um detalhe específico da informação, um breve conselho, um alerta, uma informação privilegiada sobre o conteúdo trabalhado. EXEMPLIFICANDO Informação que retrata de forma objetiva determinado assunto. EXPLICANDO Explicação, elucidação sobre uma palavra ou expressão específica da área de conhecimento trabalhada. SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 3 24/04/20 15:53 Unidade 1 - Sistemas de apoio à produção industrial Objetivos da unidade ........................................................................................................... 12 Introdução aos sistemas de apoio da produção ............................................................ 13 Tubos e tubulações ......................................................................................................... 14 Classificação das tubulações ....................................................................................... 16 Materiais e componentes .............................................................................................. 19 Materiais e processos de fabricação de tubos ............................................................. 21 Tubos usinados ................................................................................................................ 23 Tubos laminados .............................................................................................................. 25 Tubos extrudados e fundidos ........................................................................................ 27 Conceito de velocidade econômica e dimensionamento de tubulações para líquidos ... 30 Velocidade econômica ................................................................................................... 32 Perdas de carga .............................................................................................................. 34 Dimensionamento de tubulações para líquidos ......................................................... 37 Sintetizando ........................................................................................................................... 40 Referências bibliográficas ................................................................................................. 41 Sumário SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 4 24/04/20 15:53 Sumário Unidade 2 - Tubulações e válvulas Objetivos da unidade ........................................................................................................... 43 Dimensionamento de tubulações para gases ................................................................. 44 Escoamento de gases ..................................................................................................... 45 Casos especiais ............................................................................................................... 48 Principais problemas em sistemas de coleta de gás ................................................ 51 Dimensionamento de tubulações pelas normas ANSI/ASME B.31 ............................ 53 Tubulação como elemento estrutural ......................................................................... 55 Tensões nas paredes dos tubos.................................................................................... 56 Normas de projetos de tubulações .............................................................................. 58 Principais tipos de válvulas, aspectos construtivos e meios de operação .............. 60 Pressão de projeto .......................................................................................................... 62 Temperatura de projeto .................................................................................................. 64 Válvulas ............................................................................................................................. 66 Sintetizando ........................................................................................................................... 71 Referências bibliográficas ................................................................................................. 72 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 5 24/04/20 15:53 Sumário Unidade 3 – Construções e arranjos de instalações de tubulações industriais Objetivos da unidade ........................................................................................................... 74 Disposição das construções em uma instalação industrial ........................................ 75 Disposições gerais .......................................................................................................... 76 Disposições em áreas abertas ...................................................................................... 80 Disposições em áreas fechadas ................................................................................... 86 Projeto e arranjos de tubulações ..................................................................................... 88 Regras gerais ...................................................................................................................90 Montagem, operação e manutenção ........................................................................... 93 Critérios e recomendações para o arranjo de tubulações industriais ...................... 96 Suportes de tubulação ................................................................................................... 98 Flanges: meio de ligação de tubos ............................................................................... 99 Conexões, juntas e demais acessórios ..................................................................... 101 Sintetizando ......................................................................................................................... 105 Referências bibliográficas ............................................................................................... 106 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 6 24/04/20 15:53 Sumário Unidade 4 - A importância da gestão ambiental na ventilação industrial Objetivo da unidade ........................................................................................................... 108 Dutos e ventilação: dimensionamento e aplicações ................................................. 109 Princípios gerais de ventilação ................................................................................... 111 Dispositivos de limpeza do ar ...................................................................................... 115 Procedimento de concepção do sistema de escape ............................................. 119 Ventiladores .................................................................................................................... 121 Riscos ambientais devido à atividade industrial: conceito de tecnologia limpa................ 125 Qualidade do ar interior ................................................................................................ 126 Pesquisa e inovação x impactos ambientais ........................................................... 129 Conceito de produção limpa ........................................................................................ 130 Gestão ambiental: normas ISO 14000 ............................................................................ 132 Dimensões ambientais ................................................................................................. 133 ABNT NBR ISO 14001 .................................................................................................... 135 Sintetizando ......................................................................................................................... 137 Referências bibliográficas ............................................................................................... 138 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 7 24/04/20 15:53 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 8 24/04/20 15:53 Um dos propósitos da engenharia é projetar e produzir bens que satisfaçam as necessidades da sociedade. No entanto, a aquisição desses bens depende de processos que, por sua vez, demandam investimentos em instalações in- dustriais adequadas. Durante nossos estudos, iremos compreender toda essa cadeia de pro- cessos, avançando em direção à satisfação das necessidades de nossa socie- dade. Nosso objetivo é conhecer os conceitos fundamentais de instalações industriais, as tubulações envolvidas em uma unidade produtiva e trabalhar com os requisitos que envolvem o projeto de todas as instalações necessárias a uma planta industrial. A cada dia que passa, novos requisitos são incluídos nos projetos de ins- talações industriais. Há de se considerar, por exemplo, o pensamento da sus- tentabilidade e da economia de energia. Esse é um dos principais desafi os da atualidade para os engenheiros que desenvolvem instalações com um alto con- sumo de energia. Sendo assim, é de extrema relevância o conhecimento dos cálculos de ins- talações industriais. Isso possibilita o atendimento de todas as necessidades de um cliente, fornecendo a ele o equipamento necessário para facilitar seus processos, de forma correta e pelo menor custo possível. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 9 Apresentação SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 9 24/04/20 15:53 Dedico esse trabalho aos que ainda acreditam que o estudo e a pesquisa são os fundamentos de uma sociedade que busca o equilíbrio entre as sustentabilidades econômica, ambiental e social. O professor Paulo Henrique Palma Setti é mestre em Engenharia de Pro- dução e Sistemas pela Pontifícia Uni- versidade Católica do Paraná – PUCPR (2014) e especialista em Desenvolvi- mento de Produtos e Design, também pela PUCPR (2003). É graduado em Engenharia Industrial Mecânica pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR (1998) e técnico em Mecânica pela Universidade Tecnológi- ca Federal do Paraná (1993). Presente há mais de 20 anos na in- dústria de bens de consumo, também possui longa atuação como professor em instituições de ensino técnico e ba- charelado em engenharia e design. Le- ciona, também, em cursos de pós-gra- duação, ministrando as disciplinas que envolvem especifi cações de projetos, desenvolvimento de produtos, siste- mas mecânicos, estruturas mecânicas e gestão de processos e qualidade. Currículo Lattes: http://lattes.cnpq.br/1166719626505876 INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 10 O autor SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 10 24/04/20 15:53 SISTEMAS DE APOIO À PRODUÇÃO INDUSTRIAL 1 UNIDADE SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 11 24/04/20 15:55 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Conhecer os conceitos fundamentais ligados às instalações de uma indústria; Conhecer as tubulações envolvidas em uma unidade produtiva; Conhecer as classificações, materiais e componentes de tubos e tubulações; Compreender os requisitos que envolvem os projetos de todas as instalações necessárias a uma planta industrial; Compreender os conceitos iniciais de tratamento isotérmico, termomecânico e termoquímico dos aços e ferros fundidos. Introdução aos sistemas de apoio da produção Tubos e tubulações Classificação das tubulações Materiais e componentes Materiais e processos de fabri- cação de tubos Tubos usinados Tubos laminados Tubos extrudados e fundidos Conceito de velocidade eco- nômica e dimensionamento de tubulações para líquidos Velocidade econômica Perdas de carga Dimensionamento de tubu- lações para líquidos INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 12 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 12 24/04/20 15:55 Introdução aos sistemas de apoio da produção Indo além da caracterização das edifi cações de uma empresa, os sistemas de apoio à produção são instalações que garantem o planejamento e controle do processo produtivo. As especifi cações de um projeto de instalações industriais tratarão dos cálculos e dimensionamen- tos dos componentes, bem como dos recursos que uma organização produtiva necessita, a fi m de produzir os bens de consumo desejados pelos seus clientes. Esse tópico tratará das edifi cações que deverão ser usadas para fi ns indus- triais, e as instalações que nelas deverão ser colocadas para atender às neces- sidades fabris. Todo projeto deverá atender aos requisitos estabelecidos pelos diferentes regulamentos aplicáveis ao edifício. A seleção dos equipamentos deve ser feita a partir de fornecedores confi áveis, utilizando elementos padronizados que atendam à regulamentação vigente. Além disso, os cálculos e o processo de projeto das instalações devem responder a mé- todos-padrão e metodologias contrastadas, reconhecidos por fontes ofi ciais. Nos mais diversos tipos de fábricas, como as de produtos químicos, de pa- pel e de processamento de alimentos, os sistemas de tubulação são utilizados para transportar líquidos, produtos químicos, misturas, gases, vapores e sóli- dos de um local para outro. Assim, como pode-se observar na Figura 1, as tubulações, suas caracterís- ticas e necessidades são o cerne dos estudos de instalações industriais. Nesseexemplo, observamos um sistema de transporte de fl uídos de refrigeração em uma planta de produção de papel. Figura 1. Típica instalação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 26/03/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 13 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 13 24/04/20 15:57 Tubos e tubulações Um sistema de tubulação é um conjunto de tubos, normalmente fe- chados, unidos por acessórios e com o propósito de transportar fl uidos. A maioria dos tubos atua como um recipiente sob pressão, ou seja, o fl uido molha toda a área da seção transversal. Há exceções: nos esgotos ou canais de esgoto, o fl uido pode transitar em uma superfície aberta. Os sistemas de tubulação são como artérias e veias. Eles carregam a força vital da civilização moderna. Em uma cidade, eles transportam água das fontes de abastecimento para os pontos de distribuição, assim como resíduos de edifícios residenciais, comerciais e outras instalações cívicas, para a instalação de tratamento de esgoto. Da mesma forma, os oleodutos transportam petróleo bruto dos poços para as fazendas de tanques, para armazenamento, ou para as refi narias, para processamento. As linhas de transporte e distribuição de gás natural transportam o gás das fôrmas de tanque de origem e armazenamento para os pontos de utilização, como usinas de energia, instalações industriais e comunidades comerciais e residenciais. A necessidade de usar tubos surge do fato de que o ponto de armazena- mento, ou de fl uxo, geralmente está distante do local onde o fl uído é neces- sário. Esse tipo de solução remonta à antiguidade. Arqueólogos descobriram tubos de barro com extremidades fl angeadas que datam de 2700 a.C. Esses fl anges foram unidos com asfalto, em vez de serem aparafusados como os fl anges modernos. As evidências do uso de tubos de metal remontam aos anos 2400 a.C. Estes tubos eram feitos de cobre no Egito antigo. Muitos outros achados arqueológicos confi rmam o uso de canos para transportar água de fontes muito distantes para locais diferentes. Alguns dos sistemas de entrega mais famosos e mais longos foram construídos pelos romanos. Seus sistemas de aquedutos são bem conhecidos. Muitos ainda podem ser vistos nos dias de hoje. A Figura 2 mostra um aqueduto romano ainda em pé, chamado atualmente de Pont du Gard. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 14 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 14 24/04/20 15:57 Figura 2. Pont du Gard. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 26/03/2020. CURIOSIDADE A Pont du Gard se encontra perto da cidade de Vers-Pont-du-Gard, no sul da França. É uma antiga ponte de aqueduto romano, construída no século I d.C. para transportar água por mais de 50 km até a colônia romana de Nemausus. A Pont du Gard é a mais alta de todas as pontes do aqueduto romano, e uma das mais bem preservadas. Foi adicionada à lista de Patrimônios Mundiais da UNESCO em 1985, por causa de sua importância histórica. No contexto de aplicações industriais e manufatura comercial, os sistemas de tubulação foram desenvolvidos apenas no final do século XIX, devido à de- manda de materiais capazes de resistir às crescentes pressões originadas, prin- cipalmente, pelo uso do vapor. Os sistemas de tubulação são usados para transportar todos os fluidos va- záveis conhecidos (líquidos ou gasosos), materiais pastosos e fluidos em sus- pensão. Eles devem resistir a toda faixa de pressão e temperatura usada em aplicações industriais, do vácuo absoluto a pressões de até 400 Mpa, e do zero absoluto à temperatura de fusão dos metais. Os tubos circulares são os mais utilizados, pois essa forma fornece não ape- nas maior resistência estrutural, mas também maior seção transversal para o mesmo perímetro externo. A menos que indicado especificamente, a palavra tubo nas notas dessa unidade sempre se referem a um conduíte fechado, de seção circular e com diâmetro interno constante. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 15 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 15 24/04/20 15:57 As redes de tubulação de proteção contra incêndio em edifícios residen- ciais, comerciais e industriais transportam fl uidos de supressão de incêndio, como água, gases e produtos químicos, fornecendo proteção à vida e à pro- priedade. Os sistemas de tubulação nas usinas termelétricas transmitem vapor de alta pressão e alta temperatura para gerar eletricidade. Outros sistemas de tubulação, em uma usina, transportam água de alta e baixa pressão, produtos químicos e vapor de baixa pressão e condensado. Sistemas sofi sticados de tubulação são usados para processar e transpor- tar substâncias perigosas e tóxicas. Os sistemas de tubulação de águas, plu- viais e residuais, transportam grandes quantidades do líquido para fora das cidades e estabelecimentos industriais, a fi m de proteger vidas, propriedades e instalações essenciais. Nas instalações de saúde, os sistemas de tubulação são usados para trans- portar gases e fl uidos, para fi ns médicos. Os sistemas de tubulação em labora- tórios transportam gases, produtos químicos, vapores e outros fl uidos essen- ciais para a realização de pesquisas. Em suma, os sistemas de tubulação são parte essencial e integrante de nossa civilização moderna, assim como artérias e veias são essenciais para o corpo humano. Classificação das tubulações A análise estrutural de sistemas de tubulação é desenvolvida de acor- do com o tipo de instalação na qual o engenheiro está trabalhando. Para validar a integridade estrutural dos sistemas de tubulação, os engenheiros realizam diferentes tipos de análise. Estas dependem da criticidade, regu- lamentos nacionais e internacionais, casos de carga e qualquer solicitação especial do cliente. Alguns sistemas de tubulação são mais críticos e mais difíceis de proje- tar do que outros, sobretudo no que diz respeito a variações de tempera- tura, vibrações, fadiga e conexão com equipamentos sensíveis, como tur- binas e compressores. Muitos problemas podem ocorrer em instalações industriais mal projetadas, como as forças e os momentos gerados adicio- narem carga à estrutura de suporte de tubo. Ou ainda, os flanges podem se separar por usarem elementos de fixações e espessuras subdimensio- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 16 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 16 24/04/20 15:57 nadas, gerando escape de gases de hidrocarbonetos, que se misturarão com o ar, gerando uma fonte de ignição. Um vazamento pelo flange de fluído condensado ou gotejamento de combustível em uma superfície quente podem provocar um incêndio, ou outras situações que podem expor pessoas a fluidos e gases tóxicos, como sulfeto de hidrogênio, ou radiação. Toda a tubulação deve ser arranjada para fornecer espaço livre e folgas es- pecificadas para segurança técnica, operação fácil, inspeção, manutenção e des- montagem. Deve ser dada atenção especial às folgas necessárias para a remoção de carcaças e eixos de bombas, compressores e turbinas, acionadores de bom- bas e ventiladores, pacotes de trocadores, pistões de compressores e motores. A tubulação deve ser mantida afastada de bueiros, aberturas de acesso, pon- tos de inspeção, escotilhas, turcos, pontes rolantes, vigas de pista, áreas de folga para remoção de instrumentos, áreas de descarte de torres, vias de acesso e vias de fuga de emergência. O projeto, construção, operação e manutenção de vários sistemas de tubu- lação envolvem o entendimento de: fundamentos, materiais, considerações ge- néricas e específicas do projeto, fabricação, instalação, exames e requisitos de teste e inspeção, além dos regulamentos locais, estaduais e federais. Toda a tubulação deve ser rotea- da de modo a fornecer um layout simples, limpo e econômico, permi- tindo suporte fácil e flexibilidade adequada. A tubulação deve ser or- ganizada em racks horizontais e em elevações específicas. Ao mudar de direção, a tubulação deve mudar de elevação, mas deve-se tomar cuida- do para evitar bolsões. Nenhuma tubulação deve estar localizadadentro das salas de instru- mentos, de controle elétrico ou de telecomunicações, exceto as tubulações de combate a incêndio que atendem a essas salas. A tubulação da ponte deve ser projetada com alças de expansão capazes de lidar com o movimen- to relativo das plataformas em condições de tempestade projetadas. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 17 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 17 24/04/20 15:57 DIAGRAMA 1. CLASSIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES Classificação das tubulações Tubulações de processo Tubulações de utilidades Tubulações de instrumentação Tubulações de drenagem Tubulações de transporte Tubulações de distribuição Tubulações dentro de instalações industriais Tubulações fora de instalações industriais Fonte: TELLES, 1999. (Adaptado). O Diagrama 1 apresenta os sistemas de tubulações industriais, que cos- tumam ser classificados em dois grandes grupos. O primeiro grupo tra- ta das tubulações dentro das instalações industriais, como os tubos de processos, de utilidades industriais, de instrumentação e de drenagem. O segundo grupo trata de tubulações fora das instalações industriais, como tubulações de transporte e de distribuição. A tubulação fria e quente deve ser agrupada separadamente com li- nhas quentes, não isoladas, em uma elevação mais alta que as linhas frias. Linhas não isoladas com possibilidade de acúmulo de gelo não devem ser posicionadas acima das vias de circulação. Quando são necessários loops de expansão, as linhas devem ser agrupadas e localizadas na parte ex- terna do rack. Tubos pequenos devem ser agrupados para simplificar o projeto do suporte. As tubulações de uma instalação industrial incluem, além dos tubos em si, flanges, conexões, parafusos, gaxetas, válvulas e os dispositivos que con- trolam a pressão de outros componentes da tubulação, bem como os supor- tes e apoios para tubos e outros itens necessários para evitar a sobrepres- surização e a sobrecarga dos componentes pressurizados. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 18 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 18 24/04/20 15:57 A tubulação é a união dos tubos, os elementos primordiais do conjunto, suas seções, conexões, válvulas e outros equipamentos mecânicos, tudo ade- quadamente apoiado por ganchos e suportes. Para clarifi car os conceitos que serão apresentados ao longo desse mate- rial, é importante destacar as diferenças que existem entre os termos “tubo” e “tubulação”: • Tubo: é usado quando é necessário transferir um fl uido de um local para outro; • Tubulação: é um conjunto de acessórios que incluem tubos, válvulas, ins- trumentos e componentes especiais. Na indústria, são utilizados no transporte de fl uidos (líquidos e gases) de um local para outro. O tubo, de modo geral, pode ser entendido como a artéria principal que conecta as várias peças dos processos e utilidades industriais, dentro de uma planta produtiva. Embora possa ser considerado o componente menos com- plexo dentro de um sistema de tubulação, não deixa de ter suas peculiaridades. O tubo usado em uma planta de processo é projetado seguindo padrões estabelecidos pela norma americana ASME (American Society of Mechanical En- gineers), que é aceita pela norma brasileira ABNT, usada e respeitada pela maio- ria das empresas. Esses tubos de instalações industriais são, geralmente, de construção metálica, como aço carbono, aço inoxidável duplex e cobre. Tubos não metá- licos, como os que são feitos de plástico, PVC, epóxi reforçado com vidro ou plástico reforçado com vidro, não são proibidos, e cada um tem seu próprio conjunto de características. O plástico mais comumente usado é o poliéster, ou éster de vinil. Materiais e componentes Há muitos fatores a serem considerados na escolha de materiais de tubulação. A maioria está além do escopo dos códigos. Entre eles estão itens como disponibilidade, tipo de serviço e fl ui- dos. O engenheiro que projeta instalações industriais não pode iniciar o projeto e dimensionamento até que essas variáveis sejam esclarecidas. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 19 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 19 24/04/20 15:57 A Figura 3 mostra parte de uma instalação industrial alimentícia. São tubulações de aço inoxidável para um sistema de bombeamento de líqui- dos. Além dos tubos, estão presentes elementos como flanges (que fazem a emenda dos tubos), cotovelos (para conexões angulares e mudanças de direções dos tubos e válvulas, entre outros elementos que constituem o conjunto de tubulações. Figura 3. Tubulações de um sistema de bombeamento de líquidos para a indústria alimentícia. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 26/03/2020. No meio industrial, a tubulação é entendida como um sistema de tubos e acessórios usado para transportar fluidos (líquidos e gases) de um local para outro. A tubulação de processo industrial (e seus componentes em linha) pode ser fabricada em madeira, fibra de vidro, vidro, aço, alumínio, plástico, cobre e concreto. Os componentes em linha, conhecidos como conexões e válvulas, normal- mente detectam e controlam a pressão, a vazão e a temperatura do fluido transmitido. Eles, geralmente, são incluídos no campo do projeto de tubulação, embora os sensores e os dispositivos de controle automático possam ser trata- dos como parte do projeto de instrumentação e controle. O termo tubulação, no meio da engenharia mecânica e de produção, mui- tas vezes se refere ao projeto das instalações industriais e à especificação de- talhada do layout físico da tubulação, em uma planta de processo ou edifício comercial. Assim, o encanamento é, de maneira geral, o sistema de tubulação INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 20 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 20 24/04/20 15:59 da empresa, pois constitui a forma de transporte de fl uidos que é usada para fornecer água potável, ar comprimido, combustíveis, entre outros. Os tubos de canalização também removem resíduos sob a forma de esgoto, e permitem a saída de gases de esgoto para o exterior. Os sistemas de extinção de incêndios também usam tubulações e podem transportar água não potável, potável ou outros fl uidos de combate a incêndios. A tubulação também tem muitas outras aplicações in- dustriais que são cruciais, como a de mover fl uidos brutos e semiprocessados para refi ná-los em produtos mais úteis. Alguns dos materiais mais exóticos usados na construção de tubos são inconel, titânio, cromo-molib- dênio e várias outras ligas de aço. EXPLICANDO Inconel é uma marca registrada da Special Metals Corporation que designa uma família de superligas austeníticas à base de níquel-cromo. Tratam-se de materiais resistentes à corrosão por oxidação, adequados para serviços em ambientes extremos sujeitos a pressão e calor. Quando aquecidos, formam uma camada espessa, estável e passiva de óxido, protegendo a superfície de novos ataques, elevando sua resistência a altas temperaturas. As ligas de inconel são normalmente usadas em aplicações de alta temperatura. Materiais e processos de fabricação de tubos Os sistemas de tubulação devem ser projetados para suportar tran- sientes de fluido (golpes hidráulicos, oscilações de pressão etc.). Essas são situações que podem ocorrer durante a operação normal do sistema. A norma ASME B31.3 (Process Piping Guide) é am- plamente utilizada e consolidada nas organizações produtivas como a referência na tomada de deci- sões relativas aos projetos, defi nição de mate- riais e dimensionamento de tubulações indus- triais. Nela estão previstos e indicados métodos e práticas para cada tipo de aplicação. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 21 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 21 24/04/20 15:59 Em um ambiente industrial, um material nunca é selecionado por aca- so. Durante a fase de projeto, as ca- racterísticas dos materiais devem ser cuidadosamente estudadas e deter- minadas, a fim de evitar complicações subsequentes no momento de uso, as- sim como custos desnecessários. Este é o caso ao escolher um ma- terial para ser usadoem um tubo. Isso ocorre porque alguns tubos estão sujeitos a tensões mecânicas, térmicas ou químicas considerá- veis, dependendo do tipo de fluido transportado. Os metais usados nos sistemas de tubulação de processo podem ser divididos em dois grupos: ferroso, feitos de ferro e ligas à base de ferro, e não ferroso, que inclui todos os outros metais e ligas. A maioria dos mate- riais de tubulação é feita de metais ferrosos. O ferro é um dos metais mais usados, mas raramente é encontrado em sua forma mais pura. As propriedades dos metais ferrosos podem ser alteradas com a adição de vários elementos de liga. As propriedades químicas, mecânicas e físicas precisam ser combinadas para produzir um metal que irá servir a um pro- pósito específico. A forma básica do metal ferroso é o ferro-gusa, produ- zido em um alto-forno carregado com minério de ferro, coque e calcário. O ferro pode ser encontrado na forma de vários óxidos minerais, sendo os principais a hematita, a limonita, a magnetita e a faconita. Todos os me- tais ferrosos são magnéticos e oferecem resistência limitada à corrosão. Os metais ferrosos mais usados são: ferro fundido, aço macio, aço de alta velocidade, aço de alta resistência e aço inoxidável. No Diagrama 2, vemos as famílias de tubos metálicos divididas por tipo de fabricação. É possível notar a relação entre o diâmetro dos tubos com o tipo de processo. Por exemplo, diâmetros grandes, normalmente, são produzidos por usinagem ou por laminação. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 22 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 22 24/04/20 15:59 DIAGRAMA 2. CLASSIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES Usinagem Dia. grandes Laminação Dia. grandes Extrusão Dia. pequenos Fundição Fabricação por solda Tubos sem costura Tubos com costura Fonte: TELLES, 2005, p. 5. (Adaptado). O aço carbono é o material de construção mais comumente usado nos sis- temas de tubulação de processo, seguido pelo aço inoxidável e várias ligas. Muitos materiais não metálicos também são usados. O material é selecionado de acordo com a resistência à corrosão do fl uido e a capacidade de lidar com a temperatura e a pressão do projeto. Os sistemas de tubulação são fabricados a partir de uma grande variedade de metais e não metais, sendo a seleção de materiais uma função do ambiente e das condições de serviço. Tubos usinados Tubos de aço padrão são os tipos de tubo mais usados devido ao seu baixo custo e qualidades mecânicas, o que os tornam adequados para uma ampla gama de aplica- ções. Tubos de aço são resistentes, duradouros e defor- máveis. Isso signifi ca que eles podem ser usados para aplicações com variações signifi cativas de temperatura ou pressão. Tubos de aço padrão também são muito usa- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 23 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 23 24/04/20 15:59 dos em espaços em que impactos ou vibrações podem afetar os dutos, sen- do empregados, por exemplo, embaixo de estradas. Além disso, os tubos de aço são bastante fáceis de fabricar, dobrar e cortar. No entanto, os tubos de aço são muito propensos à corrosão se ne- nhum tratamento preventivo for aplicado. A galvanização é um tratamento comum de controle de corrosão. Ela consiste em aplicar uma camada de zinco ao tubo de aço. Este revestimento se oxida no lugar do aço que pro- tege, com a importante diferença, porém, de que o zinco se oxida muito lentamente. Na Figura 4, vemos um tubo de aço carbono sendo preparado para usinagem interna. Figura 4. Tubo de aço sendo usinado. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 26/03/2020. O aço de baixa liga, com um baixo nível de carbono (entre 0,008% e 2,14%) pode ser facilmente usinado. Quando a taxa de carbono aumenta, as proprie- dades do material, como dureza ou resistência mecânica, tendem a melhorar significativamente. No entanto, a usinagem de aços com alto nível de carbono é mais difícil. A norma ASME B31.3 identifica os padrões de componentes de uma tubula- ção industrial, além dos materiais indicados para cada aplicação. Os materiais de tubulação metálicos mais usados estão listados na ASME B31.3, no entanto, os materiais que estão fora desta lista também podem ser utilizados, desde que sejam suportados pelas folhas de dados apropriadas e pelos relatórios de INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 24 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 24 24/04/20 16:00 testes independentes. Todos os materiais têm diferentes composições quími- cas que afetam suas características mecânicas, físicas e resistência à corrosão, em diferentes temperaturas e pressões. Tubos laminados Tubos metálicos que podem ser usados sem costura, em caso de trabalhos com baixa pressão são, muitas vezes, fabricados por laminação. Para isso, são usados materiais como aço carbono, aço ligado ou até mesmo aço inoxidável. É comum a aplicação de laminação para tubos com diâmetros que variam entre 80 mm a 650 mm. Um método clássico de laminação de tubos é o chamado Mannesmann, que prevê, resumidamente, os seguintes cinco passos de operações (TELLES, 2005): • 1° passo: para iniciar o processo, um lingote de aço, que tenha a dimensão externa muito próxima ao diâmetro externo do tubo que se deseja fabricar, é aquecido até 1200 °C e encaminhado a um laminador oblíquo. Veja a ilustração da Figura 5; Lingote Rolos oblíquos Ponteira Haste Figura 5. Primeira etapa de um processo de laminação de um tubo metálico. Fonte: TELLES, 2005, p. 5 • 2° passo: feito o primeiro passo, a barra metálica é inserida entre os dois rolos de cone duplo com eixos concorrentes do laminador oblíquo. Assim, esse lingote é prensado de forma helicoidal por entre os roletes de eixos levemen- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 25 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 25 24/04/20 16:00 te angulados, gerando uma deformação que define seu diâmetro externo, ao mesmo tempo que uma ponteira, também cônica, força a abertura do diâme- tro interno. Essa ponteira é fixa em uma haste, que deve ter o comprimento maior do que o tubo final. Na Figura 6, observamos essa etapa do processo, na qual os diâmetros externos e internos são formados simultaneamente; Lingote Tubo formado Figura 6. Segunda etapa de um processo de laminação de um tubo metálico. Fonte: TELLES, 2005, p. 5. • 3° passo: nesse momento do processo Mannesmann, o tubo ainda apre- senta espessuras de paredes muito grossas. Então, com o aço do tubo ainda quente, a ponteira original é retirada e o tubo pré-formado é enviado para um novo laminador oblíquo, que possui uma ponteira com diâmetro maior que a do primeiro. Isso possibilita o afinamento das paredes e o alongamento do tubo, o que demanda uma haste ainda mais longa para fixar essa segunda ponteira; • 4° passo: após a formação forçada dos diâmetros internos e externos, devido à angulação dos rolos, o tubo apresenta, normalmente, grande empe- namento. Isso demanda a passagem dele por desempenadeiras de rolos, que alinham esses elementos; • 5° passo: com os diâmetros externos e internos muito próximos da medi- da final desejada, e com os tubos alinhados no passo anterior, segue-se para a etapa final. Aqui são realizados uma série de processos para calibração dos diâmetros, que alisam as superfícies externa e interna pela passagem desses tubos por laminadores de mandris e calibradores. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 26 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 26 24/04/20 16:00 A Figura 7 mostra a etapa do processo Mannesmann na qual os diâmetros externos e internos são ajustados e as superfícies alisadas. Laminador calibrador Laminador com mandril Rolos de retorno Mandril Rolos laminadores Tubo Tubo Figura 7. Última etapa de um processo de laminação de um tubo metálico. Fonte: TELLES, 2005, p. 6. CURIOSIDADE Em 1886, os irmãos alemães Reinhard (1856-1922) e Max Mannesmann (1857-1915) receberam a primeira patente do mundo pela invenção de um processo de laminação de tubos de aço sem costura, o processo Mannes- mann. Entre 1887 e 1889, eles fundaram sua fábrica detubos. Tubos extrudados e fundidos Para fabricar tubos pelo princípio da extrusão, deve-se empurrar um tarugo cilíndrico de aço contra uma matriz conformadora, que reduz sua seção trans- versal. A parte ainda não prensada, como pode ser observada na Figura 8, fi ca contida em um cilindro. É um processo que pode ser realizado a quente ou a frio, dependendo da ductibilidade do material, mas, quando é combinado com operações de forjamento, é chamado de extrusão a frio. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 27 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 27 24/04/20 16:00 Recipiente Mandril Êmbolo Tarugo de aço Tubo formadoSobra Matriz calibrada 1 2 3 4 Figura 8. Última etapa de um processo de laminação de um tubo metálico, através do princípio da extrusão. Fonte: TELLES, 2005, p. 6. Usando uma prensa de alta carga que costuma alcançar 1500 toneladas, após a primeira etapa, um mandril é inserido no centro do tarugo até atraves- sá-lo. Ainda na Figura 8, observa-se que um êmbolo empurra esse material, forçando-o a passar pelo orifício de uma matriz calibrada, dando formas preli- minares ao tubo. Após extrudado, o tubo se encontra, normalmente, curto e grosso. Para alcançar suas dimensões finais, ainda quente, esse tubo pré-formado é enca- minhado a um laminador de rolos, que ajustará as medidas de diâmetro e es- pessura de parede. Esses processos são indicados para tubos finos (de até 80 mm de diâmetro) e, principalmente, para materiais mais dúcteis, como cobre e alumínio, além de tubos plásticos. Além de laminados e extrudados, os tubos podem ser fundidos. Nesse caso, eles são fabricados em ferro fundido ou aços que não podem ser forjados. Nes- ses processos, a matéria prima do tubo é derretida e despejada em estado líqui- do nos moldes, gerando suas formas preliminares. Outra opção é centrifugar o tubo quando ele está no seu estado líquido, buscando uma forma tubular. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 28 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 28 24/04/20 16:00 Tubos fundidos costumam ser indicados para transporte de água bruta, potável ou para sistemas de irrigação. Tem aplicação em sistemas de sanea- mento doméstico e industrial. Normalmente, são usados para coletar efluen- tes industriais e esgotos sanitários. São usados para essas funções por serem feitos de um material que atende às exigências de sustentabilidade, já que são totalmente recicláveis. Um tema muito recorrente e que limita a aplicação de tubos em ferro fundido é a corrosão. Ela pode ocorrer nas superfícies interna e externa. Na corrosão eletroquímica, os ânodos internos se desenvolvem onde o ferro é exposto a águas agressivas, promovendo a passagem do ferro para a solu- ção. O ferro combina com vários componentes na água, formando um tubér- culo no interior do tubo. Esse processo de tuberculose pode eventualmente causar restrições significativas na área de seção transversal dentro do tubo, como pode ser visto na Figura 9. Figura 9. Tubos fundidos com corrosão interna. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 26/03/2020. Como os tubérculos têm formato irregular, é provável que ocorra crescimento de bactérias na superfície. À medida que mais ferro passa para a solução, o resultado é uma perda da estrutura do tubo, potencialmente afetando sua integridade. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 29 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 29 24/04/20 16:00 Nos sistemas de águas pluviais e de esgoto sanitário, a criação de gases áci- dos por ação microbiana (como sulfeto de hidrogênio) pode corroer ainda mais as paredes internas do tubo, mas a corrosão, geralmente, é mais pronunciada no teto interno do tubo. Para evitar essas formações e entupimento de tubula- ções, é possível usar revestimentos de cimento no inte- rior do tubo para atuar como uma barreira para minimi- zar a corrosão interna. CURIOSIDADE As mais antigas tubulações de água feitas de ferro fundido datam do século XVII, e foram instaladas para distribuir água pelos jardins do Chateau de Versailles. São cerca de 35 km de tubulação. A idade desses tubos faz com que eles tenham de considerável valor histórico. Apesar da extensa reforma feita em 2008, pelo Saint-Gobain PAM, 80% dos tubos permanecem originais. Conceito de velocidade econômica e dimensionamento de tubulações para líquidos Para defi nição e dimensionamento dos tubos que compõem uma tubulação industrial, deve-se levar em conta, ao menos, as três seguintes variáveis: • Dimensionamento do diâmetro que será usado na tubulação: de modo geral, esses diâmetros têm relação direta com as per- das de carga. Essas perdas dependem da medida linear dos tubos, layout, tipos de acessórios, desníveis do trajeto, velo- cidade, vazão, viscosidade do fl uido e rugosidade da super- fície interna da tubulação; • Dimensionamento da defl exão e da fl exibilidade de cada trecho da tu- bulação: essas variáveis são dependentes do comprimento da tubulação e do layout, assim como da temperatura de trabalho e do material usado nos tubos; • Dimensionamento dos pesos: essa variável é fundamental para pos- sibilitar a defi nição segura da estrutura e espaçamento dos pontos de su- porte. A quantidade, posição e estrutura dos suportes têm relação direta com as cargas exercidas pelos tubos e pelos demais acessórios presentes em uma tubulação. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 30 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 30 24/04/20 16:00 Outras defi nições a serem tomadas pelos engenheiros que projetam uma instalação industrial têm relação com as espessuras das paredes dos tubos usados no sistema de tubulação. Essas espessuras são defi nidas a partir do diâmetro e série do tubo, das pressões de trabalho do fl uido e da tensão admis- sível do material defi nido para tubulação. Isso possibilita, então, o cálculo preli- minar das espessuras para faixas de diâmetros de tubos, assim como permite a defi nição dos espaçamentos dos suportes, que são dependentes das mesmas variáveis. Possibilita, ainda, o layout e os isolamentos, em casos de tubos isola- dos para transporte de fl uidos muito quentes ou muito frios. O mesmo acontece com os vãos entre os suportes e as espessuras de isola- mento, que também podem ser calculados previamente. As empresas de projetos de instalações industriais costumam utilizar tabe- las já calculadas de espaçamento padrão entre suportes. Elas mostram o espa- çamento em função de combinações típicas de diâmetros, espessuras, mate- riais e temperaturas do projeto de tubulação. A Tabela 1 mostra a parte inicial de uma tabela dessas, que relaciona diâmetro nominal dos tubos, espessuras e séries com a medida segura dos vãos entre os suportes que apoiam estes tubos, quando fabricados em aço carbono. Diâmetro nominal Espessura (série ou pol.) Tubos sem isolamento térmico Tubos com isolamento térmico Limites de temperatura Até 200 ºC Até 300 ºC Até 500 ºC Vão máximo (metros) 1 80160 4,9 5,0 4,1 4,3 3,4 3,6 2,8 3,0 1/2 80160 5,8 6.0 5,1 5,4 4,3 4,6 3,6 3,9 2 4080 5,9 6,4 5,1 5,7 4,3 4,7 3,6 4,2 3 4080 7,3 7,8 6,5 7.1 5,6 6,1 4,8 5,3 4 4080 8,1 8,8 7,3 8,1 6,4 7,0 5,5 6,1 1 1/2 2 80 160 3 80 160 4 40 80 4,9 5,0 40 5,0 5,8 80 5,8 6.0 40 80 5,9 4,1 5,9 6,4 4,3 7,3 5,1 7,8 5,4 8,1 8,8 3,4 5,1 8,8 3,4 3,6 5,7 4,3 6,5 7.1 4,3 4,6 7.1 2,8 4,3 7,3 8,1 2,8 3,0 4,7 3,6 5,6 3,6 3,9 6,1 3,6 6,4 7,0 3,6 4,2 7,0 4,8 5,3 5,5 6,16,1 TABELA 1. VÃOS ENTRE SUPORTES DE TUBOS DE AÇO CARBONO INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 31 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 31 24/04/20 16:00 6 4080 9,4 10,5 8,8 9,9 7,7 8,7 6,7 7,6 8 4080 10,5 11,8 9,9 11,2 8,6 9,8 7,5 8,6 10 4080 11,5 13,1 11,0 12,6 9,6 11,1 8,4 9,7 12 3/8"1/2” 12,1 13,2 11,6 12,7 10,2 11,2 8,9 9,8 14 3/8"1/2” 12,3 13,5 11,9 13,1 10,4 11,5 9,1 10,1 16 3/8"1/2” 12,6 13,9 12,2 13,5 10,7 11.9 9,4 11,9 18 3/8"1/2” 12,9 14,3 12,4 13,8 11,0 12,3 9,7 10,8 20 3/8"1/2” 13,1 14,6 12,7 14,1 11,1 12,5 9,8 11,0 24 3/8"1/2” 13,5 15,1 13,1 14,7 11,513,0 10,1 11,4 30 3/8"1/2” 13,9 15,7 13,5 15,3 11,9 13,5 10,5 11,9 6 8 10 40 80 12 40 14 80 14 40 9,4 80 9,4 10,5 3/8" 1/2” 10,5 10,5 1/2” 3/8" 10,5 11,8 3/8" 1/2” 11,5 1/2” 8,8 11,5 13,1 8,8 9,9 12,1 13,2 9,9 11,2 13,2 11,2 12,3 13,5 7,7 11,0 12,6 13,5 7,7 8,7 12,6 11,6 8,6 11,6 12,7 9,8 12,7 11,9 6,7 9,6 11,1 11,9 13,1 6,7 7,6 11,1 7,5 10,2 11,2 7,5 8,6 11,2 10,4 8,4 10,4 11,5 9,7 11,5 8,9 9,89,8 9,1 10,110,1 16 18 20 3/8"3/8" 1/2” 24 3/8"3/8" 1/2” 30 3/8" 1/2” 12,6 1/2” 12,6 13,9 3/8" 1/2” 13,9 12,9 1/2” 3/8" 12,9 14,3 3/8" 1/2” 13,1 1/2” 12,2 13,1 14,6 12,2 13,5 13,5 15,1 12,4 13,5 15,1 12,4 13,8 13,9 15,7 10,7 12,7 14,1 15,7 10,7 11.9 14,1 11,0 13,1 14,7 11,0 12,3 14,7 13,5 9,4 11,1 12,5 13,5 15,3 9,4 11,9 12,5 15,3 11,9 9,7 11,5 13,0 9,7 10,8 13,0 9,8 11,9 13,5 11,0 13,5 10,1 11,411,4 10,5 11,911,9 Fonte: TELLES, 2005, p. 124. (Adaptado). Essas tabelas são muito utilizadas no cotidiano industrial, com exceção dos casos em que se faz necessária a aplicação de tubos não comerciais. Nesses casos excepcionais, o cálculo, tanto da espessura de parede dos tubos, quanto dos suportes e espaçamento entre eles, deve ser feito de forma detalhada. Para isso, o sistema de tubos é considerado um conjunto de elementos estru- turais que são submetidos a esforços devido à pressão, aos pesos próprios, variações de temperatura, entre outras variáveis. Velocidade econômica A velocidade nos dutos de uma tubulação industrial é um dos componentes mais importantes no estudo do projeto de abastecimento de fl uidos. Velocida- des altas podem causar danos à tubulação, enquanto velocidades baixas po- dem causar sedimentação. Portanto, a velocidade econômica é a chave do su- cesso de um projeto de abastecimento de fl uidos mais econômico e efi ciente. O principal objetivo desta análise é buscar a melhoria dos critérios de projetos de tubos para redes de abastecimento industrial. Estes critérios estão relacionados à velocidade do projeto nos dutos principais e ramifica- ções da rede. É chamada de velocidade econômica a busca por uma vazão INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 32 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 32 24/04/20 16:00 de fluído que varie de acordo com o diâmetro da tubulação para qual um custo mínimo do projeto é alcançado. A seleção econômica de tamanho de tubo é a metodologia de projeto mais comumente usada para projetos de tubulações de abastecimento de qualquer tipo de fluido. O engenheiro e projetista hidráulico calcula o menor custo anual de capital do projeto com base no diâmetro econômico da tubulação. Além disso, o método de perda de carga unitária é utilizado na busca pelo limite de perda de carga admissível por unidade de comprimento do tubo, fator este que é especificado pelo projetista. O engenheiro deverá buscar não exce- der a perda máxima de carga por unidade de comprimento do tubo, e o valor também poderá ser controlado pelo usuário final do projeto. A maior parte dos pesquisadores define a tubulação econômica como a busca por um diâmetro econômico. Entretanto, tal diâmetro define a veloci- dade econômica do projeto e a relaciona com diferentes aplicações. O compri- mento da tubulação, os fins de curso, acessórios da tubulação, a escavação e o aterro são fatores que influenciam na velocidade econômica. A velocidade econômica é uma função das propriedades físicas do fluido que está sendo transportado, dos materiais do tubo, dos vários custos de capi- tal e instalação, das horas de operação por ano, entre outros fatores. Esse valor é calculado usando os valores e constantes armazenados no dimensionamen- to do tubo, em base de dados. A velocidade econômica está mudando (geralmente diminuindo) com o tempo, principalmente porque os custos de energia aumentaram rapidamente nos últimos anos. Esses valores devem ser atualizados regularmente. Do ponto de vista simplista, o melhor tamanho de tubo é obviamente o menor tamanho puder acomodar a aplicação em questão. Do ponto de vista realista, o tamanho ideal pode ser assim considerado por diversos motivos, a depender de sua aplicação. Um tamanho de tubo considerado ótimo pode ser aquele que é economicamente eficiente, mas também pode ser aquele que, por limitar a velocidade do fluido a um valor que evite a erosão da parede nos cotovelos, evita também uma falha estrutural do sistema de tubulação. Ótimo ainda pode significar, como no caso de fluidos com sólidos em sus- pensão, um tamanho de tubo que produzirá uma velocidade de fluido prede- terminada e que é conhecida por sustentar os sólidos em suspensão. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 33 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 33 24/04/20 16:00 Perdas de carga Quando o fl uido segue através de um tubo, ocorre uma queda de pressão resultante da resistência ao fl uxo. Também pode haver um ganho ou perda de pressão devido a uma alteração na elevação entre o início e o fi m do tubo. Essa diferença de pressão geral no tubo está relacionada a vários fatores, entre eles: o atrito entre o fl uido e a parede do tubo, o atrito entre as camadas adja- centes do próprio fl uido, a perda de atrito à medida que o fl uido passa através de qualquer acessório de tubo, a perda de pressão devido a uma alteração na elevação do fl uido e o ganho de pressão devido a qualquer cabeçote de fl uido adicionado por uma bomba. Para calcular a perda de carga em um tubo, é necessário calcular a queda de pressão, geralmente na superfície do fl uido, para cada um dos itens que causam uma alteração na pressão. No entanto, para calcular a perda de atrito em um tubo, por exemplo, é necessário calcular o fator de atrito a ser usado na equação de Darcy-Weisbach, que determina a perda geral de atrito: h = f · L · V 2 D · 2 · g Em que: • h = perda de carga (mca); • f = fator de atrito de Darcy (admensional); • L = comprimento do tubo (m); • D = diâmetro interno do tubo (m); • V = velocidade média do escoamento (m/s); • g = aceleração da gravidade (m/s2). O próprio fator de atrito depende do diâmetro interno do tubo, da rugosi- dade do tubo interno e do número de Reynolds, que por sua vez é calculado a partir da viscosidade do fl uido, densidade do fl uido, velocidade do fl uido e diâmetro interno do tubo: Re = ρ · V · D μ Ou ainda: Re = 4 · Q π · D · μ INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 34 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 34 24/04/20 16:00 Em que: • Re = número de Reynolds (admensional); • ρ = densidade do fluido (kg/m3); • μ = viscosidade dinâmica do fluido (kg/m · s); • D = diâmetro interno do tubo (m); • V = velocidade média do escoamento (m/s); • Q = vazão do tubo (m3/s). Portanto, existem vários cálculos que devem ocorrer antes de se calcular a perda geral de carga. Logo, o engenheiro precisa conhecer as propriedades de densidade e viscosidade do fluido, o diâmetro do tubo e as propriedades da ru- gosidade, calcular o número de Reynolds, usá-lo para calcular o fator de atrito com a equação de Colebrook-White e, finalmente, conectar o fator de atrito à equação de Darcy-Weisbach para calcular a perda de atrito no tubo: = 1 f√ 8 · Q2 J · π2· g · D5 Ou ainda: [ ]= -2 · log10 ·1f√ 0,27 . +kD 2,51√Re · f Em que: • Re = número de Reynolds (admensional); • f = fator de atrito (admensional); • k = rugosidade (m); • D = diâmetro interno (m); • Q = vazão (m3/s); • J = h/L = perda de carga unitária (mca/m). Depois de calcular a perda de atrito do tubo, precisamos considerar pos- síveis perdas de ajuste, mudança de elevação e qualquer cabeçote da bomba adicionado. A soma dessas perdas e ganhos nos dará a queda geral de pressão no tubo. Quando a necessidade for calcular o diâmetro interno dos tubos, a resolu- ção deverá ser por iterações. Isto é, indica-se um valor qualquer de diâmetro interno, D0, e se calcula a primeira iteração para achar o valor de D1. Então, INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 35SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 35 24/04/20 16:00 esse número é colocado na equação no lugar do D0, na primeira iteração. Com isso, calcula-se a segunda iteração de diâmetro, e assim por diante, até que esse valor convirja. A equação geral para essas iterações se dá pela relação das equações já citadas de Darcy-Weisbach, do número de Reynolds e de Colebrook-White, da seguinte forma: ( J · g)0,2 Dn+1 = · 0,7267 · Q0,4 [ ]-log10 · 0,27 · + - 0,4kDn 1,7748 · μ√ 3J · g · Dn Em que: • Dn+1 = diâmetro interno (m); • Q = vazão (m3/s); • J = h/L = perda de carga unitária (mca/m); • g = aceleração da gravidade (m/s2); • k = rugosidade (m); • Dn = diâmetro da iteração anterior (m); • μ = viscosidade dinâmica do fluido (kg/m · s). O próximo passo após o cálculo do diâmetro interno é a definição das espes- suras de paredes desses tubos. Para isso, o engenheiro tem duas possibilidades. Ele pode seguir as recomendações da norma ASME, que traz espessuras para cada diâmetro comercial de tubo, ou calcular a espessura mínima pela relação: t = P · D 2 · Se Em que: • t = espessura de parede; • P = pressão interna; • D = diâmetro interno calculado ou diâmetro médio; • Se = tensão de escoamento do material usado. Na prática, se, ao ser calculado o valor de t, a espessura ficar abaixo da chamada espessura mínima estrutural, deve-se utilizar as seguintes séries de chapas para confecção dos tubos: • Série 80: para diâmetros nominais menores do que uma polegada e meia (1 ½ “); • Série 40: para diâmetros nominais de 2“ até 12”; • Espessura de 9 mm (ou 1/8”): para diâmetros nominais maiores que 14”. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 36 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 36 24/04/20 16:00 Dimensionamento de tubulações para líquidos Quando o assunto é dimensionamento de tubulações, é muito importante que os engenheiros conheçam a maneira que as bitolas comerciais de tubos são tratadas. De maneira geral, os tubos são especifi cados de acordo com seu diâmetro nominal. Esses diâmetros nominais são defi nidos pelas normas ANSI e preveem dois grandes grupos de tubos. O primeiro grupo é formado por tubos com diâmetros nominais de 1/8” até 12”. Nessa faixa de diâmetros, o seu valor nominal não corresponde a ne- nhuma medida física do tubo (nem o diâmetro interno e nem o externo). No segundo grupo, que vai de 12” a 36”, o diâmetro nominal corresponde ao diâ- metro externo dos tubos. Para cada diâmetro nominal são fabricados tubos com variações de espessuras de parede, as chamadas “séries”. Entretanto, independentemente da espessura, para o mesmo diâmetro no- minal, os diâmetros externos são sempre da mesma medida, variando apenas o diâmetro interno em função das espessuras de parede. Como exemplo, pode-se observar a Figura 10, na qual estão ilustradas três seções de tubos de diâmetro nominal de 1” (25,4 mm). Nota-se que, indepen- dentemente da série, o diâmetro externo é sempre o mesmo, isto é, 33,46 mm. O que muda de uma série para a outra é a espessura das paredes e, com isso, o diâmetro interno de cada tubo. Série 40 DIA INT. = 26,64 mm ESP = 3,37 mm Série 80 DIA INT. = 23,26 mm ESP = 4,54 mm Diâmetro externo = 33,46 mm Série 160 DIA INT. = 20,70 mm ESP = 6,35 mm Figura 10. Tubos de uma polegada de diâmetro nominal. Fonte: TELLES, 2005, p. 14. (Adaptado). INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 37 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 37 24/04/20 16:00 Nota-se na Figura 10 que, como na série 40 os tubos têm 3,37 mm de espes- sura de parede, o seu diâmetro interno corresponde a 26,64 mm. Já os tubos da série 80 têm paredes com espessuras de 4,54 mm, que faz com que seu diâme- tro interno seja de 23,26 mm. Os tubos da série 160 acabam com diâmetros in- ternos ainda menores que os dois primeiros, pois sua espessura é de 6,35 mm. Como exemplo, pode-se imaginar uma situação em que um engenheiro pre- cisa dimensionar o diâmetro de uma tubulação. Para isso, alguns dados míni- mos são necessários. Parte-se da hipótese de que os tubos serão cilíndricos, de ferro fundido com cimento centrifugado, terão comprimento de 360 m, e rugosidade interna de 0,1 milímetros, que irá conduzir água à temperatura de 20 °C , que apresentará uma viscosidade de 106 m2/s, com vazão de 12 m3/s e sob a diferença de altura, ao longo de sua instalação, de 3,9 m. Para realizar o cálculo, o engenheiro usará a equação de Darcy-Weisbach, que determina a perda geral de atrito: h = f · L . V 2 D · 2 · g Assim como a equação do número de Reynolds, que tem relação direta com o diâmetro interno do tubo: Re = ρ · V · D μ E a equação Colebrook-White: [ ]= -2 · log10 ·1f√ 0,27 · +kD 2,51√Re · f Assim, pode-se reescrever a o diâmetro interno do tubo como sendo: ( J · g)0,2 Dn+1 = · 0,7267 · Q0,4 [ ]-log10 · 0,27 · + - 0,4kD 1,7748 · μ√ 3J · g · Dn Lembrando que essa equação prevê iteração até que o valor de diâmetro convirja, escolhe-se um valor inicial de diâmetro, por exemplo, D0 = 1 m, na primeira rodada: ( J · g)0,2 D1 = · 0,7267 · Q0,4 [ ]-log10 · 0,27 · + - 0,4kD0 1,7748 · μ√ 3J · g · D0 INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 38 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 38 24/04/20 16:00 Onde: • D1 = diâmetro interno (m); • Q = 12 m3/s; • J = h/L = 3,9/360 = 0,0108333 mca/m; • D0 = 1 m; • g = 9,81 m/s2; • k = 0,0001 m; • μ = 0,000001 (kg/m · s). Pode-se calcular a primeira iteração como: (0,010833 · 9,81)0,2 D1 = · 0,7267 · (12)0,4 [ ]-log10 · 0,27 · + - 0,40,00011 1,7748 · (0,000001)√0,010833 · (9,81) .13 D1 = 1,6861 [m] Com isso, pode-se partir para a segunda iteração (D2), utilizando D1 = 1,6861 [m] como o Dn na equação: (0,010833 · 9,81)0,2 D2 = · 0,7267 · (12)0,4 [ ]-log10 · 0,27 · + - 0,40,00011,6861 1,7748 · (0,000001)√0,010833 · (9,81) · 1,68613 D2 = 1,6508 [m] E assim vão se realizando iterações até o valor do diâmetro convergir. Nesse caso, recalculando iterações sucessivas da mesma equação, sempre utilizando o valor da iteração anterior como Dn na equação, teríamos para a terceira e quarta iterações valores de: D3 = 1,6521 [m] E: D4 = 1,6521 [m] Logo, o valor convergiu para 1,6521 metros, não precisando seguir para novas rodadas de iteração da equação geral de diâmetro interno. Por fim, o engenheiro pode definir esse resultado como o valor de diâmetro interno da tubulação a ser especificada. O próximo passo, naturalmente, seria a definição das espessuras das paredes desses tubos. Nesse caso, como o tubo tem 1,65 m e a pressão de trabalho é bai- xa, o indicado é usar a espessura mínima estrutural para diâmetros nominais maiores que 14”, ou seja, a espessura de 9 mm (ou 1/8”). INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 39 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 39 24/04/20 16:00 Sintetizando Nessa unidade foram apresentados conceitos que irão permitir ao enge- nheiro identificar e formular problemas relacionados à definição dos tubos e tubulações em instalações industriais. Foi comentada a utilização histórica dos tubos de condução de fluidos, e como eles se mantém como solução ativa até os dias de hoje. Diferenciou-se os conceitos de tubos e tubulações. Os tubos foram defini- dos como elementos usados quando se faz necessário transferir um fluido de um local para outro, e as tubulações foram definidas como sistemas de tubos, componentes e acessórios que compõem uma instalação industrial. Foram discutidas questões e possibilidades relacionadas às definições de materiais a serem aplicados em sistemas de tubulações industriais. Também foram discutidas possibilidades de processos de fabricação de tubos que, dependendo da aplicação, podem ser usinados, laminados, extru- dados, fundidos ou com e sem costura de solda. Esses processos de fabrica- ção foram explicados em detalhes. Abordamos, ainda, questões relacionadas às variáveis fundamentais para definir os conceitos de velocidade econômica e dimensionamento de tubula- ções usados em fluxos de líquidos, como densidade do fluido, viscosidade di- nâmica do fluido, diâmetro interno do tubo,velocidade média do escoamento e vazão do tubo. Por fim, foi simulada uma situação em que um engenheiro precisa defi- nir o diâmetro de uma tubulação e, para isso, utilizar a solução de cálculo por iterações. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 40 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 40 24/04/20 16:00 Referências bibliográficas AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS – ASME. B31.3: process pi- ping guide. rev. 2. ASME, 2009. Disponível em: <https://engstandards.lanl.gov/ esm/pressure_safety/process_piping_guide_R2.pdf>. Acesso em: 30 mar. 2020. MCKETTA, J. J. Piping design handbook. 1. ed. Nova York: Marcel Dekker, 1992. TELLES, P. C. S. Tubulações industriais: cálculo. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1999. TELLES, P. C. S. Tubulações industriais: materiais, projeto, montagem. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 41 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID1.indd 41 24/04/20 16:00 TUBULAÇÕES E VÁLVULAS 2 UNIDADE SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 42 24/04/20 09:33 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Compreender questões referentes aos projetos de tubulações para gases baseadas em normas ANSI e ASME; Compreender aspectos relacionados a elementos como válvulas em sistemas de tubulações de uma instalação industrial. Dimensionamento de tubulações para gases Escoamento de gases Casos especiais Principais problemas em sistemas de coleta de gás Dimensionamento de tubulações pelas normas ANSI/ASME B.31 Tubulação como elemento estrutural Tensões nas paredes dos tubos Normas de projetos de tubu- lações Principais tipos de válvulas, aspectos construtivos e meios de operação Pressão de projeto Temperatura de projeto Válvulas INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 43 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 43 24/04/20 09:33 Dimensionamento de tubulações para gases A determinação fi nal da espessura de uma tubulação pelo engenheiro que planeja a tubulação de uma instalação industrial exige que a pressão e a tem- peratura sejam pré-estabelecidas, o que não é uma tarefa tão simples como parece. O grupo de tubos enterrados é menos específi co quanto à pressão pre- vista nas normas, ao passo que o grupo de tubulações acima do solo possui defi nições dos termos. A forma das equações, em qualquer grupo de códigos previstos nas normas, é manipulada algebricamente para calcular qualquer uma das três variáveis – pressão, tensão ou espessura – quando as outras duas forem conhecidas, algo que entra em jogo nos oleodutos enterrados. Deve-se lembrar que os oleodutos se destinam a cobrir quilômetros de terreno, com mudanças de elevação, o que leva a variações da pressão base. As normas da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, conhecida por seu acrônimo ASME (American Society of Mechanical Engineers), mais es- pecifi camente as recomendações dos códigos B31.11, utilizam o termo “pressão operacional máxima em estado estacionário” para defi nir o dimensionamento. Nelas, se estipula que a pressão seja a soma da pressão estática, a pressão para superar as perdas por atrito e a contrapressão. A pressão de estado estacionário também é usada na seção B31.4 da ASME. O setor B31.8 se vale de uma acepção um tanto retroativa ao considerar a pressão de projeto como a pressão máxi- ma permitida pelo código, conforme apurado pelos procedimentos dirigidos aos materiais e locais envolvidos. É importante lembrar que, na maioria dos casos, não há um problema de tem- peratura a ser resolvido. Apenas na seção B31.8 da ASME se reconhece tempera- turas acima de 250 °F e, em seguida, 450 °F, em que a redução é menor que 14%. Nas partes de uma linha que estão enterradas, a temperatura seria muito estável. Em síntese, a discussão se resume à pressão que não é dada pela norma, pois a linha é fi xada para demarcar elevações, sendo dimensionada para calcular as per- das por atrito e, ao fi nal, ordenando as condições para qualquer contrapressão. A pressão de trabalho máxima permitida é um cálculo com base nos materiais, na espessura do tubo ou na classifi cação de pressão do componente para determi- nar a pressão. Logo, é indispensável a certeza de não se operar acima dela. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 44 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 44 24/04/20 09:33 Figura 1. Tubos para gases numa instalação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. Há regras e condições do tipo surto para as quais o código expõe limitações. Em algumas situações, devido a algum aspecto externo, as condições operacionais mudam de tal forma que a linha precisa ter uma pressão operacional reduzida. Tal redução às vezes é permanente e temporária até que uma condição seja corrigida, o que é comum em tubulações para gases. A Figura 1 mostra a parte de uma indústria, na qual se vê um feixe de tubos para gases. Nota-se que os tubos são amarelos, pois é o padrão de cor demarcado pela norma ASME, que prevê tubos amarelos para indicar circulação de gases em qualquer tipo de unidade produtiva. Escoamento de gases O gás natural é o mais limpo de todos os combustíveis fósseis. A oferta abundante, o custo competitivo e a versatilidade continuam a apoiar uma tendência ascendente no consumo de gás natural em escala mundial. Além de seus usos industriais e residenciais tradicionais, o gás natural fez incur- sões como combustível para veículos de frota e veículos particulares, e como suprimento para usinas de cogeração a gás e para células de combustível. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 45 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 45 24/04/20 09:33 Cada vez mais, campos de gás estão sendo descobertos nas regiões mais remotas do mundo. O transporte e distribuição de gás para e dentro das áreas povoadas e/ou industriais onde é necessário é uma condição signifi- cativa no seu desenvolvimento como recurso energético. Em longas distân- cias, o gás é transportado por tubulações ou na forma líquida em navios. Para distribuição local, ele é entregue através de redes de distribuição de tubulação ou em caminhões na forma líquida. Assim, fica clara a relevância de os engenheiros entenderem como tratar o transporte e distribuição de gás nas tubulações e sistemas de distribuição, como observado na seção B31.8 da norma ASME para sistemas de tubula- ção de pressão, transmissão de gás e tubulação de distribuição. DIAGRAMA 1. TUBULAÇÃO DE DISTRIBUIÇÃO Fonte: ASME, 2016. (Adaptado). Planta de corte de pico GLN ou GLO Planta, escola, etc Suporte de baixa pressão Sistema de distribuição de baixa pressão Sistema de distribuição de baixa pressão Regulador de enchimento de suporte Sistema de distribuição de alta pressão [Acima 60 psi (410 kPa)] Sistema de distribuição de alta pressão [Acima 60 psi (410 kPa) ou menos] M C Legenda Linha de transmissão da linha principal (gasoduto) Linha principal de gás ou de distribuição Linha de serviço de gás Estação de medição de pressão da entrada da região Estação de mediçãoM Estação de compressãoC Dispositivo de proteção contra sobrepressão para tubulações e canos principais Estação reguladora de pressão de distribuição INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 46 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 46 24/04/20 09:33 O Diagrama 1, presente na ASME B31.8, fornece uma visão das tubulações e instalações (indicadas por linhas sólidas), partes dos sistemas de tubulação de transmissão e distribuição de gás numa empresa. Fora esse padrão de sistema, são encontradas variações de sistemas de movimentação de gás: • Sistema de coleta de gás: consiste em tubulações de campo que transpor- tam gás seco ou úmido dos poços de petróleo para uma central de tratamento, na qual ocorre a separação inicial de gás e líquidos; • Linhas de transmissão principais (tubulação): os gasodutos de transporte levam gás de uma ou várias fontes de suprimento para um ou mais centros de dis- tribuição, ou para um ou mais clientes de grande volume, ou ainda, interconectando fontes de suprimento. Os dutos de transmissão são tubos de diâmetro maior aco- modadosem distâncias maiores com estações intermediárias de compressor; • Sistema de distribuição de gás: sistemas de tubulações dentro de uma comunidade para transportar gás para linhas de serviço individuais ou outras redes de gás. Para o engenheiro de instalações industriais, o dimensionamento de tubula- ções para transporte de gases é mais complexo do que o dimensionamento de tubulações de líquidos. Apesar de ser função da perda de carga, o escoamento de fluidos gasosos em tubulações trabalha com resistências pelo atrito nas paredes da tubulação e pela viscosidade do gás em condições e faixas de valores diferentes dos líquidos. As perdas de carga que reduzem a pressão acontecem por todo o caminho seguido pelo fluido e no mesmo sentido da vazão. Porém, como os elementos ga- sosos são compressíveis, ao contrário da água, a queda de pressão acrescenta velocidade no decorrer da linha, resultando numa variação contínua do volume do gás à medida que ele corre no sistema de tubulação. Assim, a densidade do gás cai a cada trecho do tubo, alterando as condições termodinâmicas do problema a cada trecho da tubulação. Por outro lado, um ponto que facilita a concepção de sistemas indústrias para transporte de gás é o fato dele ser muito leve, em contrapartida às tubulações de líquidos, nas quais os pesos destes líquidos são relevantes para o dimensionamen- to. Além disso, as discrepâncias de cotas são pequenas, suscitando velocidades desprezíveis, dessa forma, em termos práticos, ela fica ligada apenas à perda de carga total que, por sua vez, tem conexão direta com as diferenças de pressão. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 47 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 47 24/04/20 09:33 É importante ter em mente que um gás não circula como um líquido, num fl uxo gerado apenas pelo efeito da gravidade. Para gases, se faz imprescindí- vel uma defasagem de pressão, logo constam, nos projetos de transporte de gases, os compressores ou elementos que geram vácuo. Com os compresso- res se consegue comprimir o gás, que ocupa um volume menor; esse méto- do é o mais aproveitado por questões práticas e econômicas, pois quanto menor o volume, menor o diâmetro para a tubulação e mais barato fi ca o conjunto. Nesse mesmo sentido, quanto me- nor o diâmetro, menor a velocidade, o que resulta numa menor perda de carga. Muitas equações para cálculos envolvendo fl u- xo isotérmico de gás em gasodutos horizontais fo- ram utilizadas pela indústria com graus variados de sucesso ao longo dos anos. Hoje em dia, a mais adota- da é a fórmula racional de fl uxo de gás, que preconiza que: P1 2 - P2 2 = B . f . . L D5 Z. T. G. Q2( ) Em que: P1 = pressão inicial na tubulação (kg/cm 2); P2 = pressão fi nal na tubulação (kg/cm 2); B = constante dimensional (no sistema métrico = 5608); f = fator de atrito (admensional); Z = fator de compressibilidade (adimensional); T = temperatura absoluta do gás (K = °C + 273); G = gravidade do gás (ar = 1); Q = quociente de vazão (m3/hora); D = diâmetro interno (mm); L = comprimento da tubação (km). Casos especiais A norma ASME B31.8 quantifi ca as instalações industriais conforme o local de implementação da tubulação, indicando classes de localização e as agregan- do ao fator projeto. Nessa norma, as classes de local são fi xadas em: INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 48 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 48 24/04/20 09:33 • Classe de localização 1: qualquer linha de tubulação de até 1,6 km com menos de 10 barracões ou prédios destinados à ocupação humana. Ela reflete áreas como terrenos baldios, desertos, montanhas, pastagens, terras agrícolas e áreas pouco povoadas; A classe 1 é subdividida em duas divisões básicas: • Divisão 1: um local de Classe 1 cuja tubulação foi testada hidrostaticamente para 1,25 vezes a pressão operacional máxima; • Divisão 2: um local de Classe 1 cuja tubulação foi testada hidrostaticamente para 1,1 vezes a pressão operacional máxima; • Classe de localização 2: qualquer linha de tubulação de até 1,6 km e com mais de 10 e menos de 46 barracões ou prédios destinados à ocupação humana. Ela des- tina-se a áreas em que o grau de população é intermediário entre as classes 1 e 3, como áreas periféricas de cidades e vilas, áreas industriais, ranchos ou propriedades rurais, entre outras; • Classe de localização 3: qualquer linha de tubulação de até 1,6 km e com mais 46 barracões ou prédios destinados à ocupação humana, visando áreas como em- preendimentos habitacionais suburbanos, shopping centers, áreas residenciais, áreas industriais e outras áreas povoadas que não atendem à Classe de Localização 4; • Classe de localização 4: tubulações maiores que 1,6 km ou em áreas onde predominam prédios de vários andares, tráfego intenso ou denso, com inúmeras outras utilidades subterrâneas e instalações que envolvem mais andares acima do solo, incluindo o térreo. A Tabela 1 mostra os valores de fatores de projeto (F) básicos previstos na ASME de acordo com as classes e divisões. CLASSE DE LOCALIZAÇÃO FATOR DE PROJETO (F) Classe 1, divisão 1 0,80 Classe 1, divisão 2 0,72 Classe 2 0,60 Classe 3 0,50 Classe 4 0,40 TABELA 1. FATOR DE PROJETO BÁSICO F Fonte: NAYYAR, 2000. (Adaptado). INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 49 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 49 24/04/20 09:33 Então, se for necessária uma pressão de projeto (P) para sistemas de tubu- lação de gás com tubos feitos de aço ou uma espessura nominal da parede (t) para uma pressão de projeto conhecida, se usa a equação: P = D 2. S. t. F. E. T Em que: P = pressão de projeto permitida na tubulação (kg/cm2); S = energia de escoamento (kg/cm2); t = espessura da parede do tubo (mm); F = fator de projeto (adimensional – depende da classe – ver Tabela 1); E = fator de junta longitudinal do tubo (adimensional – ver Tabela 2); T = fator de redução de temperatura (adimensional – ver Tabela 3); D = diâmetro externo do tubo (mm). Para isso, além do fator de projeto (F ) dado pelas classes previstas na norma ASME, se fazem imperiosos, conforme descrito na equação, mais dois fatores adimensionais. O primeiro é o fator de junta longitudinal do tubo (E), descrito na Tabela 2. CLASSE DE LOCALIZAÇÃO CLASSE DE TUBOS FATOR E ASTM A 53 Sem costura 1,00 Soldado com eletrodo 1,00 Solda contínua 0,60 ASTM A 106 Sem costura 1,00 ASTM A 134 Solda com arco fundido 0,80 ASTM A 135 Soldado com eletrodo 1,00 ASTM A 139 Solda com arco fundido 0,80 ASTM A 211 Soldado em espiral 0,80 ASTM A 333 Sem costura 1,00 Soldado com eletrodo 1,00 ASTM A 381 Soldado em arco duplo 1,00 ASTM A 671 Solda com arco fundido 0,80 ASTM A 672 Solda com arco fundido 0,80 TABELA 2. FATOR DE JUNTA LONGITUDINAL DO TUBO E INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 50 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 50 24/04/20 09:33 Principais problemas em sistemas de coleta de gás Uma das preocupações em tubulações industriais é a formação de conden- sado nos tubos. Os líquidos são criados nos gasodutos quando a temperatura do gás que fl ui através do gasoduto cai abaixo do ponto de orvalho do gás. Como ele possui um ponto de orvalho de hidrocarboneto e um ponto de orva- lho de água, ambos, o hidrocarboneto e a água, podem condensar e se acumu- lar em pontos baixos da tubulação obstruindo o fl uxo de gás. Fora a redução na capacidade do oleoduto, a chegada de grandes volumes de líquido à jusante nas instalações de tratamento de gás resulta em graves danos ao equipamento ou, pelo menos, causa irregularidades na operação da planta. Outro ponto considerado é o fl uxo bifásico, visto que a determinação pre- cisa das pressões na rota de um gasoduto úmido operando em fl uxo bifásico é difícil. Os regimes de fl uxo associados a ele são numerosos, complexos e difí- ceis de demarcar, considerando as propriedades dos gases e líquidos, regimes de fl uxo, queda de pressão e retenção de líquidos. API 5L Sem costura 1,00 Soldado em fl ash 1,00 Solda contínua 0,60 Soldado arco submerso 1,00 Fonte:NAYYAR, 2000. (Adaptado). O segundo fator adimensional é o de redução de temperatura (T ), exposto na Tabela 3, em que se interpolam os valores para temperaturas intermediárias. TEMPERATURA (°C) FATOR DE TEMPERATURA (T) Menor que 121 1,000 149 0,967 177 0,933 204 0,900 232 ou mais 0,867 TABELA 3. FATOR DE REDUÇÃO DE TEMPERATURA T Fonte: NAYYAR, 2000. (Adaptado). INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 51 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 51 24/04/20 09:33 A principal complicação do fluxo bifásico é a variedade de padrões de fluxo produzidos num sistema gás-líquido. O tipo de padrão encontrado depende das taxas de fluxo e propriedades (densidade e viscosidade) de cada um dos compo- nentes de gás e líquido, tensão superficial entre as duas fases, tamanho do tubo, configuração do tubo e terreno. Tais aspectos dificultam a derivação de correlações gerais de fluxo. Novas cor- relações para perda de pressão e retenção de líquidos e gases na tubulação estão sendo desenvolvidas. Elas mostram previsões confiáveis para retenção e perda de pressão quando comparadas com os dados operacionais de campo reais. O próprio número, complexidade e limitações de muitas das correlações im- pedem a apresentação e discussão de qualquer correlação neste capítulo, sendo possível consultar a literatura atual para obter as informações e fórmulas mais recentes, e o software de computador proprietário disponível no mercado. O terceiro ponto num sistema de coleta de gás é a formação de hidra- tos. Sob condições desfavoráveis, os hidrocarbonetos de baixo peso mole- cular, como metano, propano ou bu- tano, formam depósitos de hidratos insolúveis em conjunto com moléculas de água. Os cristais de hidrato, que se assemelham a gelo ou neve molhada, obstruem e interrompem as linhas de transmissão de gás. Hidratos também ocorrem no equipamento como resultado do resfriamento ocasionado pela re- dução de pressão, o que é um problema para as válvulas de controle de pressão, e nos reguladores de pressão, que podem congelar. A formação de hidrato é revitalizada mantendo o gás a uma temperatura mais alta, desidratando o gás ou injetando glicol ou metanol. No caso de proble- mas de hidrato nas válvulas de controle de pressão ou em outro equipamento, o aquecimento localizado do equipamento fornece uma solução eficiente. Na Figura 2 se observa um exemplo real de congelamento de uma junta próxima a uma válvula de um sistema de tubulação industrial, devido à formação de hidra- tos nos tubos. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 52 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 52 24/04/20 09:33 Dimensionamento de tubulações pelas normas ANSI/ASME B.31 Nas instalações industriais, as tubulações são traçadas de modo a supor- tar golpes hidráulicos, oscilações de pressão, transientes de fl uido previstos e demais situações que acontecem durante a operação normal do sistema. Para isso, os engenheiros utilizam os códigos previstos na seção B31.3 “Process piping guide” dela. Os códigos e recomendações são consolidados nas orga- nizações como base para o processo de tomada de decisões em tubulações, defi nição de materiais e dimensionamento de componentes. Nesse sentido, é prática da indústria classifi car o tubo segundo o sistema de classifi cação de pressão e temperatura empregado para demarcar fl anges. No entanto, não é essencial que a tubulação seja qualifi cada como Classe 150, 300, 400, 600, 900, 1500 e 2500. A classifi cação da tubulação é regida pela classifi cação de pressão e tem- peratura do item de pressão mais fraco da tubulação. O item mais fraco num sistema de tubulação é um acessório feito de material mais fraco ou com clas- sifi cação inferior devido ao projeto e outras considerações. A Tabela 4 lista as classifi cações de classe de tubo padrão com base no ASME B16.5, junto com os códigos de classifi cação nominal de pressão (PN) correspondentes. Figura 2. Parte de tubulação congelada com a formação de hidratos. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 53 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 53 24/04/20 09:34 CLASSIFICAÇÃO PRESSÃO NOMINAL (PN EM bars) 150 20 300 50 400 68 600 110 900 150 1500 260 2500 420 TABELA 4. CLASSIFICAÇÕES DE CLASSE DE TUBULAÇÃO COM BASE NO ASME B16.5 Fonte: ASME, 2018a. (Adaptado). A tubulação é qualificada por classes cobertas por outros padrões da ASME, como B16.1, B16.3, B16.24 e B16.42. Um sistema de tubulação é quali- ficado para um conjunto exclusivo de pressões e temperaturas não cobertas por nenhum padrão. A pressão nominal (PN) é a referência usada, seguido por um número de designação que indica a classificação aproximada de pres- são em bars. A unidade bar é a medida de pressão e 1 bar é igual a 14,5 psi ou 100 qui- lopascais (kPa). Ainda observando a Tabela 4, ela dá uma referência cruzada das classes ASME aos códigos de classificação PN que não fornecem uma pro- porção entre números de PN, ao contrário dos números de classe. Às vezes um sistema de tubulação é submetido a condições de vácuo total ou submerso em água e, assim, sofre pressão externa e suporta a pressão interna do fluido de fluxo. Os sistemas de tubulação são classificados para pressões internas e externas a temperaturas especificadas. Um sistema de tubulação lida com mais de um meio de fluxo em seus modos de operação. Portanto, ele recebe uma classificação dupla para dois meios de fluxo. Por exemplo, um sistema de tubulação pode ter condensado fluindo através dele a uma temperatura mais baixa num modo de operação, enquanto o va- por flui através dele a alguma temperatura mais alta em outro modo de operação. Assim, se atribuem duas classificações de pressão a duas temperaturas. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 54 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 54 24/04/20 09:34 Tubulação como elemento estrutural A seleção correta e econômica dos suportes para qualquer sistema de tubulação apresenta difi culdades de vários graus, algumas menores e ou- tras de natureza mais crítica. A seleção adequada dos suportes é o objeti- vo de todas as fases do projeto e construção, e eles devem ser entendidos como alicerces da estrutura principal, que são os próprios tubos e acessó- rios da tubulação. Problemas de suporte de tubo são minimizados ou evitados se for dada atenção aos meios de suporte na fase do layout da tubulação. Para isso, a familiaridade dos engenheiros que planejam tubulações com problemas de suporte, práticas aceitas e componentes de suporte de tubulações disponí- veis e suas aplicações é vital. Um suporte de tubo começa com um projeto e layout da tubulação, que é traçada para usar a estrutura circundante para prover pontos lógicos e convenientes de suporte, ancoragem, orientação ou restrição, com espaço disponível nos pontos para o elemento apropriado. Na Figura 3 se observa um trecho de uma tubulação industrial na qual aparecem três suportes ver- des que estruturam os tubos e garantem a integridade da instalação. Figura 3. Tubos de aço, suportes e válvulas. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 55 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 55 24/04/20 09:34 Linhas paralelas, verticais e horizontais são espaçadas o sufi ciente para deixar espaço para conexões de tubos independentes para cada linha. As especifi cações de suporte de tubulação para projetos individuais são escri- tas de forma a garantir o suporte adequado em todas as condições opera- cionais e ambientais e a proteger contra declives, expansão, ancoragem e isolamento. A familiaridade com as práticas, os costumes do comércio, as funções dos suportes padrão de itens comerciais e o entendimento de suas vanta- gens e limitações individuais, junto ao conhecimento dos padrões existen- tes, ajudam a alcançar os resultados desejados. Todavia, o tubo em si é o elemento principal da estrutura. Assim, pensando na resistência dos mate- riais, cada tubo é tido como um elemento de uma estruturaque recebe e transmite carga aos suportes e demais acessórios conectados. Pensando assim, as cargas nas análises são a pressão interna da tubu- lação, a pressão externa (quando operando submersa ou no vácuo), o peso próprio da tubulação (sem desconsiderar o peso do fl uido, acessórios, vál- vulas e isolamento térmico), levando em conta todo ci- clo de vida da tubulação, compreendendo a fase de testes, quando, por exemplo, em tubulações de vapor são realizados testes hidrostáticos e hidrodinâmicos com água. Sendo assim, são consideradas ques- tões como sobrecargas na tubulação (neve, asfalto ou terra), peso de veículos e pessoas sobre a tubulação, variações térmicas, atrito com os suportes, vento, terremoto, vibrações, entre outros fenômenos. Tensões nas paredes dos tubos Quando uma tubulação é exposta a cargas de muitas nature- zas, o estado de tensões na parede do tubo é defi - nido por três tensões normais e mais três tensões tangenciais de cisalhamento, como ilustrado no Diagrama 2. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 56 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 56 24/04/20 09:34 DIAGRAMA 2. PAREDE DE UM TUBO SOB TENSÕES Fonte: TELLES, 2006. Sc Sc Sr Sl Sl No Diagrama, Sl é a tensão normal longitudinal, enquanto que Sc são tensões circunferenciais e Sr é a tensão radial. Sl é uma tensão longitudinal que rompe o tubo ao longo de uma circunferência com base na: • Parcela relativa à pressão; • Parcela relativa às cargas axiais; • Parcela relativa às cargas localizadas por restrições ou soldadas. Sc é uma tensão circunferencial que rompe na geratriz do tubo a partir da: • Parcela relativa à pressão; • Parcela relativa às cargas localizadas por restrições ou soldadas. Sr é uma tensão radial baixa que rompe na geratriz do tubo, com a parcela relativa à pressão. Há ainda outras tensões em casos especiais, como cargas so- bre tubos enterrados ou submersos e que cisalham esses tubos. Nesses casos, a mecânica dos sólidos junta a probabilidade de ruptura do material submetido à combinação de tensões simultâneas. Como em tubulação se utilizam, em sua maioria, metais dúcteis, é empregada a teoria da elasticidade chamada cisalhamento máximo ou método de Tresca, que prevê que a falha em materiais ocorre quando a tensão de cisalhamento má- xima ultrapassa a metade do valor mínimo do limite de escoamento. Na teoria, a tensão de cisalhamento máxima é igual à metade da diferença entre a maior e me- nor tensões principais, sendo a tensão de cisalhamento máxima calculada como: INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 57 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 57 24/04/20 09:34 τmáx = = 2 (σ1 - σ2 ) 2 LE Em que: τmáx = tensão de cisalhamento máxima (Pa); σ1 = tensão principal máxima (Pa); σ2 = tensão principal mínima (Pa); LE = valor mínimo do limite de escoamento. Já para o caso de tubos feitos com materiais frágeis, como o ferro fundido, a teoria da elasticidade recomendada é a da máxima tensão normal ou método de Rankine. CURIOSIDADE Henri Édouard Tresca (12 de outubro de 1814 - 21 de junho de 1885) foi um engenheiro mecânico francês e professor do Conservatório Nacional de Artes e Métodos, em Paris. Ele é o pai do campo da plasticidade ou deformações não recuperáveis da área estrutural da engenharia mecânica. Em 1864, ele iniciou a exploração que comprovou sua teoria através de uma extensa série de experimentos, fi rmando um dos primeiros critérios de falha material, que traz seu nome e é respeitado até hoje. Normas de projetos de tubulações O Código ASME para tubulação de pressão consiste em muitas seções publicadas individualmente, com cada uma delas deliberando um padrão. A seção de Código B31.8 é a que apresenta a maior parte das referências. O código regula as disposições de engenharia para o projeto e constru- ção seguros da tubulação de pressão. Embora a segurança seja a principal razão, ela por si só não governa as especificações finais de instalação ou operação de tubulação. O código da norma não é um manual de planos. Muitas decisões tomadas para produzir uma instalação de tubu- lação e manter a integridade do sistema na operação não são detalhadas na norma. Os códigos não servem como um substituto para o bom julgamento de enge- nharia da empresa operacional e do projetista. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 58 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 58 24/04/20 09:34 Na maior extensão possível, as imposições de norma são estabelecidas em termos de princípios e fórmulas básicas de design, complementados com outros, a fim de garantir o aproveitamento uniforme dos princípios e orientar a seleção e aproveitamento dos elementos da tubulação. A norma ASME proíbe práticas conhecidas por não serem seguras e contém avisos de cautela, mas não proibição. Na seção B31.8 são arrolados itens como: a) Referências a especificações aceitáveis de materiais, padrões, pro- priedades dimensionais e mecânicas; b) Requisitos para planejar componentes e conjuntos; c) Dados para avaliar e limitar tensões, reações e movimentos associa- dos à pressão, a mudanças de temperatura e outras forças; d) Orientação e limitações na seleção e emprego de materiais, compo- nentes e métodos de união; e) Condições para fabricar e montar tubulações; f ) Preceitos para examinar, inspecionar e testar tubulações; g) Procedimentos de operação e manutenção essenciais à segurança pública; h) Disposições para proteger os oleodutos contra a corrosão externa e interna. A Figura 4 traz um engenheiro avaliando tridimensionalmente uma tu- bulação da indústria de petróleo e gás baseada nas recomendações da seção de código B31.8. Figura 4. Engenheiro avaliando modelagem 3D de tubulação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 59 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 59 24/04/20 09:34 Os usuários da norma devem fi car atentos com as revisões sem a garantia de que são aceitáveis por quaisquer autoridades de jurisdição onde a tubula- ção é instalada. Quando nenhuma seção do código ASME para tubulação de pressão cobrir um sistema de tubulação, o usuário tem o poder de selecionar qualquer norma para que seja empregável. Não obstante, é bom advertir que condições suplementares à norma escolhida são indispensáveis para forne- cer um sistema de tubulação seguro. Limitações técnicas de várias seções, requisitos legais e a aplicabilidade de outros códigos ou normas são conside- rados pelo usuário na determinação de qualquer seção do código. A adesão às dimensões da ANSI (American National Standards Institute) é recomendada sempre que possível. Apesar disso, parágrafos ou notações que especifi quem esses e outros padrões dimensionais das normas não são obrigatórios, desde que outros, de igual resistência e estanqueidade, capazes de suportar às mesmas condições de teste, sejam substituídos. CONTEXTUALIZANDO Os códigos da norma para tubulação de pressão estão sob a direção do comitê ASME B31, que é organizado e opera sob procedimentos da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), cre- denciados pelo Instituto Nacional Americano de Padrões (ANSI). Os comitês são contínuos e mantêm todas as seções dos códigos atualizadas com novos desenvolvimentos em materiais, construção e práticas industriais. Principais tipos de válvulas, aspectos construtivos e meios de operação Um item ou elemento individual ajustado em linha com o tubo num sistema de tubulação, como as válvulas, cotovelos, fl anges e tampas, são esquemati- zados e dimensionados de acordo com as especifi cações da norma ASME. Os tipos mais comuns de válvulas previstos nas seções dos códigos são: • Válvula de bloqueio ou de parada: bloqueia ou interrompe o fl uxo de gás num tubo; • Válvula de retenção: admite o fl uxo numa direção, fechando para impedir o fl uxo na direção reversa; INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 60 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 60 24/04/20 09:34 • Válvula de meio-fio: uma válvula de parada, abaixo do nível numa linhade serviço ou perto da linha de propriedades, acessível por uma caixa de meio- -fio ou tubo vertical e operável por uma chave ou chave removível para desligar o suprimento de gás num edifício. A válvula é conhecida como fechamento de freio ou torneira de freio; • Válvula de excesso de fluxo: interrompe ou limita o fluxo numa linha de servi- ço de gás quando o fluxo excede o máximo previsto durante as operações normais; • Válvula de linha de serviço: uma válvula de parada operável e acessível com o objetivo de desligar o gás na linha de combustível do cliente. A válvula de parada está localizada na linha de serviço à frente do regulador de serviço ou à frente do medidor se um regulador não for fornecido. A válvula também é chamada de desligamento da linha de serviço, torneira da linha de serviço ou parada do medidor. Uma das decisões na seleção de válvulas é o tipo adequado, baseado na ex- periência de serviço que demonstra que um determinado tipo tem bom desem- penho em um serviço. Fabricantes e instalações operacionais são boas fontes de informação a esse respeito. Algumas orientações para a seleção do tipo de válvula são ministradas nas normas e estão disponíveis em vários materiais de referência. O Quadro 1 traz descrições de serviço e o tipo de válvula selecionado para eles. SERVIÇO DESCRIÇÃO VÁLVULA RECOMENDADA Contaminação Controle de fluidos que causam acúmulo de contaminação, é necessária uma válvula com mínima obstrução ao fluxo. Bola, portão, globo Alta pressão Controle de fluxo em altas pressões. A seleção de uma válvula a ser usada em alta pressão, particularmente pneumática, é abordada com cautela. Válvulas de esfera ou globo Temperatura alta Controle de vazão em altas temperaturas. Válvulas de esfera ou globo Baixa vazão Controle de vazão com vazamento de sede muito baixo na posição fechada. Bola, portão, globo ou plugue Desligar Controle on-off normal. Esfera, porta, globo ou plugue Serviço de vapor Controle de vapor sob pressão. Bola ou globo Limitação e controle Controle da quantidade de fluxo variando a posição da válvula. Globo, válvulas de esfera e portão QUADRO 1. SELEÇÃO DE VÁLVULAS Fonte: ASME, 2016. (Adaptado). INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 61 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 61 24/04/20 09:34 Tais informações não são vistas como absolutas nem se destinam a excluir cer- tas válvulas. Decisões dessa natureza são deixadas sob responsabilidade do enge- nheiro, que decide se segue a recomendação da norma ou utiliza o dimensiona- mento caso a caso. Nesse sentido, as recomendações do fabricante são muito úteis. Pressão de projeto A maioria dos códigos de tubulação exige testes de pressão para verifi car se um sistema de tubulação novo, modifi cado ou reparado é capaz de suportar com segu- rança sua pressão nominal e é estanque. A conformidade com os códigos de tubu- lação é determinada por agências reguladoras e de execução, transportadoras de seguros ou pelos termos do contrato para a construção do sistema. O teste de pres- são, legal ou não, serve ao propósito útil de proteger os trabalhadores e o público. O teste de pressão estabelece uma classifi cação de pressão especial para a qual não é possível fi xar uma classifi cação segura por cálculo. Um protótipo é sujeito a uma pressão gradual crescente até que ocorra um rendimento mensurável ou até o ponto de ruptura. Usando fatores de redução de velocidade especifi cados no códi- go ou no padrão apropriado, se organiza uma classifi cação de pressão a partir dos dados experimentais. Os sistemas de tubulação são fechados por natureza para que o fl uxo ou a pres- são sejam mantidos. Quando a pressão é aplicada em casos de cruzamentos de tu- bos, a análise da tensão do aro é complicada por mudanças de direção. O Diagrama 3 ilustra, de forma genérica, o que está acontecendo numa interseção desse tipo. DIAGRAMA 3. TENSÃO EM CRUZAMENTO DE TUBULAÇÕES Fonte: ELLENBERGER, 2005. Nível de tensão Pressão interna Nível de tensão INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 62 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 62 24/04/20 09:34 O aumento da tensão ao redor da interseção tem uma alta proba- bilidade de colocar o material numa condição sobrecarregada. Os códigos reconhecem que, em alguns casos, o estresse mais alto não é suficiente para causar a inevitabilida- de de reforço adicional. Nesses casos, são listadas referências para padrões que proveem reforço su- ficiente. A interseção recebe uma pressão que é o máximo que o tubo mais fraco aceita sem ficar sobre- carregado, visto que toda a montagem é pressurizada. Há muitos códigos e padrões de sistemas de tubulação. A norma ASME traz uma lista de códigos e padrões para sistemas de tubulação, cobrindo aprovei- tamentos diferentes. Dois códigos de grande importância para testes de pres- são e vazamento são o código de tubulação de pressão, previsto na norma ASME B31, e o código de caldeira e vaso de pressão, previsto na mesma norma, porém em outra seção. Embora os dois códigos sejam aplicáveis a muitos sistemas de tubulação, outros códigos ou padrões têm que ser atendidos conforme exigido por auto- ridades, companhias de seguros ou o proprietário do sistema. Exemplos disso são os padrões AWWA para tubulação de transmissão e distribuição de água para controle de incêndio. O código de tubulação de pressão listado na ASME B31 tem várias seções, mas as principais são: • ASME B31.1 para tubulação de energia; • ASME B31.2 para tubulação de gás combustível; • ASME B31.3 para tubulação de processo; • ASME B31.4 para sistemas de transporte de líquidos, hidrocarbonetos, gás de petróleo liquefeito, amônia anidra e álcoois; • ASME B31.5 para tubulação de refrigeração; • ASME B31.8 para sistemas de tubulação de transmissão e distribuição de gás; • ASME B31.9 para tubulação de serviços de construção; • ANSI / ASME B31.11 para sistemas de tubulação de transporte de chorume. O Código ASME para caldeiras e vasos de pressão possui várias seções com requisitos de teste de pressão e vazamento para sistemas de tubulação, vasos de pressão e outros itens de retenção de pressão: INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 63 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 63 24/04/20 09:34 Temperatura de projeto O isolamento térmico serve a muitos propósitos úteis em tubulação indus- trial e comercial. Em termos mais simples, ele reduz o fl uxo de calor de uma su- perfície para outra. Para tubulações quentes ou acima da temperatura ambien- te, o isolamento térmico reduz a perda de calor. Em tubulações a frio ou abaixo da temperatura ambiente, o isolamento minimiza o ganho de calor. Em alguns casos, o objetivo parece não se relacionar à perda ou ganho de calor, e o resultado líquido é que a transferência de calor se retarda. Duas ilustra- ções disso são os isolamentos para proteção pessoal e para controle de conden- sação. Para proteção do pessoal, é preciso isolamento sufi ciente para manter a temperatura da superfície abaixo de um valor – cerca de 60 °C (140 °F). A fi m de controlar a condensação, deve haver isolamento sufi ciente para manter a temperatura da superfície acima do ponto de orvalho. Nos dois casos, o isolamento controla a temperatura da superfície para obter um efeito deseja- do que não seja a conservação térmica. O efeito, no entanto, é que o isolamento retarda a transferência de calor o sufi ciente para controlar a temperatura da superfície em ambos os casos. Há muito mais para esboçar e especifi car corretamente um sistema de iso- lamento do que apenas selecionar um material. Por isso, há algumas informa- ções práticas para iniciar um projeto efi caz de sistema de isolamento sintetizado • Seção I para caldeiras elétricas; • Seção III para componentes de usinas nucleares; • Seção V para exame não destrutivo; • Seção VIII para vasos de pressão; • Seção X para vasos de pressão de plástico reforçado com fi bra de vidro; • Seção XI para inspeção em serviço de componentes de usinas nucleares.CONTEXTUALIZANDO O fl uido de teste pneumático em tubulações, se a fonte for gás engarrafado, é o ar comprimido ou nitrogênio. O nitrogênio não é usado numa área fechada se o gás em fuga deslocar o ar no espaço confi nado, já que as pessoas fi cam inconscientes antes de sentir a falta de oxigênio. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 64 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 64 24/04/20 09:34 em materiais ou combinações de materiais que retardam o fluxo de calor. Um sistema de isolamento é qualquer combinação de materiais de isolamento em conjunto com mantas, adesivos, selantes, revestimentos, membranas, barreiras ou outros produtos acessórios para um conjunto eficiente para a redução do fluxo de calor. A engenharia de sistemas de isolamento determina ou direciona o desempenho final do processo. Os sistemas de isolamento delineados incorretamente estão sujeitos a danos e degradação, comprometendo as características de desempenho do material de isolamento e, em muitos casos, todo o processo para o qual o sistema de isolamento foi especificado. A Figura 5 mostra o isolamento de tubulação indus- trial composto que evita a troca térmica com o ambiente e proporciona maior segurança e rendimento. Figura 5. Isolamento térmico numa tubulação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. Existem muitos materiais de isolamento para tubulações comerciais e indus- triais. Cada material tem seu próprio conjunto de propriedades e qualidades de desempenho e, para cada material de isolamento, está disponível um procedi- mento de aplicação correto, além de materiais e acessórios destinado a isso. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 65 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 65 24/04/20 09:34 Válvulas As válvulas são parte essencial de qualquer sistema de tubulação que transporta líquidos, gases, vapores, lamas e misturas de fases líquidas e ga- sosas de vários meios de fl uxo. A princípio usada com meios primitivos para interromper, liberar ou desviar o fl uxo de água de uma fonte através de ca- nais rasos ou profundos, como fatias de madeira ou pedra presas às bordas de uma passagem de água, o homem desenvolveu vários tipos de válvulas, desde as mais simples até as mais sofi sticadas. Na Figura 6 são representadas válvulas comuns de esfera e com acionamento manual em diversos pontos de uma tubulação. Os tipos de válvulas abrangem: válvulas de gaveta, globo, esfera, plug, bor- boleta, diafragma, alívio de pressão e controle. Cada um deles tem várias ca- tegorias, oferecendo distintos recursos funcionais. Algumas são automáticas, enquanto outras são operadas manualmente ou têm atuadores alimentados por motores elétricos, pneumáticos ou hidráulicos, ou combinações de tudo isso para a operação. Figura 6. Válvulas manuais de uma tubulação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 66 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 66 24/04/20 09:35 As válvulas são fabricadas com metais e não metais, sendo usadas em sis- temas de tubulação industrial, tubulações de transporte e distribuição, tubula- ção de serviços de construção, instalações cívicas e sistemas de tubulação de irrigação. Nesses sistemas de tubulação, elas cumprem a função de regular o fluxo para cumprir os objetivos pretendidos do sistema. Quando a pressão do fluido aumenta acima de um limite, elas aliviam a pressão para proteger a integridade do sistema de tubulação ou de uma parte dele, e ajudando na manutenção ou quebra do vácuo. Os acessórios de uma tu- bulação mantêm a pressão ou a temperatura do meio de fluxo dentro da faixa ou limite desejado. Para selecionar uma válvula adequada para uma aplicação, o engenheiro avalia o elemento, incluindo recursos, materiais de construção e desempenho, se atentando a requisitos como meio de fluxo, projeto de proces- so, critérios de tubulação e motivos econômicos. As válvulas são a parte mais complexa dentro de um sistema de tubula- ção, e seus fundamentos são discutidos em detalhes. Diferentes dos demais acessórios para tubos e tubulações, como juntas e flanges, elas são multicom- ponentes, com uma variedade de materiais de construção e peças estáticas e dinâmicas. Elas também são uma parte vital de um sistema de tubulação e, dependendo do projeto, são capazes de decidir o transporte e o controle de líquidos, gases, vapores e polpas. As válvulas, muitas vezes negligenciadas, são o elemento de controle do fluxo do processo. Elas iniciam, param, regulam, verificam e são fornecidas numa variedade de materiais de construção e projetos. As mais usadas são dadas de acordo com as recomendações das normas ASME B31, que as divi- dem em: • Válvulas de gaveta; • Válvulas esféricas; • Válvulas de retenção; • Válvulas de globo; • Válvulas de plugue; • Válvulas borboleta; • Válvulas de pressão ou de diafragma; • Válvulas de alívio de pressão; • Válvulas de controle. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 67 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 67 24/04/20 09:35 Elas são subdivididas em outros agrupamentos, com base no projeto e materiais de construção. As válvulas são operadas manualmente, por pessoal de operação ou com uma fonte de energia independente, elétrica, pneumática ou hidráulica, dependendo da necessidade e disponibilidade de energia. Uma válvula é um item multicomponente que possui partes dinâmicas (móveis) e estáticas (imóveis), e pode executar uma ou mais funções: • Válvula de início/parada do fluxo (válvula borboleta), como uma válvu- la de gaveta, esfera ou bujão; • Válvula de regulagem de fluxo (válvula borboleta) – acelerador ou vál- vula globo; • Impedimento da válvula válvula de retorno – sem retorno ou de retenção; • Válvula de controle de fluxo. As válvulas selecionadas para projetos de código ASME B31 são regidas por vários padrões e especificações internacionais criados para garantir que ela funcione previsivelmente, evitando mau funcionamento em serviço. Os padrões cobrem o tipo de válvula, projeto, construção, compo- nentes, dimensões, testes e marcações. Os códigos e normas contêm regras e requisitos, classificações de pres- são-temperatura, dimensões, tolerâncias, materiais, exames não destruti- vos, testes e inspeção e garantia de qualidade. A conformidade com esses e outros padrões é invocada por referência a códigos de construção, es- pecificações, contratos ou regulamentos. Os padrões ASME são definidos pelas normas específicas: • B16.10: dimensões face a face e ponta a ponta das válvulas; • B16.20: gaxetas metálicas para flanges de tubos – junta de anel, ferida em espiral, revestida; • B16.21: juntas planas não metálicas para flanges de tubos; • B16.34: extremidade flangeada, rosqueada e de solda; • B16.38: válvulas metálicas grandes para distribuição de gás (operadas manualmente); • B16.40: válvulas termoplásticas de gás operadas em sistemas de dis- tribuição de gás. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 68 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 68 24/04/20 09:35 Na Figura 7 são exibidas válvulas tipo borboleta na tubulação de drenagem de uma planta industrial. Figura 7. Válvulas borboleta. Fonte: Shutterstock. Acesso em 01/04/2020. O escoamento de fluido nas tubulações produz fenômenos relacionados à mudança de estado, de líquido em vapor e geração de gases. Em válvulas, não é incomum haver cavitação, que ocasiona ruídos desagradáveis e vibra- ções, originando erosão e deterioração dos tubos e demais acessórios, como as válvulas. Compreender como se dão tais fenômenos e o que fazer para evitá-los au- menta a vida útil da tubulação, abatendo custos. O controle de operações de válvulas é uma atividade que requer extremo controle pois provoca efeitos fí- sicos que acarretam desgaste prematuro dos elementos de uma tubulação. Um dos fenômenos é o golpe de aríete, quando os movimentos de abertura e fechamento das válvulas causam um pico de pressão por causa da alteração súbita na velocidade na tubulação. O efeito leva o nome de golpe de aríetegraças ao ruído dos picos de pressão, que se assemelha ao de uma martelada. O golpe de aríete acontece se a válvula de retenção da tubulação que sai de uma bomba estiver instalada a mais de 9 m acima do nível da água, ou ainda, se a válvula que sai da bomba tiver fugas, enquanto outras válvulas acima do nível permanecem fechadas, causando um vácuo. Assim, no momento em que a bomba volta a operar, a água acaba entrando em alta velocidade, o que de- senvolve o pico de pressão e o golpe. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 69 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 69 24/04/20 09:36 ASSISTA Embora seja tido apenas como um ruído, o golpe de aríete é um problema nos tubos de abastecimento de água de plástico, como PVC e PEX, cujo perigo potencial de danos nos tubos e acessórios é o mesmo que em tubos de aço. No vídeo O que é o golpe de aríete?, do canal Engenharia Detalhada, é possível entender melhor este fenômeno. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 70 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 70 24/04/20 09:36 Sintetizando Nessa unidade foram apresentados conceitos que permitem ao engenhei- ro dimensionar tubulações industriais e suas válvulas destinadas a gases e demais fluidos conforme as normas e recomendações. Para tanto, foram dis- cutidas as características de escoamento de gases, aplicações e definições em casos especiais, e os problemas em sistemas de coleta de gás, circunstâncias vitais para a implantação de um sistema de tubulações, não importando a situação em que ele se insere. Em seguida, foram expostas as variáveis de dimensionamento de tubula- ções pelas normas ANSI/ASME B.31 e, também, o entendimento de que tubu- lações são elementos estruturais, os efeitos físicos que promovem tensões nas paredes dos tubos e as normas que tratam cada uso e que auxiliam os engenheiros no processo de projetar uma instalação de tubulação industrial, já que certos elementos externos e internos são passíveis de cálculo, a fim de evitar ou diminuir quaisquer prejuízos na construção. Por fim, foram abordados os aspectos construtivos e meios de operação de válvulas, tratando de variáveis, como pressão e temperatura de projeto, e discorrendo sobre os tipos, suas propriedades e seus efeitos em tubulações. As válvulas, no que se refere ao assunto abordado, são partes importantíssi- mas por terem a capacidade de controle sobre o escoamento do fluido, seja ele gás ou líquido. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 71 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 71 24/04/20 09:36 Referências bibliográficas AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS - ASME. ASME B16 - Valves, flanges, fittings, and gaskets. Washington, D.C.: American Society of Mecha- nical Engineers, 2018a. ______. ASME B31.3 - Gas transmission and distribution piping systems. Washington, D.C.: American Society of Mechanical Engineers, 2018b. ______. ASME B31.8 - Process piping guide. Washington, D.C.: American So- ciety of Mechanical Engineers, 2016. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 11906: Conexões roscadas para postos de utilização sob baixa pressão, para gases medicinais, gases para dispositivos médicos e vácuo clínico, para uso em estabelecimentos de saúde. Rio de Janeiro: ABNT, 2011. BOMBARDELLI, F. A.; GARCÍA, M. H. Hydraulic design of large-diameter pipes. Journal of Hydraulic Engineering, Reston, VA, v. 129, n. 11, p. 839-846, nov. 2003. ELLENBERGER, J. P. 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INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 72 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID2.indd 72 24/04/20 09:36 CONSTRUÇÕES E ARRANJOS DE INSTALAÇÕES DE TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS 3 UNIDADE SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 73 24/04/20 14:56 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Compreender questões relativas às construções e arranjos de instalações de tubulações industriais; Explorar os aspectos relacionados aos critérios a serem seguidos nesses projetos. Disposição das construções em uma instalação industrial Disposições gerais Disposições em áreas abertas Disposições em áreas fechadas Projeto e arranjos de tubulações Regras gerais Montagem, operação e manutenção Critérios e recomendações para o arranjo de tubulações industriais Suportes de tubulação Flanges: meio de ligação de tubos Conexões, juntas e demais acessórios INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 74 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 74 24/04/20 14:56 Disposição das construções em uma instalação industrial O sistema de tubulação é composto por vários conjuntos e subconjuntos que precisam ser fabricados, inspecionados, instalados e testados para, assim, formar um sistema completo. Cada etapa é de vital importância e, posto isso, a montagem ou instalação deve ser entendida como a colocação dos conjuntos de tubulações, válvulas e outros itens especiais da tubulação em seu local fi nal para interconectar bombas, compressores, trocadores de calor, turbinas, cal- deiras e outros itens de equipamento de processo. A fabricação e instalação de um conjunto de tubulação pode ser realizada em desde capôs abertos e desertos até dentro de barracões comerciais, com grande densidade de equipamentos e pessoas. Assim, todas essas questões devem ser discutidas e levadas em consideração ao longo de um projeto de instalação de tubulação industrial. A decisão sobre a localização da planta de fabricação é normalmente ba- seada nos seguintes parâmetros: custo, logística e disponibilidade de pessoal qualifi cado. Ademais, uma instalação comercial possui equipamentos espe- cializados, como máquinas de solda automática e máquinas de dobrar tubos de grande diâmetro, entre outras utilidades que podem não estar disponíveis em uma instalação de fabricação no local. Sendo assim, a fabricação de uma instalação industrial deve ser realizada em condições controladas e em am- biente previsível. Sempre haverá alguma montagem de componentes em todos sistemas de instalação de tubulação. Quando normas mencionam a montagem, elas fazem referência a deveres como montar bobinas de tubo, que são fl angeadas ou conectadas de outras maneiras mecânicas. Essas normas expressam preocu- pação em conectar a tubulação a equipamentos como bombas. O conjunto de requisitos mais frequente é em relação à mon- tagem de fl anges, uma vez que é relativamente bem co- nhecido que os fl anges são suscetíveis a vazamentos devido a montagem inadequada, desalinhamento, aperto não uniforme e assentamento impróprio da junta, entre outras inadequações nesse processo de montagem. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 75 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 75 24/04/20 14:56 Figura 1. Sistema de fl ange de tubulação. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 13/04/2020. A Figura 1 mostra a junção de dois trechos de tubos em uma instalação de tu- bulações. Fica evidente a complexidade do trabalho de unir e vedar essa emenda. Assim como fl anges, as instalações industriais envolvem muitos outros componentes separados e independentes, embora inter-relacionados. Toda- via, além dos componentes em si, a defi nição das disposições das construções em tubulações é de fundamental importância para o engenheiro, que deverá defi nir os requisitos e soluções do desenvolvimento de um projeto de instala- ção de tubulações industriais. Disposições gerais O termo fabricação aplica-se ao corte, dobra, conformaçãoe soldagem de componentes de tubos individuais entre si, além do tratamento térmico subse- quente e o exame não destrutivo para formar uma submontagem de tubulação para instalação. Já o termo instalação refere-se à colocação física desses sub- conjuntos de tubulações, válvulas e outros itens especiais em seu local fi nal ne- cessário em relação a bombas, trocadores de calor, turbinas, caldeiras e outros equipamentos, assim como a montagem por métodos de soldagem ou mecâni- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 76 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 76 24/04/20 14:59 cos, ensaios finais, tratamento térmico, teste de vazamento e limpeza e lavagem da instalação concluída. CURIOSIDADE A NASA desenvolveu uma proposta de sensor para de- tecção de vazamento em tubulações. O sensor consiste em pigmentos quimocrômicos incorporados em várias matrizes, como fitas, folhas, peças moldadas por injeção e/ou fibras, que mudam de cor quando expostos a com- bustíveis. Quando colocados perto de locais estratégicos, como tubulações e válvulas de contêineres, ou costuras e juntas, os sensores sofrem uma mudança instantânea e distinta da cor amarela para preta. Todos os detalhes dessa patente podem ser observados no artigo "Hypergol leak detection sensor", disponível em sua bibliografia. Dependendo da economia da situação, a fabricação pode ser realizada em uma planta de fabricação de tubos comercial ou em uma planta de fabricação de local, em que partes do sistema de tubulação são fabricadas em subconjuntos ou módulos para transferência para o local da instalação final. As oficinas de tubos comerciais possuem equipamentos especializados para o tratamento de curvatura e aquecimento, normalmente não disponíveis nos locais de instalação. A Figura 2 mostra as soldagens dos componentes de um subconjunto de tu- bulação que está sendo preparado no próprio lugar da instalação. Nesse caso, as peças são fabricadas, unidas, pré-testadas, montadas na tubulação principal e testadas já na planta da instalação industrial. Figura 2. Montagem de subconjunto de uma tubulação. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 13/04/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 77 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 77 24/04/20 14:59 A seleção inadequada de práticas de fabricação ou instalação pode resultar em um sistema que não funcionará corretamente ou que falhará antes do tem- po de vida útil esperado. Consequentemente, os empreiteiros de fabricação e instalação de tubulações devem trabalhar em estreita colaboração com o en- genheiro projetista, além de estarem cientes dos requisitos obrigatórios aplicá- veis previstos nas normas, dos requisitos e limitações exclusivos dos materiais e das técnicas de fabricação e instalação a serem aplicadas. Geralmente, as recomendações das diversas normas são razoavelmente semelhantes. Todavia, o proprietário, o engenheiro projetista, o fabricante e o instalador devem atender às suas especificidades para garantir uma instalação satisfatória. É essencial que o projetista esteja familiarizado com as normas que serão utilizadas e que as especificações de compra de material, fabricação e instalação sejam muito detalhadas. No entanto, a referência apenas às normas não é suficiente. No projeto, uma tensão permitida específica para um material, grau, tipo, forma do produ- to e condição de tratamento específico são informações que devem ser levadas em consideração. As especificações emitidas para compra e fabricação de ma- terial devem refletir esses parâmetros, a fim de garantir que sejam utilizados os materiais e práticas de fabricação adequados. CURIOSIDADE Outros padrões dimensionais de tubos são emitidos pela Manufacturers Standardization Society (MSS) e pela American Petroleum Institute (API). Já o Pipe Fabrication Institute (PFI) publica uma série de padrões de engenharia que descrevem práticas sugeridas para vários processos de fabricação e montagem de tubulações, ao passo que a American Welding Society (AWS) publica várias práticas recomendadas para soldagem de tubos em diversos materiais. Esses padrões fornecem uma excelente orientação para muitos aspectos da fabricação de tubulações não cober- tos pelos códigos da ASME. A prática atual da indústria é que o projetista prepare planos e seções/ desenhos isométricos do sistema de tubulação necessário. Estes, juntamen- te com as especificações da linha, descrevem todos os requisitos necessá- rios para a fabricação e a instalação. Normalmente, os requisitos de chanfro de solda para soldas de campo, por exemplo, são especificados, a fim de INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 78 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 78 24/04/20 14:59 garantir a compatibilidade entre todos os componentes do sistema a serem soldados em campo. Frequentemente, os chanfros de soldagem são deixados a critério do fabricante, desde que, é claro, a qualidade necessária da solda seja alcan- çável. A localização e o número de soldas de campo são uma consideração econômica dos comprimentos de tubos disponíveis, das limitações de re- messa ou tratamento térmico e das limitações de instalação em campo. Um sistema de tubulação pré-fabricado em uma planta de fabricação de tubos comercial, geralmente, é dividido em subconjuntos ou carretéis. A maneira pela qual um sistema é dividido depende de diversos fatores, como: comprimentos disponíveis de tubos retos; limitações dimensionais e de peso para remessa e tratamento térmico; requisitos de folga de solda- gem em campo; e, às vezes, necessidades de programação. Dobragem, forjamento, tratamento térmico especial, limpeza e o máxi- mo de soldagem possível são normalmente realizados na planta. São exe- cutadas todas as tentativas que visam minimizar o número de soldas de campo, que deve ser equilibrado economicamente com os custos adicio- nais de transporte e maiores problemas de manipulação de campo devido a montagens maiores, mais pesadas e mais complexas. Quando as condições do local são adversas às práticas normais de mon- tagem em campo, grande parte da planta pode ser fabricada em módulos para um trabalho mínimo de instalação no local. Uma vez decidido o núme- ro e a localização das soldas de campo, o fabricante preparará desenhos detalhados de cada submontagem. Cada desenho de subconjunto deve mostrar a configuração requerida; to- das as dimensões necessárias para a fabricação; referências a desenhos ou es- boços auxiliares; tamanho, espessura da parede, comprimento, liga e identifi- cação dos materiais necessários; código e classificação; referência a requisitos especiais de formação, soldagem, tratamento térmico e limpeza; necessidade de inspeção de terceiros; e peso e número de identificação da peça. A necessidade de garantir um melhor controle dos processos de fabricação levou ao uso de procedimentos escritos para a maioria das operações. Os fabricantes têm uma biblioteca de procedimentos anotados que controlam corte, soldagem, INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 79 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 79 24/04/20 14:59 dobra, tratamento térmico, exames não destrutivos e testes. Os procedi- mentos de soldagem na maioria dos códigos são qualifi cados na seção IX da ASME, que requer especifi cações de procedimentos de soldagem escritas. Da mesma forma, a seção V da ASME exige que o plano de ensaios não destrutivos seja executado com procedimentos escritos. Frequentemente, os fabricantes de tubulações utilizam um sistema de pontes rolantes para controlar o fl uxo na planta. Essa prática é adequada para a fabricação de submontagens de tubulação sob programas de controle de qualidade, em que é necessário manter registros. Ela também oferece aos inspetores oportunidades de estabelecer pontos de controle nos quais seja possível verifi car e documentar determinadas operações ou revisar certos registros. Disposições em áreas abertas Nas plantas de fabricação, os subconjuntos de tubulação geralmente são monta- dos nas especifi cações e modelostridimensionais para defi nição dos layouts antes de partir para a instalação defi nitiva. Os projetos dos subconjuntos estabelecem a li- nha de base para localizar os componentes e as dimensões fi nais da submontagem, assim como os componentes em suas respectivas posições no layout. Antes da montagem em áreas abertas, é essencial que todas as superfícies de solda estejam adequadamente limpas em relação a ferrugem, incrustações, graxa, tinta e outras substâncias estranhas que possam contaminá-las. Se houver umida- de, a junta de solda deve ser pré-aquecida. Isso posto, essa é apenas uma das preo- cupações de um engenheiro quanto a defi nir a disposição dos elementos envolvidos na construção de uma instalação industrial. Como os tubos são os elos de todas as partes de uma tubulação, funcionando como uma grande corrente onde ocorre o escoamento de líquidos, gases ou com- postos, o desenvolvimento e defi nição do layout de uma tubulação depende muito da disposição dos barracões ou características dos terrenos pelos quais essa insta- lação irá passar. Essas características defi nem os dados de entrada e requisitos de interdependência dos elementos envolvidos nessa grande corrente. Nesse sentido, é extremamente importante nas instalações industriais com- preender que as tubulações são utilizadas para ligar os mais diferentes maquinários e equipamentos de fabricação, como bombas, vasos pressurizados, radiadores, tor- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 80 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 80 24/04/20 14:59 res de resfriamento, trocadores de calor, entre outros. Assim, a definição da rede integral de uma tubulação industrial precisa abranger a análise de todo o espaço do terreno ocupado pelas plantas de produção. Dessa forma, as regras e recomendações a respeito da disposição das construções e equipamentos devem ser seguidas de acordo com a disposição dependente das ca- racterísticas do terreno disponível e, portanto, são diferentes para cada projeto. O projetista de uma instalação responsável pela definição de uma rede de tu- bos deve avaliar e estipular o layout de uma tubulação industrial tendo em vista as características da planta de forma descritiva, o que definirá todos os detalhes do fu- turo daquela instalação. Dessa análise inicial virão as características de eficiência da tubulação, seu custo final, suas condições de funcionamento, seus requisitos gerais de segurança e sua praticidade ou não de trabalho e manutenção. Esse estudo deve começar pelo perfeito conhecimento das leis locais, assim como das normas e regulamentos específicos, questões de segurança, o que fazer com os efluentes, problemas de ruídos, entre outros. Dessa forma, o layout defini- tivo sobre a planta só estará definido de fato nos momentos finais do projeto deta- lhado de uma instalação de tubulações industriais. Para isso, o engenheiro deve seguir alguns passos fundamentais para defini- ção da disposição geral de uma ou mais linhas de tubulação. Na grande maioria das corporações, os tubos e acessórios são montados e posicionados para uso em céu aberto, e não dentro dos barracões. Assim, as normas recomendam que, tanto para instalações novas quanto para reformas, reformulações e amplia- ções de uma instalação industrial sejam feitas listagens de atividades básicas, das principais às auxiliares ou de apoio. Tudo isso sempre considerando as limitações de relevo do terreno e de posicionamento do número de galpões que a empresa já tem instalados. CURIOSIDADE Modificações, como ampliações ou reformas, podem ser perigosas no sistema de tubulação e devem seguir as versões mais atualizadas das nor- mas, mesmo que isso exija alterações significativas no projeto original do sistema. Nesses casos, os desenhos do sistema de tubulação devem ser revisados para mostrar as modificações. Ademais, os reparos devem ser documentados e também devem ser realizados de acordo com os códigos de tubulação mais recentes. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 81 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 81 24/04/20 14:59 Para isso, é preciso entender o que são as atividades básicas. Também chamadas de atividades fim, cobrem as utilidades industriais, além das áreas de recebimento e estoque de material básico, material semiacabado e produ- tos finais embalados; equipamentos; subestações elétricas; geradores; áreas de tratamento de efluentes; trocadores de calor; laboratórios e área adminis- trativa, entre outros. Na Figura 3, o resultado final de um projeto de disposição de tubulações industriais em áreas abertas é evidenciado: trata-se da instalação real de uma indústria química. Figura 3. Instalação de uma indústria química. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 13/04/2020. Para chegar a esse ponto, em que a posição de cada equipamento foi de- finida e o trajeto exato de cada linha de tubulação está estipulado, o enge- nheiro responsável pela instalação deve ter cumprido etapas indispensáveis de projeto. Entre essas etapas, que podem variar de acordo como modelo de negócios da organização, estão o cálculo das áreas para cada atividade, o diagrama de bloco de circulação de materiais, as direções ortogonais básicas, a disposição geral das áreas, o traçado de ruas para subdivisão das áreas, as faixas de passagem de tubulação e a fixação dos níveis de projeto. Para cada uma dessas etapas, é fundamental apoiar-se nas recomenda- ções previstas nas normas, tais como: os padrões de blocos de utilidades para montagem dos diagramas; a definição dos fluxos contínuos, de grande vazão INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 82 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 82 24/04/20 14:59 ou pressão para definição das disposições; valores mínimos usuais de lar- gura e raios para traçado das ruas; os terrenos preestabelecidos para cada unidade e área de estoque que definem a fixação dos níveis de projeto, entre outros pontos. A Figura 4 mostra um exemplo de projeto de tubulações industriais que utiliza diagrama com padrões de blocos previstos em normas, utilizadas para organizar a definição do layout de equipamentos e o trajeto de tubulações em uma planta industrial. Figura 4. Exemplo de diagrama de fluxo em um projeto de tubulações. Fonte: US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 1999, p. 191. Os requisitos de projeto devem ser adequados para a segurança pública sob todas as condições encontradas no setor industrial. Além disso, devem ser previstas condições que possam causar estresse adicional em qualquer parte de uma linha ou em seus acessórios, utilizando boas práticas de engenharia. Exemplos de tais condições incluem longos vãos sem suportes, solo instável, vibração mecânica ou sônica, peso de acessórios especiais, tensões induzidas por terremotos, tensões causadas por diferenças de temperatura e as condi- ções de solo. Processo A (ácidos crômico / sulfúrico) Reativadores abandonados no local Reciclar, P1505, demolir Duplex, P1520 e P1530 Duplex, P1540 e P1550 Reciclagem de lodo Lodo de resíduos Duplex, P1605 e P1610 Decapante de ar P1600 Ar da planta Tanque de flocos P1630 Decantador P1640 Reator 1620 Sulfato ferroso P1660 NoOh P1650 Polímero P1670 Para controle de gás de descarte Duplex, P1460 e P1461 FCV-1570 FE-1570 Para espessamento de lodo Poço de lodo, P1450 Wetwell P1560 Para pressionar os filtros P1700 e P1701 Clearwell P1510 Processo B (solventes) P1000 P1200 P1100 P1010 P1110 P1300 P1400 P1500 a i jl d g hf e k b c M INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 83 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 83 24/04/20 15:31 As diferenças de temperatura devem ser consideradas como a diferença esperada entre a temperatura mais baixa e a mais alta do metal durante o teste de pressão ou serviços operacionais, levando em consideração os dados de temperatura registrados no passado e os possíveis efeitos de uma tempe- ratura mais baixa ou mais alta do ar e do solo. Deve-se enfatizar que a classe de localização, conforme descritona norma, é definida como a descrição geral de uma área geográfica com certas caracte- rísticas como base para prescrever os tipos de projeto, construção e métodos de testes a serem utilizados nesses locais ou em áreas comparáveis. Uma classe de localização refere-se apenas à geografia desse local ou de uma área semelhante, e não indica necessariamente que um fator do projeto será suficiente para toda a construção naquele local ou área específica. Por exemplo: em uma localização de classe 1, todos os cruzamentos aéreos requerem um fa- tor de projeto de 0,6, e não 0,76, previsto como geral para essa classe. Ao classificar locais para determinar o fator de projeto para construção e testes de tubulações que devem ser prescritos, deve-se considerar a possibili- dade de desenvolvimento futuro da área. Se no momento do planejamento de uma nova tubulação esse desenvolvimento futuro parecer suficiente para alte- rar a classe de localização, isso deverá ser levado em consideração no projeto e teste da instalação proposta. Quando tubulações e tubos principais forem instalados onde estarão sujei- tos a riscos naturais, como desmoronamentos, inundações, solo instável, des- lizamentos de terra, eventos relacionados a terremotos (como falhas na super- fície, liquefação do solo e características de instabilidade do solo e declive) ou outras condições que possam causar sérios movimentos ou cargas anormais na tubulação, devem ser tomadas precauções razoáveis para proteger a tu- bulação, como aumento da espessura da parede, construção de revestimentos, prevenção de aderência e instalação de âncoras. Nas situações em que tubulações e canos prin- cipais cruzarem áreas que normalmente estão debaixo d’água ou sujeitas a inundações (como lagos, baías ou pântanos), um peso ou uma an- coragem suficiente deve ser aplicado à linha, a fim de impedir a flutuação. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 84 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 84 24/04/20 14:59 Como as travessias submarinas podem estar sujeitas a desperdícios, devido aos riscos naturais de mudanças no leito da hidrovia, velocidade da água, apro- fundamento do canal ou alteração da localização do canal na hidrovia, deve-se considerar o projeto para proteger a tubulação em tais travessias. Ademais, a travessia deve estar localizada nos locais mais estáveis de ban- cos e camas. Já a profundidade da linha, a localização das dobras instaladas nas margens, a espessura da parede do tubo e a ponderação da linha devem ser selecionadas com base nas características da hidrovia. Além dos riscos apresentados, o tubo exposto a correntes cruzadas pode ser suscetível à vibração induzida por vórtice em alguns regimes de fluxo. Isso pode causar danos por fadiga em soldas circulares nos vãos expostos. Quando essas condições de amplitude exposta são encontradas, análises devem ser realizadas para determinar se esse fenômeno é antecipado pela configuração de tubo especificada e as condições previstas de velocidade da água. Caso existam condições que possam resultar na vibração do tubo e con- sequente dano por fadiga, devem ser instaladas medidas de combate, como dispositivos de enterro, rebote ou derramamento de vórtice, para reduzir o potencial de dano. Nos locais em que os dutos e canos principais estiverem expostos, como vãos, cavaletes e cruzamentos de pontes, eles deverão ser razoavelmente pro- tegidos por distância ou barricadas contra danos acidentais causados pelo trá- fego de veículos ou outras causas. Quando tubulações e canos principais forem instalados acima de determi- nado nível e estiverem expostos a condições de vento cruzado, eles deverão estar razoavelmente protegidos contra vibrações induzidas por vórtices. Essa vibração pode causar danos por fadiga nas soldas de circunferência no espaço exposto. Análises devem ser realizadas para determinar se esse fenômeno é antecipado pela configuração e orientação do tubo e para toda a gama de con- dições de vento que ocorrem naturalmente. Caso existam condições que possam resultar na vibração do tubo e conse- quente dano por fadiga, devem ser instaladas medidas de neutralização, como estrias, amortecedores de vibração ou outros dispositivos de derramamento de vórtice, ou deve-se alterar a frequência natural do sistema de tubulação, a fim de reduzir o potencial de dano. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 85 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 85 24/04/20 14:59 Disposições em áreas fechadas As normas específi cas, como a ASME, têm como objetivo garantir que todos os materiais e equipamentos que se tornarão parte permanente de qualquer sistema de tubulação construído sejam adequados e seguros para as condi- ções em que serão utilizados. Todos esses materiais e equipamentos devem ser qualifi cados para as condições de seu uso, sempre em conformidade com determinadas especifi cações, normas e requisitos especiais. As normas enquadram os materiais e equipamentos de acordo com as se- guintes categorias referentes aos métodos de qualifi cação: 1. Itens que estão em conformidade com os padrões ou especifi cações das normas; 2. Itens que são importantes do ponto de vista de segurança, mas não estão em conformidade especifi camente com algum padrão, como, por exemplo, um tubo fabricado com uma especifi cação não referenciada; 3. Itens de um tipo para os quais as normas ou especifi cações são referen- ciadas, mas que não estão em conformidade com as normas e são relati- vamente sem importância do ponto de vista de segurança, graças a seu tamanho diminuto ou às condições sob as quais eles serão utilizados; 4. Itens de um tipo para os quais nenhuma norma ou especifi cação é refe- renciada, como, por exemplo, um compressor. Todos os componentes dos sistemas de tubulação, incluindo válvulas, fl an- ges, conexões, coletores e conjuntos especiais, devem ser projetados de acor- do com os requisitos aplicáveis da ASME e as práticas reconhecidas de enge- nharia, visando suportar pressões operacionais e outras cargas especifi cadas. Devem ser selecionados componentes que possam suportar as condi- ções de projeto, operação e teste do sistema, no qual estes devem ser utili- zados sem falhas ou vazamentos e sem prejudicar sua capacidade de manu- tenção, assim como todo o trabalho de construção realizado nos sistemas de tubulação, que deve ser realizado sob as especifi cações de construção. Para isso, estas devem cobrir todas as fases do trabalho, além de serem sufi cientemente detalhadas. A empresa operadora deve fornecer uma inspeção adequada em áreas fe- chadas, e os inspetores devem ser qualifi cados por experiência ou treinamen- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 86 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 86 24/04/20 14:59 to. Estes, de acordo com os códigos previstos na norma ASME, devem ter autoridade para solicitar o reparo, remoção ou substituição de qualquer componente encontrado que não atenda às normas. As disposições da inspeção da instalação de tubula- ções e outras instalações, para operar com tensões de 20% ou mais da tensão de escoamento mínima especifi- cada, devem ser adequadas para possibilitar pelo menos as seguintes inspeções, em intervalos suficientemente frequen- tes para garantir uma boa segurança de operação: 1. Inspecionar a superfície do tubo, no que tange a defeitos graves; 2. Inspecionar a superfície do revestimento do tubo, à medida que ele é abaixado na vala, para encontrar lacerações que indiquem que o tubo pode ter sido danificado após a pintura; 3. Inspecionar a montagem das juntas antes de fazer a solda; 4. Inspecionar visualmente as longarinas dos suportes antes que os pontos de solda e fixações sejam aplicados; 5. Inspecionar as soldas concluídas antes de serem cobertas com revesti- mento térmico; 6. Inspecionar a condição do fundo das valas antes de o tubo ser abaixado; 7. Inspecionar o encaixe do tubo na vala antes do aterro; 8. Inspecionar todos os reparos, substituiçõesou alterações solicitadas an- tes de serem cobertos; 9. Realizar os testes e inspeções especiais exigidos pelas normas, como tes- tes não destrutivos de soldas e testes elétricos do revestimento e proteção; 10. Inspecionar o material de aterro antes do uso e observar o procedimen- to de aterro para garantir que não ocorram danos ao revestimento neste processo. Os medidores e reguladores de um sistema de tubulação industrial podem estar localizados dentro ou fora dos edifícios, dependendo das condições locais, exceto nas linhas de serviço que exigem regulamentação em série. Contudo, o regulador a montante deve estar localizado fora do edifício. Quando instalado dentro de um edifício, o regulador de serviço deve estar em um local facilmente acessível perto do ponto de entrada da linha de ser- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 87 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 87 24/04/20 14:59 viço de gás e, sempre que possível, os medidores devem ser instalados no mesmo local. Nem medidores nem re- guladores devem ser instalados em quartos, armários ou banheiros; sob escadas combustíveis; em locais não ventilados ou inacessíveis; ou a menos de 0,9 m de fontes de ignição, incluindo fornos e aquecedores de água. Na Figura 5, pode-se observar uma ponte de tubulação (ou pipe-rack). Trata-se de uma série de suportes elevados ou sobre estruturas de pórtico, que visa facilitar as operações e eventuais ma- nutenções, além de permitir a passagem livre de pessoas e veículos. Figura 5. Exemplo de pipe-rack. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 13/04/2020. Projeto e arranjos de tubulações Os desenhos que defi nem o arranjo das tubulações, as plantas de locação, são realizados em uma escala que possibilite a vista ortogonal superior da dis- posição completa da empresa, detalhando a posição das máquinas em uma instalação industrial e das linhas necessárias de tubos para que todas as utili- dades possam produzir com a autonomia necessária. Quando a planta envolve muitos detalhes, não é possível exibir tudo em uma única projeção; logo, na grande maioria das vezes, são necessárias várias plantas de arranjo. Essas plantas podem ser divididas em uma planta de ar- ranjo geral, que defi ne o terreno como um todo e as redes principais de tubos. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 88 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 88 24/04/20 14:59 É importante “dar um zoom” nessa planta geral, observando a planta de cada unidade, em que é possível analisar todas as utilidades em suas respectivas po- sições, assim como as plantas de áreas de armazenagem, que definem os traje- tos de tubulações e áreas que devem ficar livres para passagem e manutenção. Esses arranjos de tubulações podem ser muito complicados, conforme ex- plicitado na Figura 6, na qual percebe-se linhas de tubulações concorrentes em vários níveis e que se cruzam em elevações diferentes. Todos esses detalhes devem ficar claros nos projetos das tubulações e, portanto, os arranjos gerais não são suficientes e o engenheiro precisará detalhar minuciosamente uma planta como essa. Para isso, uma alternativa importante é dividir o terreno em áreas menores, unidades ou locações de prédios, onde cada uma dessas subdivisões parciais receberá um código. Quando a área parcial ou a planta de cada unidade de- mandar vários desenhos, a codificação desses desenhos deverá manter uma relação com o desenho da planta de arranjo geral. Figura 6. Arranjo de tubulações para um navio-tanque. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/12020. Nas plantas de cada unidade de processos devem aparecer os detalhes das tubulações de entrada e de saída da área, informando, ao menos, os diâmetros, as cotas de elevação e os equipamentos que compõem a unidade. Em plantas muito complexas, em que haja vários equipamentos sobrepostos em elevações diferentes, é usual realizar mais de um desenho de arranjo de planta de cada unidade, mostrando cada nível diferente em uma mesma planta. Assim como, INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 89 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 89 24/04/20 14:59 dependendo da necessidade, pode-se realizar desenhos de elevação com a vista frontal ou lateral da unidade para descrever melhor os detalhes da instalação. Esses desenhos indicam a localização de todas as principais peças de equi- pamento na planta, e que o projetista verifi cará ou realocará, se necessário, para acomodar o direcionamento físico do tubo conforme projetado ou rede- senhar o encanamento para acomodar o equipamento específi co. Geralmente, os desenhos de localização de equipamentos são desenvolvidos por projetis- tas de tubulação experientes durante a preparação da proposta e são assumi- dos pela equipe de instalação após o fechamento do contrato. A partir desse momento, eles são revisados e atualizados como parte do processo normal de desenvolvimento. Ademais, os equipamentos devem ser organizados com o layout da tubulação em mente, ao passo que a localização dos equipamentos e arranjos relacionais devem ser avaliados durante o pro- cesso de projeto do layout da tubulação. São necessários ajustes e, ocasional- mente, grandes mudanças no arranjo do equipamento para resolver os princi- pais problemas do arranjo da tubulação. Sendo assim, o projeto do sistema de tubulação depende da entrada de várias fontes de referência antes do início do projeto da tubulação. Regras gerais As regras gerais para defi nição das especifi cações de arranjos de tubula- ções de instalações industriais incluem a avaliação das condições de serviço, fl exibilidade, transmissão de esforços e vibrações, acessibilidade, construção e manutenção, segurança, economia e, por fi m, aparência. Um exame cuidadoso dos desenhos leva à conclusão de que menos mate- rial é necessário nesse tipo de arranjo. Isso se deve ao fato de que a transição de uma linha horizontal para um ramo vertical é, essencialmente, uma curva suave. No entanto, existem restrições no raio que é formado por esse processo em função do espaço físico da planta ou unidade fabril e dos equipamentos ao redor: por isso a relevância dos desenhos de arranjos. Pode-se notar detalhes, como, por exemplo, que a razão entre o diâmetro do ramo e o diâmetro da linha principal tem algum limite superior. Isso está re- lacionado ao fato de que o comprimento transversal do material deveria atingir INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 90 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 90 24/04/20 14:59 um ponto acima do topo da linha, fato esse que só pode ser notado em um desenho com várias vistas ou em uma análise computacional tridimensional. Durante a fase de projeto, áreas com condições instáveis do solo e traves- sias de pequenos rios, córregos ou canais devem ser identificadas. Nesses ca- sos, pode ser necessário um arranjo de suporte de cais para o tubo. O tubo para essa aplicação deve ser projetado e fabricado para abranger os suportes e resistir à carga concentrada aplicada ao tubo no suporte. Esses detalhes são fundamentais na descrição dos desenhos de arranjos. O projeto de uma tubulação e a disposição dos equipamentos são assuntos inter-relacionados, que não podem tratados como atividades distintas, e seus resultados dependem de um sólido conhecimento teórico e da experiência dos envolvidos. A maioria dos bons engenheiros ao longo da história aprendeu sua profissão através de uma combinação de trabalho prático e acadêmico. Esse tipo de projeto é muito amplo e depende de um sólido conhecimento em engenharia mecânica e muito senso comum dos envolvidos. Estudar os projetos anteriores é uma boa maneira de aprender e aperfeiçoar os desenhos atuais. O experiente projetista de tubulações precisa ter um conhecimento prático do layout da planta, da disposição dos equipamentos e funcionalidade do sistema associado a um ou mais campos de atuação, como comercial, indus- trial, energia, entre outros. Além disso, o engenheiro deve ter um entendimen- to da aplicação prática de materiais de tubulação,válvulas, bombas, tanques, vasos de pressão, trocadores de calor, caldeiras elétricas, conjuntos fornecidos pelos fornecedores e outras máquinas e equipamentos. A maioria dos projetos possui requisitos específicos impostos pela própria empresa ou órgãos governamentais. Isso geralmente inclui requisitos adicio- nais acima dos códigos e normas que podem ter impacto direto no layout da tubulação e na localização dos equipamentos. A própria alta diretoria da em- presa pode não ter um entendimento completo de todos os níveis de detalhes necessários para produzir um projeto de tubulação, e apenas conhecer o produto final. Logo, é papel do engenheiro clarificar a complexidade e exigência dos detalhes, a fim de que a informação chegue no corpo diretor da companhia. É muito importante que todo o pessoal do projeto conheça e compreenda esses requisitos, assim como seus superiores. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 91 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 91 24/04/20 14:59 O planejamento adequado é uma atividade importante, executada pelo projetista da tubulação nos estágios iniciais de um projeto. A conservação do espaço e um arranjo simétrico de tubulação são conquistados quando todos os sistemas são avaliados nos estágios preliminares do projeto. Sendo assim, esse estudo se tornará o desenho final. Posto isso, é importante considerar o custo do material da tubulação neste momento. Essas linhas de tubos devem ser mantidas de modo mais curto possível, mantendo a flexibilidade adequada da tubulação, mesmo que isso exija a alte- ração da disposição do equipamento. O projeto detalhado não deve começar até que os estudos de planejamento estejam completos: não é recomendável gastar horas de trabalho de engenharia em detalhes sujeitos a alterações até a conclusão do estudo de planejamento. O layout da tubulação passa a ser uma questão de projetar rotas dimensio- nadas de um ponto para outro com ramificações, válvulas, especialidades de tubulação e instrumentação, conforme indicado nas normas. Essa declaração, no entanto, é uma simplificação excessiva do processo, uma vez que muitos outros fatores devem ser considerados, como interferência, flexibilidade da tu- bulação, custos de material, suportes de tubulação, operação e manutenção, assim como requisitos de segurança e construção. Na Figura 7, pode-se entender essa situação: ela apresenta um exemplo em que é necessário mover uma bomba 75 mm para evitar um deslocamento composto do cotovelo para conectá-lo ao bico de descarga superior. Sapata da bomba Sapata do filtro O bico de saída da sapata do filtro deve estar alinhado para evitar esse deslocamento composto Figura 7. Desenho de alinhamento do bico de uma bomba. Fonte: NAYYAR, 2000, p. B.78. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 92 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 92 24/04/20 14:59 Os desenhos compostos e modelos mostram todas as instalações projeta- das da planta, sendo utilizadas pelos projetistas para selecionar uma rota livre de interferências para o sistema atualmente em projeto. No entanto, o proje- tista ainda deve procurar esses sistemas ou instalações no projeto simultanea- mente. Quando o engenheiro estiver convencido de que o layout do sistema atual é livre de interferências, ele será adicionado ao desenho composto de todas as áreas da empresa. Uma alternativa aos desenhos de tubulações compostas e aos modelos de plástico para detecção de interferências é o uso do projeto auxiliado por com- putador (CAD). Especifi camente, a modelagem computacional tridimensional, ou 3D, pode fornecer uma alternativa efi ciente, precisa e econômica aos méto- dos manuais tradicionais para detecção de interferências. A Figura 8 exibe um exemplo de modelamento tridimensional de uma tubulação industrial. Figura 8. Arranjo de tubulações modelado tridimensionalmente em CAD. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Montagem, operação e manutenção As normas para aplicações em instalações de tubulações industriais abrangem não só os aspectos de projeto, fabricação, instalação, inspeção e teste como tam- bém questões relacionadas à segurança de montagem, operação e manutenção de sistemas de transmissão e distribuição de gás, incluindo gasodutos, estações de compressão de gás e estações de medição e regulação de gás, por exemplo. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 93 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 93 24/04/20 14:59 Incluem também, em seu escopo, detalhamentos dos dutos de transmissão e coleta de gás, incluindo acessórios instalados no mar (offshore) com o obje- tivo de transportar gás das instalações de produção para os locais em terra e linhas de armazenamento de gás. EXPLICANDO O termo offshore é uma expressão em inglês, cada dia mais utilizada, que indica atividades cujas operações são no mar ou afastadas da costa. No segmento de petróleo, esse é um termo básico no vocabulário técnico dos profissionais. A extração de petróleo do pré-sal, por exemplo, exigiu desenvolvimento de tubulações que partem da superfície do mar e vão até mais de 2.200 m de profundidade. Figura 9. Navio-tanque descarregando petróleo e gás em porto industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Para o projeto e utilização de uma instalação industrial, é muito impor- tante que o engenheiro domine, em termos de conhecimento e aplicação, os requisitos de operação e manutenção estabelecidos nas normas para tubula- ções, além de saber que essas recomendações estão sempre sendo aprimo- radas. A norma ASME, por exemplo, possui comitês trabalhando constante- mente no que é denominado de códigos ou regras pós-construção. Esse é o caso dos oleodutos, que possuem certos requisitos em anda- mento que não estão necessariamente de acordo com os sistemas previs- tos pelos outros códigos normatizados. A seção B31.1 da ASME, por exem- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 94 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 94 24/04/20 15:00 plo, possui apêndices não obrigatórios, que não são requisitos de código, mas opções que os engenheiros poderiam adaptar ou seguir. Mesmo quando as normas de tubulação possuem seções específicas sobre operação e manutenção, elas reconhecem a problemática da pres- crição de detalhes para cada caso. Sendo assim, é fato que existem di- ferenças na apresentação e nos detalhes, baseadas no serviço básico ao qual os códigos se referem. Parece intuitivo que a transmissão de gás exija preocupações de seguran- ça mais detalhadas do que o transporte de hidrocarbonetos líquidos, e que ambas superem as preocupações com o chorume, geralmente água e alguma substância sólida. No entanto, existem certos denominadores comuns. Quanto à operação e manutenção, um ponto crítico é a corrosão, que pode ocorrer em todas as tubulações. Assim, na fase de projeto o engenhei- ro deve estar atento a esses pontos e prever requisitos mais rigorosos com relação a controles de corrosão, isto é, algum revestimento de controle e proteção catódica. O projetista tem a opção de fornecer provas de que a proteção catódica pode não ser necessária devido às condições do ambiente e dos materiais utilizados. No entanto, o engenheiro é obrigado a testar e verificar se esse é realmente o caso, além de tomar medidas corretivas. O procedimento de teste também é necessário nas linhas existentes, que podem ou não ter sido proje- tadas e instaladas sob os códigos atuais. Os princípios básicos do projeto e construção da tubulação podem não di- ferir muito de um país para outro, mas as leis e normas específicas do país podem variar substancialmente. Portanto, o pessoal envolvido no projeto de engenharia, construção, operação e manutenção dos sistemas de tubulação deve garantir que os requisitos dos códigos e normas aplicáveis sejam cumpri- dos, a fim de assegurar a segurança do público em geral e dos trabalhadores associados à instalação, assim como o respeito às regras locais. Para isso, o engenheiro responsável pela aprovação do projeto deveverificar, além das ver- sões das normas, a atualização das leis do local da instalação. De modo geral, os layouts devem facilitar a operação e manutenção, além de proteger a tubulação de atividades não relacionadas à função ou manuten- ção do sistema de tubulação. Drenos e respiradouros devem ser fornecidos, e INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 95 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 95 24/04/20 15:00 a tubulação deve ser inclinada para facilitar a drenagem de líquidos e a venti- lação de gás. A identifi cação antecipada de sistemas perigosos permitirá que considera- ções de layout sejam incorporadas à planta que abriga o sistema, assim como uma análise de fl exibilidade estrutural, que normalmente avalia o ciclo de li- ga-desliga, deve ser realizada para determinar se o layout do sistema de tu- bulação não está indevidamente restringido. O intervalo de tensão permitido devido à falta de fl exibilidade precisará ser reduzido se o ciclo de desligamento da inicialização ocorrer uma vez por dia ou mais. É necessário fornecer controles de processo para monitorar as condições do sistema, visando protegê-lo de picos de pressão, temperatura e fl uxo de fl uido. Os controles devem limitar a quantidade de fl uido perigoso que pode escapar no caso de uma ruptura do tubo. Além disso, um programa sistemático de monitora- mento e detecção de vazamentos, projetado para identifi car pequenos vazamen- tos e prováveis problemas o mais cedo possível, deve ser implementado. Seria incomum um sistema de alívio de pressão de tubulação descarregar diretamente material perigoso na atmosfera. Em casos de tubulações de alto risco, sistemas de alívio devem ser projetados para atuar quando os volumes totais ultrapassarem os limites máximos especifi cados. Obviamente, a parte da tubulação do sistema de alívio de pressão também deve ser identifi cada como uma tubulação perigosa. Por exemplo, em casos de tubulações conectadas a uma embar- cação que requer entrada, como na Figura 9, devem ser previstas duas válvulas de parada com um dreno livre entre elas o mais próximo possível da embarcação. É importante evidenciar que questões específi cas de segurança, operação e manutenção como essas costumam ter recomendações previstas em normas. Critérios e recomendações para o arranjo de tubulações industriais Como já frisado, sistemas de tubulações industriais incluem tubos, fl anges, conexões, parafusos, gaxetas, válvulas e as porções que contêm a pressão de INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 96 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 96 24/04/20 15:00 outros componentes da tubulação. Para essas instalações, também deve-se incluir suportes para tubos e outros itens necessários para evitar a sobrepres- surização e a sobrecarga dos componentes que contêm pressão. É evidente que o tubo é um elemento ou parte fundamental da tubulação, mas os demais elementos presentes nos arranjos podem ser, em muitos casos, o elo mais fraco dessa grande corrente. Assim, os critérios e recomendações devem ser muito evidentes no projeto de qualquer tubulação. Após a conclusão do projeto, o engenheiro projetista deve preparar um manual de operação que descreva as condições operacionais e ambientais normais e anormais assumidas no projeto da tubulação perigosa e que foram consideradas para a definição dos arranjos dos tubos em uma instalação. Ins- truções de operação e manutenção recomendadas para componentes ativos devem ser incluídas. Fabricantes de componentes ativos, como válvulas, bombas, instrumenta- ção e amortecedores, normalmente fornecem instruções de operação e ma- nutenção. Todos os desenhos de projeto, incluindo os desenhos do fabricante do componente, também devem ser incluídos. O manual de operação deve incluir quaisquer outras informações que o projetista julgue serem neces- sárias para orientar o operador na operação e manutenção do sistema de tubulação com segurança. O engenheiro de operação deve fazer o sistema de tubulação rodar confor- me os parâmetros de projeto do sistema, compreendendo o porquê do arranjo de traçado definido para aquela tubulação e seguindo as recomendações e critérios de verificação de suportes, flanges, conexões, juntas e demais aces- sórios. Além disso, o engenheiro de operação deve ser treinado e treinar sua equipe para entender os critérios do projeto, outros eventos possíveis que po- dem causar uma falha e condições operacionais que podem degradar o siste- ma ao longo do tempo. Ademais, os operadores devem estar familiarizados com o sistema de manuseio de materiais perigosos de modo que possam identificar sinais de problemas no sistema, caso apareçam. Uma fonte possível dessas informações é o estudo de análise dos ar- ranjos da planta e os resultados de qualquer análise contí- nua de perigos no projeto. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 97 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 97 24/04/20 15:00 Suportes de tubulação A avaliação de tensões devido ao peso é normalmente menos preocupante do que limitar os deslocamentos, ou defl exões, entre os apoios. Limitar essa curvatura entre os apoios em até 3 mm limitará as tensões de peso e, nos siste- mas de vapor, o agrupamento de condensáveis. Tubos de subida verticais lon- gos, ou grande quedas de fl uidos, podem exigir suportes verticais para limitar as tensões de peso que normalmente não são calculadas usando programas de computador de conformidade com o código de tubulação. A Figura 10 mostra alguns tipos de suporte muito utilizados em um ambien- te industrial. A Figura 10A ilustra os detalhes de um suporte estilo suspensó- rio utilizado para segurar e nivelar o tubo. Já na Figura 10B pode-se observar suportes para grandes tubulações externas, que apoiam os tubos e permitem movimentações longitudinais devido a variações térmicas e de carga. Figura 10. Suportes de tubulações. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Tensões de carga de curto prazo, como transientes de pressão de fl uxo mo- nofásicos, transitórios de fl uxo bifásicos, ventos e terremotos, devem ser ava- liados. Em geral, limitar os deslocamentos devido a essas cargas de curto prazo restringirá seu potencial de causar um colapso ou ruptura da tubulação, além de também limitar os danos por fadiga, caso essas cargas sejam frequentes. Os deslocamentos da tubulação podem ser limitados por suportes ativos, como suspensórios e amortecedores hidráulicos e mecânicos, ou suportes passivos, como estruturas vazias ao redor do tubo. Os suportes passivos são preferidos aos suportes ativos, uma vez que os suportes ativos normalmente requerem manutenção periódica. A B INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 98 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 98 24/04/20 15:00 Os apoios com folga e a tubulação podem sofrer cargas de impacto durante essas cargas de curto prazo. A proteção passiva da tubulação pode ser forne- cida por coberturas especiais, mangas ao redor do isolamento, dispositivos ou materiais projetados para causar impacto, paredes de tubos mais pesadas ou almofadas nas proximidades do suporte aberto. A faixa de tensão térmica de desligamento de inicialização (geralmente ba- seada em condições operacionais normais, em vez de condições de projeto) é normalmente analisada para garantir uma fl exibilidade de tubulação ade- quada. Mas todas as faixas de temperatura, seja devido a excursões normais ou anormais, devem ser consideradas e avaliadas juntamente com a faixa de desligamento de inicialização, caso esta seja signifi cativa. É importante lembrar que, devido a um baixo módulo de elasticidade, não metálicos sofrerão efeitos signifi cativos de expansão de tensão semelhantes à expansão térmica, geralmente exigindo a consideração de sua faixa de tensão de desligamento na inicialização. A expansão de pressão também ocorrerá na tubulação metálica, mas, geralmente, em apenas uma pequena fração da ex- pansão térmica coincidente. O projetista deve estar ciente de que danos significativos podem resultar de movimentos relativos do suporte e precisam ser consi- derados na análise de fadiga. Posto isso, deve-se levar em consideração que o maior número de falhas na tubula- ção devido a movimentos sísmicos pode ser causado por movimentos de suportes que não possuíam liber- dade de movimento. Flanges: meio de ligação de tubos Os fl anges de ferro fundido são produzidos de acordo com a norma ASME seção B16.1. Os padrões dessa seção estabelecem requisitos dimensionais, classifi cações de pressão, materiais e requisitos de parafusos de junção de fl anges. As classifi cações de temperatura de pressão e os requisitos de mate- riais para fl anges de ferro fundido são os mesmos dos acessórios de fl angea- mento, como juntas. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 99 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 99 24/04/20 15:00 X W O Q Y 1/16” T Figura 11. Dimensões de flanges típicas de ferro fundido, de acordo com a norma ASME B16.1. Fonte: ASME, 2018a. Bitola (in) O - Diâmetro do fl ange (in) Q - Espessura do fl ange (in) X - Diâmetro do cubo (in) Y – Altura do cubo (in) T – Altura da rosca (in) W - Diâmetro face elevada 1 ½ 6 1/8 13/16 2 3/4 1 1/8 0,87 3 9/16 2 6 ½ 7/8 3 5/16 1 ¼ 1,00 4 3/16 2 ½ 7 ½ 1 3 15/16 1 7/16 1,14 4 15/16 3 8 ¼ 1 1/8 4 5/8 1 9/16 1,20 5 11/16 3 ½ 9 1 3/16 5 ¼ 1 5/8 1,25 6 5/16 4 10 1 ¼ 5 3/4 1 3/4 1,30 6 15/16 5 11 1 3/8 7 1 7/8 1,41 8 5/16 6 12 ½ 1 7/16 8 1/8 1 15/16 1,51 9 11/16 8 15 1 5/8 10 ¼ 2 3/16 1,71 11 15/16 10 17 ½ 1 7/8 12 5/8 2 3/8 1,92 14 1/16 12 20 ½ 2 14 3/4 2 9/16 2,12 16 7/16 A Figura 11 mostra o desenho de fl anges previsto na norma B16.1, cujas dimensões são listadas na Tabela 1. TABELA 1. FLANGES – CLASSE 250 Fonte: ASME, 2018a. (Adaptado). Para isso, a seção B16.5 da norma ASME descreve as condições e padrões de dimensionamento de fl anges, com apontamentos que vão desde como o aperto controlado de parafusos deve ser defi nido, até condições especiais de testes. Uma junta de fl ange é composta por componentes separados e inde- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 100 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 100 24/04/20 15:00 pendentes, embora inter-relacionados: os fl anges, a junta e o parafuso, que são montados por outra infl uência. Controles adequados devem ser exercidos na seleção e aplicação, a fi m de que todos esses elementos resultem em uma junta que tenha estanqueidade aceitável ao vazamento. É interessante comentar que existe uma publicação da ASME, denominada ASME PCC-1, que discute técnicas especiais, como aperto controlado de parafusos. As usinas de petróleo, gás e energia, além de outras indústrias de proces- sos, estão sob pressão constante para operar suas plantas com limitações má- ximas de projeto e por períodos mais longos. Posto isso, a junta aparafusada é frequentemente considerada o elo fraco no conjunto de pressão da planta. Seja um fl ange de tubo, trocador de calor, radiador ou válvula, a integridade da junta depende não apenas do projeto mecânico do fl ange e de seus componen- tes, mas também de sua condição, manutenção e montagem. Os engenheiros de operação devem se manter atentos aos equipamen- tos para garantir juntas sem vazamentos com períodos de parada reduzi- dos, e aumento do tempo entre as paradas, garantindo, assim, uma ope- ração econômica. Da mesma forma, controles de juntas fl angeadas em outros sistemas de tubulação e distribuição encontrados em instalações industriais, comerciais e residenciais são necessários para manter sua integridade estrutural e estan- queidade. Vários padrões de norma foram escritos para permitir que os proje- tistas projetem juntas parafusadas, e a conformidade com os requisitos dessas normas garante sua integridade mecânica. Porém, para garantir a integridade sem vazamentos, deve adotar-se uma vi- são mais ampla da junta do fl ange aparafusado com o sistema. De forma ideal, um processo que gerencia os principais elementos do sistema de união de componentes deve ser seguido, visando obter a integridade da junta de fl ange. Conexões, juntas e demais acessórios É importante reconhecer que os componentes individuais de fl anges, jun- tas, porcas e parafusos operam juntos, como um único organismo, em uma instalação de tubulações industriais. As empresas que fornecem juntas estão INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 101 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 101 24/04/20 15:00 continuamente respondendo perguntas de clientes que estão preocupados so- bre o vazamento de sua junta atual. Sendo assim, pode-se afirmar que o vaza- mento da junta costuma ser sintoma de um problema mais amplo. Concentrar-se exclusivamente nesse elemento como causa do vazamento não leva em consideração que a junta do flange opera como um sistema e, sendo assim, uma abordagem de sistemas deve ser utilizada para projetá-las e para solucionar problemas de eventuais vazamentos. Na Figura 12, é possível observar algumas juntas utilizadas em uniões de tubulações. Nota-se que essas juntas podem ser poliméricas ou, até mesmo, metálicas. Seus objetivos de aplicação são basicamente a absorção de even- tuais diferenças dimensionais que ocorram durante os processos de fabrica- ção, além das inevitáveis movimentações oriundas de dilatações e contrações, que ocorrem devido às variações de temperatura do ambiente ou ainda dos próprios fluidos. Figura 12. Juntas em tubulações. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Quando um parafuso é apertado, o flange e a gaxeta se comprimem par- cialmente em relação à sua rigidez relativa. À medida que os parafusos sub- sequentes são apertados, a junta é comprimida ainda mais. Assim, conforme cada parafuso adicional é apertado, a compressão na junta tende a reduzir a carga preliminar nos parafusos adjacentes. O efeito de apertar os parafusos separadamente e afetar as cargas nos parafusos adjacentes é chamado de in- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 102 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 102 24/04/20 15:01 teração elástica, ou efeito cruzado. A interação elástica é uma das razões pelas quais uma ampla dispersão nas pré-cargas dos parafusos é encontrada nas juntas flangeadas. O relaxamento da junta de um flange é um dos fatores mais importantes a ser considerado ao projetar/definir recomendações ou solucionar problemas de sistemas de flanges em instalações industriais. Repetidas vezes, os flanges devem ser testados hidrostaticamente para verificar sua conformidade com os requisitos de estanqueidade. CURIOSIDADE O sistema de tubulação Pressfit é um método de união de flanges mecâni- co, inovador, rígido e autorrestritivo para tubos leves de aço inoxidável. É uma junta mecânica para uso em sistemas de tubulação de pequeno diâ- metro. As aplicações típicas incluem tubulações de serviços de constru- ção, água potável, proteção contra incêndio, aquecimento e resfriamento, processos industriais, utilidades industriais e sistemas a vácuo. Esse sistema fornece a restrição mecânica necessária para resistir à pressão e às cargas externas que tentam separar o tubo, fornecendo resistência ao movimento de torção. Após testes hidrostáticos bem-sucedidos, algumas juntas flangeadas po- dem vazar durante a inicialização, o desligamento ou em algum momento du- rante sua vida útil. A verificação da carga real do parafuso pode revelar que a carga residual nos pinos após o teste hidrostático é menor do que a pré-carga original do parafuso obtida durante o aperto. A seleção adequada das juntas é fundamental para o sucesso da obtenção de estanqueidade, a longo prazo, das juntas flangeadas. Devido ao seu amplo uso, as juntas são frequentemente consideradas confiáveis. As demandas da indústria pela redução de vazamentos de flanges, em ambientes com tempe- raturas e pressões crescentes do processo, levaram os fabricantes de juntas a desenvolver uma ampla variedade de tipos de materiais, com novas vedações sendo introduzidas continuamente. Esse ambiente emrápida mudança dificulta e continuará dificultando a se- leção das juntas. É altamente recomendável que o fabricante da vedação seja consultado sobre a seleção adequada de juntas para cada aplicação. Os forne- cedores de juntas estão familiarizados com os códigos e normas da indústria, e INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 103 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 103 24/04/20 15:01 realizam extensos testes em seus produtos para verificar seu desempenho sob uma variedade de condições operacionais. Os detalhes do projeto do flange, o ambiente de serviço e o desempenho operacional orientam o processo de seleção da junta. Assim, tanto o engenhei- ro projetista de tubulações quanto o engenheiro de operações devem identi- ficar o padrão apropriado do flange, o tamanho do contorno, o tipo, a face, a classificação de pressão e os materiais, com base em normas como a ASME B16.5, a NPS 4, entre outras. Imediatamente antes da união, os anéis de aço da junta devem ser cuidado- samente limpos, e a junta de borracha e as superfícies de contato dos anéis de união devem ser lubrificadas. É importante ressaltar que somente lubrifican- tes recomendados pelo fabricante do tubo devem ser utilizados. Depois que as extremidades da junta estiverem adequadamente preparadas e a junta de borracha estiver no lugar correto, as extremidades serão alinhadas para que os acessórios, como válvulas, entrem no alinhamento diretamente. Em seguida, o acessório é empurrado para o vão específico com um mo- vimento contínuo e suave. A posição da junta é, então, verificada da maneira recomendada pelo fabricante do tubo. Em alguns casos, um faixa de tecido é presa ao redor do espaço da junta externa para receber uma argamassa de cimento especial para proteção contra corrosão. Na maioria das situações, é necessário um teste de pressão hidrostática após a montagem da tubulação ser terminada antes do início das operações. Para linhas muito longas, pode ser conveniente testar seções mais curtas à medida que são concluídas, em vez de esperar e testar o projeto inteiro de uma só vez. Esse teste pode verificar a integridade geral do sistema, como as juntas ou blocos de pressão retidos, e a estanqueidade dos acessórios de co- nexão, como válvulas, janelas de acesso e terminais. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 104 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 104 24/04/20 15:01 Sintetizando Nesta unidade, foram apresentados conceitos que irão permitir ao enge- nheiro definir questões relacionadas às disposições e layouts das tubulações durante um processo de projeto de instalações industriais. Para isso, primei- ramente foram discutidas as características relacionadas às disposições gerais de máquinas, equipamentos e traçados de tubos em áreas abertas e fechadas. Em seguida, discutiu-se as variáveis envolvidas nos projetos de arranjos de tubulações, com suas regras gerais de montagem, operações e manutenção em instalações externas e internas. Por fim, foram exploradas as informações sobre os critérios e recomenda- ções a serem utilizados durante a definição dos arranjos no que diz respeito aos acessórios, como suportes, flanges, conexões, juntas e demais acessórios. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 105 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 105 24/04/20 15:01 Referências bibliográficas ASME – THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME B31.8: gas transmission and distribution piping systems. rev. 2016. ASME – THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME B16: valves, flanges, fittings, and gaskets. rev. 2018a. Disponível em: <https:// www.asme.org/wwwasmeorg/media/resourcefiles/events/b16/b16_brochu- re-180323.pdf>. Acesso em: 20 abr. 2020. ASME – THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME B31.3: process piping. rev. 2018b. ASME – THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME PCC-1: guidelines for pressure boundary bolted flange joint assembly. rev. 2019. ELLENBERGER, J. P. Piping systems & pipeline: ASME B31 code simplified. Nova York: McGraw-Hill, 2005. v. 1. NASA. Hypergol leak detection sensor. [s.l.], 18 nov. 2012. Disponível em: <ht- tps://technology.nasa.gov/patent/KSC-TOPS-31>.Acesso em: 29 mar. 2020 NAYYAR, M. L. Piping handbook. 7. ed. Nova York: Mcgraw-Hill, 2000. TELLES, P. C. S. Tubulações industriais: cálculo. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006. TELLES, P. C. S. Tubulações industriais: materiais, projeto, montagem. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005. US ARMY CORPS OF ENGINEERS. Liquid process piping: engineering and de- sign. Washington, DC, 1999. Disponível em: <https://www.publications.usace. army.mil/Portals/76/Publications/EngineerManuals/EM_1110-1-4008.pdf>. Acesso em: 09 abr. 2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 106 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID3.indd 106 24/04/20 15:01 A IMPORTÂNCIA DA GESTÃO AMBIENTAL NA VENTILAÇÃO INDUSTRIAL 4 UNIDADE SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 107 24/04/20 12:22 Objetivo da unidade Tópicos de estudo Compreender questões relativas à construção de dutos de ventilação em instalações de tubulações industriais, assim como aspectos relacionados aos riscos ambientais nesses projetos. Dutos e ventilação: dimensio- namento e aplicações Princípios gerais de ventilação Dispositivos de limpeza do ar Procedimento de concepção do sistema de escape Ventiladores Riscos ambientais devido à atividade industrial: conceito de tecnologia limpa Qualidade do ar interior Pesquisa e inovação x impac- tos ambientais Conceito de produção limpa Gestão ambiental: normas ISO 14000 Dimensões ambientais ABNT NBR ISO 14001 INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 108 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 108 24/04/20 12:22 Dutos e ventilação: dimensionamento e aplicações A importância do ar limpo e não contaminado no ambiente de trabalho in- dustrial é fundamental para o funcionamento dos equipamentos e para quali- dade de vida dos funcionários. A indústria moderna, com sua complexidade de operações e processos, utiliza um grande número de compostos e substâncias químicas, muitos altamente tóxicos. O uso de tais materiais pode resultar em partículas, gases, vapores e névoas no ar da sala de trabalho em concentrações que excedem os níveis de segurança. O estresse térmico também pode ocasio- nar ambientes de trabalho inseguros ou desconfortáveis. A ventilação efi caz e bem projetada oferece uma solução para esses problemas em que a proteção do trabalhador é necessária. A ventilação também pode servir para controlar o odor, a umidade e outras condições ambientais indesejáveis. Os sistemas de ventilação usados em plantas industriais são de dois tipos genéricos. O sistema de suprimento é usado para fornecer ar, geralmente temperado, a um espaço de trabalho. Já o sistema de exaustão é usado para remover os contaminantes gerados por uma operação, a fi m de manter um ambiente de trabalho saudável. Assim, visando evitar a saturação do ar, um programa completo de ventila- ção deve considerar os sistemas de suprimento e de exaustão. Se a quantidade total de ar exaurido de um espaço de trabalho for maior que a quantidade de ar externo fornecida ao espaço, o interior da planta sofrerá uma pressão menor que a pressão atmosférica local. Isso pode ser desejável ao usar um sistema de ventilação por diluição para controlar ou isolar contaminantes em uma área específi ca da planta em geral. Frequentemente, essa condição ocorre simples- mente porque os sistemas de exaustão locais estão instalados e não são consi- derados os sistemas de ar de substituição correspondentes. Logo, o ar entrará na fábrica de maneira descontrolada através de rachaduras, paredes, janelas e portas. Isso normalmente resulta em: • Desconforto dos funcionários nos meses de inverno para aqueles que tra- balham perto do perímetro da planta; • Degradação do desempenho do sistema de exaustão, possivelmente le- vando à perda do controle de contaminantes e um potencial risco à saúde; • Custos mais altos de aquecimento e refrigeração.rot F = = F : D ⊂ ℝ3 → ℝ3 → i → j → k ∂ ∂x ∂ ∂y ∂ ∂z zx x + zy yz ω = ξ = ξ = φ = arctg eδ = INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 109 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 109 24/04/20 12:22 A Figura 1 mostra a saída do sistema de ventilação e exaustão de uma fá- brica para manter a qualidade do ar tanto para a saúde e o bem-estar de seus funcionários quanto como um fator essencial para a eficiência e durabilidade das máquinas. Partículas no ar, como, por exemplo, poeira, podem danificar al- guns equipamentos com o tempo, enquanto outras máquinas podem não fun- cionar em ambientes úmidos. Por esse motivo, as empresas devem considerar um sistema de ventilação industrial para ajudar a aliviar essas preocupações. Figura 1. Duto de ar e sistema de ventilação da fábrica. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Os sistemas de suprimento são usados para dois propósitos: • Criar um ambiente confortável na planta; • Substituir o ar exaurido da planta (o sistema de substituição). Muitas vezes, os sistemas de suprimento e exaustão são acoplados, como nos sistemas de controle de diluição. Um sistema de suprimento bem projetado consistirá em uma seção de entrada de ar, filtros, equipamentos de aquecimen- to ou resfriamento, ventilador, dutos e grades para distribuir o ar no espaço de trabalho. Os filtros, o equipamento de aquecimento ou refrigeração e o ventila- dor são frequentemente combinados em uma unidade completa chamada de aerogerador ou unidade de suprimento de ar. Os sistemas de ventilação de exaustão também são classificados em dois grupos genéricos: • O sistema de exaustão geral; • O sistema de exaustão local. O sistema de exaustão geral pode ser usado para controle de calor ou re- moção de contaminantes gerados em um espaço, cobrindo um determinado INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 110 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 110 24/04/20 12:23 espaço com grande quantidade de ar. Quando usado para controle de calor, o ar pode ser temperado e reciclado. Quando usado para controle de conta- minantes (o sistema de diluição), é necessário misturar ar externo sufi ciente com o contaminante, de modo que a concentração média seja reduzida para um nível seguro. O ar contaminado é então normalmente descarregado na at- mosfera. Um sistema de suprimento geralmente é usado em conjunto com um sistema de exaustão para substituir o ar exaurido. Os sistemas locais de ventilação por exaustão operam com o princípio de capturar um contaminante na sua fonte ou próximo a ela. Esse é o método de controle preferido nas empresas porque é mais efi caz e a menor taxa de va- zão de exaustão resulta em menores custos de aquecimento em comparação com os requisitos gerais de alta vazão. A ênfase atual no controle da poluição do ar reforça a necessidade de dispositivos de limpeza efi cientes em sistemas de ventilação industriais, e as menores taxas de fl uxo do sistema de exaustão local resultam em custos mais baixos para os dispositivos de limpeza de ar. Princípios gerais de ventilação A ventilação é o processo de fornecimento e remoção de ar, por meios na- turais ou mecânicos, para qualquer espaço. É usada para aquecimento, resfria- mento e controle de contaminantes transportados pelo ar que afetam os fun- cionários e o ambiente em geral. A ventilação industrial enfatiza o controle de contaminantes tóxicos ou infl amáveis. Dois princípios básicos da mecânica de fl uidos governam o fl uxo de ar nos sistemas de ventilação industrial. O primeiro é o princípio da conservação de massa e o segundo, o da conservação de energia. Estas são essencialmente leis físicas que afi rmam que toda a massa e toda a energia devem ser completa- mente transformadas. Uma análise na mecânica dos fl uidos, apesar de não ser o foco principal dessa disciplina, mostra a importância de saber quais premissas simplifi cadoras estão incluídas nos seguintes princípios: • Os efeitos da transferência de calor são desconsiderados. Se a tempera- tura dentro do duto for signifi cativamente diferente daquela do ar ao redor do duto, ocorrerá transferência de calor. Isso levará a mudanças na temperatura do ar do duto e, portanto, na vazão volumétrica; INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 111 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 111 24/04/20 12:23 • Os efeitos da compressibilidade são desconsiderados. Se a queda geral de pressão desde o início do sistema até o ventilador for maior, a densidade do fluido mudará; • O ar é considerado seco. O vapor de água na corrente de ar diminuirá a densidade do ar e a correção para esse efeito, se houver, deve ser feita; • O peso e o volume do contaminante na corrente de ar são desconsiderados. Isso é permitido para as concentrações de contaminantes em sistemas de ventilação de exaustão típicos. Para altas concentrações de sólidos ou quantidades significati- vas de gases que não sejam o ar, as correções para esse efeito devem ser incluídas. A Figura 2 mostra um sistema de duto para extração de partículas e condi- cionamento de ar em uma instalação industrial. Para definição desse conjunto, o engenheiro deve considerar que a conservação da massa requer que a variação líquida da taxa de fluxo de massa seja zero. Se os efeitos discutidos anteriormente forem desprezíveis, a densidade será constante e a variação líquida da vazão volu- métrica deverá ser zero. Portanto, a vazão que entra no exaustor deve ser consi- derada a mesma que passa por todo o duto e que sai pela chaminé de exaustão. Figura 2. Dutos de ar em uma instalação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Os princípios gerais de ventilação industrial são temas amplos que se refe- rem ao suprimento e exaustão de ar em relação a uma área, sala ou edifício. Eles podem ser divididos, ainda, em funções específicas, como: Ventilação por diluição Esse princípio prevê a diluição do ar contaminado em ar não contaminado com o objetivo de controlar riscos potenciais à saúde dos funcionários, reduzindo o INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 112 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 112 24/04/20 12:24 risco de incêndio e explosões, além de amenizar odores incômodos. A ventilação por diluição também pode incluir o controle de contaminantes transportados pelo ar (vapores, gases e partículas) gerados nos barracões pelas máquinas e equipa- mentos envolvidos no processamento industrial. A ventilação por diluição não é tão satisfatória para o controle de riscos à saúde quanto a ventilação de exaustão local. Porém, podem ser encontradas circunstâncias nas quais a ventilação por diluição fornece uma quantidade adequada de controle mais economicamente viável do que um sistema de exaustão local. Deve-se ter cuidado, no entanto, para não basear as considerações econômicas inteiramente no primeiro custo do siste- ma, pois a ventilação por diluição frequentemente esgota grandes quantidades de calor de um edifício, o que pode aumentar muito o custo de energia da operação. O uso da ventilação por diluição para a saúde tem três fatores limitantes: • A quantidade de contaminante gerado, que não deve ser muito alta, sob risco de vazão do ar necessário para a diluição ser impraticável; • Os trabalhadores devem estar suficientemente afastados da fonte de con- taminantes ou o contaminante deve estar em concentrações suficientemente baixas para que os trabalhadores não tenham uma exposição além do aceitável; • A toxicidade do contaminante deve ser baixa. A ventilação por diluição é usada com mais frequência para controlar os va- pores de líquidos orgânicos com saturação de 100 ppm (partículas por mil pés cúbicos de ar) ou superior. Para aplicar com sucesso os princípios de diluição, são necessários dados históricos sobre a taxa de geração de vapor ou a taxa de evaporação do líquido. Geralmente, esses dados podem ser obtidos na fábrica – se for mantido qualquer tipo de registro adequado sobre o consumo de material. Ventilação com controle de calor Essa função preconizao controle das condições atmosféricas internas as- sociadas a ambientes industriais quentes, como as encontradas em fundições, lavanderias, padarias, entre outras instalações, com o objetivo de evitar des- conforto ou queimaduras. A ventilação para controle de calor tem como principal função do sistema de ventilação evitar o desconforto agudo, a doença induzida pelo calor e os possíveis ferimentos daqueles que trabalham ou geralmente ocupam um am- biente industrial quente. Doenças ocupacionais induzidas pelo calor, lesões ou produtividade reduzida podem ocorrer em situações em que a carga total de INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 113 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 113 24/04/20 12:24 calor excede as defesas do corpo, resultando em uma situação de estresse por calor. Conclui-se, portanto, que um sistema de ventilação com controle de calor ou outro método de controle de engenharia deve seguir uma avaliação fi- siológica em termos de estresse térmico potencial para o funcionário que atua em postos de trabalho de um ambiente industrial quente, o que ultrapassa a fronteira de responsabilidade do engenheiro e deve envolver representantes da equipe de saúde ocupacional da empresa. O desenvolvimento de um sistema de ventilação para um ambiente indus- trial quente geralmente inclui o controle da vazão do ar de ventilação, velo- cidade, temperatura, umidade e trajeto do fluxo de ar através do espaço em questão. Isso pode exigir a inclusão de certas fases do projeto de engenharia de ar-condicionado mecânico. CURIOSIDADE A evaporação da água (suor) ou outros líquidos da superfície da pele ou da roupa resulta em perda de calor do corpo. A perda de calor por evaporação para seres humanos é uma função do fluxo de ar sobre as superfícies da pele e da roupa: o gradiente de pressão parcial do vapor de água entre a superfície da pele e o ar circundante, a área da qual a água ou outros líquidos estão evapo- rando e os coeficientes de transferência de massa em suas superfícies. Em certas indústrias que trabalham em altas temperaturas, como nas side- rúrgicas, é impraticável controlar o calor do processo. Se a operação for tal que o controle remoto seja possível, uma cabine ou cabine com ar-condicionado pode ser utilizada para manter os operadores razoavelmente confortáveis em uma atmosfera intolerável. Se a fonte de calor for uma superfície que origina convecção, o isolamento na superfície reduzirá essa forma de transferência de calor. O isolamento por si só, no entanto, normalmente não será suficiente se a temperatura for muito alta ou se o conteúdo de calor for alto. O projeto de coberturas para processos quentes requer considerações dife- rentes das de processos a frio. Quando quantidades significativas de calor são transferidas para o ar acima e ao redor do processo por condução e convecção, é criado um fluxo térmico que causa uma corrente de ar ascendente. O projeto de coberturas e a taxa de exaustão devem levar em consideração esse fluxo térmico. O estresse térmico é definido por medições ambientais da temperatura do INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 114 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 114 24/04/20 12:24 ar, umidade, taxa de fl uxo de ar, nível de troca de calor radiante e avaliação da taxa de produção de calor metabólico de uma pessoa a partir de exercícios ou trabalho. O estresse térmico é a carga na termorregulação. A tensão de calor é defi nida como o custo para cada pessoa que enfrenta exposição ao calor. Ainda que todas as pessoas que trabalhem com a mesma intensidade no ambiente enfrentem o mesmo nível de estresse térmico, cada uma está sujeita a um nível único de tensão térmica. Quase todas as exposições térmi- cas ambientais serão confortáveis e seguras para alguns, mas perigosas e até letais para outros. Assim, há segurança, conforto e produtividade aprimora- dos quando os que trabalham no calor: • Em geral, têm boas condições físicas e não são obesos, são climatizados e têm experiência no trabalho de estresse térmico. Eles também precisam saber como selecionar roupas e manter os níveis de hidratação e eletrólitos no corpo inteiro para proporcionar maior conforto e segurança; • Trabalham em áreas bem ventiladas e protegidas contra fontes de calor radiante por infravermelho; • Têm conhecimento sobre os efeitos de seus medicamentos na função vas- cular cardiovascular e periférica, controle da pressão arterial, manutenção da temperatura corporal, atividade das glândulas sudoríparas, efeitos metabóli- cos e níveis de atenção ou consciência; • São supervisionados adequadamente quando há histórico de abuso ou recuperação por abuso de álcool ou outros intoxicantes; • Recebem instruções verbais e escritas precisas, programas de treinamen- to frequentes e outras informações sobre estresse e tensão de calor; • São capazes de reconhecer os sinais e sintomas de estresse térmico em si mesmos e em outras pessoas, além de conhecer adequadamente as etapas efi cazes para sua correção. Dispositivos de limpeza do ar Os dispositivos de limpeza removem os contaminantes de uma corrente de ar ou gás. Eles estão disponíveis em uma ampla variedade de modelos para atender às variações nos requisitos de limpeza do ar. O grau de remoção neces- sário, a quantidade e as características do contaminante a ser removido, bem INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 115 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 115 24/04/20 12:24 como as condições da corrente de ar ou gás terão influência sobre o dispositivo selecionado para qualquer aplicação. Além disso, a segurança contra incêndio e o controle de explosão devem ser considerados em todas as seleções. Para contaminantes em partículas, os dispositivos de limpeza do ar são divididos em dois grupos básicos: filtros de ar e coletores de pó. Os filtros de ar são projetados para remover baixas concentrações de poeira da magnitude encontrada no ar at- mosférico. Eles são tipicamente localizados em sistemas de ventilação, ar-condicio- nado e aquecimento, onde as concentrações de poeira raramente excedem um grão por mil pés cúbicos de ar e geralmente ficam bem abaixo de 0,1 grão por mil pés cúbicos de ar (uma concentração típica de poeira atmosférica em uma área urbana é de 87 microgramas por metro cúbico ou 0,038 grãos por mil pés cúbicos de ar). Os coletores de poeira geralmente são projetados para cargas muito mais pe- sadas de processos industriais nos quais o ar ou o gás a ser limpo se origina nos sistemas de exaustão locais ou nos efluentes de gases oriundos dos processos de fabricação. As concentrações de contaminantes podem variar de menos de 0,1 a 100 grãos ou mais para cada pé cúbico de ar ou gás. Portanto, os coletores de pó devem ser capazes de tratar concentrações de 100 a 20000 vezes maiores do que aquelas para as quais os filtros de ar são projetados. Estão disponíveis versões pequenas e baratas de todas as categorias de dis- positivos de limpeza do ar. Os princípios de seleção, aplicação e operação são os mesmos dos equipamentos maiores. No entanto, devido à estrutura do mer- cado que se concentra em equipamentos pequenos, rapidamente disponíveis e baratos, muitos dos equipamentos são de projeto e construção leves. Uma das principais economias de coletores de unidades implica em recirculação, para a qual o preceito de tais equipamentos pode não ser adequado. Para prevenção adequada de riscos à saúde, incêndios e explosões, a engenharia de aplicação é tão essencial para os coletores de unidades quanto para os principais sistemas. Os quatro principais tipos de coletores de pó para contaminantes de partículas são os precipitadores eletrostáticos, os coletores de tecido, os coletores úmi- dos e os coletores centrífugos secos. Na Figura 3, podemos observar a operação de troca de filtro de ar de um sistema de ventilação em uma instalação industrial. Trata-se de um filtro do tipo que coleta as impurezas pelo princípio de precipita- ção eletrostática.Nesse tipo de filtro coletor, um campo elétrico de alto potencial é estabelecido entre a descarga e a coleta de eletrodos de carga elétrica oposta. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 116 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 116 24/04/20 12:24 O eletrodo de descarga é de pequena área de seção transversal, como um fio ou um pedaço de material plano, e o eletrodo de coleta é grande na área de superfí- cie, como uma placa. Assim, o gás a ser limpo passa por um filtro elétrico que se desenvolve entre os eletrodos. Em uma tensão crítica, as moléculas de gás são separadas em íons positivos e negativos. Isso é chamado de ionização e ocorre na superfície do eletrodo de descarga. Os íons com a mesma polaridade do eletrodo de descarga se ligam a partículas neutras na corrente de gás à medida que fluem no precipitador. Carregadas, elas são então atraídas para uma placa coletora de polaridade oposta. Ao entrar em contato com a superfície de coleta, as partículas de poeira perdem sua carga e podem ser facilmente removidas por lavagem, vi- bração ou gravidade. Figura 3. Limpeza de um sistema de ventilação industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. O segundo tipo de coletores são os de tecido. Eles removem partículas por tensão, impacto, interceptação, difusão e carga eletrostática. O tecido pode ser construído de qualquer material fibroso, natural ou feito pelo homem, po- dendo ser fiado em um fio e tecido ou feltrado. Os tecidos são identificados por contagem de linhas e peso de tecido por unidade de área. Os não tecidos (feltros) são identificados pela espessura e peso por unidade de área. Inde- pendentemente da construção, o tecido representa uma massa porosa através da qual o gás é passado de forma unidirecional, de modo que as partículas de poeira são retidas no lado sujo e o gás limpo passa. O terceiro tipo são coletores úmidos ou lavadores, que estão disponíveis INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 117 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 117 24/04/20 12:26 comercialmente em diversos modelos. É geralmente aceito que, para equipa- mentos bem projetados, a eficiência depende da energia utilizada no contato do ar com a água e é independente do princípio de operação. A eficiência é uma função da entrada total de energia fornecida ao ar ou à água. Isso significa que coletores bem projetados por diferentes fabricantes fornecerão eficiência semelhante se a energia equivalente for utilizada. Os coletores úmidos têm a capacidade de lidar com gases carregados de alta temperatura e umidade. A coleta de poeira em forma úmida minimiza um problema secundário de poeira no descarte do material coletado. Algumas poeiras representam riscos de ex- plosão ou incêndio quando secas. A coleta úmida minimiza o risco, no entanto, o uso da água pode introduzir condições corrosivas no coletor e a proteção contra congelamento pode ser necessária se os coletores estiverem localiza- dos ao ar livre em climas frios. As perdas de pressão e a eficiência da coleta variam amplamente para diferentes projetos. Os coletores úmidos, como o ilustrado na Figura 4, especialmente os de alta energia, são frequentemente a solução para os problemas de poluição do ar. Deve-se reconhecer que o descarte do material coletado na água sem esclare- cimento ou tratamento pode criar problemas de poluição da água. Figura 4. Purificação de gás com impurezas com coletor úmido. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 118 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 118 24/04/20 12:32 O quarto tipo de coletor são os centrífugos secos, que separam as partícu- las arrastadas de uma corrente de ar pelo uso ou combinação de força centrífu- ga, inercial e gravitacional. A efi ciência da coleção é infl uenciada pelo tamanho, peso e forma das partículas. Outros fatores que infl uenciam a coleta de poeira são o tamanho e design do coletor, a velocidade e a concentração de poeira. Geralmente, o desempenho de um coletor mecânico aumenta à medida que a concentração de poeira aumenta. O equipamento de fi ltragem de ar está disponível em uma ampla variedade de modelos e capacidades. O desempenho varia de um simples fi ltro descartável para o forno doméstico à “sala limpa” na indústria de eletrônicos, onde o ar deve ser mil vezes mais limpo do que em uma sala cirúrgica de hospital. A seleção é baseada na efi ciência, capacidade de retenção de poeira e queda de pressão. Procedimento de concepção do sistema de escape O sistema de dutos que conecta os exaustores, os dispositivos de limpeza do ar e o ventilador devem ser projetados adequadamente. Esse processo é muito mais complexo do que simplesmente conectar pedaços de duto, como alguns leigos podem imaginar. Se o sistema não for cuidadosamente projetado de uma maneira que garanta que as taxas de fl uxo do projeto sejam realizadas, o contro- le de contaminantes pode não ser alcançado. Os resultados do procedimento de projeto devem determinar os tamanhos dos dutos, a espessura do material e o ponto de operação do ventilador (taxa de fl uxo do sistema e pressão necessária) exigidos pelo sistema. O passo inicial para conceber um sistema de escape é coordenar os esforços de projeto de forma integrada, promovendo um ambiente de engenharia simul- tânea que conte com a colaboração de todo o pessoal envolvido ao longo do ciclo de vida desse sistema, desde o operador do equipamento ou processo, passan- do pelo pessoal de manutenção, saúde, segurança, incêndio e meio ambiente, até os desenvolvedores e fornecedores. O engenheiro projetista dessa parte da instalação industrial deve ter, no mínimo, os seguintes dados disponíveis no iní- cio dos cálculos do projeto: • Um layout das operações, sala de trabalho, planta edifício, entre outros am- bientes. O local disponível para o dispositivo de limpeza de ar e ventilador deve INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 119 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 119 24/04/20 12:32 ser determinado. Um aspecto importante que deve ser considerado neste mo- mento é localizar o ponto de exaustão do sistema (onde o ar sai) para que o ar descarregado não entre novamente no espaço de trabalho, seja por aberturas no perímetro do edifício ou por entradas de unidades de troca ar; • Um esboço de linha do layout do sistema de dutos, incluindo as dimensões da planta e da elevação, localização do ventilador, localização do dispositivo de limpeza do ar, entre outros acessórios. Número, letra ou codificação para cada ramo e seção do duto principal e ramificações. Costuma-se usar tarjas nume- radas e outros pontos com códigos, localizando o ventilador próximo a peças de equipamento com grandes emissões de ar sujo ou gás a ser removido. Isso facilitará o equilíbrio e poderá resultar em custos operacionais mais baixos. Os dutos flexíveis são suscetíveis à flacidez e flexão, o que aumenta as perdas de pressão estática. Normalmente, essas perdas adicionais de pressão do sistema não podem ser previstas com precisão. Use dutos rígidos sempre que possível e mantenha os comprimentos de dutos flexíveis o mais curto possível; • O desenho com o detalhamento das dimensões e pontos de fixação do exaustor desejado para cada operação com direção e elevação da saída para conexão do duto; • Informações sobre os detalhes das operações, especificamente toxicidade, ergonomia, características físicas e químicas, vazão requerida, velocidade míni- ma exigida do duto, perdas de entrada e velocidades exigidas de captura. Todos os sistemas de exaustão são compostos de coberturas, segmentos de dutos e acessórios especiais. Trata-se de um sistema complexo com um arranjo de vários sistemas simples de exaustão conectados a um duto comum. Existem duas classes gerais de projetos de sistemas de dutos: sistemas de seção decres- cente e sistemas plenos. O duto em um sistema de seção decrescente, também chamada de “cônico”, aumenta gradualmente à medida que fluxos adicionais são mesclados,mantendo assim as velocidades do duto quase constantes. Se o sis- tema transportar partículas (poeira, névoa ou vapores condensáveis), o sistema de seção decrescente manterá a velocidade mínima necessária para impedir a sedimentação. O duto em um sistema de pleno é geralmente maior que o de um sistema cônico, e a velocidade nele é geralmente baixa. Qualquer particulado na corrente de ar pode se depositar nos dutos grandes. Independentemente de qual sistema é usado, o procedimento de projeto mantém as mesmas indicações. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 120 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 120 24/04/20 12:32 Na Figura 5, podemos observar instalações industriais que utilizam sistemas de ventilação de seção decrescente. É possível notar que o diâmetro da tubula- ção é escalonado após algumas séries de pontos de captação de ar. Figura 5. Tubos de ventilação de seção decrescente. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020 Ventiladores Como um sistema de exaustão é, na verdade, um conjunto de vários siste- mas menores conectados a um duto principal comum, é necessário projetar um sistema de várias coberturas. Em um sistema de múltiplas ramifi cações, no entanto, é preciso fornecer um meio de distribuir o fl uxo de ar entre os ramos, seja por um projeto equilibrado ou pelo uso de portas de explosão com venti- lação forçada. O ar sempre seguirá o caminho de menor resistência, logo, um equilíbrio natural em cada junção ocorrerá e a vazão do escapamento se distri- buirá automaticamente de acordo com as perdas de pressão dos caminhos de vazão disponíveis. O engenheiro deve fornecer uma distribuição tal que o fl uxo de ar do projeto em cada exaustor nunca fi que abaixo dos mínimos listados e, para isso, é indicado o uso de ventiladores, garantindo, assim, que todos os caminhos de fl uxo dos dutos que entram em uma junção tenha pressão sufi - ciente para manter a circulação do sistema. Existem duas maneiras de garantir um fl uxo de pressão adequado em um sistema de dutos de ventilação de uma instalação industrial. A primeira é pro- porcionando a obtenção do fl uxo de ar desejado com uso de portas de saídas. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 121 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 121 24/04/20 12:33 Neste caso, o método frequentemente chamado de equilíbrio de pressão estática. Nesse tipo de projeto, o cálculo geralmente começa no exaustor mais distante do ventilador e prossegue, segmento por segmento, até chegar ao ventilador. Em cada junção, a pressão estática necessária para alcançar o fluxo desejado em uma corrente deve ser igual à pressão estática na corrente de ar de junção. As pressões estáticas são equilibradas pela escolha adequada de tamanhos de dutos, raios de cotovelo, entre outros. A segunda maneira mais comum de garantir um fluxo contínuo nos dutos é usando o método da porta de saída em expansão. Essa proposta de projeto depende do uso de portas que devem ser ajustadas após a instalação para atingir o fluxo desejado em cada exaustor. Em cada junção, as taxas de fluxo de dois dutos de união são alcançadas pelo ajuste da porta, o que resulta no equilíbrio de pressão estática desejado. É uma prática comum projetar sistemas com a premissa de que apenas uma fração do número total de coberturas será usada por vez e o fluxo para os galhos não utilizados será interrompido com amortecedores. Para projetos de sistemas com seção decrescente (em que o particulado é transportado), essa prática pode levar à obstrução do duto principal devido ao particulado assentado. Os cálculos do sistema de escape são baseados na pressão estática, isto é, todas as pressões estáticas do exaustor e as pressões de equilíbrio ou de controle nas junções do duto são fornecidas como pressões estáticas que po- dem ser medidas diretamente. Para mover o ar em um sistema de ventilação ou exaustão, é necessário energia para superar as perdas do sistema. Essa energia pode estar na forma de convecção natural ou forçada. A maioria dos sistemas exige algum dispositivo móvel de movimentação de ar, como um ventilador ou um ejetor. Para isso, o engenheiro deve buscar diretrizes para a seleção desse dispositivo de movimentação de ar para uma deter- minada situação e discutir a instalação adequada do ventilador no sistema para alcançar o desempenho desejado. A seleção de um dispositivo de movimentação de ar pode ser uma tarefa complexa, e o engenhei- ro deve tirar proveito de todas as informações disponíveis de associações comerciais aplicáveis e de fabricantes individuais. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 122 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 122 24/04/20 12:33 Os ventiladores podem ser divididos em três grupos básicos: tipos axial, centrífugo e especial. Como regra geral, ventiladores axiais são usados para taxas de fluxo mais altas em resistências mais baixas; já ventiladores centrífu- gos são usados para taxas de fluxo mais baixas em resistências mais altas. Na Figura 6, pode-se analisar um exemplo de ventilador axial de uso in- dustrial. Também chamado de vaneaxial, ele tem configuração de hélice com um cubo e pás de aerofólio montadas em caixas cilíndricas que normalmente incorporam palhetas retificadoras no lado de descarga. Os ventiladores va- neaxiais são mais eficientes e, geralmente, desenvolvem pressões mais altas. Figura 6. Ventilador axial industrial. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020 O outro grupo de ventiladores são os centrífugos. Esses ventiladores têm três configurações básicas de impulsores: curvado para frente, radial e curvado para trás. Os curvados para frente (chamados de gaiolas de esquilo) apresentam pás que se curvam na direção da rotação. Esses ventiladores apresentam baixos re- quisitos de espaço, baixas velocidades de ponta e são silenciosos em operação. Eles geralmente são usados contra pressões estáticas baixas a moderadas, como as encontradas no trabalho de aquecimento, ar-condicionado e nos sistemas de ar de substituição. Este tipo de ventilador não é recomendado para poeira ou partículas que aderem às pás curvas curtas e causar desequilíbrio. Veja, na Figura 7, um exemplo de ventilador centrífugo. Além de impul- sionadores curvados para frente, eles podem utilizar impulsores radiais, que possuem pás retas e cujas caixas são projetadas com suas entradas e saídas INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 123 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 123 24/04/20 12:33 dimensionadas para produzir velocidades de transporte de material. Esses ventiladores geralmente têm velocidades médias nas pontas e são usados para uma variedade de sistemas de exaustão que lidam com ar limpo ou sujo. Figura 7. Ventilador centrífugo. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Já as pás do ventilador de rotor com inclinação para trás são inclinadas de forma oposta ao sentido de rotação do ventilador. Esse tipo de pá possui velo- cidades de ponta mais altas, fornece alta eficiência ao ventilador e níveis de ruí- do relativamente baixos, com características de potência sem sobrecarga. Em um ventilador sem sobrecarga, a potência máxima ocorre perto do ponto ope- racional ideal, portanto, qualquer variação desse ponto devido a uma alteração na resistência do sistema resultará em uma redução na potência operacional. Porém, seja qual for o modelo de ventilador de exaustão a ser usado, ele deve ser instalado fora do prédio que o utiliza. Ainda, outra recomendação é que ele seja posicionado após o equipamento de controle de poluição do ar para proteger as pás do ventilador do fluxo de ar contaminado. Além disso, é muito importante que seja previsto acesso para manutenção a todos os venti- ladores, incluindo escadas e grades de proteção, quando necessário. Por fim, o engenheiro de instalações industriais deve ter em mente que o ar de substituição é tão importante quanto o ar de exaustão no controle de conta- minantes do processo industrial. O ar de substituição projetado adequadamen- te com uso de ventiladores,quando necessário, assegura que os exaustores te- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 124 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 124 24/04/20 12:37 nham ar sufi ciente para operar adequadamente, ajuda a eliminar correntes de ar através das janelas e portas, elimina as correntes de ar frio nos trabalhadores e a pressão diferencial excessiva nas portas e nos espaços adjacentes. CURIOSIDADE Os cientistas do Centro Espacial Marshall da NASA projetaram um sistema de exaustão para ventilar e equilibrar o fl uxo em compartimentos fechados de foguetes, o que é fundamental para a NASA. O projeto é útil para qual- quer dispositivo que precise de uma válvula de purga unidirecional, balan- ceamento de fl uxo entre compartimentos ou uma ventilação geral em que a entrada reversa de chuva e gás não deve ocorrer. O sistema também concentra energia acústica gerada em um cone para frente e direcionar o ruído para longe de certas áreas, como plataformas de trabalho. Riscos ambientais devido à atividade industrial: concei- to de tecnologia limpa A ecosfera é um sistema fechado com recursos limitados de energia e matérias-primas e com capacidade limitada para acumular ou assimilar os poluentes. Portanto, a exploração descontrolada de água, ar e recursos pode levar à degradação irreversível e até mesmo uma catástrofe global. Substân- cias tóxicas como produtos químicos orgânicos, metais pesados, contaminan- tes radioativos e biológicos requerem políticas sistemáticas e de longo prazo que restringem processos de produção mais prejudiciais e induzem alterna- tivas mais seguras. A maneira de pensar sobre esses problemas que cruzam as fronteiras geográfi cas está mudando rapidamente em busca de soluções locais e alternativas globais para resolver os problemas de impactos ambien- tais. As questões sociais, ou seja, saúde, conforto de vida e emprego, também devem ser levadas em consideração. Essa foi a razão pela qual os formula- dores de políticas e partes interessadas aceitaram recentemente o ponto de vista global e a necessidade de uma séria descoberta de políticas ambientais locais e globais. Existem várias defi nições de produção mais limpa, mas, de modo geral, ela pode ser entendida como uma abordagem conceitual e processual da produ- ção que exige que todas as fases do ciclo de vida de um produto ou processo INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 125 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 125 24/04/20 12:37 sejam abordadas com o objetivo de prevenção ou minimização de riscos de curto e longo prazo para o ser humano e o meio ambiente. O desenvolvimento sustentável é uma abordagem efi caz para entender as melhores maneiras de promover o desenvolvimento de uma mudança de paradigma em direção a organizações e produtos sustentáveis de produção e serviço. Trata-se de uma abordagem preventiva, que prevê um processo contínuo que envolve fatores técnicos, atitudinais, motivacionais e outros, essenciais para que as empresas melhorem o desempenho ambiental de seus ciclos de produção. O desenvolvimento sustentável é baseado em semelhanças entre sistemas biológicos e industriais, como ecossistema, metabolismo e simbiose industrial. Existem muitos conceitos de estratégias preventivas, incluindo ecologia indus- trial, gerenciamento ecologicamente consciente, análise do ciclo de vida e proje- to para o meio ambiente, desmaterialização e projeto para longevidade efi ciente. A chamada ecologia industrial se concentra amplamente nos fl uxos físicos de substâncias e nos processos de transformação física. O metabolismo industrial pode ser defi nido como toda a coleção integrada de processos físicos que con- vertem matérias-primas e energia, além de mão de obra, em produtos acabados e resíduos sob uma condição mais ou menos estável. Dessa forma, o consumo de energia e materiais pode ser otimizado quando os efl uentes de um proces- so conseguirem ser usados como matéria-prima para outro processo. Assim, a ecologia industrial vai além da produção interna de uma empresa, identifi cando de maneira ideal o gerenciamento ambiental como orientado ao sistema, abran- gendo um período mais longo e todo o sistema de fabricação, além de envolver a redução de desperdícios, a reutilização de subpro- dutos industriais e a escolha de materiais mais seguros. Qualidade do ar interior O ar limpo é um requisito básico da vida. A qualidade do ar em residências, escritórios, escolas, creches, prédios públicos, unidades de saúde ou ambien- tes industriais onde as pessoas passam grande parte do tempo é um determi- nante essencial de uma vida saudável e do bem-estar das pessoas. Substâncias perigosas emitidas de prédios, materiais de construção e equipamentos inter- nos ou devido a atividades humanas em ambientes fechados, como combus- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 126 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 126 24/04/20 12:37 tão de combustíveis para siderúrgicas ou equipamentos como caldeiras, levam a uma ampla gama de problemas de saúde e podem até ser fatais. A exposição interna a poluentes atmosféricos causa danos muito significativos à saúde em todo o mundo, especialmente nos países em desenvolvimento. Os produtos químicos podem ser poluentes comuns do ar interno em todas as regiões do mundo. Apesar disso, a conscientização da saúde pública sobre a poluição do ar interior ficou para trás em relação à poluição do ar externo. A atual série de diretrizes para a qualidade do ar interno se concentra, espe- cificamente, neste problema. A compreensão dos riscos dessas substâncias é o primeiro passo para identificar as ações necessárias para evitar e reduzir os impactos adversos desses poluentes na saúde. Se essas diretrizes forem sen- satamente aplicadas como parte do desenvolvimento de políticas, a exposição interna a poluentes atmosféricos deve diminuir e uma redução significativa nos efeitos adversos à saúde deve ocorrer. A Organização Mundial da Saúde (OMS) tem uma longa tradição em sintetizar as evidências sobre aspectos de saúde da qualidade do ar e em preparar diretrizes de qualidade do ar que defi- nem as condições para um ar saudável. Os seres humanos precisam de um suprimento regular de comida e água, além de um suprimento essencialmente contínuo de ar. Os requisitos para ar e água são relativamente constantes (10 a 20 m3 e um a dois litros por dia, respectivamente). Ter acesso livre a ar e água de qualidade aceitável é um direito humano fundamental. As diretrizes de qualidade do ar da OMS desempenharam um papel importante no fornecimento de informações e orientações para as autoridades reguladoras que trabalham no campo da poluição do ar. O objetivo principal dessas diretrizes é fornecer uma base uniforme para a proteção da saúde pública contra efeitos adversos da expo- sição interna à poluição do ar e eliminar ou reduzir ao máximo a exposição aos poluentes conhecidos ou com probabilidade de serem perigosos. Elas têm o caráter de recomen- dações; não se pretende ou advoga que sejam adotados como padrões. No entanto, os países e as empresas podem transformar as diretri- zes recomendadas em padrões obrigatórios a serem aplicáveis. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 127 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 127 24/04/20 12:37 Para caracterizar corretamente a qualidade da exposição a poluentes do ar, devem ser consideradas as emissões de várias fontes, incluindo materiais de construção, eletrodomésticos de vários tipos e produtos de consumo. Quanto à duração da exposição, o tempo que a população dos países industrializados gasta ao ar livre e em ambientes fechados teria que ser levado em consideração. Apesar de o ambiente interno variar de um país para outro devido a diferen- ças nos hábitos de construção, condições climáticas e estilo de vida, as socieda- des industrializadas tendem a enfrentar um número crescente de problemas semelhantes na qualidade do ar interno. Os problemas ambientais internos têm cinco causas comuns e mais deuma pode estar ativa a qualquer momento: • Ambiente inadequadamente limpo ou mantido; • Ventilação insuficiente; • Poluentes emitidos por fontes e atividades dentro do edifício; • Contaminação por fontes externas; • Contaminação biológica devido à falta de controle de umidade. Esses fatores podem se intensificar ou aumentar o estresse que os ocupantes sofrem com temperatura, umidade ou iluminação inadequadas ou com excesso de ruído. A exposição à poluição em ambientes fechados também contribui para o estresse com alta densidade de ocupantes, insatisfação no trabalho, falta de pri- vacidade pessoal e controle sobre o meio ambiente. O ambiente com manutenção inadequada é consequência da falta de atenção às diferentes emissões e subprodu- tos das atividades em ambientes fechados e à necessidade de pedidos constantes. A falta de ventilação às vezes é resultado de filtros de ar sujos que precisam de limpeza ou substituição periódica. As emissões de produtos de equipamen- tos industriais, fumaça ou de vapor sempre precisam ser removidas. CURIOSIDADE O monóxido de carbono (CO) é um gás incolor, inodoro e insípido. É um produto da combustão incompleta de materiais que contêm carbono. O CO é um dos poluentes do ar mais comuns, gerado em ambientes fechados por aparelhos de combustão não ventilados, principalmente se forem ope- rados em salas com pouca ventilação. A exposição humana ao CO pode gerar intoxicações fatais devido à afinidade do gás com a hemoglobina contida nos glóbulos vermelhos do sangue, que forma, com certa facilida- de, carboxihemoglobina (COHb). INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 128 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 128 24/04/20 12:37 Pesquisa e inovação x impactos ambientais Os impactos ambientais negativos da pesquisa e inovação geraram uma série de lógicas e políticas sustentáveis que estão apoiadas no chamado tripé da sus- tentabilidade, que busca o equilíbrio das questões econômicas, ambientais e so- ciais ao longo dos processos de tomada de decisão. A pesquisa e inovação devem, então, incorporar as dimensões dos impactos econômicos, sociais e ambientais. Em resposta às falhas, a política se esforça para garantir que seus resultados e im- pactos contribuam para, pelo menos, não impedir a sustentabilidade a longo pra- zo. Os impactos ambientais não devem ser considerados externos, mas, sim, tra- tados como problemas que, propositada e sistematicamente, devem ser evitados. A implementação de políticas de pesquisa, desenvolvimento e inovação não ocorre isoladamente. Existem muitos fatores e mecanismos que determi- nam os resultados e os impactos mais amplos da intervenção política. Esses fatores podem ativar ou difi cultar os efeitos pretendidos e não intencionais da política. Os determinantes da política de pesquisa e inovação e dos impactos ambientais devem ser estudados de maneira integrada, levando em considera- ção várias dimensões, áreas envolvidas nas mais diversas formas de produção e horizontes temporais relevantes. Os resultados e os impactos mais amplos das políticas apresentam diferen- tes extensões e dependem de fatores internos e externos. Os resultados são os efeitos mais controláveis de uma intervenção, pois dependem em grande parte da capacidade interna, como a competência da equipe de engenheiros envolvidos nas pesquisas, o acesso e possibilidade de intervenções nos equi- pamentos e o bom gerenciamento. Os resultados e os impactos mais amplos da intervenção na pesquisa e na inovação, com pensamentos nos impactos ambientais, dependem do prazo e da repetibilidade de ações. Em geral, quanto mais afastados dos resultados imediatos, mais for- te é a interdependência do que se pretende que seja o resultado de uma intervenção com os determi- nantes externos. Como o que é externo, por de- fi nição, não é totalmente controlável, o grau de risco ou incerteza é sempre maior e a necessida- de de ações de longo prazo se justifi ca ainda mais. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 129 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 129 24/04/20 12:37 As mudanças nas condições ambientais levam a impactos nas funções so- ciais e econômicas do meio ambiente, como o fornecimento de condições ade- quadas para saúde, disponibilidade de recursos e biodiversidade. Os impactos geralmente ocorrem em uma sequência, por exemplo: as emissões de poluen- tes causam aquecimento global (efeito primário), o que causa um aumento de temperatura (efeito secundário), levando a um aumento do nível do mar (efeito terciário), levando, fi nalmente, à perda de biodiversidade. Conceito de produção limpa Os processos que produzem resíduos reduzem a lucratividade. Programas de prevenção de poluição, minimização de resíduos e produção mais limpa pode diminuir a geração de resíduos e a taxa interna de retorno. A abordagem tradicional de projetos de instalações industriais costuma projetar primeiro o processo e depois, o tratamento e a disposição dos fl uxos de resíduos. No entanto, com o aumento das pressões regulatórias e sociais para eliminar as emissões para o meio ambiente, os custos de descarte e tratamento aumenta- ram exponencialmente. Como resultado, o investimento de capital e os custos operacionais para descarte e tratamento se tornaram uma fração maior do custo total de qualquer processo de fabricação. Por esse motivo, o sistema to- tal deve agora ser analisado simultaneamente (processo mais tratamento) para encontrar a opção econômica mínima. Produção limpa, conceitualmente, é a aplicação contínua de estratégias ambientais preventivas e integradas para os processos de produção em uma instalação industrial, a destinação dos produtos produzidos e o impacto dos serviços prestados, a fi m de reduzir danos e riscos para o ser humano e o meio ambiente. Com uma produção mais limpa, as indústrias reduzem a poluição em seus processos por meio de medidas preventivas. É uma estratégia estru- tural de negócios que pode aumentar a efi ciência e o retorno bruto (lucro) em longo prazo. Os conceitos relacionados à produção mais limpa são: ecoefi ciên- cia, minimização de resíduos, prevenção de poluição, produtividade verde e desmaterialização. Na prática, em processos de produção que ocorrem em instalações indus- triais, a produção limpa tem os seguintes objetivos: INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 130 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 130 24/04/20 12:37 • Reduzir na fonte a quantidade e toxicidade de todas as emissões e resí- duos gerados e liberados; • Eliminar, tanto quanto possível, o uso de materiais tóxicos e perigosos; • Reduzir o consumo de matérias-primas e energia utilizada na produção de uma unidade de produto (melhoria de eficiência). Além disso, tendo em vista o projeto de produtos, os conceitos de produ- ção mais limpa visam reduzir os impactos ambientais à saúde e à segurança durante todo o ciclo de vida do produto, desde a extração de matérias-primas, passando pela fabricação e uso, até o descarte final do produto. As medidas de produção mais limpa que podem ser tomadas envolvem: 1. Mudança de materiais de entrada; 2. Mudança tecnológica; 3. Boas práticas de operação; 4. Modificação do produto; 5. Reutilização e reciclagem no local. Um estudo de caso, que exemplifica esse tipo de pensamento de produção limpa, refere-se às operações da fábrica da Nestlé em Beauvais, França, que produz uma variedade grande de alimentos congelados e sorvetes. A planta de produção e o armazém usado para armazenar produtos antes do embarque devem ser mantidos a temperaturas entre -20 °C e -40 °C. É necessária uma quantidade substancial de refrigeração para manter essas temperaturas em um armazém de 80000 m3. Essa refrigeração estava sendo obtida com o uso de gás Halon (hidrocarboneto halogenado) no sistema de refrigeração, uma subs- tância que destrói a camada de ozônio. Como resultado do programa global de eliminação progressiva da Nestlé, e também de acordos internacionais para interromper aprodução e o uso dessas substâncias, a companhia começou a procurar alternativas adequadas. A solução inicial em muitas fábricas da Nes- tlé foi voltar ao uso de amônia como gás refrigerante. Os sistemas de amônia são tecnologicamente comprovados em termos de funcionamento e operam com eficiência na fabricação de alimentos. No entanto, esses sistemas exigem certas precauções de segurança, principalmente em grandes instalações. A so- lução encontrada pelos engenheiros foi usar duas substâncias. Devido às suas excelentes propriedades como refrigerante, uma quantidade muito pequena de amônia foi usada como refrigerante primário em um sistema isolado. Esse INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 131 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 131 24/04/20 12:37 sistema esfria um material secundário, o CO2, que é usado na extensa rede de refrigeradores em todo o armazém. Esse tipo de refrigeração bifásica permite o uso de uma quantidade mínima de amônia e a isola das áreas de processo, reduzindo, assim, o risco de um acidente. O uso de CO2 nas áreas de produção é melhor, pois é não tóxico, não infl amável e tem pouco impacto caso ocorra um vazamento no sistema fechado. Gestão ambiental: normas ISO 14000 Tendo em vista que existe uma preocupação generalizada sobre questões am- bientais em todos os países desenvolvidos ao redor do mundo, o interesse público é agora tão grande que a implementação e operação de um sistema de geren- ciamento ambiental (SGA) efi ciente e efi caz se tornou essencial para o bem-es- tar fi nanceiro de qualquer empresa. Além de incorrer em penalidades fi nanceiras quando a legislação de proteção ambiental é violada, um problema maior é que o fraco desempenho ambiental pode levar ao boicote dos produtos e serviços de uma empresa pelos clientes, com consequentes danos graves à sua saúde fi nan- ceira. Em casos extremos, o público em geral também pode tomar medidas diretas que difi cultam ou até encerram as operações de uma companhia. Para uma gestão ambiental adequada, o enquadramento das empresas às recomendações da norma ISO 14000 pode ser um descritor para um conjunto de padrões que foram desenvolvidos em resposta a essa preocupação global com o meio ambiente. Esses padrões representam um acordo de consenso entre os órgãos nacionais de normas ao redor do mundo sobre os procedimentos que precisam ser seguidos no estabelecimento de um SGA efi caz. O padrão principal desse conjunto de normativas é a ISO 14001, cujo objetivo central é abranger os procedimentos que devem ser implementados por uma empresa para atender aos requisitos mínimos estabelecidos para uma certifi cação. O gerenciamento ambiental com os padrões ISO 14001 é de importância se- melhante ao gerenciamento de qualidade com os padrões ISO 9001 nos negó- cios de hoje. Além da necessidade de satisfazer a rigorosa legislação de contro- le ambiental existente na maioria dos países desenvolvidos, a imagem de uma empresa é prejudicada se ocorrerem incidentes de poluição, principalmente se estes forem identifi cados por grupos de pressão ambiental – o que pode ter INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 132 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 132 24/04/20 12:37 um forte impacto na comercialização de produtos e serviços fornecidos pela empresa. Por outro lado, a certifi cação ISO 14001 pode ter um impacto muito positivo nos negócios de uma empresa, tendo em vista o amplo interesse pú- blico que agora existe na proteção ambiental. Figura 8. Certifi cação ISO 14001. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 14/04/2020. Dimensões ambientais Nos casos em que o mau funcionamento dos sistemas de fabricação e outras atividades de uma empresa possam causar danos ao meio ambiente, devem ser instituídos procedimentos para identifi car esses problemas pron- tamente e instigar ações corretivas. A análise de risco e os cálculos de confi abi- lidade geralmente são ferramentas úteis para prever a probabilidade de falhas que podem levar a danos ambientais. Cálculos de confi abilidade também são necessários para a operação de sistemas projetados para responder a falhas e tomar medidas corretivas. Vá- rias técnicas de engenharia estão disponíveis para responder a esses requi- sitos. A entrada de engenharia também é necessária para satisfazer outros aspectos de um SGA. As melhorias de engenharia geralmente podem levar a uma redução no uso de energia e nas matérias-primas utilizadas. Também são necessários dados de engenharia para reduzir a quantidade de resíduos gera- dos e obter um descarte seguro de qualquer resíduo produzido. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 133 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 133 24/04/20 12:38 O sistema de gerenciamento ambiental (SGA) projetado deve ser implemen- tado de forma que as metas ambientais definidas sejam cumpridas. Como as metas estabelecidas não necessariamente limitarão os impactos ambientais ao mínimo possível, a ISO 14001 reconhece que uma empresa precisa operar em um mercado internacional e deve manter os custos dentro de rígidas res- trições financeiras. Essas restrições econômicas podem impedir a empresa de implementar uma tecnologia de redução de poluição muito cara. A ISO 14001 exige apenas que a empresa se esforce para reduzir os danos ambientais o máximo possível, mas dentro dos limites do que é economicamente razoável e tecnicamente possível. As principais dimensões na implementação de um SGA que atenda à ISO 14001 são: • Comprometimento dos executivos da empresa; • Cooperação de todo o pessoal da empresa; • Gerenciamento eficaz; • Estabelecimento de sistemas de comunicação eficazes; • Treinamento apropriado e projeto; • Implementação de equipamentos de suporte; • Planejamento de procedimentos de emergência; • Coleta de dados para monitorar o desempenho; • Revisões regulares do sistema; • Manutenção da documentação completa do sistema. Essas dimensões podem ser divididas em requisitos gerais, requisitos de medição e calibração. A ISO 14001 estabelece um requisito claro de que todos os parâmetros associados à operação do SGA devem ser monitorados e regis- trados para garantir que não ocorram alterações que possam levar a danos ambientais. As medidas para um SGA cumprem duas funções principais. Em primeiro lugar, as consequências ambientais das operações de uma empresa em termos de poluição do ar, poluição da água, ruído e vibração precisam ser medidas e comparadas com as metas ambientais estabelecidas. Em segundo lugar, o valor dos parâmetros nos processos de fabricação e outros sistemas precisa ser monitorado se uma variação significativa puder levar a falhas e a um risco de aumento da poluição ambiental. De forma ideal, todos os parâme- tros devem ser monitorados continuamente, mas, geralmente, é inviável ou INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 134 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 134 24/04/20 12:38 muito caro conseguir isso na prática. Se a medição contínua não for possível, é necessário estabelecer um programa adequado de amostragem dos parâme- tros em determinados intervalos de tempo. ABNT NBR ISO 14001 Como em todos os outros aspectos de um sistema de gerenciamento am- biental (SGA), os procedimentos implementados para monitoramento de pro- cessos, medição de parâmetros e calibração de instrumentos devem ser to- talmente documentados. Também existe um requisito expresso na ISO 14001 de que todas as medições feitas sejam registradas e mantidas na forma de informações de desempenho por escrito no SGA. Esses registros devem ser preservados, armazenados com cuidado e mantidos por um período de tempo especifi cado na documentação geral do SGA. Eles devem ser rastreáveis à ope- ração ou atividade associada ao parâmetro ambiental específi co medido para que qualquer desvio nos níveis de poluição acima do nível usual possa ser fa- cilmente rastreado até a fonte que o causou. Isso permite que ações corretivas sejam tomadas sem demora, para minimizar os danos ambientais. Além de assegurarque os procedimentos de medição e calibração sejam adequados, os engenheiros responsáveis pelas instalações industriais têm vá- rias outras responsabilidades para garantir a operação bem-sucedida de um SGA. Primeiramente, uma responsabilidade primária é analisar as medidas fei- tas para identifi car quaisquer mudanças que possam ter um impacto ambien- tal. Em segundo lugar, os engenheiros devem projetar equipamentos que mi- nimizem os danos ambientais causados pela fabricação e outras operações da empresa. Além disso, eles têm a responsabilidade de formular procedimentos de emergência que devem ser seguidos para minimizar o impacto ambiental de qualquer mau funcionamento indicado pelas medições feitas. Por fi m, eles têm contribuições importantes a serem feitas nos projetos de produtos, a fi m de minimizar seus impactos ambientais. A maneira como os produtos são projetados pode ter um efeito signifi cativo no meio ambiente em relação aos processos de fabricação necessários para o produto, o efeito do produto durante o uso e o potencial efeito ambiental no fi nal de sua vida útil. Portanto, é tarefa do engenheiro considerar adequa- INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 135 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 135 24/04/20 12:38 damente o impacto ambiental no estágio de projeto de um novo produto e minimizar esse impacto o máximo possível, incluindo recursos como consumo reduzido de energia, maior longevidade e reciclabilidade quando chegar ao fim de sua vida útil. Outros recursos desejáveis para o projeto do produto incluem minimizar a embalagem e reduzir o uso de materiais tóxicos que podem danifi- car o meio ambiente. Os produtos também devem ser projetados de modo que seu processo de fabricação seja o mais ecológico possível e minimize o uso de energia, água e matérias-primas. Embora esse tipo de alteração muitas vezes possa ser feito apenas no estágio de projeto de novos produtos, às vezes é pos- sível modificar um produto existente para facilitar o alcance e a manutenção de metas ambientais. No entanto, embora seja desejável um projeto ecológico, é preciso lembrar sempre que as especificações de um produto são fortemente restringidas pelos requisitos do cliente. Nenhum grau de conformidade com um desempenho ambiental específico satisfará um cliente se o projeto básico do produto significa que ele é incapaz de fazer tudo o que o cliente deseja. Uma vez implementado o sistema, sua operação deve ser cuidadosamente mo- nitorada por uma série de auditorias internas até que tudo pareça estar funcionan- do satisfatoriamente. Quando esse estágio é alcançado, a empresa pode solicitar à Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), que é o foro nacional de norma- lização, uma auditoria externa, que é um pré-requisito necessário para o registro. O organismo de credenciamento nomeará um registrador para auditar o sistema, o que será realizado em um horário mutuamente acordado. A audi- toria examinará se o projeto, a documentação e a implementação do sistema são satisfatórias e se as metas ambientais definidas estão sendo cumpridas. Depois que as deficiências identificadas pelo registrador forem corrigidas, um certificado de registro será emitido e a empresa será colocada em um registro público com os padrões ISO 14001 apropriados. É necessário um bom desempenho ambiental para manter e expandir a base de clientes de um produto, bem como para satisfazer as preocupações de não clientes no público em geral. No entanto, os benefícios advindos da obtenção de um bom desempenho ambiental pela empresa e da produção de produtos ecologicamente corretos diminuem bastante se os clientes e o públi- co em geral não tiverem conhecimento dessa conquista. A comunicação sobre o SGA associado a um produto é, portanto, essencial. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 136 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 136 24/04/20 12:38 Sintetizando Nesta unidade, foram apresentados conceitos que irão permitir ao enge- nheiro definir questões relacionadas aos dutos de ventilação durante um pro- cesso de projeto de instalações industriais. Para isso, primeiramente foram dis- cutidos os princípios gerais de ventilação, bem como os dois sistemas usados em plantas industriais: sistema de suprimento e de exaustão. Vimos também que esses sistemas são essenciais nos ambientes industriais, uma vez mantêm a qualidade do ar para o bem-estar dos funcionários e também para a eficiên- cia e durabilidade das máquinas. Partículas como a poeira, por exemplo, po- dem danificar alguns equipamentos com o tempo, enquanto outras máquinas podem não funcionar em ambientes úmidos. Os dispositivos usados para limpeza do ar também são de suma impor- tância para a saúde de uma indústria, uma vez que regulam a qualidade do ar. Eles se dividem em dois grandes grupos: filtros de ar e coletores de pó. Em seguida, discutimos os procedimentos para concepção dos sistemas de escape e a aplicação de ventiladores que garantam a circulação, escape e exaustão de ar contaminado. Além disso, estudamos as duas maneiras de garantir um fluxo adequado em pressão em um sistema de dutos de ventilação de uma ins- talação industrial, podendo ser por meio do método de equilíbrio de pressão estática ou pelo método da porta de saída em expansão, que depende do uso de portas após a instalação para atingir o fluxo desejado. Vimos também que os ventiladores se dividem em três tipos básicos: axial, centrífugo e especial. Por fim, discutiu-se os riscos ambientais relacionados à atividade industrial no que diz respeito a qualidade do ar interior, conceitos de produção limpa, dimensões ambientais e normas que estabelecem os critérios nos processos de gestão ambiental, mais especificamente a norma ISSO 14000. Esperamos que você tenha absorvido os conteúdos desta unidade e possa aplicar os conceitos na prática. Bons estudos! INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 137 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 137 24/04/20 12:38 Referências bibliográficas ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR ISO 14001: sistemas de gestão ambiental – requisitos com orientações para uso. Rio de Janeiro, 2015. Disponível em: <https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=345116>. Aces- so em: 15 abr. 2020. GUYER, J. P.; FELLOW, R. A. Introduction to design of industrial ventilation systems. [s.l.], 2009. Disponível em: <https://www.cedengineering.com/user- files/An%20Intro%20to%20Industrial%20Ventilation%20Systems.pdf>. Acesso em: 15 abr. 2020. MULHOLLAND, K. L. Identification of cleaner production improvement opportunities. 1. ed. Hoboken: Wiley-Blackwell, 2006. NASA. Novel vent design features variable flow control, rain protection. [s.l.], 8 abr. 2012. Disponível em: <https://technology.nasa.gov/patent/MFS-TOPS-47>. Acesso em: 15 abr. 2020. SPENGLER, J. D.; MCCARTHY, J. F.; SAMET, J. M. Indoor air quality handbook. 1. ed. Nova York: McGraw-Hill, 2000. INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS 138 SER_ENGMEC_INSTAIND_UNID4.indd 138 24/04/20 12:38
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