Edição 347 - Revista Petro & Química

Edição 347 - Revista Petro & Química

Leiam na edição 348 da Petro & Quimica!

Método analítico para determinar esforços máximos admissíveis em válvulas bi-partidas

Ivo Andrei O. L. Lima Msc. Eng. Mecânica, Especialista da Braskem

Resumo As normas e padrões específicos para fabricação e dimensionamento de válvulas não estabelecem critérios similares às normas e padrões para bombas e compressores quanto às cargas admissíveis em suas extremidades; com isto, os esforços devido à tubulação nestes componentes são, na maioria das situações, limitados pelas tensões atuantes nos tubos e conexões adjacentes. Quando se trata de válvulas manuais de corpo inteiriço, este critério tem-se demonstrado pelos anos de aplicação, em uma adequada forma de avaliação. Porém, no caso de válvulas de controle e em especial de corpo bipartido, há ocorrência de problemas de travamento do sistema de acionamento e até ruptura das sedes. O critério com base em tensões aplicado a tubos e conexões não é, portanto, suficiente para garantir a continuidade operacional destas válvulas sem risco de falha. Este trabalho propõe um novo método analítico e abrangente baseado em pressão equivalente para estabelecer limites admissíveis para os esforços oriundos da tubulação conectada à válvula bi-partida. O método proposto considera todas as forças e os momentos atuantes, além dos parâmetros fundamentais (pressão, temperatura, material e diâmetro) envolvidos, permitindo que nas fases iniciais do projeto, o desenvolvimento do arranjo da tubulação seja feito com segurança e com melhor equilíbrio entre os custos de instalação e o de engenharia, antes mesmo da definição do fornecedor da válvula. www.petroquimica.com.br/

Isolamento NÃO previne a Corrosão

Com este título a o artigo da CCPS (www.aiche.org/ccps ) de fevereiro de 2005 trouxe um importante alerta para um dos problemas mais sérios e comuns em unidades industriais que possuem tubulações e equipamentos isolados, a corrosão sob o isolamento ou Corrosion Under Insulation (CUI). Esta é uma corrosão eletroquímica que evolui silenciosamente sob o isolamento térmico ou materiais de proteção passiva (fire-proofing), como o concreto, com uma taxa de corrosão acelerada quando comparada a taxa que ocorre em tubulações sem isolamento expostas a atmosfera (sistema aberto). 

Os materiais isolantes se não estiverem bem protegidos mecanicamente e selados contra a entrada de umidade tendem a absorver uma quantidade significativa de água, para se ter uma idéia, um dos materiais isolantes mais utilizados na indústria para serviços com temperatura acima da temperatura ambiente é o silicato de cálcio, este material é altamente higroscópico, ele absorve entre 10-14% do seu volume em água. Ver uma tabela retirada do artigo “Corrosion: understanding the basics” por Joseph R. Davis (ASM International 2000) comparando alguns materiais isolantes.

Sob o isolamento cria-se um sistema fechado que mantém a presença de umidade até + 175 °C, ou seja, a evaporação da água oxigenada é limitada, o que promove uma maior taxa de corrosão devido a temperatura mais alta, conforme pode ser visto na figura 1.1 abaixo extraído do trabalho de Speller, Corrosion – Causes and Prevention, 1935, Mcgraw-Hill.

Esta umidade absorvida pode vir da chuva, ou de equipamentos como torres de refrigeração que associados a contaminantes com presença de cloreto e enxofre (chuva ácida) promove uma corrosão ainda mais severa, em especial nos aços inox austeniticos (série 300) levando a outros mecanismos de corrosão fraturantes como a corrosão sob tensão fraturante (stress cracking corrosion).

Imagem retirada de um guideline para tratar o CUI desenvolvido

pela NACE com  grandes empresas Internacionais

como Exxon, Shell, BP entre outras

                Como todo este processo de ocorre “escondido” da inspeção visual, sua detecção na maioria das vezes só ocorre com a presença de vazamento. Esta ação silenciosa é que torna esta corrosão em uma das mais perigosas.

A dificuldade no controle da CUI é a garantia da impermeabilidade/vedação da estrutura de proteção do isolamento devido aos seguintes fatores:

·         As irregularidades geométricas e a própria vida útil dos materiais selantes que tendem sempre a ressecar e permitir passagem (ver figura 2  abaixo);

·         Pela própria necessidade de acompanhar a vida útil das tubulações através de medição de espessura, sempre ocorre à necessidade de abrir janelas de inspeção que levam a entrada da umidade, e se não forem feitas recompostas corretamente deixam “brechas”;

·         Pontos “mortos” da tubulação como drenos e vents sempre tem sua temperatura abaixo da condição máxima e estes pontos são sempre os mais susceptíveis a entrada de umidade;

·         Materiais de isolamento térmico típicos de sistemas de alta temperatura, como o silicato de cálcio, são altamente higroscópicos, e isto pode ocorrer durante a instalação/montagem se não tomados os devidos cuidados e durante a operação nas “brechas” citadas acima;

O que pode ser feito?

1.       Saber quais estruturas e equipamentos no seu processo que tenham potencial para corrosão sob o isolamento. Veja abaixo os itens apontados pelo API-570 e a NACE-198:

a.       Aquelas áreas expostas ao gotejamento de torres de refrigeração;

b.      Aquelas expostas a ventes de vapor;

c.       Aquelas expostas a gotejamento de misturas ou vapores ácidos;

d.      Sistemas de tubulação em aço carbono e baixa liga isoladas, incluindo isolamento para proteção pessoal, operando entre + 4°C a +175°C ou serviços intermitentes;

e.      Acima de +175°C, porém trabalham com serviços intermitentes;

f.        Linhas de vent e dreno com trechos “mortos” que trabalham em temperaturas inferiores a temperatura da linha principal;

g.       Tubulações de aço inox que operam entre 60°C e 205°C, sujeitas a presença de cloreto;

h.      Sistemas sujeitos a vibração que está susceptível a danificar o isolamento criando caminho para entrada de água;

i.         Outros sistemas que o isolamento esteja susceptível a dano;

2.       Estar atento aos sinais de corrosão “escondida” como:

a.       Manchas de ferrugem ou descolorações;

b.      Abaulamentos, empolamentos ou bolhas;

c.       Pequenas fugas de gotas de vapor ou odores;

3.       Adotar técnicas de inspeção que não requeiram retirar o isolamento como radiografia digital ou a termografia.

4.  Adotar especificações de pintura ou revestimento especial adequado para as condições operacionais antes de isolar as estruturas, esta recomendação é obrigatória para materiais em aço carbono e baixa liga com risco de CUI. Para linhas em aço inox deve-se verificar se há risco de presença de cloreto, pois a falha pode torna-se catastrófica, sendo muito mais custosa do que o investimento em pintura destas estruturas “nobres”.

5.       Para tubulações isoladas apenas com intuito de proteção pessoal (temperaturas > 60°C) deve-se avaliar a adoção de outros meios de proteção como grades ou barreiras físicas ao invés de aplicar isolamento térmico.

 



“Long Bolt” and “Short Bolt”– Riscos de Falha e Segurança

O Instituto Americano de Engenheiros Químicos disponibiliza em seu portal www.aiche.org.br, artigos do Centro de Segurança de Processos Químicos (CCPS), lá poderão ser encontrados artigos muito úteis sobre “boas práticas” a serem adotadas em Plantas de óleo, gás, química e petroquímica, sempre com exemplos de falhas ocorridas pelo mundo, e em dezenas de línguas, incluindo o português.

Irei utilizar desta fonte valiosa para estar colocando alertas sobre práticas de Engenharia que devem ser seguidas para evitar falhas e acidentes. E sempre que possível complementando e comentado o artigo. Parte do texto que apresento abaixo, vem do artigo publicado pela CCPS em abril de 2010 com o título “Proteção contra incêndio – válvulas sem flanges com parafusos longos”, ao qual complemento com o inverso sobre parafusos curtos ou “short bolts”.

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Long Bolt – Proteção contra incêndio

Você reconheceria a cobertura metálica (seta amarela) mostrada na figura 1 como um importante equipamento de segurança?

Se ela estivesse danificada ou mesmo faltando, você reportaria esse fato para que pudesse ser reparada ou substituída?

A cobertura de metal envolve um equipamento denominado “válvula sem flanges com parafusos longos” ou válvula de parafusos longos, válvula tipo sanduiche, válvulas sem flanges ou tipo “wafer”.

Essas válvulas não possuem flanges integrados para conexão com flanges da tubulação ou com os flanges de vasos de processo, e tem parafusos expostos maiores do que as válvulas com extremidades flangeadas.

Se houver um incêndio nas proximidades, esses parafusos longos poderiam ficar em contato direto com as chamas. O calor das chamas faria com que os parafusos se dilatassem e se alongassem, permitindo o vazamento pelas juntas de ambos os lados da válvula. Se o produto que vazar for inflamável ou combustível, ele acrescentará mais combustível ao incêndio (figura 4). Se a tubulação estiver pressurizada, um grande jato de fogo causará danos ainda maiores.

O Que Você pode fazer?

        I.            Se você tiver válvulas com parafusos longos em tubulações que contenham material combustível, inflamável ou operem com GLP, certifique-se que as coberturas metálicas dessas válvulas estejam sempre em boas condições.

      II.            Uma cobertura metálica de uma válvula com parafusos longos pode esconder uma corrosão ou outro tipo de dano na válvula. As coberturas devem ser removidas periodicamente para inspeção de flanges e válvulas e imediatamente recolocadas após a inspeção.

    III.            A proteção passiva contra incêndio nesse tipo de válvula estará dimensionada para um incêndio de curta duração, uma solução de projeto inerentemente mais seguro seria a substituição desse tipo de válvula por uma com flanges.

Short Bolt – Segurança contra Vazamento

Os parafusos em conexões flangeadas devem apresentar no mínimo 1 fio de rosca após o engajamento com a porca e não mais do que a metade do comprimento da porca.

Esta recomendação é uma “boa prática” de montagem, comum em unidades industriais, com vistas a permitir uma rápida inspeção visual do engajamento total da porca no parafuso. Evita-se assim, “subcomprimentos” que podem limitar a resistência mecânica do parafusamento da conexão flangeada. 

O ASME B31.3 em seu parágrafo 335.2.3 “Bolt Length” (comprimento do parafuso) recomenda que os parafusos se estendam completamente através das porcas. E que o “engajamento” aceitável para o caso de uma falha é de não mais do que uma rosca não engajada.

O Que Você pode fazer?

No aperto, as porcas devem ficar, no mínimo, completamente roscadas no corpo do parafuso (engajada) ou estojo. Quando se tratar de estojo, as porcas devem ficar preferencialmente a igual distância das extremidades, deixando passar, para cada lado, pelo menos no mínimo um fio de rosca e máximo de 3 fios (sendo este o valor padrão). Os parafusos já apertados devem ser identificados durante a montagem final (pinta a face exposta).

Deixar fios roscas em excesso além da porca (> 3 fios) pode provocar acidentes em locais em que haja passagens de equipes de operação e manutenção (fardamento pode ficar preso em uma situação de escape), além do maior custo envolvido. Deixar apenas um fio exposto, além da porca, dificulta a inspeção visual do engajamento total na porca. Por isto, procurasse recomendar 3 fios de rosca além da porca como uma “boa prática universal”.  

O QUE SÃO OS PIPELINE PIGs?

Um pig é uma ferramenta que se move através de um duto (pipeline) com a proposta de inspeção, dimensionamento ou limpeza. Pigs geralmente são divididos em duas categorias: pigs de utilidade (utility pigs) e pigs inteligentes (smart pigs ou ferramentas de inspeção in-line – ILI tools como definido pela NACE).

Este termo “pig” até hoje não tem sua origem claramente definida, há citações que definem como sendo Pipeline Instrumented Gauging ou Pipeline Inspection Gauge, outras que é devido ao ruído que alguns pigs causam quando viajam pelo duto, similar a um porco sendo estripado. Existem regiões da América que o mesmo é apelidado de demônio pelo barulho que faz quando passa.

Os pigs são aplicados nas diversas fases do ciclo de vida do duto:

Durante a construção

·       Remoção de detritos da obra

·        Teste de pressão (secagem, ventagem, etc)

·         Comissionamento

Durante a operação

·        Limpeza interna

·        Remoção de condensado

·        Aplicação de inibidores

 Para Inspeção

·    Para checar danos físicos (geometria)

·    Para detectar corrosão, laminações e trincas

·     Detectar vazamentos

·      Realizar amostragem

 Para Manutenção Geral e reparo

·    Inibição de corrosão

·    Limpeza de pré-inspeção

·    Isolação

·    Recomissionamento

Durante renovação/rehabilitação

·   Aplicando revestimento interno

·    Limpeza química

·   Remoção de carepas

Descomissionamento

·   Remoção de produto

·    Limpeza interna

·    Inspeção/teste

·   Inertização

Pigs de utilidade

Pigs de espuma são leves e podem inicialmente se aplicado em um duto para verificar o diâmetro interno efetivo do duto ou mesmo para limpeza e secagem do duto, antes de passar outros pigs como os pigs inteligentes. Os pigs de espuma tem geralmente o formato de uma bala, com núcleo feito de poliuretano, com uma capa de tiras de carbeto de silício ou materiais similares. 

Pigs tipo Mandril com copos de condução, raspadores, escovas metálicas são tipicamente propelidos a ar comprimidos, executado em várias passagens para a limpeza de carepas e remoção de detritos. As escovas podem ser magnetizadas para facilitar a coleta dos detritos metálicos. O diâmetro e a rigidez do pig pode ser aumentado para obter uma melhor limpeza. Algumas vezes, finas e flexíveis escovas metálicas são utilizadas para garantir a limpeza de passagens estreitas. A velocidade de condução é definida pela pressão diferencial através do pig, que pode ser controlada por portas de by-pass instaladas nos “copos de condução” que são os componentes que garantem a vedação entre as seções do corpo de um pig.  

Pigs de medição, são tipicamente feitos com chapa de alumínio, são utilizados após remoção dos detritos para verificar que não há obstrução ou significante ovalidade no duto. Eles podem ser equipados com registradores de impacto para gravar a posição ao longo do tubo em que as placas tem sido impactadas por uma obstrução. Além destes existem pigs para ventagem, utilizados antes de realizar o teste hidrostático com objetivo de expulsar o ar. Pigs de secagem que após o teste hidrostático são utilizados para secar a tubulação.

Pigs Inteligente (ILI)

Pigs de Fluxo-Magnético foram inicialmente utilizados na década de 60. A escova de magnetos aplica um campo magnético longitudinal na parede do tubo, os sensores detectam mudanças no campo magnético causado pelas mudanças na espessura de parede. A ferramenta pode dimensionar o comprimento e a profundidade da perda de massa. Uma alta resolução pode ser obtida com o aumento da quantidade de magnetos e de sensores. Os sensores podem discriminar entre perda de espessura no diâmetro interno e externo até 10% da espessura de parede, e com até 80% de confiança. Este tipo de pig viaja por volta de 2 m/s ou 7,2 km/h.

O pig ultrassonico é o mais avançado e caro método de inspeção, capaz de detectar pequenos alvéolos de corrosão (<0,1” diâmetro, e com perda de parede < 10%), trincas (induzida pelo hidrogênio, corrosão sob-tensão, e trincas em soldas), laminações, e outros vários defeitos de fabricação. Requer um diâmetro interno muito limpo e um acoplante entre os transdutores e a parede do tubo. A velocidade de viagem é em torno de 1 m/s ou 3,6 km/h.

Recomendo ver os seguintes videos no youtube para ver um ILI de fluxo-magnetico em funcionamento.

http://www.youtube.com/watch?v=o7hEPvAsNoU&feature=related

Vou postanto depois mais detalhes sobre PIGs.

A História das Válvulas

Desde os tempos antigos, os homens sabiam como regular e controlar a água, com pedras ou galhos e troncos das árvores. Egípcios, gregos e outras culturas foram capazes de conduzir a água de rios e mananciais para uso público ou na irrigação. Os romanos foram os grandes desenvolvedores de sistemas de canais, eles traziam água de fontes e rios para as aldeias, às vezes em longas distâncias, a salvo de obstáculos por meio de aquedutos.As válvulas eram do tipo "macho" ou "torneira (cock)", feitas em bronze, sendo que hoje a especificação mais comum é o ASTM B-67. Era rico em chumbo, anti-corrosivo, dúctil, capaz de ser soldado aos tubos de bronze ou chumbo daquela época, ver imagem acima.

As partes da válvula eram praticamente: o corpo, o macho vazado, uma tampa inferior e uma alavanca para girar o macho. Por vezes, nos sítios arqueologicos, foi verificado que um pino era forçado com um martelo para dentro da válvula, e, em seguida, o macho podia girar mas não ser removido. Essa parecia ser uma prática generalizada (manutenção) nos momentos em que necessitava-se destravar o macho, pois alguns buracos foram encontrados na entrada das válvulas.
Em várias cidades do Mediterrâneo foram encontradas pequenas válvulas, todos tinham desenho semelhante, como em Rabat, Djemila, Istambul, Avarches, Augusta (onde também foi encontrado válvulas borboletas) e Nápoles (os machos eram cilindricos).Os romanos utilizavam também uma válvula diafragma primitiva, feita de couro cru que foi fechada manualmente ao longo de um açude, para controlar o fluxo e temperatura do banho de água doméstico.

Há também evidência de o uso de válvulas angulares, válvulas de mistura e também válvulas de retenção para evitar o refluxo.

 Durante a Idade Média não houve qualquer progresso importante. Foi durante o Renascimento, quando a construção de canais, sistemas de irrigação e outras obras hidráulicas incluíam válvulas mais sofisticadas. Leonardo Da Vinci também deixou boas amostras em seus esboços, como pode ser visto na figura acima.

A história moderna da indústria das válvulas começa com a Revolução Industrial. Em 1705, Thomas Newcomen inventou a máquina a vapor em primeiro lugar, e depois precisou de válvulas capazes de manter e regular o vapor a alta pressão. Os novos inventores, como James Watt, que criaram novas máquinas também melhoraram o projeto das válvulas, mas foi muitos anos mais tarde, quando a produção de válvulas chegou a grande escala, independentemente dos projetos específicos.http://www.valvias.com/history.php

A primeira postagem

Como minha primeira postagem, coloco uma pintura singular que mostra a construção de dutos pelos Engenheiros do "Serviço de Dutos Militares" na 2a guerra mundial em pleno território Francês, com objetivo de levar combustível para suas bases de apoio. Observem os detalhes das válvulas gavetas instaladas!

O autor é Harry Dix e esta disponível no site de história da guerra: http://www.history.army.mil/art/A&I/Pipeline.htm

//www.history.army.mil/art/A&I/Pipeline.htm