Expansão e Suporte de Tubulações

Qualquer sistema de vapor deve ser totalmente suportado, capaz de se expandir durante a operação e suficientemente flexível para permitir o movimento resultante. Este tutorial inclui conselhos sobre diferentes métodos e cálculos completos.

Provisão para expansão

Todas as tubulações serão instaladas na temperatura ambiente. Tubulações transportando fluidos quentes, como água ou vapor, operam em temperaturas mais altas. Portanto, elas se expandem, especialmente em comprimento, com um aumento da temperatura ambiente para a temperatura de trabalho. Isso criará tensão em certas áreas dentro do sistema de distribuição, como junções de tubulação, que, em casos extremos, podem fraturar. A quantidade de expansão é facilmente calculada usando a Equação 10.4.1, ou lida a partir de um gráfico apropriado como a Figura 10.4.1.

Exemplo 10.4.1

Um tubo de aço carbono de 30 m de comprimento será usado para transportar vapor a 4 bar g (152°C). Se o tubo é instalado a 10°C, determine a expansão usando a Equação 10.4.1.

Alternativamente, o gráfico na Figura 10.4.1 pode ser usado para encontrar a expansão aproximada de vários comprimentos de tubulação de aço - veja o Exemplo 10.4.2 para explicação do uso. Exemplo 10.4.2 Usando a Figura 10.4.1. Encontre a expansão aproximada a partir de 15°C, de 100 metros de tubulação de aço carbono usada para distribuir vapor a 265°C. A diferença de temperatura é 265 - 15°C = 250°C. Onde a linha diagonal de diferença de temperatura de 250°C corta a linha horizontal de comprimento da tubulação em 100 m, desça uma linha vertical. Para este exemplo, uma expansão aproximada de 330 mm é indicada.

Flexibilidade da tubulação O sistema de tubulação deve ser suficientemente flexível para acomodar os movimentos dos componentes à medida que se expandem. Em muitos casos, a flexibilidade do sistema de tubulação, devido ao comprimento do tubo e número de curvas e suportes, significa que não são impostas tensões indevidas. Em outras instalações, no entanto, será necessário incorporar algum meio de alcançar essa flexibilidade necessária. Um exemplo em um sistema típico de vapor é a descarga de condensado de uma armadilha de drenagem da linha principal de vapor para a linha de retorno de condensado que corre ao longo da linha de vapor (Figura 10.4.2). Aqui, a diferença entre as expansões dos dois sistemas de tubulação deve ser considerada. A linha principal de vapor estará operando em uma temperatura mais alta do que a linha principal de condensado, e os dois pontos de conexão se moverão um em relação ao outro durante o aquecimento do sistema.

A quantidade de movimento a ser absorvida pela tubulação e qualquer dispositivo incorporado nela pode ser reduzida pelo ‘cold draw’. A quantidade total de expansão é primeiro calculada para cada seção entre pontos de ancoragem fixos. Os tubos são deixados curtos pela metade dessa quantidade, e estirados a frio puxando parafusos em uma junta flange, de modo que, na temperatura ambiente, o sistema esteja tensionado em uma direção.

Quando aquecido até metade do aumento total de temperatura, a tubulação está sem tensão. Na temperatura de trabalho e tendo se expandido completamente, a tubulação é tensionada na direção oposta. O efeito é que, em vez de ser tensionada de 0 F a +1 F unidades de força, a tubulação é tensionada de -½ F a + ½ F unidades de força.

Em termos práticos, a tubulação é montada a frio com uma peça espaçadora, de comprimento igual à metade da expansão, entre duas flanges. Quando a tubulação está completamente instalada e ancorada em ambas as extremidades, o espaçador é removido e a junta é puxada firmemente (veja Figura 10.4.3).

A parte restante da expansão, se não for absorvida pela flexibilidade natural da tubulação, exigirá o uso de um acessório de expansão.

Na prática, a expansão e suporte de tubulação podem ser classificadas em três áreas, conforme mostrado na Figura 10.4.4.

Os pontos fixos ou ‘ancoragem’ ‘A’ fornecem uma posição de referência a partir da qual a expansão ocorre.

Os pontos de suporte deslizante ‘B’ permitem o movimento livre para a expansão da tubulação, mantendo a linha de tubulação alinhada. O dispositivo de expansão no ponto ‘C’ é para acomodar a expansão e contração do tubo.

Suportes de rolo (Figuras 10.4.5 e 10.4.6) são métodos ideais para suportar tubulações, permitindo ao mesmo tempo que se movam em duas direções. Para tubulações de aço, os rolos devem ser fabricados de material ferroso. Para tubulações de cobre, devem ser fabricados de material não ferroso. É uma boa prática que tubulações suportadas em rolos sejam equipadas com um selim de tubulação fixado a um suporte em distâncias não superiores a 6 metros para manter a tubulação alinhada durante qualquer expansão e contração.

Quando duas tubulações devem ser suportadas uma abaixo da outra, é uma má prática sustentar a tubulação inferior a partir da superior usando um clipe. Isso causará tensão adicional na tubulação superior, cuja espessura foi dimensionada para suportar apenas a tensão de sua pressão de trabalho. Todos os suportes de tubulação devem ser especificamente projetados para se adequar ao diâmetro externo da tubulação em questão.

Acessórios de expansão

O acessório de expansão (‘C’ Figura 10.4.4) é um método de acomodar a expansão. Esses acessórios são colocados dentro de uma linha, e são projetados para acomodar a expansão, sem que o comprimento total da linha mude. Eles são comumente chamados de foles de expansão, devido à construção em fole do tubo de expansão. Outros acessórios de expansão podem ser feitos a partir da própria tubulação. Esta pode ser uma forma mais barata de resolver o problema, mas mais espaço é necessário para acomodar o tubo.

Loop completo Isso é simplesmente uma volta completa do tubo e, em tubulações de vapor, deve preferencialmente ser instalado em posição horizontal em vez de vertical para evitar que o condensado se acumule no lado de montante. O lado de jusante passa abaixo do lado de montante e grande cuidado deve ser tomado para que não seja instalado na direção errada, pois o condensado pode se acumular na parte inferior. Quando loops completos devem ser instalados em um espaço confinado, cuidado deve ser tomado para especificar que loops de mão errada não sejam fornecidos. O loop completo não produz uma força em oposição à tubulação em expansão como em alguns outros tipos, mas com pressão de vapor dentro do loop, há uma leve tendência de desenrolar, o que coloca tensão adicional nas flanges.

Este projeto é raramente usado hoje devido ao espaço ocupado pela tubulação, e foles de expansão proprietários estão agora mais prontamente disponíveis. No entanto, grandes usuários de vapor, como usinas de energia ou estabelecimentos com grandes sistemas de distribuição externos, ainda tendem a usar dispositivos de expansão do tipo loop completo, pois o espaço geralmente está disponível e o custo é relativamente baixo.

Loop em ferradura ou lira Quando há espaço disponível, este tipo é às vezes usado. É melhor instalado horizontalmente para que o loop e a linha principal estejam no mesmo plano. A pressão não tende a soprar as extremidades do loop, mas há um efeito muito leve de endireitamento. Isso é devido ao projeto, mas não causa desalinhamento das flanges. Se algum desses arranjos for instalado com o loop verticalmente acima da tubulação, então um ponto de drenagem deve ser providenciado no lado de montante, conforme representado na Figura 10.4.8.

Loops de expansão

O loop de expansão pode ser fabricado a partir de comprimentos de tubos retos e cotovelos soldados nas junções (Figura 10.4.9). Uma indicação da expansão do tubo que pode ser acomodada por esses conjuntos é mostrada na Figura 10.4.10.

Pode-se ver da Figura 10.4.9 que a profundidade do loop deve ser o dobro da largura, e a largura é determinada a partir da Figura 10.4.10, conhecendo-se a quantidade total de expansão esperada dos tubos em ambos os lados do loop.

Junta deslizante Estas são às vezes usadas porque ocupam pouco espaço, mas é essencial que a linha de tubulação seja rigidamente ancorada e guiada em estrita conformidade com as instruções do fabricante; caso contrário, a pressão do vapor atuando na área da seção transversal da parte do mancal da junta tende a soprar a junta, em oposição às forças produzidas pela tubulação em expansão (veja Figura 10.4.11). O desalinhamento fará com que o mancal deslizante se dobre, enquanto a manutenção regular da guarnição também pode ser necessária.

Foles de expansão Um fole de expansão, Figuras 10.4.12, tem a vantagem de não requerer guarnição (como o tipo de junta deslizante). Mas tem as mesmas desvantagens da junta deslizante, pois a pressão interna tende a estender o acessório, consequentemente, ancoragens e guias devem ser capazes de suportar essa força.

Os foles podem incorporar hastes limitadoras, que limitam a sobre-compressão e sobre-extensão do elemento. Estas podem ter pouca função em condições normais de operação, pois a maioria dos conjuntos simples de foles é capaz de suportar pequenos movimentos laterais e angulares. No entanto, em caso de falha da ancoragem, elas se comportam como tirantes e contêm as forças de empuxo da pressão, prevenindo danos à unidade enquanto reduzem a possibilidade de danos adicionais à tubulação, equipamentos e pessoal (Figura 10.4.13 (b)).

Quando se esperam forças maiores, alguma forma de reforço mecânico adicional deve ser incorporada ao dispositivo, como barras de suporte articuladas (Figura 10.4.13 (c)). Invariavelmente há mais de uma maneira de acomodar o movimento relativo entre dois tubos deslocados lateralmente, dependendo das posições relativas das ancoragens e guias dos foles. Em termos de preferência, o deslocamento axial é melhor do que o angular, que por sua vez é melhor do que o lateral. Movimentos angulares e laterais devem ser evitados sempre que possível. A Figura 10.4.13 (a), (b) e (c) fornece uma indicação aproximada dos efeitos desses movimentos, mas, em todas as circunstâncias, é altamente recomendável que se busque orientação especializada do fabricante dos foles em relação a qualquer instalação de foles de expansão.

Espaçamento dos Suportes de Tubulação

A frequência dos suportes de tubulação variará de acordo com o diâmetro do tubo; o material real do tubo (ou seja, aço ou cobre); e se o tubo é horizontal ou vertical.

Alguns pontos práticos dignos de consideração são os seguintes:

• Os suportes de tubulação devem ser fornecidos em intervalos não superiores aos mostrados na Tabela 10.4.3, e ao longo das partes de edifícios e estruturas onde suportes apropriados possam ser montados.
• Quando duas ou mais tubulações são suportadas em um suporte comum, o espaçamento entre os suportes deve ser o da tubulação menor.
• Quando um movimento apreciável ocorrerá, ou seja, quando tubos retos tiverem mais de 15 metros de comprimento, os suportes devem ser do tipo rolo, conforme descrito anteriormente.
• Tubulações verticais devem ser adequadamente suportadas na base, para suportar o peso total da tubulação vertical e do fluido dentro dela. Ramificações de tubulações verticais não devem ser usadas como meio de suporte para a tubulação, pois isso colocará tensão indevida na junção em T.
• Todos os suportes de tubulação devem ser especificamente projetados para se adequar ao diâmetro externo da tubulação em questão. O uso de suportes de tubulação sobredimensionados não é uma boa prática. A Tabela 10.4.3 pode ser usada como guia ao calcular a distância entre suportes de tubulação para tubulações de aço e cobre.

O assunto de suportes de tubulação é abrangido de forma abrangente na norma europeia EN 13480, Parte 3.