1. Introdução
·
Sistemas cujo espaço disponível for insuficiente para se
ter um traçado da tubulação com flexibilidade adequada;
·
Serviços de baixa responsabilidade (condensado, vapor de
baixa pressão, água quente, entre outros), quando a junta representar uma
alternativa mais econômica em relação ao traçado não retilíneo da tubulação;
·
Tubulações de diâmetro grande (acima de 20” ) ou de material caro, onde
haja interesse econômico de um traçado mais curto;
·
Tubulações que por exigência do serviço precisam ter
traçados retilíneos;
·
Tubulações sujeitas a vibrações de grande amplitude, ou
ligadas a equipamentos cujos esforços admissíveis sejam muito pequenos.
Na indústria do petróleo juntas de
expansão são comumente utilizadas. Em plantas industriais há diversos equipamentos
sensíveis que necessitam da utilização de juntas de expansão. Um destes
equipamentos é o turboexpansor (“Turboexpander”) responsável pela geração de
energia elétrica a partir dos gases quentes efluentes do regenerador da unidade
de craqueamento catalítico fluido (FCC). Esses gases têm temperaturas de
operação que variam de 650 °C
a 760 °C
e pressões internas em torno de 3,0 kgf/cm2. Com o intuito de
otimizar o consumo energético nas refinarias existem vários empreendimentos de
implantação de turboexpansores em andamento.
Devido à severidade de serviço, o sistema
de tubulações do turboexpansor é, normalmente, de aço inoxidável austenítico
304H, material que apresenta um alto custo em seu uso, e requer espessuras de
parede de pelo menos 25 mm .
Além disso, seu traçado deve atender a uma série de pré-requisitos para
garantir máxima eficiência e confiabilidade do turboexpansor. Para minimizar o
traçado e atender a esses pré-requisitos, são utilizadas juntas de expansão.
Durante a fase de projeto do sistema do turboexpansor
é determinado o traçado ótimo das linhas conectadas ao turbo. Verifica-se a
flexibilidade do sistema e os esforços transmitidos ao turbo, que não podem
ultrapassar valores estabelecidos pela norma de projeto da máquina (NEMA SM
23). Dados os baixos limites de esforços nos bocais do turbo são introduzidas
no traçado da linha juntas de expansão metálicas preferencialmente do tipo
dobradiça e/ou cardânica. Na fase de projeto são definidas às características requeridas
para as juntas de expansão, tais como comprimento, material do fole, tipo de
junta e coeficientes de rigidez. O cálculo destes coeficientes é realizado com
base nos critérios do “Standards of the Expansion Joints Manufacturers
Association” (EJMA), estimando-se para o projeto do fole a quantidade e
espessura das lâminas bem como o número, altura e passo das suas corrugações. Essa
estimativa será a referência inicial para a seleção e projeto de fabricação das
juntas de expansão.
Dados os limites muito apertados de
esforços nos bocais do turboexpansor há um compromisso muito forte entre o bom funcionamento
das juntas de expansão e a confiabilidade do sistema, fez-se necessário
desenvolver um teste de movimentação das juntas depois de completada sua
fabricação. Dessa forma seria possível antecipar possíveis problemas de fabricação
das juntas de expansão em tempo para uma ação mitigadora. Esse tipo de teste
não é normalmente realizado nesses componentes, tendo sido realizado, na forma
atual, a partir do empreendimento para a Refinaria Henrique Laje – Petrobras (REVAP)
em parceria com a Teadit®. O objeto de
estudo foi verificar a existência de algum tipo de interferência interna
oriunda do processo de fabricação, a influência dos componentes do “hardware” e
a consistência entre o comportamento real das juntas de expansão sob
deslocamento e os valores teóricos calculados utilizando a norma EJMA.
2. Juntas de Expansão
Uma junta de
expansão é um dispositivo flexível capaz de absorver com pequenas reações os
movimentos impostos em um sistema de tubulação sob pressão. Comumente, expansão
térmica, movimentação de equipamentos, vibração e pulsação de pressão podem
causar movimentos em uma tubulação. A restrição a estes movimentos gera tensões
e reações no sistema de tubulações e suas conexões.
As juntas de
expansão são geralmente classificadas pelo material do fole que pode ser
metálico, não-metálico (compósito), elastomérico ou em PTFE. As juntas metálicas
são utilizadas para trabalho em alta temperatura e pressão, as não-metálicas
para baixas pressões e altas temperaturas e as elastoméricas ou PTFE para
sistemas de água e alguns tipos de produto químico a alta pressão e
temperaturas limitadas pelo material do fole. O enfoque neste trabalho serão as
juntas metálicas.
O principal
componente de uma junta de expansão metálica é o fole, fabricado a partir de
uma ou mais lâminas por conformação mecânica ou hidráulica e composta de
corrugações (convoluções) de parede muito delgada que se deforma sob baixos
esforços comportando-se como uma mola. Por isso mesmo, é fabricado em material
muito nobre, para não ser deteriorado pelo meio fluído. Além disso, para o
adequado funcionamento do fole, a junta de expansão é composta de componentes
estruturais (o “hardware”), cujas principais funções são suportar o peso
próprio dos componentes, resistir aos esforços axiais devidos a pressão interna
(empuxo axial), limitar movimentos indesejáveis e proteger o fole de
sobrecargas.
Existem quatro
tipos de movimentos básicos que podem ser aplicados ao fole. São eles (Figura 1): axial, lateral, angular e torção, este último deve ser evitado, pois o
fole tem comportamento instável sob torção. Os foles se comportam como molas,
quando são comprimidos resistem ao movimento da mesma forma que uma mola. A
constante de mola de um fole depende da sua geometria e das propriedades de
material.
Figura 1 –
Ilustração de Tipos de Movimentos da Junta de Expansão. (a) Movimento Axial,
(b) Movimento Angular, (c) Movimento Lateral e (d) Movimento de Torção
A junta de expansão mais simples é a do tipo axial,
que consiste somente de um fole, utilizada para absorver movimentos de tração
ou compressão. Por absorverem os movimentos axiais, acabam por transmitir os
esforços de empuxo devido a pressão interna, que podem ser muito elevados. Numa
junta de 20”
com fole de diâmetro interno igual a 508 mm (Db), construído com duas
lâminas de 1.27 mm
(t) cada e 25 mm
de altura de corrugação, submetida a uma pressão interna de 5 kgf/cm2 (Pd),
a Equação 1 mostra a correspondência desta força.
Onde,
w = altura das corrugações = 50 mm
n = número de lâminas do fole =
2
Ou seja, um valor elevado de cargas que será
transmitido aos bocais de equipamentos conectados ao sistema de tubulação. Por
esse motivo, juntas axiais simples não são utilizadas em sistemas de tubulação
conectadas a equipamentos críticos. Quando dois foles são utilizados temos uma
junta universal, esta configuração permite absorver movimentos axiais, laterais
e angulares maiores que na junta axial. Da mesma forma que na junta axial, o
esforço de empuxo deve ser considerado. Para minimizar esse esforço são
introduzidos tirantes rígidos que, no entanto, restringem os movimentos axiais.
A junta rotulada simples ou dobradiça permite a rotação em apenas um plano e,
devido aos braços de rotação não transmitem empuxo ao sistema. Normalmente são
utilizadas em conjuntos de duas ou três de forma a absorver melhor a
movimentação do sistema. Por fim, a junta bi-rotulada ou cardânica é capaz de
absorver rotação em qualquer plano e, como no caso da junta rotulada, não
transmitem empuxo nem torção ao sistema de tubulações. Por esse motivo, juntas
rotuladas simples ou cardânicas são preferidas para uso em sistemas ligados aos
turboexpansores.
Figura
2 – Tipos de Junta de
Expansão. (a) Junta Atirantada Simples, (b) Junta Universal Atirantada, (c)
Junta Rotulada Simples ou dobradiça, (d) Junta Bi-Rotulada ou Cardânica
3. Mecanismo de Teste
Um mecanismo de
teste foi desenvolvido para realizar os ensaios nas juntas de expansão do tipo
cardânica. O teste consiste na colocação da JE sobre um sistema de sustentação
e posicionamento na vertical. As extremidades da JE são fechadas com um tampo
soldado. O dispositivo consiste numa viga I soldada no tampo superior com um
braço de alavanca de 2 m
(Figura 3),
correntes, talha e dinamômetro digital para aquisição da carga. A influência da
angulação do braço de carregamento no valor das reações da JE foi calculada, porém
não teve influência significativa nos resultados.
Figura 3 –
Junta de Expansão em Posição de Teste. (a) Dispositivo real, (b) Esquema do
Dispositivo
O dinamômetro,
Figura 4 (a), tem capacidade para até 10 toneladas. A angulação dada foi verificada
com um dispositivo fixado a junta mostrado na Figura 4 (b). A
aplicação da carga foi dada por um operador (Figura 4 (c)).
Figura
4 –
Mecanismo de Teste. (a) Dinamômetro Utilizado Durante o Teste, (b) Dispositivo
de Medição de Grau, (c) Aplicação de Carga
Na condição de
carregamento a talha foi acionada gradativamente para que a junta movimentasse
angularmente a partir da posição neutra. Na condição de descarregamento a talha
foi aliviada gradativamente para que a junta movimentasse angularmente
retornando à posição neutra pela reação de mola da junta (Figura 5).
Figura 5 – Esquema de Carregamento e
Descarregamento do Ensaio
Os ensaios
foram realizados em juntas de expansão do tipo cardânica com diâmetros
apresentados na Tabela 1. As JE serão instaladas na linha de entrada do turboexpansor
de uma unidade da Petrobras. O ensaio foi realizado movimentando as JE do
ângulo para o qual foram projetadas, uma JE com movimentação de 3° (n° 20) e
duas JE com movimentação de 6° (n° 16 e 17). As reações correspondentes a cada
passo de movimentação foram registradas durante o processo de carregamento
(angulação crescente) e posteriormente durante o descarregamento (angulação
decrescente).
Cada teste de
carregamento e descarregamento foi realizado nas condições de pressão de
projeto, de operação e na condição sem pressão interna (pressão atmosférica). Todos
os testes foram realizados a temperatura ambiente. As juntas foram
pressurizadas com água para a realização do teste. Os testes foram realizados
para a JE de n° 20 uma única vez e para as JE n° 16 e 17 foram repetidos duas
vezes, tanto no carregamento como no descarregamento.
Tabela 1 –
JE e suas Características
Número
|
Diâmetro
(mm)
|
Pressão de
Projeto (kgf/cm2)
|
Pressão de Operação (kgf/cm2)
|
Ângulo de
Projeto (°)
|
Ângulo de Teste
(°)
|
16
|
1 670
|
3,6
|
2,3
|
6,2
|
6,0
|
17
|
6,2
|
6,0
|
|||
20
|
3,3
|
3,0
|
A Figura 6 mostra a JE n° 20 durante o ensaio de carregamento.
Pode-se observar a existência de certo ângulo de movimentação no topo da mesma.
Figura 6 – Imagens da JE durante ensaio de movimento angular
4. Análise e Discussão dos Resultados
Figuras 7 a 9 apresentam os momentos
aplicados de meio em meio grau para as juntas 20, 16 e 17 respectivamente.
Nota-se que para os testes sob pressão a junta só inicia o movimento depois de
aplicado um valor inicial de carga (ver Tabela 2). A inclinação
das curvas representa o coeficiente de rigidez à flexão da junta, cujo valor
médio característico para cada condição de teste é apresentado na Tabela 3. Observa-se que o
coeficiente aumenta com o aumento da pressão do teste.
O comportamento citado anteriormente é
compatível com as expectativas. A carga inicial é explicada pelo efeito de
atrito nos componentes estruturais da junta de expansão, em especial nas suas rótulas.
Enquanto que o aumento do coeficiente de rigidez à flexão pode ser justificado
pelo aumento da rigidez do fole sob efeito da pressão interna atuante, fenômeno
este comprovado em outros componentes de tubulação (curvas, por exemplo).
Tabela 2 –
Momento inicial para vencer a inércia (junta 20)
Pressão de teste (kgf/cm2)
|
Momento inicial (kgf.m)
|
3,6
|
840
|
2,3
|
496
|
0,0
|
~0
|
Tabela 3 – Coeficiente de rigidez à flexão das juntas nas diversas condições de teste
Pressão de teste (kgf/cm2)
|
Coeficiente de rigidez à flexão (kgf.m/°)
|
|||
Médio
|
Teórico (kgf.m/°)
|
|||
16
|
17
|
20
|
||
3,6
|
1096
|
1036
|
1106
|
1116
|
2,3
|
1022
|
1005
|
1027
|
|
0,0
|
802
|
793
|
813
|
|
Figura 7 –
Momento aplicado na junta 20 a
cada meio grau de movimento – Carregamento
Figura
8 – Momentos aplicados na junta 16 a cada meio grau de
movimento - Carregamento
5. Conclusões
Os testes permitiram confirmar que as juntas testadas não apresentam
interferência oriunda do processo de fabricação, constituindo num procedimento
adequado de aceitação de fabricação das juntas de expansão.
Foi possível constatar a relevância da influência da pressão interna no
cálculo das reações durante a movimentação das juntas, fato não considerado nos
cálculos teóricos apresentados na EJMA. Comparando-se os esforços medidos nas
condições de pressão de projeto, operação e sem pressão, verifica-se que a
pressão interna está diretamente ligada ao aumento do momento de movimentação
angular da junta.
A força de atrito nas articulações é bastante considerável e esta
diretamente ligada à força normal no pino, provocada pela pressão interna. A
influência do atrito nas rótulas das juntas mostrou-se muito significativo
indicando que esse efeito deve ser considerado no projeto de tubulações
(normalmente desprezado) e que deve ser mitigado utilizando dispositivos de
redução de atrito, normalmente não utilizados nesses componentes. Como as
equações do EJMA não levam em consideração o atrito nas articulações, pode-se
afirmar que o valor do esforço calculado é satisfatório e tende para a
segurança do sistema, pois é ligeiramente maior que o valor real. Na realidade
os esforços provocados pelas deflexões angulares na junta de expansão são
maiores do que os esforços calculados com as equações indicadas no EJMA, devido
ao atrito provocado pelas articulações.
Com os resultados deste teste executado é possível efetuar os cálculos
de flexibilidade com maior veracidade nas informações características de cada
junta de expansão.
7. Agradecimentos
NEMA SM 23. “Steam turbines for mechanical
drive service”. 1991.
EJMA. “Standards of the expansion joint manufacturers
association”. Eighth edition, 2003.
Artigo publicado na Conferência da Rio Oil & Gas 2008.
Jorivaldo Medeiros, Jordana
Luiza Barbosa da Costa Veiga, José
Carlos Veiga
Quem tiver interesse, o arquivo do artigo publicado está disponível em:
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