Baixe Resumo livro Silva Telles Cap 1 e outras Resumos em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity!
Capítulo 1: Materiais Para Equipamentos de Processos:
1. Equipamentos de Processo:
Podem ser classificados como: equipamentos de caldeiras, as máquinas e tubulações. ✓ Caldeiras incluem: Vasos de pressão, tanques, esferas, torres reatores, gasômetros, fornos, caldeiras, trocadores de calor, refriadores, aquecedores, filtros, separadores, silos, etc...
✓ Máquinas: Bombas, compressores, sopradores, ejetores, centrifugadores, e outras máquinas de movimentar fluidos.
Campanhas = operação con�nua A�vidade excedendo 36 meses, pode ocasionar Fadigas mecânicas, colapso incremental, escamação, etc.. Os equipamentos de processo estão separados de acordo com a classificação: ▲ Vasos de pressão: torres de des�lação, de fracionamento, de re�ficação, de absorção, etc... / vasos de acumulação e para outros fins / Reatores / esferas de armazenagem de gases ... etc..
▲ Caldeiras
▲ Trocadores de calor: Trocadores de calor propriamente dito / refervedores / resfriadores / aquecedores / condensadores ,....etc...
▲ (^) Fornos
2. Seleção de materiais para equipamentos de processo:
O problema geral consiste em selecionar e especificar um material que atenda com segurança às condições de serviço de uma determinada aplicação, com o menor custo possível, levando-se em conta as propriedades mecânicas dos materiais, resistência à corrosão, facilidade na obtenção e de fabricação, vida ú�l esperada etc.
3. Fatores gerais de influência:
a. Fatores rela�vos à resistência mecânica do material limites de resistência e de escoamento, duc�bilidade (medida pelo alongamento ou redução da área), resistência à influência e à fadiga.
b. Fatores rela�vos ao serviço:
I. Temperatura em que o material deve trabalhar
II. Fluidos em contato deve-se levar em consideração: natureza, composição química, concentração, corrosividade, PH, Impurezas e contaminantes, flamabilidade, toxidez.
III. Ação dos fluidos sobre os materiais: fragilização, alterações químicas e metalúrgica.
IV. Efeito dos resíduos conseqüentes da corrosão: será determinada o Máximo tolerável de contaminação e suas conseqüências sobre a cor, o gosto, a toxidez, ou sobre outras propriedades do fluido. O chumbo por exemplo, é um material de alta resistência à corrosão, mas de emprego limitado, porque deixa resíduos altamente tóxicos.
V. Nível de tensões do material: Ação do vento, peso, reações de dilatações térmicas, sobrecargas externas, esforços de montagem.
VI. Natureza dos esforços mecânicos: independente dos níveis de tensões, a natureza dos esforços existentes ( tração, compressão, flexão, esforços esta�s�cos ou dinâmicos, choques, vibrações, esforços cíclicos).
c. Fatores rela�vos à fabricação do equipamento: formato, �po, tamanho da peça ou do equipamento, soldabilidade ( maior ou menos dificuldade de soldagem, necessidade ou não de tratamentos térmicos, e outros cuidados especiais), usinabilidade, facilidade na conformação do material.
d. Disponibilidade dos materiais: Facilidade na obtenção e forma de apresentação do material (chapas grossas, chapas finas, tubos para condução, tubos de troca de calor, forjados, fundidos, acessórios de tubulação.
e. Custo do material: o melhor será o que for o mais econômico ( Obs: a soldagem do aço inoxidável é muito mais fácil, além de serem dispensáveis os tratamentos térmicos)
f. Experiência Prévia: Inves�gar e analisar se existe com o material escolhido oferecendo o mesmo serviço (equipamento).
g. Tempo de Vida Previsto: Tempo de duração mínima do material tem que ser compa�vel com o tempo de vida ú�l do equipamento, ou para a peça. Leva-se em consideração a Amor�zação: processo de ex�nção de uma dívida, pagamento periódico.
h. Variações toleradas de formas e de dimensões: deformações mecânicas, dilatações, desgaste por corrosão, etc..
i. Segurança: Os materiais de baixo ponto de fusão ( materiais plás�cos, borrachas, alumínio, chumbo, etc..) não podem ser empregados em equipamentos que devam ser à prova de fogo.
4. Outros fatores de influência:
Para tubos em geral:
a. Coeficiente de Atrito: Adotar baixos coeficientes de atritos, deve ser considerada a possibilidade do aumento desse coeficiente durante a vida do equipamento, em decorrência, do próximo serviço, devido a incrustações, corrosão, depósitos, etc.. , que aumentam a rugosidade do material e reduzem a área ú�l de escoamento.
Para tubos e trocador de calor: b. Condu�vidade térmica: pode ser desconsiderado para tubos lisos.
c. Método de fixação de tubos aos espelhos em aparelhos de troca de calor : Madrilagem ( formar, modar, alongar um ori�cio ou furo), soldagem, etc..
d. Material dos espelhos e das chicanas em aparelhos de troca de calor: Corrosão galvânica.
e. Dureza e resistência à abrasão ( perda de material pela passagem de par�culas rígidas sobre uma super�cie): aplica-se às peças sujeitas a desgaste superficial pronunciado, por exemplo, tubulações e outros equipamentos sujeitos ao escoamento de catalisadores, minérios, lamas, fluidos com sólidos em suspensão, escoamento bifásico (gás e liquido), provocando o impingimento ( corrosão por turbulência).
f. Possibilidade de soldas com outros materiais.
5. Observações sobre a seleção dos materiais:
Podem modificar completamente o comportamento do material: temperatura, velocidade rela�va do fluido, concentração, impurezas, PH, etc). Algumas partes dos equipamentos costumam ser diferentes e mais nobre do que o empregado para a construção do equipamento propriamente dito, entre esses casos, podemos citar: ✓ Tubos de trocas de calor de caldeiras, fornos, trocadores de calor, etc ( esses tubos além de estarem em contato com os dois fluidos diferentes, devem sempre ter paredes finas, não só para melhorar a troca de calor.
✓ Peças internas desmontáveis em vaso de pressão ( bandejas, borbulhadores, grades, recheios, etc). Também para possam ter pequenas espessuras, reduzindo assim o peso. As pessas internas não-desmontáveis ( soldadas ou fixadas permanentemente à parede do vaso ) são
- Duc�lidade;
- Tenacidade;
- Dureza;
- Resistência à fluência;
- Resistência à fadiga.
Todas as propriedades mecânicas dos materiais variam com a temperatura.
A resistência à tração é medida nos ensaios de tração, com procedimentos e corpos de prova especificados por normas (ABNT, ASTM, MB4-77 e E-8), onde são determinados os valores dos limites de resistência (LR) e de escoamento (LE).
A resistência mecânica de uma peça metálica, em geral é a mesma em todas as direções, devido a existência de grande quan�dade de grãos orientados aleatoriamente.
A duc�lidade (capacidade do material em se deformar sem se romper) é medida pelo alongamento e pela percentagem de redução de área na ruptura (estricção). Uma boa duc�lidade é muito importante para permi�r que o material possa aceitar, sem se romper, deformações locais resultantes de pontos de concentração de tensões, ou de um aumento súbito de carga por qualquer mo�vo.
A tenacidade é medida pela energia de deformação absorvida pelo material até sua ruptura, é a capacidade do material de resis�r a um choque sem se romper.
Dureza é a resistência do material à penetração superficial (medidas pela escala Brinell, Vickers e Rockwell). Para a maioria das partes dos equipamentos de processo não é geralmente exigido grande dureza, que, pelo contrário, costuma ser prejudicial por dois mo�vos:
- (^) Em geral, os materiais de grande dureza são mais sujeitos à corrosão sob tensão;
- Em geral, também , quando a dureza é muito elevada, a duc�lidade é pequena e essa úl�ma propriedade é bem mais importante. Uma grande dureza pode, entretanto, ser necessária para algumas partes altamente tensionadas ou sujeitas a grande desgaste superficial, como sedes de válvulas, por exemplo. Em geral, a dureza é proporcional ao limite de resistência do material.
A fadiga mecânica é o fenômeno da ruptura de um material com tensões inferiores ao limite de resistência, ou de escoamento, em conseqüência da aplicação de um carregamento cíclico. A resistência à fadiga é medida pelo n° de ciclos necessários para a ruptura. O limite de fadiga costuma ser cerca de metade do limite de resistência dos aços usuais.
9. Recursos para melhorar as propriedades mecânicas dos materiais metálicos:
2.a. Composição química: para quase todos os materiais metálicos pode-se conseguir um grande aumento na resistência mecânica e na dureza, pela adição de elementos de Liga. Pode-se aumentar a resistência à influência, à tenacidade e à abrasão.
2.b. Processos de fabricação, acabamento e conformação e espessura do material: Por processos de fabricação e de acabamento estamos entendendo os processos de
laminação, extrusão, trefilação, forjamento e fundição ou variantes ou combinações desses. ( os processos resultam em deformação plás�ca, exceto: fundição).
Um grande aumento no limite de escoamento e na dureza do material pode ser conseguido por trabalhos de deformação a frio no material ( martelamento, calandragem, dobramento, etc).
Encruamento é o aumento na tensão necessária para causar uma nova deformação plás�ca. O encruamento causa, uma sensível redução na duc�bilidade do material e não é uma condição estável, porque pode ser modificada pela ação do tempo.ou por um ciclo térmico.
Deformação à frio: realizada em temperatura inferior à temperatura de recristalização do material. Qualquer deformação à frio introduz tensões internas no material, que podem prejudicar à corrosão ( maior tendência à corrosão sob tensão) e a resistência ao impacto.
Deformação à quente: Realizada em temperatura superior à temperatura de recristalização do material.
As chapas muito grossas, além de menor resistência mecânica unitária e maior custo por peso têm, também, maior incidência de defeitos internos, maior dificuldade no controle de qualidade, menor uniformidade metalúrgica e química, menor resistência ao impacto, e maior dificuldade em se conseguir o efeito de tratamento térmicos.
2.c. Tratamento de grão do material: Aumento na resistência mecânica com redução do tamanho dos grãos.
2.d. Tratamentos Térmicos: um grande aumento nos limites de resistência e de escoamento, e na dureza, pode ser conseguido pelo tratamento de têmpera ( é sempre seguida do tratamento de revenido, que melhora a duc�bilidade do material, emboira reduzindo um pouco a resistência mecânica e a dureza).
A melhoria na duc�bilidade e na resistência ao impacto, prejudicadas pelo encruamento resultante de deformações à frio, pode ser conseguida pelo recozimento, que também causa alguma redução na resistência mecânica e na dureza.
- Tratamento Térmicos de normalização ou de têmpera: chapas, tubos, forjados, etc...
- Recozimento e alívio de tensão: Equipamentos prontos.
Recursos para aumentar a resistência mecânica de um material metálico:
- Adição de elementos na liga
- Trabalhos de deformação a frio (encruamento)
- Redução do tamanho dos grãos
- Tratamentos térmicos
Laminado: sem nenhum tratamento térmico, ou normalizados, ou ainda, temperados revenidos.
10. Processos que conduzem a falhas de serviço:
- Resistência à corrosão dos diversos materiais.
- (^) Maior ou menor dificuldade de soldagem
- Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho do material
- Necessidade ou não de alivio de tensões.
