Análises de Vasos de pressão e projetos de válvulas industriais

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As válvulas industriais são equipamentos responsáveis por controlar e direcionar o fluxo de fluidos de acordo com as necessidades do processo industrial e da função do equipamento. As válvulas são muito utilizadas e de grande importância em algumas indústrias, como nas indústrias petroquímica e farmacêutica, porém esses equipamentos representam um grande risco se não projetados e aplicados corretamente, pois se tornam possíveis pontos de falha, suscetíveis a vazamentos de fluidos em altas pressões. 

As válvulas podem ser entendidas como tipos de vaso de pressão, que são definidos como reservatórios para contenção de pressão de um fluido. Neste caso, a válvula deve conter o fluido e suportar sua pressão quando fechada e permitir sua passagem quando aberta, suportando o fluxo em seu interior. 

As válvulas industriais são equipamentos responsáveis por controlar e direcionar o fluxo de fluidos de acordo com as necessidades do processo industrial e da função do equipamento. As válvulas são muito utilizadas e de grande importância em algumas indústrias, como nas indústrias petroquímica e farmacêutica, porém esses equipamentos representam um grande risco se não projetados e aplicados corretamente, pois se tornam possíveis pontos de falha, suscetíveis a vazamentos de fluidos em altas pressões.   As válvulas podem ser entendidas como tipos de vaso de pressão, que são definidos como reservatórios para contenção de pressão de um fluido. Neste caso, a válvula deve conter o fluido e suportar sua pressão quando fechada e permitir sua passagem quando aberta, suportando o fluxo em seu interior.

Esses equipamentos devem ser projetados de modo a evitar falhas estruturais provocadas pelas altas pressões, analisando concentrações de tensão, deformação, fadiga e efeitos térmicos sobre a estrutura. Além disso, o projeto deve garantir a passagem do fluido de acordo com as necessidades do processo, para isso, o escoamento do fluido e suas características devem ser avaliados.

A grande maioria das indústrias que utilizam vasos de pressão trabalha em regime contínuo, durante muitos meses sem poder parar para manutenções com frequência. Os equipamentos permanecem submetidos a um regime severo de operação, muitas vezes em condições de grande risco, submetidos  a cargas elevadas, podendo conter fluidos inflamáveis e/ou explosivos  em elevadas pressões e temperaturas, condições nas quais qualquer falha pode resultar em um acidente ou mesmo um desastre de grandes proporções.

Para evitar essas falhas, existem normas técnicas que todas as empresas que fabricam válvulas industriais devem seguir, e têm como objetivo criar regras seguras para projetos e fabricação desses equipamentos, apresentando metodologias e critérios para dimensionamento, fabricação, realização de ensaios, além de listar materiais aplicáveis e suas respectivas tensões admissíveis. 

A norma ABNT NBR 15827, inicialmente criada para atender às necessidades internas da Petrobrás, se tornou uma norma geral para atender todas as empresas de válvulas que querem fornecer para a estatal e estabelece os pré-requisitos mínimos de projeto e testes para a validação de válvulas industriais. No que diz respeito ao projeto do equipamento, a NBR 15827 refere-se à norma norte-americana, ASME Seção VIII Divisão 2. Atualmente, esta norma inclui as diretrizes para a utilização do Método dos Elementos Finitos (MEF) na análise e validação de vasos de pressão. 

A norma ASME VIII Divisão 2 define alguns requisitos e parâmetros a serem seguidos para validação das análises. A validação requer um procedimento detalhado de projeto, contendo resultados a partir de análise de tensões para avaliar condições de colapso plástico, falha local, flambagem e carregamento cíclico. A análise relaciona os limites das tensões com alguns dos modos de falha que se pretende evitar, aplicando os devidos coeficientes de segurança. Esses critérios de aceitação das tensões nos componentes devem ser avaliados nas temperaturas ambiente, mínima e máxima na correspondente pressão e com os carregamentos  de acionamento e fixação conforme ASME Sec.VIII – Div.2. 

Uma prática muito utilizada nessas análises é a Linearização de Tensão. A distribuição de tensões (em geral não linear) ao longo do componente é linearizada para se poderem extrair tensões de membrana e de flexão. As normas citadas estabelecem que a metodologia utilizada para a linearização das tensões deve ser descrita e  apresentada em detalhes. A Virtual CAE tem experiência nesse tipo de análise e já participou do processo de projeto e homologação de válvulas industriais seguindo as referidas normas e realizando as análises conforme todos os requisitos.

 

Experiência da Virtual CAE com vasos de pressão:

Para que possibilitasse à empresa RTS Válvulas conseguir a certificação de acordo com a NBR 15827, a VirtualCAE planejou e executou duas fases de cálculo numérico: 

  1. Escoamento de fluidos em cálculo de perda de carga (CFD – Computer Fluid Dynamics);
  2. Cálculo estrutural (FEA – Finite Element Analysis) segundo requisito de projeto da norma ASME Seção VIII Divisão 2, requisitos de fadiga, análise térmica e linearização de tensão. 

A correlação na parte estrutural em comparação com análise experimental (análise em laboratórios) foi de 98% e a correlação na parte de fluido dinâmica foi de 97,5%. Este trabalho foi desenvolvido utilizando como ferramenta numérica o software SolidWorks Flow Simulation e Simulation Premium que, pelo fato de trabalharem na mesma plataforma, permitiram a integração num mesmo ambiente de trabalho as análises estruturais e escoamento de fluido.

Análises de Vasos de pressão e projetos de válvulas industriais

A Virtual CAE possui softwares e pacotes que permitem todas as análises necessárias para o estudo desse tipo de equipamento, desde análise de mecânica dos fluidos até análise de fadiga. Além disso, também fornece suporte para que o fabricante consiga validar os componentes projetados conforme as normas vigentes, obtendo assim um equipamento seguro que poderá cumprir seus objetivos.

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