Norma ASME B31.3: tudo sobre tubulações de processos químicos

Introdução

O Código ASME B31 para tubulações pressurizadas consiste de um conjunto de seções individuais, cada uma delas conhecidas como Normas ASME, e são revisadas e publicadas periodicamente pela American Society of Mechanical Engineers.

Cada seção versa sobre um tipo de material a ser transportado ou indústria específica (como usinas de geração de energia elétrica). Algumas das seções são:

B31.3: tubulações para processos químicos – de uso geral, desde petróleo a farmacêuticas e papel e celulose;
B31.4: tubulações para líquidos e lamas – para materiais predominantemente líquidos;
B31.8: tubulações para gases – para materiais predominantemente gasosos;
B31.12: tubulações para serviços de hidrogênio: sendo uma molécula extremamente leve e pequena, o hidrogênio recebe tratamento especial.

Uma dificuldade comum quando se pesquisa sobre normas é justamente encontrar as suas informações, já que para isso é necessário pagar uma quantia relevante. Por isso, compartilharei algumas informações que podem ser muito úteis caso seu desejo seja especificar uma tubulação para processos químicos.

Tópicos abordados pela ASME B31.3

Duas coisas que a ASME B31 sempre faz questão de repetir são: 1) a responsabilidade final do design é do proprietário (owner) do sistema de tubulações; e 2) as seções da norma não são handbooks de design de tubulações; muitas decisões para se obter um sistema de tubulações razoável não são detalhadas nessas seções.

Feito este adendo, o que a norma aborda?

referências a especificações e padronizações aceitáveis sobre materiais e acessórios, incluindo requisitos quanto às dimensões e classificação de condições de pressão e temperatura;
requisitos para o projeto de componentes e conjuntos, incluindo suportes de tubulação;
requisitos e dados para avaliação e delimitação de estresses, reações e movimentos associados à mudanças de temperatura, pressão entre outros;
orientação e limitações na seleção e aplicação de materiais, componentes e métodos de junção;
requisitos para fabricação, montagem e içamento da tubulação;
requisitos para avaliação, inspeção e teste de tubulação.

Estrutura da Norma ASME B31.3

A norma ASME B31.3 começa o capítulo I com declarações e definições gerais.

Neste capítulo, a Seção chama de Código Base (Base Code) o conjunto de capítulos que vai do I ao VI, que descreve todos os requerimentos para serviços não classificados pelo owner como M, Alta Pressão ou Serviço de Alta Pureza (vide tópico a seguir).

Para tubulações cujos serviços caem na categoria M, todos os requerimentos estão no capítulo VIII.

Para tubulações cujos serviços caem na categoria Alta Pressão, todos os requerimentos estão no capítulo IX.

Para tubulações cujos serviços caem na categoria Alta Pureza, todos os requerimentos estão no capítulo X.

Para tubulações cujos serviços caem na categoria Fluido Normal, todos os requerimentos dos capítulos I a VI são aplicáveis a severas condições cíclicas, a menos que requerimentos alternativos para condições cíclicas sejam exigidas.

Para tubulações cujos serviços caem na categoria Fluido Normal, todos os requerimentos dos capítulos I a VI são aplicáveis à categoria de serviço de Alta Temperatura, a menos que requerimentos alternativos para serviço de Alta Temperatura sejam exigidas.

Classificação dos Fluidos por Serviço

Ainda no capítulo I, a Seção B31.3 da Norma ASME categoriza o sistema de tubulação conforme as características do fluido/sistema:

Serviço Categoria D: todas as seguintes condições são respeitadas:

1. o fluido manuseado não é inflamável, não é tóxico e
  não prejudicial aos tecidos humanos;
2. a pressão manométrica de projeto não exceda 1.035
  kPa (150 psi);
3. a temperatura projetada não é superior a 186°C
  (366°F);
4. a temperatura do fluido causada por qualquer outra
  que não as condições atmosféricas não é inferior a -29°C
  (-20°F).

Serviço Categoria M: ambos os itens a seguir se aplicam:

1. o fluido é tão altamente tóxico que uma única exposição a uma quantidade muito pequena do fluido, causada por vazamento, pode produzir danos graves e irreversíveis às pessoas em
  respiração ou contato corporal, mesmo quando medidas restaurativas imediatas são tomadas;
2. após consideração do projeto da tubulação, experiência, condições de serviço e localização, o owner determina que os requisitos para Serviço Normal não fornecem a estanqueidade necessária para proteger os operadores da exposição.

Serviço de fluido de temperatura elevada:

1. um serviço fluido em que a temperatura do metal da tubulação é mantida igual ou superior a Tcr. Tcr é uma temperatura corrigida de modo a dar uma margem de segurança ao estar sempre abaixo de temperaturas em que fenômenos como fluência começam a ser relevantes.

Serviço de fluido de alta pressão:

1. um serviço fluido para o qual o owner especifica o uso do Capítulo IX para projeto de tubulação e construção.

Serviço de fluido de alta pureza:

1. um serviço fluido que requer métodos alternativos de fabricação, inspeção, exames e testes não cobertos em outras partes do Código, com a intenção de produzir um nível controlado de limpeza. O termo aplica-se, portanto, a sistemas de tubulação definidos para outras finalidades como alta pureza, ultra alta pureza, higiene, ou asséptico.

Serviço de fluido Normal:

1. um serviço fluido relativo a maioria das tubulações cobertas pela Seção B31.3, ou seja, não sujeitas ao regras para Categoria D, Categoria M, Temperatura Elevada, Alta Pressão e Alta Pureza.

Abaixo, uma imagem retirada do Anexo M da seção ASME B31.3, que serve como um guia geral para seleção da classificação das tubulações.

Vale sempre ressaltar que em última instância o owner das tubulações é o responsável por decidir se tubulações que poderiam ser classificadas como Categoria D, por exemplo, devem ser enquadradas em Alta Pressão, etc.

Tensões Permissíveis

As “tensões permissíveis básicas”, S, listadas para diversos materiais e condições de temperatura no Anexo A da Seção foram determinadas seguindo os seguintes critérios:

a) Para a construção das tabelas do Anexo A, a tensão de ruptura foi considerada como 1,1* S_t * R_t, onde S_t é a menor tensão de ruptura do material à temperatura ambiente e R_t é a razão da tendência da curva deformação x tensão pela tensão de ruptura na temperatura ambiente;

b) Para a construção das tabelas do Anexo A, a tensão de escoamento foi considerada como S_y * R_y, onde S_y é a menor tensão de escoamento do material à temperatura ambiente e R_y é a razão da tendência da curva deformação x tensão pela tensão de escoamento na temperatura ambiente;

Ferro cinzento (Grey Cast Iron): os valores de tensões permissíveis básicas na temperatura de projeto não devem exceder o menor dos seguintes valores:

Um décimo da S_t;
Um décimo da tensão de ruptura na temperatura.

Ferro maleável (Malleable Cast Iron): os valores de tensões permissíveis básicas na temperatura de projeto não devem exceder o menor dos seguintes valores:

Um quinto da S_t;
Um quinto da tensão de ruptura na temperatura.

Para outros materiais, os valores de tensões permissíveis básicas na temperatura de projeto não devem exceder o menor dos seguintes valores:

O menor dentre um terço da S_t e um terço da tensão de ruptura na temperatura;
O menor dentre dois terços da S_y e dois terços da tensão de escoamento na temperatura, exceto como indicado no item 3);
Para aços inoxidáveis austeníticos e ligas de Níquel com comportamentos similares, o menor dentre dois terços da S_y e 90% da tensão de escoamento na temperatura.

Cálculo da espessura de parede

Na parte 2 do Capítulo II, são descritas as diretrizes gerais e específicas para design dos principais componentes de uma tubulação.

Para um tubo reto,

t_m = t + c (1)

Onde:

a) t_m é a mínima espessura aceitável calculada. A espessura mínima comercial deve ser igual ou maior a espessura mínima calculada.

b) c é a soma de todas as sobrespessuras de corrosão e erosão permitidas. Quando não especificada, a tolerância a ser considerada deve ser de .02 in.

c) t é a espessura calculada pela fórmula de Barlow:

Onde:

a) P é a pressão de projeto e manométrica (psig);

b) D é o diâmetro externo, em polegadas, associado ao diâmetro nominal escolhido;

c) S é a tensão admissível (psi) escolhida usando a lógica do tópico anterior e a tabela do Anexo A da ASME B31.3;

d) E é o fator de qualidade da junta de solda, que podemos assumir na maioria dos casos como sendo 0.80;

e) W é o fator de redução da resistência da junta de solda. Frequentemente ignorado, ele leva em consideração o fato de que, em temperaturas elevadas, a resistência de uma junta de solda pode ser menor do que seria em condições mais brandas.

De acordo com a ASME B31.3, o fator W se aplica apenas em locais soldados de tubulações com costura longitudinal ou espiral (helicoidal).

f) Y é um coeficiente cujos valores serão dados a seguir.

É importante ressaltar que esta fórmula é aplicável somente quando t é menor ou igual a D/6, conforme destacado pela norma.

Para t maior ou igual a D/6 ou para P/SE maior que 0.385, o cálculo da espessura de projeto para um tubo reto requer consideração especial de fatores como teoria da falha, efeitos de fadiga e estresse térmico.

Alguns Dados Úteis

Abaixo, compartilho os valores do fator W e do coeficiente Y (para t menor ou igual a D/6).

Nota (9) da tabela 302.3.5: Para materiais além de Aço-Carbono, CrMo, CSEF e as ligas austeníticas listadas na tabela, W deverá ser calculado como se segue: para Ti ≤ Tcr, W = 1.0. Para unidades em SI, para Tcr < Ti ≤ 816°C, W = 1 − 0.00164(Ti −Tcr).

Conclusão

Neste artigo trouxe informações e dados que considero valiosos para o entendimento da norma ASME B31.3 e também para a aplicação da fórmula de Barlow para o design de uma tubulação. Espero que lhe seja útil. Até a próxima!

Referências:

B31.3 – Process Piping – ASME

Crucial Know-How: ASME B31.3 Standard for Piping Experts (petrosync.com)