Tubulação Flexível e Conexões para Sistema de Freio de Veículos Ferroviários
Abstract Sistema de tubulação flexível e conexões para substituição de tubulação Schedule 80
atualmente utilizada no sistema de freio de vagões. O sistema consiste de tubulações flexíveis em
compósito PA12, com resistência a altas pressões, e suas conexões desenvolvidas durante o projeto,
que permitem a substituição direta da tubulação Schedule 80 pela flexível sem adaptações ou
alterações nos demais componentes do sistema de freios tradicional dos vagões. A proposta visa
eliminar custos devido à corrosão das tubulações Schedule 80, reduzir o peso final do vagão,
facilitar a execução da manutenção, diminuir vazamentos indesejados de ar, entre outros benefícios.
Foram feitos testes em vagão protótipo na ferrovia, os quais apresentaram funcionamento normal
quando em operação, não sendo necessários procedimentos diferenciados dos demais vagões para
sua circulação. Atualmente os vagões se encontram em fase de operação assistida e a partir do
próximo ano o objetivo é disseminar a solução para a frota de vagões.
Palavras-Chaves: Vagões, sistema de freio, tubulação flexível, conexões.
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVO
O presente paper visa apresentar o sistema de tubulação flexível e conexões para substituição de
tubulação Schedule 80 atualmente utilizada no sistema de freio pneumático de vagões.
2. HISTÓRICO E DESCRIÇÃO
2.1 Corrosão
Devido ao agressivo meio em que circulam, expostos às mais diversas formas de intempéries, como
maresia, particulados de minério de ferro, fertilizantes, entre outros, os tubos de aço atualmente em
uso no encanamento do sistema de freio dos vagões sofrem de corrosão acelerada, gerando furos
que ocasionam vazamentos de ar. Estes vazamentos podem ocasionar sapatas agarradas, podendo
evoluir para ocorrências de “hot-wheel”. Além disso, tem-se maior desgaste das sapatas e rodas,
com perda de eficiência energética. Consequentemente, aumenta-se a emissão de poluentes na
atmosfera devido à maior necessidade de queima de combustíveis.
Figura 1: Tubo Schedule 80 instalado em vagão GFE: nota-se claramente a oxidação presente. O avançado estágio da
corrosão ocasiona furos no encanamento, proporcionando pontos de vazamento de ar.
Entre 2005 e 2007, foram substituídos em média 7.000 metros de tubulação Schedule 80 por ano
devido à corrosão nas oficinas da ferrovia. Isto aumenta a retenção dos vagões, impactando na
disponibilidade física dos mesmos, além de aumento de gastos com mão de obra e insumos para a
substituição dos mesmos.
Tabela 1: Histórico de retenção de vagões para substituição de encanamento oxidado
A Tabela 1 mostra que em média, entre os anos de 2006 e 2008, 259 vagões foram retidos
anualmente nas oficinas apenas para substituição de tubulação Schedule 80 oxidada – levando-se
em conta somente as frotas mais expressivas da ferrovia. A mobilização destes ativos tem elevado
custo para a ferrovia.
2.2 Termodinâmica
Nas épocas mais frias do ano, aumentam as reprovações de teste de cauda das composições,
contribuindo para o aumento de trem hora parado (THP) da ferrovia. Isto se deve aos vazamentos
no encanamento geral provocados pelas contrações da tubulação devido à variação térmica. Esta
contração ocasiona a folga das vedações nos encontros da tubulação com uniões e demais
componentes do sistema de freio, aumentando o índice de vazamento de ar do sistema.
Figura 1: Detalhe do encanamento de vagão GFE
Utilizando-se a equação da expansão térmica linear, alimentada de dados que simulam situações
reais da ferrovia, podemos obter a contração teórica do encanamento geral quando da circulação
normal dos trens.
ΔL = α L0 ΔT
Sendo:
ΔL = variação de comprimento
α = coeficiente de dilatação térmica do aço
L0 = comprimento inicial
ΔT = variação da temperatura
Para uma variação térmica de 20º C e tubulação com 8.000mm de comprimento, temos:
ΔT = 20º C
L0 = 8.000 mm
α = 13 x 10-6 / ºC
ΔL = 13 x 10-6 / ºC x 8.000 mm x 20º C
ΔL = 2,08 mm
Portanto, 2,08 milímetros de contração da tubulação para a situação simulada. Somando-se a isso as
vibrações normais oriundas da circulação das composições, temos grande potencial de vazamentos
de ar ao longo do trem.
2.3 Emergências Indesejadas (UDE´s)
Os vazamentos de ar em uma composição geram em algumas ocasiões, emergências indesejadas
(UDE´s). Estas consistem na aplicação de frenagem de emergência na composição, sem haver
ocorrido alguma falha que justifique a aplicação, como, por exemplo, um descarrilamento.
As UDE´s contribuem para o aumento de trem hora parado (THP) da ferrovia. Para cada hora que a
composição não pode circular, devido a algum motivo de força maior, como uma reprovação de
teste de cauda, aplicação de emergência indesejada ou outro, há um custo para o operador da
ferrovia.
2.4 Manutenção da tubulação Schedule 80
Ao se detectar furos na tubulação devido à corrosão, faz-se necessário a remoção da mesma.
O processo de remoção da tubulação Schedule 80 envolve corte com maçarico, conforme se vê na
figura abaixo:
Figura 3: Corte da tubulação com maçarico (esq.) e tubulação removida (dir.)
Ao se fazer a instalação da nova tubulação, há a necessidade de se projetar e executar curvas nos
tubos de aço, que são aquecidos e dobrados, processo que despende tempo considerável, além de
bastante esforço por parte do funcionário.
Figura 4: Projeto de curva do encanamento geral ao passar dentro da viga central (esq.) e curvas da tubulação do suporte
do encanamento (dir.).
Com a instalação da tubulação flexível, tem-se o ganho de produtividade na oficina, devido à sua
facilidade de manuseio. Por serem flexíveis, eliminam a necessidade de se projetar e executar
dobras como as feitas nos tubos de aço, além das melhores condições ergométricas de trabalho, pois
a tubulação de compósito, mais leve e flexível que os tradicionais tubos de aço, permitem ao
funcionário menos esforço durante a manutenção e menor risco de lesões.
Após levantamento de campo para registro do tempo necessário para a substituição do encanamento
de freio de um vagão GFE na oficina responsável pela execução do serviço, pôde-se constatar que a
execução das dobras dos canos consome cerca de 50% do tempo total para a execução do serviço.
Portanto, eliminando-se a necessidade de dobra da tubulação, tem-se um ganho direto de 50% na
produtividade da oficina.
3. TUBULAÇÃO FLEXÍVEL
A tubulação flexível é fabricada a partir de um compósito de alta maleabilidade e elevada
resistência, denominado PA12. Sua resistência excede os limites normais de pressão de trabalho de
90 psi utilizado no sistema de freio pneumático dos vagões da ferrovia.
A temperatura de trabalho do compósito garante a segurança durante a operação do vagão, pois
abrange a faixa de -40º C até 100º C. Deve-se, porém, atentar para a utilização de maçaricos nas
proximidades da tubulação, pois o calor acima da faixa especificada pode danificá-la.
Figura 5: Tubulação Schedule 80 e tubulação flexível (esq.). Fornecimento em rolo da tubulação flexível (dir.).
Em ensaio de ruptura realizado para o diâmetro de 1 ¼”, para utilização no encanamento geral, a
pressão de estouro chegou a 870 psi.
Figura 6: Teste de estouro realizado em tubulação PA12
Com a adoção da tubulação flexível, a incidência de corrosão é eliminada, assim como os
problemas causados pela contração da tubulação (folga junto às conexões).
Tanto o encanamento geral quanto os dos reservatórios, cilindro, etc., podem ser substituídos pela
tubulação flexível. Foram projetadas tubulações com diâmetro de 1¼”, ¾” e ½”. O diâmetro de 1¼”
é utilizado no encanamento geral, o Ø= ¾” para o encanamento do reservatório de ar, cilindro de
freio e válvula vazio-carregado. O Ø= 3/8”, de Schedule 80 ligando o retentor de alivio ao suporte
do encanamento geral, foi substituído pelo Ø= ½” da tubulação flexível, devido à maior facilidade
para instalação das conexões.
Conforme citado anteriormente, entre 2005 e 2007 foram substituídos em média 7.000 metros de
tubulação Schedule 80 por ano devido à corrosão nas oficinas da ferrovia. Com a eliminação da
incidência de oxidação na tubulação, gera-se economia direta deixando-se de comprar a tubulação
para troca. Além disso, elimina-se a necessidade de retenção do ativo, assim como de mobilização
de mão-de-obra para execução do serviço.
*Este valor foi calculado levando-se em consideração os valores de mercado para tubos Schedule
80 com diâmetros de 1¼”, ¾” e 3/8”.
4. CONEXÕES
Afim de que a tubulação flexível possa ser instalada diretamente nos vagões, sem que haja
necessidade de troca ou adaptação de quaisquer outros componentes, como válvulas, reservatório,
torneiras, cilindro de freio, etc., foram desenvolvidas conexões especiais para a ligação nos
componentes tradicionais do sistema de freio dos vagões.
Figura 7: Conexões para a tubulação flexível DN= 3/8” e DN= 1 ¼” (esq.). Modelagem da conexão de 1 ¼” (dir.).
As conexões foram desenvolvidas nos diâmetros de 1¼”, ¾” e ½”, levando-se em consideração a
espessura de parede projetada para cada diâmetro correspondente da tubulação.
A tubulação flexível é encaixada manualmente nas conexões, sendo a porca responsável por
garantir a vedação da extremidade da conexão em contato com a tubulação, enquanto que, na outra
extremidade os “o-rings” fazem a vedação do ar.
Figura 8: Montagem dos adaptadores em válvula EL-60
Figura 9: Reservatório de ar com as conexões montadas (esq.) e com a tubulação flexível instalada (dir.).
Figura 10: Suporte do encanamento com tubulação de aço (esq.) e com tubulação flexível (dir.)
5. CONCLUSÃO
Portanto, com a substituição da tubulação Schedule 80 pela tubulação flexível, são gerados os
seguintes benefícios:
Aumento da produtividade nos processos internos:
- Através redução de tempo despendido durante a manutenção dos encanamentos de freio,
devido à simplicidade para desmontagem e montagem da tubulação.
- Aumento da disponibilidade dos vagões: eliminação das retenções devido a defeitos no
encanamento causados por corrosão.
Aumento da segurança do transporte:
- Através da redução de vazamentos de ar na composição devido a furos no encanamento
causados por corrosão e folga das conexões devido à contração térmica dos tubos de aço.
Consequentemente, tem-se a redução de ocorrências de sapatas agarradas, "hot-wheel" e
emergências indesejadas.
Aumento da segurança do trabalho:
- Através da flexibilidade da tubulação elimina-se a necessidade de confecção de curvas como
feito nos canos de aço. Soma-se a isso o menor peso, tem-se, portanto, melhores condições
ergométricas para o funcionário encarregado da manutenção.
Redução de custos:
- Elimina-se o custo de aquisição de tubulação Schedule 80 para substituição de encanamentos
oxidados, além da redução de custos com a mobilização do ativo para ser manutenido e da mãode-obra para execução da troca.
- O custo por metro da tubulação flexível é inferior ao da tubulação Schedule 80.
- Estimando-se que um significativo percentual das emergências indesejadas tenham como
causa vazamento de ar devido à oxidação e contração do encanamento, tem-se uma economia de
valor expressivo devido à redução de THP (trem hora parado) quando da utilização da tubulação
flexível para as frotas críticas consideradas na Tabela 1.
Melhoria da qualidade dos serviços oferecidos aos clientes:
- Com o menor potencial para ocorrências ferroviárias devido a falhas do sistema pneumático de
freio, tem-se uma melhor qualidade dos serviços prestados.
Aumento da oferta de transporte:
- Através do aumento da disponibilidade do ativo, conforme citado no item “Aumento da
produtividade nos processos internos”.
Redução de danos ao meio-ambiente:
- Aumento da eficiência energética devido à redução de tara do vagão e menor índice de
vazamentos da composição. Quando o trem circula com sapatas agarradas, perde-se eficiência
energética devido à necessidade de maior consumo de combustíveis para se vencer a resistência
das sapatas freando as rodas.
6. AGRADECIMENTOS
A todos envolvidos no desenvolvimento do projeto, direta ou indiretamente.
7. REFERÊNCIAS
[1] Association of American Railroads, Manual of Standards and Recommended Practices, Seções
C e E, 2008.
[2] GENTIL, Vicente. Corrosão. Editora LTC.
8. RESULTADO DOS TESTES
Está em circulação na ferrovia, desde 18/08/2009, um vagão protótipo com a tubulação flexível.
Para a instalação, removeu-se toda a tubulação em aço do vagão (encanamento do cilindro de freio,
reservatório de ar, suporte do encanamento, encanamento geral, etc.) nos diâmetros 1 ¼”, ¾”e 3/8”.
Figura 11: Tubulação Schedule 80 antes da retirada (esq.) e após remoção do vagão GFE (dir.)
Nas fotografias pode-se constatar o estado avançado de corrosão em que se encontrava a tubulação.
Em seguida foram dispostas algumas fotografias retiradas durante a montagem do vagão protótipo,
a fim de se ilustrar o processo de montagem das conexões e da tubulação flexível:
Figura 12: Vagão sobre cavaletes preparado para a instalação da nova tubulação (esq.). À direita, nota-se a flexibilidade
da tubulação PA12.
Figura 13: Conexões e tubulação flexível instalada no vagão. Detalhe da união (esq.) e da torneira angular (dir.).
Figura 14: Válvula EL-60 removida do vagão (esq.), e a válvula com tubulação flexível instalada (dir.)
Figura 15: Tê de ramal (esq.) e conexões instaladas no tê de ramal (dir.)
As fotografias evidenciam a facilidade do processo de montagem da nova tubulação, em detrimento
da morosidade da montagem da tubulação em aço.
O vagão protótipo encontra-se em circulação, apresentando funcionamento livre de falhas e sem
necessidade de quaisquer procedimentos especiais para sua operação. Atualmente está em fase de
operação assistida, com expectativa para instalação nos demais vagões da frota a partir de 2011.