Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas
PROJETO VASO DE PRESSÃO (AUTOCLAVE) PARA
VULCANIZAÇÃO DE MANGUEIRAS DE BORRACHA
AUTOMOTIVA
Carlos Alberto Garcia Nava
Itatiba 2005.
II
Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas
PROJETO VASO DE PRESSÃO (AUTOCLAVE) PARA
VULCANIZAÇÃO DE MANGUEIRAS DE BORRACHA
AUTOMOTIVA
Carlos Alberto Garcia Nava
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica
Automação e Sistemas da Universidade São Francisco,
sob a orientação do Prof. Dr. Fernando César Gentile,
como exigência parcial para conclusão do curso de
graduação.
Orientador: Prof. Dr. Fernando César Gentile.
Itatiba – São Paulo – Brasil
Novembro de 2005
III
PROJETO VASO DE PRESSAO (AUTOCLAVE) PARA
VULCANIZAÇÃO DE MANGUEIRAS DE BORRACHA
AUTOMOTIVA
Carlos Alberto Garcia Nava
Monografia defendida e aprovada em 02 de Novembro de 2005 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof Dr. Fernando César Gentile (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof Mestre Eduardo José Santore
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof Eng. Ivo Giannini
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
IV
Agradecimento
Agradeço a todos que contribuíram de forma direta e indireta para a
realização deste trabalho.
Agradeço o Professor Dr. Fernando César Gentile, meu orientador que
incentivou a realização deste trabalho.
Aos Professores Dr. Paulo Silveira e Dr. Neide Mariano, que me
orientaram, tornando-me capaz de executar este trabalho.
Faço um agradecimento especial a minha família e a minha esposa com
quem pude contar em todos os momentos em que precisei.
Agradeço a Deus por possibilitar-me na realização deste trabalho, pois
sem Ele nada podemos.
V
Sumário
Resumo.................................................................................................................VII
1. Introdução...........................................................................................................1
1.1Objetivo e Justificativas..............................................................2
2.Revisão Bibliográfica..........................................................................................3
2.1 Vulcanização...............................................................................3
2.2 Vaso de Pressão.........................................................................4
2.3 Materiais para Vaso de Pressão................................................5
2.4 Conceitos de Pressão e Temperatura.......................................6
2.5 Pressão e Temperatura de Operação.......................................7
2.6 Pressão e Temperatura de Projeto............................................8
2.7 Pressão Máxima de Trabalho Admissível.................................9
2.8 Finalidade do Teste Hidrostático.............................................10
2.9 Cálculo de Vaso de Pressão....................................................11
2.10 Segurança de Operação para Vaso de Pressão...................14
2.11 Isolamento Térmico................................................................15
3. Materiais e Método............................................................................................16
3.1 Analise do Processo Anterior..................................................16
3.2 Material.......................................................................................19
3.3 Dimensionamento das Bandejas.............................................19
3.4 Projeto do Vaso de Pressão Vertical.......................................22
3.5 Válvula de Segurança para o Vaso de Pressão Vertical........26
3.6 Construção do Vaso de Pressão Vertical...............................26
VI
4. Resultado...........................................................................................................28
5. Conclusões........................................................................................................29
6. Recomendações...............................................................................................29
Referencias Bibliográfica.....................................................................................30
VII
Resumo
A competitividade no atual cenário econômico, onde existe um
grande número de concorrentes nacionais e estrangeiros, força as indústrias a
investirem tempo e recurso na difícil tarefa de baixar seus custos, tanto os fixos
como os de produção. A facilidade de introdução de um novo produto no mercado
depende diretamente de seu preço, que, por sua vez, depende dos custos
envolvido na sua fabricação. Neste trabalho são propostas mudanças no processo
de vulcanização de mangueiras de borracha automotiva através do projeto e
construção de um vaso de pressão, que apresente maior produtividade, um bom
isolamento térmico, uso de instrumentos para monitoramento do processo na
questão de segurança, resultando em diminuição do consumo de combustível por
ciclo sem alterar a qualidade das mangueiras vulcanizadas.
Palavras Chaves: Vaso de Pressão; Vulcanização; Isolamento Térmico.
1
1. Introdução
O nome vaso de pressão designa genericamente todos os recipientes
estanques, de qualquer tipo, dimensões, formato ou finalidade, capazes de conter
um fluido pressurizado. Dentro de uma definição tão abrangente inclui-se uma
enorme variedade de equipamentos, desde uma simples panela de pressão de
cozinha, até os mais sofisticados reatores nucleares.
Neste projeto será tratado principalmente do vaso de pressão que pode
ser considerado como equipamento de processo. Denomina-se equipamento de
processo os equipamentos em indústrias de processo, que são as indústrias nas
quais materiais sólidos ou fluidos sofrem transformações físicas e/ou químicas.
É importante enfatizar que o projeto e a construção de vasos de pressão
são atividades de engenharia e, por isso, como qualquer outra atividade de
engenharia, destinam-se a satisfazer, o melhor possível, uma necessidade social.
Assim, é indispensável que seja considerado todos os fatores éticos e sociais que
possam estar envolvidos. Além do aspecto de segurança do equipamento cuja a
operação apresente risco potencial de acidentes, devem ser considerado a
segurança contra acidentes na fabricação e montagem do vaso.
2
1.1 Objetivos e Justificativas
O objetivo deste trabalho é a construção de um vaso de pressão vertical
para aumentar a capacidade produtiva no processo de vulcanização [1] na
fabricação de mangueiras de borracha automotiva, com o equipamento projetado
verticalmente, também tem como objetivo, acomodar maior quantidade do produto
por metro cúbico (m³), usando bandejas
como dispositivos, empilhada
verticalmente e acomodada no interior do vaso de pressão.
A realização deste projeto traz como benefícios à redução no consumo de
combustível usado para gerar vapor para alimentação do vaso de pressão, por se
tratar de um vaso de pequena dimensão, comparado ao vaso de pressão existente
atualmente no processo.
O equipamento deve ser instrumentado adequadamente para oferecer
total segurança, de acordo com norma vigente [2].
Podemos contar também com menor índice poluição causada pela queima
do combustível no meio ambiente e menor quantidade de calor liberado para
atmosfera.
3
2. Revisão Bibliográfica
2.1 Vulcanização
A determinação exata do método e das condições de vulcanização
(tempo, temperatura e pressão), sem duvida é a fase mais importante da indústria
de borracha.
A vulcanização [1] consiste na aplicação de calor e pressão a uma
composição de borracha, a fim de dar forma e propriedades mecânicas adequada
ao produto final. Deve ser feita não só tendo em vista a composição empregada,
como também as dimensões do artefato a ser fabricado e sua aplicação.
O estado de vulcanização afeta as várias propriedades físicas do artefato.
Vários são os métodos de efetuar a vulcanização, sendo os mais
empregados:
•
Vulcanização em Prensas.
•
Vulcanização em Vapor Direto.
•
Vulcanização a Ar Seco.
•
Vulcanização por Alta Freqüência.
A vulcanização em vapor direto é realizada de forma que o produto fique
exposto ao vapor. Deve se tomar o cuidado para que o vapor seja distribuído
dentro do vaso e não em um ponto localizado diretamente no produto, causando
uma vulcanização rápida e localizada de maneira não uniforme.
O equipamento utilizado para o processo de vulcanização em vapor direto
consiste em um gerador de vapor ou caldeira e um vaso de pressão (Autoclave),
onde é armazenado o produto, sobre calor e pressão.
4
2.2 Vaso de Pressão.
A grande maioria dos vasos de pressão são equipamentos feitos por
encomenda, sob medida, para atenderem, em cada caso, a determinados
requisitos e especificações, sendo bastante raros os casos em que esses
equipamentos sejam padronizados em linha de fabricação de algum fabricante.
Por esse motivo, principalmente, as etapas em que se desenvolvem os
projetos, a fabricação e a montagem dos vasos são mais complexas e diferem
bastante da rotina usualmente seguida para outras classes de materiais e de
equipamentos de uso industrial, que, pelo contrario, são normalmente itens de
linha normal de fabricação.
Os vasos de pressão são reservatórios herméticos, submetidos a uma
pressão em seu interior superior a pressão externa, a qual, na maioria dos casos,
é a pressão atmosférica. Existem vasos cuja pressão interna é reduzida (vácuo
parcial) e são submetidos à pressão externa elevada.
Os vasos de pressão convencionais têm grande empregabilidade no
armazenamento, transporte e processamentos de fluidos, sendo largamente
utilizados nas indústrias químicas e petroquímicas como reatores, degasadores,
misturadores, etc. Os reservatórios de gás liquefeito de petróleo, de ar comprimido
e os de hidropressurizacao são exemplo típicos de vasos de pressão.
Os vasos de pressão podem ser classificados em:
• Vasos não sujeitos a chama.
• Vasos sujeitos a chama.
Vasos não sujeito à chama [3], são vasos que operam sem a presença de
fogo, mas também podem ser submetidos a altas temperaturas.
Vasos sujeito à chama [3] operam diretamente ao fogo. Pode-se citar
como exemplo uma panela de pressão de uso doméstico.
5
2.3 Materiais para Vaso de Pressão.
O material de uso geral para vasos de pressão é o aço-carbono [6]. O
aço-carbono é denominado material de uso geral, porque, ao contrario dos outros
materiais, não tem casos específicos de emprego e oferece uma boa
confiabilidade, boa soldabilidade, de fácil obtenção e encontrável sob todas as
formas de apresentação e de bom custo.
As propriedades do aço-carbono são grandemente influenciadas, por sua
composição química e pela temperatura.
O aumento na quantidade de carbono no aço produz basicamente um
aumento nos limites de resistência, de escoamento, na dureza e temperabilidade
do aço, em compensação, esse aumento prejudica bastante a ductilidade e a
soldabilidade do aço. Embora seja difícil estabelecer-se limites rígidos para o teor
de carbono, são usuais os seguintes valores como máximos recomendáveis em
aços para vasos de pressão:
•
Partes soldada sujeito a pressão ou a outros esforços em vasos
importante: 0,26%
•
Outras partes soldadas sujeita à pressão em vasos em geral:
0,30%
•
Máximo admissível para qualquer parte soldada (mesmo não
submetido a pressão): 0,35%
Os aços com quantidade de C superior a 0,3%, apresentam alta
suscetibilidade a trincas nas soldas devido à ação do hidrogênio que fica retido
nas soldas (trincas a frio).
Para partes não soldadas não há limitação da quantidade de carbono.
Os aços carbonos podem ser acalmados, com adição de até 0,6% de Si,
para eliminar os gases, ou efervescentes, que não contêm Si. Os aços-carbono
6
acalmados têm estrutura metalúrgica mais fina e uniforme e com menor incidência
de defeitos internos, sendo assim a qualidade superior aos efervescentes.
Recomenda-se o emprego de aço carbono acalmado sempre que ocorrerem
temperaturas acima de 400º C, ainda que por pouco tempo, ou para as
temperaturas inferiores 0º C.
Os aços de baixo carbono (até 0,25%C) tem limite de resistência da ordem
de 310 a 370 MPa (31 a 37Kg/mm²), e limite de escoamento de 150 a 220 MPa
(15 a 22 Kg/mm²). Para aços de médio carbono (até 0,35%C), esses valores são
respectivamente 370 a 540 MPa (37 a 54 Kg/mm²), e 220 a 280 MPa (22 a 28
Kg/mm²).
A resistência mecânica do aço-carbono começa a sofrer uma forte
redução em temperaturas superiores a 400º C, em função do tempo, devido
principalmente ao fenômeno de deformações permanentes por fluência, que
começa a ser observado a partir de 370º C, e deve ser considerado
obrigatoriamente para qualquer serviço em temperatura acima de 400º C.
O aço-carbono é um material de baixa resistência a corrosão. Por essa
razão é quase sempre necessário o acréscimo de um sobre metal para corrosão
em todas as partes de aço-carbono em contato com o fluido de processo ou
atmosfera, exceto se houver pintura ou outro revestimento adequado.
2.4 Conceitos de Pressão e Temperatura.
Com referências aos vasos de pressão, os termos “pressão” e “
temperatura” podem estar associados a vários conceitos que importa distinguir
perfeitamente um do outro. A pressão pode ter os seguintes conceitos:
•
Pressão normal de operação.
•
Pressão máxima de operação.
7
•
Pressão mínima de operação.
•
Pressão de projeto.
•
Pressão de abertura da válvula de segurança.
•
Pressão máxima de trabalho admissível.
•
Pressão de teste hidrostático.
Quanto à temperatura podemos ter:
•
Temperatura normal de operação.
•
Temperatura máxima de operação.
•
Temperatura mínima de operação.
• Temperatura do projeto.
2.5 Pressão e Temperatura de Operação.
A pressão e a temperatura de operação são suas “condições de
operação”, isto é, os pares de valores simultâneos de pressão e temperatura com
os quais o vaso deverá operar em condições normais.
As pressões são sempre os valores medidos no topo do vaso, devendo-se
quando for o caso, acrescentar a pressão correspondente à coluna hidrostática de
líquido.
Raramente um vaso de pressão opera, durante toda sua vida, em uma
única condição estável de pressão e de temperatura, ocorrendo em geral
flutuações de maior ou menor amplitude. Deve-se por isso distinguir os valores
normais e os valores máximos de pressão e de temperatura. Os primeiros são os
valores de regime, e os máximos são os maiores valores que podem ser atingido
em operação normal, ou em quaisquer situações anormais que possa acontecer
8
tais como partida anormal, parada de emergência, falha no sistema de controle,
etc. Eventualmente, um vaso poderá ter mais de uma condição de regime, isto é,
poderá estar sujeito, em operação normal, a condições diferentes de trabalho.
Deve ser observada a temperatura de operação do vaso.
É importante notar que há meios de proteger o vaso contra uma pressão
anormal, utilizando equipamento como válvula de segurança, disco de ruptura, etc.
Mas não existe nenhum meio completamente seguro de protegê-lo contra uma
subida anormal de temperatura, que pode ocorre por vários motivos, como falha
em instrumentos ou em sistemas de controle, erros de operação, fluido fora do
especificado etc.
2.6 Pressão e Temperatura de Projeto.
Denominam-se pressão e temperatura de projeto as “Condições de
Projeto” do vaso de pressão, ou seja, os valores considerados para efeito de
cálculo e de projeto do vaso. De acordo com a norma [5], a pressão do projeto é a
pressão correspondente às condições mais severas que possam ser previstas em
serviço normal.
No caso do vaso projetado para pressão interna, é usual adotar-se para a
pressão de projeto o maior dos dois seguintes valores:
•
Pressão máxima de operação, acrescida de 5%, quando o
dispositivo de alivio de pressão (válvula de segurança) for
operado por válvula piloto, e acrescida de 10% nos demais casos.
De acordo com a norma [5], o valor mínimo da pressão interna de projeto
é de 1,0 Kg/cm², mesmo para os vasos que operam com pressão nula ou muito
baixa.
9
É também considerado pela norma [5] como pressão de projeto a pressão
de abertura do dispositivo de alivio de pressão (válvula de segurança).
As condições de projeto são valores estabelecidos no projeto mecânico do
vaso de pressão. Por essa razão, embora esses valores sejam baseados na
pressão e temperatura de operação, convém que o responsável pelo projeto
mecânico conheça todas as situações de funcionamento do vaso.
2.7 Pressão Máxima de Trabalho Admissível.
A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) pode se referir a cada
uma das partes de um vaso, ou considera-lo como um todo.
A PMTA para cada parte de um vaso é a pressão que causa na parte em
questão uma tensão máxima igual à tensão admissível do material na temperatura
de operação correspondente à parte considerada.
O cálculo da PMTA deve ser feito em função das espessuras corroídas,
descontadas por tanto a margem para corrosão que houver.
A norma [5] define a PMTA do vaso todo como sendo o maior valor
permissível para pressão, medida no topo do vaso, na sua posição normal de
trabalho, na temperatura correspondente à pressão considerada, tomando o vaso
com a espessura corroída. Essa pressão será, portanto a pressão que causa, na
parte mais fraca do vaso, uma tensão igual a tensão admissível do material, em
outras palavras, será o menor dos valores das PMTA, das diversas partes do
vaso.
A PMTA é o valor usualmente empregado para a pressão de abertura da
válvula de segurança.
A PMTA do vaso pode ser calculada para diversas temperaturas, e
portanto, em função de diferentes valores de tensão admissível, e também para
várias condições do vaso. Além da PMTA para vaso corroído em operação, como
10
já referido, é usual calcular-se também para o vaso novo e frio, em função das
espessuras e da tensão admissível do material para a temperatura ambiente.
Como os valores das PMTA são diferentes entre si, é necessário sempre referir a
que temperatura e espessura correspondem um determinado valor da PMTA de
um vaso.
2.8 Finalidade do Teste Hidrostático.
O teste hidrostático em vaso de pressão consiste no preenchimento
completo do vaso com água ou com outro líquido apropriado, no qual se exerce
uma determinada pressão, que é a “pressão de teste hidrostático”. O teste tem por
finalidade a detecção de possíveis defeitos e falhas ou vazamentos em soldas,
roscas e outras ligações no próprio vaso ou em seus acessórios.
É de toda a conveniência que a pressão do teste hidrostático seja a maior
possível, compatível com a segurança da parte mais fraca do vaso. Está pressão
é por isso sempre superior a pressão do projeto e a pressão máxima de trabalho
admissível do vaso e, portanto, durante o teste hidrostático, o material ficará
submetido a uma tensão acima de sua tensão admissível. Essa situação pode ser
admitida, com segurança, pelo fato do teste hidrostático ser realizado, quase
sempre, uma única vez, durante pouco tempo, com o vaso novo, com água e em
temperatura ambiente.
Para o vaso construído conforme norma [5], a pressão para o teste
hidrostático deve ser no mínimo 1,3 vez a PMTA para o vaso novo.
11
2.9 Cálculo de Vaso de Pressão.
O cálculo do vaso de pressão pelo código ASME, Seção VIII, Divisão 1, só
considera o efeito pela pressão interna ou externa, ficando os demais
carregamentos a critério do projetista, não só quanto à forma de calculá-los, como
também a necessidade ou não de serem calculados. As fórmulas desse código
são baseadas na teoria da membrana, contendo, entretanto, alguns coeficientes
empíricos de correção. Dessa forma não são considerados os esforços de flexão
decorrente de espessura ou das descontinuidades geométricas.
O cálculo do casco cilíndrico para pressão interna distingue entre o casco
cilíndrico de pequena e grande espessura, denominando de “grande espessura” o
casco para quais se tenha: ε > 1/2R, ou P > 0,385SE, em que:
•
ε = espessura mínima para pressão interna
•
R = raio interno do cilindro
•
P = pressão interna do projeto
•
S = tensão admissível básica do material
•
E = coeficiente de eficiência da solda
Casco cilíndrico para pequena espessura
Para esses cascos, a espessura mínima necessária deve ser calculada
pela seguinte fórmula [5]:
ε = ___ PR______ + C
SE – 0,6 P
12
Essa fórmula é diretamente derivada da expressão teórica da tensão
máxima circunferêncial de membrana em um cilindro.
Nessa fórmula tem-se:
•
ε, R, P = Conforme descrito anteriormente.
•
S = Tensão admissível básica do material, em função da
temperatura de projeto do vaso. Essas tensões são obtidas na
tabela da norma [5], parágrafo UCS – 23. Dando as tensões
admissíveis para os materiais de aço-carbono de baixa liga mais
usuais na pratica em nosso país.
•
E = Coeficiente de eficiência da solda. Esses coeficientes são
obtidos na tabela da norma [5], parágrafo UW-12. Destina-se a
compensar possível menor resistência na região da solda, em
relação à chapa inteira de mesma espessura, devido à existência
de defeitos na solda.
•
C = Margem para corrosão e/ou para erosão ou usinagem. A norma
[5] não estabelece valores para essa margem, exigida somente
(parágrafo UCS-25) para os vasos destinados a vapor, água ou ar
comprimido, com espessura calculada de parede inferior a 6mm,
tenham uma margem de no mínimo 1/6 da espessura.
PMTA do casco cilíndrico para pequena espessura
A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) dos cascos cilíndricos
de pequena espessura é dada pela fórmula [5]:
SEεε___
R + 0,6εε
Nessa expressão, a espessura ε e a tensão admissível S terão valores
PMTA =
correspondentes para qual a PMTA estiver sendo calculada. Isto é a espessura
13
pode ou não incluir uma margem para a corrosão, e a tensão admissível pode ser
relativo à temperatura do projeto ou à temperatura ambiente.
Tampos toriesférico para pressão interna
Para os tampos toriesférico a norma [5] distingue dois casos, sendo os
casos com raio e a seção toroidal igual 6% do diâmetro do cilindro e o raio maior
igual o diâmetro do próprio cilindro.
Para esses tampos a espessura mínima necessária é calculada pela
fórmula [5], parágrafo UG-32.
ε = _ 0,885PL__ + C
SE – 0,1P
Em que L é o raio da coroa central, que coincide com o diâmetro do
cilindro, como mostra a figura 1.
Figura 1 – Tampo Toriesférico
R a io
C o n co rd â n cia
0 ,6 D
D iâ m e tro D = L
Ra
io
da
Co
roa
=L
A pressão máxima de trabalho admissível será:
14
PMTA =
SEεε___
0,885L + 0,1εε
2.10 Segurança de Operação para Vaso de Pressão.
Quanto à segurança para este tipo de equipamento, deve constar em seu
projeto utilização de instrumentos confiáveis para o controle do processo, não
permitindo que a pressão ultrapasse o limite de projeto. Estes instrumentos são
chamados de Válvulas de Segurança [7]. As inspeções de segurança devem ser
feitas periodicamente conforme norma [2].
Todo vaso de pressão deve ter afixado em seu corpo, e em local de fácil
acesso e bem visível placa de identificação indelével com no mínimo as seguintes
informações.
• Fabricante
• Número de identificação
• Ano de fabricação
• Pressão máxima de trabalho admissível
• Pressão de teste hidrostático
• Código de projeto e ano de edição
Além da placa de identificação deverá constar em local visível a categoria
do vaso, conforme norma [2].
2.11 Isolamento Térmico.
15
O isolamento no Vaso de Pressão neste processo é fator muito
importante, um bom isolamento no vaso diminui a troca de calor com o ambiente
reduzindo seu consumo de energia.
O material térmico que apresenta um bom desempenho é a lã de vidro [9],
revestida com uma manta de alumínio, sobre todo corpo do vaso e a tubulação
envolvida na instalação. Garante resistência mecânica superior, graças ao
entrelaçamento das fibras, conferindo excepcionais indicies de isolação térmica e
absorção sonora, além de agregar:
•
Economia de energia
•
Conforto ambiental
•
Segurança
•
Facilidade na aplicação dos produtos
A diversidade de densidades, espessuras e as variadas formas de
apresentação permitem o adequado atendimento ao rigor das normas técnicas e
às necessidades especificas de cada projeto.
A grande diversidade de densidade, formas e espessuras oferecidas pela
lã de vidro, possibilitam o atendimento das mais diferenciadas gamas de
necessidades de isolação na área industrial, combinando com o equilíbrio
necessário entre o custo e o beneficio.
Características do produto:
•
Suporta temperaturas até 450ºC (produtos resinados) e 550ºC
(produtos isentos de resinas)
•
Alto poder de isolação térmica
•
Excelente absorção acústica
•
Não propagam chamas
16
•
São imputrescíveis
•
Dimensionalmente estáveis mesmo em altas temperaturas
•
Fáceis de recortar e aplicar
•
Não absorvem umidade e não sofrem danos estruturais
•
São inquebráveis, reduzindo as perdas nas obras
•
Não são atacados por roedores ou insetos
•
Não atacam as superfícies com as quais estão em contato
•
Não depositam quando submetidos a vibrações
•
Ausência total de partículas não fibradas
3. Materiais e Método.
Este trabalho de conclusão de curso (TCC), tem como objetivo projetar um
vaso de pressão (autoclave) para melhoria no processo de fabricação de
mangueiras automotivas.
3.1 Analise do Processo Anterior.
Para atender o objetivo proposto neste trabalho, foi feito um levantamento
de todas as variáveis envolvidas no desenvolvimento deste projeto de vaso de
pressão.
Tomando como parâmetro de analise, o sistema de operação, produção e
consumo no processo anterior.
O sistema de alimentação de vapor para o vaso é gerado por meio de um
gerador de vapor, com capacidade de produzir vapor a uma temperatura de 180ºC
17
com pressão de 8Kgf/cm². Usa como combustível óleo diesel e apresenta um
consumo médio de 2400 litros por mês.
Este vapor é conduzido por uma tubulação com revestimento térmico,
usando lã de vidro e uma manta térmica de alumio. Essa tubulação (rede) está
equipada com uma válvula reguladora de pressão, onde é feito o ajuste da
pressão, geralmente 10% menor que a mínima pressão na variação da rede, que
está entre 7 a 8Kgf/cm². Com o ajuste, a pressão do vaso estabiliza, trazendo uma
melhora na qualidade do processo de vulcanização do produto.
O vaso de pressão utilizado hoje no processo de vulcanização tem um
volume interno de 4,2m³, este volume é dado pela geometria do vaso como mostra
a figura 2.
Figura 2 – Vaso de Pressão Horizontal
Ø600
R 600
Ø600
1/4"
15000
R6
0
5/16"
(10x)
Este vaso opera com uma pressão de 6Kgf/cm² a uma temperatura de
160ºC, está equipado com duas válvulas de segurança, ajustada para 6,3 e
18
6,8Kgf/cm² por motivo de segurança. O vaso também tem o mesmo isolamento
térmico da rede.
Quanto a sua capacidade produtiva está compreendido em seu ciclo de
trabalho, sendo a soma dos tempos de: carregamento do vaso com o produto,
tempo de vulcanização e tempo de retirada do produto do vaso. Este estudo foi
levantado na empresa Luciflex [10], como mostra a Tabela 1.
Tabela 1 – Analise de Capacidade Produtiva (VPH)
Analise de Capacidade Produtiva do Vaso de Pressão (Autoclave)
Nº Lote
Quant. (m)
0326
0329
0330
0335
Soma
1550
1210
1400
1450
5610
Carregamento (h)
Capacidade Produtiva (CP)
Vulcanização (h)
1:10
1:50
0:50
1:50
1:10
1:50
1:00
1:50
4:10
6:00
CP = Total de metros
Total de horas
Retirada (h)
0:50
0:35
0:40
0:30
2:35
= 440 m/h
Com os dados apresentados na Tabela 1, podemos concluir que a
capacidade produtiva horária do vaso de pressão horizontal (VPH) é de 440
metros de mangueiras, tomando como base “Mangueiras para freio hidráulico
automotivo”.
Como já vimos, o consumo de combustível mensal é de 2400 litros, para
detalhar este estudo e tomar como referencia para o novo projeto, devemos saber
qual o consumo de combustível por ciclo em média.
Como mostra a tabela 1, o tempo total para realização de um ciclo de
trabalho é de três horas e cinqüenta minutos, para uma jornada de trabalho de dez
horas por dia podemos concluir que o VPH realiza 2,6 ciclos por dia, considerando
que o equipamento opera vinte dias por mês, então temos uma quantidade de
cinqüenta e dois ciclos mensal. Isso mostra que o equipamento consome quarenta
e seis litros de combustível por ciclo.
19
Depois de feito esta análise de processo, podemos dimensionar o vaso de
pressão para este projeto com objetivo de melhorar a capacidade produtiva em
relação ao vaso de pressão utilizado hoje no processo da empresa Luciflex [10].
Deve ser usado o mesmo método para levantamento da capacidade
produtiva do VPV para obter os resultados finais.
3.2 Material.
Com a pesquisa sobre materias para vaso de pressão realizada podemos
afirmar que o material mais empregado para este tipo de equipamento e seus
componentes que a ele se integram e o aço-carbono.
Como a temperatura do processo é menor que 260ºC, o aço-carbono
mantém sua resistência original como indica a tabela da norma [5], parágrafo UCS
– 23, e pela especificação ASTM é A-285C. A tenção admissível para esse aço a
uma temperatura de até 260ºC é de 108Kgf/cm².
A proposta desse projeto é construir um vaso de pressão vertical, com
esta geometria precisaremos de dispositivos para acomodação do produto,
denominado como bandeja. Também serão usadas para construção das bandejas
chapas de aço carbono comercial SAE 1020, com espessura de 1,5mm e
cantoneira do mesmo aço para construção da borda da bandeja.
3.3 Dimensionamento das Bandejas.
Tomando como base o produto a ser trabalhado o qual se denomina como
a mangueira de freio automotiva. Este produto tem como diâmetro externo 10mm
e um comprimento máximo de 60m, conhecido comercialmente como lance de
mangueira.
20
O lance de mangueira será acomodado dentro de uma bandeja, para
evitar qualquer tipo de choque no produto durante seu manuseio.
Para ser acomodado um lance de mangueira com 60 metros, o diâmetro
da bandeja deve ser de 1 metro e com altura de borda de 32 milímetros, essa
dimensão de bandeja também permite acomodar outras mangueiras.
O projeto da bandeja é como mostra a Figura 3, esta figura é a vista
superior da bandeja com a mangueira já acomodada.
Definida a bandeja para acomodar o lance da mangueira, vamos definir a
quantidade de bandeja para acomodar um lote de quantidade superior ao lote
atual do vaso de pressão horizontal, lembrando que este projeto prevê uma
eficiência de produtividade e não se exceder a uma capacidade muito grande de
mangueiras, pois isso pode gerar um gargalo no processo anterior ao de
vulcanização, e o vaso de pressão poderá ficar sem carga de trabalho.
Figura 3 – Bandeja
32
Ø1000
21
Será definido como lote de produto para esse equipamento a quantidade
de 2000m de mangueiras para o produto base (diâmetro de 10mm com 60m de
comprimento).
Para atender a necessidade desse lote deverão ser construídas 33
bandejas, estas bandejas deverão ser empilhadas de forma a se acomodar no
interior do vaso de pressão, para isso o empilhamento de ser feito como mostra a
figura 4.
1056
Figura 4 – Empilhamento das Bandejas
Suporte
da
Bandeja
Como podemos prever na analise do processo (3.1), o tempo gasto no
carregamento do VPH é alto. Com novo sistema, as bandejas serão carregadas
com o produto na saída da ultima operação de extrusão, para isso deve-se
construir um dispositivo para realização dessa operação, o mesmo servirá como
22
transportador de bandejas e entrará como suporte de bandejas dentro o vaso de
pressão vertical, ilustrado na figura 4.
Com a quantidade de bandejas definida e dimensionada, podemos
projetar o vaso de pressão para acomodar o conjunto de bandejas.
3.4 Projeto do Vaso de Pressão Vertical (VPV).
Com conclusão das medidas do conjunto de bandejas, podemos projetar o
Vaso de Pressão Vertical (VPV).
Para atender as dimensões do conjunto de bandejas, o VPV deve ser
construído com raio interno de 550 mm em seu cilindro e com uma altura de 1100
mm.
Para a pressão do projeto deve ser considerada a pressão e a
temperatura máxima do sistema, sendo:
- Pressão máxima de 8Kgf/cm².
- Temperatura máxima de 180ºC.
Como os dados de projeto definido, o cálculo do casco e do tampo e da
PMTA do VPV será utilizando a formula prevista em norma [5], para espessura
mínima do casco.
Para o coeficiente eficiência de solda (E) vamos utilizar 0.7, recomendada
em norma [5] para solda com baixo grau de inspeção.
Como esse vaso estará sempre em regime de trabalho exposto ao vapor à
norma [5] (parágrafo UCS-25) recomenda um acréscimo de 1/6 da espessura
mínima para uma prevenção quanto à corrosão (C).
23
Cálculo da espessura mínima do VPV
ε = ___ PR______ + C
SE – 0,6 P
ε =
___0.8x550____ + C
108x0.7 – 0,6x0.8
ε =
5,85mm + C
C =
5,85_
6
C =
0.98mm
ε =
6.28 + 0.98
ε = 7.26mm
A espessura mínima da chapa calculada é de 7,26mm, está dimensão não
é um padrão comercial, está espessura de chapa deve ser ajusta para um padrão
comercial e espessura mais próxima acima para a chapa será de 5/16” (7,93mm).
A figura 5 mostra a geometria e a dimensão do casco do VPV.
Figura 5 – Casco cilíndrico do VPV
Ø 1100
1100
5 /1 6 "
A re a d e
V edação
24
Cálculo da PMTA do casco cilíndrico
A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) dos cascos deve ser
calculada para ser instala uma válvula de segurança, Essa válvula deve ser
ajustada de acordo com a PMTA e instalada na parte superior do VPV.
PMTA =
SEεε___
R + 0,6εε
PMTA =
108x0,7x6,82_
550 + 0,6x6.82
PMTA =
9,3Kgf/cm²
A pressão máxima de trabalho para o casco do VPV deve ser de
9,3Kgf/cm².
Cálculo da espessura mínima do Tampo do VPV
Cálculo para o tampo torifericos, para esses tampos o raio de curvatura
deve ser igual ao diâmetro do cilindro (Figura 1).
ε = _ 0,885x0,8x1100_ + C
108x0,7 – 0,1x0,8
ε =
___0.8x550____ + C
108x0.7 – 0,6x0.8
ε =
_10,31mm_ + C
C =
_10,31mm_
6
C =
1,72mm
ε =
12mm
25
A espessura mínima da chapa calculada é de 12 mm, esta dimensão não
é um padrão comercial. Está espessura de chapa deve ser ajusta para um padrão
comercial, a espessura mais próxima acima para a chapa será de 1/2” (12,7mm).
A figura 6 mostra a geometria e a dimensão do tampo superior e do tampo
inferior, o qual será fixo e servirá com sustentação para o VPV.
Figura 6 – Tampo e Base do VPV
1305
Ø1100
50.8
R 1100
Area de
Vedação
R6
60
1/2"
Anel rebaixado
para solda
600
36.5
1174.6
Suporte de
Sustentação
(Pé 3x)
Cálculo da PMTA do Tampo
A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) do tampo.
PMTA =
SEεε___
0,885L + 0,1εε
PMTA =
108x0,7x 12,7___
0,885x1100 + 0,1x12,7
26
PMTA =
9,8Kgf/cm²
A pressão máxima de trabalho para o tampo do VPV deve ser de
9,8Kgf/cm².
3.5 Válvula de Segurança para o Vaso de Pressão Vertical.
Como pode ser analisado nos cálculos da PMTA para o casco e para o
tampo do VPV, a menor pressão entre o casco e o tampo é 9,3Kgf/cm² . Esta
pressão deve ser usada como parâmetro máximo na calibragem da válvula de
segurança. Projeto de instalação para válvulas de segurança indicada para este
projeto está referenciada com o fabricante Espiraxsarco [7].
3.6 Construção do Vaso de Pressão Vertical.
Para construção do vaso deve ser usado como equipamentos maquina
para calandrar o casco e o tampo, solda elétrica, torno a fresa. Após a confecção
das peças, a montagem do VPV deve ser acompanhada por um profissional
habilitado para evitar falhas neste processo.
A figura 7 mostra o Vaso de Pressão Vertical montado.
27
Figura 7 – Vaso de Pressão Vertical
1750
Fechamento
do Tampo
Bandejas Acomodada
no interior do Vaso
Com VPV montado, antes de instalá-lo na linha de produção deve ser
feito o teste de estanqueidade. A pressão de teste deve ser 1,3 vez à pressão
máxima de trabalho admissível (PMTA).
28
4. Resultados.
Após a montagem, o VPV foi submetido ao teste de estanqueidade e
aplicado uma pressão de 12,0Kgf/cm² por um tempo de 1h sem apresentar
qualquer tipo de vazamento. Em seguida, foi retirada a pressão e instalada uma
válvula de segurança e, novamente aplicada a pressão até abrir a válvula, a
pressão foi liberada com 9,2Kgf/cm². O fluido usado neste teste foi água a
temperatura ambiente.
Após aprovado no teste estanqueidade, o VPV foi instalado na linha de
processo de mangueira automotiva na empresa Luciflex. Entrou em operação
usando a mesma pressão e temperatura do VPH, e após um período de
acompanhamento e treinamento para os operadores, foi feito um estudo de sua
produtividade.
Sua capacidade produtiva está compreendido no processo do VPV, onde
seu ciclo de trabalho é a soma dos tempos de: carregamento do vaso com o
produto, tempo de vulcanização e tempo de retirada do produto do vaso. Este
estudo foi levantado na empresa Luciflex, como mostra a Tabela 2.
Tabela 2 - Analise de Capacidade Produtiva (VPV)
Analise de Capacidade Produtiva do Vaso de Pressão (Autoclave)
Nº Lote
Quant. (m)
0412
0420
0421
0433
Soma
1830
1900
1920
1700
7350
Carregamento (h)
Capacidade Produtiva (CP)
Vulcanização (h)
0:30
1:10
0:40
1:10
0:25
1:10
0:30
1:10
2:05
4:40
CP = Total de metros
Total de horas
Retirada (h)
0:30
0:35
0:30
0:35
2:10
= 824 m/h
Como apresenta a Tabela 2, a capacidade produtiva horária do vaso de
pressão horizontal é de 824 metros de mangueiras, tomando como base
“mangueiras para freio hidráulico automotivo”.
29
Quanto ao consumo de combustível para VPV, com sistema de bandejas,
este vaso, realiza 4.5 ciclos, como apresenta a tabela 2. E seu consumo médio é
de 20 litros por ciclo.
5. Conclusões.
Como apresenta a análise de resultado (4), podemos concluir que o
projeto atendeu seu objetivo, evidenciando os resultados do VPV comparado com
VPH, temos uma eficiência na produtividade de 87% com uma redução no
consumo de combustível de 43%, com estes resultados, automaticamente o
produto que depende deste processo terá seu custo reduzido proporcionalmente e
se tornará mais competitivo no mercado.
6. Recomendações.
Para um resultado mais preciso neste projeto, recomendo que os estudos
realizados na obtenção dos resultados devem ser por período maior, essa
recomendação tem como objetivo diminuir a margem de erro no levantamento dos
das informações do processo.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1 - Vulcanizar - http://www.vulcanizar.com.br
17-03-2005.
2 – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Norma NR-13 Caldeiras e Vasos de Pressão. Rio de Janeiro ABNT, 1978.
3 - TALLES, P. C. S. Vasos de Pressão. 2ª ed. Rio de Janeiro, 1996.
4 - Ghizze, A. Manual de Trocadores de Calor, Vasos e Tanques. 1.ed. IBRASA.
1989.
5 - AMERICAN SOCIETY OFMECHANICAL ENGINEERS. ASME Section VIII-DIV
1. Construction of Pressure Vessels.01-9-2004.
6 - ASTM-A-285 - http://www.vidalfer.com.br 12-04-05.
7 - STRASSER, Victor E. de. Manual do Soldador Competente. Ao livro técnico
S/A Industria e Comercio. Rio de Janeiro, 1979.
8 - Projeto de Instalação para Instrumentação - http://www.spiraxsarco.com.br 2004-05.
9 - Material Térmico - http://www.isar.com.br 29-04-05
10 - Mangueira Automotiva - http://www.luciflex.com.br 30-03-05
31
11 - ARAUJO FILHO, Heitor Augusto de. Vasos de Pressão Horizontais. Simpósio
Brasileiro de Tubulações e Vasos de Pressão. Rio de Janeiro 1982.