Informação técnica
Cálculo de resistência para poços de proteção
WIKA folha de dados IN 00.15
Aplicações
■■ O cálculo de resistência para um poço de proteção é uma
prova matemática da capacidade do mesmo em resistir
aos esforços estáticos e dinâmicos do processo, como
pressão e temperatura
Características especiais
■■ Serviço de engenharia para dimensionamento de poços
de proteção construídos de barras maciças baseado na
norma ASME PTC 19.3 TW-2010
■■ Recomendações de alterações estruturais nas
especificações dos poços de proteção nos casos onde os
limites de tensão admissíveis são excedidos
Representação gráfica pela análise de elementos
finitos (FEA) dos esforços na ponta e na base do poço
de proteção
Descrição
O cálculo pela norma ASME PTC 19.3 TW-2010 é utilizado
para poços de proteção construídos de uma barra maciça
(sem emendas) na forma cônica, reta ou com rebaixo, por
exemplo, nos modelos TW10, TW15, TW20, TW25 e TW30.
Os dados de processo necessários para realizar o cálculo
conforme ASME PTC 19.3 TW-2010 são:
Velocidade de fluxo
Densidade de meio
Temperatura
Pressão
Viscosidade dinâmica 1)
Unidade SI
Inglesa
Outros
m/s
kg/m³
°C
bar
mm²/s
ft/s
lb/ft³
°F
psi
ft/1000s
--------cP
PTC 19.3 TW-2010. O usuário final é responsável pela
conformidade dos dados de processo usados no cálculo.
Geralmente nenhuma garantia pode ser oferecida pela WIKA
pelos resultados do cálculo conforme a ASME PTC 19.3
TW-2010. Os resultados têm caráter informativo.
Para mudanças nas especificações onde as tensões
admissíveis estão excedidas, as seguintes informações
adicionais serão também necessárias:
■■ Diâmetro interno do bocal
■■ Altura do bocal (comprimento protegido)
■■ Diâmetro interno e a espessura da parede da tubulação
ou vaso
1) Opcional para ASME PTC 19.3 TW-2010
A WIKA garante que o cálculo foi feito com base na ASME
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ASME PTC 19.3 TW-2010
ASME PTC 19.3 TW-2010 é dividida pelos resultados dos
cálculos dinâmico e estático.
Para meios gasosos, a razão máxima entre as frequências,
rmax = 0,8, geralmente é ainda válida, no entanto, existem
alguns casos em que isso pode variar. Para meios líquidos,
na maioria das aplicações, a razão máxima entre as
frequências, rmax = 0,4 onde temos a introdução da nova
frequência “em linha”.
Ressonância “em linha”:
“Drag-oscilação”
Ressonância principal:
“Lift-oscilação”
Recomendações de mudanças
construtivas no poço de proteção, caso a
razão permissível rmax seja excedida
Ao exceder a frequência limite máxima rmax para a
ressonância “em linha” ou ressonância principal, as
alterações construtivas abaixo podem ser uma solução:
a) Redução do comprimento de inserção
É o método mais efetivo (e o método recomendado pela
ASME PTC 19.3 TW-2010) para melhorar a razão de
frequência r.
Amplitude de vibração
b) Aumento do diâmetro da base do poço de proteção
Aumentando o diâmetro da base, a frequência natural fn é
aumentada, a razão da frequência r é otimizada.
c) Aumento do diâmetro da ponta do poço de proteção
Aumentando o diâmetro da ponta, a frequência de excitação
fs é reduzida, otimizando a razão da frequência r.
rmáx: 0,4 0,5
rmáx: 0,8
1
r = fs/fn
Relação de frequência
A análise dos resultados dinâmicos é feita através do
fator de amortecimento NSC (O Número de Scruton NSC
tem relação direta com a razão permissível rmax, entre a
frequência de excitação fs e a frequência natural fn). Para
meios gasosos encontra-se normalmente NSC > 2,5, e em
meios líquidos normalmente o valor é de NSC < 2,5.
NSC > 2,5
NSC < 2,5
ResistênciaRes < ResistênciaPerm
rmáx: 0,4
r = 0,5
Ressonância “em linha”
0,6
r = fs/fn
rmáx: 0,9
r=1
Ressonância principal
Para que a relação de frequência r < 0,8 seja usada também
como limite permissível para meios líquidos, é necessário
que sejam verificadas as tensões admissíveis do material
do poço de proteção com as tensões efetivas em caso de
ressonância. Adicionalmente, uma avaliação da resistência
do material deve ser realizada com relação aos esforços de
fadiga à flexão na área da base do poço de proteção.
Os resultados estáticos da ASME PTC 19.3 TW-2010 são
gerados a partir da máxima pressão admissível de processo
(dependendo da temperatura de processo e da geometria do
poço de proteção) e da tensão de flexão na área da base do
poço de proteção. A tensão de flexão é causada pela vazão
incidente no poço de proteção e esta depende da altura do
bocal do flange de espera.
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d) Utilização de colar
Colar ou outros métodos de apoio estão fora do escopo da
norma ASME PTC 19.3 TW-2010. O uso de colar geralmente
não é recomendado, uma vez que, um apoio rígido somente
ocorrerá se na instalação um ajuste com interferência entre
o colar e o bocal de instalação for obtido (ver itens 6-7
da ASME PTC 19.3 TW-2010). Em caso de solicitações
específicos, poços de proteção poderão ser construídos com
colar. O poço de proteção será especificado de acordo com
os critérios de cálculo da norma ASME PTC 19.3 TW-2010,
entretanto, não faz parte do escopo da norma ASME
PTC 19.3 TW-2010. Neste caso o usuário torna-se
responsável pela instalação do poço de proteção ao bocal
com interferência, o que significa que o colar poderá, se
necessário, ser ajustado. Generalmente a garantia da
utilização do colar não é oferecida pela WIKA!
ASME PTC 19.3 TW-2010 não é aplicável para poços
de proteção fabricados de tubo. Por favor, entre em
contato com seu representante WIKA para obter
informações para métodos de cálculos para estes tipos
de construção.
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Detalhes de construção
Determinando a posição do primeiro colar
O colar do poço de proteção é calculado conforme a seguir:
Comprimento de bocal - 25 mm (1 polegada)
Exemplo:
Comprimento de bocal 356 mm (14 polegadas). O primeiro
suporte de apoio é localizado a 330 mm (13 polegadas) da
face do flange.
Construção do bocal
Altura do
bocal
Número e posição do colar
Se a distância do primeiro colar da face do flange é menor
que 127 mm (5 polegadas), somente será necessário a
utilização de um colar.
Se a distância do primeiro colar é maior que 127 mm
(5 polegadas), a utilização de um segundo colar será
necessário e este deverá ser posicionado na metade da
distância entre o primeiro colar e a face do flange. Por favor,
entre em contato com seu representante WIKA para bocais
com alturas maiores que 762 mm (30 polegadas).
Exemplo nº 1 – Dois colares
O comprimento do bocal é de 356 mm (14 polegadas). O
primeiro colar é colocado á 356 mm (14 polegadas) – 25 mm
(1 polegada) = 330 mm (13 polegadas). Como esta distância
é maior que 127 mm (5 polegadas), um segundo colar será
necessário. A posição deste colar será calculada conforme
a seguir, com 330 mm (13 polegadas) / 2 = 165 mm
(6,5 polegadas). Assim a posição do segundo colar é de
165 mm (6,5 polegadas) da face do flange.
Colar 2
Colar 1
Exemplo nº 2 – Um colar de suporte
O comprimento do bocal é de 114 mm (4,5 polegadas). O
colar será colocado na seguinte posição, comprimento de
114 mm (4,5 polegadas) – 25 mm (1 polegada) = 89 mm
(3,5 polegadas). Como este comprimento é menor que
127 mm (5 polegadas) somente um colar será necessário.
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Montagem típica no bocal
Detalhes
Ajuste com
interferência entre
colar e diâmetro
interno do bocal
≥ 45 mm (1,75 inch)
12,7 mm (½ inch)
veja “Detalhes”
Colar com 4 pontos
“A”
Comprimento de
inserção Ured
“A”
Processo
Seção “A”-“A”
Recomendação do diâmetro externo do colar conforme as dimensões do bocal
DN
Unidade
1"
polegadas
mm
polegadas
mm
polegadas
mm
1 ½"
2"
Diâmetro exterior do colar
SCH.10
SCH.40
SCH.STD
1,107
28,1
1,692
43,0
2,167
55,0
1,059
26,9
1,620
41,1
2,077
52,8
1,059
26,9
1,620
41,1
2,077
52,8
SCH.80
0,967
24,6
1,510
38,4
1,949
49,5
SCH.XS
0,967
24,6
1,510
38,4
1,949
49,5
SCH.160
0,825
21,0
1,348
34,2
1,697
43,1
SCH.XXS
0,609
15,5
1,110
28,2
1,513
38,4
Recomendação do diâmetro máximo da base conforme as dimensões do bocal
DN
Unidade
1"
polegadas
mm
polegadas
mm
polegadas
mm
1 ½"
2"
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Diâmetro da base máximo
SCH.10
SCH.40
SCH.STD
0,938
23,8
1,500
38,1
1,875
47,6
0,875
22,2
1,375
34,9
1,750
44,5
0,875
22,2
1,375
34,9
1,750
44,5
SCH.80
0,813
20,6
1,250
31,8
1,625
41,3
SCH.XS
0,813
20,6
1,250
31,8
1,625
41,3
SCH.160
0,688
17,5
1,125
28,6
1,500
38,1
SCH.XXS
0,500
12,7
1,000
25,4
1,250
31,8
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Especificações de construção conforme ASME PTC 19.3 TW-2010
Descrição
Forma cônica e reta
Forma com rebaixo
Comprimento de inserção L
63,5 mm
(2,5 polegadas)
3,175 mm
(0,125 polegadas)
9,2 mm
(0,36 polegadas)
0,58
0,16
2
3 mm
(0,12 polegadas)
127 mm
(5 polegadas)
6,1 mm
(0,24 polegadas)
-
609,6 mm
(24 polegadas)
6,7 mm
(0,265 polegadas)
-
0,5
0,583
2
0
3 mm
(0,12 polegadas)
0,8
0,875
0,6
-
Mínima
Diâmetro de furo d
Diâmetro da ponta B
Relação conicidade B/A
Relação B/A para B = 12,7 mm
Relação B/A para B = 22,2 mm
Relação d/B
Relação L/B
Relação Ls/L
Espessura mínima de parede (B-D)/d
Legenda
Comprimento de inserção
Diâmetro de furo
Diâmetro da ponta
Diâmetro da base
conforme ASME
nas folhas de
PTC 19.3 TW-2010 dados da WIKA
L
d
B
A
U
B
V
Q
Máxima
Mínima
609,6 mm
(24 polegadas)
20,9 mm
(0,825 polegadas)
46,5 mm
(1,83 polegadas)
1
0,71
-
Máxima
Se as dimensões do poço de proteção forem baseadas
em especificações do cliente ou aplicações especificas, e
estas estiverem em desacordo com os requisitos da norma
ASME PTC 19.3 TW-2010, os resultados de cálculo serão
apenas em caráter informativo.
Nestas condições, a WIKA não poderá oferecer nenhuma
garantia.
Dados necessários para cálculo
Os exemplos da tabela abaixo mostram os dados de
processo e as especificações do poço de proteção, que
devem ser enviados a WIKA para cálculo.
Tabela de exemplo com os dados necessários para o cálculo
Tag nº
TW-0301
TW-0303
TW-0305
TW-0307
TW-0309
TW-0311
T
P
v
rho
Viscosidade
Modelo Dimensões em mm
220
220
235
220
235
400
1,5
1,5
10
10
30
31,5
23,6
25,7
19,6
13
8,9
31,9
2,4
2,0
6,1
8,9
28,3
10,1
0,013
0,017
0,015
0,014
0,013
0,017
TW10
TW10
TW10
TW10
TW10
TW10
em °C em bar em m/s em kg/m³ dinâmico em cP
03/2014 PT based on 11/2013 GB
Legenda
Tag nº Identificação do instrumento
T
Temperatura
P
Pressão
v
Velocidade
rho
Densidade do meio de processo
L
Ød
ØA
ØB
Tt
Comprimento de inserção
Diâmetro do furo
Diâmetro da base
Diâmetro da ponta
Espessura da ponta
L
250
250
250
355
355
355
Ød
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
ØA
25
25
25
25
25
25
ØB
19
19
19
19
19
19
Tt
6,4
6,4
6,4
6,4
6,4
6,4
NID
38,3
38,3
38,3
38,3
38,3
38,3
NL
220
220
220
220
220
220
Material
(ASTM)
316L
316L
316L
316Ti
316Ti
316Ti
Diâmetro interno do bocal
NID
Altura do bocal
NL
Modelo Modelo do poço de proteção WIKA
© 2014 WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, todos os direitos são reservados.
Especificações e dimensões apresentadas neste folheto representam a condição de engenharia no período da impressão.
Modificações podem ocorrer e materiais especificados podem ser substituídos por outros sem aviso prévio.
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