Para um cliente do Norte da Europa, o Studio Spizuoco Ingegneria realizou a análise de tensões de vários circuitos ligados a um tanque de armazenagem de GPL. A linha de carga aqui apresentada é a mais instrutiva: em poucos metros de tubagem reúne quase todos os efeitos que tornam exigentes as linhas de tanques, e vários deles pedem opções de projeto opostas.
- Âmbito
- Análise de tensões dos circuitos de um tanque de armazenagem de GPL
- Código
- EN 13480-3 (tubagens industriais metálicas)
- Software
- Hexagon CAESAR II, especificado pelo cliente
- Temperatura de operação
- −30 °C
- Temas principais
- Assentamento do tanque, contração da cobertura, vibrações por flashing, derivações não reforçadas
Assentamento do tanque: componente permanente e elástica
Como em qualquer tanque de armazenagem, o assentamento da fundação tem de ser imposto à tubagem ligada. A dificuldade está nos dados. Um valor de assentamento num desenho do fornecedor não diz que parte é um abaixamento permanente da fundação e que parte é uma deformação elástica que acompanha o nível de enchimento. As duas entram na análise de forma diferente: a parte permanente é um movimento único e não repetido, que a EN 13480-3 verifica com um critério próprio; a parte elástica vai e vem a cada ciclo de enchimento e pertence, por isso, à gama cíclica de tensões por deslocamento.
A repartição foi acordada com o fabricante do tanque antes de se fixarem os casos de carga. É um pequeno investimento: considerar cíclico todo o assentamento penaliza o projeto, considerá-lo todo permanente pode esconder um problema de fadiga.
Contração térmica do tanque e da cobertura
A −30 °C a virola do tanque contrai radialmente e a estrutura da cobertura contrai com ela. Os suportes fixos à cobertura são arrastados, pelo que a tubagem não sofre um único deslocamento imposto mas a sobreposição de três: contração térmica, assentamento da fundação e flecha da estrutura da cobertura sob carga. Cada um foi calculado ou obtido junto do fornecedor e imposto nos suportes relevantes e no bocal do tanque, de forma coerente com a condição de operação analisada.
A consequência prática é que os primeiros suportes na cobertura não podem ser tratados como pontos fixos no espaço: fazê-lo subestimaria as cargas no bocal e as tensões nas primeiras curvas.
Vibrações por flashing a jusante da válvula de controlo
Entre a válvula de controlo de caudal e o bocal do tanque a pressão desce e o líquido pode vaporizar parcialmente, gerando um escoamento bifásico que excita a tubagem. A linha foi por isso avaliada com as Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue Failure in Process Pipework do Energy Institute, que fornecem um método de triagem para este mecanismo e para as ligações de pequeno diâmetro mais expostas.
Aqui o problema de projeto torna-se um verdadeiro compromisso. As vibrações pedem uma linha rígida, com frequências próprias elevadas; a contração térmica e o assentamento pedem flexibilidade. A disposição dos suportes foi desenvolvida para restringir as direções laterais em que as vibrações atuam, deixando a linha livre para acompanhar os movimentos térmicos e de assentamento — e cada suporte foi verificado como exequível na estrutura da cobertura. Quando existe um estudo de processo multifásico, o regime de escoamento pode ser quantificado e as forças de excitação usadas numa análise dinâmica; neste projeto a abordagem de triagem foi suficiente.
Uma derivação não reforçada com SIF elevado
A especificação de tubagem previa derivações tubo-a-tubo não reforçadas, combinadas com um coletor de parede fina. Neste tipo de ligação o fator de intensificação de tensões cresce rapidamente à medida que a espessura do coletor diminui, e atingiram-se valores próximos de 10. A esse nível é a derivação, e não as curvas, que condiciona a linha: um momento fletor moderado basta para exceder a gama admissível.
Ligações deste tipo merecem uma discussão explícita com o cliente. As opções são um acessório reforçado ou perfilado, um coletor mais espesso, ou uma disposição de suportes que mantenha baixos os momentos na derivação. A análise deve tornar o problema visível, para que a decisão seja tomada ao nível certo e não fique enterrada numa tabela de tensões.
Pontos-chave para linhas de tanques de GPL e criogénicos
- Acordar com o fornecedor do tanque a parte permanente e a parte elástica do assentamento antes de definir os casos de carga.
- Os suportes na cobertura movem-se: impor em conjunto contração, assentamento e flecha da cobertura.
- A jusante de válvulas de controlo, avaliar as vibrações por flashing e restringir só as direções que o exigem.
- Verificar cedo o SIF das derivações não reforçadas: com coletores finos pode condicionar toda a linha.
Resultado
O resultado foi uma disposição de suportes rígida onde as vibrações o exigem e flexível onde a contração e o assentamento o exigem, exequível na estrutura da cobertura e documentada num relatório que o cliente pôde verificar ponto por ponto. A mesma abordagem aplica-se a outros softwares e códigos: o gabinete trabalha também com Bentley AutoPIPE e segundo a ASME B31.3.