Caso de Estudo: Compensadores numa Conduta Quente DN 750

A análise dizia respeito a uma modificação de um circuito existente, em serviço há décadas: o novo traçado da zona da curva de uma linha de grande diâmetro, alta temperatura e baixa pressão. A intervenção em si era modesta. Fazê-la corretamente exigiu compreender a filosofia de projeto da linha existente e representar elementos — compensadores e pontos fixos — cujo comportamento real é fácil de simplificar em excesso.

Linha: DN 750 (diâmetro exterior 762 mm), curvas em gomos
Temperaturas: 650 °C no primeiro troço, 450 °C no segundo
Pressão: Inferior a 0,5 bar — fora do âmbito da Diretiva de Equipamentos sob Pressão
Software: Bentley AutoPIPE
Âmbito: Verificação local entre dois pontos fixos para o novo traçado da zona da curva

O Bentley AutoPIPE foi escolhido pela robustez do seu solver com apoios não lineares: muitos apoios, próximos e com folgas, convergem de forma rápida e fiável.

Fig. 1 — Temperaturas de operação: troço a 650 °C (amarelo) e a 450 °C (laranja), Bentley AutoPIPE.

As restrições do cliente

Realizar uma verificação local entre dois pontos fixos, sem alargar o modelo a todo o circuito.
Excluir, sempre que possível, os compensadores existentes fora do troço modificado, cujos dados construtivos não estavam disponíveis.

A filosofia de projeto da linha existente

A estas temperaturas o circuito parece complexo, mas foi projetado de forma deliberadamente simples. A linha está dividida em troços elementares entre batentes de linha, e cada troço contém um ou mais compensadores que absorvem localmente a sua própria dilatação. A uma pressão tão baixa, compensadores simples, não atirantados, são uma escolha acertada, porque o impulso de pressão que transmitem aos pontos fixos se mantém reduzido. Qualquer modificação deve respeitar esta lógica, e não contrariá-la.

Os compensadores são rótulas, não apenas absorvedores de dilatação

Um compensador absorve a dilatação axial, mas introduz também uma rótula estrutural. O que seria uma viga contínua torna-se uma cadeia de troços unidos por elementos flexíveis e, sem apoio adequado, transforma-se num mecanismo. É por isso que existe uma guia imediatamente a montante e a jusante de cada compensador, e é por isso que ignorar os compensadores no modelo é um erro mesmo quando os seus dados são desconhecidos.

O pedido do cliente foi por isso traduzido numa opção de modelação precisa: compensadores com rigidez axial elevada — para não contar com uma absorção axial que não podia ser verificada — mas com rigidezes angular e lateral típicas dos produtos comerciais, de modo a representar plenamente a instabilidade que introduzem.

Fig. 2 — Disposição dos suportes entre pontos fixos, com guias a montante e a jusante de cada compensador.

Quão fixo é um ponto fixo?

Modelar um ponto fixo como uma ancoragem perfeita não é conservador nem realista. A montante da ancoragem S001 a linha continua por uma curta distância e depois vira na vertical, pelo que a dilatação dessa porção pode impor uma rotação no limite de bateria do troço em estudo. Foram analisadas duas abordagens que delimitam o comportamento:

Rotação imposta: nenhum movimento da ancoragem na condição de projeto e uma rotação imposta em torno do eixo vertical na condição de operação.
Limite de bateria libertado: como dois compensadores consecutivos com um troço intermédio se comportam como uma junta universal, manteve-se apenas um apoio vertical no limite de bateria, deixando a linha absorver movimentos imprevistos.

A comparação entre os dois casos delimita o comportamento real do sistema e mostra se as conclusões dependem de uma hipótese que não pode ser verificada em obra.

Curvas em gomos

Para diâmetros muito grandes a baixa pressão, as especificações de tubagem prescrevem muitas vezes curvas fabricadas a partir de gomos de tubo em vez de curvas normalizadas. Os seus fatores de intensificação de tensões e de flexibilidade dependem do número de cortes e do seu espaçamento, e diferem significativamente dos de uma curva lisa. O AutoPIPE calcula-os a partir do número de cortes e do raio da curva, pelo que a geometria deve ser introduzida tal como construída e não aproximada por uma curva normalizada.

Fig. 3 — Definição da curva em gomos: número de cortes e raio determinam SIF e flexibilidade.

Resultados

Apesar das temperaturas elevadas, os rácios entre tensão e admissível são baixos na maior parte da linha. Só aumentam no estrangulamento geométrico e estrutural do traçado — ponto fraco natural deste tipo de sistema — que se tornou o foco das recomendações para o novo traçado.

Fig. 4 — Rácios tensão/admissível: baixos em todo o lado exceto no ponto crítico geométrico do traçado.

Pontos-chave para compensadores em condutas quentes de baixa pressão

Nunca omitir os compensadores do modelo: são rótulas, e a linha entre eles tem de ser guiada e apoiada.
Se os dados dos compensadores forem desconhecidos, não contar com a absorção axial, mas manter rigidezes angular e lateral realistas.
Delimitar o comportamento dos "pontos fixos" com pelo menos duas hipóteses de condição de fronteira.
Modelar as curvas em gomos com o número real de cortes: o SIF e a flexibilidade não são os de uma curva normalizada.

Compensadores numa conduta quente DN 750