Uma das forças dinâmicas mais poderosas que atuam nos serviços canalizados é a expansão e contração térmica. Todos os materiais da tubulação se expandem ou contraem quando os tubos são expostos a temperaturas superiores ou inferiores à temperatura de instalação. Se um trecho de tubo for fixado em ambas as extremidades e aquecido, a expansão do tubo de revestimento devido à mudança de temperatura causará tensões de compressão no material do tubo. Se a tensão resultante for forte o suficiente para exceder a tensão permitida pelo material do tubo, o tubo, os suportes ou os componentes da tubulação poderão ser danificados. Dependendo da extensão dos danos, a instalação pode ser forçada a desligar por um período para fazer reparos ou substituir o sistema de tubulação. Como os sistemas de tubulação transportam frequentemente fluidos quentes, as tensões da tubulação e a análise de flexibilidade devem ser executadas cuidadosamente para minimizar as dificuldades.
Fatores de design a
serem considerados.
Para projetar a expansão ou contração do tubo, é necessário primeiro
compreender as propriedades do material do tubo listadas abaixo:
- Material do tubo— Diferentes materiais se expandem em taxas diferentes. Como resultado, os coeficientes de expansão de vários tipos de tubos de plástico e tubos de metal seriam diferentes.
- Comprimento do tubo— Quanto mais tempo o tubo corre, mais ele se expande e contrai.
- Variações de temperatura– Indica a faixa de temperatura a que o tubo estará submetido ou a diferença entre as temperaturas mais frias e mais quentes a que o tubo estará submetido.
- Módulo de elasticidade– Quando uma força é aplicada, o atributo intrínseco do material do tubo expressa sua capacidade de alongamento ou compressão.
- Estresse de trabalho –Sem perder a integridade estrutural, todos os materiais da tubulação podem resistir a algum movimento.
- Coeficiente de Expansão Linear –Cada material tem um coeficiente de expansão térmica linear, que indica que ele se expandirá em uma quantidade X para cada grau de mudança de temperatura. A quantidade de expansão linear do tubo devido a cada mudança unitária na temperatura é fornecida por este parâmetro. Materiais variados têm valores diferentes para o coeficiente de expansão térmica. Como resultado, a quantidade de expansão para tubos CS, SS, Alumínio, Cobre e Plástico mudará para o mesmo comprimento de tubo. Como resultado, o material do tubo afeta indiretamente a expansão térmica. Testes empíricos determinam este coeficiente em todos os materiais de tubulação.
- Diâmetro Externo do Tubo –A capacidade do tubo de desviar a tensão é influenciada pelo seu diâmetro externo. Por exemplo, um tubo de CPVC de 100 pés exposto a uma temperatura máxima de 120°F e uma temperatura mínima de 80°F expandirá 1,6 polegadas, independentemente do diâmetro externo do tubo. No entanto, porque um 1 pol. o tubo pode desviar mais tensão do que um tubo de 6 pol. tubo, o mecanismo de deflexão (comprimento total do loop) para um tubo de 1 pol. o tubo só precisa ter 2,47 pés de comprimento. Um tubo de 6 polegadas exigirá um mecanismo de deflexão de 5,55 pés de comprimento na mesma circunstância.
Tipos de juntas de dilatação em tubos:
Em aplicações industriais, são utilizados vários
dispositivos de expansão. A expansão e contração térmica induzem variações
nos sistemas de tubulação à medida que aquecem e esfriam. O comprimento da
tubulação, o diferencial de temperatura e a liga do tubo influenciam a expansão
térmica. Como esta expansão e contração térmica podem sobrecarregar muito
o sistema de tubulação, diferentes abordagens têm sido usadas para
compensar. Vejamos as juntas de dilatação mais típicas usadas em sistemas
de tubulação.
Tipo Slip.
As juntas deslizantes comprimem-se quando o tubo se
expande nelas. Uma luva que desliza para dentro de um invólucro externo
acomoda essa expansão. Os materiais de vedação são enrolados ao redor da
luva dentro do corpo
para evitar vazamentos pela junta deslizante. As juntas deslizantes vêm em
uma ampla variedade de formas e configurações. No entanto, eles têm várias
falhas fundamentais. Somente o movimento axial pode ser acomodado por
juntas deslizantes (compressão e alongamento). A capacidade das juntas
deslizantes de suportar tensões térmicas é limitada e o material de vedação
deve ser mantido e substituído regularmente para evitar vazamentos. Esta
manutenção é frequentemente negligenciada, resultando em perda de rendimento
devido ao vazamento de vapor ou outros meios.
Loops de expansão de tubo:
Um loop de expansão de tubo é um dos dispositivos
de expansão mais frequentes. Seções de tubulação que correm
perpendicularmente ao sistema de tubulação são instaladas. O circuito de
expansão do tubo resultante acomoda movimentos térmicos. Os circuitos de
expansão do tubo devem ser instalados com cuidado para garantir que o tubo, os
cotovelos e as juntas soldadas possam suportar as pressões. Os loops de
expansão da tubulação não precisam de manutenção, mas ocupam muito espaço no
layout da tubulação.
As juntas de dilatação metálicas são os
acessórios para tubos de juntas de dilatação mais adaptáveis. Eles são
compostos por um ou mais foles metálicos enrolados para oferecer flexibilidade. Uma
junção de expansão de fole metálico combina as vantagens dos laços de tubo e
das juntas deslizantes, evitando as desvantagens de ambos. Os foles de
expansão, assim como os anéis de tubulação, podem absorver movimentos térmicos,
mecânicos ou sísmicos em qualquer direção, exigindo manutenção mínima. Embora
as juntas não metálicas sejam mais baratas, elas apresentam baixa resistência à
temperatura e qualidades de absorção de pressão. Quando instaladas
externamente, as juntas de dilatação metálicas são mais resistentes à luz
solar, ozônio, temperaturas extremas e atmosferas corrosivas do que as juntas
de dilatação não metálicas.
Projetos para resolver este problema:
Para evitar maiores dificuldades, a análise de tensão e flexibilidade da
tubulação deve ser realizada durante toda a fase de projeto. Se não forem
tratados, os tubos serpenteantes ou a tensão nas juntas dos tubos podem
eventualmente causar vazamentos ou rompimento dos tubos, bem como todos os
danos associados que uma falha pode acarretar. Portanto, a análise de
tensão e flexibilidade da tubulação pode ser feita das seguintes maneiras:
- Usando curvas existentes ou loops de expansão– Grandes deflexões do tubo podem ser facilmente acomodadas por circuitos de expansão. No meio de um trecho de tubulação, são instalados circuitos de expansão. O tubo é dobrado em forma de “U” e preso no meio por um suporte. Um cabide ou guia é pendurado em cada lado do tubo, entrando no U, permitindo que o tubo se mova para frente e para trás. A entrada do U se estreita à medida que se expande. A abertura em U se alarga quando os músculos se contraem. Aqui, o método cantilever guiado é usado para calcular o comprimento necessário da perna.
- Utilizando juntas de dilatação de forma bem estruturada– As juntas de dilatação são conjuntos especializados que podem absorver a expansão e contração térmica em tubos. Geralmente, essa é uma opção cara, utilizada apenas como último recurso.
- Mudando a direção dos tubos– Se o tubo vizinho for suficientemente longo, a expansão e a contração térmica podem ser contabilizadas colocando um suporte ou guiando uma distância especificada para longe do cotovelo.
- Incluindo compensações de expansão– As
compensações de expansão são normalmente instaladas no meio de uma
tubulação. Quando o tubo deve evitar estruturas fixas, este mecanismo de
deflexão é utilizado. O comprimento vertical do tubo, assim como cada
cotovelo, permite alguma deflexão. Cada trecho de tubo é ajustado com
ganchos ou guias. Os cotovelos superior e inferior serão pressionados à
medida que o tubo se expande, forçando o comprimento vertical a inclinar-se
para a direita. O tubo vertical irá inclinar-se para a esquerda à medida
que se contrai.
Conclusão.
Esses mecanismos são muito importantes na engenharia civil, principalmente no
projeto de tubulações. Mesmo pequenas alterações nos sistemas de tubulação
podem trazer uma grande diferença no projeto, levando a defeitos. Se tudo
isso for conhecido corretamente, você poderá economizar dinheiro em
reparos. Assim, todo engenheiro civil deve estar bem equipado com fatores,
critérios e recomendações de projeto modernos.
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