O que são suportes de tubulação?
Sistemas de tubulação devem ser capazes de suportar as forças internas e externas aplicadas a eles sem que o fluido de processo seja liberado ou vaze do sistema. Para garantir isso, são utilizados suportes de tubulação. Este artigo aborda os designs comuns de suportes de tubulação, tipos, como funcionam, o propósito dos suportes de tubulação e problemas comuns de suportes de tubulação.
Suporte de Tubulação Variável
Para que servem os suportes de tubulação?
Os suportes de tubulação são usados para:
- Suportar o peso de uma seção de tubulação.
- Acomodar a expansão térmica.
- Absorver cargas de choque (golpe de aríete e impulso hidráulico).
- Resistir a atividade sísmica (terremotos etc.).
- Suportar cargas de vento (quando aplicável).
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Como funcionam os suportes de mola para tubulação?
O princípio de funcionamento geral dos suportes de mola baseia-se na lei de Hooke, desenvolvida pelo cientista inglês Robert Hooke. A deformação do material é medida em termos de elasticidade e plasticidade.
- Elasticidade – quando um material se deforma devido ao estresse aplicado e retorna à sua forma original quando o estresse é removido.
- Plasticidade - quando um material se deforma devido ao estresse aplicado e não retorna à sua forma original quando o estresse é removido.
Dentro do intervalo de elasticidade de um material, a quantidade de deformação em relação ao estresse aplicado é descrita pela lei de Hooke. A relação entre estresse e deformação é melhor descrita como a relação entre estresse e deformação. A deformação é expressa como uma razão comparando a mudança de comprimento com o comprimento original; essa razão é adimensional, ou seja, não é restrita a medidas de distância métricas, imperiais ou de qualquer outra forma.
Lei de Hooke
Conhecendo quatro variáveis, é possível determinar o quanto um material se estenderá uma vez que uma determinada pressão é aplicada. A equação é:
Essa simples relação linear entre o estresse (força) e a deformação (alongamento) foi formulada usando a seguinte notação.
P = força que produz a extensão da barra (lbf para unidades imperiais, Newton metros para unidades métricas)
= comprimento da barra (polegadas imperial, ou milímetro, centímetro, ou metro para métrico)
A = área da seção transversal da barra (polegadas quadradas imperial, ou milímetro, centímetro, ou metro quadrado métrico)
δ = alongamento total da barra (polegadas imperial, ou milímetro, centímetro, ou metro para métrico)
E = constante elástica do material, chamada de Módulo de Elasticidade, ou Módulo de Young (lbf/in.2 imperial, ou Pascals (Pa) métrico)
Note que um pascal é igual a um Newton por metro quadrado.
A quantidade E, a razão do estresse unitário para a deformação unitária, é o módulo de elasticidade de um material quando em tensão ou compressão e é frequentemente chamado de Módulo de Young.
Assim, conhecendo a equação acima e as quatro variáveis associadas, permite que engenheiros calculem o quanto uma mola se estenderá uma vez que uma força determinada é aplicada. Isso significa que engenheiros também podem calcular o quanto uma mola em um suporte de mola se estenderá uma vez que uma força/carga determinada é aplicada.
IMPORTANTE
A lei de Hooke é relevante apenas para cálculos dentro do intervalo de elasticidade de um material! Uma vez que uma carga excede o intervalo de elasticidade de um material, ela entra no intervalo de plasticidade, o que leva à deformação permanente do material. A lei de Hooke não é válida dentro do intervalo de plasticidade de um material.
Qual é a diferença entre suportes primários e secundários?
Um suporte primário é fixado diretamente às partes e/ou componentes do sistema de tubulação, enquanto um suporte secundário é conectado apenas ao suporte primário. Um sistema de tubulação é tipicamente classificado como qualquer item que suporte ou esteja anexado ao sistema. Assim, os suportes secundários são geralmente considerados parte de um sistema de tubulação.
Suportes de Tubulação Primários e Secundários
Classificações de Suportes de Tubulação
Existem várias maneiras de categorizar suportes de tubulação, embora uma das mais comuns seja pelo design de construção. Os suportes de tubulação podem ser rígidos, elásticos ou ajustáveis.
Construção Rígida
Suportes de tubulação rígidos são fixados ao sistema via soldagem ou fixação. Este tipo de suporte de tubulação é muito comum, tem um design simples e não flexiona ou ajusta uma vez instalado. Sapatas soldadas, sapatilhas de fixação, suportes, suportes de válvula e trunnions são todos tipos de suporte de tubulação rígido.
Construção Elástica
Suportes de tubulação elásticos acomodam o movimento do sistema de tubulação. Sistemas de alta temperatura sempre usarão suportes elásticos para acomodar a expansão térmica dentro do sistema. Existem dois principais tipos de suportes elásticos, que são os tipos variável e constante (discutidos mais adiante neste artigo).
Construção Ajustável
Suportes de tubulação ajustáveis são semelhantes aos suportes de tubulação rígidos, mas permitem algum ajuste ao serem instalados. O ajuste geralmente envolve a capacidade de girar o suporte para alinhá-lo com o tubo e/ou aumentar ou diminuir sua altura marginalmente para melhor suportar o tubo.
Juntas de Expansão e Laços de Expansão
Juntas de expansão e laços de expansão também são usados para acomodar a expansão térmica dentro dos sistemas de tubulação. Os requisitos de manutenção associados aos laços de expansão são muito menores do que os das juntas de expansão. As juntas de expansão tendem a trincar ou fraturar com o tempo, especialmente quando expostas a ambientes agressivos, por exemplo, regiões costeiras com um ambiente salino corrosivo. Por essa razão, os laços de tubulação se tornaram uma escolha mais popular entre os projetistas de sistemas de tubulação nos últimos anos.
Laço de Tubulação
O que causa a expansão térmica em sistemas de tubulação?
Expansão térmica no material da tubulação ocorre à medida que a temperatura do material aumenta. À medida que os materiais são aquecidos, eles se expandem devido à energia cinética que absorvem do calor. Quando um material é resfriado, o material se contrai/encolhe.
Tubulações que operam dentro de uma ampla faixa de temperatura, por exemplo, sistemas de vapor, se expandirão e contrairão à medida que a temperatura aumenta e diminui, respectivamente. A quantidade de expansão ou contração depende do tipo de material da tubulação, comprimento da tubulação e faixa de temperatura mínima e máxima (delta T).
Expansão Térmica da Tubulação
Exemplo
Um comprimento de tubulação de 50 metros experimenta um aumento de temperatura de 50°C. O efeito resultante sobre o comprimento da tubulação será:
- 175mm de alongamento se fabricado em PVC.
- 40mm de alongamento se fabricado em cobre.
- 25mm de alongamento se fabricado em aço inoxidável.
Se os suportes de tubulação não acomodarem essa expansão, a expansão criará uma força resultante que atua sobre qualquer item fixo ao qual o sistema de tubulação esteja anexado. A força excederá em muito qualquer restrição sobre o sistema de tubulação e, portanto, é provável que ocorra dano ao sistema de tubulação e à área circundante.
Suportes de Mola
Suportes de mola usam molas para acomodar a expansão térmica dentro de um sistema de tubulação e são um tipo de suporte elástico. Um suporte de mola contém uma mola que é comprimida quando carregada. Quando não está carregada, a mola retorna/expande-se de volta à sua forma original.
As molas podem ser instaladas individualmente ou em série (empilhadas umas sobre as outras). O movimento é categorizado em termos de direção (para cima e para baixo) e magnitude (distância do movimento).
Cada mola tem um certo número de espiras (número de voltas), e essas espiras são construídas a partir de 'fio'. As espiras são enroladas para ter diâmetros variados dependendo de seu design e propósito; a diferença entre cada espira é medida pelo passo. Uma espira de grande diâmetro é chamada de 'solta', enquanto uma espira de menor diâmetro é chamada de 'apertada'. Os fios são tipicamente fabricados com diâmetros de fio padrão usando materiais aprovados padrão.
Nomenclatura de Mola
Como Ajustar a Rigidez da Mola
Ajustar a espessura do fio de uma mola ou o aperto da espira de uma mola ajustará sua rigidez (resistência à mudança geométrica quando carregada). Por exemplo, uma mola de fio grosso exigirá mais força para comprimir do que uma mola de fio fino. Da mesma forma, uma mola enrolada 'mais apertada' exigirá mais força para comprimir do que uma mola enrolada 'mais solta'. Alterar o material do fio também mudará sua rigidez, porque a densidade e a estrutura dos materiais variam.
Rigidez da Mola
Tipos de Suporte de Mola
Existem dois tipos de suporte de mola, os tipos variável e constante. Ambos os tipos podem ser ainda classificados como suportes sob ou sobre tubulação. Suportes sob tubulação suportam a tubulação por baixo, enquanto suportes sobre tubulação suportam a tubulação por cima. Suportes de suspensão são um tipo de suporte sobre tubulação. Suportes de base são um tipo de suporte sob tubulação.
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Suporte Sob Tubulação (suporte de base)
Suporte de Mola Constante
O suporte de mola constante também é conhecido como 'suporte de mola de esforço constante'. Este tipo de suporte é projetado para que, independentemente da carga exercida (do sistema de tubulação) sobre o suporte, a carga de suporte permaneça constante. A carga de suporte também não varia independentemente da posição do tubo (desde que o tubo esteja dentro da faixa de trabalho projetada do suporte).
Os suportes de mola constante são mais caros do que os suportes de mola variável e também são incapazes de autoajustar a carga; essas são as duas principais razões pelas quais eles não são tão comuns quanto os suportes de mola variável. Outra desvantagem é que o tempo de entrega é mais longo em comparação com os suportes de mola variável; isso é um problema se um sobressalente for necessário rapidamente.
Suporte de Mola Variável
À medida que uma mola é comprimida, sua resistência à compressão adicional aumenta, razão pela qual o termo 'suporte de mola variável' é frequentemente usado para descrever esse tipo de suporte (a força de suporte varia). Os suportes de mola variável não oferecem suporte constante, mas são preferidos porque são mais baratos do que seus equivalentes de suporte constante. Como regra, não mais do que 25% da carga de trabalho máxima (geralmente a carga quando o sistema de tubulação está na condição operacional ou 'quente') deve ser transferido para um suporte de mola variável.