Materiais Para Equipamentos de Processo - Pedro C. Silva Telles.pdf

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Unformatted text preview: - • ~ TI-se INFORMN;OES TI:Ct-lCAS EADMINI$IRAIrVf!.S Materiais para Equipamentos de Processo Pedro C. Silva Telles 6Q ediçõo ! • - ;;. ! r fti&< . , _ 1': r" ,-.j ' , I I ~. Materiais para Equipamentos de Processo Pedro C. Silva Telles 6º edição III EDITORA INTERCIÊNC IA Rio de Janeiro - 2003 • Copyright© by Pedro ellrJos da SiI Y;I Tellcs Direitos Rescn ' ildos por Editora In tel'ciência Lhla . Capa: Intcrciêncill Artc Editoraçào: Vera Darros FalO da cap a : I'ETRODRAS/JÔllio Machado Nota Sobre a C II'-Urll sil. C ll talog:I\'ào-lI lI-Fo llte Si mlicllto Nacional d os Ed itores de L h'I'os, RJ , 6~ Edição A potir desta edição, o otuuliZlIçllo deste livro conto com a colaboraçõo da equipe t écnico do Petrobrus, de acordo com o contruto firmado entre essa empreso e o autor. . . Pora a presente edição, a atuolizoçlJo foi feita pelo Eng" Adernaro MorchrOfl, a quem muito agradecemos. T275m 6. cd. TeJles, I'etlro Carlos d~ Si l v~, 1925. Muteriais para equipamemos de processo I l'cdro C, Silvu Tdles .. 6.ed. - Rio de Janei ro : Intcrciência. 2003. Rio de Janeiro, dezembro de 2002 Pedro C, do Silvo Telles Apê ndices Inc lui bibliografia ISBN 85-7 193-076_7 I Engenharia química - EquiJlamcmo~ c acessó rios. 2. I' rocessos químicos - Equillamcrnos c acessórios. 3. Materiais. I. Titulo. COO 660.283 CDU 66.03 É proibida a rejlfOOução total ou parcial, por <luais<lucr mC IOS , scm autorização por escrito du editora. 080 Editora Intet ciência Lt da . Rua Verna M agal hães, 66 - Engcnho Novo. RJ - 20.7 10-290 Tels.: (Oxx2 I) 2241-6916/258 1-9378 • Fux : (Oxx2 I) 250 1.4760 e-mai l: [email protected]; ll1terciencia.coJII .br Vi site nosso sile: w",w.editoraintcrcicncia.com.br Impresso 110 Brasil - PrilJll!d iII 8razif • , ,·1 \ Prefácio da 3~ Edição Para essa nova edição fizemos uma revisão em profundidade de rodo o livro. Tivemos, nessa revisão, a inestimável colaboração do I/OSSO colega e amigo, prof. Márcio de Almeida Ramos, um dos grandes especialistas brasileiros em assuntos de materiais e a Quem mais uma vez agradecemos. Foi consi· derável a Quantidade, extensão e importância dos comentários e sugestões do prof. Márcio aos nossos originais. É imposslvel enumerar todos os acréscimos e modificações feitas nessa reedição, bastando dizer Que foram acrescentados ou completamente modificados 235 trechos do texto, fora um número talvez maior de pequenas revisões. Além disso, foram inseridas sete novas figuras, substitufdas duas e 74 foram revisadas. Dentre os assuntos acrescentados, podem-se citar como mais importantes: referência ao novo sistema americano de numeração de materiais; _ explicações sobre as uEspecificações de Materiais"; resistência mecânica dos materiais e recursos empregados para sua melhoria; _ processos que conduzem a falhas dos materiais em serviço; fluêflcia em condições variáveis; corrosão por gases em temperaturas elevadas; martelamento como recurso para o controle da corrosão sob tensão; _ índices de preços de aços do CONSIDER; - aços-liga Mn e aços micro-ligados; emprego dos materiais plásticos em vasos de pressão; - materiais para emprego com ácido fluorfdrico. Alguns itens completos sofreram uma total reformulação como, por exemplo, os referentes aos fatores de influência para a seleção de materiais, aos meios de controle da corrosão em equipamentos de processo e aos revestimen tos internos. , Alem da coloboroçtJo do prof. MtHCio, queremos também agradecer o todos os colegas que nos deram subsIdias e sugest6es, ou que apontaram falhos no edição anterior deste livro, bem como bs entidades que. gentilmente, 1I0S cederam material poro algumas das figuras novas desta ediçDo. Agradecemos, também, ao sr. GI1berto Vasconcelos Freire pelo trabalho de desenho e revis60 de muitas das figuras. Rio de Janeiro, dezembro de 1985 Prefácio da 1~ Edição Pedro C. do Silva Telles Este livro é dedicado 00 estudo dos materiais usualmente empregados construção de vasos de presslio, ca/deiros. permutlJdores de calor. lo' poro nolllas. tanques de ormoze'l8gem, tubulações e ounos equipamentos de pro · cesso, bem como 80 estudo dos princIpias e critérios de seleçtJo desses mate· riois. Os equipamentos de processo s60 a porte meis importante e a moior porcela de custo de I/umerosas industrias, tais como refinarias, terminais e ou· tras instalações petrollferas. industrias petroqufmicas em geral, indústrias quI· micos, lormacéuticos e alimentícias, centrais termoelétrieas etc. Esses mesmos equipamentos estllo também presemes, como itells de maior ou mel/or impor . ttine/o. em quase todos os demais industrias. Poro os equipamentos de processo, o seleção e espocilicaçtJo eorretlJ dos materiais é um dos problemas mais diflceis a. ao mesmo tempo, mais importan tes e decisivos, devido tis severas condições de trabalho a que está sujeita a maioria desses equipamentos e à eXlgéncia que quase sempre existe de pedei·. to desempenho e longa duração, por cousa do vultoso investimento que repre· sentam e das cOfldiçtJes de segurança necessárias e, também, pelo fato de serem essenciais ao funcionamento de indústrias importames. Procuramos dar o este trabalho um cunho essencialmerlt~ prático. com um mlnimo de exposiç(Jes teóricas e com numerosas recomendações e dados prtiticos sobre os propriedades. casos de emprego e limiroçtJes dos diversos materiais usuais. ° Queremos deixor aqui o nosso ogrudccimento a todos que nos fizerum valiosas criticas e sugestões, bem como ao sr. Gilberto Vasconcelos Freire, pejo trabalho de preparaç60 das f,guras deste livro. Esperando que possamos ser úteis a profissionais e estudantes, ficare · mos muito gratos o todos por qualquer observação ou reparo sobre este livro . Rio de Janeiro, junho de 7976 Pedro C. da Silva Tefles VIII , \ índice 1. Materiais para Equipmnen tos do Processo .......................... . 1.1 1.2 1.3 L. 1.5 1.6 Equipamentos do Processo ................................... . Seloção do Matoriais Ilara Equipamentos do Processo Fatoras GOlais de Influência ............................. . Outros Fatores de Influênci8 ............. ...... ..................... .... . Observações sobre a Seloção de Materiai s ........................ . Classificação dos Mat eriais para Eq uipamento s de Processo ................................ Especificações de Material ............. ......... .................... . ResistOncia Mecânica dos Materiois Metálicos ....... . Recursos I)ara Melhorar as Propriedades Mecânicas dos Materiais Metálicos ................................................ . Processos que Conduzem a Falhas em Serviço ................. .. Tensões Admisslveis das Norma s de Projeto ........... . Comparação de Custo dos M ateriais ............................... .. 0 . 0 • • • • • • • • • • • • • 0 . 0 • • O" 1.7 1.6 1.9 1.10 1.1 1 1. 12 2. Efeito da Temperatura no Comportamen to Mecânico dos Materiais Me t álicos ..... 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3. •••••••••• 1 3 3 6 9 I. 11 15 16 21 22 2. 27 Propriedades M ecânicas dos Materiais Metálicos em Temperaturas Elevadas ............. ....... .............................. O Fenôm eno da Flu ência ................ .. .... ................. A FluOncio e o Projeto dos Equipamentos ........................... Serviços em Temperaturas Elevadas ............................. Fragilidade Õ Baixa Temperatura........ .... .................... Condições paré! a Fratura Frtigil ................................. Fatores de Influência para as Fraturas Frágeis ............. Temperatura de Transição - Teste de Impacto .............. ...... Ocorrência de 8aixas Temperaturas ... .. .. ............... Serviços em Baixas Temperaturas.... ..... ..................... ....... 27 29 33 36 37 40 41 43 45 46 Corrosão ...... ............ ............ .................. . 51 3. 1 51 53 3.2 Generalidades sobre Corroslio ...................................... . Corrosão Metálica: Efetroqu(mica e Ou/mica ................. .. • 3.3 3.4 3.5 3.6 3.1 3.8 3.9 3.10 3. 11 3.12 3.13 3.14 3. 15 3.\6 ,. Aços·Carbono ................. . ' .1 Aços -Carbono ....... . Efeito da Composição Qufmico ........................................ .. Soldabilid ado e Tratamentos Térmicos ............................. .. Efeitos da Tom,lOrotura Elevada nos Aços -Carbono ............ . Efeito das Baixas Temperaturas nos Aços.Carbono ............ . Corrosão nos Aços·Carbono ........................................... .. Indicações de Uso para Alguns Moios Corrosivos ............. .. Tipos de Aços,Carbono .................................................. .. Formas de Apresentação e limites de Fabricaçlio ............... . Especificações Comerciais de Aços -Carbono ..................... . ••• '.6 4.7 ' .8 ' .9 4.10 5.1 6.6 6.7 72 6.12 73 78 80 8' 85 85 113 115 119 12' 125 126 128 .. ................................................... 131 Inoxidâveis .......................................................... . Inoxidáveis Austenlticos .......................................... . Austenfticos - Propriedades Gerois .......................... . Austenl ticos - Corrosão em Geral ........................... .. Auston/ticos - Sensitização o Corrosão Intergronular .. 131 133 135 138 AçOS Aços Aços Aços Aços 6.8 6.9 6.10 6. 11 7. 7.3 8. 140 ,.. 145 "9 151 155 157 161 Ferro Fundido Cinzento ................................................... . 163 Felfo Maleável e Feno Nodular ......................................... . 165 Felfo For jado e Ferros Ligados ......................................... . 167 Metais Nllo·Ferr osos ................................. ..... ........................... . 169 8. 1 8.2 8.3 8A 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8. 12 9. Aços Austenfticos - Corroslio corn os HalogêniOS ............ .. Aços Inoxidáveis Ferrfticos e Martensfticos ...................... .. Aços Forrltlcos o Martenslticos - Corrosão em Gerol ......... .. Aço s Inoxidáveis EspeciaiS .............................................. . Emprego dos Aços Inoxidáveis em Equipamentos de Processo .. Recomendações de Aços Inoxidáveis para Alguns Casos Especlficos .................................... .. ............................. .. Especificações Comerciais de Aços Inoxidáveis ................ .. Outros Metars Ferrosos .............................................................. . 163 7.1 7.2 87 87 88 92 93 95 97 99 105 109 11 0 Classificação e Casos de Emprego dos Aços·liga ............. .. Aços·ligo Molibdênio e CrOfll o·MolibdOnio ...............•......... Ef eito da Tem,>eratura nos Aços ·ligo Mo e CroMo .............. . Emprego dos Aços·liga Molibdllnio e Cromo·MolibdOnio .... . Aços -liga Niquei ............................................................. . Outros Aços·liga ............................................................ . Especificações Comerciais de Aços -liga .......................... .. Aços Inoxidáveis ............... .. .. 6. 1 6.2 6.3 6A 6.5 XII ...... ...............................•............ .. 5' 56 58 60 63 68 69 Aços·liga ................................................................................... 113 5.2 5.3 5A 5.5 5.6 5.7 6. . . . . ................... ............. ............. ... . '.2 ' .3 4.5 5. Causas da Corrosão EletrOQulmlC8 - Passivaçlio ........ , ...... .. Formas de Corrosão Eletroqu'mlca ................................... .. Corrosão Uniforme e Corrosão por Pites ........................... .. Corrosfio sob Tensão ....................................................... . Outras Formas de Corrosão .............................................. . Corrosão por Gases em T emperatura Elevada ..................... . Fatores que Influenciam a Corro são .................................. . Controle da Corrosão em Equipamentos de Processo ......... . Meios de Controle da Corrosão ....................................... . Detalhes do Projeto Contra a Corros50 ............................. .. Margem para Corrosão .................................................... .. Recursos para Controlar as Diversos FOImas do Corrosão .. .. Corrosão nos Materiais Não·motâlicos .............................. . Fontes do Infor mações sobro Comportamento do Motoriois Quanto à Corrosão .... .................................................. .. Metais Não-Ferrosos ...................... ..... ............................ . Cobre o ligos ............................................................ ..... . Cobro Cornercial ............................ .. .............................. . latões ............................................ .. .............................. . Bronzes ........................................ ..... ........................ ... . . Cobro ·NCquol ............................... ......... ................... . Alurnlnio o Ligas ............................................................ .. Niquei e ligas ................................................................. . Nlquol Comercial e Metol Monel ...................................... .. Inconel. Incoloy, Hastclloys e outras Ligas de Niquei ... ; .... .. Chumbo e Ligas ............................................................. .. Titanio, Zirc6nio e ligas ................ .... ............................. . 169 169 170 173 175 176 176 181 181 18' 185 186 Materiais Poliméricos .................................................................. 189 9.1 9.2 9.3 9A 9.5 9.6 9.7 9.8 Matedais Poliméricos ........................................................ Classes de Ma teriais Poliméricos ....................................... Emprogo dos M ateriais Poliméricos .................................. .. OeterioraçAo dos Matorrais Polrméricos ............................ .. Matoriais Tormoplásticos ................................................. . Materiais Tormoost âvols ............... ........... ....................... . Propriedades Flsicas e Oulmicas dos M ateriais Plás ticos ... .. Elast Omeros .................................................................. .. 189 192 193 194 195 198 199 199 10. Reves timentos Internos ........................... .. ........... ................ ..... . 203 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 Revestimentos Internos .................................................. .. Revestimen tos Metálicos ................. ... ............................. . Cladeamento ...................................................... .. ConstruçAo com Chapas Cladeadas ................................. .. Revestimontos de CalorizaçAo e de Galvani18ção ............... . • 203 206 207 208 213 XUI . \ 10.6 10,7 10.8 10.9 Revestimentos por Deposição do Solda ............................. . Outros Revestimontos M etálicos .......•............................... Revestimentos Não-m et álicos ........................ .................. . Revestimonlos de Concreto e do Corêmica ............ " .......... . 11 . Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Trpicos ......... 0.0 11.1 11 .2 Recomendações de Materiais para Alguns Serviços Tfpicos . Recomendações Especiais para Aparelhos de Troce do Calor . 11 .3 Serviço corn Água Doce 11.4 11 .5 11 .6 11 .7 11.8 11 .9 11 . 10 11 . 11 11 . 12 11 . 13 11 .14 11 . 15 Serviço com Águas Agres sivas .. Serviço com AI Comprimido ............................................. . Serviço com Vepor ...... ... ................................................ .. Serviço com Hid rocarbonetos ................... .. .................... .. Serviços em Tomperatu ras Elovados .................................. . Serviços em Baixa!; Temper aturas ............ .. ....................... . Serviço com Hidrogênio ................................................... . Serviços com Gases em Geral ............. ........ ............. .. Serviços com Céusticos ........... ..... ................ .......... .. .... .. Serviços com Ácidos ....... ........................ ... .................... .. Caldeiras o Fornos ......................................................... .. Outros Moias Corrosivos ............................................... .. 0.0 ••••••••• 0.0.0.0 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 0.0.0.0 ••• 0 ••• 0 . . . . . 0.0.0 . . . . . . . . . . . . . . . 2 14 215 217 218 221 22 1 223 225 227 229 229 231 234 236 241 243 245 246 253 255 ApGndico s A. ALGUNS EXEMPLOS DE SELEçAO OE MATERIAIS ................. .. 259 1. Torre do Destilação Atmo sférica cm uma Refinaria de Petróleo .................................................................. . 259 2. Resfriador de Águas Ácida s ............................................. . 260 3 . Aquecedor de Hidrocarbonetos ............................ ..... ... ..... . 261 4 . Reatore s com Exigência de Uso de Aço Inoxidável Tipo 304 ...... ...... ...... .... ...... ....... ......... . ..... ...... ...... ........ 261 B. DIAGRAMA OE EOUILlBRIO DA LIGA Fe·C ............................... 262 Bibliografia ................................. ...... ............................................... . 265 Indico Alfabótico ......................... ...... ............................................... . 269 1 Materiais para Equipamentos de Processo ' .1 EQU IPAMENTOS OE PROCES SO Este livro abrange o estudo dos materiais para uso em equipamentos de processo e das propriedades desses materiais que interessam especificamente a ossa classe de equipamentos . Denominam·se equipamentos de processo os equipamentos usados cm indústrias de processo, quo são os indú stria s nas quais materiais sólidos ou fl uidos sohem lfansf orrnaç6es tisicas ou qulmicas ou as que se dedicam à arma'lenagem, manuseio ou distribuição de fluidos. Entre essas indústrias po. demos citar as refinorio s do potróleo, as Industrias qulmicas e potfOqulmicas, grande parte das indus tdas alimentares" farmacêuticas, a porte t órmica das centrais termoelétricas, os terminais d ê arma'lcnagem e distribuição de produtos de petróleo, bem como 8S instalações de processamento de petróleo e/ou de gás natural, em terra ou no mar. Os equipamentos de processo podem ser classificados em três grupos gerais: os equipamentos de caldeiraria, as máquinas e as tubulações, sendo que essas últimas são os elementos tlsicos de intOlHgação entre os demais equipamentos. Os equipamentos de caldeiraria incluom os vasos de prosslio ·, em geral, e tambóm tanques, esferas, tOlles, reatare s, gasOmetros, lornos, caldeiras, trocadores de calor, re sfr iadore s, aquecedores, filtro s, separadores, silos etc . A s máquinas usualmente exis tent es são os bombos, compressores, sopradores, eietores, cen trifugadores o ou tras máquinos do movimentar fluid os. Neste livro não trataremos dos moteriai s para as máquinas, limitando-nos aos materiais para os equipamentos de caldeiraria e para as redes de tubulações . Nas indústrias de processo existem três condições especfficas caracterlsticas Que tornam necessó rio um m aior grau de co nfiabilidade para os equipamentos (e, conseqüentemente, para a seleção de materiais para esses equipa· mentos). em comparaçlio com o que li normalmente exigido para as demais indústrias em gorai : Veja e hYfO Vasos de Pren60, do mesmo lutO!'. XIV • as indústrias de processo trabalham quase sempre em regime con tInuo, dia e noite, durante muitos meses a fi o. Os perlodos de opera ção continua - denominados de ~campanhas· - duram, em média, até 36 meses', ao final dos quais há uma parada para manutenção e revisão dos equipamentos , a que se segue uma nova campanha. Os equipamentos ficam, assim, subm etidos a um regime de operação muito mais severo do que em outra s industrias;"' - os diversos equipamentos f ormam uma cadeia contfnua, através da qual circulam os fl uidos de processo. Desse modo, a falha ou paralisação de um unico equipamento, por qualquer motivo, obriga geralmente à paralisação, ou redução de produção, de toda a instalação. É evident e que toda a paralisação não programada de uma industria resulta sempre em vultosos prejufzos de perda de produção e de lucros cessantes, vindo dai a necessidade do máximo de segurança e con fi abi lidade de funcionamento desses ...
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