Regras gerais para o processo de análise e projeto de vasos de pressão

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Quando nos deparamos com uma estrutura ou um dispositivo, como o projetamos? Este artigo aborda aspectos como o escopo do projeto de análise de tensões, a pressão de projeto, a temperatura, a determinação das cargas, os parâmetros de desempenho dos materiais, a criação de modelos mecânicos, a avaliação da resistência à tensão, a avaliação da resistência à fadiga, os requisitos especiais para inspeções de fabricação e a elaboração de relatórios de análise de tensões. O objetivo é fornecer normas gerais para o processo de projeto baseado em análise de tensões. 1. Que tipos de estruturas precisam de análise de esforços? Quando uma estrutura ou recipiente sob pressão atende a uma das condições a seguir, é possível realizar sua análise e projeto de acordo com a norma JB/T4732-1995 “Recipientes sob pressão de aço – Padrões de análise e projeto” (confirmada em 2005), ou com o Anexo D da norma GB/T12337-2014 “Tanques esféricos de aço”: a) Recipientes sob pressão que estão sujeitos a cargas cíclicas, bem como seus componentes sob pressão, cujas condições de uso não atendem às exigências estabelecidas em 3.10 da norma JB/T4732. Nesses casos, deve-se realizar a análise e avaliação da fadiga de acordo com o Anexo C da norma JB/T4732 ； b) Para vasos de pressão ou componentes sob pressão cujos tamanhos estruturais não podem ser determinados conforme a norma GB/T150, deve-se utilizar métodos de análise de esforços, incluindo o método dos elementos finitos, para realizar o projeto e a avaliação correspondentes ； C) Após uma avaliação abrangente com base nas condições de projeto dos reservatórios sob pressão, nas propriedades dos materiais utilizados, na dificuldade de fabricação e nos custos envolvidos, é necessário recorrer a métodos de projeto analítico para os reservatórios sob pressão, como, por exemplo: reatores de alta pressão de grande porte e reservatórios de alta pressão ； d) Para tanques esféricos com diâmetro maior ou pressão mais alta, levando em consideração fatores como a economicidade, ao realizar o projeto por meio de análise de tensões, deve-se seguir as orientações do Anexo D da norma GB/T12337 ； e) Recipientes sob pressão cujo proprietário solicita a realização de um projeto com análise de esforços. 2. Como determinar a temperatura de projeto, a pressão e a carga? (1) A pressão de projeto, a temperatura e a carga são determinadas de acordo com as seções 3.6.3.1, 3.6.3.2 e 3.6.3.3 da norma JB/T4732, bem como com as normas GB/T12337, GB/T151, NB/T47041 e NB/T47042. Se qualquer carga variar ao longo do tempo, deve-se elaborar uma curva de frequência da carga para representar a variação de cada carga específica ao longo do tempo. A curva de frequência de carga deve incluir, para todas as temperaturas e pressões de operação, bem como para as cargas adicionais, o número de ciclos ou períodos de tempo correspondentes a todos os processos importantes que atuam sobre esse componente. (2) As cargas de projeto incluem: pressão interna, pressão externa, cabeça de pressão hidrostática, peso do recipiente em si (incluindo o peso da carga dos materiais contidos nele), cargas adicionais (equipamentos auxiliares, cargas externas nas tubulações, peso dos acessórios externos, etc.), cargas cíclicas, forças de reação causadas pelos suportes, cargas decorrentes das diferenças de temperatura, cargas eólicas, cargas sísmicas, cargas de neve, entre outras. 3. Como obter os parâmetros de desempenho dos materiais? (1) O módulo de elasticidade do material, o coeficiente de Poisson, o coeficiente de expansão térmica, a condutividade térmica, a difusão térmica, a densidade e a capacidade térmica específica devem ser selecionados de acordo com as normas GB/T150, GB/T151, ASME Volume II, Seção D, bem como outras normas relevantes. (2) Método de determinação da tensão admissível: a) Para os elementos sob compressão de estruturas locais projetadas pelo “método de análise e projeto”, a tensão admissível do material deve ser escolhida de acordo com as especificações da GB/T150.2 ； b) A estrutura como um todo é projetada segundo o “método de análise e projeto”; a resistência ao esforço dos materiais utilizados nos componentes sob compressão é determinada de acordo com as especificações da norma JB/T4732 ； c) Para o projeto de tanques esféricos, segundo o “método de análise e projeto”, os valores da resistência ao esforço a serem utilizados devem ser escolhidos de acordo com as especificações do Anexo D da norma GB/T12337 ； d) Quando são utilizados materiais de marcas estrangeiras, deve-se calcular a tensão admissível ou a resistência de projeto de acordo com as normas GB/T150.1 (para estruturas parciais, utilizando o método de projeto baseado em análises) ou JB/T4732 (para estruturas integrais, também utilizando o método de projeto baseado em análises). Esses valores não devem ser superiores aos limites de tensão admissível estabelecidos pelas normas internacionais aplicáveis aos recipientes sob pressão. (3) As curvas de esforço-deformação podem ser selecionadas com base no Apêndice 3.D da norma ASME VIII-2. Isso inclui as curvas de esforço-deformação elástico-idealmente plásticas, bem como as curvas reais de esforço-deformação que levam em consideração o endurecimento por deformação. Também são incluídas as curvas de esforço-deformação cíclico e as curvas estáveis de amplitude de esforço-deformação. 4. Como criar um modelo mecânico? O modelo mecânico da estrutura é obtido com base em conhecimentos fundamentais como a mecânica elástica, a teoria de placas e conchas, a mecânica plástica e o método dos elementos finitos, bem como nas características da estrutura e nas condições de carga. Para determinar a natureza do problema a ser analisado, pode-se seguir os seguintes passos: a) Nas equações de equilíbrio, nas relações entre tensão e deformação, nas relações entre deformação e deslocamento, bem como nas condições de contorno e de conexão, se houver termos não lineares entre as variáveis em qualquer uma dessas relações, então o problema é considerado um problema não linear ； b) Somente quando todas as variáveis e relações não dependem do tempo é que se pode tratar de um problema estático ； c) Quando existe um grande gradiente de temperatura na estrutura (incluindo o gradiente espacial e temporal de temperatura), deve-se realizar uma análise de condução térmica e uma análise de tensões térmicas. Quando a tensão térmica é muito pequena ou não é a principal em comparação com outras tensões, nesse caso não é necessário levar em consideração a tensão térmica ； d) Quando o material sofre deformação plástica local, ainda é possível realizar o projeto com base na análise elástica ； Quando o material sofre deformação plástica em grandes áreas, deve ser tratado como um problema plástico ou elastoplástico. 5. Como simplificar um modelo? Estruturas complexas são simplificadas, com base nas características geométricas de suas partes e na distribuição das cargas, em elementos típicos como barras, vigas, placas, conchas e blocos ； Quando a estrutura do modelo tridimensional analisado e as cargas são completamente simétricas, ela pode ser simplificada para uma estrutura bidimensional ； Quando a estrutura satisfaz as condições de simetria periódica, é possível criar um modelo 1/n (onde n é o número de períodos), entre outros. A simplificação do modelo segue o princípio de garantir, na medida do possível, a precisão dos resultados da análise das posições de interesse. 6. Como escolher as células? Para simulações numéricas por elementos finitos realizadas com o ANSYS Mechanical APDL, deve-se priorizar o uso de tipos de elementos com nós intermediários. Para análises de esforço, fadiga, etc., são preferidas as células avançadas tridimensionais Solid186 (cuja célula correspondente para temperatura é a Solid90). Quando o número de elementos da malha de cálculo é grande, também podem ser utilizadas as células menos avançadas Solid185 (cuja célula correspondente para temperatura é a Solid70) ； Para análises de flexão, carga limite e análise modal, as células Shell181 são as preferidas ； Para estruturas bidimensionais, a unidade planar Plane82 é a preferida ； Para estruturas em forma de viga, prefira-se o elemento de viga Beam189 ； Na análise de contato, as unidades de contato Conta173 e as unidades-alvo Targe170 são as preferidas ； As buchas devem ser preferencialmente unidades de bucha Inter195 ； A unidade de qualidade deve priorizar o Mass21 ； A seleção das demais unidades pode ser consultada no arquivo de ajuda do ANSYS14.5. De acordo com as características estruturais, também é possível escolher diferentes unidades para combinar. Para outros softwares de simulação por elementos finitos, o tipo de elemento é selecionado com base nos princípios mencionados acima. 7. Como realizar a divisão em grade? (1) Para estruturas tridimensionais, deve-se priorizar o uso de malhas hexaédricas ； Em estruturas de casca ou estruturas bidimensionais, prefere-se o uso de malhas quadriláteras. A razão entre os lados da unidade ideal é 1. Para as unidades aceitáveis, a faixa permitida para essa razão é: para as unidades lineares, menor que 3; e para as unidades quadráticas, menor que 10. (2) Ao dividir o modelo em malhas, é necessário garantir que as bordas dos elementos adjacentes no modelo de múltiplos corpos compartilhem nós ； Se os tipos de elementos utilizados nos corpos adjacentes possuírem graus de liberdade diferentes, é possível coordenar esses graus de liberdade por meio de métodos como equações de restrição, método de restrições múltiplas (MPC), método de superposição de rigidez, método de elementos compostos e método de acoplamento de cascas ortogonais. Para montagens, geralmente é necessário definir pares de contato. (3) Ao considerar a economicidade da rede, deve-se garantir a confiabilidade dos resultados do cálculo em rede. A prática usual é dobrar a densidade da grade original. Se a diferença entre os resultados das duas calculações for inferior a 3%, isso indica que a densidade da grade original é confiável ； Caso contrário, a densidade da grade deve ser modificada novamente e o processo acima repetido, até que a densidade da grade atenda aos requisitos de confiabilidade. 8. Como aplicar cargas e condições de contorno? As condições de combinação das cargas de projeto e das cargas de teste são definidas de acordo com a Tabela 3-3 da norma JB/T4732. A análise de esforços para as condições de carga do tanque esférico de projeto é realizada de acordo com a seção D.4.3 do anexo da norma GB/T12337. As combinações de condições de carga a serem analisadas também devem ser determinadas de acordo com as circunstâncias reais. Se houver várias condições durante a operação, elas devem ser analisadas uma por uma. A aplicação das condições de borda deve estar de acordo com as reais restrições da estrutura: a) Condições de carga: definir a localização, direção e magnitude das cargas nos nós do modelo, nas arestas das células, bem como das forças superficiais, das forças volumétricas e das cargas térmicas ； b) Condições de fronteira térmica: definem a temperatura dos nós no modelo, bem como as regras relativas à condução de calor, à troca de calor por convecção e à troca de calor por radiação, em termos de localização, magnitude ou modo de ação ； c) Condições de restrição de deslocamento: estabelecem as restrições que limitam os deslocamentos dos nós e das suas libertades no modelo, bem como o tipo e a magnitude dessas restrições ； d) Outras condições de contorno: definir as graus de liberdade principais e secundários no modelo, os graus de liberdade de conexão ou os graus de liberdade de movimento, entre outras condições de contorno utilizadas para a análise. 9. Como realizar a avaliação da intensidade de tensão? a) Após a conclusão da análise de tensão por elementos finitos, o caminho personalizado deve ser perpendicular às linhas de igual intensidade de tensão do valor máximo. Além disso, o caminho personalizado deve ser perpendicular à superfície média da seção transversal, a fim de se obter uma precisão semelhante. A linearização das tensões ao longo desse caminho permite determinar a tensão na membrana, a tensão de flexão, a tensão resultante da combinação de membrana e flexão, a tensão de pico e a tensão total. b) A classificação da tensão deve seguir as tabelas 4-1 e 5-3 da norma JB/T4732. Os projetistas determinam as características da tensão nas membranas (tensão em membranas globais ou locais) e da tensão de flexão (tensão de flexão primária ou secundária), levando em consideração fatores como o grau de influência da tensão na falha na resistência do recipiente, a área onde a tensão atua e sua distribuição, as causas da tensão e seu impacto na falha. c) O valor do limite de resistência ao esforço é determinado de acordo com as seções 5.2 e 5.3, bem como a Tabela 5-1 do padrão JB/T4732. Já o coeficiente de combinação de cargas é obtido a partir da Tabela 3-3 do mesmo padrão. d) Para a tensão de membrana local na extremidade menor da concha cônica, deve-se utilizar 1,1 vez a intensidade de tensão de projeto como valor de controle ； Para aberturas grandes, na posição em que o ângulo entre a raiz do tubo de conexão e o eixo longitudinal da carcaça é de 90 graus, a tensão de flexão deve ser considerada como uma tensão principal. 10. Como realizar a avaliação da resistência à fadiga? a) O cálculo da amplitude de intensidade do esforço alternado, Salt, é feito considerando duas situações: quando as direções dos esforços principais no ponto em questão permanecem constantes ao longo do ciclo, e quando essas direções mudam. O cálculo é realizado de acordo com a seção C.2.1 do anexo C da norma JB/T4732. Para isso, basta levar em conta os esforços causados pelo ciclo operacional especificado; não é necessário considerar os esforços decorrentes de quaisquer cargas ou condições de temperatura que permaneçam constantes ao longo do ciclo. b) Aplicações no desenvolvimento de curvas de fadiga, de acordo com o item C.2.2 do Anexo C da norma JB/T4732. c) Danos acumulados: Quando existem dois ou mais ciclos de tensão significativos, o efeito dos danos acumulados por fadiga deve ser calculado conforme o método descrito na seção C.2.4 do Anexo C da norma JB/T4732. d) A resistência à fadiga dos parafusos é determinada de acordo com o item C.5 do Anexo C da norma JB/T4732. e) A verificação da resistência ao esgotamento é realizada de acordo com o item C.2.2 c) do Anexo C da norma JB/T4732. Caso peças substituíveis, como parafusos, tenham um tempo de vida útil diferente do do recipiente, o projeto deve especificar claramente o tempo de vida útil desses parafusos. 11. Quais são os requisitos especiais de inspeção durante a fabricação necessários para o projeto de estruturas e recipientes em análise de esforços? Além de atenderem às especificações estabelecidas nas normas JB/T4732, GB/T12337 e outras normas relacionadas, os documentos de projeto para a fabricação e inspeção dos recipientes devem também especificar claramente os seguintes requisitos, mas não se limitam a eles: a) Nos recipientes sob pressão projetados para análise de fadiga (com cargas cíclicas), as superfícies internas e externas das juntas soldadas das categorias A e B devem estar alinhadas com a superfície do material base; não é permitido que haja acúmulo de espessura adicional nessas áreas. b) Para reservatórios sob pressão projetados com base em análises de fadiga (com cargas cíclicas), não é permitido o uso de selos do soldador. A empresa fabricante deve estabelecer um método alternativo para a identificação das marcas deixadas pelo soldador. c) As juntas de solda das categorias A e B devem ser submetidas a inspeção por raios X ou ultrassom em 100%, conforme metodologias especificadas no projeto. No projeto estrutural, deve-se levar em consideração a viabilidade dessa inspeção. d) Os parafusos de diâmetro maior que M36 devem ser submetidos a inspeção por pó magnético ou por penetração. 12. Como elaborar um relatório de análise de tensões? Um relatório completo de análise de esforços deve incluir o seguinte: a) Análise de cargas: parâmetros de projeto, diagramas dos equipamentos, dados de propriedades dos materiais ； b) Cálculo da resistência das peças principais ； c) Análise estrutural e modelos mecânicos: parâmetros geométricos da estrutura, modelo de elementos finitos, cargas e condições de contorno ； d) Resultados da análise de tensões ； e) Avaliação da resistência ao esforço ； f) Avaliação da resistência à fadiga (para reservatórios sob pressão sujeitos a fadiga): reservatórios sob pressão (exceto os parafusos), parafusos ； g) Conclusões ； h) Descrição técnica principal ； i) Anexo: Dados de linearização da tensão ao longo do percurso, cálculos dos suportes ou cálculos das peças projetadas segundo o “método de projeto por regras”, entre outros. ​ Os pontos acima são apenas algumas das minhas opiniões pessoais; é inevitável que haja imprecisões. Convido a todos a discutirem!