A espessura da parede do tubo de aço inoxidável deve ser selecionada de acordo com pressão de projeto, temperatura de projeto, grau do material, tolerâncias de fabricação e condições de serviço. Um schedule de tubo identifica uma série dimensional; ele não estabelece uma classificação de pressão universal.
Por exemplo, um tubo de aço inoxidável Schedule 40S tem diferentes espessuras de parede em diferentes tamanhos nominais. Sua pressão admissível também depende das propriedades do material na temperatura de projeto, da especificação de fabricação e do código de tubulação aplicável.
Para engenheiros, fabricantes e equipes de compras, a tarefa prática é determinar a espessura mínima necessária da parede, contabilizar as tolerâncias e, em seguida, selecionar uma espessura nominal disponível que satisfaça o projeto completo.
A espessura da parede do tubo é a distância entre as superfícies externa e interna do tubo.
Para um tubo circular ideal com espessura de parede uniforme:
Diâmetro interno = Diâmetro externo − 2 × Espessura da parede
Três termos de espessura devem ser distinguidos:
| Termo | Significado | Significado Prático |
|---|---|---|
| Espessura nominal da parede | A espessura especificada associada a um schedule ou dimensão de compra | Usado para descrever e encomendar o tubo |
| Espessura mínima necessária da parede | A espessura mínima estabelecida pelas verificações de projeto aplicáveis, incluindo as tolerâncias relevantes | Usado para determinar se um tubo proposto é adequado |
| Espessura real da parede | A espessura medida no tubo fabricado ou em serviço | Usado para inspeção de aceitação e avaliação de condição |
A espessura nominal da parede não é necessariamente a espessura mínima em todos os locais. As tolerâncias de fabricação devem ser consideradas antes de comparar um tubo encomendado com o requisito de projeto.
Para tubulações existentes, corrosão, erosão e fabricação anterior também podem afetar a parede restante.
Os schedules comuns de tubos de aço inoxidável incluem 5S, 10S, 40S e 80S. O número do schedule deve sempre ser considerado em conjunto com o tamanho nominal do tubo.
Em um determinado NPS, o diâmetro externo permanece o mesmo em todos esses schedules, enquanto o aumento da espessura da parede reduz o diâmetro interno.
O seguinte gráfico de tamanhos de tubos de aço inoxidável fornece referências dimensionais selecionadas.
| Tamanho Nominal do Tubo | Diâmetro Externo, mm | Parede Schedule 10S, mm | Parede Schedule 40S, mm | Parede Schedule 80S, mm |
|---|---|---|---|---|
| NPS 1/2 | 21,3 | 2,11 | 2,77 | 3,73 |
| NPS 1 | 33,4 | 2,77 | 3,38 | 4,55 |
| NPS 2 | 60,3 | 2,77 | 3,91 | 5,54 |
| NPS 3 | 88,9 | 3,05 | 5,49 | 7,62 |
| NPS 4 | 114,3 | 3,05 | 6,02 | 8,56 |
| NPS 6 | 168,3 | 3,40 | 7,11 | 10,97 |
Os diâmetros externos são arredondados para uma casa decimal. As espessuras das paredes são dimensões nominais, não classificações de pressão. Essas combinações de schedules são documentadas em tabelas dimensionais do fabricante.
NPS é uma designação nominal. Um tubo NPS 2 não tem um diâmetro externo de 2 polegadas.
Não. Várias dimensões coincidem, especialmente em tamanhos menores, mas os schedules não devem ser tratados como universalmente intercambiáveis.
A designação “S” distingue a série dimensional de tubos de aço inoxidável associada à ASME B36.19. A ASME identifica diferenças entre certas dimensões de parede B36.19 e B36.10, incluindo NPS 12 Schedule 40S e NPS 10 e 12 Schedule 80S. Confirme o padrão dimensional e o tamanho aplicáveis antes de aprovar uma substituição.
A pressão interna cria tensões na parede do tubo. Com outros dados de projeto inalterados, pressões mais altas geralmente requerem uma parede mais espessa. Um diâmetro maior também geralmente requer mais espessura de parede para resistir à mesma pressão interna.
No entanto, a seleção de pressão não pode ser reduzida a “Schedule 10S para baixa pressão” e “Schedule 80S para alta pressão.” Essas descrições omitem o diâmetro, a temperatura, as propriedades do material e a base do projeto.
Para tubos retos sob pressão interna, uma expressão comumente usada da ASME B31.3, dentro de seus limites de aplicabilidade declarados, é:
t = P × D ÷ [2 × (S × E × W + P × Y)]
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| t | Espessura de parede de projeto de pressão, antes de tolerâncias adicionais |
| P | Pressão interna de projeto |
| D | Diâmetro externo |
| S | Tensão admissível na temperatura de projeto |
| E | Fator de qualidade aplicável |
| W | Fator de redução de resistência da junta de solda |
| Y | Coeficiente do código dependente das condições aplicáveis |
Essa relação ilustra por que a capacidade de pressão depende de mais do que o schedule. Seu uso é demonstrado na documentação de engenharia do fabricante aplicando a B31.3. Selecione os coeficientes, valores de tensão do material e limites de aplicabilidade da edição do código adotada pelo projeto.
Tolerâncias de corrosão e mecânicas, tolerância de fabricação e outras verificações necessárias devem então ser abordadas. Esta expressão de pressão interna para tubo reto não completa o projeto de curvas, ramificações ou tubulações expostas à pressão externa.
A temperatura afeta tanto a resistência do material quanto o comportamento do sistema de tubulação montado.
A tensão admissível usada para o projeto de pressão deve corresponder ao material especificado, forma do produto e temperatura de projeto.
À medida que a temperatura aumenta, a tensão admissível pode diminuir, reduzindo a pressão que uma determinada parede de tubo pode suportar. Uma classificação de pressão à temperatura ambiente não deve, portanto, ser transferida para serviço em temperaturas elevadas sem verificar sua base.
As tabelas de pressão publicadas pelos fabricantes geralmente usam ajustes de temperatura específicos do material. Esses fatores se aplicam aos produtos e suposições declarados nessas tabelas; eles não devem ser transferidos automaticamente para especificações de tubos não relacionadas.
Um relatório de teste de material mostrando resistência à tração à temperatura ambiente não substitui a tensão admissível exigida pelo código de projeto.
Em temperaturas suficientemente elevadas e longos tempos de exposição, o comportamento de fluência e ruptura por tensão pode se tornar importante.
Graus de baixo carbono, como 304L e 316L, não devem ser tratados como intercambiáveis com seus correspondentes graus H para essas condições. A ASTM A312 identifica especificamente vários graus H para aplicações onde as propriedades de fluência e ruptura por tensão são importantes.
Da mesma forma, a temperatura de resistência à oxidação de uma ficha técnica de material não é automaticamente uma temperatura operacional admissível para tubulações pressurizadas.
Um tubo se expande e contrai à medida que sua temperatura muda. Restrições, âncoras e equipamentos conectados podem gerar forças e momentos adicionais quando esse movimento é restringido.
Aumentar a espessura da parede não resolve todos os problemas de expansão térmica. O layout da tubulação, suportes, flexibilidade e cargas de conexão de equipamentos também devem ser avaliados.
As condições de projeto devem levar em conta os casos relevantes de operação, partida, parada e anomalias. O caso determinante pode envolver uma combinação particular de pressão e temperatura, em vez da pressão máxima considerada isoladamente.
A temperatura mais baixa não deve ser automaticamente interpretada como permissão para aumentar a classificação de pressão.
A adequação do material, os requisitos de tenacidade, a condição da solda e as disposições do código aplicável ainda precisam ser verificados na temperatura mínima de projeto.
A espessura da parede e a resistência à corrosão respondem a perguntas diferentes.
A espessura da parede contribui para a capacidade mecânica e fornece qualquer tolerância especificada para perda de material. A seleção do material determina como o tubo responde ao ambiente do processo.
Não. Comparar aço inoxidável 304 vs. 316 requer a separação do desempenho de corrosão das propriedades de projeto de pressão.
A adição de molibdênio no 316 melhora a resistência a certos ambientes corrosivos em comparação com o 304. Ela não estabelece, por si só, uma pressão admissível mais alta para todos os tamanhos de tubo e temperaturas. Os cálculos de pressão devem usar a tensão admissível atribuída ao grau e condição exatos especificados.
Espessura adicional pode fornecer uma tolerância para perda de metal geral previsível. Não é um substituto confiável para resistência à corrosão por pites, corrosão em frestas ou corrosão sob tensão.
Por exemplo, graus austeníticos padrão como 304L e 316L podem ser suscetíveis à corrosão sob tensão por cloreto em temperaturas elevadas. Aumentar a espessura não remove a combinação subjacente de ambiente, material suscetível e tensão de tração.
A seleção do material deve considerar a composição do fluido, concentração, temperatura, contaminantes, produtos químicos de limpeza e condições de operação.
Uma tolerância de corrosão zero pode ser justificada para um material adequado em um serviço bem compreendido. Deve ser uma decisão de projeto documentada.
O fato de um tubo ser de aço inoxidável não justifica automaticamente uma tolerância zero. Pelo contrário, adicionar uma grande tolerância sem avaliar o mecanismo de corrosão pode criar custos desnecessários, deixando o principal risco de falha sem solução.
Uma vez estabelecida a espessura de projeto de pressão, a seleção deve levar em conta as tolerâncias aplicáveis e a tolerância de fabricação.
Onde a tolerância negativa de fabricação é expressa como uma fração da espessura nominal, uma relação de seleção simplificada é:
Parede nominal necessária ≥ (Espessura de projeto de pressão + Tolerâncias aplicáveis) ÷ (1 − Tolerância negativa)
Essa relação assume que as tolerâncias e a tolerância foram definidas de forma consistente com a especificação de controle. Requisitos adicionais, como afinamento durante a conformação, podem precisar de tratamento separado.
Suponha que um cálculo de projeto já tenha estabelecido:
Espessura de projeto de pressão: 2,40 mm
Tolerância combinada de corrosão e mecânica: 0,50 mm
Tolerância negativa de fabricação permitida: 12,5%
Tamanho do tubo: NPS 2
Estas são suposições ilustrativas, não uma classificação de pressão ou tolerância de corrosão recomendada.
Primeiro, calcule a espessura mínima necessária da parede, incluindo tolerâncias:
2,40 + 0,50 = 2,90 mm
Em seguida, considere a tolerância negativa assumida:
Parede nominal necessária = 2,90 ÷ 0,875 = 3,314 mm
Compare as paredes nominais disponíveis:
| Schedule | Parede Nominal, mm | Parede Após Tolerância Negativa Assumida de 12,5%, mm | Atende ao Requisito de 2,90 mm? |
|---|---|---|---|
| 10S | 2,77 | 2,424 | Não |
| 40S | 3,91 | 3,421 | Sim |
| 80S | 5,54 | 4,848 | Sim |
Sob essas suposições, o Schedule 40S é a mais leve das três opções listadas que satisfaz essa verificação de espessura de parede.
Esse resultado não completa o projeto do sistema. Pressão externa, cargas mecânicas, requisitos de fabricação, conexões e outras verificações aplicáveis podem governar.
A dedução de 12,5% é um valor comumente encontrado em especificações de tubos relevantes e tabelas de fabricantes, mas não deve ser assumido para todos os produtos de aço inoxidável ou condições de compra.
Uma parede mais espessa pode melhorar alguns aspectos da capacidade mecânica, mas também altera o peso, o diâmetro interno, a fabricação e o custo.
Usando o diâmetro externo arredondado NPS 2 de 60,3 mm:
O Schedule 40S com uma parede de 3,91 mm tem um ID calculado de 52,48 mm.
O Schedule 80S com uma parede de 5,54 mm tem um ID calculado de 49,22 mm.
Com base na geometria circular ideal, o tubo Schedule 80S tem aproximadamente 12% menos área de fluxo interno.
Na mesma vazão volumétrica, o diâmetro interno menor aumenta a velocidade média do fluido. A queda de pressão resultante requer um cálculo hidráulico separado.
Uma parede mais pesada também pode aumentar o tempo de soldagem, o peso do tubo e as cargas de suporte. A seleção deve satisfazer os requisitos de engenharia, considerando o sistema instalado completo.
Tubos expostos a vácuo, pressão de fluido externa ou uma jaqueta pressurizada requerem uma avaliação de pressão externa.
Um tubo que passa em uma verificação de pressão interna ainda pode ser vulnerável ao colapso. A relação diâmetro-espessura, o comprimento sem suporte, a ovalidade e as propriedades do material podem influenciar essa avaliação.
Ao comparar tubos de aço inoxidável sem costura vs. soldados, confirme a especificação do produto, a rota de fabricação, os requisitos de exame e os fatores de código aplicáveis.
"Sem costura" não significa automaticamente adequado para todas as pressões, e "soldado" não significa automaticamente inadequado. A especificação completa e as condições de projeto determinam a aceitabilidade.
Verifique a adequação de pressão-temperatura de conexões, flanges, válvulas, juntas e uniões mecânicas.
Um cálculo satisfatório de tubo reto não estabelece a classificação de todo o conjunto. Uma conexão ou outro componente pode impor um limite inferior.
Vibração, ciclagem de pressão, ciclagem térmica, peso próprio e forças externas podem exigir avaliação adicional.
A ASME B31.3 abrange uma gama mais ampla de requisitos de projeto, fabricação, exame e teste do que apenas o cálculo da espessura da parede.
Uma consulta clara deve distinguir a especificação do tubo das informações operacionais usadas para avaliá-lo.
| Item de Cotação | Informações a Fornecer |
|---|---|
| Material | Grau exato e padrão do produto |
| Dimensões | NPS ou OD real, padrão dimensional, schedule ou espessura nominal da parede |
| Base da parede | Requisito de parede nominal ou mínima, com tolerâncias aplicáveis |
| Rota de fabricação | Sem costura, soldada ou outra construção especificada |
| Condições de projeto | Casos de pressão e temperatura quando o suporte de seleção técnica é necessário |
| Ambiente de serviço | Composição do fluido e condições de corrosão relevantes |
| Detalhes de fornecimento | Quantidade, comprimentos, preparação das extremidades e condição da superfície |
| Requisitos de qualidade | Relatórios de material, rastreabilidade, exames e testes adicionais |
| Documentos do projeto | Especificação de tubulação aprovada, desenhos e edições de padrões necessários |
Um plano de inspeção de tubos de aço inoxidável deve definir como a conformidade dimensional e a identidade do material serão verificadas.
Um teste hidrostático é um teste de aceitação realizado sob condições especificadas. Sua pressão de teste não deve ser interpretada como a pressão operacional contínua admissível do sistema instalado.
Não há uma única espessura de parede padrão. A espessura nominal depende do tamanho do tubo e do schedule. Por exemplo, NPS 2 Schedule 40S tem uma parede nominal de 3,91 mm, enquanto NPS 4 Schedule 40S tem uma parede nominal de 6,02 mm.
Não há uma classificação de pressão universal para o Schedule 40S. O cálculo depende do diâmetro, grau do material, temperatura de projeto, fatores de código aplicáveis, tolerâncias e tolerância de fabricação.
Sim, onde o projeto completo e as especificações dos componentes permitirem. O Schedule 10S é uma designação dimensional em vez de uma restrição a serviço sem pressão.
Pode exigir. Se a tensão admissível diminuir na temperatura de projeto, uma parede mais espessa pode ser necessária para a mesma pressão e diâmetro. A adequação do material, o comportamento de fluência e a expansão térmica também devem ser revisados.
Um número de grau mais alto ou melhor resistência à corrosão não estabelece maior capacidade de pressão. Use a tensão admissível do código para o material exato e a temperatura de projeto.
Somente após verificar os requisitos do projeto. Uma parede mais espessa altera o diâmetro interno, o peso, a preparação da solda e potencialmente o desempenho hidráulico. As conexões existentes e as interfaces de equipamentos devem permanecer compatíveis.
Selecione a espessura da parede do tubo de aço inoxidável através de uma sequência definida: estabeleça as condições de projeto, selecione um material adequado, determine a parede necessária, inclua tolerâncias e verifique o sistema de tubulação completo.
Para uma cotação, forneça o grau, o padrão, o tamanho, o requisito de parede, a quantidade e a especificação do projeto. Onde o suporte de seleção for necessário, inclua a pressão, a temperatura e o ambiente de serviço.
Uma especificação completa permite que os fornecedores citem com base técnica semelhante e dá à equipe de inspeção requisitos claros de aceitação.
