O que são os vasos de pressão? – Funcionamento, Usos e Tipos

POR Pedro Coelho

Publicado: sábado, 13 de janeiro de 2024

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Em um espetáculo de engenharia que desafia os limites, os vasos de pressão emergem como verdadeiros titãs, encerrando em seu interior gases e líquidos sob pressões extremas. Como guardiões invioláveis, essas maravilhas da tecnologia se destacam nas indústrias do petróleo e gás, química, petroquímica e em esferas tão cruciais quanto torres de destilação, reatores nucleares e sistemas de armazenamento de gás natural. Até mesmo os respeitáveis tanques de armazenamento de água quente integram esse panteão de inovação.

Imunes a vazamentos, esses vasos são verdadeiros alquimistas, confinando líquidos e gases com maestria. Em um desfile de diversidade, apresentam-se em variados tamanhos e formas, desde as elegantes esferas até as cônicas e cilíndricas, cada uma destinada a propósitos distintos. Um exemplo arrojado é a sinfonia de um cilindro longo harmonizando com duas cabeças.

Esses vasos, ousados em sua estética, operam sob pressões internas que desafiam as fronteiras do ar, enquanto suas temperaturas operacionais traçam novos caminhos de excelência. Adentre esse universo extraordinário, onde cada vaso de pressão é uma obra-prima, entrelaçando forma e função numa dança engenhosa de resistência e engenhosidade.

Como Funcionam os Vasos de Pressão

Os vasos de pressão são estruturas presentes em quase todos os processos industriais. Eles servem para armazenar gases sob alta pressão, acumular gases e líquidos e processá-los quando o processo de transformação exige que as condições sejam feitas sob pressão.

Os vasos de pressão são classificados em diferentes tipos e classificações, dependendo de cada aplicação. Alguns deles podem ser expostos a chamas ou altas temperaturas, enquanto outros estão sujeitos a altos níveis de pressão e temperatura.

Aqui estão algumas das classificações dos vasos de pressão:

• Classe A: Vasos de pressão expostos a combustíveis em geral, como acetileno, hidrogênio e gases tóxicos ou inflamáveis.
• Classe B: Vasos de pressão expostos a temperaturas menores que 200 °C.
• Classe C: Vasos de pressão que recebem vapor d’água e fluidos relacionados ao ar, como ar comprimido, ar simples e alguns gases asfixiantes.
• Classe D: Vasos de pressão que recebem todos os gases e fluidos que não foram citados nas outras classes.

Usos e aplicações dos vasos de pressão na Indústria

Os vasos de pressão são componentes cruciais em diversas indústrias, com três setores principais dominando a maior parte do mercado: a indústria de petróleo e gás, a indústria química e a indústria de energia.

Indústria de Petróleo e Gás: Neste setor, os vasos de pressão desempenham um papel vital como recipientes onde ocorrem processos físicos e químicos sob condições extremas de temperatura e pressão. Além disso, as colunas de destilação, que são semelhantes na construção aos vasos de pressão, são usadas para separar fluxos de alimentação ou fluxos em múltiplas fontes, com base nos pontos de ebulição dos componentes da alimentação.

O aço carbono e o aço inoxidável são os materiais mais comumente usados na construção desses equipamentos. Além do corpo externo, um vaso de pressão requer componentes internos adicionais, como partes internas do recipiente e bandejas de destilação, que são fornecidos por fabricantes especializados devido à sua complexidade e especificações únicas.

Indústria Química: Nesta indústria, um vaso de pressão é frequentemente o local onde ocorre uma reação química que resulta em uma mudança significativa no conteúdo do recipiente. Estes processos podem incluir a combinação de vários produtos para criar um novo produto, a divisão de um produto em vários produtos diferentes, ou a remoção de componentes de um produto existente para criar outro. A indústria química frequentemente emprega vários tipos de vasos de pressão simultaneamente.

Indústria de Energia: O setor energético tem várias necessidades que exigem o uso de vasos de pressão. Uma das principais razões é a contenção de gases nocivos, que muitas vezes precisam ser armazenados em locais como refinarias de petróleo e instalações de metalurgia. Além disso, as usinas nucleares utilizam vasos de pressão especiais conhecidos como Vasos de Pressão do Reator (RPVs, em inglês: Reactor Pressure Vessels).

Estes RPVs são grandes recipientes cilíndricos de aço que contêm um núcleo, água de resfriamento e vapor gerado. Eles são projetados para suportar altas temperaturas e pressões, bem como a irradiação de nêutrons, tornando o RPV o componente de pressão mais crítico em uma usina nuclear. No entanto, é importante notar que nem todos os reatores de potência possuem um RPV.

Tipos de vasos de pressão

Como já vimos acima os vasos de pressão se destacam como componentes essenciais em uma variedade de operações. Projetados para conter fluidos sob pressões substancialmente diferentes da pressão ambiente, esses recipientes desempenham um papel crucial em setores que vão desde a petroquímica até a geração de energia.

Agora vamos explorar um pouco sobre os diferentes tipos de vasos de pressão, lançando luz sobre suas características distintas, aplicações e os fatores que influenciam sua escolha em cenários industriais específicos. Vamos mergulhar no mundo dos tipos de vasos de pressão, desde os cilíndricos e esféricos até os vasos de armazenamento e de processo, e entender como cada tipo contribui para o funcionamento eficiente e seguro de nossas indústrias.

Vasos de pressão cilíndricos

Os vasos de pressão cilíndricos são recipientes fechados projetados para reter fluidos (gases, líquidos ou fluidos bifásicos) a uma pressão substancialmente diferente da pressão ambiente. Geralmente são feitos de aço carbono ou aço inoxidável e montados a partir de placas por soldagem.

Podem ser utilizados como equipamentos de pressão e são fechados nas extremidades por tampas, também denominadas cabeças, possuindo diferentes formas geométricas, dependendo da aplicação, das condições de operação e dos requisitos de fabricação. Aqui abaixo estão algumas das configurações geométricas mais comuns:

• Tampas planas: São usadas quando a pressão interna é relativamente baixa. Elas são mais fáceis de fabricar, mas não são adequadas para altas pressões devido ao estresse elevado que ocorre nas bordas da tampa.
• Tampas hemisféricas: São ideais para altas pressões, pois a forma hemisférica distribui uniformemente o estresse causado pela pressão interna. No entanto, elas são mais difíceis e caras para fabricar do que as tampas planas.
• Tampas elípticas ou 2:1 semi-elípticas: São um compromisso entre as tampas planas e hemisféricas. Elas são mais fáceis de fabricar do que as tampas hemisféricas, mas podem suportar pressões mais altas do que as tampas planas.
• Tampas torisféricas: São uma variação das tampas elípticas e são comumente usadas em vasos de pressão industriais. Elas têm uma seção esférica central com uma borda toroidal.
• Tampas cônicas: São usadas quando a pressão interna é alta e o vaso de pressão é longo. A forma cônica ajuda a resistir à pressão interna e também permite um escoamento eficiente do conteúdo do vaso.

Cada tipo de tampa tem suas próprias vantagens e desvantagens, e a escolha do tipo de tampa depende de vários fatores, incluindo a pressão de operação, o volume do vaso, os requisitos de fabricação e os custos.

Vasos de pressão esféricos

Os vasos de pressão esféricos são muito usados para o armazenamento de fluidos de alta pressão devido a sua estrutura que é bem forte, mas como são difíceis de se fabricar, eles acabam sendo mais caros do que os outros. A distribuição uniforme das tensões nas superfícies da esfera, tanto interna como externamente, geralmente significa que não existem pontos fracos.

Eles têm uma área superficial menor por unidade de volume. Além disso, eles consomem menos quantidade de material do que os vasos cilíndricos se um vaso de pressão do mesmo volume for fabricado. A menor área superficial do recipiente esférico também terá menos transferência de calor do corpo mais quente em comparação com outras formas.

Vasos de pressão de armazenamento

Os vasos de pressão de armazenamento são recipientes de armazenamento temporário para líquidos, vapores e gases. Esses vasos de pressão podem ser usado para conter fluidos em um processo posterior ou para armazenar produtos acabados, como gás natural comprimido (GNC), nitrogênio líquido, e gases derivados do petróleo.

Trocadores de Calor

Os trocadores de calor são vasos de pressão que são utilizados para transferir calor entre dois ou mais fluidos. Essa operação unitária de trocador de calor depende das propriedades térmicas e de fluxo dos fluidos envolvidos na troca de calor e da propriedade térmica da partição condutora (para trocadores de calor de contato indireto).

Os materiais em um trocador de calor sofrem estresse devido à diferença de temperatura dos fluidos quentes e frios e à pressão interna que contém os fluidos. Esses vasos de pressãosão comumente usados nas indústrias alimentícia, farmacêutica, de energia e de bioprocessamento.

Caldeiras

As Caldeiras também são equipamentos de transferência de calor que utilizam combustível, energia nuclear ou elétrica como fontes de calor. Esses equipamentos que também podem ser considerados como um vaso de pressão, são normalmente compostos por um recipiente fechado que permite a transferência de calor da fonte para o fluido. Eles são usados principalmente para aquecer líquidos.

Muitas vezes, a transformação de fase do fluido da fase líquida para a fase vapor ocorre dentro da caldeira. O vapor gerado pela caldeira é utilizado em diversas aplicações de aquecimento e na geração de energia. As caldeiras a vapor geram vapor a uma pressão elevada para acelerar as pás da turbina. Consequentemente, o recipiente da caldeira deve ter alta resistência para suportar tão altas pressões e estresse térmico. Para a maioria dos materiais, a resistência diminui com o aumento da temperatura.

Vasos de processo

Os vasos de processo são uma classificação ampla de vasos de pressão. São recipientes onde ocorrem processos industriais, como mistura e agitação, decantação, destilação e separação de massa e reação química.

A mudança na pressão interna de um recipiente de processo depende da natureza do processo realizado e da transformação das substâncias envolvidas. Dentre esses tipos especiais de vasos de processos estão as colunas de destilação em geral, reatores químicos, decantadores e misturadores industriais projetados para operar sob pressão.

Vasos de pressão e a NR-13

A Norma Regulamentadora NR-13, emitida pelo Ministério do Trabalho e Emprego do Brasil, estabelece requisitos mínimos para a gestão da integridade estrutural de caldeiras, vasos de pressão, suas tubulações de interligação e tanques metálicos de armazenamento nos aspectos relacionados à instalação, inspeção, operação e manutenção.

O principal objetivo da NR-13 é garantir a segurança e saúde dos trabalhadores, prevenir acidentes e proteger o patrimônio da empresa. Ela se aplica a caldeiras com pressão de operação superior a 60 kPa (0,61 kgf/cm²), vasos de pressão cujo produto P.V seja superior a 8 (oito), onde P é o módulo da pressão máxima de operação em kPa e V o seu volume interno em m³, entre outros equipamentos.

O empregador é o responsável pela adoção das medidas determinadas nesta NR. A norma também se aplica aos equipamentos pertencentes a terceiros, circunscritos ao estabelecimento do empregador.

A NR-13 é uma norma crucial para garantir a segurança na operação de vasos de pressão e outros equipamentos relacionados.

Inspeção e teste de vasos de pressão

A inspeção e teste de vasos de pressão envolvem várias técnicas de ensaio não destrutivo (END). Aqui abaixo estão algumas delas:

Inspeção por Partículas Magnéticas (MPI): Esta técnica é usada para detectar trincas e outras descontinuidades na superfície ou perto da superfície de materiais ferromagnéticos. Uma força magnética é aplicada ao material, que é então polvilhado com partículas magnéticas. As partículas residuais que ficam presas no fluxo magnético de uma trinca são então inspecionadas.

Inspeção por Líquido Penetrante (LPI): Esta técnica envolve a cobertura do material com um corante especial, que é então removido da superfície do material. As falhas na superfície do material capturam algum corante e permanecem visíveis após o excesso de corante ser lavado da superfície.

Radiografia (RT): Esta técnica usa radiação ionizante para inspecionar materiais e componentes com o objetivo de localizar e medir as características das descontinuidades internas.

Ultrassom (UT): Esta técnica usa ondas sonoras de alta frequência para detectar descontinuidades internas ou para medir a espessura de materiais.

Cada uma dessas técnicas tem suas próprias vantagens e limitações, e a escolha da técnica adequada depende de vários fatores, incluindo o tipo de material, a natureza das descontinuidades que se espera encontrar, o acesso à área de teste e as regulamentações ou códigos de prática aplicáveis.

Referências

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• https://whatispiping.com/basics-of-pressure-vessels/ (acessado em 11/01/2024 as 18:23)
• https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-00690-1_11 (acessado em 11/01/2024 as 18:27)
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• https://blog.hita.com.br/vasos-de-pressao/ (acessado em 12/01/2024 as 20:29)
• https://sg.linkedin.com/company/petrosync (acessado em 12/01/2024 as 20:42)
• https://forgedcomponents.com/why-are-spherical-storage-tanks-prevalent-in-oil-gas-facilities/ (acessado em 12/01/2024 as 21:01)
• https://vipaquecedores.com.br/boiler/ (acessado em 12/01/2024 as 21:14)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico com Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho e também sou Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, eu estou estudando Engenharia Civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)