Projeto de vaso de pressão: ASME Divisão 1 ou Divisão 2?
Duas propostas de projeto de vaso de pressão para o mesmo reservatório de amônia chegam à mesa. Volume igual, pressão de projeto igual, material igual, forma construtiva igual. Uma delas dimensiona pela ASME Seção VIII Divisão 1 e fecha em chapa de 16 mm. A outra dimensiona pela Divisão 2 e fecha em 12,5 mm, com 1.222 kg de aço a menos.
A pergunta que o comprador faz é qual está certa. A pergunta que o engenheiro precisa fazer é outra: de onde vem essa diferença, e o que ela custa em algum outro lugar.
Este artigo faz a conta inteira, com os dois lados normalizados, e mostra que a justificativa mais repetida para escolher a Divisão 2 não sobrevive ao caso.
Os dados do caso, normalizados
Para que a comparação signifique alguma coisa, tudo que não é o código precisa ser idêntico nas duas rotas. É o que foi feito aqui.
Parâmetro | Valor adotado | Observação |
Volume | 20 m³ (20.000 L) | dado de entrada |
Pressão de projeto | 16 kgf/cm² (1,569 MPa) | dado de entrada |
Temperatura | ambiente (adotada até 40 °C) | dado de entrada |
Fluido | amônia anidra | dado de entrada |
Diâmetro interno | 2.000 mm | adotado, igual nas duas |
Comprimento entre tangentes | 5.700 mm | decorre do volume |
Tampos | 2:1 elipsoidais | adotado, igual nas duas |
Material | SA-516 Gr 70 | adotado, igual nas duas |
Eficiência de junta | E = 1,0 | radiografia total nas duas, para não contaminar a comparação |
Sobreespessura de corrosão | 3,0 mm | adotada, igual nas duas |
A eficiência de junta merece uma nota. Seria possível rodar a Divisão 1 com radiografia por pontos e E = 0,85, que é prática comum e barateia a fabricação. Não foi feito de propósito: isso misturaria duas variáveis e faria a Divisão 2 parecer melhor por um motivo que não é dela.
O que realmente muda entre as duas divisões
A explicação que circula é curta: a Divisão 1 usa margem 3,5 sobre a tensão de ruptura, a Divisão 2 usa 2,4, logo a Divisão 2 permite 3,5 dividido por 2,4, cerca de 46% a mais de tensão.
O raciocínio tem um furo, e ele não é sutil. Nenhuma das duas divisões usa só a ruptura. Cada uma toma o menor valor entre dois critérios, e o critério que vence pode ser diferente em cada rota.
Com Su de 485 MPa e Sy de 260 MPa, a Divisão 1 resulta em 138,6 MPa e a Divisão 2 em 173,3 MPa. A razão é 1,25 e não 1,46.
A regra de bolso 3,5 sobre 2,4 só vale para material governado pela ruptura. Fora dessa condição, ela superestima o ganho em quase o dobro.
Isso não é um detalhe acadêmico. Um projeto conceitual que estime a economia da Divisão 2 pela razão das margens vai prometer uma redução de espessura que o cálculo detalhado não entrega, e a diferença aparece tarde, quando a chapa já foi orçada.
O cálculo, lado a lado
A Divisão 1 trata a espessura do casco no parágrafo UG-27(c)(1), para tensão circunferencial em junta longitudinal, com a fórmula t igual a PR dividido por SE menos 0,6P. O código condiciona o uso dessa forma a duas verificações, e as duas foram conferidas aqui: a espessura não excede metade do raio interno, e a pressão não excede 0,385 vezes SE.
Verificação de aplicabilidade
P = 1,569 MPa contra o limite de 0,385 × 138,6 × 1,0 = 53,4 MPa. A pressão do caso está muito abaixo do limite, e a formulação de parede fina se aplica sem ressalvas. Conferido na edição 2017 do código, disponível no acervo.
A Divisão 2 trata o mesmo casco na Parte 4.3.3, com formulação exponencial: t igual a R multiplicado por e elevado a P sobre S, menos um. A forma é diferente, mas em regime de parede fina as duas convergem; o que separa os resultados é a tensão admissível, não a álgebra.
Componente | Divisão 1 | Divisão 2 | Diferença |
Tensão admissível | 138,6 MPa | 173,3 MPa | +25,1% |
Casco, espessura de pressão | 11,40 mm | 9,09 mm | 2,31 mm |
Tampo 2:1, espessura de pressão | 11,34 mm | 9,06 mm | 2,28 mm |
+ sobreespessura de corrosão | 14,40 mm | 12,09 mm | 2,31 mm |
Chapa comercial adotada | 16,0 mm | 12,5 mm | 3,5 mm |
Massa de aço do casco e tampos | 5.587 kg | 4.365 kg | 1.222 kg (21,9%) |
Repare no efeito do arredondamento comercial. A diferença calculada é de 2,31 mm, mas a diferença de chapa é de 3,5 mm, porque 14,40 mm não cabe em 12,5 e sobe para 16. Em outro par de espessuras, o mesmo cálculo poderia render diferença zero de chapa. O ganho da Divisão 2 é descontínuo, e depende de onde o resultado cai na régua comercial.
A conta que não aparece na proposta
Os 1.222 kg são reais. O que costuma ficar de fora é que a Divisão 2 não é um método de cálculo que se escolhe: é um pacote de requisitos que se assume por inteiro.
Ela exige especificação de projeto do usuário formalizada, relatório de projeto certificado por profissional habilitado, extensão maior de ensaios não destrutivos, tolerâncias de fabricação mais estreitas e requisitos próprios de material e tenacidade. Nada disso escala para baixo junto com o tamanho do vaso.
A economia da Divisão 2 é proporcional à área de chapa. O custo dela é quase fixo. Existe um porte abaixo do qual as duas curvas não se cruzam.
Num vaso de 20 m³, a área total de casco e tampos é de cerca de 44,5 m². É pouca chapa para diluir a engenharia adicional, a documentação e a inspeção ampliada. Em um parque de dez vasos iguais, ou num equipamento de 200 m³, a leitura muda por completo, porque o custo fixo se reparte.
Erro comum
Tratar a Divisão 2 como "a Divisão 1 com margem menor" e adotar só a tensão admissível dela, mantendo o resto da prática da Divisão 1. Isso não é projeto pela Divisão 2: é um vaso subdimensionado com uma justificativa emprestada. A margem menor é comprada com o pacote inteiro, e sem ele não existe.
O que nenhuma das duas contas cobre
Há um fator neste caso específico que não entra em nenhuma das duas formulações, e que precisa ser dito antes que alguém aprove a chapa de 12,5 mm.
Amônia e corrosão sob tensão
A amônia anidra é associada a corrosão sob tensão em aço carbono, mecanismo em que a tensão de tração é ingrediente necessário, e não apenas consequência. A mitigação usual passa por tratamento térmico de alívio de tensões, limite de dureza nas soldas, controle de contaminação por oxigênio e teor mínimo de água no produto.
Duas consequências para esta comparação. A primeira: essas exigências independem da divisão escolhida, então a parede mais fina não economiza esse custo. A segunda, mais importante: a parede mais fina opera sob tensão maior, o que é adverso para um mecanismo movido a tensão.
Isto não invalida a rota da Divisão 2. Significa que a decisão de espessura em serviço com amônia não pode ser tomada só pela conta de pressão, e que o programa de mitigação precisa ser reavaliado se a espessura mudar. É análise de outra natureza, fora do escopo deste estudo.
Quando cada rota se paga
A conclusão deste caso não se transporta por semelhança de tema, e sim pelas condições que a produziram. A régua abaixo é a que usamos.
Condição | Tende à Divisão 1 | Tende à Divisão 2 |
Porte do equipamento | pequeno e médio, como este caso | grande, onde a chapa domina o custo |
Repetição | unidade única | série de equipamentos iguais |
Pressão de projeto | moderada | alta, onde a espessura cresce rápido |
Restrição de peso | ausente | crítica (offshore, içamento, fundação limitada) |
Geometria | coberta pelas regras prescritivas | detalhes fora do alcance da regra |
Estrutura de engenharia | sem exigência adicional | capaz de sustentar o pacote documental |
Para o vaso deste estudo, nenhuma linha da coluna da direita se aplica. A Divisão 1 é a rota adequada, e escolher a Divisão 2 aqui compraria 1.222 kg de aço com um custo de engenharia e qualidade que o equipamento não tem como diluir.
Limite deste artigo
Este é um estudo comparativo de método em fase de projeto, com dados adotados e declarados. Não é memória de cálculo, não substitui o projeto do equipamento e não dispensa a avaliação do Profissional Legalmente Habilitado responsável, nem o enquadramento na NR-13.
O que precisa ser confirmado antes de usar estes números
Honestidade sobre a origem de cada dado é parte do método, então vale explicitar o que aqui é verificado e o que é adotado.
As formulações, os símbolos e a condição de aplicabilidade da Divisão 1 foram conferidos na edição 2017 do código, que está no acervo. A edição corrente é posterior, e os princípios de espessura mínima são estáveis, mas a conferência na edição contratada é obrigatória antes de qualquer uso em projeto.
As propriedades do SA-516 Gr 70 usadas na conta, Su de 485 MPa e Sy de 260 MPa, são valores correntes de literatura e não foram conferidos na Seção II Parte D, que não está no acervo. Uma variação de poucos por cento nesses valores desloca as espessuras, mas não altera a conclusão estrutural do artigo, que é qual critério governa cada divisão.
O número que muda a decisão é qual critério vence, e não a terceira casa decimal da tensão admissível.
Como este estudo pode, e como não pode, ser usado
Um comparativo com números tende a circular fora do contexto que o produziu. Por isso vale delimitar, com a mesma clareza dos cálculos, o que este caso sustenta e o que ele não sustenta.
Escopo do cálculo
O costado foi tomado como elemento de exemplificação, e é sobre ele que a comparação se apoia. O tampo aparece na tabela apenas para compor a estimativa de massa.
Não foram dimensionados bocais e reforços de abertura, berços e a interação entre vaso e berço, cargas externas de vento, sismo e tubulação, condição de teste hidrostático, flanges e conexões, nem os efeitos do tratamento térmico sobre as propriedades. Qualquer um desses elementos pode governar a espessura em regiões localizadas, e vários deles costumam governar. Um projeto completo é outra coisa, bem maior que esta comparação.
Este caso não é padrão para estender vida útil de ativo existente
Este é um caso teórico, em fase de projeto. Ele serve como base para o raciocínio apresentado aqui: comparar duas rotas de código com os dois lados normalizados e identificar qual critério governa a tensão admissível em cada uma.
Ele não deve ser usado como padrão para elevar a vida útil de equipamentos já em operação, e a distinção não é formal. Em ativo existente, a espessura disponível é dado medido, e não escolha de projeto. O que decide a continuidade operacional ali é avaliação de aptidão ao serviço, apoiada no histórico de inspeção, no mecanismo de dano identificado e na taxa de corrosão real daquele equipamento.
Adotar a tensão admissível maior da Divisão 2 para justificar uma espessura remanescente que não atenderia à Divisão 1 inverte o sentido deste estudo. A rota de código é decidida no projeto, com o pacote inteiro de requisitos que a acompanha, e não se troca depois para acomodar um resultado de medição. Cada caso exige avaliação própria, com os dados daquele ativo.
Ainda tem dúvidas sobre projeto de vaso de pressão?
As dúvidas sobre as Divisões 1 e 2 do ASME aparecem justamente quando a comparação sai da fórmula e chega à decisão de projeto. A seguir, respondemos às perguntas mais comuns sobre espessura, tensão admissível e quando a Divisão 2 realmente pode trazer vantagem.
A Divisão 2 sempre resulta em parede mais fina que a Divisão 1?
Não necessariamente. A tensão admissível maior reduz a espessura de pressão, mas a sobreespessura de corrosão é a mesma e o arredondamento para chapa comercial pode anular a diferença. Neste caso a diferença calculada foi de 2,31 mm e a diferença de chapa foi de 3,5 mm, mas o inverso também ocorre.
Por que a Divisão 2 não rende 46% a mais de tensão admissível?
Porque a razão 3,5 sobre 2,4 compara apenas as margens sobre a ruptura. Cada divisão adota o menor valor entre o critério de ruptura e o de escoamento. No SA-516 Gr 70 à temperatura ambiente, a Divisão 2 é governada pelo escoamento, e o ganho real cai para 25%.
Vale a pena projetar um vaso de 20 m³ pela Divisão 2?
Em geral não. A economia é proporcional à área de chapa, enquanto o custo do pacote da Divisão 2, especificação de projeto do usuário, relatório certificado, ensaios ampliados e tolerâncias mais estreitas, é praticamente fixo. Em série de equipamentos ou em portes maiores, a leitura muda.
Quando a Divisão 2 realmente se paga
A escolha entre Divisão 1 e Divisão 2 não é uma escolha entre engenharia comum e engenharia avançada. É uma decisão sobre onde vale investir demonstração, e ela tem porte, repetição e restrição física como entradas.
Neste caso, a rota mais simples é também a correta. Não porque a Divisão 2 seja excessiva em abstrato, mas porque o equipamento não tem área de chapa suficiente para pagar o que ela exige.
Em outro cenário, com maior porte, repetição de equipamentos, pressão mais elevada ou restrição de peso, a conclusão pode ser diferente. É por isso que a escolha da divisão não deveria começar pela espessura que se pretende alcançar, mas pelas condições reais do projeto e pelo custo técnico do pacote que acompanha cada rota.
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