A fabricação de tubos – beneficiamento da matéria-prima
Ferro
Para se obter ferro puro, a partir do minério de ferro, é necessário eliminar o oxigênio da combinação e para isso existe toda uma estrutura que permite tal beneficiamento.
O minério de ferro é queimado em um forno de lingotamento junto com carvão e oxigênio. Esse carvão, que é puro carbono, combina-se com o oxigênio e gera dióxido de carbônio e monóxido de carbônio.
Esses elementos combinam-se com o oxigênio contido no minério de ferro e levam-no embora, deixando apenas o ferro metálico. Porém, apenas o calor do forno não é suficiente para fundir o ferro, o que faz com que o material permaneça com um aspecto de massa esponjosa. Sua composição é de ferro e silicatos. Ao aquecer e martelar esse bloco, os silicatos vítreos misturam-se ao metal de ferro, criando o ferro forjado.
No entanto, a maneira mais avançada para a fundiçaõ de ferro é a partir de um alto forno. Este é carregado com minério de ferro, coque ou carvão vegetal e calcário. O cálcio existente neste último material combina-se aos silicatos e resulta na escória. Após esse procedimento, o ferro líquido se junta com uma camada de escória no fundo do alto forno, sendo liberado para esfriar pouco a pouco. Esse ferro líquido, quando frio, é conhecido como ferro-gusa.
É importante lembrar que o ferro-gusa, ao passar por um processo de mistura com a escória, de fundição e martelamento para eliminar a maior aprte de carbono, é possível chegar ao ferro forjado, sendo este a matéria-prima do aço.
O aço é material que se obtém depois de se retirar a maior parte das impurezas do ferro. É necessário retirar impurezas como a sílica, o fósforo e o enxofre, pois enfraquecem as propriedades do aço.
A quantidade de carbono, que varia de 0,15% a 0,5%, determina o grau de dureza do aço, ou seja, quanto maior for a existência de carbono, maior será a dureza e a dificuldade de soldagem do aço.
As aciarias mais modernas utilizam o forno básico insuflado com oxigênio, pois reduz em até 10 vezes todo o processo. Neste momento, é possível se adicionar outras metais para que o aço ganhe outras propriedades.
Escolha do material
De acordo com a ASTM (American Society for Testing and Materials), há mais de 500 tipos de materiais para a fabricação de tubos.Porém, deste total, usa-se em torno de 40 tipos de materiais em produção comercial. Estes materiais são distribuídos em duas categorias principais: metálicos, que também podem ser subdivididos em ferrosos e não-ferrosos; e os não metálicos, como plástico, concreto armado, cimento-amianto, vidro, cerâmica, etc. Para melhor elucidação, abaixo segue uma pequena divisão entre os materiais metálicos.
No entanto, essa gama de materiais exige maior preparo para a escolha ideal antes da fabricação do tubo. Pois, existem diversos fatores que influenciam e se opõem, o que torna essa seleção bem complexa.Entre os diversos fatores que atuam na decisão, podem ser citados: fluido conduzido; condições de serviço; nível de tensão do material; natureza do esforço mecânico; disponibilidade de material; sistema de ligações; custo dos materiais; segurança; facilidade de fabricação e montagem; experiência prévia; e tempo de vida previsto.Por isso, é ideal que se conheça todos os materiais disponíveis na prática, além das suas limitações durante a fabricação do produto. Outro ponto importante é selecionar o material mais adequado de acordo com as diversas condições físicas de trabalho e os fatores econômicos.
Mesmo assim, os tubos mais usados são constituídos de materiais ferrosos como, por exemplo, o aço-carbono, o aço-liga e o aço inoxidável. Enquanto que o tubos de aço fundido são restritos às instalações de líquidos como água e esgoto.
Classificação
Os tubos são elementos vazados, normalmente, de forma cilíndrica e seção constante.. As tubulações industriais, como equipamentos utilizados em processos industriais, são um conjunto de tubos, acessórios,válvulas e dispositivos, geralmente, usados para a distribuição de gases, óleos, vapores, lubrificantes e líquidos industriais. Essas tubulações, junto com torres, permutadores, tanques e bombas, compõem todo um complexo necessário ao funcionamento das instalações industriais.
As tubulações industriais podem ser classificadas em duas classes distintas: tubulações dentro de instalações industriais ou tubulações fora das instalações industriais.
As tubulações de dentro das instalações industriais são compostas por tubulações de processos, de utilizades, de isntrumentação e de drenagem. Já as externas às intalações industriais estão ligadas ao transporte e distribuição do material.
Fabricação
Há duas opções diferentes para a fabricação de tubos industriais, ou seja, há os tubos com costura e sem costura. Contudo, vale lembrar que os métodos de fabricação escolhidos não resultam em qualidades diferentes do produto.
– Tubos sem costura: quando o tubo é fabricado sem emendas longitudinais ou transversais, podendo recorrer a quatro tipos de processos industriais em sua fabricação, ou seja, a fundição, forjamento, extrusão e laminação.
Fundição: por esse processo são fabricados tubos de ferro fundido, de barro, borrachas, concretos, etc. O tubo é fabricado por meio de um molde no qual o material é despejado em estado líquido.
Forjamento: esse é um processo que não tem muita aplicação. Um lingote de aço aquecido ao rubro é martelado contra um mandril central, até que a forma e a espessura desejada sejam obtidas. Durante a martelagem, o lingote vai aumentando o comprimento.
Extrusão: são fabricados tubos de pequenos diâmetros, como os de alumínio, cobre, chumbo e plástico. O material em estado pastoso é pressionado por êmbolo através de um furo de uma matriz e por fora do mandril. Após essa operação, o tubo, ainda curto, passa por laminadores que vão dando as formas e dimensões definitivas.
Laminação: É o processo de fabricação mais importante dos tubos sem costura, que consiste em passar um lingote de aço aquecido a 1200°C num laminador. O lingote, ao passar entre os rolos do laminador, é prensado fortemente, ao mesmo tempo que um mandril abre um furo, transformando-o em tubo.
– Tubos com costura:já os tubos com costura são aqueles fabricados a partir do processo de soldagem, com chapas enroladas. Embora esses tubos possuam menos resistência que os seum costura, são os de uso mais frequente, devido ao baixo custo e à facilidade de processo de soldagem. Os tubos podem ser fabricados ao enrolar uma chapa em espiral e, posteriormente, soldar a emenda (em espiral);ou então ao enrolar (por calandragem) a chapa no sentido longitudinal e soldando a emenda (longitudinal).
Extremidade dos tubos
Deviso ao posicionamento dos equipamentos, os tubos acabam enfrentando diversos obstáculos como mudar de direção, de nível, se interligarem ou se conectarem a outros equipamentos. Por isso, os fabricantes fornecem quatro tipos diferentes de extremidades.
– Extremidade lisa: permite uniões com bolsa, flanges sobrepostos ou de encaixe de bolsa.
– Extremidade biselada: usada em uniões com solda de topo.
– Extremidade rosqueada: é muito usada em tubos galvanizados de ferro forjado e de aço, permitinod, no máximo, 4” de diâmetro nominal. As roscas utilizadas são normalmente cônicas NPT ou roscas de gás BS. Não são extremidades recomendadas para temperaturas elevadas.
– Extremidade com bolsas: é de uso restrito a condutos de água, esgoto e a alguns produtos corrosivos.
A partir desses dados, para se definir um tubo, é preciso levar em conta as seguintes informações: diâmetro nominal, número de série, tipo de extremidade, processo de fabricação, especificação do material, tipo de acabamento ou revestimento e quantidade (quantidade total em unidade de comprimento ou em peso).
Aplicações industriais
– Tubos de aço-carbono:representando 90% dos tubos industriais, a preferência por utilizar esse tipo de material é dada pelo baixo custo, pela excelente qualidade mecânica e pela facilidade em soldar e conformar. Geralmente, é utilizado para o transporte de água doce, vapor, condensado, ar comprimido, óleo, gases e muitos outros fluidos pouco corrosivos.
Além desses dados, é necessário saber que há aços-carbono especiais para baixa temperaturas, que levam menos carbono e mais manganês. E para temperatras abaixo de 0° e acima de 400° recomenda-se a utilização do aço-carbono acalmado (1% de Si).
De um modo geral, o aço-carbono apresenta pouca resistência à corrosão, porém, esses resíduos da corrosão não são tóxicos, mas podem alterar o gosto ou a cor do fluido transportado.
Os tubos de aço-carbono são comercializados sem tratamento (tubo preto) ou protegidos com revestimentode zinco depositado a quente (tubo galvanizado).
– Tubos de aços-liga e açosinoxidáveis:antes de mais nada, aços-ligasão todos aqueles aços que contêm outros elementos, além daqueles que compõem o aço-carbono. Enquanto que os aços inoxidáveis são os que contêm pelo menos 12% de Cr, o que permite que não haja enferrujamento do material, mesmo em grande exposição à atmosfera normal. Também podem ser dividos em austenítico (não magnéticos) e em ferrítico (magnéticos).
Esses dois tipos de materiais sãobem mais caros que os aços-carbono, além de a montagem no geral ser bem mais difícil e cara. Dado isso, feralmente o seu emprego se dá em casos de altas temperaturas, de baixas temperaturas,de alta corrosão, quando há necessidade de não-contaminação e de segurança.
Normas
NORMAS TÉCNICAS PARA TUBOS DE AÇO INDUSTRIAIS
ABNT
• NBR 6591
– tubos de aço carbono, com costura, para fins estruturais e industriais em geral, sem exigências de propriedades mecânicas ou acabamento, porém com propriedades químicas definidas.
– fornecidos em seção circular, quadrada ou retangular.
• NBR 8261
– similar à norma astm a-500;
– tubos de aço carbono, com ou sem costura, formados a frio, destinados a aplicação em estruturas soldadas, parafusadas ou rebitadas.
– fornecidos em seção circular, quadrada ou retangular;
– fornecidos nos graus a, b e c, que se diferenciam por sua composição química, tratamento térmico e propriedades mecânicas de acordo com os valores das tabelas abaixo:
• NBR 5580
– similar à norma din 2440;
– tubos de aço carbono de seção circular, para usos comuns na condução de fluidos não-corrosivos;
– fornecidos nas classes l (leve), m (médio) e p (pesado); com solda longitudinal por alta frequência, com ou sem revestimento de zinco. possui propriedades químicas e mecânicas definidas.
– todos os tubos de aço carbono fornecidos nesta norma, devem ser submetidos ao ensaio de pressão hidrostática, devendo ser submetido a uma pressão de 5mpa durante um tempo mínimo de 5 segundos.
• NBR 5590
– similar à astm a-53.
– tubos de aço carbono de seção circular, com ou sem costura, pretos ou galvanizados por imersão a quente, para condução de fluidos com requisitos de qualidade.
– fornecidos nos graus a e b, sendo o grau a apto a ser dobrado e flangeado; e grau b podendo sofrer flangeamento e dobramento limitados. possui propriedades químicas e mecânicas definidas.
– fornecidos com ou sem rosca, com extremidades lisas ou biseladas.
ASTM
• ASTM A53
– Similar à norma brasileira NBR 5590;
– Tubos de aço carbono de seção circular, com ou sem costura, pretos ou galvanizados por imersão a quente, para condução de fluidos. Possui propriedades químicas e mecânicas definidas.
– Fornecidos nos graus A e B, sendo o grau A apto a ser dobrado e flangeado; e grau B podendo sofrer flangeamento e dobramento limitados.
– Fornecidos com ou sem rosca, com extremidades lisas ou biseladas.
• ASTM A106
– Tubos de aço carbono de seção circular, sem costura, pretos ou galvanizados por imersão a quente, para condução de fluidos em altas temperaturas – até 470ºC. Possui propriedades químicas e mecânicas definidas.
– Fornecidos nos graus A e B, sendo o grau A apto a ser dobrado e flangeado; e grau B podendo sofrer flangeamento e dobramento limitados. Possui propriedades químicas e mecânicas definidas.
• ASTM A120
– Norma cancelada em seu instituto de origem no ano de 1987; sendo substituída pela norma ASTM A53;
– Tubos de aço carbono pretos ou galvanizados por imersão a quente, para condução de fluidos ordinários.
• ASTM A178
– Tubos de aço carbono de seção circular, com costura, para utilização em caldeiras, serpentinas de aquecimento, evaporadores, geradores de vapor, condensadores, pré-aquecedores e condução de gases similares, fornecidos em vários graus de matéria-prima.
– Podem ser submetidos a deformações a frio, como flangeamento, dobramento, sem necessidade de aquecimento das pontas;
– Todos os materiais nesta norma são submetidos ao ensaio hidrostático durante um tempo mínimo de 5 segundos;
– São fornecidos com propriedades químicas e mecânicas definidas.
• ASTM A214
– São tubos de aço carbono de seção circular, com costura, indicados para uso em trocadores de calor, condensadores, caldeiras e outros aparelhos similares de transferência de calor;
– Estes tubos de aço são aptos para serem trabalhados a frio, em operações tais como flangeamento, dobramento, achatamento, ovalização, confecção de serpentinas, aletamento, dentre outros;
– Todos os tubos de aço fornecidos nesta norma, são tratados termicamente em temperatura superior a 650ºC, o que garante uniformidade de dureza (máx. 72 RB) e superfícies interna e externa limpas;
– Todos os materiais nesta norma são submetidos ao ensaio hidrostático durante um tempo mínimo de 5 segundos.
• ASTM A500
– Similar à norma brasileira NBR 8261;
– Tubos de aço carbono, com ou sem costura, formados a frio, destinado a aplicação em estruturas soldadas, parafusadas ou rebitadas;
– Fornecidos em seção circular, quadrada ou retangular;
– Fornecidos nos graus A, B e C, que se diferenciam por sua composição química, tratamento térmico e propriedades mecânicas.
DIN
• DIN 2440
– Similar à norma brasileira NBR 5580;
– Tubos de aço carbono de seção circular, com costura, para usos comuns na condução de fluidos não-corrosivos;
– Fornecidos nas classes L (Leve), M (Médio) e P (Pesado); com ou sem solda longitudinal por alta frequência, com ou sem revestimento de zinco. Possui propriedades químicas e mecânicas definidas;
– Todos os tubos de aço carbono fornecidos nesta norma devem ser submetidos ao ensaio de pressão hidrostática, devendo ser submetido a uma pressão de 5MPa durante um tempo mínimo de 5 segundos.
• DIN 2391
– Tubos de aço de precisão, trefilados, fornecidos na seção circular, sem costura, com tolerâncias dimensionais restritas, com propriedades mecânicas definidas.
– As aplicações destes tubos de aço são determinadas pelas características de elevada precisão dimensional nos diâmetros externo e interno e sua superfície lisa devido ao processo de trefilação ao qual são submetidos.
– Fornecidos nos graus A (sem exigências especiais ou certificados de inspeção), B (com exigências e testes específicos) e C (outros tipos de aço, propriedades mecânicas ou estados de fornecimento não enquadrados nos graus anteriores);
– Estes tubos podem também ser fornecidos nos estados:
a) Trefilado duro (BK) – não há tratamentos térmicos após a última deformação a frio;
b) Trefilado macio (BKW) – após o último tratamento térmico, estes tubos de aço sofrem leve redução a frio;
c) Recozido (GBK) – após a última deformação a frio, os tubos são recozidos em forno de atmosfera controlada;
d) Normalizado (NBK) – Os tubos são tratados termicamente acima da zona crítica em forno de atmosfera controlada.
• DIN 2393
– Tubos de aço de precisão, trefilados, com costura, fornecidos na seção circular, com tolerâncias dimensionais restritas, com propriedades mecânicas definidas;
– São utilizados para fins mecânicos ou em equipamentos hidráulicos, que exigem grande exatidão dimensional. São tubos de aço onde se garante boa qualidade de superfície, adequada para receber outros tratamentos posteriores (como revestimentos em Ni ou Cr);
– Estes tubos podem também ser fornecidos nos estados:
a) Trefilado duro (BK) – não há tratamentos térmicos após a última deformação a frio;
b) Trefilado macio (BKW) – após o último tratamento térmico, estes tubos de aço sofrem leve redução a frio;
c) Recozido (GBK) – após a última deformação a frio, os tubos são recozidos em forno de atmosfera controlada;
d) Normalizado (NBK) – Os tubos são tratados termicamente acima da zona crítica em forno de atmosfera controlada.
• DIN 2394
– Tubos de aço de exatidão dimensional, laminados direto de máquina formadora, com costura, fornecidos na seção circular, com tolerâncias dimensionais restritas, com propriedades mecânicas definidas;
– São tubos de aço largamente utilizados na indústria de auto-peças, indústria moveleira, indústria de bicicletas, dentre outras.
• DIN 2458
– Tubos de aço fornecidos na seção circular, laminados direto de máquina formadora, com costura, com rebarba interna obrigatoriamente removida;
– São tubos de aço utilizados em evaporadores, aquecedores, condutores de gases e de superaquecedores, fornecidos em aço SAE 1008/1012, sem especificação de análise.
– São tubos tratados termicamente, permitindo deformações a frio, tais como mandrilhamento, dobramento, flangeamento ou conificação.
API
• API 5L
– Tubos de aço fornecidos com ou sem costura, utilizados na na condução de petróleo, bem como seus produtos relacionados em refinarias, indústria petroquímicas, como água, gás natural e outros gases;
– Fornecidos com extremidades biseladas, principalmente nos graus A e B. Outros graus de aço, podem ser estudados para estes tubos.
Fonte:
Provedor Representações
material didático sobre aula de tubulações industriais ( Faculdade de Engenharia Química de Lorena )
Senai- RJ
Abitam
Tubo Metal