Quais são as principais formas construtivas de vasos de pressão?

As paredes de pressão são compostas basicamente de casco e tampos. Os cascos do vaso de pressão têm sempre um formato de revolução, sendo praticamente todos os vasos compostos de uma das três formas básicas que são: cilíndricos, cônicos e esféricos. Também pode ser utilizada a combinação destes formatos compondo o vaso de uma forma cilíndrica e cônica, por exemplo.

Quanto a posição de instalação, os vasos de pressão podem ser verticais, horizontais ou inclinados. Na maioria das vezes o formato e a posição são definidos pelo serviço a ser executado.

Os vasos verticais são usados quando há necessidade da ação da gravidade para o seu funcionamento ou para o escoamento dos fluidos, de um modo geral os vasos verticais são mais caros que os horizontais principalmente quando de grande comprimento, em compensação ocupam menor área no terreno.

Nota-se que os vasos de pressão horizontais são muito comuns e são usados em alguns casos para trocadores de calor e para o armazenamento de fluidos pressurizados. Os vasos em posições inclinadas já são utilizados quando há necessidade do escoamento de fluidos por gravidade, sendo estes fluidos de difícil escoamento.

Principais tipos de vasos de pressão

Teoricamente o formato ideal para um vaso de pressão é o formato esférico com o qual se chegamos á menor espessura de parede e a um menor peso, porem esses vasos além de servirem apenas para armazenamento, são muito caros, difíceis de fabricarem e quase nunca podem ser transportados inteiros. Por esses motivos esses tipos de vasos de pressão são apenas fabricados para grandes dimensões e para armazenamento de gases pressurizados.

As dimensões características de um vaso de pressão são as seguintes:

• Diâmetro Interno (DI)
• Diâmetro externo (DE)
• Comprimento entre tangentes (CET)

O comprimento entre tangentes é o comprimento total do corpo cilíndrico, ou a soma a soma total dos corpos cilíndricos e cônicos sucessivos.

As linhas de tangência que limitam o comprimento entre tangentes, são linhas traçadas próxima a ambos os extremos do casco, na tangencia entre o casco cilíndrico e os tampos de fechamento.

Principais Dimensões de um vaso de pressão

Qualquer transição geométrica de forma ou espessura resulta em uma distribuição irregular e concentração de tensões na região de transição, efeitos esses que serão tanto mais grave quanto mais forte for a mudança de forma ou de espessura.

Por este motivo, os códigos de projeto fazem uma série de exigências de maneira a minorar este efeito. Na ligação de um corpo cilíndrico com um tampo hemisférico de mesmo diâmetro, a transição de formato é muito pequena, desde que haja tangência perfeita, pode-se admitir que a concentração de tensões e a flexão na parede do vaso estejam dentro de limites aceitáveis, não sendo necessário nem exigido pelas normas nenhum reforço ou outra precaução adicional.

Para a ligação de um corpo cilíndrico com um tampo elíptico ou toriesférico, a transição de formato é mais forte, e por isso mesmo em geral existe uma pequena seção cilíndrica integral com o tampo, isto é, certa distância entre a linha de tangência e a linha de corte ou de solda.

Na ligação de um corpo cilíndrico com um tampo esférico, por exemplo, é exigido que a diferença entre as bordas seja de 3y (diferença de espessura), de tal maneira a suavizar a transição de forma. Contudo, devemos nos lembrar que esta transição deve ser feita do lado do tampo esférico, de forma a garantir a continuidade de espessura do casco.

As cascas cilíndricas também são utilizadas para fabricação de trocadores de calor tipo casco tubo. Geralmente são vasos fáceis de fabricar, instalar e de manutenção barata. Os procedimentos de projeto nas normas existentes para vasos de pressão são baseados no comportamento elástico linear, ocasionalmente permitindo limitado comportamento não elástico ao longo de uma região localizada.

A espessura da casca é o principal parâmetro de concepção do projeto, geralmente é controlada por pressão interna e às vezes por pressão externa (vácuo), podendo assim produzir flambagem.

Tampos de Vasos de Pressão

Os tampos são componentes de grande importância em vasos de pressão sendo sua função o fechamento das extremidades superior e inferior do casco.

Os tampos são normalmente fabricados a partir do mesmo material que a casca cilíndrica eles podem soldados a casca cilíndrica ou podem ser parte integrante em vasos forjados ou fundidos. O desenho, dos tampos é dependente da geometria do vaso, bem como de outros parâmetros de projeto, tais como temperatura e pressão de operação.

Os principais tipos de tampos são:

• Elíptico
• Toriesférico
• Hemisférico
• Cônico

Tampo Elíptico Vasos de Pressão

Os tampos elípticos instalados em vasos de pressão têm, teoricamente, suas seções transversais como se fosse uma elipse geométrica perfeita. Os tampos elípticos denominados normais, a relação de semi-eixos é 2:1, ou seja, sua altura é um quarto do seu diâmetro.

Esse tampo a maior parte das vezes pode ser construído com chapas da mesma espessura que são utilizadas na casca cilíndrica do vaso, porque a sua resistência à pressão interna é praticamente igual à do cilindro de mesmo diâmetro.

Tampo Toriesférico Vasos de Pressão

Os tampos toriesféricos são compostos por uma calota central esférica, de raio “L”, e por uma seção toroidal (raio menor), de concordância, de raio “r”. Os tampos toriesféricos são mais fáceis de fabricar do que os elípticos, e essa facilidade são tanto maior quanto menor for o raio de abaulamento isto é o raio “r”.

Ao contrario, a sua resistência é maior quanto maior for o raio “r”, permitindo chapas de menor espessura. Qualquer tampo toriesférico é sempre menos resistente do que um elíptico de mesmo diâmetro e com mesma relação de semi-eixos.

O código ASME exige para os tampos toriesféricos que o raio “r” seja de no mínimo 6% do diâmetro externo (de), ou 3 vezes a espessura da chapa, o que for maior, e que o raio ”L” seja no máximo igual ao diâmetro externo do tampo.

Os tampos toriesféricos com esses valores limites, isto é, “r” = 0,06 de e L = d, são os menos resistentes de todos ao efeito da pressão interna, exigindo por isso maior espessura de chapa.

Qualquer tampo toriesférico é tanto mais resistente quanto mais seu perfil se aproxima de uma elipse perfeita. de todos os perfis toriesféricos com relação de semi-eixos 2:1, o perfil em que se tem “r“ = 0,1727 de e “L”= 0,9045 de (ou seja, “r” / “L” = 0,1909) é o que mais se aproxima da elipse. Esse perfil é conhecido como falsa-elipse e é o mais empregado de todos os perfis toriesféricos, muitas vezes confundido com o tampo elíptico verdadeiro, este tampo de acordo com o código ASME, pode ser utilizado como sendo um tampo elíptico verdadeiro.

Tampo Hemisférico Vasos de Pressão

Os tampos hemisféricos são proporcionalmente o mais resistente de todos, podendo ter cerca da metade da espessura de um casco cilíndrico de mesmo diâmetro. Por outro lado, é difícil de construir e ocupa mais espaço devido à sua maior altura.

É empregado para os vasos horizontais em geral, vasos verticais de diâmetro muito grande 10 metros ou mais, quando as condições de processo permitir, e também para vasos pequenos e médios para altas pressões, caso em que o tampo é de construção forjada integral.

Para grandes diâmetros esses tampos são construídos de diversas partes soldadas entre si, incluindo uma calota central e vários gomos em setores esféricos.

Tampo Cônico Vasos de Pressão

Os tampos cônicos, embora fáceis de construir, são pouco usados por serem bem menos resistentes do que qualquer um dos anteriores.

O seu emprego limita-se praticamente ao tampo inferior de vasos em que seja necessário o esvaziamento rápido completo, ou que trabalhem com fluidos difíceis de escoar fluidos viscosos ou com sólidos em suspensão, por exemplo.

Em tampos cônicos podem ser feitas uma concordância toroidal na ligação com o cilindro, sendo Para tampos cônicos com o semi-ângulo no vértice, maior do que 30º, e no máximo 60º, o código ASME, exige a concordância toroidal, que pode ser dispensada somente quando for feito um estudo especial de análise de tensões.

Segundo o código ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 1, referente a vasos fabricados com aços de alta resistência, admite-se todos os tipos de tampos mencionados, exigindo entretanto que os tampos toriesféricos sejam calculados para uma tensão admissível de 1408 kgf/ cm² (138 mpa), quando à temperatura ambiente, devendo-se, para outras temperaturas, reduzir proporcionalmente esse valor de acordo com a redução da tensão admissível do material em função da temperatura.

Os vasos de pressão estão em toda a parte e mantê-los funcionando bem e acima de tudo com segurança é uma tarefa importante.