O polietileno e o polipropileno – Parte 3

Trecho extraído do Manual de Tubulações de Polietileno e Polipropileno – Autor: José Roberto B.Danieletto

DIMENSIONAMENTO DE TUBULAÇÕES PLÁSTICAS

Tensão de Dimensionamento Hidrostático 

Os organismos internacionais, com o intuito de melhor distinguirem os diversos materiais plásticos, procuraram desenvolver critérios de classificação bem abrangentes, envolvendo as diversas características dos materiais, tais como:

- Densidade;

- Índice de fluidez;

- Resistência à tração;

- Resistência ao stress cracking;

- Resistência à pressão hidrostática interna, etc.

Dentre as classificações mais utilizadas de materiais plásticos para a fabricação de tubos e conexões estão as da ASTM D 3350 –Polyethylene plastics pipe and fittings materials, e da ISSO 12162 – Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications pipes – Classification and designation- overall service (design coefficient).

Essas classificações têm como preponderante a determinação da tensão padrão de dimensionamento hidrostático do material (resistência do material) com a qual se permite determinar a resistência à pressão do tubo produzido.

A tensão de dimensionamento hidrostático é definida como a tensão circunferencial (hoop stress) máxima, resultante de pressão interna no tubo que o material suporta sem ruptura por, no mínimo, 50 anos, à 20°c.

Todavia, nesse texto adotaremos nos cálculos somente a fórmula simplificada para melhor correspondência às normas de tubos plásticos, cabendo ao calculista a opção de lançar mão desses fatores de correção, se conveniente.

Classificação conforme Norma ASTM, PPI E API

No que concerne à resistência à pressão hidrostática interna, as classificações da ASTM D 3350, adotadas pelo PPI (Plastic Pipe Institute) e pela API (American Petroleum Institute), baseiam-se métodos de extrapolação das curvas de regressão, definidos pela ASTM D 2837 – Method for Obtaining Hydrostatic Design Basis for Thermoplastic Pipe Materials ou pela PPI TR 3 (Thechnical Report). Estes métodos visam estabelecer, para cada material, seu valor padrão de Tensão Hidrostática (Hydrostatic Design Basis HDB).

Com valor da HDB, determina-se a Tensão de Dimensionamento Hidrostático, multiplicando-se a HDB por um fator de serviço ou dimensionamento. Com a HDS determina-se a pressão de serviço da tubulação em função do diâmetro e espessura do tubo.

A condição dos materiais conforme o PPI é formada pela abreviatura do plástico seguida de quatro algarismos arábicos, sendo o 1° e o 2° algarismo referentes ao tipo ( faixa de densidade) e grau (faixa de MFI), respectivamente, conforme ASTM 3350, e os dois últimos algarismos correspondem à HDB expressa em centenas de Ib/pol2 (psi)dividido por 2.

Termos e Definições da ASTM D- 2837-69

- Padrão ou Base de Dimensionamento Hidrostática

Valor de Tensão definido para o material através da extrapolação da curva de regressão (tensão de ruptura x tempo). É  definido como o menor valor entre a Resistência Hidrostática de Longa Duração e valor da tensão que provoca uma expansão circunferencial no tubo de 5% em 10.000h.

A HDB deve ser multiplicada por um fator de serviço (dimensionamento) para se obter a tensão de dimensionamento hidrostático dos tubos.

- Resistência Hidrostática de Longa Duração

Valor de tensão hidrostática média prevista que provocará uma falha no tubo a 100.000 h. Nas normas europeias é definido a 438.000 h (50 anos).

Ruptura, rachadura, fratura, fenda ou vazamento de fluido do tubo durante teste.

- Hydrostatic Design Stress- HDS ou Tensão de Dimensionamento Hidrostático

Máxima tensão de tração circunferencial resultante da pressão hidrostática interna no tubo, que pode ser aplicada continuamente, com um alto grau de certeza que não ocorrerá falha no tubo.

É determinada pela HDB multiplicada por um fator de segurança ou dimensionamento.

- Pressure Rating ou Pressão Máxima

Máxima Pressão a que o tubo pode ser submetido continuamente, com um alto grau de certeza que não ocorrerá falha no tubo.

- Service (Design) Factor – Fs

É um número menor que 1, que leva em consideração todas as variáveis e graus de segurança envolvidos em uma instalação de tubos termoplásticos de pressão.

Dimensionamento conforme Norma API

O dimensionamento dos tubos, conforme método da API, utilizado na América do Norte, faz-se acrescentando fatores de serviço à Tensão Hidrostática Básica (HDB) em função da temperatura e fluído conduzido.

Por exemplo:

Polietileno com HDB= 1600psi

Temperatura de trabalho= 100°F (37,8°C): fs= 0,64

Fluido= petróleo: fs2=0,5

Fator de segurança: FS= 0,5

Assim: Tensão de projeto HDS= o= HDB. FS. Fs., fs2

Onde P= pressão de trabalho ou Serviço (operação)

Dm= Diâmetro médio = D . e

Logo, para um tubo de diâmetro 4’’ e espessura ½’’.

Classificação e Dimensionamento pelos Métodos Europeu e Brasileiro

No Brasil, tem-se utilizado as classificações e métodos europeus de dimensionamento, principalmente os estabelecidos pelas normas ISSO, as alemãs DIN, e agora as EM (normas da comunidade européia).

Anteriormente, ao invés de se classificar os materiais pela sua tensão hidrostática de longa duração (LHTS) determinada pelos métodos de extrapolação, os materiais eram classificados em função da Tensão de Dimensionamento máxima estabelecida na norma de aplicação de cada tipo de tubo ou conexão. Dessa maneira, materiais de desempenho bastante diferentes (LHTS diferentes) resultavam em tubos igualmente dimensionados, pois adotava-se o mesmo para o seu dimensionamento. Ou seja, o fator de segurança, também chamado de Coeficiente de Dimensionamento (C) era diferente em cada caso, sem que o usuário, muitas vezes, desse por conta.

Apresentamos a classificação dos materiais conforme normas DIN, que foram muito utilizadas até os anos 80.

No Brasil, até 1996 ainda se usava a classificação antiga, onde o PEAD tipo 1 era designado PE 5ª e o tipo 2 por PE 5 B.

A partir dos anos 80, houve uma grande evolução nos materiais para tubos de PE e PP, alterando inclusive  sua nomenclatura e forma de classificação, tornando-se semelhante à forma americana (5.1.1), gerando mudanças nas normas dos produtos e de suas aplicações.

As normas atuais ISSO 12162 e similares definem por levantar as curvas de regressão padrões de cada material pelo ‘’Método de Extrapolação Padrão (SEM) ISSO TR 9080’’, determinando, além da Tensão Hidrostática no Limite Inferior de Previsão (LPL – Lower Prediction Limit) definida estatisticamente com Limite Inferior de Confiança (LCL) de 97, 5%.

A tensão num dado limite inferior de confiança (LCL- Lower confidence limit) determina-se estatisticamente através da Distribuição t de Student. A tensão de longa duração determinada para um limite inferior de confiança de 97,5% é o valor ao qual se espera que 97,5% das falhas ocorrerão acima dele, portanto a LCL tem valor inferior ao valor médio LTHS. Reside aí uma das mais importantes diferenças com a metodologia norte-americana.

Com o valor de LPL para 50 anos na temperatura de 20°C é determinada a classificação padrão do material como a Resistência Mínima Requerida , quem tem o conceito similar ao americano HDB – (Hydrostatic Design Basis).

A utilização do termo “Composto” advém das definições das normas técnicas europeias, onde se determina que a classificação deve ser do material pronto para a transformação do tubo ou conexão, isto é, já deve contemplar todos os aditivos e pigmentos. O material assim é designado no jargão técnico como composto.

As normas americanas costumam admitir o uso de resina (material) natural com a incorporação de pigmentos pelo transformador. O risco dessa prática é a utilização de pigmentos ou máster batchs (concentrado de cor e aditivos) que venham a prejudicar as propriedades da resina, resultando num composto que não atenda a classificação inicial da resina base.

(1)    O PE 63 é praticamente o antigo PEAD tipo2. Entretanto, é importante assinalar que atualmente esses materiais estão restritos a aplicações de conduítes elétricos, de fibra ótica e tubos corrugados para esgoto, ou seja, foram abandonados para tubos de pressão, por não haver mais justificativa técnica e econômica a seu emprego.

(2 e 3) são basicamente os padrões empregados para aplicações genéricas, inclusive redes de distribuição e ligação predial de água.

(4,5 e 6) Conforme ISSO 4437 e EM 1555, o PE 100 pode ser dimensionado para tubos de gás com o= MPa, o que para um tubo SDR 11 resultaria em pressões de até 10 bar, entretanto, no Brasil e na maioria dos países, as tubulações de gás em PE 100 estão restritas a uma pressão máxima de 7 bar, adotando-se, então o= 3,85 MPa . A limitação visa a segurança do sistema, devido a ainda pouca história dos PE 100. Seria de se esperar, que com o ganho de confiabilidade no material as pressões de operação sejam sistematicamente aumentadas até 10 bar.

(7) A norma ISSO 4422 admite o uso de um Fator de Segurança mínimo de 1,6, o que resultaria em o de 15,6 MPa. Esse valor não é utilizado na prática, evitando tubos perigosamente finos, levando a rupturas por cargas de aterro e transientes.

(8) Os tubos de PVC, no Brasil, também alteraram sua classificação, entretanto o fizeram seguindo o conceito antigo, onde sua classificação é dada pela tensão de dimensionamento em MPa e não peloMRs em Kgf/cm². Os materiais passaram a ser designados por PVC 6,3 (NBR 5647 e 5648) e PVC 12 (DEFOFO – NBR 7665), ou seja, sua tensão de dimensionamento é de 6,3 MPa, respectivamente, não sendo definida sua MRS.

PP-H 100, PP-R 80 são as novas designações para Polipropileno Homopolímero, Copolímero e Randômico, respectivamente, conforme DIN 8077/1997, DIN 8078/1996 e EM 15874/2003.

Em função do comportamento de sua curva de regressão, isto é, quando ocorre a inflexão na curva (joelho), passando de ruptura dúctil para frágil, os compostos são ainda classificados como do Tipo A ou B.

Convém ressaltar que as novas definições de tipo A e B não têm relação com a antiga nomenclatura brasileira. Ao contrário, o Tipo A brasileiro era um material de MRS inferior ao Tipo B enquanto agora, ambos materiais têm o mesmo MRS, porém o tipo A tem uma curva com a fase 1 mais longa (maior fase dúctil e melhor ESCR), não apresentando joelho n curva de 20°C até 50 anos.

As Gerações de Polietilenos e sua Evolução

A Primeira Geração

Os PEAD de primeira geração surgiram nos anos 50, fabricados pela Hoechst alemã, por processo Ziegler, Caracterizavam-se por alta densidade, apresentando alta resistência ao creep, ou seja, alta resistência a 20°C 100.000 h.

Entretanto, esses materiais apresentavam ruptura frágil no teste a 80°C entre 10 e 100 h, ou seja, baixíssimo ESCR. Por conta disso, esses tubos começaram a apresentar ruptura frágil a partir de 10 anos de uso, chamando a atenção da Indústria ao problema.

A Segunda Geração

A solução passou pelo aumento do peso molecular através do aumento de comonômeros, conseqüentemente incorrendo em alguma diminuição da densidade e da resistência ao creep, mas melhorando o balanço geral das propriedades, em especial ao ESCR.

Essa segunda geração de materiais, mais populares nos anos 80, foi produzida tanto pelo método Ziegler, quanto pelo método Philips. Os primeiros, com comonômero buteno, resultando em densidade um pouco maior e menor ESCR. Os segundos, usando principalmente comonômeros de hexeno, com densidade menor, e melhor ESCR. Empurrou-se o joelho da curva de regressão mais para direita.

Nessa época, a BRISTISH GAS procurou estabelecer uma diferenciação do comportamento dos polietilenos em função da densidade do material, separando-os em polietileno de média densidade (PEMD E PEAD).

Se de um lado a diferenciação era adequada, na prática criou algumas confusões e dúvidas entre alguns usuários. Pois se estabelecia que seriam PEMD aquelas resinas que tivessem densidade 0,940 g/cm3, tal qual as ASTM 3350 e 1248. Entretanto verificava-se que algumas resinas que tinham densidades muito próximas apresentavam comportamentos bem distintos quanto ao ESCR e vice-versa. Tornava-se difícil estabelecer um limite de densidade que realmente distinguisse os materiais.

Para piorar, surgiram incautos que misturavam PEAD com PEBD resultando em blendas com densidade na faixa do PEMD, enganando consumidores desavisados.

Como podemos verificar pelas curvas de regressão, o PEAD tipo 1 apresentava uma resistência inicial maior que o PEAD tipo 2, porém uma menor resistência a longo prazo, o joelho ocorrendo mais cedo.

A Terceira Geração

A necessidade de se aumentar o MRS dos materiais para torná-los mais competitivos, porém sem incorrer na diminuição do ESCR, conduziram a pesquisas que resultaram nos materiais bimodais.

O cerne do processo consiste na introdução seletiva de comonômeros nas cadeias moleculares mais longas, conseguindo aumento de peso molecular, mas sem baixar a densidade. Conseguindo aumento de peso molecular, mas sem baixar a densidade. Conseguindo alta resistência ao creep (alto valor de MRS) bem como ao ESCR, surgindo então os PE 100.

Os PE 100 trouxeram ainda uma importante evolução no desempenho à propagação rápida de ruptura. Com os materiais estão em constante evolução, devem-se esperar novos materiais, com maiores MRS, tornando os tubos plásticos cada vez mais competitivos, entretanto, essa nova forma de conceituação e classificação da ISSO 12162 deve perdurar, dada sua maneira prática e clara para técnicos e usuários.

 

Diferenças entre a Classificação ASTM e ISSO

Ainda que se possa estabelecer uma correlação grosseira entre os materiais classificados pala ASTM D 3350 e ISSO 12162, as diferenças nos conceitos de extrapolação da ASTM D-2837 e da ISSO TR 9080 podem conduzir a enganos importantes.

Se considerarmos que o tempo de extrapolação de um pode ser compensado pela temperatura de ensaio do outro, a princípio a diferença se restringira a algo em torno de 0,6 MPa a favor da HDB, ou seja, o material classificado pela ASTM seria um pouco super estimado em relação á classificação da ISSO.

Entretanto, o aspecto mais relevante é que não considerando a extrapolação acima de 1000.000 h, muitas vezes a ASTM não percebe a diferença entre matérias que apresentam ruptura frágil logo após esse período e aquele joelho irá aparecer bem depois de 50 anos na curva de regressão. Ou seja, despreza-se o comportamento ao stress cracking, tão significativo no desempenho do material.

Pela extrapolação da ASTM, materiais classificados como PE 3408, que a princípio seriam utilizados como equivalentes a um PE 80, podem apresentar ruptura precoce devido ao stress cracking.

Essa situação se torna ainda mais séria devido ao ensaio de pressão a 80°C praticamente não ser empregado nos EUA.

Por essa razão, alguns técnicos do setor de gás americano têm preferido os materiais PE 2306 e PE 2406, que por apresentarem menor densidade resultam em melhor resistência ao stress cracking, ainda que com uma menor tensão de dimensionamento hidrostático.

 

DESIGNAÇÃO DOS TUBOS

Os tubos são designados pelo diâmetro externo nominal (DE) e pela pressão nominal (PN). O número relativo à pressão nominal (PN) corresponde à máxima pressão de operação (MPO) a 20°c para vida útil de 50 anos conduzindo água, expressa em bar, que equivale aproximadamente à pressão dada em megapascal (Mpa) multiplicada por 10. No Brasil, definiu-se a máxima pressão de operação a 25°C.

 

PROJETO ESTRUTURAL DOS TUBOS

O projeto estrutural de tubos deve levar em consideração não apenas a pressão interna, pura e simples, mas a máxima pressão de operação (MPO) admitida em função da temperatura, do fluido, da vida útil desejada, além de outros esforços a que estarão sujeitos durante sua operação, tais como transientes hidráulicos, pressões externas (cargas de aterro e instalações subaquáticas), dilatações, flexões, etc.

A desconsideração desses esforços tem sido causa de inúmeros insucessos em projetos de tubulações.

 

Dimensionamento À Pressão Interna

Todas as tubulações de pressão são calculadas para resistir a uma pressão hidráulica especificada. Nos catálogos de fabricantes de tubos de PEBD, PEAD e PP encontram-se tabelados os tubos de dimensões e classes de pressão normalizadas para temperatura de 20°C e vida útil de 50 anos.

Para fornecimentos de grande vulto, o fabricante poderá manufaturar, eventualmente, tubos de dimensões especiais.

Apesar da existência das tabelas, julgamos de interesse a apresentação do procedimento de cálculo para determinação das paredes dos tubos de pressão, como definidas nas normas técnicas.

Esse cálculo é baseado na fórmula simplificada da tensão circunferencial de dimensionamento.

Com o auxilio da fórmula e das curvas de regressão é possível calcular-se, para um determinado diâmetro externo, a espessura da parede necessária para a vida útil e temperatura de trabalho desejadas.

 

Dimensões Padronizadas de Tubos de PE e PP

As dimensões padronizadas dos tubos plásticos são praticamente as mesmas em todos os organismos internacionais de normatização. As poucas diferenças residem nas tolerâncias e nos tubos de pequenos diâmetros, onde se leva em consideração a mínima resistência estrutural adotada e não a resistência a pressão interna.

A tolerância para o diâmetro externo e espessura são encontradas nas normas DIN e ISSO como sendo de dois grupos: as tolerâncias chamadas largas e as estreitas. Normalmente, em tubos para gás são aplicadas as tolerâncias estreitas e nos demais as tolerâncias largas.

No caso particular dos tubos de PE para água, adota-se, como segurança adicional, a espessura mínima de 2,3 mm e para gás a espessura mínima de 3,0 mm. Por essa razão, os tubos de DE 20 e 25 mm possuem SDR diferenciado dos demais.

Existem também as tabelas de dimensões padronizadas para os tubos de PE 40, PE 63, PE 80, PE 100 e PP, deixando de apresentar as dos materiais antigos, como o PEAD tipo 1 e o tipo 2, pois foram substituídos e já não são mais oferecidos no mercado, exceto em alguns conduítes  elétricos, não havendo vantagem técnica ou econômica para a sua utilização em tubos de pressão, como para água e gás.

O PE 40 é mais comumente encontrado na forma de compostos de polietileno linear de baixa densidade (chamados comercialmente de polietileno linear, para tubos de irrigação localizada, não sendo o foco desse nosso trabalho.

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