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METAL X SISTEMA DE TUBULAÇÃO CPVC

Qual Material de Tubulação tem um Desempenho Melhor nas Aplicações Industriais?

Introdução

Por décadas, os sistemas de tubulação de metal foram o status quo para muitas aplicações industriais. Tais como o aço de carbono, o aço inoxidável e outras ligas fortes, duráveis e capazes de suportar as altas pressões de calor e alta pressão vindas desses ambientes.

Por outro lado, os sistemas de metal básicos são comumente escolhidos e geralmente são a escolha mais familiar. Os engenheiros adquiriram uma compreensão das capacidades do material, inclusive quando surgiam questões e a extensão dessas questões.

Ao falar dos sistemas de tubulação industrial, qualquer decisão de transição passando do conhecido para o desconhecido é feita com certo grau de hesitação, e com bom motivo. Qualquer erro poderia custar a uma empresa milhões, e o engenheiro(a) sua reputação.

 

O Custo de Oportunidade do Metal

Ou seja, o custo de oportunidade de furar com as tentatias são verdadeiros e pode ser igualmente prejudicial. Muitas aplicações industriais - incluindo processamento químico, processamento de cloro alcalino, processamento mineral e geração de energia—estão contribuindo para um enorme valor nos sistemas de tubulação construídos com cloreto de polivinil clorado (CPVC).

Mais especificamente, as plantas industriais estão reduzindo os custos de instalação, com menos tempo de inatividade e melhorando a eficiência do processo graças a uma transição para a tubalação CPVC, conexões e válvulas.

 

Como o Plástico pode superar o Metal?

A tecnologia CPVC foi desenvolvida especificamente para satisfazer as demandas de ambientes de processos industriais agressivos. Em 1958, Lubrizol foi o primeiro a formular CPVC em um material útil para tubos e conexões. O Corzan® CPVC é um termoplástico capaz de suportar exposição prolongada a altas temperaturas e pressão elevada, oferecendo resistência de corrosão superior.

Esta página foi escrita para detalhar como o CPVC é comparável ao metal e onde se distingue dele. Ele também procura dissipar alguns mitos sobre as fraquezas mal percebidas do material.


Se você está considerando o CPVC para seu sistema industrial ou mesmo questionando se deve ficar com o metal, espero que esta página possa fornecer orientação e responder a algumas perguntas.

 

Índice

O que é CPVC?

Temperatura e Resistência à Pressão

Corrosão

Escamação

Custo de Instalação

Segurança

Desmistificando os Mitos da Tubulação CPVC

 

Nem Todos os CPVC são Iguais

 

 

 

O que é o Cloreto de Polivinil Clorado?

O cloreto de polivinil clorado (CPVC)é um importante termoplástico de engenharia devido ao seu custo relativamente baixo, alta temperatura de transição no vidro, alta temperatura de distorção de calor, inércia química e excelentes propriedades mecânicas, dielétricas e de chamas e fumaça.

é um importante termoplástico de engenharia devido ao seu custo relativamente baixo, alta temperatura de transição no vidro, alta temperatura de distorção de calor, inércia química e excelentes propriedades mecânicas, dielétricas e de chamas e fumaça.

Conceitualmente, CPVC é um homopolímero de PVC que foi submetido a uma reação de cloração. Geralmente, o cloro e o PVC reagem de acordo com um mecanismo básico de radicais livres, que pode ser provocado por várias abordagens que utilizam energia térmica e/ou raios UV.

O teor de cloro da base de PVC pode ser aumentado de 56,7 % para até 74%, embora a maioria das resinas de CPVC comerciais contenham 63 a 69 % de cloro. À medida que o teor de cloro no CPVC é aumentado, a temperatura de transição vítrea (Tg) - região de temperatura onde o polímero transita de material duro e vítreo para um material macio e emborrachado - aumenta significativamente.

São os átomos de cloro adicionais que protegem a estrutura do carbono do polímero, contra os ataques químicos. A maior resistência ao calor permite que o CPVC seja melhor considerado para pressões em temperaturas mais elevadas. O composto também é inerentemente inerte a ácidos, bases, sais e hidrocarbonetos alifáticos, onde todos estes tendem a corroer metais. 

 

CPVC molecule compared to PVC molecule

Diagrama de CPVC (esquerda) em um nível molecular comparado ao PVC (à direita). As esferas vermelhas representam elementos de cloro.  

 

A resina de CPVC é combinada com aditivos. A quantidade de combinações destes aditivos modifica muitas das propriedades inerentes da resina do CPVC, facilitando sua processabilidade. 

 

Corzan CPVC Production Process Flow Chart

 

Resistência a Temperatura e à Pressão

A capacidade de um material de suportar alta temperatura e pressão por períodos prolongados de tempo é essencial para o desempenho de um sistema industrial. Qualquer fraqueza aqui e os gerentes de operação da planta estarão realizando reparos regularmente, desligando o sistema para manutenção não programada e potencialmente substituindo o sistema de tubulação prematuramente.

O metal provou ser capaz de satisfazer os requisitos de calor e pressão, mas e o CPVC?

Configuração Padrão

Todo material de tubulação deve validar empiricamente o nível de pressão interna que ele pode suportar. Isto vale para os métodos dos termoplásticos publicados pelo ASTM e ISO, para materiais de tubulação termoplástica de classificação de pressão, mas o ASTM D2837 ("Método de Teste Padrão para Obtenção de Base do Desenho Hidrostático para Materiais de Tubulação Termoplástica ou Base de Desenho de Pressão para Produtos de Tubo Termoplástico") é mais comumente usado nos Estados Unidos Estados.

De acordo com o ASTM D2837, a capacidade de suportar a pressão de um material de tubulação é determinada sujeitando um número de amostras a uma variedade de pressões que farão com que o tubo se rompa em tempos que variam de algumas horas a mais de 10.000 horas. Os dados são analisados usando análise de regressão linear e uma tensão necessária para uma vida útil de 100.000 horas (Resistência Hidrostática a Longo Prazo ou LTHS) é determinado por extrapolação. Usando o LTHS, uma categoria de Base do Desenho Hidrostático (HDB) é definida para o material usando a seguinte tabela ASTM.

 

Hydrostatic design basis categories from ASTM D2837

 

AUm fator de projeto (freqüentemente designado como "fator de segurança") de 0,5 é então multiplicado ao HDB psi do material para determinar a tensão máxima permitida em um material, ou a Tensão do Desenho Hidrostático (HDS), para aplicações na água.

Este fator de desenho é baseado em dois grupos de condições:

  1. Variáveis de fabricação e teste, mais especificamente em: variações normais do material, fabricação, dimensões, boas técnicas de manipulação e processos de avaliação.
  2. Variáveis de aplicação e uso, mais especificamente em: instalação, ambiente, temperatura, risco envolvido, expectativa de vida desejada e grau de confiabilidade selecionado.

De acordo com a ASTM, este fator do desenho define que o material é "capaz de resistir continuamente com um alto grau de certeza de que a falha do tubo não ocorrerá.”

O CPVC é avaliado desta maneira com água tanto a temperatura ambiente (73 ° F) quanto a 180 ° F. Uma tabela de redução é fornecida para outras temperaturas dentro da faixa de operação do material.

 

Temperature Derating Factor chart for CPVC piping

 

A seguir, a temperatura máxima de operação e a classificação da pressão do Corzan CPVC são determinadas pela ASTM D2837. A área vermelha é o que a maioria dos engenheiros percebem como as capacidades do CPVC. O cinza claro é faixa operacional atual completa do Corzan CPVC.

 

Corzan CPVC temperature and pressure chart: Actual Usable Range Vs. Perceived Usable Range

 

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Vantagens do CPVC sobre o Metal

Corrosão

A vantagem mais significativa que um sistema de tubulação CPVC tem sobre as alternativas dos concorrentes de metal é a sua resistência à corrosão.

Os sistemas de tubulação de metal suportam aplicações de processamento de águas limpas com um pH neutro. No entanto, assim que o pH de um líquido se estende muito fora do neutro (~ 7) ou o sal é introduzido (por exemplo, água salobra ou marinha), os metais começam a corroer e podem degradar-se relativamente rápido.

Por estes motivos, os íons nos líquidos ácidos (pH <7) e alcalinos (pH> 7), bem como soluções salinas, são capazes de reagir com muitos metais, causando corrosão. Este ataque é acelerado quando o oxigênio dissolvido está presente.

 

rusty metal pipes

 

Por outro lado, os tubos e conexões feitos com material CPVC são inerentemente inertes para a maioria dos ácidos, bases e sais, o que significa que os íons agressivos que atacam os metais correm normal pelo CPVC, deixando as tubulações ilesas.

Corrosão do Metal:

Os metais podem ser corroidos por corrosão por furos, quando pequenos buracos se formam ao longo do comprimento do tubo diminuindo a espessura da parede do tubo e reduzindo sua capacidade de transporte de pressão.

Outro motivo de preocupação é a corrosão por gretas. É aí que os íons no líquido se concentram em gretas em torno das soldas, flanges e outros tipos de conexões de tubos. Este acúmulo de íons pode degradar o material rapidamente, causando vazamentos em soldas e juntas.

Consequências da Corrosão

Os efeitos e a gravidade da corrosão dentro de um sistema de tubulação variam dependendo da aplicação, mas, em geral, a corrosão pode levar às seguintes questões:

  • A classificação da pressão diminui em função do afinamento das paredes dos tubos.
  • Velocidade do fluxo pode ser retardada exigindo mais das bombas.
  • A pureza do líquido pode ser contaminada à medida que as peças corroídas flutuam. Esta é uma preocupação significativa para aplicações com padrões de alta pureza.
  • Os custos de instalação aumentarão, pois trabalhadores altamente qualificados são necessários para soldar o sistema. Este nível de trabalho técnico vem com um custo significativo, um custo que está aumentando com a aposentadoria de soldadores mais experientes.

Outras considerações:

  • Corrosão externa: um grande problema para as plantas nas regiões costeiras é o teor de sal na atmosfera que pode corroer o exterior de um tubo de metal. Em algumas áreas, as plantas resolvem pintar as tubulações externas anualmente para proteger sua superfície.
  • Proteção de camada oxidativa: alguns metais desenvolvem naturalmente uma camada oxidativa sobre a superfície, ou aditivos podem ser aplicados manualmente para criar esta camada. Esta oxidação ajuda a fortalecer o tubo criando armaduras em torno dele que é impermeável ao ataque. Essa armadura pode ajudar a proteger um tubo contra níveis de pH ligeiramente fora do ponto neutro, estendendo seu alcance de operação. No entanto, mesmo as camadas de oxidação não podem suportar ácidos e bases mais agressivos.

 

Escamação

A Escamação é outra ameaça significativa para a tubulação industrial, uma vez que pode comprometer significativamente a velocidade do fluxo.


A diferentes níveis de pH e temperatura, certos íons metálicos são solúveis em água, o que lhes permite fluir através de um sistema de tubulação metálica com pouco ou nenhum problema.

No entanto, se o fluido de um metal for dissolvido em reduções fora do seu nível de solubilidade, os íons podem sair da solução e fixar nas paredes de um tubo de metal. Esses íons se acumulam ao longo do tempo para criar o que se parece a uma escama em torno do interior do tubo.

 

old badly scaled and corroded metal pipe

 

Processos que envolvem magnésio, cálcio, ferro, alumínio e sílica tendem a estar em maior risco de escamação. O cálcio, por exemplo, tem uma variável de solubilidade muito estreita, criando uma enorme propensão para abandonar uma solução.

A Escamação tende a ocorrer onde existe um redemoinho no fluxo. Estes redemoinhos podem ser encontrados perto de imperfeições no tubo, como em torno de emendas e flanges. À medida que o líquido gira em torno desses redemoinhos, desenvolve-se uma concentração de íons, aumentando a probabilidade de escamação.


Com o CPVC, há pouca preocupação de escamação. O material tem uma afinidade significativamente menor para a escamação do que os metais.

 

Você sabia?

Os tubos e conexões possuem um grau de fator Hazen-William C, que é uma medida do atrito do fluxo - quanto maior a classificação, menor o atrito. A classificação da tubulação de Corzan é de 150, e pode manter essa classificação ao longo de sua vida. Pelo contrário, a nova tubulação de ferro fundido tem apenas uma classificação de 120, que pode cair para 60-80 se estiver desgastada ou perfurada.

 

Consequências da Escamação

À medida que a escamação aumenta, o diâmetro do tubo pode ficar apertado e seu sistema experimentará vários efeitos colaterais prejudiciais:

  • A eficiência de bombeamento diminui.
  • A pressão aumentará dentro do sistema.
  • As escamas podem escorrer e tapar os filtros ou contaminar o próprio líquido.
  • Igual como acontece com a corrosão, serão necessários trabalhadores altamente qualificados para criar soldas de emendas lisas para evitar problemas de escamação, o que aumenta os custos gerais de instalação.

 

Custo da Instalação

As despesas de mão-de-obra, fabricação e outras instalações podem se combinar para representar mais da metade do custo total instalado de um sistema de tubulação. O gráfico a seguir com os dados produzidos pela Revista de Engenharia Química (Chemical Engineering Magazine) mostra o índice de custo da instalação do Corzan de 6 polegadas no sistemas de tubulação CPVC em comparação com alternativas metálicas e termoplásticas dos concorrentes.

 

installed cost comparison for 6 foot piping CPVC carbon steel ss frp pp pvdf titanium

 

Quando se trata de instalação, o CPVC detém uma série de vantagens em relação às alternativas metálicas dos concorrentes. Dê uma olhada sobre por que um sistema Corzan oferece um dos custos instalados mais baixos de qualquer material de tubulação.

Soldagem de Junção

As emendas de tubulação de metal são soldadas juntas usando calor intenso e muitas vezes um enchimento de metal. Este processo traz consigo dois problemas:

  1. Para ajudar a limitar a chance de corrosão ou escamação, são necessárias técnicas e equipamentos de soldagem especializados. Os trabalhadores altamente qualificados necessários para fazer essas soldas estão em alta demanda e são caros.
  2. Frequentemente, as licenças para trabalhar com solda quente devem ser obtidas em certas áreas , o que pode ser um problema e são caros para se adquirir.

 

Corzan CPVC solvent cement application

 

OPor outro lado, o sistema CPVC é fundido usando um processo direto de cimento solvente em dois passos. O cimento solvente não é cola. Em vez disso, cria uma ligação química que combina as duas peças juntas. Uma vez curada, a junta realmente se torna a parte mais forte do sistema de tubulação porque a espessura da parede é o dobro daquela de um único tubo.

Enquanto a cimentação solvente requer algum treinamento, o treinamento pode ser feito no local em menos de 15 minutos e não requer nenhum equipamento especializado.
Se há necessidade de soldar para unir a tubulação CPVC, são usados soldadores de ar quente, eliminando a necessidade de uma chama.

Peso

O CPVC pesa 1/6 do tamanho do aço. Um tubo de Corzan de 6 polegadas de schedule 80 pesa cerca de 6 libras/pés, enquanto o tubo de aço equivalente pode pesar entre 25 e 29 libras/pés (com base em uma amostragem de fabricantes de tubulação de aço).

Em outras palavras, a diferença de peso entre uma peça de 50 pés do tubo Corzan e um tubo de aço é de aproximadamente 1.150 libras. Isso se traduz em menos trabalhadores necessários, poucas máquinas pesadas (se houver) e aumento na segurança do trabalhador.

Equipamentos e Mão de Obra Necessárias

O peso de um sistema de tubulação de metal requer que mais trabalhadores sejam envolvidos para lidar, instalar e proteger a tubulação. Além disso, máquinas pesadas precisarão estar disponíveis para transportar e levantar a tubulação no lugar.

Além disso, os custos do trabalho aumentam à medida que aumentam as exigências do nível de habilidade do trabalhador. Isto é especialmente relevante para emendas de soldas.

Fabricação

Devido ao seu peso, há necessidade de técnicas de soldagem especializadas e requisitos de eletricidade /flama, a maioria dos sistemas de tubulação de metal são pré-fabricados fora do local e transportado por caminhão para a instalação.

Este processo pode ser caro, pois acomodações especiais são feitas para enviar a tubulação. Além disso, há espaço limitado para erros. Qualquer erro de cálculo ou erro de montagem feito fora do local pode levar a correções caras no local.

O CPVC pode ser pré-fabricado, mas graças ao processo de soldagem por cimento solvente em dois passos e ao fato de que o material pode ser facilmente cortado, a fabricação no local não complica o processo de instalação.

De fato, o material do CPVC oferece flexibilidade aos instaladores para uma instalação correta, conforme necessário, sem reconfigurações caras.

Manutenção

Ao longo da vida de um sistema de tubulação, é necessária uma manutenção regular, quer você escolha um sistema de tubulação de metal ou CPVC. A manutenção comum pode incluir integrar uma nova peça ao equipamento, alterações no layout ou substituir seções acidentalmente danificadas.

No entanto, o sistema CPVC oferece maior valor do que a tubulação de metal quando se trata de trabalhos de manutenção. Com a tubulação de metal, você costuma contratar um instalador de tubulação, e eles podem ser obrigados a reconfigurar algumas conexões ou soldas. Além disso, o sistema de metal é inflexível, então ajustes sutis de alinhamento podem exigir reconfigurações caras.

Com um treinamento menor para soldagem por solvente em tubos e conexões CPVC, qualquer empreiteiro mecânico ou engenheiro de manutenção de planta pode mudar, reparar e modificar o sistema. A própria tubulação também é flexível em um ponto, então um ou dois homens sem equipamento especializado podem facilmente fazer ajustes de alinhamento.

 

Segurança

O CPVC também oferece uma série de vantagens de segurança em relação às alternativas metálicas dos concorrentes.

Condutividade Térmica

O CPVC tem um valor de condutividade térmica muito baixo. O coeficiente de transferência de calor do Corzan CPVC é aproximadamente 1/300º do aço, economizando custos de energia e oferecendo uma temperatura de superfície muito mais fria. Não é só isso, também reduz a necessidade de isolamento mais caro e também limita a exposição dos trabalhadores aos riscos de queimadura.

 

estimated pipe surface temperature vs internal fluid temperature comparison with Corzan CPVC and steel

 

Segurança ao Fogo

O CPVC não irá alimentar a combustão. Isto é graças ao seu Índice Limite de Oxigênio (LOI) de 60. A LOI é a porcentagem de oxigênio necessária em uma atmosfera para suportar a combustão.

Uma vez que a atmosfera da Terra é de apenas 21% de oxigênio, o tubo ou conexão da Corzan não queimará, a menos que uma chama seja constantemente aplicada, e ele vai parar de queimar assim que a fonte de ignição for removida.

Mais Leve

O CPVC é mais leve para manobrar. Isso ajuda a reduzir a fadiga e as lesões nos trabalhadores durante a instalação. Também elimina a necessidade de equipamentos pesados durante a instalação.

Nenhuma Fonte de Flama ou Ignição

Os sistemas CPVC não necessitam de flama aberta ou fonte de ignição para serem instalados. Em vez disso, o sistema é unidos de maneira rápida, fácil e segura através do cimento solvente, rosqueamento ou flange. Recomenda-se que o solvente seja utilizado em uma área bem ventilada 

Desmistificando os Mitos da Tubulação CPVC

Parte da razão porque os sistemas de tubulação de metal são tão prevalentes é porque existem alguns mal entendidos sobre o CPVC e os termoplásticos em geral. Gostaríamos de desmistificar alguns desses mitos.

O CPVC não pode aguentar altas temperaturas e pressão

Conforme detalhado anteriormente, os tubos e conexões Corzan CPVC oferecem resistência para atender aos requisitos de pressão das aplicações de processo, mesmo em temperaturas elevadas. Ele provou ser confiável em centenas de aplicações do mundo atual, além de satisfazer os padrões da ASTM.

O CPVC não pode aguentar exposição prolongada a luz do sol, aos ventos, a chuva e a umidade.

Embora nem todos os compostos de CPVC contenham aditivos para superar a intempérie, o material da Corzan é misturado com uma concentração significativa tanto de de carbono negro quanto de dióxido de titânio, que são reconhecidos como excelentes agentes bloqueadores de raios UV. Esses aditivos ajudam a proteger a estrutura do carbono do polímero dos efeitos da radiação de raios UV.

O CPVC não pode ser usado para todas as partes do sistema de tubulação

O CPVC é fabricado usando técnicas diretas de injeção e moldagem por compressão. Muitos fabricantes têm a capacidade de criar qualquer tubulação, conexões ou válvulas necessárias para um sistema industrial.

Para aplicações industriais, isso significa que um sistema inteiro pode ser construído com material da Corzan. Um único material para todos os componentes limita a complicação e evita soluções de configuração caras.

 

Corzan CPVC parts

 

O CPVC é muito caro

Enquanto o CPVC tem um custo de material maior do que alguns metais, o material é apenas parte do custo geral do ciclo de vida de um sistema de tubulação. A instalação, a manutenção e a duração da vida também precisam ser tomadas em conta.

Quando todos os custos do sistema de tubulação são tomados em conta, o sistema Corzan pode gerar economias significativas sobre alternativas metálicas dos concorrentes, bem como outros termoplásticos

 

Nem todos os CPVC são Iguais

É importante notar que nem todos os CPVC tem o mesmo desempenho . Os compostos de CPVC são feitos com resinas base com diferentes pesos moleculares e diferentes teores de cloro, bem como diferentes aditivos compostos que podem afetar sua compatibilidade e desempenho a longo prazo.

Para garantir o desempenho a longo prazo do sistema, recomenda-se verificar com o fornecedor da tubulação que determine quais testes específicos o fabricante do tubo realizou em seu produto final. Esses testes incluem:

  • Requisitos mínimos de pressão de ruptura
  • Tolerâncias dimensionais
  • Requisitos de tensão residual
  • Requerimentos de impacto de queda
  • Teste de propriedades de fusão

Fornecendo Confiança

A Lubrizol é o pioneiro na tecnologia CPVC. Criamos o complexo há quase 60 anos, e passamos décadas contínuas aperfeiçoando e evoluindo suas capacidades.

Hoje, o Corzan CPVC é utilizado para aplicações industriais abrangendo muitas indústrias, incluindo: processamento químico, processamento de cloro alcalino, processamento mineral, geração de energia, semicondutores e tratamento de águas residuais.

Além disso, ao escolher um material, é importante procurar suporte além do produto.

A equipe de especialistas regionais em produtos e engenharia do Sistema Industrial Corzan está sempre disponível para fornecer aconselhamento, informações e treinamento de especialistas durante a vida de um sistema de tubulação.

Se você está interessado em aprender mais sobre Corzan CPVC, ou simplesmente tem dúvidas sobre o processo de transição de um sistema de tubulação de metal para o CPVC, estamos felizes de agendar um horário para conversar.

 

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