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COMO AS CLASSIFICAÇÕES DE PRESSÃO DE CPVC SÃO CALCULADAS

Determinando a Resistência Hidrostática a Longo Prazo dos Termoplásticos

Introdução as Classificações de Pressão

Para ser usado em sistemas de tubulação de pressão, todos os materiais devem comprovar empiricamente sua capacidade de transporte de pressão. Isso garante que plantas e fábricas estejam integradas a tubulação que pode suportar as exigências de resistência a longo prazo em suas aplicações.

O ASTM, ISO e o Plastic Pipe Institute Hydrostatic Design Board ( Conselho do Instituto para Tubos de Desenhos Hidrostáticos) desenvolveram uma série de métodos de teste para verificar a resistência hidrostática a longo prazo (LTHS) de compostos termoplásticos (por exemplo, cloreto de polivinil clorado (CPVC). Esses métodos incorporam fatores no projeto que garantem que a resistência material adequada seja reservada para fatores além do transporte de pressão, como tensões relacionadas à instalação, variabilidade de lote a lote e exposição química.

O cálculo da classificação de pressão não é tão fácil como aumentar a pressão em um tubo até que ele explode. Os testes de resistência à tensão a curto prazo não são bons indicadores da resistência a longo prazo de um termoplástico, como são os metais. Por esta razão, a tubulação LTHS de plástico é determinada analisando os dados de teste de tensão versus o tempo para ruptura (isto é, ruptura- tensão). Este dado abrange um período de teste de pelo menos 10.000 horas e é derivado do teste de pressão sustentada de tubos feitos a partir do material em questão.

 

Índice

 Metodologia de Testes Padrão para Termoplásticos

Como Calcular a Força Hidrostática a Longo Prazo

Validando os Dados

Usando o Fator do Desenho para Calcular o Desenho da Tensão Hidrostática

Classificação da Pressão nos Tubos

Trabalhando com outras Temperaturas

Use sua Discrição

Para mais Informações

 

Metodologia de Testes Padrão para Termoplásticos

Existem dois métodos principais para determinar a resistência hidrostática a longo prazo de um material de tubulação. O ASTM D2837, “Método de Teste Padrão para Obtenção da Base do Desenho Hidrostático para Materiais de Tubos Termoplásticos ou Base do Desenho de Pressão para Produtos de Tubo Termoplástico" é o mais comumente usado nos Estados Unidos. O outro é ISO 9080, que você pode ler aqui. 

A metodologia ASTM envolve as seguintes etapas:

  • Define o valor da Tensão Hidrostática a Longo Prazo (LTHS) do material.
  • Usa seu valor LTHS para identificar a categoria do material de Base do Desenho Hidrostático (HDB).
  • Multiplique o HDB por um fator do desenho para chegar a Tensão do Desenho Hidrostático do material ou a tensão máxima permitida.

Descubramos como esses valores são calculados de acordo com este padrão.

Nota importante: ASTM D2837 não define uma classificação de pressão para o próprio tubo, mas sim a resistência hidrostática a longo prazo do material termoplástico. No final desta publicação, incluímos a fórmula que é usada para encontrar a classificação de pressão de um tubo.

 

Como Calcular a Força Hidrostática a Longo Prazo

Conforme mencionado anteriormente, o LTHS é determinado pela análise dos dados de teste de tensão versus tempo para ruptura (isto é, ruptura-tensão).

 Para determinar o valor LTHS do CPVC, os espécimes de tubos feitos do material são testados em vários níveis de tensão. Os níveis de tensão são escolhidos, o que causará a ruptura do tubo em períodos de tempo distribuídos no intervalo de 10 horas ou mais de 10.000 horas. Para um índice de pressão a 180 ° F, os tempos de teste são exigidos pelo PPI para exceder 16.000 horas.

Os dados de tensão versus tempo para falhar são então plotados em uma escala logarítmica em que eles devem formar uma linha reta que pode ser ajustada por análise de regressão linear. A linha é então extrapolada para determinar o nível de tensão que resultaria em um tempo de ruptura de 100.000 horas.

Quando os dados são de fato linear em uma escala logarítimica, é uma prática geralmente aceita extrapolar uma unidade de logaritmo passado do ponto de dados mais longo. (ou seja, 1.000 horas podem ser extrapoladas para 10.000, ou 10.000 horas podem ser extrapoladas para 100.000).

Na maioria dos casos, o nível de tensão extrapolado em 100.000 horas é usado como valor de resistência hidrostática a longo prazo (LTHS) do material. Em alguns casos, os resultados da validação de dados estatísticos (discutidos abaixo) podem exigir que o nível de tensão extrapolado a 50 anos seja usado como valor de LTHS do material.

 

Validando os Dados

Para garantir que a força de 100.000 horas seja apropriada e confiável, existem alguns mecanismos de validação que funcionam para esta metodologia:

  • Calcule o limite de confiança inferior de dois lados (LCL): os pontos de dados mais baixos no gráfico do ponto de dispersão do esforço versus tempo são analisados por regressão linear para determinar o valor LCL. Se esse valor não for inferior a 15% do valor de LTHS, os dados são considerados inutilizáveis.
  • Calcule a resistência a 50 anos: os dados do LTHS também são usados para calcular um valor de resistência a 50 anos. Se esse valor for inferior a 80 % do valor de resistência de 100.000 horas, o valor de 50 anos é usado para determinar a Base de Desenho Hidrostático. Isso ajuda a explicar os materiais com inclinações de regressão mais acentuadas.

 

Linha de Regressão e Extrapolação Gráfico de tempo de CPVC para falha

Linha de regressão 73 ° F típica e gráfico de extrapolação.

 

Para os materiais de tubulação, como o polietileno (PE), que podem sofrer uma falha oxidativa, é necessária uma validação adicional para garantir que o valor de resistência de 10.000 horas possa ser extrapolado de forma confiável para 100.000 horas. Isso não é necessário para CPVC.

Uma vez que o valor de LTHS foi determinado por análise de regressão e validação estatística, a Base do Desenho Hidrostático (HDB) de materiais é determinada categorizando o valor de LTHS conforme definido no ASTM D2837.

 

Categorias de base de design hidrostático do gráfico ASTM D2837

 

Usando o Fator do Desenho para Calcular o Desenho da Tensão Hidrostática

A categoria de Base do Desenho Hidrostático (HDB) é uma medida do desempenho da resistênciafinal do material, mas em aplicações industriais do mundo real e é importante explicar o fato de que a tensão interna não será a única variável que pode afetar o desempenho a longo prazo.

Por esta razão, o Conselho de Desenho Hidrostático decidiu por consenso que o valor HDB de um material deve ser multiplicado por um fator do desenho para determinar a tensão de pressão máxima admissível do material, ou a tensão do desenho hidrostático (HDS).

 Este fator do desenho é baseado em dois grupos de variáveis: 

  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.

Para aplicações em água, foi determinado que um fator do desenho de 0,5 deveria ser aplicado à tubulação CPVC para atender a essas variáveis. Para processos químicos, um engenheiro pode decidir aplicar um fator de desenho inferior a 0,5 com base nas demandas do processo.

 

Classificação da Pressão nos Tubos

O anterior foi desenhado para calcular a tensão máxima permitida para um material de tubulação, e não o próprio tubo propriamente dito. Para definir a classificação da pressão de um tubo, o diâmetro do tubo e a espessura da parede também precisam ser levados em consideração.

O HDS de um material de tubulação está conectado à seguinte equação para definir a classificação de pressão de um tubo:

S = P (D-t) / (2t)

Ou

S = P (d+t) / (2t)

Onde:

  • S = Tensão
  • P = Pressão
  • D = Diâmetro externo médio
  • d = Diâmetro interno médio
  • t = Espessura mínima da parede

Por exemplo …

4” Corzan® tipo 4120 schedule 80 tubos a 73°F

2000 [psi] = P * (4.5 [in] – 0.337 [in]) / (2 * 0.337 [in])

P = 324 [psi] ≈ 320 [psi] at 73°F

4” Corzan® tipo 4120 schedule 80 tubos a 180°F

500 [psi] = P * (4.5 [in] – 0.337 [in]) / (2 * 0.337 [in])

P = 81 [psi] ≈ 80 [psi] at 180°F

O valor derivado dessa fórmula é o índice de pressão que você verá impresso no lado de um tubo. Baseia-se no desempenho do tubo a 73 ° F em uma aplicação em água.

 

Trabalhando com outras Temperaturas

As classificações de pressão para os tubos CPVC foram determinadas empiricamente de acordo com os métodos descritos acima a 73 ° F e 180 ° F. Ao operar em outras temperaturas, os fatores de redução fornecidos pelo ASTM F441 devem ser aplicados pelo engenheiro de desenho do sistema. Os fatores de redução de temperatura para tubos são obtidos interpolando as classificações a 73 ° F e 180 ° F. Não há fatores de "elevação" para trabalhar a temperaturas inferiores a 73 ° F. Nessa situação, deve ser utilizada a classificação de 73 ° F.

Observe: Este fator de redução de taxa é adicional ao fator do desenho (0,5), que já é contabilizado.

 

Corzan CPVC fator de temperatura de derating

  

Corzan CPVC faixa utilizável atual vs. gráfico de alcance utilizável percebido

 

Use sua Discrição

Por fim, a classificação da pressão de um tubo é uma orientação, e os engenheiros da planta devem avaliar completamente as demandas de seu sistema de tubulação antes de escolher um material.

Especificamente, considere temperatura operacional máxima, diferencial de temperatura, pressões externas, produtos químicos, tensão externa e exposição a raios UV. Dependendo da sua aplicação, aplique sua própria avaliação do fator do de parenhoa salvar ainda mais o seu sistema contra rupturas. 

 

 

Para maiores informações

Se você tiver dúvidas ou estiver interessado em saber como avaliar a classificação de pressão em seu projeto industrial, entre em contato com nossa equipe de especialistas em produtos e engenharia. Estamos sempre disponíveis para conversar.   

 

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