julho 31, 2024
Expansão térmica, contração e controle dessas forças em um sistema de tubulação de plástico
Contribuição de Rob Marsiglia, gerente de equipe, tubulação industrial
Muitos sistemas e construções projetados se expandem e se contraem devido a mudanças na temperatura ambiente. Durante a mais recente onda de calor, muitos de nós tivemos atrasos no transporte coletivo, especialmente no serviço ferroviário, devido ao efeito do calor excessivo nos fios da catenária e nos trilhos de aço da ferrovia. Os trens operam em velocidades reduzidas para limitar a tensão nos trilhos (para que eles não entortem) e evitar o emaranhamento nos fios aéreos devido à flacidez excessiva com o calor.
Da mesma forma, todos nós já vimos e sentimos as juntas de dilatação ao passar por pontes e viadutos.
Os sistemas de tubulação não são diferentes. Todos os materiais de tubulação se expandem e se contraem devido a mudanças na temperatura do meio e/ou nas condições ambientais. Ao trabalhar com materiais de tubulação termoplástica, é importante considerar esses fatores em seu projeto.
Uma “regra geral” para tubos de polietileno e polipropileno é que eles se expandem a cada 1/10/100; ou seja, 100 pés de tubo se expandirão (ou contrairão) 1 polegada para cada mudança de temperatura de 10 graus F em relação à temperatura instalada.
Os valores reais do coeficiente linear de expansão térmica, de acordo com a norma ISO 11359-2, são:
PPR: K^(-1) x 10^(-4) 1,5
PE100RC: K^(-1) x 10^(-4) 1,8
PVDF: K^(-1) x 10^(-4) 1,2
ECTFE: K^(-1) x 10^(-4) 0,8
Para ilustrar isso, se 200 pés de tubo de polipropileno SDR 11 de 2 pol. forem instalados a 70° F e a instalação for exposta a temperaturas ambientes de 100° F, essa extensão de 200 pés desejará crescer cerca de 6 polegadas. Um crescimento semelhante, porém mais longo, seria observado em tubos de polietileno.
A Asahi/America oferece tubulações de PVDF e ECTFE, que crescem a ~0,80 “e ~0,53” por 10° F Δ T por 100 pés de tubo, respectivamente.
Mais uma vez, esse mesmo crescimento ocorreria se a temperatura do meio mudasse de 70° F para 100° F. Como mostra o exemplo acima, pode ocorrer um crescimento considerável em um sistema de tubulação de processo termoplástico, que precisa ser tratado adequadamente.
Para sistemas de tubulação de parede simples, a expansão e a contração podem ser tratadas de várias maneiras; compensações de expansão ou loops de expansão podem ser incorporados ao sistema para acomodar o movimento. Exemplos disso, com base na instalação de polipropileno acima, são mostrados aqui:
Se essas pernas ou loops forem muito grandes para o local, você poderá utilizar mais de um para tornar a instalação mais gerenciável. Além disso, a própria instalação da tubulação geralmente oferece curvas, quedas e voltas que podem ser integradas aos “loops de expansão” naturalmente. No entanto, há ocasiões em que esses dispositivos são muito grandes ou complicados de instalar, e outros métodos precisam ser empregados. Certamente, podem ser usados foles de expansão, mangueiras flexíveis e similares, mas eles devem ser compatíveis com o meio do processo e com as características e condições operacionais. Eles também podem ser grandes e complicados.
Outra opção é considerar um sistema ancorado e guiado. A Asahi/America oferece produtos em materiais de poliolefina e fluoropolímero. Quando as condições permitem, esses materiais podem ser mantidos firmemente na posição por meio de guias e acessórios de retenção. Esse método utiliza a ductilidade natural dos materiais para aceitar as tensões geradas pelas forças de expansão e contração e direcioná-las para os encaixes de retenção, que atuam como blocos de empuxo. As forças apropriadas são fornecidas para ancorar adequadamente o acessório de retenção à estrutura.
Esse método é comumente usado em instalações de canais, trincheiras e túneis em que não é possível instalar pernas de areia com laços. É preferível instalar laços e pernas, pois eles tendem a minimizar a tensão induzida, mas, em muitos casos, o método de ancoragem e guia é aceitável.
Você pode fazer cálculos para confirmar esse tipo de instalação.
Ao trabalhar com sistemas de tubulação de contenção dupla, a expansão e a contração devem ser consideradas, mas agora, dois movimentos de tubulação devem ser analisados.
O tubo de transporte interno está sujeito à temperatura de instalação inicial e às variações de temperatura, se houver, do meio. Isso precisa ser considerado em relação ao espaço confinado do tubo de contenção, que está sujeito a variações de temperatura ambiente, se o sistema de tubulação estiver instalado acima do nível.
Métodos semelhantes podem ser usados para controlar tubos de parede simples, mas é preciso considerar situações em que o tubo portador pode estar crescendo dentro de um tubo de contenção que pode ter se contraído.
A maioria dos sistemas de contenção dupla tem um espaço anular “padrão” entre os tubos, que pode ter de ser ampliado (aumentando o tamanho do tubo de contenção externa) para proporcionar mais espaço interno para o movimento do tubo de transporte. Uma maneira de fazer isso seria direcionar o movimento para curvas de 90 graus e aumentar a curva externa de 90 graus para aceitar o movimento interno do tubo.
Quando os tubos interno e externo são do mesmo material, as conexões de restrição de contenção dupla, chamadas Dogbones®, podem ser usadas para ancorar os tubos interno e externo simultaneamente. Isso permite que o projetista trate o crescimento da contenção dupla de maneira muito semelhante à ancoragem e orientação de parede simples e minimiza, e possivelmente elimina, a necessidade de loops de expansão/contração.
Os tubos termoplásticos se expandem e se contraem de tal forma que essas ações devem ser sempre consideradas, mesmo que sejam mínimas e sem consequências.
No entanto, há momentos em que esses movimentos e forças precisam ser levados em conta, e acabamos de explorar algumas das maneiras mais comuns de lidar com eles.
A Asahi/America está bem equipada para ajudar o projetista a controlar essas forças. Há ferramentas on-line para ajudar, como a nossa calculadora de expansão, e nossa equipe de serviços técnicos está pronta para oferecer orientação detalhada e design de componentes para aplicações especiais.