Apresentação Vaso de Pressão - Tópicos ASME Rev1

Falcão Consultoria e Projetos

Projeto de Vasos de Pressão Apresentação de Tópicos Básicos ASME Seção VIII Divisão 1

Carlos Falcão 2011

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Vasos de Pressão • São equipamentos usados para armazenamento,

acumulação, reação e processos químicos e físicos sob pressão, para gases e líquidos; • São utilizados principalmente nas refinarias e plataformas de petróleo, indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas, alimentícias, siderúrgicas, de mineração e centrais termoelétricas e nucleares; • Não são equipamentos de “prateleira”. Cada vaso tem sua função, geometria, dimensões, materiais e condições de projeto e operação específicas, sendo projetado e fabricado “sob encomenda” (“taylor equipment”). 2

Vasos de Pressão • Os principais equipamentos são:  Esferas e cilindros para armazenamento de gases;  Torres de destilação, absorção e separação;  Vasos (separadores, acumuladores, de lavagem, desalgadores, etc.);  Reatores;  Filtros;  Trocadores de calor (aquecedores, resfriadores, refervedores, condensadores, evaporadores, etc.).

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Vaso de pressão

Reator

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Vaso de alumínio

Reator de liga níquel-cobre 6

Trocador de calor casco e tubos tipo AES

Feixes tubulares de trocadores casco e tubos

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Torres de processo

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Esfera de GLP

Vaso de usina nuclear

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Vasos de Pressão Principais Falhas        

Deformação elástica excessiva, incluindo instabilidade; Deformação plástica excessiva; Fratura frágil; Tensões de ruptura e deformações de fluência a alta temperatura; Instabilidade plástica - colapso incremental; Altas deformações - fadiga de baixo ciclo ; Corrosão sob tensão; Corrosão - Fadiga. 10

Falha durante teste hidrostático

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Falha durante teste hidrostático - Detalhe do slide anterior

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Falha durante teste hidrostático. Causa: material do flange de chapa

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Falha durante teste hidrostático. Detalhe do slide anterior

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Falha durante teste hidrostático. Causa provável: material

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Fratura frágil durante teste hidrostático

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Colapso da estrutura de sustentação durante teste hidrostático 17

Vasos de Pressão Definição das Condições de Projeto Dimensões e forma geométrica;  Pressões máximas e mínimas;  Temperaturas máximas e mínimas;  Cargas externas (vento, tubulações, isolamento térmico, revestimento, plataformas, acessórios, etc.);  Cargas cíclicas;  Corrosão;  Material;  Serviço especial (H2, H2S, cáustico, letal, etc.). 

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

Formas de Vasos de Pressão Cascos:



Tampos:

 Cilíndricos;  Esféricos;  Reduções cônicas e toricônicas.  Hemisféricos;  Elípticos;  Torisféricos:

 6%: r = 0,06D; L = D;  10%: r = 0,1D; L = D;  Perfil Flogges (“falsa-elipse”): r = 0,17D; L = 0,9D (pode ser calculado como elíptico);

 Cônicos;  Toricônicos: mandatório para a > 30°;  Abaulado e flangeado (tampos de cabeçotes flutuantes de trocadres de calor);  Planos: Soldados ou Flangeados.

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Calandragem de casco cilíndrico

Prensagem de setor esférico

Forjamento de casco cilíndrico

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Prensagem a quente de tampo semi-elíptico

Rebordeamento de tampo torisférico 22

Cilindro calandrado a quente

Tampo conformado a quente

Soldas longitudinal e circunferencial de casco cilíndrico

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Vasos de Pressão Códigos de Projeto

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    

 

Códigos de Vasos de Pressão Estabelecem procedimentos e critérios para: Projeto; Detalhes construtivos relevantes (por exemplo: soldas, bocais, tampos); Materiais; Fabricação; Exames; Inspeção; Testes. 25

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PRINCIPAIS CÓDIGOS DE VASOS DE PRESSÃO 

ASME Boiler & Pressure Vessel Code (americana);



EN-13445 – Unfired pressure vessel - (européia, emitida em 2002);



PD-5500 /BS-5500 – Specifications for unfired fusion welded pressure vessels - (inglesa);



AD-Merkblätter - (alemã);



CODAP – Code de construction des Appareils a Pression non soumis a l’action de la flame – (francesa).

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Equipamentos Existentes Avaliação e Adequação API-579 – Fitness for Service

Estabelece procedimentos de avaliação e adequação para:  Fratura frágil;  Perda de espessura generalizada;  Perda de espessura localizada;  Corrosão por pontos (“pitting”);  Empolamento (“blister”) e dupla laminação;  Desvios de forma (desalinhamento de soldas e distorções nos cascos);  Trincas;  Operação a alta temperatura e em regime de fluência (“creep”);  Danos causados por fogo. 32

Vasos de Pressão – Equipamentos com Códigos e Normas Complementares 

Trocadores de Calor casco e tubos  TEMA - Standards of The Tubular Exchnanger Manufactures Association);  API-660 – Shell-and-tube Heat Exchangers.



Resfriadores a Ar  API-661 – Air-Cooled Heat Exchangers for General Refinery Service.



Trocadores de Placas  API-662 – Plate Heat Exchanges for General Refinery Services

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Vasos de Pressão Normas PETROBRAS Complementares     

N-253 – Projeto de Vasos de Pressão; N-268 – Fabricação de vasos de Pressão; N-269 – Montagem de Vaso de Pressão; N-466 – Projeto de Trocadores de Calor Casco e Tubos; N-1858 – Projeto e Fabricação de Resfriadores a Ar.

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Vasos de Pressão Tensões Atuantes

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Vasos de Pressão - Tensões atuantes 

 



As tensões atuam nas direções circunferencial (tangencial/latitudinal) - (s1), longitudinal (meridional) - (s2) e radial (s3); Nos vasos de pressão: s1 > s2 > s3 ; Para cascas finas (R/t ≥ 10), considera-se o estado bi-axial, com tensões circunferencial e longitudinal, pois a tensão radial é desprezível; Para um cilindro de casca fina: s1=s ; s2=s/2 e s3=-P). 36

Tensões em tampo elíptico

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Distribuição de tensões em tampo torisférico

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Teoria das Falhas (estado plano de tensões)

•

Teoria da máxima tensão normal (Critério de Rankine) Estabelece que a falha ocorre quando a máxima tensão normal atuante atinge a tensão de escoamento do material:

s1 = ±sy ; É o critério adotado pelo ASME Seção VIII Divisão 1.

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Teoria das Falhas (estado plano de tensões) • Teoria da máxima tensão de cisalhamento (Critério de Tresca) Estabelece que a falha ocorre quando a máxima tensão de cisalhamento atuante atinge a metade da tensão de escoamento do material, quando submetido à tração simples:

 tmax =

sy /2; tmax = (s1-s )/2;  (s 1 - s 2 ) = ±s y . 2

É o critério adotado pelo BS-5500, pelo ASME Seção VIII Divisão 2 (edições anteriores a 2007) e uma das alternativas da EN-13445. 40

Teoria das Falhas (estado plano de tensões) • Teoria da energia de distorção (Critério de Von Mises) Estabelece que a falha ocorre quando a energia de distorção é igual à energia de distorção do material quando atinge o escoamento em um ensaio de tração simples:

 s12 - s 1s2 + s22 = s y2 É o critério adotado pelo ASME Seção VIII Divisão 2 (a partir de 2007) e uma das alternativas da EN13445. 41

Comparação entre as três teorias de falhas 42

Teoria das Falhas • Os critérios de Von Mises e de Tresca são mais adequados para os materiais dúteis (caso dos aços), enquanto que o critério de Rankine é mais adequado para materiais frágeis; • O critério de Von Mises é o menos conservativo; • Quando o ASME editou a Seção VIII Divisão 2, em 1968, escolheu o critério de Tresca “porque é ligeiramente mais conservativo, mais fácil de ser aplicado e apresenta vantagens em algumas aplicações de análise de fadiga”

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Tipos e Categorias das Tensões Atuantes 

Tipos de tensão:  Membrana: componente da tensão normal que é uniformemente distribuída, com um valor médio, através da espessura de parede;  Flexão: componente da tensão normal que é proporcional à distância do centro da espessura de parede;  Cisalhamento: são tensões atuantes no plano da parede.



São classificadas em categorias:  Primárias: são tensões produzidas por carregamentos mecânicos estáveis e não são auto-limitantes (não são aliviadas pela deformação estrutural). Podem ser:  Gerais;  Locais.  Secundárias: são tensões auto-limitantes pelas deformações.  Pico: são tensões que não causam distorções previsíveis e provocam apenas fadiga e fratura frágil, atuando junto com as tensões primárias e secundárias.

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Vasos de Pressão

Exemplos de Categorias de Tensões 

Primária geral de membrana (Pm): devidas à pressão, peso próprio, vento;



Primária geral de flexão (Pb): devidas à pressão em tampos planos;



Primária local de membrana (PL): atuam nas proximidades de bocais e suportes, devidas à cargas (forças e momentos) e pressão;



Secundária de membrana ou flexão (Q):de flexão atuando em descontinuidades (mudança de espessura ou geometria), de flexão atuando nas proximidades de bocais e suportes devidas à cargas (forças e momentos) e de flexão e membrana devidas à expansão térmica;



Pico (F): localizadas em regiões com concentração de tensões e descontinuidades estruturais. 45

Vasos de Pressão

Combinação de Tensões 

Para códigos com dimensionamento por análise (DBA): ASME Seção VIII, Divisões 2 e 3, PD 5500 (BS 5500) e EN 13445

Pm < 1,0S PL < 1,5S Pm + PL < 1,5S Pm + PL + Pb < 1,5S Pm + PL + Pb + Q < maior [3S ou 2Sy] P m + P L + Pb + Q + F < S a

S é a tensão admissível, Sy é o limite de escoamento e Sa é a tensão alternada obtida da curva de fadiga para um determinado número de ciclos.

O ASME Seção VIII Divisão 1 não adota este critério 46

Vasos de Pressão ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 1 Tópicos Principais de Projeto

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Acidente devido à explosão de caldeira – Massachusetts, 1905

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ASME Boiler & Pressure Vessel Code   





1ª Edição: 1925 – “Rules for Construction of Pressure Vessels”, Section VIII, 1925 Edition; Atualmente editado a cada três anos, com adendas intermediárias (anuais); Edição atual: 2010, emissão original de 01 de julho de 2010, obrigatória a partir de 01 de janeiro de 2008 até dezembro de 2010; Adenda 2011: emitida em 01 de julho de 2011, válida a partir de 01 de janeiro de 2012 até dezembro de 2012 ; Próxima edição: 2013, a ser emitida em 01 de julho de 2013, será obrigatória a partir de 01 de janeiro de 2014.

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ASME Boiler & Pressure Vessel Code Anualmente, junto com a emissão da nova edição ou adenda, o código publica as seguintes complementações:  Interpretações:  Respostas a questionamentos relativos a itens específicos. As respostas geralmente são: sim ou não;  Casos (Code Cases):  Respostas com considerações aceitas para acréscimos ou revisões, que possibilitam esclarecimentos e alternativas ou ainda incorporações de tópicos não abordados pelas regras do código. 50

ASME Boiler & Pressure Vessel Code Exemplo de Interpretação 

Interpretation VIII-1-86-174 Concorda com a alternativa para calcular tampo torisférico 2:1, com r= 0,17D e L = 0,9D (Perfil Flogges - “falsa-elipse”), adotando a fórmula de tampo elíptico 2:1 Atualmente incorporado no texto de UG32(d) – Cálculo de tampos elípticos para pressão interna. 51

ASME Boiler & Pressure Vessel Code Exemplos de Casos 

Case 2290 – Alternativa para adotar coeficiente de segurança 3,5 para tensões admissíveis: atual tabela 1A da Seção II Parte D;



Case 2398 – Método alternativo para reforços de bocais de grande diâmetro em cilindros: atual parágrafo 1-10;



Case 2235-9 – Uso de exame ultra-som em vez de radiografia. 52

 



 

 

ASME Boiler & Pressure Vessel Code Principais seções relacionadas a vasos de pressão Seção I – Caldeiras Seção II – Materiais  Parte A – Ferrosos;  Parte B – Não Ferrosos;  Parte C – Eletrodos;  Parte D – Propriedades. Seção III – Componentes Nucleares Seção V – Exames Não Destrutivos Seção VIII – Vasos de Pressão  Divisão 1 – Regras Básicas;  Divisão 2 – Regras Alternativas;  Divisão 3 – Regras Alternativas para Vasos de Alta Pressão; Seção IX – Qualificação de Procedimentos de Soldagem Seção X – Vasos de Plástico Reforçado com Fibra de Vidro 53

ASME Seção VIII Divisão 1 Escopo de Aplicação    



Vasos não sujeitos à chama; Vasos com diâmetros acima de 152 mm (6”); Vasos com pressão até 20 MPa ou pressão negativa; Para pressões entre zero e 0,1 MPa o código não é aplicável. Alternativamente adota-se o API-620“Design and Construction of Large, Welded, LowPressure Storage Tank”; Exclusões para:  Vasos com água pressurizada até 2 MPa e temperatura até 99ºC;  Vasos para água quente com capacidade até 0,450 m3, temperatura até 99°C e carga térmica de 58,6 kW;  Tubulações e componentes de tubulações;  Vasos para ocupação humana. 54

ASME Seção VIII Divisão 1 

Critério de projeto:



Limitações:

 Projeto por regras (DBR);  Emprega a teoria de resistência da máxima tensão principal (Critério de Rankine).  Não adota projeto por análise (DBA) e classificação de tensões;  Não emprega teorias de resistência mais precisas (Tresca e Von Mises);  Não adota procedimentos para projeto de suportes e tensões localizadas (recomenda a utilização dos Boletins WRC 107, WRC 198 e WRC 297 e o código inglês BS5500);  Não tem procedimentos para análise de tensões em vasos horizontais;  Não analisa fadiga. 55

ASME Seção VIII Divisão 1 Rules for Construction of Pressure Vessels  Subseção A – Requisitos Gerais

 Parte UG – Requisitos para todos os métodos de fabricação: materiais, projeto, bocais e reforços, fabricação, inspeção e testes, dispositivos de alívio.



Subseção B - Requisitos para métodos de fabricação específicos



Subseção C – Requisitos para classes de materiais específicas

 Parte UW – Vasos soldados;  Parte UF – Vasos forjados;  Parte UB – Vasos fabricados por brasagem.

Parte UCS – Aço Carbono; Parte UNF – Materiais não ferrosos; Parte UHA – Aços de alta liga; Parte UCI – Ferros fundidos; Parte UCL – Clad; Parte UCD – Ferro fundido dútil; Parte UHT – Aços ferríticos com propriedades melhoradas por tratamento térmico;  Parte ULW – Vasos multicamadas  Parte ULT – Materiais com altas tensões admissíveis para baixa temperatura;  Parte UHX (a partir de 2003) – Trocadores de Calor Casco e Tubos.       

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ASME Seção VIII Divisão 1 Apêndices mandatórios (total:34) - principais apêndices:  Apêndice 1-Fórmulas complementares;  Apêndice 2-Conexões flanges com parafusos;  Apêndice 3 - Definições  Apêndice 5-Juntas de expansão tipo flangeada e “flued”;  Apêndices 4, 6, 7, 8, 12-Exames não destrutivos (radiografia, partículas magnéticas, líquido penetrante, ultra-som);  Apêndice 9-Vasos com camisas;  Apêndice 13 -Vasos de seção não circular; 57

ASME Seção VIII Divisão 1 Apêndices mandatórios (total:34)- principais apêndices (continuação): Apêndice 13 -Vasos de seção não circular; Apêndice 17- Placas de trocadores de calor; Apêndice 22- Vasos forjados; Apêndice 16 – Questões técnicas submetidas ao BPVP; Apêndice 17- Placas de trocadores de calor; Apêndice 24- Conexões fixadas com grampos “clamp”; Apêndice 26 – Juntas de expansão de vasos de pressão e trocadores de calor. 58

ASME Seção VIII Divisão 1  Apêndices não mandatórios (total:22) apêndices mais usuais:

 Apêndice A- Critérios para determinação de cargas admissíveis em ligação tubo-espelho;  Apêndice G- Recomendações sugeridas para reações de tubulações e suportes;  Apêndice L- Exemplos de aplicação das fórmulas e procedimentos do código;  Apêndice P- Bases para estabelecimento das tensões admissíveis;

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ASME Seção VIII Divisão 1 Apêndices não mandatórios (total:22) apêndices mais usuais (continuação):  Apêndice S- Considerações no projeto de conexões com flanges parafusados;

 Apêndice Y- Flanges de face plana com contato metal - metal externo ao círculo de parafusos;  Apêndice EE- Vasos com camisas tipo meiacana.

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Esta figura não está atualizada com a Edição de 2010 do Código

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Cargas de Projeto ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-22)  Pressão interna (inclui pressão hidrostática) e pressão externa;  Cargas de peso próprio e do líquido contido;  Cargas de acessórios e equipamentos (isolamento térmico, revestimentos, internos, plataformas, agitadores, etc.);  Cargas dos suportes;  Cargas externas;  Cargas de vento;  Cargas de tubulações;  Cargas de impacto;  Cargas de gradientes térmicos;  Cargas cíclicas. 62

Vasos de Pressão Combinação de Tensões 





Critério do ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-23) dimensionamento por regras (DBR):

Pm < S, quando a carga é apenas de pressão; Pm < 1,2S, pressão com cargas devidas à vento, cargas de terremoto e cargas de peso próprio e de acessórios; Pm + Pb < 1,5S, quando existem tensões primárias de flexão; Para demais combinações de tensões, em que o código é omisso, adota-se usualmente o seguinte critério: Pm + PL + Pb + Q < 2S < Sy S é a tensão admissível tabelada e Sy é o limite de escoamento. 63

Vasos de Pressão Tensões Admissíveis de Tração ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-23) Seção II Parte D Sub-parte 1



     

  

Para temperaturas abaixo da faixa de fluência a tensão admissível de tração (S) é o menor dos valores: 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura ambiente; 1/3,5 da mínima resistência à tração na temperatura de projeto; 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura ambiente; 2/3 da mínima resistência ao escoamento na temperatura de projeto. Para temperaturas na faixa de fluência a tensão admissível de tração (S) é o menor dos valores: 100% da tensão média para uma razão de fluência de 0,01% / 1000 horas; 67% da tensão média de ruptura ao fim de 1000000 horas; 80% da tensão mínima de ruptura a 1000000 horas. As tensões são obtidas de tabelas da Seção II Parte D, em função do material e temperatura. 64

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Vasos de Pressão Tensões Admissíveis de Compressão ASME Seção VIII Divisão 1 (UG-23) Seção II Parte D Sub-parte 3 

As tensões (Fator B) são obtidas de curvas (ver slide 70), em função da geometria e do Fator A=0,125/(Ro/t), do material, do módulo de elasticidade e da temperatura.



Caso o Fator A se situe à esquerda da curva a tensão admissível é Fator B=AE/2.

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Vasos de Pressão Categorias e Tipos de Soldas (UW-3) • As soldas de um vaso são definidas em 4 categorias, dependendo sua posição no vaso: soldas longitudinais (A), soldas circunferenciais (B), soldas de flanges (C) e soldas de bocais com cascos (D); • As soldas também são divididas em 8 tipos: por exemplo solda de topo executada pelos dois lados (Tipo 1), solda de topo simples com mata-junta (tipo 2); • As soldas categoria A devem ser tipo 1; • As soldas categoria B devem ser tipo 1 ou tipo 2.

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Vasos de Pressão • •

•

•

•

Exame Radiográfico (UW-11) As soldas podem ter exames radiográficos (total ou parcial) ou não, dependendo do tipo e do serviço do vaso; As soldas de topo com espessuras maiores que 38 mm devem ser totalmente radiografadas. Para alguns materiais esta exigência é válida para espessuras menores (aço carbono 32 mm); Vasos que contenham substâncias letais devem ter as soldas do casco e tampos totalmente radiografadas, para qualquer espessura; Vasos que tenham serviço com hidrogênio ou com H2S, devem ter radiografia total, exigida pelas normas para estes tipos de serviço (PETROBRAS, NACE, API, etc.); O ASME permite que o exame radiográfico seja substituído por ultra-som desde que atendido o Case 2235. 73

Vasos de Pressão Eficiência de Junta (UW-12) • A eficiência de junta é um fator de redução da tensão admissível do material que é soldado (metal base) em função do tipo de solda e do nível de exame realizado; • O dimensionamento da espessura requerida dos vasos de pressão depende da eficiência de solda (E); • Quando submetidas a esforços de compressão, como peso próprio para um vaso vertical, as soldas tem eficiência E=1,0, independentemente do nível de exame; • Tampos com diâmetros até 1800 mm, normalmente são feitos em uma única peça, sem solda, sendo neste caso, a eficiência igual a 1,0.

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Fabricação de vaso horizontal

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Fabricação da bota do vaso horizontal do slide anterior

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Fabricação de torre de processo

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Instalação de bocal em tampo torisférico 2:1

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Fabricação de torre de processo

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Fabricação de suporte (saia) de torre de processo

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Fabricação do anel de base de torre de processo

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Fabricação de vaso horizontal

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Fabricação reatores

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ASME Seção VIII Divisão 1 Dimensionamento de Componentes  As espessuras determinadas pelas fórmulas são corroídas;  Espessuras mínimas (UG-16);  Cálculo de espessuras de cascos:  Pressão interna (UG-27, 1-1, 1-2 e 1-3);  Pressão externa (UG-28);  Anéis enrijecedores para pressão externa em cilindros (UG-29 e UG-30).  Cálculo de espessuras de tampos e seções cônicas:  Pressão interna (UG-32, 1-4 e 1-5);  Pressão externa (UG-33 e 1-5). 85

ASME Seção VIII Divisão 1 Dimensionamento de Componentes  Cálculo de espessuras de tampos planos:  Pressão interna e externa (UG-34 e Apêndice 14).  Tampos abaulados e flangeados com parafusos (cabeçotes flutuantes de trocadores de calor):  Pressão interna e externa (1-6);  Sugere uso de procedimentos alternativos.  Reforço de junção cone-cilindro:  Pressão interna (1-5);  Pressão externa (1-8).

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Procedimento para pressão externa

•

Para uma dada espessura e geometria do componente, determina-se a pressão externa admissível (Pa) e comparase com a de projeto. Cada tipo de componente tem um procedimento específico. Por exemplo:

•

Para cascos cilíndricos, em função do máximo comprimento não suportado (L), do diâmetro externo (Do), da espessura (t) e do módulo de elasticidade (E):



Determina-se Do/t e L/Do, obtendo-se o fator A (curva slide 91) e o valor do fator B de curvas (slide 92). A pressão admissível é: Pa=4B/3(Do/t) ou P=2AE/3(Do/t);

• Para cascos esféricos, em função do raio externo (Ro), da espessura (t) e do módulo de elasticidade (E):



Determina-se o fator A = 0,125/(Ro/t) e o valor do fator B das curvas. A pressão admissível é: Pa=4B/3(Do/t) ou Pa=0,625E/ (Ro/t)2; 88

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ASME Seção VIII Divisão 1  

    

Dimensionamento de Aberturas e Reforços Dimensões e formas (UG-36); Reforço para aberturas em cascos e tampos conformados – reposição da área retirada para a abertura (UG-37); Aberturas tipo “flued” em tampos conformados (UG-38); Reforço para aberturas em tampos planos (UG39); Limites do reforço (UG-40); Resistência do reforço e das soldas(UG-41); Reforço para aberturas múltiplas (UG-42); 93

ASME Seção VIII Divisão 1 Dimensionamento de Aberturas e Reforços Espessura mínima para pescoço (UG-45);  Aberturas de grandes diâmetros em cascos cilíndricos (1-7 e 1-10) e cônicos (1-7);  Tubos padronizados – ASME B36.10 (tubos de aço carbono) e ASME B36.19 (aços inoxidáveis). 

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ASME Seção VIII Divisão 1 Dimensionamento de flanges parafusados com juntas de vedação tipo anel Apêndices 2 e S • Definem fórmulas e critérios de tensões admissíveis para cálculo de vários tipos de flanges, coeficientes para vários tipos de junta e faces de assentamento; • São calculados para duas condições:  Assentamento da junta, com temperatura ambiente e sem pressão;  Operação, com temperatura e pressão de projeto.

• A rigidez dos flanges é avaliada no apêndice S. 99

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ASME Seção VIII Divisão 1 Flanges padronizados (UG-44) • Não precisam ser calculados. Pode-se adotar o

“rating” de pressão em função da classe de pressão do flange, do material e da temperatura, conforme uma das seguintes normas:

 Diâmetros até 24” – ASME B16.5;  Diâmetros de 26” até 60” – ASME B16.47.

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ASME Seção VIII Divisão 1 Dimensionamento de Tampos Planos (UG-34) • Podem ser circulares ou não circulares (quadrados, retangulares, elípticos, oblongos e outras formas); • Podem ser integrais, soldados ou parafusados; • São calculados através de fórmulas para cada tipo, que determinam a espessura mínima; • Os tampos circulares parafusados também podem ser padronizados (flanges cegos), sem necessidade de cálculo, conforme as mesmas normas de flanges:  Diâmetros até 24” – ASME B16.5;  Diâmetros de 26” até 60” – ASME B16.47. 108

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ASME Seção VIII Divisão 1 Dimensionamento de Tampos Abaulados e Flangeados (1-6) • São tampos feitos com dois componentes: uma calota esférica e um flange; • Uma aplicação freqüente é para tampos de cabeçotes flutuantes de trocadores de calor; • São calculados com fórmulas distintas: para o flange e para a calota; • O ASME admite que o seu procedimento é aproximado e sugere que outros procedimentos podem ser adotados; • Procedimento de Soerenhs considera o conjunto flange-calota como uma estrutura integral. 110

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ASME Seção VIII Divisão 1 Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) Maximum Allowable Working Pressure (MAWP)- UG-98



É a pressão (interna ou externa) que causa, na parte mais fraca do vaso, uma tensão igual a tensão admissível para uma determinada temperatura, na condição do equipamento corroído e na posição de operação.



É calculada para cada componente, considerando-se a correspondente coluna de líquido de operação:  Cascos, tampos, flanges e espelhos de trocadores de calor, em função das espessuras adotadas;  Bocais, em função da espessura adotada e da área de reforço;  Flanges padronizados, em função do “rating” de pressão.



A PMTA (MAWP) final é a menor das pressões calculadas para todos os componentes.



A PMTA (MAWP) pode ser considerada como sendo a pressão de projeto, quando não for calculada. 112

ASME Seção VIII Divisão 1 Teste Hidrostático – UG-99 Verifica a estanqueidade das soldas e bocais. Submete o equipamento a um nível de tensões superior ao que ocorrerá em condições normais de operação, promovendo alívio de tensões nas regiões de descontinuidades geométricas.

O componente mais fraco do vaso deve ficar com um nível de tensões dentro de um limite de segurança que não cause danos (a tensão atuante em qualquer parte do vaso durante o teste hidrostático não pode ultrapassar um valor próximo ao escoamento ~ 0,8 a 0,9 Sy).

113

ASME Seção VIII Divisão 1 Teste Hidrostático – UG-99 UG-99 (b): vaso corroído e quente: teste no qual o vaso está submetido a uma pressão aplicada no topo, que é a PMTA (MAWP) estabelecida para o vaso, multiplicada por 1,3 e corrigida em função da razão entre a temperatura do teste e a temperatura da PMTA:  Pteste = 1,3*PMTA * (Steste/S) UG-99 (c): teste com pressão calculada (normalmente calculada para o vaso com espessura nominal não corroída e frio - MAP): teste que considera a menor pressão entre as pressões máximas de todos os componentes, aplicada no topo, multiplicada por 1,3 e descontada a respectiva coluna hidrostática:  Pteste = 1,3*MAP – coluna hidrostática Temperatura mínima recomendada para o teste -UG-99(h):  MDMT +17°C ≤ 48ºC.

114

Teste hidrostático de vaso de pressão

115

Despressurização de vaso de pressão após o teste hidrostático

116

ASME Seção VIII Divisão 1 Teste Pneumático – UG-100 

Vaso corroído e quente: teste no qual o vaso está submetido a uma pressão que é a PMTA (MAWP), estabelecida para o vaso, multiplicada por 1,1 e corrigida em função da razão entre a temperatura do teste e a temperatura da PMTA (MAWP):  Pteste = 1,1*PMTA (MAWP)* (Steste/S)

117

ASME Seção VIII Divisão 1 Tratamento Térmico de Alívio de Tensões Postweld Heat Treatment (PWHT) Vasos de Aço Carbono e Baixa Liga (UCS-56)

•

Os vasos devem ser submetidos a tratamento térmico, com temperaturas e tempo de patamar determinados para cada tipo de material (P-number classifica os materiais com a mesma a soldabilidade), dependendo da espessura. No caso de aços P-No 1 Gr 1 (Por ex.: SA-516/515- 60):  para soldas acima de 38 mm;  para soldas acima de 32 mm até 38 mm, a menos que um preaquecimento de 95° C seja aplicado durante a soldagem.

• Vasos que contenham substâncias letais devem ter tratamento térmico independentemente da espessura; • Vasos que tenham serviço com hidrogênio ou serviço com H2S, devem ter tratamento térmico exigido pelas normas para estes tipos de serviço (PETROBRAS, NACE, API, etc.). 118

119

120

121

ASME Seção VIII Divisão 1 Tratamento Térmico de Cascos e Tampos Conformados à Frio de Aços Carbono e Baixa Liga (UCS-79)

• O tratamento térmico é obrigatório quando o alongamento das fibras extremas for superior a 5%, se existir uma das seguintes condições: • O vaso contém substância letal; • O material requer teste de impacto; • A espessura nominal antes da conformação for superior a 16 mm; • A redução de espessura for superior a 10% em qualquer região com alongamento superior a 5%; • A temperatura de conformação é entre 120°C e 480°C; • Para materiais P No 1 Grupos 1 e 2 o alongamento é

admitido até 40%, atendendo às mesmas exigências acima.

122

ASME Seção VIII Divisão 1 Operação com Baixa temperatura (UCS-65) Temperatura Mínima de Projeto (UCS-66) 



 

Minimum Design Metal Temperature (MDMT) Define a temperatura mínima de operação do equipamento sem que haja fratura frágil. É determinada para cada componente do vaso e a MDMT final é a mais quente das MDMT’s de cada componente; A temperatura mínima que dispensa o teste de impacto é obtida de curvas, para cada tipo de material e com a espessura de referência dos componentes envolvidos (chapas, bocais com reforço, flanges e espelhos); Em função do nível de solicitação do componente, pode ser aplicada redução (decréscimo) na temperatura obtida; Caso haja teste de impacto, a temperatura mínima é a temperatura do teste, podendo também ser aplicada a mesma redução. 123

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125

126

127

128

129

Vasos de Pressão Tensões Localizadas

130

Tensões em Vasos Horizontais 

São adotados vários procedimentos de cálculo, para determinação das tensões atuantes no casco e tampos, que são:  Tensões longitudinais de flexão (no meio do vão e no plano das selas);  Tensões circunferenciais no plano das selas (no ponto inferior do casco, no topo das selas e próximo ao equador);  Tensões tangenciais de cisalhamento (na vizinhança das selas).  Tensões adicionais nos tampos, quando atuam como enrijecedores do casco.

131

132

Vaso de pressão horizontal

133

Vasos horizontais

134

Tensões em Vasos Horizontais Principais procedimentos de cálculo

• “Stress in Large Cylindrical Pressure Vessels on Two Sadle Supports” - L.P.Zick (1951). É o método pioneiro e o mais tradicional. É recomendado pelo ASME Seção VIII Divisão 1 (Apêndice G).Todos os programas de cálculo de vasos de pressão o adotam; • ASME Seção VIII Divisão 2, Parte 4 item 4.15.3: “Saddle Supports for Horizontal Vessels. Incluído na edição 2007; • PD-5500, Apêndice G item G3.3: “Supports and mountings for horizontal vessels”; • EN-13445, item 16.8: “ Horizontal vessels on sadlle supports”. Este método é interessante pois também considera vasos apoiados em duas selas não simétricamente posicionadas e apoiados em mais de duas selas equidistantes; •TEMA, item RGP-G-7.11: “ Horizontal vessels supports”.

135

ASME Seção VIII Divisão 1 Tensões Localizadas Devidas à Cargas Externas em Bocais, Suportes e Clips Procedimentos recomendados pelo Apêndice G do ASME: WRC Bulletin 107 – Tensões em cascos esféricos e cilíndricos (1965) – bocais, suportes e clips;  Todos os programas adotam este procedimento.  WRC Bulletin 297 (suplemento ao Bulletin 107) – Tensões em cascos cilíndricos (1987) – só cargas em bocais;  PD-5500 Apêndice G - Tensões em cascos esféricos e cilíndricos – bocais, suportes e clips. 

136

Tensões Localizadas Devidas à Cargas Externas

•

Os carregamentos são: Força radial (P), Força longitudidal (VL), Força circunferencial (VC), Momento de torção (MT), Momento longitudinal (ML) e Momento circunferencial (MC); • Os carregamentos P, ML e MC induzem, localizadamente, forças unitárias de membrana (N) e Momentos unitários de flexão (M), que atuam nas direções longitudinal e circunferencial; • Os carregamentos unitários resultam em tensões:  de membrana: s=N/t; de flexão: s=± 6M/t2  Os carregamentos VC, VL e MT resultam em tensões de cisalhamento:

 t=MT/2p2rt e

t’=(VC+VL)/2prt

137

Tensões Localizadas Devidas à Cargas Externas • As tensões localizadas são calculadas nos

sentidos longitudinal (x) e circunferencial (Ф), em 4 pontos (A, B, C e D) considerando as faces externa (U) e interna (L); • Devem ser combinadas com as tensões longitudinal e circunferencial devidas à pressão; • As tensões de membrana devidas à pressão e cargas são primárias locais de membrana (PL) e as de flexão e de cisalhamento são secundárias (Q).

138

Tensões Localizadas Devidas a Cargas Externas

• A intensidade total de tensões atuantes é

calculada conforme abaixo:  quando t  0, será o maior valor absoluto entre: ST = 0,5  s X + s Ф ±  (s X - s Ф )2 + 4 t2 1/2 , ou ST =  (s X - s Ф )2 + 4 t2 1/2  quando t = 0, será o maior valor absoluto: ST = máximo [s X , s Ф , ( s X - s Ф ) ].

139

Cargas e geometria de bocais e suportes conforme WRC-107

140

141

Elementos Finitos Tensões localizadas em bocais de casco esférico (MPa)

142

Elementos Finitos Tensões localizadas em sapatas de casco cilíndrico (MPa)

143

Elementos Finitos Tensões localizadas em apoio de vaso horizontal (MPa)

144

Vasos de Pressão Materiais

145

Especificações de Materiais Conforme ASME Seção II Parte A (ferrosos) e Parte B (não ferrosos)  As especificações ASME (SA ou SB) são baseadas nas especificações ASTM (American Society for Testing and Materials), podendo ser:  Idênticas- exemplos: SA-105, SA-240, SA387, SA-515, SA-516 e SB-127;  Com requisitos adicionais - exemplos: SA106, SA-182, SA-193, SA-194, SA-234, SA312, SA-333, SA-335, SA-350, SA-403, SA790, SB-165, SB-209, SB-247, SB-265, SB363, SB-366, SB-381, SB-443, SB-564 e SB775. 146

Especificações de Materiais ASME x ASTM

147

Especificações de Materiais Conforme ASME Seção II Parte A  



Aço carbono não acalmado (uso restrito):  SA-285 Gr C; Aços carbono acalmados (temperatura moderada: de 0°C a 450°C):  SA-515 Gr 60/70, SA-106 B, SA-105, SA-234WPB; Aços carbono acalmados (baixa temperatura: de -45°C até 450°C):  SA-516 Gr 60/70, SA-106 Gr B (normalmente limitados a -29°C) ou SA-333 Gr 6, SA-105 ou SA-333 Gr LF2, SA-420-WLP 6. Observação: dependendo da temperatura de aplicação os materiais de aços acalmados devem ser normalizados e com teste de impacto.

148

Especificações de Materiais Conforme ASME Seção II Parte A 



Aços liga 1 ¼ Cr – ½ Mo (alta temperatura – até 530°C)  SA-387 Gr 11, SA -335 Gr P11, SA-182 Gr F11, SA-234WP11; Aços liga 2 ¼ Cr – 1 Mo (alta temperatura – até 600°C)  SA-387 Gr 22, SA -335 Gr P22, SA-182 Gr F22, SA-234WP22;

149

Especificações de Materiais Conforme ASME Seção II Parte A 

Aços inoxidáveis austeníticos mais comuns Temperaturas de -250°C (criogênica) até 800°C, com faixas específicas dependendo do tipo e grau do material SA-240, SA-312, SA- 182 e SA-403  Carbono normal: 304 e 316 e 317 (com adição de molibidênio);  Baixo carbono (“low-carbon”): 304L, 316L e 317L (com adição de molibidênio);  Carbono controlado: 304H e 316H;  Estabilizados: com Titânio:321, 316Ti ; com Nióbio: 347.  Para T > 540°C adotar tipo H;  Para 500°C < T < 700°C formação de fase sigma;  Para 450°C < T < 850°C sensitização, adotar tipos baixo carbono ou estabilizados (maior resistência). 150

Especificações de Materiais Conforme ASME Seção II Partes A e B 

Aços inoxidáveis especiais:  Super austeníticos

 Liga UNS S31254 – AVESTA 254SMO: água do mar e cloretos - temperatura até 400°C; SA-240, SA-312, SA- 182 e SA-403.  Liga UNS N08904 – SANDVIK 2RK65: ácidos sulfúrico, fosfórico e acético – temperatura até 370°C; SA-240-904L, SB-625, SA-312, SB-677, SB-366.  Liga UNS N08028 – SANDVIK Sanicro 28: ácidos e H2S – temperatura até 400°C; SB-709 e SB-668. 151

Especificações de Materiais Conforme ASME Seção II Partes A e B 

Aços inoxidáveis especiais:  Super Duplex (ferrítico-austenítico) (liga mais

usada: UNS S32750 – SANDVIK SAF 2507) – ácidos, cloretos e H2S - temperatura até 250°C; SA-240, SA-790, SA- 182 e SA-815



Para aços inoxidáveis podem ser usadas chapas “clad” (SA-264: aço carbono + aço inox).

152

Materiais Resistentes à Corrosão (CRA) ASME Seção II Parte B (não ferrosos) Materiais mais comuns:  Alumínio e ligas de alumínio (SB-209, SB-210 e SB-247);  Titânio e ligas de titânio (SB-265, SB-381 e SB363);  Níquel e ligas de níquel (Monel, Inconel, Incolloy, Hastelloy, etc.) Para níquel e ligas de níquel podem ser usadas chapas “clad” (SA-265: aço carbono + níquel e ligas de níquel). 

153

Tampo com chapa cladeada

Soldagem de casco com chapa cladeada

Chapa cladeada 154

Materiais para Serviços Especiais e Corrosão sob Tensão 

Ataque por hidrogênio (Serviço com H2) API-941 e Norma Petrobras N-1704  Ocorre em temperaturas acima de 220°C;  Materiais: Aço liga Cr-Mo e Aço carbono com exigências especiais.



Corrosão por H2S (Serviço com H2S) NACE MR 0175 e Norma Petrobras N-1706  Corrosão sob tensão por sulfetos (SSCC);  Trincas induzidas pelo hidrogênio (HIC);  Materiais: Aço carbono com exigências especiais. 155

Materiais para Serviços Especiais e Corrosão sob Tensão 

Fragilização cáustica (Serviço com soda cáustica) NACE – Corrosion data survey e Norma Petrobras N1705)

 Emprego de Aço carbono sem tratamento térmico, Aço carbono com tratamento térmico ou Monel, dependendo da concentração de NaOH e da temperatura.



Corrosão Naftênica Ácido naftêntico é o nome dado a ácidos orgânicos presentes nos óleos crús  Emprego de Aço inox austenítico 316L e 317L (com molibidênio).

156

Materiais para Serviços Especiais e Corrosão sob Tensão 

Serviço com Cl-



Serviço com Cl- e CO2



 Aço inox super austenítico (liga UNS S 31254);  Aço Super Duplex (liga UNS 32750/32760).

Serviço com CO2

 Aço inox austenítico estabilizado (liga UNS 32100);

157

Vasos de Pressão Acessórios Bocais

Suportes

158

Vasos de Pressão – Acessórios 

Internos (Normas PETROBRAS N- 1862 e N-2049)  Quebra-vórtice;  Anel suporte de bandejas;  Chapa de retenção para recheios;  Chicana defletora para bocais;  Chapa de desgaste;  Flanges para tubulação interna;



Internos de processo  Bandejas;  Recheios;  Catalisadores;  Distribuidores e redistribuidores;  Suportes e retentores de recheio e cartalisadores;  Eliminadores de névoa;  Elementos filtrantes. 159

Vasos de Pressão – Acessórios 

Externos (Norma PETROBRAS N-550/N-1756/N2054)

 Olhal de içamento;  Placa de identificação;  Clips para suportes de escadas, plataformas e tubulações;  Clips para suportes de isolamento térmico;  Clips para suporte de proteção contra fogo;  Placa de identificação;  Suporte para turco de carga;  Chapa de aterramento. 160

Vasos de Pressão – Detalhes de Bocais (Norma PETROBRAS N-2012)

Projeção externa;  Bocal tangencial;  Bocal de fundo;  Turco para boca de visita;  Dobradiças para bocal de inspeção. 

161

Vasos de Pressão – Suportes 

Vasos Horizontais  Selas (Norma PETROBRAS N-2013)



Vasos Verticais  Saias (Norma PETROBRAS N-2014);  Pernas (Norma PETROBRAS N-2014);  Sapatas (para trocadores de calor com diâmetro até 1200 mm é padronizado pela Norma PETROBRAS N-2159);  Anéis.

162

Vasos de Pressão – Suportes Procedimentos de Cálculos São considerados componentes estruturais, dimensionados de acordo com normas de estruturas metálicas, normalmente adotando-se o AISC (American Iron and Steel Construction);  Existem procedimentos específicos para alguns elementos dos suportes, como anel base de saias e placa base de colunas e sapatas, que são apresentados na bibliografia usual de projeto de vasos de pressão;  Para anéis e sapatas de apoio as tensões atuantes são obtidas de literatura especifica e consagrada, como o livro do Roark. 

163

Vasos de Pressão - Bibliografia Básica  

    

Process Equipment Design Brownell and Young Pressure Vessel Design Handbook Henny H. Bednar Process Vessel Design Manual Dennis R. Moss Structural Analisys & Design of Process Equipment Maan H. Jaward and James R. Farr Pressure Vessels – The ASME Code Simplified Robert Chuse Formulas for Stress and Strain Roark and Young Vasos de Pressão Pedro C. Silva Telles 164

Fontes das figuras • ASME Seção VIII Divisão 1 edição 2007 adenda 2009: slides 20, 26, 27, 72, 89, 90, 94, 95, 97, 99, 100, 101, 102, 108, 110, 117, 118, 122, 123, 124, 125, 126 e 127; • ASME Seção II Parte D edição 2007 adenda 2009: slides 65, 66, 67, 68, 70 e 91; • ASME Seção II Parte A edição 2007 adenda 2009: slide 145; • ASTM American Society for Testing and Materials: slide 145; • TEMA - Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association – 8a edição: slide 130; • Theory and Design of Modern Pressure Vessels -John Harvey Van Norstrand Reinhold Company: slides 16 e 37; • AD – Merkblätter: slide 38; • Process Vessel Design Manual - Dennis R. Moss - Gulf Publishing Company: slides 61, 75, 87, 103, 119 e 139; • ASME B16.5 - Pipe Flanges and Flanged Fittings: slides 105 e 106. 165

Fontes das fotografias •

As fotografias dos slides 1, 5, 6, 7, 8, 9, 21, 22, 23, 83, 84, 131, 132 e 152 foram obtidas de catálogos dos seguintes fabricantes:  GODREJ-Godrej & Boyce Manufacturing;            

ANTONIUS Vesselheads; TAYLOR FORGE Engineering Systems, Inc; FELGUERA Calderaría Pesada; BADONI ATB; CONFAB Industrial; CBC Indústrias Pesadas; CBI-Chicago Bridge & Iron Company; KOBELCO – KOBE STEEL; JSW – Japan Steel Works; JFE Steel Corporation; MITSUBISHI Metal Corporation; GEA do Brasil. 166