Curvatura de tubo versus cotovelo de tubo: opções de raio de curvatura 3D, 5D e 10D para tubulações de pigging

Se você projeta, constrói ou opera tubulações que são limpas ou inspecionadas com pigs, uma das primeiras decisões de roteamento que você enfrenta é usar cotovelos de tubo padrão ou curvas de tubo de raio longo - e qual raio de curvatura especificar. Este artigo compara curvas e cotovelos de tubos em métodos de fabricação, padrões, geometria, espessura de parede, fluxo e, o mais importante, compatibilidade de pigging, e explica quando escolher raios de curvatura 3D, 5D e 10D.

Três termos são usados ​​por toda parte. Um pig é uma ferramenta cilíndrica empurrada através de uma tubulação pelo fluxo do produto, seja para limpá-lo (um pig de limpeza) ou para inspecioná-lo com sensores (um pig inteligente, ou inspeção em linha, ferramenta ILI). D é o diâmetro nominal do tubo (o diâmetro externo nominal, em milímetros ou polegadas). O raio da linha central R de uma curva ou cotovelo é o raio da curva medido ao longo da linha central do tubo; "3D" significa que R é igual a três vezes o diâmetro do tubo. Dois termos de geometria também são recorrentes: o extrados é a parte externa da curva (onde a parede tende a afinar durante a flexão) e o intrados é a parte interna da curva (onde a parede tende a engrossar); ovalidade é o quanto a seção transversal circular se deformou em direção a uma elipse.

Tabela 1 - Visão geral do cotovelo de tubo versus curva de tubo

Qual é a diferença entre uma curva de tubo e um cotovelo de tubo?

A cotovelo de tuboé um acessório padronizado feito de fábrica com um raio central curto fixo - 1.5D para cotovelos de raio longo (LR) e 1,0D para cotovelos de raio curto (SR) - dimensionado de acordo com ASME B16.9 e ASME B16.28. Uma curva de tubo é um comprimento de tubo curvado em um raio maior especificado, normalmente 3D, 5D ou 10D, formado como uma peça contínua, geralmente por dobra por indução a quente, e feito de acordo com ASME B16.49 ou ISO 15590-1. Para qualquer tubulação que será pigada, a curvatura do tubo é o componente correto; um cotovelo padrão não é.

O raio é a diferença definidora. Um cotovelo sempre tem um raio estreito de um ou um diâmetro e meio de tubo, fixado pela norma de conexão e impossível de alterar. Uma dobra pode ser produzida em quase qualquer raio de cerca de 2D para cima - 3D, 5D, 6D, 8D, 10D e além - e o raio necessário está escrito na especificação de compra, portanto é escolhido pelo projetista, não fixado pelo catálogo.

A fabricação também difere. Os cotovelos são prensados, forjados ou trefilados como acessórios individuais, cada um com duas extremidades soldadas. As curvas são feitas curvando-se um pedaço reto de tubo (sem costura ou soldado) com uma máquina de aquecimento por indução, de forma que a seção curva seja contínua com o próprio tubo e não contenha nenhuma junta dentro da curva.

A consequência para o pigging é direta: como as curvas têm raios maiores e mais suaves, os pigs e as ferramentas de inspeção as negociam de forma confiável, enquanto os cotovelos apertados restringem ou bloqueiam as mesmas ferramentas. As seções a seguir desenvolvem isso em detalhes.

Por que o raio de curvatura é importante para tubulações de pigging?

O raio de curvatura decide se um porco pode passar - e com que segurança ele limpa ou inspeciona. A orientação da indústria estabelece o mínimo prático em 3D para a maioria das operações de pigging. Curvas mais apertadas (cotovelos 1,5D ou 1,0D) forçam os pigs de corpo rígido e as ferramentas de inspeção a dobrarem acentuadamente, aumentando o arrasto e o desgaste do copo, aumentando o risco de um pig preso ou danificado e degradando os dados de inspeção. Uma linha projetada para pigging deve, portanto, usar curvas 3D ou maiores a cada mudança de direção.

Como um porco negocia uma curva. Um pig é um corpo rígido ou semirrígido selado contra a parede do tubo por copos ou discos. Numa curva, o corpo deve seguir a curvatura: quanto mais apertada a curva, mais o corpo flexiona, mais as vedações comprimem de um lado e levantam do outro, e mais forte o fluxo deve empurrá-lo. Abaixo de um determinado raio, o corpo trava ou os selos vazam além do produto e das baias dos porcos.

O custo de um porco preso é alto: a linha deve ser despressurizada e aberta, o que significa perda de produção e uma perigosa operação de recuperação. A qualidade da inspeção é prejudicada mesmo antes disso - os sensores ILI precisam de um distanciamento estável da parede e, em uma curva fechada, a ferramenta inclina-se e gira, deixando lacunas e distorções nos dados de vazamento de fluxo magnético (MFL) ou ultrassônicos.

A orientação da indústria é consistente. A COBALCH recomenda raios mínimos de 1,5D para linhas de 4 polegadas e menores, 3D para linhas de 6 a 12 polegadas e 5D para linhas maiores que 12 polegadas; A FEEC especifica um mínimo de 3D para porcos utilitários flexíveis e um mínimo de 5D para porcos inteligentes mais longos e rígidos; A EPCM recomenda 3D e superior para fácil pigging inteligente; e a maioria dos provedores de ILI projetam ferramentas para 3D ou superior, com algumas ferramentas especializadas capazes de 1,5D.

Tabela 2 - Raio de curvatura mínimo típico por tipo de pig (orientação do setor; confirme sempre com o fornecedor da ferramenta)

O que significam as curvas 3D, 5D e 10D - e qual delas você precisa?

O número antes de D é a razão entre o raio da linha central da curvatura e o diâmetro nominal do tubo: uma curvatura 3D tem um raio de três diâmetros de tubo, uma curvatura 5D cinco e uma curvatura 10D dez. Na prática, 3D é o mínimo compacto para linhas pigáveis ​​que transportam pigs de limpeza e medição; 5D é o padrão recomendado para pigging inteligente (ILI); e 10D é reservado para ferramentas de inspeção muito longas ou rígidas, a menor queda de pressão e a geometria mais estreita - ao custo de uma área ocupada muito maior e comprimentos de tangente mais longos.

A fórmula do raio é simples: R=k × D, onde k é 3, 5 ou 10. A Tabela 3 mostra o que isso significa em milímetros para três tamanhos de linha comuns. Uma curva 10D em uma linha de 12 polegadas, por exemplo, tem um raio de linha central de cerca de 3,2 metros - o que mostra por que a rota e a faixa de domínio determinam a escolha.

O que cada raio oferece. 3As curvas D se ajustam aos espaços mais apertados e aceitam a maioria dos pigs de limpeza, mas o afinamento da parede, a ovalidade e a queda de pressão são os mais altos dos três, e apenas alguns pigs inteligentes funcionam bem em 3D. 5As curvas D são o padrão da indústria para linhas de transporte pigged: praticamente todas as ferramentas ILI funcionam em 5D com boa qualidade de dados, enquanto a área ocupada permanece gerenciável. 10As curvas D se comportam quase como tubos retos - desbaste mínimo e ovalidade, perda mínima de pressão e erosão - e aceitam até mesmo os corpos de ferramentas rígidos mais longos, mas custam mais em material e espaço.

Regra prática: escolha o maior raio que a rota e o orçamento permitirem. Nunca vá abaixo do 3D em uma linha pigged, a menos que o pig ou fornecedor de ILI confirme que a ferramenta pode negociá-la.

Tabela 3 - Exemplo de raios da linha central em milímetros (R=k × diâmetro externo nominal)

Tabela 4 - 3Dobras D, 5D e 10D comparadas (classificações qualitativas; os valores exatos dependem da programação da parede, do material e do padrão de fabricação)

Você pode usar cotovelos padrão (1D ou 1,5D) em um pipeline piggável?

Não - não para uma alimentação séria. Cotovelos de raio curto (1D) são efetivamente não-pigáveis ​​para raspadores de limpeza de corpo rígido e ferramentas inteligentes, e até mesmo cotovelos de raio longo (1,5D) restringem a maioria dos raspadores de limpeza e muitas ferramentas ILI. Se uma linha for marcada, projete-a desde o início com curvas 3D ou mais; modernizar um roteamento posteriormente é caro e muitas vezes impossível sem o reencaminhamento.

Por que os cotovelos bloqueiam os porcos. Em um cotovelo 1D ou 1,5D apertado, a parede interna da conexão corta nitidamente o furo, de modo que os copos e os discos se desgastam rapidamente, giram ou vazam pelo produto e os corpos rígidos da ferramenta emperram. A geometria abrupta do cotovelo também é onde os porcos costumam parar em linhas mais antigas.

Existem exceções, mas elas não são o padrão. Algumas ferramentas ILI flexíveis ou articuladas especializadas podem passar por curvas 1,5D - e algumas até 1D - mas são mais caras, cobrem menos recursos de inspeção e devem ser confirmadas caso a caso com o fornecedor.

Se você já possui cotovelos em uma linha existente, verifique a capacidade de curvatura do pig com o fornecedor e use pigs mais curtos e articulados. Se o pigging inteligente for planejado para o futuro, a rota deveria ter sido construída de forma piggável desde o primeiro dia.

Tabela 5 - Orientação mínima do raio de curvatura por tamanho da linha (recomendação de projeto de porco COBALCH)

Como as curvas 3D, 5D e 10D se comparam em espessura de parede, ovalidade e fluxo?

As curvas de raio maior são geometricamente mais gentis com o tubo: elas afinam menos a parede externa (extrados), permanecem mais arredondadas (menos ovalidade) e perturbam o fluxo muito menos do que os cotovelos - portanto, as curvas 5D e 10D proporcionam menor queda de pressão, menos erosão e menos concentrações de tensão. Isso é mais importante em linhas de parede espessa, de alta pressão e de aço inoxidável corrosivo ou de liga de níquel, onde a perda de parede e a ovalização reduzem diretamente as margens do projeto.

Espessura da parede. Quando qualquer tubo é dobrado, a parte externa da curva se estica (afinamento extrados) enquanto a parte interna se comprime (espessamento intrados). A dobra por indução a quente com aquecimento e velocidade de impulso controlados minimiza essa variação, e o padrão de fabricação (por exemplo ASME B16.49), juntamente com o código de projeto, limita o desbaste: os extrados diluídos ainda devem atender à espessura mínima da parede do projeto. Quanto maior o raio, menor o alongamento por unidade de comprimento – é por isso que as curvas 5D e 10D mantêm a parede mais uniforme.

Ovalidade. A flexão tende a achatar a seção transversal em uma elipse; padrões e códigos de projeto limitam a circularidade. Raios maiores deformam menos a seção transversal, mantendo os pig seals em contato total e evitando concentrações de tensão no extradorso.

Fluxo e erosão. Cotovelos apertados forçam uma mudança abrupta de direção que cria turbulência, alta velocidade localizada, perda de pressão e erosão na parede externa - especialmente em linhas que transportam areia ou sólidos. Uma curva 10D se comporta quase como um tubo reto, e uma curva 3D é um bom compromisso; um cotovelo 1,5D é a pior escolha para fluxo. Em serviços de corrosão, o afinamento mais a turbulência significam um ataque local mais rápido, portanto, especificar 5D ou 10D em aço inoxidável ou liga de níquel preserva a tolerância à corrosão.

Quais materiais e padrões se aplicam a curvas e cotovelos para tubulações de pigging?

Combine o padrão com o formato: cotovelos conforme ASME B16.9 com material conforme ASTM A403 (inox austenítico), A815 (duplex) ou B366 (ligas de níquel); dobra para ASME B16.49 ou ISO 15590-1. Projete a linha de acordo com ASME B31.4 (líquidos) ou ASME B31.8 (gás) - e ASME B31.3 para tubulação de planta - e qualifique qualquer sistema de inspeção inteligente sob API Std 1163. Para serviços corrosivos, ácidos ou de alta temperatura, aços inoxidáveis duplex e ligas de níquel, como Alloy 400, Alloy 625, Alloy 825 e Alloy C-276 oferecem a resistência à corrosão que o aço carbono não pode.

Por que ligas de níquel e inox duplex. Esses materiais resistem a cloretos, serviços ácidos (H2S), altas temperaturas e erosão: a liga 625 (Inconel) é adequada para água do mar e serviços em altas temperaturas, a liga C-276 (Hastelloy) para os ambientes químicos mais agressivos, a liga 400 (Monel) para serviços marítimos e os graus duplex 2205 e 2507 combinam alta resistência com resistência a serviços ácidos.

Uma nota de fabricação. As ligas de níquel endurecem agressivamente, portanto as dobras 3D-10D nesses materiais exigem dobra por indução com controle rígido de temperatura e, quando necessário, tratamento térmico pós-dobra - caso contrário, a dobra corre o risco de rachar ou perder sua resistência à corrosão. Confirme a capacidade do fornecedor para PWHT (tratamento térmico pós-soldagem), PMI (identificação positiva de material) e testes de dureza.

Tabela 6 - Principais padrões para curvas, cotovelos e pigging

Como você especifica uma curva piggável?

Uma especificação completa de dobra piggável indica o raio (maior ou igual a 3D, idealmente 5D), o ângulo de dobra, os comprimentos da tangente, o grau do material e a programação da parede, o padrão de fabricação e as tolerâncias - e confirma a compatibilidade do pig com o pig real ou fornecedor de ILI antes que o roteamento seja congelado.

Tangentes e espaçamento. Especifique comprimentos retos de entrada e saída (tangentes) em ambas as extremidades da dobra para que a soldagem, o alinhamento do lançador de pig e a ovalidade final permaneçam limpos. Mantenha pelo menos 3D–5D de tubo reto entre curvas sucessivas – a “regra 3D–5D” da indústria – para que o porco não precise dobrar duas vezes em rápida sucessão.

Especificação de exemplo: "curvatura por indução de 90 graus, R=5D, NPS 10, Schedule 80, ASTM A312 TP316L, fabricada e testada conforme ASME B16.49, tangente 1 m em cada extremidade, ovalidade e parede extrados dentro da tolerância padrão, PMI e dureza testada, certificados de material e MTC fornecidos." Ajuste o material, cronograma e tolerâncias ao código de projeto da linha.

Controle de qualidade: especifique PMI, dureza, END (UT/RT) quando necessário e testes hidrostáticos de acordo com o código de projeto; exigem certificação completa do material para rastreabilidade.

Tabela 7 - Lista de verificação de especificação de dobra piggável

Qual raio de curvatura você deve escolher?

O padrão é 5D, a menos que a rota realmente não possa pagar por isso. Use 3D onde o espaço for apertado e somente porcos de limpeza ou medição serão executados; use 5D para pigging inteligente padrão; use 10D para ferramentas rígidas mais longas, fluxo de alta velocidade ou linhas com queda de pressão mínima. Nunca vá abaixo do 3D em uma linha com pigging sem a confirmação por escrito do fornecedor da ferramenta.

A lógica do custo é simples. Um raio maior custa mais em tubulação, material e faixa de domínio, mas uma única recuperação de porco preso normalmente custa muito mais - e uma linha 5D retorna dados de inspeção nos quais você pode realmente confiar para decisões de integridade. Escolha o raio da pior ferramenta que você já usou, não da mais barata.

Tabela 8 - Escolha de um raio de curvatura

Perguntas frequentes

"3D" significa que o raio da linha central da curvatura é igual a três vezes o diâmetro nominal do tubo (R=3 × D). No tubo NPS 6 (diâmetro externo de 168,3 mm), por exemplo, uma dobra 3D tem um raio de linha central de cerca de 505 mm.

Uma curva 3D é pigável?

Sim, para a maioria dos pigs de limpeza e muitas ferramentas inteligentes - 3D é o mínimo aceito para pigging. A dinâmica da ferramenta e a qualidade dos dados melhoram em 5D, e é por isso que 5D é o padrão recomendado para pigging inteligente.

Um porco pode passar por um cotovelo de raio longo 1,5D?

Cotonetes de espuma e alguns porcos curtos e flexíveis podem; os porcos de limpeza de corpo rígido e a maioria das ferramentas ILI não conseguem, ou passam com danos e lacunas de dados. Para uma linha que será sugada, use curvas 3D ou mais.

O que é melhor para o pigging inteligente: curvas 3D ou 5D?

5D. A maioria das ferramentas ILI são projetadas para um mínimo de 3D, mas 5D oferece um isolamento de sensor mais estável, melhor qualidade de dados e menos desgaste - e é o padrão da indústria para linhas de transporte pigged.

As curvas dos tubos causam mais queda de pressão do que os cotovelos?

O oposto. Curvas suaves e de grande raio (5D, 10D) causam menos queda de pressão e turbulência do que cotovelos apertados; uma curva 10D se comporta quase como um tubo reto.

Qual é o raio de curvatura mínimo da indústria para pigging?

A orientação comum é um mínimo de 3D para a maioria das linhas pigging (1,5D apenas em linhas de 4 polegadas e menores, e apenas para pigs macios) e um mínimo de 5D para pigging inteligente. Sempre confirme com o fornecedor do porco ou do ILI.