Dimensionamento e validação de um vaso de pressão criogênio conforme norma ASME VIII Divisão 1

Abstract

Resumo: O presente trabalho tem como objetivo o dimensionamento e validação de um vaso de pressão criogênico obtido por estiramento a frio (cold-stretching), conforme norma ASME VIII Divisão 1. Para a construção e projeto do vaso de pressão criogênico foi utilizado o aço inoxidável austenítico SA-240 304, o qual suporta baixas temperaturas e pode ter sua tensão de escoamento aumentada por estiramento a frio (cold-stretching). O estudo da estrutura do vaso criogênico para fabricação e validação experimental foram realizados seguindo o apêndice obrigatório 44 do ASME VIII Divisão 1, o qual fornece os requisitos para o projeto e construção de vasos fabricados com aço inoxidável austenítico por estiramento a frio (cold-stretching). O dimensionamento do vaso de pressão criogênico foi realizado pelo método analítico, análise computacional utilizando o software PV-Elite e simulação computacional pelo método por elementos finitos utilizando software ANSYS Workbench. Para a validação experimental do vaso de pressão criogênico, foram acompanhadas todas as etapas de sua fabricação até o estiramento a frio (cold-stretching). Na comparação dos resultados obtidos do método analítico, análise computacional utilizando o software PV-Elite e simulação computacional pelo método por elementos finitos utilizando software ANSYS Workbench, foi observado que os valores encontrados foram satisfatórios conforme a norma utilizada para o projeto. O valor da tensão admissível do aço inoxidável austenítico obtido pelo processo por estiramento a frio (cold-stretching) é 95,7% superior em relação ao aço original, o que reduz a espessura das chapas utilizadas para o projeto e construção do equipamento. Pela utilização das formulações do ASME VIII Div.1 da parte UG, a diferença entre os métodos (utilizando cold-stretching ou não) para costado e tampo é de 51,0%, ou seja, o tanque reduz a espessura em 51,0% quando utiliza-se o processo por estiramento a frio (cold-stretching). A análise do custo do quilograma do aço inoxidável SA-240 304 (R$50,00/kg) mostra que o material do vaso de pressão com e sem estiramento a frio (cold-stretching) tem a massa total de 793,0 kg e 1367,0 kg, respectivamente. Assim, a economia gerada com a escolha do estiramento a frio por vaso de pressão é de R$28.700,00. Em relação à validação experimental, o equipamento foi validado dentro dos requisitos do apêndice obrigatório 44 do ASME VIII Divisão 1. Durante o teste hidrostático foram medidos a deformação do corpo e espessura, e a análise dos resultados mostra que os dados estão em concordância com condições de cálculos analíticos realizados com a formulação do ASME, cálculo PV-Elite e elementos finitos, além dos requisitos do apêndice 44 do ASME VIII Divisão 1, com as seguintes condições: espessura do corpo e tampo menor que 30 mm; temperatura mínima do metal especificada de -196 ºC; temperatura do projeto máxima 50 ºC; corpo cilíndrico com diâmetro único, tampos abaulados e bocais sem reforços e bocais menores que o diâmetro nominal de 150 mm. Todos os dados recolhidos durante o teste estão em concordância dos requisitos da norma ASME VIII Divisão 1, concluindo que o equipamento está validado para utilização.

Abstract: The present work has as objective the sizing and validation of a cryogenic pressure vessel obtained by cold stretching, according to ASME VIII Division 1 standard. For the construction and design of the cryogenic pressure vessel, austenitic stainless steel SA-240 304 was used, which withstands low temperatures and can have its yield strength increased by cold-stretching. The study of the cryogenic vessel structure for fabrication and experimental validation was carried out following mandatory appendix 44 of ASME VIII Division 1, which provides the requirements for the design and construction of vessels made of austenitic stainless steel by cold-stretching. The sizing of the cryogenic pressure vessel was performed by the analytical method, computational analysis using the PV-Elite software and computational simulation by the finite element method using ANSYS Workbench software. For the experimental validation of the cryogenic pressure vessel, all stages of its manufacture were followed up until cold-stretching. Comparing the results obtained from the analytical method, computational analysis using the PV-Elite software and computational simulation by the finite element method using ANSYS Workbench software, it was observed that the values found were satisfactory according to the standard used for the project. The value of the allowable stress of austenitic stainless steel obtained by the cold-stretching process is 95.7% higher than the original steel, which reduces the thickness of the plates used for the design and construction of the equipment. By using the formulations of ASME VIII Div.1 of part UG, the difference between the methods (using cold-stretching or not) for shell and head is 51.0%, that is, the tank reduces the thickness by 51.0 % when using the cold-stretching process. The cost analysis of the kilogram of stainless steel SA-240 304 (R$50.00/kg) shows that the pressure vessel material with and without cold-stretching has a total mass of 793.0 kg and 1367.0 kg, respectively. Thus, the savings generated with the choice of cold drawing by pressure vessel is R$28,700.00. Regarding the experimental validation, the equipment was validated within the requirements of mandatory appendix 44 of ASME VIII Division 1. During the hydrostatic test, the deformation of the body and thickness were measured, and the analysis of the results shows that the data are in agreement with the conditions of analytical calculations performed with the formulation of ASME, PV-Elite calculation and finite elements, in addition to the requirements of the appendix 44 of ASME VIII Division 1, with the following conditions: body and head thickness less than 30 mm; specified minimum metal temperature of -196°C; maximum design temperature 50 ºC; cylindrical body with a single diameter, domed tops and nozzles without reinforcements and nozzles smaller than the nominal diameter of 150 mm. All data collected during the test complies with the requirements of ASME VIII Division 1, concluding that the equipment is validated for use.