Fatores de segurança das caixas de filtro para aplicações de 10-15 bar

A indicação de um corpo de filtro com classificação de “10 bar” ou “16 bar” numa cotação diz muito pouco ao comprador sobre a margem de segurança real do recipiente. Entre 10 e 15 bar, o invólucro do corpo de filtro nem sempre é a parte mais frágil. A tampa, a junta, a ligação, o manómetro ou um pico de pressão imprevisto podem definir o limite real. O “fator de segurança” também tem significados diferentes em documentos distintos: uma margem de segurança do material, a diferença entre a pressão de funcionamento e a pressão de projeto, ou o multiplicador utilizado no ensaio de pressão de fábrica.

Este guia distingue esses significados e mostra onde se verifica a perda de margem num corpo de filtro em aço inoxidável. Aborda a forma como as pressões de ensaio são calculadas, quando se aplicam os regulamentos relativos a equipamentos sob pressão e o que deve constar num pedido de cotação, para que as equipas de compras e de engenharia possam comparar corpos de filtro em condições equivalentes.

O que significa “fator de segurança” no caso de um corpo de filtro?

Não existe um único fator de segurança para um corpo de filtro. Os compradores deparam-se com, pelo menos, quatro margens diferentes, e uma brochura que mencione apenas uma delas pode ocultar as outras.

Termo	O que descreve	Quem é que o define?	O que perguntar ao fornecedor
Pressão de funcionamento	Pressão normal de funcionamento na conduta	Concebedor de processos ou sistemas	Valores normais e máximos, incluindo a pressão de desligamento da bomba
Pressão de projeto (PS ou MAWP)	Pressão para a qual a caixa foi calculada e certificada, a uma temperatura especificada	Fabricante de habitações, ao abrigo de um código de conceção	Que norma, que temperatura, que margem de corrosão
Pressão de regulação do dispositivo de alívio	Pressão à qual o dispositivo de proteção se aciona	Designer de sistemas	Se a pressão de projeto da caixa for superior a este valor
Pressão de ensaio	É aplicada pressão a cada caixa acabada para verificar a resistência e a estanqueidade	Código de projeto ou especificações do comprador	Fator de ensaio, tempo de retenção, meio de ensaio, formato do relatório
Pressão de ruptura	Pressão à qual uma amostra cede	Ensaios de tipo, geralmente destrutivos	Quer os dados de picos provenham de um teste real ou de uma estimativa

A margem de cálculo do Material Design — ou seja, a diferença entre a tensão admissível prevista no código e a resistência à tração ou ao escoamento do metal — é determinada pela pressão de cálculo e varia consoante o código. De acordo com um Guia de ensaios hidráulicos da Secção VIII, Divisão 1 da ASME, da EPCLand, os recipientes ASME fabricados após 1999 utilizam uma margem de segurança de 3,5 na resistência à tração, o que representa uma redução em relação ao valor anterior de 4,0. Por conseguinte, um “fator de segurança de 4:1” indicado numa ficha técnica não pode ser comparado diretamente entre diferentes códigos de projeto. Pergunte a que código esse valor se refere.

Por que razão uma classificação de pressão mais elevada não equivale a uma margem maior

Uma suposição comum é que uma caixa de 16 bar é automaticamente mais segura do que uma caixa de 10 bar na mesma aplicação. Isso só se verifica se a pressão nominal for determinada pelo mesmo componente em ambos os projetos e se a diferença entre a pressão máxima credível e a pressão de projeto for aquela que se pensa que é.

Considere um sistema ilustrativo, não um projeto real. A pressão normal de funcionamento é de 7 bar. A pressão de corte da bomba é de 12 bar e a válvula de alívio abre aos 13 bar. Uma caixa com uma pressão de projeto de 10 bar não tem qualquer margem neste sistema, apesar de 7 bar parecer um valor confortável. Um invólucro concebido para 15 ou 16 bar tem uma margem real. O valor determinante é a pressão máxima credível, e não a pressão normal.

O inverso também se aplica. Especificar 16 bar para uma linha alimentada por gravidade ou de baixa pressão aumenta a espessura do invólucro, o peso das flanges e o custo, sem melhorar de forma alguma a segurança do processo. Adeque a pressão de projeto à pressão máxima que o sistema pode produzir e, em seguida, confirme se todos os componentes estão classificados para essa pressão. Interpretar a classificação de pressão de um corpo de filtro sem esse contexto pode levar a uma escolha errada, seja num sentido ou noutro.

A título de referência, sempre que as páginas de produtos associadas da Lvyuan indicam um valor de pressão nominal, este é de 10 bar ou inferior. O caixa de cartuchos múltiplos para uso sanitário está classificado para um máximo de 145 psi (10 bar) e 150 °C, e o carrinho de filtração móvel abaixo referido está classificado para 6 bar. Nenhuma das páginas de produtos indicadas nos links menciona uma classificação de 15 bar. Para condições de funcionamento acima da classificação indicada, solicite uma confirmação de projeto específica, em vez de partir do princípio de que o modelo padrão pode ser adaptado.

Onde reside a margem real: verificações componente a componente

Um invólucro é uma estrutura de contenção de pressão composta por várias partes. A sua pressão de serviço segura é determinada pela parte mais frágil, à temperatura de projeto.

Carcaças, cabeças e soldaduras

A espessura da parede, a forma da cabeça e a qualidade da soldadura determinam a capacidade do corpo. As superfícies polidas ou eletropolidas facilitam a limpeza, mas não contribuem para a resistência à pressão. Um corpo sanitário de parede fina e polido pode ser adequado para aplicações higiénicas, mas ainda assim requer um cálculo de pressão, não uma suposição com base na sua aparência. Solicite o cálculo de projeto ou um relatório de projeto baseado em normas, bem como os registos de inspeção das soldaduras.

Fechos: onde a carga de pressão se concentra

A carga de fecho aumenta com o quadrado do diâmetro de vedação. A 15 bar (1,5 MPa), um diâmetro de vedação de 300 mm suporta cerca de 106 kN de força de separação. A 10 bar, um diâmetro de 100 mm suporta cerca de 7,9 kN. Por conseguinte, as caixas maiores a pressões mais elevadas requerem um projeto de fecho específico, e não apenas uma parede mais espessa.

Os tipos de encerramento comportam-se de forma diferente:

• Fechos com fita de fixação adequados a projetos sanitários, tais como o caixa de filtro de cartucho sanitário em aço inoxidável com ligações por braçadeira e um fecho de abertura rápida. Verifique a capacidade nominal da braçadeira, as superfícies de vedação e o material da junta em função da pressão e da temperatura em questão.
• Braçadeiras de libertação rápida com orifícios roscados são comuns em unidades compactas como a caixa de filtro de cartucho único com ligações roscadas. As ligações roscadas num corpo em aço inoxidável requerem valores de pressão nominais confirmados e um método de vedação adequado ao fluido.
• Tampas de flange aparafusadas como o que está no caixa de filtro de cartucho sinterizado com flanges distribuem a carga por vários parafusos e são adequadas para aplicações com gás, vapor e líquidos, mas o binário dos parafusos e a escolha da junta determinam, então, a estanqueidade.
• Tampas para parafusos de olhal oscilantes permitem um acesso rápido, tal como no caixa de filtro de saco em aço inoxidável com entrada lateral. Verifique o material do parafuso e compare-o com o diâmetro da tampa, e certifique-se de que a vedação da tampa resiste a aberturas repetidas.

Ligações e classe de flange

As flanges são frequentemente um componente limitante. De acordo com Explicação da Forgepoint Engineering sobre as classes de flanges da norma ASME B16.5, um número de classe como 150 é uma designação, não uma classificação de pressão. A pressão admissível depende do grupo de materiais, da temperatura e da norma aplicável. As classes “L” de baixo teor de carbono apresentam também classificações mais baixas do que as classes padrão 304 ou 316. Num Tabela de pressão e temperatura da norma ASME B16.5 reproduzida pela Unified Alloys, a Classe 150 à temperatura ambiente é de 275 psi (cerca de 19 bar) para os tipos 304 e 316, mas de 230 psi (cerca de 15,9 bar) para os tipos 304L e 316L. Isso situa-se apenas ligeiramente acima de uma pressão de projeto de 15 bar antes da redução de potência devido à temperatura, e muitas caixas sanitárias são fabricadas em 316L. A 10–15 bar, uma flange Classe 150 ou PN16 pode deixar pouca margem de manobra assim que a temperatura subir. Verifique os valores em relação à norma atual e solicite a classificação de pressão-temperatura do material real do flange à temperatura de projeto.

As juntas sanitárias do tipo Tri-Clamp requerem a mesma atenção. A pressão nominal depende do tamanho da virola, do tipo de braçadeira e da junta, e geralmente diminui à medida que o diâmetro aumenta. Informe-se sobre a classificação de toda a junta, e não apenas do corpo da caixa.

Medidores, saídas de ventilação e drenos

Estas pequenas aberturas fazem parte do circuito sob pressão. A faixa de medição também é importante. De acordo com Resumo de Tameson sobre a seleção de manómetros segundo a norma EN 837-2, a pressão máxima de funcionamento não deve exceder 75% da escala total no caso de pressão constante, ou 65% no caso de pressão cíclica. Um manómetro de 0–10 bar numa caixa de 10 bar não cumpriria essa orientação. Um manómetro de 0–16 bar é a combinação mais adequada para um serviço a 10 bar.

Elementos internos

A classificação do invólucro não se refere ao elemento filtrante. Os cartuchos, os sacos e os cestos têm, cada um, um limite de pressão diferencial distinto, e um elemento obstruído aumenta a queda de pressão, enquanto a pressão a montante permanece inalterada. As classificações do invólucro e do elemento são independentes, pelo que é necessário verificar ambas.

Como se calculam as pressões de ensaio?

A pressão de ensaio é um múltiplo da pressão de projeto, definida pelo código de projeto. São amplamente utilizados dois pontos de referência.

• PED (Diretiva 2014/68/UE): O Anexo I especifica uma pressão de ensaio hidrostático igual ao maior de dois valores. O primeiro é 1,25 vezes a carga máxima em serviço, tendo em conta a pressão e a temperatura máximas admissíveis. O segundo é a pressão máxima admissível multiplicada por 1,43, tal como estabelecido no Texto da Diretiva relativa aos equipamentos sob pressão no EUR-Lex.
• ASME Secção VIII, Divisão 1: O ensaio hidrostático normalizado previsto na norma UG-99 corresponde a, pelo menos, 1,3 vezes a MAWP, corrigida para o rácio de tensão mais baixo entre a temperatura de ensaio e a temperatura de projeto, de acordo com o guia da EPCLand acima citado. Uma vez que o guia constitui uma fonte secundária, deve-se verificar a cláusula em relação à edição atual do código.

A tabela abaixo apresenta os valores mínimos aritméticos para pressões de projeto típicas. Trata-se de valores mínimos calculados, e não de dados fornecidos pelo fabricante, e o valor da PED pode ser superior em temperaturas de projeto elevadas.

Pressão de projeto	Piso PED (1,43 × PS)	Limite mínimo da ASME (1,3 × MAWP, antes do rácio de tensão)
10 barras	14,3 bar	13,0 bar
12 bar	17,2 bar	15,6 bar
15 bar	21,5 bar	19,5 bar
16 bar	22,9 bar	20,8 bar

Daí decorrem duas consequências práticas. Em primeiro lugar, a pressão de ensaio de uma caixa de 15 bar é superior à classificação nominal de muitos componentes comuns da linha, pelo que a caixa deve ser ensaiada isoladamente, com o elemento removido e as aberturas tapadas. Em segundo lugar, alguns documentos dos fornecedores indicam fatores de ensaio que não correspondem a estes valores normativos; por isso, deve perguntar-se de que norma provém esse fator. Um ensaio hidrostático deve ser realizado com água, devendo o recipiente ser esvaziado e seco posteriormente. No caso do aço inoxidável, o guia da EPCLand aconselha também a verificação dos níveis de cloreto na água de ensaio e a secagem imediata do recipiente.

Uma caixa estanque pequena para líquidos necessita da marcação CE PED?

Muitas vezes não, mas a resposta depende do fluido, do volume e da temperatura. Artigo 4.º da Diretiva 2014/68/UE define os limiares, e os equipamentos que se situam abaixo desses limiares são considerados “boas práticas de engenharia” e não devem ostentar a marca CE da PED.

No caso de recipientes que contêm líquidos com baixa pressão de vapor do Grupo 2 (em termos gerais, fluidos não classificados como perigosos), os requisitos completos da PED aplicam-se apenas quando a pressão nominal (PS) excede 10 bar e o produto da PS pelo volume excede 10 000 bar·L. Um invólucro de água a 15 bar precisaria de um volume superior a cerca de 667 L para atingir esse limiar. Os invólucros de cartuchos e sacos são muito mais pequenos.

Noutros casos, os limites são muito mais baixos:

• Gases e vapores do Grupo 2: PS × V superior a 50 bar·L, o que, a 15 bar, corresponde a cerca de 3,3 L.
• Líquidos do Grupo 1 (perigosos): PS × V superior a 200 bar·L.
• Os líquidos cuja pressão de vapor à temperatura máxima exceda 0,5 bar acima da pressão atmosférica são tratados como gases, o que pode incluir água quente a temperaturas superiores a cerca de 110 °C.

Assim, uma caixa destinada a vapor, gás comprimido ou líquido de processo quente pode necessitar de uma avaliação de conformidade completa, enquanto uma caixa para água fria do mesmo tamanho pode não necessitar. A “boa prática de engenharia” não é uma lacuna. Significa que o invólucro continua a necessitar de uma base de projeto documentada, de um ensaio de pressão e de instruções de utilização. Considere a ausência da marcação CE num pequeno invólucro para líquidos como algo normal e a ausência de cálculos de projeto e de um relatório de ensaio como um problema.

Efeitos de picos de corrente, pulsações e temperatura

Existem três fatores que reduzem a margem sem se refletirem nos números em regime de equilíbrio.

Pico de pressão. O fecho rápido de uma válvula ou o desligamento de uma bomba gera uma onda de pressão. A relação de Joukowsky estima o pico de pressão como sendo a densidade do fluido × a velocidade da onda × a variação de velocidade. Em tubos de aço cheios de água, são típicas velocidades de onda da ordem dos 1 000 m/s, pelo que uma variação repentina de velocidade de 1 m/s pode implicar um aumento de pressão da ordem dos 10 bar. Trata-se de uma estimativa ilustrativa; os picos de pressão reais dependem do tempo de fecho, da rigidez do tubo e do comprimento da conduta. Nos casos em que existam válvulas de fecho rápido ou arranques de bombas, deve especificar-se o pico de pressão ou as medidas de controlo do mesmo.

Sistemas acionados por bomba. Os projetos de plataformas e carrinhos combinam caixas com bombas, válvulas e instrumentos, pelo que o componente com a classificação mais baixa determina o limite do sistema. O carro móvel de filtração em aço inoxidável A especificação indicada é de 87 psi (6 bar) e 80 °C no máximo, pelo que a capacidade nominal de um carrinho pode ser inferior à das caixas individuais nele instaladas. Solicite uma especificação a nível do sistema.

Detritos e incrustações. Os filtros a montante protegem a caixa, a bomba e as juntas contra partículas. A coador de cesto em aço inoxidável com uma pressão nominal de 150 psi (10 bar), ou um filtro industrial tipo cesto com tampa de acesso rápido Com uma pressão nominal de até 10 bar, destina-se à pré-filtração grossa, mas acrescenta outro componente sujeito a restrições de pressão que requer a sua própria classificação à temperatura de projeto.

Temperatura e ciclos. A tensão admissível e os valores nominais das flanges diminuem à medida que a temperatura aumenta, e as juntas de elastómero amolecem ou incham. As linhas sanitárias com ciclos de limpeza a quente ou de esterilização implicam ciclos térmicos e, juntamente com as pulsações, cargas de fadiga. Indique a gama completa de temperaturas e o padrão de ciclos previsto na solicitação de cotação.

Compromissos: O que custa a margem adicional

Uma pressão de projeto mais elevada aumenta os custos devido à utilização de material mais espesso, flanges mais pesadas, acessórios de fecho de maiores dimensões, uma pressão de ensaio mais elevada e, dependendo da norma, mais inspeções. Além disso, aumenta o peso do invólucro e dos seus suportes. É preferível prever uma margem de segurança para riscos específicos, tais como o desligamento da bomba, picos de pressão ou redução da potência em serviço a altas temperaturas, em vez de adicionar uma classe de pressão genérica.

Opção	Vantagem	Limitação	Melhor ajuste
Pressão de projeto correspondente à pressão máxima credível, acrescida de uma margem definida	Custo mais baixo para uma margem justificada	Requer dados precisos do sistema	Sistemas bem caracterizados com proteção contra alívio
Próxima classe de pressão normalizada (por exemplo, 16 bar)	Fácil de especificar; classes de flanges normalizadas	Mais pesado e mais caro; pode não resolver o problema do componente mais fraco	Perfis de pressão variáveis ou pouco conhecidos
Design personalizado para além da gama padrão	Adequado para tarefas invulgares	Prazo de entrega mais longo; requer verificação do projeto e testes	Pressão superior aos valores nominais do produto

Que documentos deve um comprador solicitar?

Para caixas de 10–15 bar, solicite estes itens antes de efetuar a encomenda:

• Código de dimensionamento e resumo dos cálculos de dimensionamento, incluindo a pressão e a temperatura de dimensionamento.
• Certificados de ensaio de materiais para peças sob pressão e registos de soldadura.
• Relatório do ensaio hidrostático com a pressão de ensaio, o tempo de manutenção, o meio utilizado e os detalhes do manómetro calibrado.
• Valores nominais de pressão e temperatura para flanges, braçadeiras, orifícios e vedantes.
• O material da vedação e da junta e a sua compatibilidade com o fluido e os produtos químicos de limpeza.
• Provas de ensaios de ruptura ou de tipo, caso o fornecedor declare um valor de resistência à ruptura.

O que devem os compradores especificar antes de solicitar um orçamento?

Um pedido de cotação preciso permite que um fornecedor avalie a dimensão do projeto e apresente um orçamento realista para um plano de testes. Inclua:

1. Fluido e grupo: Nome, concentração e se é perigoso, se é um gás, vapor ou um líquido próximo do seu ponto de ebulição.
2. Pressões: Condições normais de funcionamento, condições máximas de funcionamento, desligamento da bomba, pressão de regulação da válvula de alívio e qualquer pico de pressão conhecido.
3. Temperatura: Mínimo e máximo, além de quaisquer ciclos CIP ou SIP.
4. Código de design e mercado: A norma a que se deve submeter (como a ASME, a conceção em conformidade com a PED ou outra norma nacional) e o país de destino.
5. Requisitos de teste: Fator de teste, tempo de espera, se pretende assistir ao teste e o formato do relatório.
6. Ligações: Norma e classe da flange, tamanho do tri-clamp ou tipo de rosca.
7. Formato em cartucho ou saco: Tipo do elemento, comprimento, classificação em mícrons e limite de pressão diferencial.
8. Vida útil: A frequência com que a caixa é aberta e se a pressão é constante ou pulsante.
9. Documentação: Certificados de materiais, registos de soldadura, relatório de acabamento superficial.

Se um orçamento indicar apenas “10 bar” ou “16 bar”, pergunte qual é o componente determinante e a que temperatura esse valor se aplica.

Perguntas mais frequentes

Que fator de segurança deve ter um corpo de filtro a uma pressão de 10–15 bar?

Não existe um valor único aplicável. As normas prevêem uma margem de segurança no projeto do material e, em seguida, acrescentam um ensaio hidrostático, normalmente de 1,3 a 1,43 vezes a pressão de projeto. Os compradores devem definir a pressão de projeto acima da pressão máxima credível do sistema, incluindo o desligamento da bomba e o ajuste do dispositivo de alívio, e exigir um ensaio em conformidade com as normas.

Preciso de uma caixa de 16 bar para uma pressão de funcionamento de 10 bar?

Não necessariamente. Se a pressão de corte da bomba, a pressão de alívio ou os picos de pressão puderem exceder os 10 bar, justifica-se uma conceção para 16 bar. Se a pressão máxima previsível for igual ou inferior a 10 bar, um invólucro com classificação adequada para 10 bar poderá ser suficiente. Verifique os componentes mais frágeis, não apenas o invólucro.

Qual é a pressão de ensaio hidrostático aplicável a uma caixa de 15 bar?

De acordo com a norma PED, a pressão de ensaio é, no mínimo, 1,43 vezes a PS, ou seja, 21,5 bar a 15 bar. De acordo com a norma ASME VIII-1, o ensaio padrão é, no mínimo, 1,3 vezes a MAWP, ou seja, 19,5 bar antes da correção do rácio de tensão. Confirme sempre a norma aplicável.

Uma caixa de filtro em aço inoxidável de 10 bar necessita da marcação CE da PED?

Muitas vezes, não se aplica a pequenos recipientes para líquidos, uma vez que os recipientes para líquidos do Grupo 2 só se enquadram nas categorias da PED acima de 10 bar e 10 000 bar·L. Os gases, o vapor, os fluidos perigosos e os líquidos quentes têm limiares muito mais baixos. Confirme o grupo de fluidos e o volume junto do fornecedor.

É necessário apresentar dados de ensaio de resistência à ruptura para um corpo de filtro?

Não se destina à produção de rotina. Um ensaio de ruptura é destrutivo e constitui normalmente um ensaio de tipo ou de protótipo. Em vez disso, cada caixa de produção deve ser submetida a um ensaio hidrostático não destrutivo. Verifique se qualquer valor de ruptura indicado provém de um relatório de ensaio real ou de um cálculo.

A temperatura reduz a pressão nominal de um corpo de filtro?

Sim. A tensão admissível no metal, os valores nominais de pressão e temperatura das flanges e a capacidade de vedação diminuem à medida que a temperatura aumenta. Um valor como “10 bar” só faz sentido se for acompanhado de uma temperatura específica; por isso, deve sempre especificar a temperatura de projeto no pedido de cotação.