Cabeça esférica rebaixada de aço carbono + ASTM B171 C71500 Aço Carbono Revestido ASTM A516 GR. 70 PARA EQUIPAMENTO
Visão Geral – Cabeça Elíptica Revestida como Componente de Fechamento de Vasos de Pressão
Uma cabeça elíptica revestida é um fechamento de extremidade de vaso de pressão formado, consistindo em uma placa base de aço carbono ou aço liga com uma camada de liga resistente à corrosão (CRA) metalurgicamente ligada à superfície voltada para o processo. A forma semi-elíptica 2:1 é a configuração de cabeça torisférica/elipsoidal mais comum em trocadores de calor casco e tubo, vasos de pressão, reatores e tanques de armazenamento, proporcionando um equilíbrio ótimo entre eficiência de contenção de pressão e custo de conformação.
A camada de revestimento fornece resistência à corrosão ao fluido de processo, enquanto o material base fornece resistência estrutural e integridade de pressão. Este produto é projetado e fabricado de acordo com a ASME Seção VIII Divisão 1 ou Divisão 2, e GB/T 25198 (Cabeças de Vasos de Pressão) para aplicações domésticas.
Definição Geométrica – Cabeça Elíptica 2:1
A cabeça semi-elíptica 2:1 tem uma profundidade interna (no centro) igual a um quarto do diâmetro interno (DI) da carcaça à qual está acoplada:
Eixo maior (D) = DI da carcaça
Eixo menor (h) = D/4 (profundidade interna da linha de tangência ao centro da coroa)
Raio da transição (r) ≈ 0,17 × D (zona de transição entre a coroa e a flange reta)
Raio da coroa (R) ≈ 0,90 × D (porção central esférica)
| DI da Carcaça (mm) | Profundidade Interna h (mm) | Raio Aproximado da Transição (mm) | Raio Aproximado da Coroa (mm) |
|---|---|---|---|
| 500 | 125 | 85 | 450 |
| 800 | 200 | 136 | 720 |
| 1000 | 250 | 170 | 900 |
| 1200 | 300 | 204 | 1080 |
| 1500 | 375 | 255 | 1350 |
| 2000 | 500 | 340 | 1800 |
| 2500 | 625 | 425 | 2250 |
| 3000 | 750 | 510 | 2700 |
Combinações de Materiais de Revestimento e Materiais Base
A cabeça elíptica revestida é fabricada aplicando uma camada de liga resistente à corrosão (CRA) a uma placa base de aço carbono ou aço liga através de um dos seguintes métodos:
Placa revestida por explosão: Detonação de carga explosiva controlada cria uma ligação metalúrgica entre a CRA e o material base (conforme ASME SA-263 / SA-264 / SA-265)
Placa revestida por laminação: CRA e material base são laminados a quente juntos sob pressão para formar uma ligação metalúrgica
Revestimento por solda (revestimento em tira): Material CRA é depositado por solda na superfície da placa base em tiras sobrepostas (conforme ASME IX)
Opções de Material Base
| Material Base | Especificação | Faixa de Temperatura | Aplicação |
|---|---|---|---|
| Aço carbono SA-516 Gr.70 | ASTM A516 | -20°C a +425°C | Serviço geral de vaso de pressão |
| Aço carbono SA-516 Gr.65 / 60 | ASTM A516 | -20°C a +425°C | Seções de menor resistência, mais espessas |
| Aço carbono 16MnR / Q345R | GB 713 | -20°C a +400°C | Equivalente padrão doméstico |
| Aço de baixa liga SA-387 Gr.11 / 22 | ASTM A387 | -20°C a +540°C | Serviço em alta temperatura (hidrocraqueamento, hidrotramento) |
| Aço de baixa liga SA-387 Gr.5 | ASTM A387 | -20°C a +550°C | Serviço de hidrogênio em alta temperatura |
Opções de Material de Revestimento
| Material de Revestimento | Especificação | Limite de Temperatura | Tolerância a Cloreto | Aplicação |
|---|---|---|---|---|
| Aço Inoxidável 304L | ASTM A240 | ≤ 400°C | ≤ 200ppm | Vapor limpo, levemente corrosivo, grau alimentício |
| Aço Inoxidável 316L | ASTM A240 | ≤ 425°C | ≤ 200ppm | Ácidos orgânicos, soluções salinas, ácidos fracos |
| Duplex 2205 | ASTM A240 | ≤ 280°C | ≤ 300ppm a 80°C | Hidrocarbonetos contendo cloreto, offshore |
| Titânio Gr.1 / Gr.2 | ASTM B265 | ≤ 230°C | Até 20.000ppm | Água do mar, salmoura, serviço de alto teor de cloreto |
| Liga 625 (Inconel) | ASTM B443 | ≤ 540°C | Até 500ppm | Gás ácido, corrosivo de alta temperatura, unidades de amônia |
| Liga C276 (Hastelloy) | ASTM B575 | ≤ 400°C | Até 1.000ppm | Serviço severo com ácido e cloreto |
Espessura do Revestimento (Camada CRA)
Espessura padrão do revestimento: 2mm – 6mm (tipicamente 3mm mínimo por ASME VIII-1 UW-13)
Tolerância da espessura do revestimento: +0,5mm / -0,0mm (sem tolerância inferior)
Razão de revestimento: Espessura do revestimento como porcentagem da espessura total (revestimento + base). Para serviço corrosivo, a espessura do revestimento é selecionada com base na permissão de corrosão necessária.
Espessura Nominal Total
Espessura da base: 6mm – 80mm (selecionada conforme ASME VIII-1 UG-27 / UG-32 para contenção de pressão)
Espessura total = Espessura da base + Espessura do revestimento (revestimento incluído no cálculo de pressão apenas se metalurgicamente ligado; conforme ASME VIII-1 Apêndice AA)
Espessura mínima conformada após conformação: ≥ 90% da espessura nominal (conforme GB/T 25198 / ASME VIII-1 UG-79)
Processo de Conformação – Conformação a Quente ou a Frio
As cabeças elípticas revestidas são conformadas a partir de chapa revestida usando um dos seguintes métodos. A seleção do processo depende do material de revestimento, espessura total e precisão necessária.
Conformação a Quente
Temperatura de conformação: 900°C – 1.050°C (para base de aço carbono + revestimento de aço inoxidável)
Proteção do lado do revestimento: Atmosfera oxidante controlada para evitar escamação excessiva; purga com gás inerte ou revestimento protetor aplicado à superfície do revestimento
Taxa de aquecimento: ≤ 150°C/hora para evitar choque térmico e delaminação do revestimento
Resfriamento / Quench: Resfriamento ao ar ou resfriamento controlado em forno (para materiais base de liga que requerem PWHT)
Conformação a Frio
Temperatura de conformação: Ambiente (20°C – 40°C)
Equipamento de conformação: Prensas dobradeiras ou prensas de rebaixamento com matrizes correspondentes
Compensação de retorno elástico: Dimensões da matriz ajustadas para o retorno elástico conformado a frio (tipicamente 0,5% – 1,5% do raio da coroa por diâmetro da cabeça e limite de escoamento do material)
Deformação máxima de conformação a frio: Limitada para evitar delaminação do revestimento e trincas no material base. Para base de aço carbono com revestimento de aço inoxidável, deformação de conformação recomendada ≤ 15% (conforme procedimento de conformação do fabricante).
Após conformação a frio: Tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) completo exigido pela ASME VIII-1 UCS-56 se a espessura do material base for > 38mm ou se o serviço exigir alívio de tensões.
Tolerâncias de Conformação (conforme ASME VIII-1 UG-81 / GB/T 25198)
| Parâmetro | Tolerância |
|---|---|
| Raio da coroa (R) | ±1,5% do raio de projeto |
| Raio da transição (r) | ±5% do raio de projeto |
| Profundidade interna (h) | ±1,0% da profundidade de projeto |
| Diâmetro externo (DE) na linha de tangência | ±0,5% do DI da carcaça |
| Ovalização na linha de tangência | ≤ 1,0% do DI da carcaça (para ajuste carcaça-cabeça) |
| Ondulação da superfície | ≤ 2mm em 1m de vão (superfície revestida) |
Integridade do Revestimento – Qualidade da Ligação e Testes
A ligação metalúrgica entre o revestimento e o material base deve ser verificada conforme ASME VIII-1 UW-13 e ASME SA-263 / SA-264 / SA-265.
Critérios de Integridade da Ligação
Resistência ao cisalhamento (ligação revestimento-base): ≥ 140 MPa (para placa revestida por explosão) conforme ASTM B898
Área de ligação: ≥ 99% da área total da superfície revestida (área da superfície revestida que está metalurgicamente ligada)
Tolerância de área não ligada: Manchas individuais não ligadas ≤ 100mm²; área total não ligada ≤ 1% da superfície (conforme ASME VIII-1)
Ensaio Não Destrutivo (END) da Superfície Revestida
Ultrassom (UT) – varredura de 100% da interface revestimento-base para defeitos de ligação e delaminação (conforme ASME V, Artigo 5)
Critérios de aceitação: Sem indicações lineares > 20mm; sem indicações agrupadas; sem indicação com amplitude ≥ 50% do nível de referência
Líquido penetrante (PT) – 100% da superfície revestida e juntas de solda para trincas superficiais (conforme ASME V, Artigo 6)
Aceitação: Sem trincas, sem porosidade maior que 0,8mm, sem porosidade agrupada
Soldagem na Carcaça – Projeto e Preparação da Junta
A cabeça elíptica revestida é soldada à carcaça ou flange na linha de tangência. A junta deve manter a integridade estrutural e a resistência à corrosão em toda a interface revestida.
Preparação da Junta (Conforme ASME VIII-1 UW-13)
Ângulo do chanfro: 30° – 37,5° (V simples ou V duplo)
Folga da raiz: 2mm – 4mm
Recuo da camada de revestimento: O material de revestimento é cortado aproximadamente 2mm – 3mm da borda da ranhura de solda para permitir que a primeira passada (solda do material base) seja depositada sem derreter a camada de revestimento na solda
Solda de transição: Uma camada de revestimento de material de revestimento é depositada na superfície da ranhura de solda (se necessário) para obter uma superfície de solda resistente à corrosão
Sequência de Soldagem (Recomendada)
Solda do material base (aço carbono / liga) – depositada primeiro, 100% RT ou UT conforme ASME VIII-1 UW-52
Solda do lado do revestimento (aço inoxidável ou CRA) – depositada após a conclusão e inspeção da solda do material base
Revestimento sobre a superfície de solda – camada final de material CRA depositada para restaurar a resistência à corrosão na junta
Inspeção final PT da superfície revestida e do revestimento de solda – 100%
PWHT (Tratamento Térmico Pós-Soldagem)
Exigido pela ASME VIII-1 UCS-56 quando:
Espessura do material base > 38mm
Serviço contém H₂S úmido (NACE MR0175 / ISO 15156)
Material base é aço de baixa liga (SA-387) que requer temperamento
Temperatura de PWHT: 620°C ± 15°C para aço carbono; 680°C – 760°C para aço de baixa liga (conforme tabelas UCS-56)
Tempo de permanência: 1 hora por 25mm de espessura base; mínimo de 1 hora
Taxa de resfriamento: ≤ 50°C/hora até 400°C (para aço carbono) para evitar precipitação de carbonetos ou trincas de tensão
Proteção do revestimento durante PWHT: Purga com gás inerte (argônio) aplicada à superfície do revestimento para evitar oxidação; escudos térmicos instalados, se necessário, para minimizar a escamação da superfície do revestimento
Inspeção e Testes por Cabeça
Inspeção Dimensional
Raio da coroa: Medido com gabaritos ou escaneamento 3D – tolerância ±1,5%
Profundidade interna (h): Medida da linha de tangência ao centro da coroa – tolerância ±1,0%
Correspondência do DI da carcaça na linha de tangência: Ovalização ≤ 1,0% do DI da carcaça
Comprimento da flange reta: Tipicamente 25mm – 100mm (conforme projeto); tolerância ±2mm
Espessura do revestimento: Medidor de espessura ultrassônico em 10% da área da superfície – espessura mínima ≥ espessura nominal do revestimento – 0,5mm
Ensaio Não Destrutivo (END)
| Exame | Método | Escopo | Aceitação (conforme ASME VIII-1) |
|---|---|---|---|
| Integridade da ligação do revestimento | UT (ultrassom) | 100% da superfície revestida | Sem delaminação > 20mm; sem indicações agrupadas |
| Trincas na superfície do revestimento | PT (líquido penetrante) | 100% da superfície revestida + revestimento de solda | Sem trincas; porosidade < 0,8mm |
| Laminações no material base | UT (feixe reto) | 100% da área base (chapa da cabeça) | Laminações ≤ 20mm² total por 100cm² |
| Solda (cabeça-carcaça se pré-soldada) | RT ou UT (onda de cisalhamento) | 100% da junta de solda ou ponto conforme especificação | Conforme ASME VIII-1 UW-51 (completo) ou UW-52 (ponto) |
Teste de Pressão (quando soldado ao vaso)
Teste hidrostático: 1,3 × pressão de projeto × (S na temperatura de teste / S na temperatura de projeto) conforme ASME VIII-1 UG-99
Tempo de permanência: Mínimo de 30 minutos
Aceitação: Queda de pressão zero; sem vazamento visível nas juntas de solda ou na interface do revestimento
Superfície revestida após hidroteste: Inspeção visual para bolhas ou delaminação – sem bolhas visíveis permitidas
Documentação por Remessa
Certificados de teste de material (EN 10204 3.1 ou 3.2) – placa base e material de revestimento
Relatório de fabricação de chapa revestida (revestimento por explosão ou laminação) – incluindo resultados de teste de resistência ao cisalhamento da ligação
Relatório de dados com selo U da ASME (se aplicável)
Folha de dados GB/T 25198 (se padrão doméstico)
Relatório de inspeção dimensional (raio da coroa, profundidade, espessura, ovalização)
Relatórios de END – varredura de ligação UT, varredura de superfície PT, varredura de solda RT/UT (se soldado)
Gravação do gráfico de PWHT (curva tempo-temperatura) – se realizado
Especificação do procedimento de conformação (FPS) e relatório de conformação (registros de conformação a quente/frio)
Relatório de medição da espessura do revestimento (registros do medidor de espessura ultrassônico)
Lista de Verificação de Seleção – Cabeça Elíptica Revestida
DI da Carcaça (diâmetro interno) – determina o tamanho da cabeça
Pressão de projeto – determina a espessura da base conforme ASME VIII-1 UG-32
Temperatura de projeto – determina a classe do material base e o requisito de PWHT
Corrosividade do fluido de processo – determina o material de revestimento e a espessura mínima do revestimento
Material de revestimento necessário – 304L / 316L / Duplex / Ti / Liga 625 / Liga C276
Espessura do revestimento necessária – com base na permissão de corrosão (tipicamente 3mm mínimo)
Material base necessário – CS SA-516 Gr.70 / Q345R / SA-387 Gr.11/22
Preferência de método de conformação – conformação a quente ou a frio
Requisito de PWHT – com base na espessura base e no serviço
Requisito de END – conforme ASME VIII-1 ou conforme especificação do projeto (por exemplo, varredura de ligação UT 100%, PT 100%)
Acoplamentos de flange ou bocal – se já soldados à cabeça, fornecer detalhes da junta de solda
Especificação de tinta/revestimento – para superfície externa (base de aço carbono) se não isolada
Declaração de Limitação de Projeto – Cabeça Elíptica Revestida
A cabeça elíptica revestida não é aplicável para:
Serviços onde a temperatura de operação causa delaminação do revestimento devido à incompatibilidade de expansão térmica (revestimento e materiais base têm coeficientes de expansão térmica diferentes). Conforme ASME VIII-1 Apêndice AA, a tensão térmica entre o revestimento e a base deve ser incluída nos cálculos de projeto.
Ciclos térmicos severos (> 1.000 ciclos/ano) onde a ligação revestimento-base pode fadigar. A espessura do revestimento e a integridade da ligação devem ser reavaliadas conforme análise de fadiga pela ASME VIII-2.
Temperatura muito alta (> 540°C) onde o material de revestimento perde a resistência à corrosão ou sofre transformação de fase. Liga 625 ou Liga 800 é recomendada para tal serviço.
Serviços com ciclos de pressão rápidos (serviço pulsante) – a ligação do revestimento pode estar sujeita a tensões de descolamento; consulte o fabricante para testes de ligação adicionais.
