Como Evitar Danos nas Tubulações ao Usar Expansores?

Como a Expansão Térmica Afeta a Integridade dos Tubos Durante o Uso do Expansor

A física da expansão térmica linear em materiais comuns de tubulação (aço, cobre, PVC)

Todos os materiais para tubulações tendem a se expandir quando a temperatura aumenta e a se contrair quando ela diminui, seguindo um princípio básico descrito pela equação ΔL = αLΔT (o que significa, basicamente, que a variação de comprimento equivale ao coeficiente de expansão multiplicado pelo comprimento original e pela variação de temperatura). No entanto, diferentes materiais comportam-se de maneira bastante distinta. O aço se expande cerca de 0,0000065 polegada por polegada de tubo a cada aumento de 1 grau Fahrenheit. O cobre não fica muito atrás, com aproximadamente 0,0000090 polegada por polegada por grau. Já o PVC salta para cerca de 0,00003 polegada por polegada por grau, tornando-o quase cinco vezes mais elástico que o aço. Para ilustrar esse fenômeno, imagine um tubo de aço com 100 pés de comprimento aquecido em 150 graus Fahrenheit: ele realmente se alongaria cerca de 1,2 polegada. O mesmo comprimento de tubo de PVC, sob condições semelhantes, expandir-se-ia em mais de 5,4 polegadas. Essas diferenças geram pontos de tensão significativos sempre que materiais distintos se encontram. Tal situação torna-se particularmente problemática durante operações que envolvem expansores, pois o aquecimento local amplifica esses movimentos. As forças resultantes podem, às vezes, atingir níveis superiores a 20.000 libras-força, o que representa, certamente, um fator de grande relevância para engenheiros que projetam sistemas de tubulação.

Por que a expansão não controlada gera tensão, desalinhamento e falha nas juntas próximas às zonas de expansão

Quando o movimento térmico é restringido, tubos exercem força extrema sobre ancoragens, flanges e juntas. Nas proximidades dos expansores — onde o aquecimento e resfriamento cíclicos concentram cargas mecânicas e térmicas — predominam três modos de falha:

• Concentração de tensão em curvas e soldas, superando a resistência ao escoamento
• Desalinhamento Angular de flanges, levando à extrusão das juntas
• Separação de juntas de campânula em sistemas de encaixe por empuxo, causando vazamentos

De acordo com um estudo recente do Instituto Ponemon, de 2023, cerca de dois terços de todas as falhas em tubulações em instalações industriais devem-se, na verdade, à má gestão dos problemas relacionados às tensões térmicas. Quando as tubulações sofrem ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento, isso leva ao desenvolvimento acelerado de fadiga. O problema agrava-se em áreas onde as tubulações estão ou muito rigidamente ancoradas ou insuficientemente apoiadas. Por exemplo, quando há uma força de compressão excessiva sobre tubos de parede fina, estes tendem a flambar. Por outro lado, forças de tração podem provocar a propagação de fissuras em materiais frágeis, como o PVC. Se as tubulações não forem adequadamente suportadas, essas tensões não permanecem apenas localizadas: propagam-se diretamente para outros componentes de equipamentos, tais como válvulas, bombas e diversos instrumentos. Isso cria riscos sérios para aquilo que os engenheiros denominam falhas catastróficas em flanges. Até mesmo sistemas com classificação padrão podem falhar completamente em níveis surpreendentemente baixos de pressão — cerca de 740 psi — quando submetidos, ao longo do tempo, a essas forças descontroladas.

Práticas Recomendadas para Seleção e Instalação Adequadas do Expansor

Correspondência entre o Tipo de Expansor e o Perfil de Força com o Material do Tubo e a Espessura da Parede

Escolher um expansor apropriado realmente se resume a compatibilizar a força que ele aplica com a capacidade mecânica do tubo. Os tubos de aço possuem resistência à tração muito maior em comparação com os materiais de cobre ou PVC, podendo, portanto, suportar forças maiores de expansão radial. No entanto, não se esqueça também da espessura da parede, pois esse fator desempenha um papel fundamental em todo esse processo. Para sistemas de climatização (HVAC) com paredes finas ou para aplicações industriais leves em tubulações, geralmente precisamos manter as taxas de expansão baixas, a fim de evitar problemas como flambagem ou ovalização. Falando em materiais, o PVC torna-se bastante frágil quando as temperaturas caem abaixo de 40 graus Fahrenheit (cerca de 4 graus Celsius). O uso de expansores pneumáticos acima de 800 psi com tubos de PVC, de fato, aumenta a probabilidade de propagação de trincas no material. Já o cobre comporta-se de forma diferente, pois é mais dúctil, permitindo maior deslocamento sem danos ao ser submetido a expansores mecânicos. Ao trabalhar em qualquer projeto, certifique-se de verificar simultaneamente diversos aspectos: a classe específica do material do tubo utilizado, os detalhes da sua espessura nominal (schedule) e as especificações de torque recomendadas pelo fabricante. Isso torna-se especialmente importante nas proximidades de juntas soldadas, onde tensões residuais provenientes da soldagem podem tornar os tubos mais suscetíveis à deformação sob pressão.

Evitando a Sobreexpansão: Cálculo dos Limites Seguros de Deslocamento conforme ASME B31.1/B31.9

A sobreexpansão continua sendo uma das principais causas de falha nas juntas de sistemas sob pressão. A norma ASME B31.1 (Tubulações para Serviços de Energia) e a B31.9 (Tubulações para Serviços Prediais) definem a expansão máxima admissível com base no material, na temperatura e na geometria. A calibração dos expansores conforme esses limites garante que a deformação permaneça dentro do intervalo elástico, evitando deformação permanente ou microfissuração:

A verificação pós-expansão é essencial: a profilometria a laser deve confirmar que o diâmetro interno (ID) permanece dentro de ±0,5% do valor nominal. Desvios além desse limite aumentam o risco de vazamento sob cargas térmicas cíclicas.

Estratégias de suporte e ancoragem para proteger tubulações ao redor dos expansores

Posicionamento estratégico de âncoras, guias e suportes deslizantes para absorver o movimento induzido pelos expansores

Sistemas de suporte adequados, na verdade, lidam com o movimento térmico ao longo de todo o processo de utilização dos expansores, não apenas atuando como restrições passivas, mas distribuindo ativamente as forças por todo o sistema. Os ancoramentos assumem o esforço de empuxo e impedem qualquer movimento axial nesses pontos fixos. Os guias limitam o movimento lateral, embora ainda permitam alguma movimentação para frente/para trás. Os suportes deslizantes estão presentes para suportar o deslocamento esperado por meio de suas superfícies de baixo atrito, geralmente posicionados a uma distância de 4 a 10 diâmetros de tubo das juntas e das áreas de expansão. Esses três componentes trabalham em conjunto de forma bastante eficaz para resolver os principais problemas observados pelos engenheiros no local: acúmulo de tensões nos pontos de solda, juntas que saem do alinhamento e tubos que flambeiam lateralmente sob pressão.

Obter o posicionamento correto exige analisar as taxas de expansão térmica, juntamente com a disposição geral do sistema inteiro, em vez de recorrer a estimativas aproximadas para o espaçamento. Os suportes primários têm como função evitar a deformação por flexão e manter todos os componentes alinhados ao suportarem o peso dos próprios componentes. Os suportes secundários desempenham seu papel ao reduzir vibrações e controlar aquelas frequências ressonantes indesejadas. Os revestimentos isolantes internos nos dispositivos de fixação também cumprem uma finalidade real: impedem que peças metálicas entrem em contato direto umas com as outras, permitindo assim o movimento livre ao longo do eixo, ao mesmo tempo que controlam as forças geradas pela expansão. Em pontos fixos onde absolutamente nenhum movimento é aceitável — como nas entradas de bombas ou flanges de válvulas — utilizamos suportes não ajustáveis que travam firmemente toda a estrutura. Contudo, em certos casos são necessários ajustes no local de instalação; por isso, os fabricantes oferecem versões que podem ser afinadas sem comprometer o desempenho global. A experiência da indústria mostra que, quando todos esses elementos funcionam adequadamente em conjunto, as tensões mecânicas e térmicas são distribuídas por toda a configuração. Essa abordagem de engenharia já foi comprovadamente eficaz para prolongar significativamente a vida útil dos equipamentos, com registros de manutenção indicando melhorias de cerca de 70% ao longo do tempo.

Perguntas frequentes

Qual é a importância da expansão térmica em sistemas de tubulação?

A expansão térmica desempenha um papel crítico em sistemas de tubulação, pois pode causar a dilatação ou contração significativa dos tubos com as variações de temperatura, levando a pontos de tensão, desalinhamento e possíveis falhas estruturais.

Por que o PVC é mais suscetível à expansão térmica em comparação com o aço?

O PVC possui um coeficiente de expansão térmica maior do que o aço, fazendo com que se dilate quase cinco vezes mais sob a mesma variação de temperatura. Isso pode resultar em efeitos de expansão mais acentuados no PVC, especialmente em condições de alta temperatura.

Quais são alguns métodos para mitigar os efeitos da expansão térmica em tubos?

A seleção adequada de expansores, o dimensionamento do tipo de expansor conforme o material do tubo e sua espessura de parede, bem como o posicionamento estratégico de sistemas de suporte e ancoragem, são métodos fundamentais para gerenciar e mitigar os efeitos da expansão térmica.

Como evitar a superexpansão em sistemas sob pressão?

Ao seguir diretrizes como ASME B31.1/B31.9 e calibrar os expansores de acordo com os limites definidos de material e temperatura, pode-se evitar a sobre-expansão, garantindo que a deformação permaneça na faixa elástica.