Laços de expansão para tubos de aço

Visão Geral

Laços de expansão são curvas pré-fabricadas em sistemas de tubulação que absorvem o movimento térmico causado por mudanças de temperatura. Quando os tubos de aço aquecem, eles se expandem linearmente; sem um mecanismo de alívio, essa expansão gera tensões destrutivas em ancoragens, conexões e fittings.

As três configurações padrão de laços de expansão são curvas em U, curvas em Z e curvas em L, todas feitas de tubos e cotovelos padrão. As curvas em U são as mais comuns e são tipicamente posicionadas a meio caminho entre dois pontos de ancoragem fixos. As dimensões do laço são determinadas pelo diâmetro do tubo, pela expansão linear total e pelos limites de tensão admissíveis.

Fórmulas Principais

Expansão Térmica Linear

$\Delta l = \alpha \cdot \Delta T \cdot L$

Largura do Laço em U

$w = 0.015 \cdot \sqrt{\Delta l \cdot D}$

O deslocamento geral de um laço em U é $2w$ e o comprimento total do laço é $5w$.

Deslocamento da Curva em Z

$w = 0.063 \cdot \sqrt{\Delta l \cdot D}$

Comprimento da Perna Curta da Curva em L

$S_{\min} = 6.225 \cdot \sqrt{\frac{\Delta l}{25.4} \cdot \frac{D}{25.4}} \cdot 0.305$

Nas equações acima, $\Delta l$ e $D$ são inseridos em milímetros; o resultado está em metros.

Variáveis

Referência de Capacidade de Expansão para Curvas em U

A tabela abaixo fornece a capacidade de expansão aproximada (mm) para tamanhos de tubos comuns em várias larguras de laço.

Calculadoras

Calculadora de Expansão Térmica

Dimensões da Alça em U

Compensador Z para expansão

Compensador L para expansão

Exemplo Prático: Tubo de Vapor de 50 mm

Um tubo de aço de 50 mm, com 30 m de comprimento, é aquecido de 0 °C para 180 °C (típico para serviço de vapor a 10 bar). O coeficiente de expansão do aço é $12 \times 10^{-6}$ m/(m·K).

1. Expansão linear: $\Delta l = 12 \times 10^{-6} \times 180 \times 30 \times 1000 = 64.8 \text{ mm}$

2. Largura do loop em U: $w = 0.015 \times \sqrt{64.8 \times 50} = 0.015 \times 56.92 = 0.85 \text{ m}$

3. Dimensões gerais do loop:

   • Deslocamento ($2w$): 1,71 m
   • Comprimento ($5w$): 4,27 m

Gráfico Interativo de Capacidade do Loop de Expansão

O diagrama original plota a largura do loop no eixo horizontal, a capacidade de expansão no eixo vertical, e uma curva para cada diâmetro nominal de tubo. Células em branco na fonte são deixadas como lacunas em vez de serem plotadas como zero.

O diagrama de capacidade da fonte é redesenhado acima como um gráfico interativo local usando os dados extraídos da tabela.

Notas de Engenharia

• O espaçamento entre ancoragens determina a quantidade de expansão. Posicione os laços de expansão aproximadamente no meio das ancoragens para dividir o movimento igualmente.
• A orientação do laço deve permitir o movimento livre na direção da expansão. Apoie as pernas do laço para evitar a flexão sob o peso, mas permita o deslocamento lateral.
• Curvas padrão (90° ou 45°) são usadas para fabricar os laços; não são necessários acessórios especiais.
• Desvios em Z são adequados para dutos com deslocamentos laterais; o deslocamento necessário é aproximadamente o dobro da largura do laço em U para a mesma expansão.
• Desvios em L são menos eficientes que os laços em U e requerem um trecho mais longo para absorver a mesma expansão.
• Os valores da tabela de referência são aproximados. Para serviços críticos (alta pressão, alta temperatura, grande diâmetro), realize uma análise de tensões detalhada conforme ASME B31.1 ou B31.3.
• Coeficientes de expansão térmica típicos do aço: aço carbono ≈ 12 × 10⁻⁶ m/(m·K), aço inoxidável ≈ 17 × 10⁻⁶ m/(m·K). O uso de aço inoxidável requer laços maiores para a mesma variação de temperatura.

Referências

• Laços de Expansão em Tubos de Aço — Engineering ToolBox