Alças de Expansão para Tubos de Aço

Visão Geral

Alças de expansão são dobras pré-fabricadas em sistemas de tubulação que absorvem o movimento térmico causado por variações de temperatura. Quando os tubos de aço aquecem, eles se expandem linearmente; sem um mecanismo de alívio, essa expansão gera tensões destrutivas nos pontos de ancoragem, conexões e acessórios.

As três configurações padrão de alças de expansão são curvas em U, curvas em Z e curvas em L, todas feitas com tubos e cotovelos padrão. As curvas em U são as mais comuns e geralmente são posicionadas no ponto médio entre dois pontos de ancoragem fixos. As dimensões da alça 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 da Alça em U

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

O deslocamento total de uma alça em U é $2w$ e o comprimento total da alça é $5w$.

Deslocamento da Curva em Z

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

Comprimento do Braço Curto 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 é 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 alça.

Calculadoras

Calculadora de Expansão Térmica

Dimensões da Alça em U

Compensador de Expansão em Z

Compensador de Expansão em L

Exemplo Prático: Tubo de Vapor de 50 mm

Um tubo de aço de 50 mm, 30 m de comprimento, é aquecido de 0 °C a 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 da alça em U: $w = 0.015 \times \sqrt{64.8 \times 50} = 0.015 \times 56.92 = 0.85 \text{ m}$

3. Dimensões gerais da alça:

   • Deslocamento ($2w$): 1.71 m
   • Comprimento ($5w$): 4.27 m

Tabela Fonte Original

A tabela original do Engineering ToolBox usa a largura do loop como grupo de colunas e a capacidade de expansão como valor da célula. Células vazias na fonte são mantidas como células vazias aqui.

Gráfico Interativo de Capacidade de 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. 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. Coloque as alças de expansão aproximadamente no meio das ancoragens para dividir o movimento igualmente.
• A orientação das alças deve permitir o movimento livre na direção da expansão. Apoie as pernas das alças para evitar o tombamento sob o peso, mas permita o deslocamento lateral.
• Cotovelos padrão (90° ou 45°) são usados para fabricar alças; não são necessários acessórios especiais.
• Curvas em Z são adequadas para tubulações com deslocamentos laterais; o deslocamento necessário é aproximadamente o dobro da largura da curva em U para a mesma expansão.
• Curvas em L são menos eficientes que curvas 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 típicos do aço: aço carbono ≈ 12 × 10⁻⁶ m/(m·K), aço inoxidável ≈ 17 × 10⁻⁶ m/(m·K). Usar aço inoxidável requer alças maiores para a mesma variação de temperatura.

Referências

• Alças de Expansão para Tubos de Aço — Engineering ToolBox