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Dilatação térmica de tubulações e liras

Informe o material, o diâmetro, as temperaturas e a distância entre ancoragens. A página calcula quanto o tubo cresce, o que aconteceria com a linha travada, o tamanho da lira em U e a alternativa com compensador axial.

Ferramenta de pré-dimensionamento e estimativa: os resultados não substituem projeto, cálculo ou laudo assinado por profissional habilitado nem a verificação conforme as normas aplicáveis.

Pré-dimensionamento
Linha
Propriedades do material
Lira e compensador

Lira simétrica, centrada entre as ancoragens, com altura H = 2 × largura W. O curso do compensador vem do catálogo (movimento axial admissível por junta).

—Dilatação entre as ancoragens
—

Altura da lira conforme a distância entre ancoragens

Lira em U pelo balanço guiado; a linha tracejada é a altura disponível informada.

Toque no gráfico para ver os valores.

Força nas ancoragens em cada solução

Escala logarítmica: linha travada, compensador axial (empuxo da pressão) e lira.

Toque no gráfico para ver os valores.

Próximo passo

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O memorial reúne entradas, resultados, equações, hipóteses e referências desta página, com campos para projeto, responsável e revisão. O relatório completo traz também os gráficos e as interpretações, em cores. Na janela de impressão, escolha Salvar como PDF.

Método, hipóteses e referências

Equações usadas

Dilatação: ΔL = L · α · (To − Ti), com α médio entre as temperaturas (deformação total desde 20 °C: e(T) = α20→T · (T − 20))
Linha travada: σ = E · α · ΔT; força: F = σ · A metal
Balanço guiado: L = √(3 · E · D · ΔL ÷ SA); lira em U: L = 2H + W, H = 2W; força estimada F ≈ 12 · E · I · ΔL ÷ L³
Admissível (ASME B31.3): SA = f · (1,25 Sc + 0,25 Sh); espaçamento máximo: Lanc = SA · L² ÷ (3 · E · D · α · ΔT)
Compensador: número = ΔL ÷ curso; empuxo F = P · Aef, com Aef ≈ π/4 · (1,15 · D)²; guias EJMA: 4 D e 14 D

Hipóteses e limites

  • α médio típico do material, ajustado à temperatura (valores próximos aos das tabelas de dilatação total da ASME B31.1/B31.3); E a frio. Para projeto, use as tabelas da norma aplicável.
  • Lira simétrica centrada entre duas ancoragens, braços perpendiculares à linha e curvas consideradas rígidas (conservador). Não considera peso, pressão sustentada, vento, pré-tensionamento (cold spring) nem atrito nos suportes.
  • A área efetiva do fole é uma estimativa; a rigidez axial do fole e a força de atrito das guias somam-se ao empuxo e vêm do catálogo do fabricante.

Normas e documentos técnicos

  • ASME B31.1: Power Piping (Appendix C, thermal expansion data)
  • ASME B31.3: Process Piping (displacement stress range, flexibility analysis)
  • M. W. Kellogg Co. Design of Piping Systems, 2nd ed., Wiley (guided cantilever method)
  • Peng, L.-C.; Peng, T.-L. Pipe Stress Engineering, ASME Press
  • EJMA: Standards of the Expansion Joint Manufacturers Association
  • EN 13480-3: Metallic industrial piping — Design and calculation

Legislação e regulamentos no Brasil

  • NR-13: caldeiras, vasos de pressão e tubulações — integridade e inspeção das tubulações que os interligam
  • ABNT NBR 5590 e ABNT NBR 5580: tubos de aço carbono
  • Petrobras N-57: projeto mecânico de tubulações industriais (referência usual no Brasil, alinhada à ASME B31.3)

Perguntas frequentes

Quanto uma tubulação dilata com o calor?

ΔL = L × α × ΔT. O aço carbono cresce cerca de 1,2 mm por metro a cada 100 °C; no exemplo, 60 m de aço aquecidos de 20 °C para 180 °C crescem 116 mm (1,93 mm/m). Inox e cobre dilatam cerca de 40% mais que o aço carbono, e o alumínio quase o dobro.

O que acontece se a linha não puder dilatar?

A tensão no tubo vira E × α × ΔT, qualquer que seja o comprimento: no exemplo, 391 MPa, 2,8 vezes a admissível, com força de cerca de 1.400 kN nas ancoragens. Na prática o tubo flamba, entorta suportes, vaza em flanges ou arranca ancoragens. Por isso toda linha quente precisa de flexibilidade: curvas, liras ou compensadores.

Como dimensionar uma lira em U?

Pelo método do balanço guiado, o comprimento de braços necessário é L = √(3 × E × D × ΔL ÷ SA), distribuído como 2H + W com H = 2W. No exemplo, um tubo de 6" com 116 mm de dilatação pede 9,3 m: lira de 3,71 m de altura por 1,85 m de largura. O método é conservador; uma análise de flexibilidade em software costuma dar liras um pouco menores.

Lira ou compensador axial?

A lira é só tubo e curvas, não tem peça que se desgaste e quase não carrega as ancoragens (cerca de 4 kN no exemplo), mas ocupa espaço. O compensador de fole cabe na linha reta, porém a pressão empurra as ancoragens principais com o empuxo (29 kN a 10 bar no exemplo), pede guias próximas e precisa de inspeção. Use compensador quando não houver espaço para liras.

Qual a distância máxima entre ancoragens?

Depende do tamanho de lira que cabe no local. No exemplo, com liras de até 4 m de altura as ancoragens podem ficar a até 70 m; com compensadores de 80 mm de curso, a até 41 m. Entre as ancoragens, use guias e suportes deslizantes que deixem o tubo correr no sentido do eixo.

Que valor de tensão admissível (SA) usar?

A ASME B31.3 define SA = f × (1,25 Sc + 0,25 Sh), a partir das tensões admissíveis do material frio e quente. Para aço A106 Gr. B, 138 MPa é um valor prático conservador muito usado nesse método; para cobre e alumínio os valores são bem menores. Na dúvida, siga a norma de projeto adotada (ASME B31.1, ASME B31.3 ou EN 13480).

Quando chamar um profissional?

Sempre que a linha for de vapor ou fluido perigoso, de grande diâmetro, ligada a bocais de equipamentos sensíveis (bombas, turbinas, vasos) ou com traçado complexo. A calculadora faz um pré-dimensionamento: o projeto final precisa de análise de flexibilidade e cálculo das ancoragens por engenheiro habilitado, inclusive para atender à NR-13.