Baixe proteção contra descargas atmosféricas versao 4engV2 e outras Notas de estudo em PDF para Eletrônica, somente na Docsity! PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EM TANQUES DE ARMAZENAMENTO DE FLUIDOS INFLAMÁVEIS FRANCISCO ANDRÉ DE OLIVEIRA NETO T.C.M.I. - I E&P-RNCE/GELOG/GECOM VER. 06 10/97 SUMÁRIO 1. RESUMO......................................................................................................................................................................... 2. TEORIA DOS RAIOS .................................................................................................................................................... 3. SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (SPCDA) ............................................. 3.1. PARTES COMPONENTES DE UM SPCDA ........................................................................................................... 4. CRITÉRIOS PARA A PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS................................................ 4.1. CARACTERISTICA DO EQUIPAMENTO A PROTEGER .................................................................................... 4.2. ATERRAMENTO DE TANQUES............................................................................................................................ 4.2.1. REQUISITOS MÍNIMOS PARA SE CONSIDERAR UM TANQUE ATERRADO ............................................. 4.3. VOLUME DE PROTEÇÃO DE REFERÊNCIA....................................................................................................... 5. MODELO ELETROGEOMÉTRICO........................................................................................................................... 5.1. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE UM PÁRA-RAIOS.................................. 5.2. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE DOIS PÁRA-RAIOS............................... 5.3. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE TRÊS PÁRA-RAIOS .............................. 5.4. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE QUATRO PÁRA-RAIOS ....................... 5.5. RESTRIÇÃO LATERAL .......................................................................................................................................... 6. CONCLUSÕES ............................................................................................................................................................... 7. ANEXOS.......................................................................................................................................................................... 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................................................................... Replan provocou um incêndio em que foram destruídos quatro milhões de litros de óleo diesel em 1993, o que mostra que o fato não é incomum. Os efeitos sobre o ser humano não se limitam a queimaduras ou à morte imediata. Existe a possibilidade de que radiações associadas aos relâmpagos e que ocorrem até a alguns quilômetros de distância do local de incidência do raio prejudiquem os seres vivos. A temperatura do raio pode atingir cerca de 30.000 oC , aproximadamente cinco vezes a temperatura na superfície do sol. A expansão do ar aquecido ao redor desse canal é que produz o som do trovão. A quantidade de raios que atingem a terra em um ano é o que se chama nível ceráunico de uma região, sendo pois um dado estatístico. A densidade de raios em uma região pode ser calculada pela seguinte equação: N ICg = ×0 04 1 25, , Onde: IC - Índice ceráunico da região, ou seja, o número de dias de trovoada por ano em uma dada região N g - Densidade de raios na região (raios/ano/km 2) A metodologia atual para se estimar a probabilidade de ocorrência de uma descarga em uma estrutura é função do índice ceraunico, que é um parâmetro que indica o número de dias de trovoada por ano em uma determinada localidade, e pode ser calculada pela seguinte equação: P A Na g= × × −10 6 Onde: Aa -Área de atração (m 2) P - Probabilidade de descarga atmosférica em uma estrutura (raios/ano). A área de atração é calculada adicionando a altura da estrutura as dimensões da base e procede-se a concordância nos vértices considerando o raio igual a altura. Se as dimensões da estrutura forem: H - altura a - comprimento b - largura então: Figura 2 REVISTA PETROBRAS,Abr/96 Figura 3 KINDERMANN .Descargas Atmosféricas, 1992 ( )A a b h a b Hg = × + × + +2 2π Os locais onde a Petrobras atua no RN possuem nível ceráunico maior que 20 o que eqüivale a uma densidade de 1,7 raios/km2/ano e uma probabilidade de mais de 30.000 raios/ano. Quanto maior a densidade de raios, maior a possibilidade de uma estrutura não protegida ser danificada. A necessidade de proteção é função do risco de danos a uma estrutura. O risco, por sua vez, é definido pela seguinte expressão: RISCO PxAxBxCxDxE= 2 Onde: A é um fator relacionado ao tipo de ocupação a que se destina a estrutura a ser protegida B é um fator relacionado ao tipo de construção C é um fator relacionado ao conteúdo da estrutura a ser protegida D é um fator relacionado a localização da estrutura a ser protegida E é um fator relacionado a topografia da região A freqüência média anual admissível de danos deve atender aos seguintes limites reconhecidos internacionalmente: a) riscos maiores que 10-3 por ano são considerados inaceitáveis e, portanto, é obrigatório a utilização de um SPCDA3; b) riscos menores que 10-5 por ano são, em geral, considerados aceitáveis e, portanto, não necessitam de um SPCDA; c) se os riscos situam-se entre 10-5 e 10-3, a conveniência de um SPCDA deve ser decidida por acordo entre projetista e usuários. 2 Ver tabelas 7 a 11 3 Ver item 3 Figura 4 H a b Esse procedimento, no entanto, não se aplica à determinação da necessidade ou não de um SPCDA em tanques contendo fluido inflamável. Por esse motivo, é objeto deste trabalho definir critérios mínimos de projeto e instalação de pára-raios em áreas de armazenamento de fluidos inflamáveis, adequando as instalações aos critérios estabelecidos na NBR-5419. 3. SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (SPCDA) Sistema completo destinado a proteger uma estrutura contra os efeitos das descargas atmosféricas. 3.1. PARTES COMPONENTES DE UM SPCDA CAPTOR - Elemento metálico localizado no ponto mais alto do SPCDA. Sua função é formar uma grande concentração de cargas elétricas, produzindo um campo intenso, diminuindo a rigidez dielétrica do ar, possibilitando a captação do raio. CONDUTOR DE DESCIDA - Elemento metálico que interliga o captor ao sistema de aterramento. Tem por objetivo conduzir a corrente de descarga atmosférica. Esta condução deve se dar de forma a não causar danos a estrutura protegida, manter os potenciais abaixo do nível de segurança e não produzir faiscamento laterais, deve ser continuo e quando isso não for possível as emendas devem ser executadas com solda exotérmica. Tabela 1 SEÇÕES MÍNIMAS DOS MATERIAIS DO SPCDA Material Seção Cobre 16mm2 Alumínio 25mm2 Aço 50mm2 Devido à indutância dos condutores de descida, tensões elevadas são produzidas nos mesmos, podendo ocasionar descargas laterais e atingir equipamento a ser protegido. A indutância, considerando condutores circulares, pode ser calculada pela expressão abaixo: L R r = =       −       µ π φ2 0 2 2 303 4000 0 75 1 ln , , log , L - indutância do condutor ( µ H/m) µ - permeabilidade do meio (H/m) r1 - raio do condutor (m) R - Distância suficientemente grande para que o campo seja desprezível (m) φ - Diâmetro do cabo (m) c) os respiros, válvulas de alívio e demais aberturas que possam desprender vapores inflamáveis sejam providos de dispositivos de proteção corta-chama; d) o teto tenha uma espessura mínima de 4mm, e seja soldado, aparafusado com porcas ou rebitado ao corpo do tanque. Diante disso podemos concluir que todas as condições são satisfeitas, com exceção da alínea “c” haja vista que o teto não dispõe de dispositivo protetor corta-chama. Logo, atendendo ao prescrito na norma em epígrafe, devemos prover um SPCDA que atenda às seguintes condições: a) quanto a metodologia de cálculo será utilizado o modelo eletrogeométrico ou das esferas rolantes ou fictícias. b) quanto ao nível de proteção será utilizado nível de proteção I ( R = 20m) 4.2. ATERRAMENTO DE TANQUES A necessidade de aterramento de um tanque metálico se dá por dois motivos: a) escoamento das correntes de descarga atmosférica, obedecendo aos requisitos prescritos na NBR-5419; b) evitar elevações de potencial que possam causar centelhamento para a terra. 4.2.1. REQUISITOS MÍNIMOS PARA SE CONSIDERAR UM TANQUE ATERRADO a) Quando estiver conectado a um sistema de aterramento que atenda ao item 3.1; b) quando estiver acoplado metalicamente a uma rede de tubulações; c) Quando estiver apoiado no solo ou sobre uma base de concreto e tiver no mínimo 6m de diâmetro, ou sobre uma superfície betuminosa e tiver, no mínimo, 15m de diâmetro. Obs:. Tanques não metálicos não podem ser considerados autoprotegidos, devendo-se provê-los de um SPCDA. 4.3. VOLUME DE PROTEÇÃO DE REFERÊNCIA Não faz nenhum sentido falar em área a ser protegida pois não há como se proteger um volume utilizando-se um modelo bidimensional. Por outro lado, um mesmo volume de proteção pode não proteger determinadas estruturas, mesmo que possuam o mesmo volume, pois as formas geométricas são diferentes. Para suprir essa deficiência, consideraremos um volume de proteção de referência como sendo um paralelepípedo com as seguintes dimensões. 22m 12m 10m Todo tanque de armazenamento ou conjunto de tanques envolvidos por esse paralelepípedo é considerado protegido contra descargas atmosféricas 5. MODELO ELETROGEOMÉTRICO Por muitos e muitos anos utilizou-se o modelo FRANKLIN para o dimensionamento do SPCDA. Isso intrigava os pesquisadores que não admitiam a independência do modelo de qualquer outra variável. A constatação de incidência de raios nas proximidades da base de grandes torres de telecomunicações mostrou que havia uma interdependência entre o ângulo de proteção e a altura do captor. Vários pesquisadores propuseram outras zonas de proteção, a saber: em 1823 Gay-Lussac propôs um cilindro de altura h e raio 2h; em 1874 De Fonvill propôs um cone com ângulo de 63°; em 1875 a Comissão de Paris definiu um cone com ângulo de 60°; Chapman propôs um cilindro de altura h e raio h; em 1881 Adams propôs um cone com ângulo de 45°; em 1892 Preece propôs um cone com a lateral curva de altura h e raio h e Nelsen propôs um cone com ângulo de 30°. Todos esses modelos pecavam pela sua independência da corrente de descarga, sendo função exclusivamente da altura do pára-raios. A teoria da esfera rolante foi criada pelo professor Anton Schwaigger em 1923, e em 1969 Paul F. Offerman utilizou-a para o dimensionamento da proteção de tanques de óleo inflamável. Os pontos de maior intensidade do campo elétrico no solo e nas extremidades são geralmente aqueles mais próximos da extremidade do líder descendente. Portanto, a superfície de uma esfera com centro na extremidade do líder antes do seu ultimo salto é o lugar geométrico dos pontos a serem atingidos pela descarga. Estes pontos podem então ser simulados por uma esfera fictícia, cujo raio seja igual ao comprimento do último trecho a ser vencido pelo líder descendente, sendo esse o parâmetro utilizado para posicionar os captores segundo o modelo eletrogeométrico, cujo valor é dado por: R i emax imax = + −       − 2 30 1 6 8. , . 4 onde: R - raio da esfera fictícia (M) imax. - valor de crista máximo do primeiro raio negativo (KA) Pesquisas levadas a cabo por Anderson e Eriksson, na África do Sul, resultou na seguinte expressão para o cálculo da probabilidade da corrente exceder um determinado valor : 4 Fórmula apresentada em 1975 por Darveniza e Writehead ( )P Ii = +       100 1 31 0 2 6, % Onde: Pi - probabilidade da corrente do raio exceder a I 0 I 0 - intensidade da corrente de descarga (KA) Esta distribuição estatística pode também ser obtida através de curvas de probabilidade da corrente de crista do raio exceder um determinado valor. Seguindo essa linha, três curvas foram apresentadas pelo Gigré, AIEEE e por Burgsdonf respectivamente conforme apresentado no gráfico 1. Do gráfico1 podemos observar que: 80% das correntes de descargas são superiores a 5KA, 50% são superiores a 15KA, 5% são superiores a 60KA, 0,7% são superiores a 100KA e 0,1% são superiores a 200KA. Os raios das esferas fictícias foram normalizados e encontram-se expressos na tabela 3 Gráfico 1 Concluímos, pois, que a utilização de um pára-raios é insuficiente para a proteção de um tanque de armazenamento de fluido inflamável. 5.2. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE DOIS PÁRA-RAIOS Condições de contorno: a) todos os pára-raios instalados à mesma altura b) h Rp ≤ c) eixo cartesiano coincidindo com o mastro do pára-raios mais a esquerda d) y R≤ A altura mínima de proteção pode ser calculada pela expressão abaixo: h h R R D min p. = − + −      2 2 2 De onde se obtém que a distância máxima a fim de se obter determinada altura mínima de proteção é: ( )D h R h≤ −2 2∆ ∆ ∴ = −∆h h hp min. Como a esfera encontra-se apoiada nos dois pára-raios, seu centro estará localizado em: x D y h Rmin= = +2 e . A equação da curva de proteção é dada por: Figura 7 hmin. D 2 R O Y X y h R D R x D p= + −       − − −     2 2 2 2 2 2 O emprego de dois pára-raios, não é capaz de resolver o problema do volume de proteção necessário para proteger um tanque de fluido inflamável, pois o mesmo não melhora o volume de proteção no sentido do eixo z . 5.3. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE TRÊS PÁRA-RAIOS Supondo-se uma configuração uniforme temos: Condições de contorno: a) todos os pára-raios instalados à mesma altura b) h Rp ≤ c) eixo cartesiano coincidindo com o mastro do pára-raios mais a esquerda d) y R≤ Coordenadas de centro: x D z D 0 02 3 6 = = ; e y h R D p0 2 2 3 = + − Para se calcular hmin. . Procede-se da seguinte maneira: para x z D y hmin= = ∴ = D 2 e 3 6 . então: h h R R D min p. = − + − 2 2 3 A equação tridimensional para o volume de proteção entre os pára-raios é: Figura 8 O D R D D hp y x z y h R D R x D z D p= + − − − −       − −      2 2 2 2 2 3 2 3 6 Esta configuração apresenta algumas vantagens sobre as anteriores, por que já permite proteger volumes maiores como o formado por um triângulo de lados iguais a 20m e a garantia que qualquer equipamento instalado dentro desse volume de proteção estará protegido. Contudo, essa configuração não atende aos propósitos de se proteger um conjunto de tanques como é o caso comum em uma estação coletora de petróleo ou um parque de armazenamento de produtos inflamáveis, sendo necessário a utilização de, no mínimo, quatro pára-raios. 5.4. DETERMINAÇÃO ANALÍTICA DO VOLUME DE PROTEÇÃO DE QUATRO PÁRA-RAIOS Condições de contorno: a) todos os pára-raios instalados à mesma altura b) h Rp ≤ c) eixo cartesiano coincidindo com o mastro do pára-raios mais a esquerda d) y R≤ As coordenadas de centro da esfera, devido a geometria da base é: ( ) x D z L h R D L p0 0 2 2 2 2 2 4 = = = + − + ; e y 0 Levando-se esses valores na equação geral da circunferência chegamos a equação tridimensional da curva de proteção entre os pára-raios: Figura 9 O R D Lhp y x z Tabela 6 ITEM DESCRIÇÃO QDE PU CUSTO ITEM R$ 01 Poste concreto duplo T 13x600 06 140 840,00 02 Fornecimento montagem e instalação de pára-raios 06 294,61 1768,00 03 Fornecimento e aplacação de solda exotérmica 06 33,38 200 04 Fornecimento e lançamento de cabo de cobre 25mm2 155 3,76 579 05 Escavação e recobrimento 8,5 26 221 06 Implantação de poste 13m 06 113,6 681 Total 4289 Tabela 7 Tipo de ocupação Fator A Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3 Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa de televisão 0,7 Fábricas, oficinas e laboratórios 1,0 Locais de afluência de público (igrejas, pavilhões, teatros, museus, exposições,, lojas de departamento, correios, estações e aeroportos, estádio de esportes) 1,2 Escolas, hospitais, creches e outras instituições, estruturas de múltiplas atividades 1,7 Tabela 8 Tipo de construção da estrutura Fator B Estrutura de aço revestida com cobertura não metálica 0,2 Estrutura de concreto armado com cobertura não metálica 0,4 Estrutura de aço revestido ou de concreto armado com cobertura metálica 0,8 Estrutura de alvenaria ou concreto simples com qualquer cobertura exceto metálica ou de palha 1,0 Estrutura de madeira ou revestida de madeira com qualquer cobertura exceto metálica ou de palha 1,4 Estrutura de madeira, alvenaria ou concreto simples, com cobertura metálica 1,7 Qualquer estrutura com teto de palha 2,0 Tabela 9 Conteúdo da estrutura e efeitos indiretos das descargas atmosféricas Fator C Residências comuns, edifícios de escritórios, fábricas e oficinas que não contenham objetos de valor ou particularmente suscetíveis a danos 0,3 Estruturas industrias e agrícolas contendo objetos particularmente suscetíveis a danos 0,8 Subestações de energia elétrica, usinas de gás, centrais telefônicas, estações de rádio 1,0 Industrias estratégicas, monumentos antigos e prédios históricos, museus, galerias de arte e outras estruturas com objetos de valor especial 1,3 Escolas, hospitais, creches e outras instituições, locais de afluência de público 1,7 Tabela 10 Localização da estrutura Fator D Estruturas localizadas em uma grande área contendo estruturas ou árvores da mesma altura ou mais altas 0,4 Estruturas localizada em uma área contendo poucas estruturas ou árvores de altura similar 1,0 Estruturas completamente isolada, ou que ultrapassa, no mínimo, duas vezes a altura de estruturas ou árvores próximas 1,0 Tabela 11 Topografia da região Fator E Planície 0,3 Elevações moderadas, colinas 1,0 Montanhas entre 300 e 900m 1,3 Montanhas acima de 900m 1,7 ALTURA MÍNIMA DE PROTEÇÃO Tabela 12 R 20 30 45 60 ALTURA DO PARA-RAIOS DG 10 12 15 17 20 10 12 15 17 20 10 12 15 17 20 10 12 15 17 20 10 9,36 11,36 14,36 16,36 19,36 9,58 11,58 14,58 16,58 19,58 9,72 11,72 14,72 16,72 19,72 9,79 11,79 14,79 16,79 19,79 11 9,23 11,23 14,23 16,23 19,23 9,49 11,49 14,49 16,49 19,49 9,66 11,66 14,66 16,66 19,66 9,75 11,75 14,75 16,75 19,75 12 9,08 11,08 14,08 16,08 19,08 9,39 11,39 14,39 16,39 19,39 9,60 11,60 14,60 16,60 19,60 9,70 11,70 14,70 16,70 19,70 13 8,91 10,91 13,91 15,91 18,91 9,29 11,29 14,29 16,29 19,29 9,53 11,53 14,53 16,53 19,53 9,65 11,65 14,65 16,65 19,65 14 8,73 10,73 13,73 15,73 18,73 9,17 11,17 14,17 16,17 19,17 9,45 11,45 14,45 16,45 19,45 9,59 11,59 14,59 16,59 19,59 15 8,54 10,54 13,54 15,54 18,54 9,05 11,05 14,05 16,05 19,05 9,37 11,37 14,37 16,37 19,37 9,53 11,53 14,53 16,53 19,53 16 8,33 10,33 13,33 15,33 18,33 8,91 10,91 13,91 15,91 18,91 9,28 11,28 14,28 16,28 19,28 9,46 11,46 14,46 16,46 19,46 17 8,10 10,10 13,10 15,10 18,10 8,77 10,77 13,77 15,77 18,77 9,19 11,19 14,19 16,19 19,19 9,39 11,39 14,39 16,39 19,39 18 7,86 9,86 12,86 14,86 17,86 8,62 10,62 13,62 15,62 18,62 9,09 11,09 14,09 16,09 19,09 9,32 11,32 14,32 16,32 19,32 19 7,60 9,60 12,60 14,60 17,60 8,46 10,46 13,46 15,46 18,46 8,99 10,99 13,99 15,99 18,99 9,24 11,24 14,24 16,24 19,24 20 7,32 9,32 12,32 14,32 17,32 8,28 10,28 13,28 15,28 18,28 8,87 10,87 13,87 15,87 18,87 9,16 11,16 14,16 16,16 19,16 21 7,02 9,02 12,02 14,02 17,02 8,10 10,10 13,10 15,10 18,10 8,76 10,76 13,76 15,76 18,76 9,07 11,07 14,07 16,07 19,07 22 6,70 8,70 11,70 13,70 16,70 7,91 9,91 12,91 14,91 17,91 8,63 10,63 13,63 15,63 18,63 8,98 10,98 13,98 15,98 18,98 23 6,36 8,36 11,36 13,36 16,36 7,71 9,71 12,71 14,71 17,71 8,51 10,51 13,51 15,51 18,51 8,89 10,89 13,89 15,89 18,89 24 6,00 8,00 11,00 13,00 16,00 7,50 9,50 12,50 14,50 17,50 8,37 10,37 13,37 15,37 18,37 8,79 10,79 13,79 15,79 18,79 25 5,61 7,61 10,61 12,61 15,61 7,27 9,27 12,27 14,27 17,27 8,23 10,23 13,23 15,23 18,23 8,68 10,68 13,68 15,68 18,68 26 5,20 7,20 10,20 12,20 15,20 7,04 9,04 12,04 14,04 17,04 8,08 10,08 13,08 15,08 18,08 8,57 10,57 13,57 15,57 18,57 27 4,76 6,76 9,76 11,76 14,76 6,79 8,79 11,79 13,79 16,79 7,93 9,93 12,93 14,93 17,93 8,46 10,46 13,46 15,46 18,46 28 4,28 6,28 9,28 11,28 14,28 6,53 8,53 11,53 13,53 16,53 7,77 9,77 12,77 14,77 17,77 8,34 10,34 13,34 15,34 18,34 29 3,77 5,77 8,77 10,77 13,77 6,26 8,26 11,26 13,26 16,26 7,60 9,60 12,60 14,60 17,60 8,22 10,22 13,22 15,22 18,22 30 3,23 5,23 8,23 10,23 13,23 5,98 7,98 10,98 12,98 15,98 7,43 9,43 12,43 14,43 17,43 8,09 10,09 13,09 15,09 18,09 31 2,64 4,64 7,64 9,64 12,64 5,69 7,69 10,69 12,69 15,69 7,25 9,25 12,25 14,25 17,25 7,96 9,96 12,96 14,96 17,96 32 2,00 4,00 7,00 9,00 12,00 5,38 7,38 10,38 12,38 15,38 7,06 9,06 12,06 14,06 17,06 7,83 9,83 12,83 14,83 17,83 33 1,30 3,30 6,30 8,30 11,30 5,05 7,05 10,05 12,05 15,05 6,87 8,87 11,87 13,87 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