APOSTILA CABO DE AÇO, Traduções de Engenharia Industrial

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BELGO BEKAERT ARAMES LTDA. - CABOS CIMAF

• HISTÓRICO pág.
• COMPONENTES BÁSICOS pág.
• ARAMES DE AÇO pág.
• FABRICAÇÃO DE CABOS DE AÇO pág.
• ESPECIFICAÇÃO pág.
  • • Diâmetro pág.
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  • • Tipo de Alma pág.
  • • Torção pág.
  • • Acabamento.............................................................. pág.
  • • Resistência dos arames pág.
  • • Pré-formação pág.
• MANUSEIO E ARMAZENAMENTO................................ pág.
  • • Manuseio de bobinas por Empilhadeira pág.
  • • Manuseio de bobinas por Talha pág.
  • • Manuseio de bobinas Manualmente pág.
  • • Armazenamento de bobinas pág.
  • • Manuseio de Cabos de aço.................................... pág.
• MANUTENÇÃO DE CABOS E PARTES DO EQUIPTO pág.
  • • Polias e Tambores.................................................. pág.
  • • Lubrificação pág.
• INSPEÇÃO EM CABOS DE AÇO (ASME B30.2 e B30.5) pág.
  • • Inspeção Freqüente pág.
  • • Inspeção Periódica pág.
  • • Critérios de Substituição.... pág.
    • 
      Redução do Diâmetro pág.
    • 
      Corrosão pág.
    • 
      Arames Rompidos pág.
    • 
      Danos por temperatura..................................... pág.
    • 
      Danos por distorção pág.
    • 
      Registro de Inspeção pág.
• INSPEÇÃO EM CABOS DE AÇO (ABNT NBR ISO 4309) pág. -
  Inspeção e Descarte pág. -
  Notas Importantes pág. -
  Registros de inspeção pág. -
  Defeitos mais freqüentes em cabos de aço pág.
• LAÇOS EM CABOS DE AÇO pág. -
  Inspeção em Laços pág. -
  Registros de Inspeção de Laços pág.
• REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS pág.

O cabo de aço é provavelmente uma das ferramentas mais antigas que o homem vem utilizando ao longo de sua história. Já os povos primitivos usavam cipós e juncos torcidos para construir abrigos, embarcações e pontes.

Escavações arqueológicas revelam que na idade da pedra, o homem pré-histórico fabricava redes de pesca a partir de cabos de fibra. Há mais de 5000 anos atrás os egípcios, principalmente, já se utilizavam cabos para vários usos. Estes eram diferentes dos utilizados atualmente: constituíam-se de arames de metais preciosos e eram utilizados principalmente para fins ornamentais. Esses arames eram fabricados forjando-se uma chapa de metal, da qual era retirada uma tira bem fina que então era novamente forjada até ficar bastante delgada. Paralelamente os Gregos e os Romanos desenvolveram técnicas para transformar cobre e bronze em fios que eram utilizados para atar pranchas na fabricação de barcos.

Outras formas de cabos foram desenvolvidas nesse período, mas foi em 1816 e 1840 que realmente o cabo de aço nasceu.

No início do século XIX a indústria de mineração utilizava-se de equipamentos para elevação de carga sendo seus principais componentes as cordas de fibra e as correntes de ferro.

Naquele tempo as cordas de fibra tinham de ser importadas da Alemanha a um alto custo e só eram recomendadas para serem utilizadas em ambientes com pouca umidade.

Já as correntes de ferro por outro lado, além de terem alto peso próprio, também eram pouco confiáveis, pois, qualquer falha em um só elo da corrente poderia trazer conseqüências fatais.

A 23 de Julho de 1834 um engenheiro de minas alemão chamado Wilhelm August Julius Albert testou o primeiro cabo de aço da história do mundo em um poço profundo (484m) em uma mina de prata na Alemanha. Consistia de 3 pernas trançadas a mão, cada uma com quatro arames de ferro de aproximadamente 3,5mm de diâmetro. Possuía também uma resistência 6

vezes superior a de uma corda de sisal de mesmo diâmetro e 4 vezes a de uma corrente que por sua vez era oito vezes mais pesada. Ocupava ainda somente 1/3 do espaço necessário para as correntes, nas bobinas de enrolamento. A principal vantagem, porém, para os usuários, era de que a ruptura de alguns arames já alertava para a eminente falha no sistema de elevação.

Os anos subseqüentes a esta descoberta tornaram-se um período de grande desenvolvimento deste produto.

Tom Seale em 1884, a pedido do então governador da Califórnia Leland Standford, ficou incumbido de operacionalizar os CABLES CAR

• bondinhos puxados por cabos de aço que até hoje estão em operação. Por ser uma cidade montanhosa São Francisco inviabilizava o uso de bondes puxados a cavalos, e as máquinas a vapor por outro lado eram ineficientes, pois não conseguiam vencer os aclives e declives, devido ao seu alto peso próprio. A solução encontrada foi um sistema de cabos de aço com circulação contínua sob o solo, onde os bondinhos eram conectados e desconectados quando necessário. Seale observou também que as pernas fabricadas com o mesmo número de arames em duas camadas com proporções adequadas (no seu caso era 6x19 – 1+9+9), caracterizava uma perna resistente e bem arredondada, o que proporcionou naquela época um resultado extraordinário, com relação a durabilidade dos cabos, já que estes eram os principais responsáveis pelo alto custo operacional do sistema.

Em 1889 um engenheiro americano, James Stone, conjuntamente com o fabricante de cabos Wasburn and Moen produziram uma perna entre a primeira e a segunda camada com arames de enchimento: a perna filler havia nascido, a qual hoje, mais de cem anos depois é provavelmente a mais utilizada em todo o mundo.

É bem provável que a perna Warrington tenha sido inventada neste mesmo período, porém, o

seu inventor é desconhecido e também não se

tem certeza a respeito da origem deste nome.

O cabo de aço é composto por dois componentes básicos: a perna e a alma, sendo a perna formada por arames.

O arame pode ser fabricado com diversos tipos de material como: aço carbono, bronze, cobre e aço inox. O material usado na fabricação do cabo dependerá da aplicação o qual o mesmo será submetido.

Estaremos explicando à cabos de aço fabricados com arames de aço.

ARAMES DE AÇO Para atender às diversas necessidades de diâmetros e construções de cabos de aço, são necessários os arames em uma gama muito grande de diâmetros. Na CIMAF usamos do ∅0,14mm à ∅5,50mm em nossa linha de produção.

Esses diâmetros são conseguidos através de um processo denominado “TREFILAÇÃO”. A trefilação consiste na passagem de um arame (FIO MÁQUINA) através de uma ferramenta chamada fieira, que devido suas características geométricas promove a redução do diâmetro do arame.

É importante ressaltar que, este processo não provoca marcas no arame, mas sim uma deformação a frio por encruamento.

Este processo causa no arame um aumento de resistência à tração reduzindo sua ductilidade. Em alguns casos há necessidade de submeter o arame a um tratamento térmico chamado PATENTEAMENTO.

FABRICAÇÃO DO CABO DE AÇO

A fabricação do cabo de aço é feita em duas etapas:

1ª ETAPA Consiste na torção de vários arames em torno de um arame central.

Esta etapa poderá ser realizada em 1, 2 ou mais operações. Analisando as figuras abaixo, podemos observar que as pernas fabricadas em apenas 1 operação possuem os arames da camada externa posicionados paralelamente com os arames da camada interna. Este posicionamento promove uma maior área de contato. Já em pernas fabricadas em duas ou mais operações, observam pontos isolados de apoio entre os arames da camada externa e as da camada interna, promovendo um desgaste pontual acentuado.

Perna fabricada em 2 ou mais operações

Perna fabricada em 1 operação

Sendo assim, os cabos de aço fechados com pernas fabricadas em apenas 1 operação apresentam:

• Maior flexibilidade;
• Maior resistência à Fadiga;
• Maior resistência à compressão lateral;
• Maior uniformidade na distribuição da carga entre os arames;

FIEIRA

FIO MÁQUINA ARAME

5,50 á 12,0 mm 0,18 á 5,50 mm

PERNA

ARAMES

ARAME CENTRAL

• Menor desgaste interno.

2ª ETAPA Partindo do mesmo princípio de fabricação das pernas, a Segunda etapa visa o fechamento das pernas em torno de uma alma que poderá ser de AÇO ou FIBRA.

ESPECIFICAÇÃO

A correta especificação de cabos de aço é de vital importância, pois, seu bom desempenho em campo será definido a partir da especificação.

Estaremos estudando seis itens que deverão ser considerados durante a especificação do cabo de aço.

a) diâmetro Os diâmetros dos cabos de aço podem ser subdivididos em dois tipos:

• Diâmetro Nominal Podemos dizer que este diâmetro é o “NOME” do cabo de aço. Geralmente é usado para facilitar o pedido do produto. O diâmetro nominal também é utilizado em cálculos. Neste caso, deve-se usar o valor em polegadas convertendo-o na unidade a ser adotada.
• Diâmetro Real ou Prático Este diâmetro é a medida real da bitola do cabo verificada com ajuda de um instrumento de medição (geralmente paquímetro).

Devido à tolerância do diâmetro dos arames e da alma, dificilmente o diâmetro nominal será igual ao diâmetro real. Sendo assim, as normas contemplam uma tolerância que

deve ser seguida pelo fabricante. Para cabos de aço novos, tanto a NBR 6327, quanto a API SPEC 9A admitem uma variação de –1% +5% do diâmetro nominal.

Outra dificuldade é como medir o diâmetro prático. O mesmo deve ser obtido medindo- se dois pontos distanciados, no mínimo 30 vezes seu diâmetro nominal, em dois planos a cada ponto onde cada aba do paquímetro devera ser posicionada apoiando-se em apenas uma perna de cada lado, como mostra a figura abaixo.

A medição deve ser evitada próximo às extremidades do cabo de aço, ou seja, um comprimento menor que 10 vezes o diâmetro nominal do cabo de aço, evitando- se medidas enganosas.

b) construção Antes de falarmos em construção, devemos esclarecer uma dúvida muito comum. Qual a relação entre “Construção” e “Classe”?

As normas apresentam as Classes como famílias, ou seja, 6x7; 6x19; 6x37; 8x19 entre outras. Cada Classe por sua vez, reúne várias construções cada qual pode apresentar um melhor desempenho em uma determinada aplicação. A norma NBR 6327 contempla as classes conforme tabela a seguir:

CABO DE AÇO

ALMA

PERNAS

CERTO

ERRADO

Devido sua característica, os cabos fabricados com pernas na composição FILLER possuem média resistência à fadiga por flexão e média resistência ao desgaste por abrasão.

Cabos fabricados com pernas nesta composição são recomendados para aplicações onde se exige uma média resistência ao desgaste por abrasão e uma média resistência à fadiga por flexão. Geralmente são cabos destinados ao uso geral.

c) Tipo de Alma O principal objetivo da alma no cabo de aço é, dar apoio às pernas de tal forma que o esforço aplicado seja uniformemente dividido entre as mesmas. A alma pode ser fabricada com vários materiais. Atualmente os materiais mais usuais são: arame de aço, sisal, polipropileno e polietileno. Em algumas aplicações, porém, são usados materiais especiais como, por exemplo, a ráfia.

Alma de Fibra (AF)

Alma de Aço (AA)

Alma de aço Cabo Independente (AACI)

Almas de Fibra Conhecida como a promotora de grande flexibilidade em cabos de aço, a alma de fibra pode ser subdividida em dois tipos:

 Alma de fibra natural (AF ): fabricada com sisal (material orgânico) extraído da natureza.

As fibras naturais absorvem maior quantidade de lubrificante, logo os cabos de aço com este tipo de ALMA possuem maior lubrificação interna, pois, quando pressionada pelas pernas libera parte do lubrificante armazenado promovendo uma boa lubrificação entre as mesmas. Após a retirada do esforço, consegue absorver grande parte do lubrificante liberado.

Embora observamos vantagens neste tipo de alma, devemos lembrar que este material é orgânico, sendo assim a possibilidade de deterioração em certas aplicações é real. A alma de fibra natural é frágil ao contato com umidade assim como a altas temperaturas. As normas recomendam que sejam apenas empregadas em ambientes com temperaturas até (82ºC).

 Alma de fibra artificial (AFA) : fabricada com um polímero. Geralmente polipropileno ou polietileno.

Diferente da fibra do sisal o filamento artificial não têm a mesma facilidade na absorção de lubrificante. Para garantir uma boa lubrificação interna no uso desta alma, é aplicada uma espessa camada de graxa na mesma, antes do fechamento do cabo.

Embora também não resistam a altas temperaturas (acima de 82ºC), este tipo de alma possui uma boa resistência à umidade.

Em campo, podemos verificar um desempenho similar dos cabos de aço fabricados com alma de fibra natural (AF) em relação aos fabricados com alma de fibra artificial (AFA).

Almas de Aço A alma de aço garante maior resistência a amassamentos e aumenta a resistência à tração do cabo.

Na prática, observamos que um cabo de aço com 6 pernas, apresenta um aumento da ordem de 7,5% na sua resistência à tração em relação a um cabo de aço com alma de fibra.

Da mesma maneira que a alma de fibra, a alma de aço pode ser subdividida em dois tipos:

 Alma de Aço (AA) : fabricada como uma perna do cabo.

 Alma de aço de um Cabo Independente (AACI) : fabricada como um cabo de aço.

A diferença básica da alma “AA” e “AACI” é a flexibilidade. Para cabos de aço com diâmetros acima de 6,4 mm (1/4”), geralmente é usada alma AACI.

Agora que conhecemos sobre almas, é importante estabelecermos um critério de uso de cabos de aço com “ ALMA DE FIBRA ” ou com “ ALMA DE AÇO ”.

Em situações onde o ambiente de trabalho possui temperatura até 82ºC, não possui névoa ácida (decaparias) e possua tambor de enrolamento com canais, os cabos de aço com ALMA DE FIBRA podem ser usados.

Em situações onde o cabo de aço possa trabalhar contrário às condições acima, é recomendado o uso de ALMA DE AÇO.

Em estais, recomenda-se também o uso de cabos de aço com ALMA DE AÇO, devido o menor alongamento.

d) Torção Quando tensionado, o cabo de aço tende a girar em sentido contrário ao sentido de torção das pernas. Este fenômeno é uma constante, durante a movimentação de carga.

Algumas características podem amenizar ou acentuar este fenômeno. A torção, por exemplo, é uma delas.

O cabo de aço pode ser produzido com dois tipos básicos de torção, como mostrado abaixo:

Torção Regular Na torção regular, o sentido de torção dos arames nas pernas é contrário ao sentido de torção das pernas no cabo.

Devido a essa característica de torção dos arames e das pernas, o cabo na torção regular terá maior estabilidade quando em trabalho, pois ao serem tensionados, os arames serão submetidos a um sentido de giro contrário ao sentido de giro das pernas, fazendo com que o cabo trabalhe com uma certa estabilidade.

DIREITA , o sentido de torção do cabo será à DIREITA. Caso comece na parte inferior à DIREITA e termine na parte superior à ESQUERDA , o sentido de torção do cabo será à ESQUERDA.

e) Acabamento Estaremos comentando sobre dois tipos de acabamentos em cabos de aço: POLIDO e GALVANIZADO.

O processo de tratamento superficial, não é realizado na fabricação do cabo de aço, e sim durante a fabricação do arame.

Embora chamamos o estado polido dos arames de “ACABAMENTO”, os mesmos não recebem nenhum tipo de proteção superficial, ou seja, é o aço carbono.

Os cabos de aço polidos atendem a maior parte das aplicações, tais como: guinchos, guindastes, pontes rolantes, laços, gruas, elevadores, entre outras.

Algumas aplicações, porém, podem expor o cabo de aço à ambientes agressivos ou a um contato direto com água, necessitando de uma proteção adicional contra a corrosão.

Para essas aplicações são recomendados cabos de aço GALVANIZADOS , fabricados com arames que recebem uma camada de zinco na superfície. O processo de zincagem poderá ser a fogo ou eletrolítico.

Outra dúvida bastante abordada quanto a cabos galvanizados é quanto a perda de resistência.

Antes de discutirmos o assunto, devemos saber da existência de dois tipos de processo para arames galvanizados: BITOLA FINAL e RETREFILADO.

Os arames galvanizados - BITOLA FINAL a fogo - apresentam uma redução de aproximadamente 10% da resistência, pois, durante o processo de zincagem a fogo o arame sofre um aquecimento da ordem de 500 ºC, promovendo a alteração da estrutura do material.

É importante ressaltarmos que, com o avanço tecnológico, a CIMAF pode produzir arames galvanizados a fogo sem que o mesmo tenha redução em sua resistência.

Os arames galvanizados a fogo e RETREFILADOS , embora tenham sua resistência reduzida pelo processo de zincagem, passarão pelo processo de retrefilação que como vimos anteriormente, causa no arame um aumento de resistência à tração, fazendo com que o arame não perca sua propriedade de resistência.

Estas observações valem para arames galvanizados a fogo. Arames submetidos ao processo de galvanização eletrolítica não sofrem redução em sua resistência.

f) Resistência dos Arames As normas contemplam algumas faixas de resistências nas quais os cabos de aço podem ser fabricados.

Baseados na norma API, as faixas utilizadas são: TS (Traction Steel), PS (Plow Steel), IPS (Improved Plow Steel), EIPS (Extra Improved Plow Steel) e EEIPS (Extra Extra Improved Plow Steel), comportando-se conforme mostra o gráfico.

Quando informado que a resistência do arame é de 180 kgf/mm², significa que em uma área de 1 milímetro quadrado do arame suportará uma carga de 180 kgf.

A resistência dos arames influencia diretamente na capacidade de carga do cabo de aço, pois, sendo assim, área metálica do cabo multiplicada pela resistência dos arames resulta no que chamamos de Carga de Ruptura Teórica (CRT).

CRT = A área metálica x Resistência dos Arames

Para calcularmos a área do cabo de aço, podemos considerar a seguinte fórmula:

Am = F x d²

Onde:

Am = Área Metálica

F = Fator verificado em tabela

d = diâmetro nominal do cabo

Abaixo tabela com fator “F”.

Em normas e catálogos, a capacidade de carga de ruptura de um cabo de aço é conhecida como “ CARGA DE RUPTURA MÍNIMA EFETIVA – CRME ”.

Se igualarmos a CRT a CRME , cometeremos um engano, pois ao calcularmos a CRT, estaremos considerando que todos os arames e pernas encontram-se paralelos entre si e com o eixo vertical, conforme mostra a figura a seguir.

Quando as pernas são torcidas em torno da alma, as mesmas se posicionarão diagonalmente em relação ao eixo axial do cabo reduzindo sua capacidade de carga.

Sendo assim, o cálculo da CRME se da pela seguinte fórmula:

C.R.M.E. = A área metálica x Resist. dos Arames x F

1 mm²

180 kgf

180 kgf

MANUSEIO DE BOBINAS

Geralmente as bobinas com cabos de aço podem ser manuseadas de 3 formas:

POR EMPILHADEIRA Quando a bobina estiver deitada deve ser apoiada sobre calços de madeira. Seu manuseio deverá ser feito posicionando as lanças da empilhadeira no flange inferior da bobina.

Quando a bobina estiver em pé, seu manuseio deverá ser feito posicionando as lanças da empilhadeira de modo que a bobina fique apoiada com os dois flanges nas duas lanças.

Caso seja necessário executar o tombamento da bobina, deverá ser utilizado um amortecedor (pneu) para que o mesmo absorva o impacto do tombamento.

POR TALHA

A bobina deverá ser içada, sempre utilizando um eixo passante.

MANUALMENTE

A bobina deverá estar em pé, sendo rolada.

O manuseio de bobinas deve seguir uma das formas sugeridas acima, caso contrário, o cabo de aço poderá ser danificado, a vida útil da bobina comprometida e promover acidentes.

ARMAZENAMENTO DE BOBINAS

Os cabos de aço devem ser armazenados, sempre que possível, em galpões ventilados sobre estrados de madeira.

Se a bobina for armazenada diretamente no chão, a possibilidade de seu o contato com umidade será maior, tendo como conseqüência seu apodrecimento e a deterioração do cabo de aço.

PNEU

CALÇO DE MADEIRA

Caso a bobina seja armazenada por um longo período, deve ser aplicado um fio de lubrificante na última camada de enrolamento. Quando da sua utilização, o excesso de lubrificante deve ser retirado com ajuda de uma escova de aço e relubrificado. Em hipótese alguma a retirada do lubrificante deve ser realizada com solventes. Se a bobina for armazenada ao relento, deve se evitar o contato direto com o solo, apoiando a mesma sobre um estrado, aplicando um fio de lubrificante na última camada e cobrindo-a com lona clara, permitindo que haja um mínimo de ventilação interna.

MANUSEIO DE CABOS DE AÇO

Cuidados especiais devem ser considerados, durante o manuseio do cabo de aço, a fim de evitar danos no mesmo.

Quando manuseado, o cabo tende a formação de olhais, que após tensionados, provocam o que chamamos de “nós” , deformando o cabo e conseqüentemente comprometendo seu desempenho e a segurança da movimentação da carga.

LAÇO NÓ DANOS DEVIDO AO NÓ

Sendo assim, quando o cabo de aço for retirado de uma bobina, o mesmo deverá ser desenrolado de acordo com uma das recomendações abaixo:

• A bobina pode ser posicionada em uma mesa giratória, fazendo com que o cabo permaneça reto e a mesma gire em torno de seu próprio eixo. - A bobina pode ser posicionada em um cavalete, fazendo com que o cabo permaneça reto e a mesma gire em torno de seu próprio eixo.

Na falta de uma mesa giratória ou cavalete, a bobina deverá ser rolada em torno de seu eixo, e o cabo mantido reto no chão.

Caso o cabo esteja em forma de rolo, o mesmo deverá ser desenrolado, fazendo que o rolo gire

POLIAS E TAMBORES

As condições de polias e tambores são tão importantes quanto às condições do cabo, pois, se o cabo de aço trabalhar em uma polia ou tambor inadequado, o desempenho do mesmo será insatisfatório.

Alguns fatores deverão ser considerados para um desempenho satisfatório tanto do cabo de aço como da polia e tambor, a saber:

• A relação do diâmetro (D) das polias e tambores com o diâmetro (d) do cabo devem variar em função da construção do cabo de aço. Na tabela abaixo a relação “D x d” possui valores recomendados pelo fabricante do cabo de aço.

Mesmo assim, alguns projetos de equipamentos requerem limitações dimensionais de polias e tambores. Para estes casos, a norma ASME sugere uma relação “D/d” menor que a proposta pelos fabricantes do cabo, porém garantindo um desempenho mínimo satisfatório do cabo de aço.

É importante ressaltar que, quanto maior a relação “D/d” menor será a fadiga por flexão verificada no cabo. Podemos notar isto no gráfico abaixo:

• O diâmetro do canal da polia deve ser baseado no diâmetro nominal do cabo. Abaixo, apresentamos uma tabela com tolerâncias recomendadas a serem adicionadas ao valor nominal do cabo para se obter o correto diâmetro do canal da polia.

As polias não devem possuir pontos com cantos vivos, principalmente na borda do flange. Estes pontos poderão promover danos indesejáveis no cabo de aço.

O canal da polia deve estar isento de defeitos superficiais que possam causar danos ao cabo de aço.

A seção transversal do canal deve permitir um perfeito assentamento do cabo no diâmetro a ser utilizado. Este assentamento deve variar da ordem de 135º à 150º. Sugere-se um ângulo de abertura da polia variando de 30º à 45º acompanhando o ângulo de assentamento.

Polias inferiores de um bloco de moitão devem ser equipadas com protetores para minimizar a possibilidade de sujar o cabo de aço quando o moitão estiver

apoiado no chão, assim como guiar os cabos para o canal da polia quando tensionado.

Todas as polias móveis devem possuir sistema de lubrificação ou trabalhar com rolamentos lubrificados e blindados.

Para polias de desvio, o ângulo máximo de defasagem em relação ao eixo central do tambor não deve ultrapassar a:

 TAMBOR LISO (sem canais) – 1º30’

 TAMBOR COM CANAIS

- 2º

Caso o ângulo de desvio exceda a recomendação, o cabo poderá atritar severamente contra a flange desgastando ambos ou ainda manter contato indevido com a volta adjacente já enrolada no tambor aumentando seu desgaste e provocando deformações.