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O projeto em questão trata de buscar uma solução para realizar o carregamento de vagões-tanque de forma bottom (por baixo). Atualmente todos os vagões que carregam combustíveis no Brasil são carregados de forma top (pela parte superior do vagão), pois a infraestrutura do Brasil é oriunda de tecnologia baseada no modelo argentino.
Tipologia: Trabalhos
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Projeto desenvolvido na disciplina de Metodologia de Projeto - ENG03001 como requisito parcial para aprovação.
Porto Alegre, Setembro de 2021
O projeto em questão trata de buscar uma solução para realizar o carregamento de vagões-tanque de forma bottom (por baixo). Atualmente todos os vagões que carregam combustíveis no Brasil são carregados de forma top (pela parte superior do vagão), pois a infraestrutura do Brasil é oriunda de tecnologia baseada no modelo argentino. Atualmente no mundo, todos os vagões já são carregados de forma bottom , uma vez que, se reduz o risco de derramamento e principalmente explosões devido a carga estática presente nas moléculas do combustível ao ser carregado. Assim, o grupo pretende buscar uma solução, utilizando a infraestrutura de abastecimento atual para carregar os vagões de forma bottom. Propõe-se uma peça adaptada para utilizar os mesmos braços da descarga de vagão, que já é realizada de forma bottom , mas que possa ser roscada no acoplador da parte inferior do vagão. Essa peça deverá resistir a vibrações e a alta pressão de carregamento. Assim, esse projeto irá por meio de uma análise estrutural, verificar o atendimento das exigências para sua utilização, respeitando obrigatoriamente as normas de transporte e abastecimento de combustíveis, bem como, estudar os métodos de fabricação do componente e os custos envolvidos para a sua produção industrial. Dessa forma, espera-se desenvolver um componente de excelente confiabilidade operacional associado a custos competitivos de comercialização.
Responsáveis Técnicos:
Adriel Vergílio Gabriel Alves Resende Gustavo Trindade Iserhardt Luiz Antônio da Costa Silveira Rafael Neponuceno da Silva
1.1. Análise do Problema As operações de carregamento de vagão tanque no Brasil, atualmente são todas realizadas de forma top (pelo bocal de cima do vagão), conforme mostrado na Figura 1, apesar de no mundo essa operação já ser realizada de forma bottom (pelo bocal acoplador da parte inferior do vagão), pois a infraestrutura brasileira conta com vagões remanescentes da indústria argentina da década de 70 quando ainda não se previa carregamento bottom.
Figura 1 – Bocal de carregamento top Toda operação de carregamento de líquidos inflamáveis forma uma atmosfera inflamável devido à aceleração das moléculas em movimento no tanque que geram eletricidade estática e ao ponto de fulgor do combustível a ser carregado. Essa atmosfera inflamável é consideravelmente reduzida em carregamentos bottom , operação que já é realizada em Auto tanques (caminhões) no Brasil, pois o combustível é carregado sem “bater” no fundo do tanque a alta velocidade e o tanque fica com menor exposição a atmosfera, pois o carregamento ocorre de forma selada, reduzindo assim a carga estática gerada e os riscos de explosões. A fim de garantir um melhor cumprimento da norma NR 20, reduzir os riscos e exposição aos operadores, bem como reduzir o risco de desastres ambientais o projeto “ACOPLADOR DE FUNDO PARA CARREGAMENTO BOTTOM DE VAGÕES TANQUE” propõe a idealização e construção de um acoplador funcional para realizar a operação de carregamento de vagões tanque de forma bottom. A descarga de vagões já ocorre de forma totalmente bottom , pois essa não precisa de altas vazões para descarregar, uma vez que, a própria pressão de coluna do líquido é o suficiente para escoar o produto, conforme Figura 2. Portanto, o acoplador será projetado com o intuito de utilizar a infraestrutura já existente de descarga de vagões, sem grandes adaptações e custos elevados de engenharia.
Figura 2 – Descarga de Vagão Tanque
1.2. Avaliação de Mercado
1.2.1 Região Sul
A malha ferroviária gaúcha controlada por longo período pela Rede Ferroviária Federal (RFFSA), foi concedida para a iniciativa privada em 1997 à empresa América Latina Logística (ALL), que até 2013 detinha também áreas de concessão do norte da Argentina (ATLAS, 2020). A operação de concessão mais recente é da empresa Rumo, nova companhia resultante da fusão Rumo - América Latina Logística (ALL). Com concessão para o período de 1997 a 2027 e operação das malhas dos estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná e São Paulo é chamada de RMS – Rumo Malha Sul. Segundo a ANTT, o Rio Grande do Sul possui uma malha de aproximadamente 3.259 km de linhas e ramais ferroviários utilizados quase exclusivamente para o transporte de cargas. De acordo com o Anuário Estatístico dos Transportes, os centros de transferência de cargas que apresentam maior movimentação localizam-se em Canoas, Cruz Alta, Passo Fundo e Rio Grande, junto ao Porto. Os principais produtos transportados são: commodities agrícolas: soja e farelo de soja, combustíveis e derivados, produtos agrícolas, açúcar, contêineres, adubos e fertilizantes, produtos de extração vegetal e celulose, cimento e produtos industrializados para construção civil. A Figura 3 mostra como é distribuído o modal ferroviário do estado do Rio Grande do Sul.
Figura 4 – Produção despachada por transporte ferroviário (1997-2019)
Desde o início das concessões, as ferrovias já investiram mais de R$ 75 bilhões (valores correntes), que representam mais de R$ 113 bilhões se atualizados pelo IPCA de 2019. Esses recursos foram destinados, principalmente, a melhoria e recuperação da malha, a compra e reforma de material rodante, e para aquisição de novas tecnologias, capacitação profissional, qualificação das operações, entre outros. Abaixo, na Figura 5 é apresentado o gráfico de investimentos destinados ao setor.
Figura 5 – Investimentos no transporte ferroviário brasileiro (1997-2019)
Nesses mais de 20 anos de concessão à iniciativa privada, as ferrovias ampliaram a participação na matriz de transporte do Brasil e respondem por cerca de 15% (ANTF, 2019). A partir Figura 6 percebe-se o quão pouco explorado é o setor ferroviário no Brasil, principalmente, quando comparado a países de mesmo porte territorial.
Figura 6 – Participação do transporte ferroviário em diferentes países
Ainda em comparação a outros países que utilizam ferrovias, a Figura 7 mostra a discrepância da densidade das malhas ferroviárias do Brasil.
Figura 7 – Densidade de malhas ferroviárias por dimensão territorial
Nota-se que o setor ferroviário é um segmento com grande potencial a ser desenvolvido no Brasil já que o país conta com dimensões físicas continentais, podendo, assim, explorá-lo de uma forma muito mais eficiente, possibilitando melhorar as condições logísticas interna em paralelo ao setor rodoviário.
Figura 8 – Adaptador de fundo padrão para carregamento de tanque
Na posição de abertura, o adaptador deve ter uma abertura clara e desobstruída de 2 pol. (50,8 mm) de profundidade, medida a partir da face externa ou do fechamento de válvula, como é mostrado na imagem anterior. Se um dispositivo de gatilho for usado, o gatilho do adaptador deve ter um curso de 2 pol. (50,8 mm), medido a partir da superfície de vedação, conforme mostrado na Figura 8. A face frontal do gatilho deve ser plana dentro de 0,004 pol. (0,102 mm), excluindo o raio de canto. O dispositivo de fixação não deve sobressair acima do plano geral da face do adaptador. Se um controle de bloqueio for instalado no adaptador, suas dimensões deverão estar de acordo com os valores apresentados na Figura 9. A Tabela 1 fornece os valores SI equivalentes das dimensões apresentadas nas Figuras 8 e 9.
Figura 9 – Controle de bloqueio padrão para adaptador de fundo
** A forma do atuador da válvula é opcional. Uma parte deve estar dentro desta faixa e ter uma dimensão circunferencial mínima de 1 pol. (25,4 mm), conforme mostrado. A largura do atuador deslocando dentro da faixa mostrada deve ser adequada para suportar a operação normal.
a) eliminar ou minimizar a emissão de vapores e gases inflamáveis; b) controlar a geração, acúmulo e descarga de eletricidade estática.
20.7.4 No processo de transferência de inflamáveis e líquidos combustíveis, deve-se implementar medidas de controle operacional e/ou de engenharia das emissões fugitivas, emanadas durante a carga e descarga de tanques fixos e de veículos transportadores, para a eliminação ou minimização dessas emissões.
1.5. Tipificação de usuários
Os usuários típicos do produto são as empresas que operam vagões tanques antigos que não foi projetado para o carregamento inferior, como companhias de logística, de combustível, química e petroquímica, e outras trabalham com material líquido inflamável. Portanto, o produto deve atender a padrões rigorosos de segurança industrial e será operado por profissionais capacitados e treinados.
1.6. Atributos desejáveis
O acoplador deve atender às necessidades do operador e da operadora da malha ferroviária, que tem como principal objetivo obter maior segurança em sua atividade comercial. Pensando nisso, o projetotem que atender o melhor custo benefício possível, tendo os atributos abaixo: a) Robustez: o produto deve ser durável e forte (alta vida útil), tendo em mente que irá trabalhar durante muitas horas. b) Manutenção: este é um atributo que deve cooperar com a vida útil do produto e simplificar a manutenção prevista do mesmo para que possa ser feita pelo próprio operador, como a eventual troca de componentes externos desgastados, por exemplo. c) Higiene e Segurança: o produto deve ser equipado com dispositivos capazes de garantira segurança de qualquer classe de operador. d) Eficiência: Relacionado a garantir o próximo de 100% da distribuição do combustível. e) Fabricação: este atributo é importante pensando em reduzir o custo do produto e para produção em larga escala. f) Custo: Visando atrair os consumidores, o custo de fabricação e consequentemente de aquisição do produto deve ser reduzido.
1.7. Previsão de regime de produção
O principal benefício da implementação do acoplador de fundo em vagões tanque é a redução da carga estática no processo de carregamento, e deste modo, há uma diminuição significativa do risco de explosões, proporcionando maior segurança à operação, e descartando possíveis danos e custos relacionados. Portanto, a utilização deste acoplador significa um ótimo custo-benefício às empresas, e assim é justificado a expectativa de uma grande demanda pelo mesmo, sendo adequado o regime de produção em grande escala.
1.8. Referencial teórico conceitual
O principal aspecto a ser analisado no acoplador é a resistência mecânica, de modo a obter um acoplador que resista às vibrações e a alta pressão de carregamento (HIBBELLER, 2000). Este aspecto será fundamental para a seleção do material, cujas propriedades deverão estar adequadas à magnitude dos esforços mecânicos no qual o acoplador estará submetido. Uma das principais propriedades do material a ser analisada é o módulo de elasticidade (ou módulo de Young) que define a rigidez do material. Quanto maior o módulo de elasticidade, mais rígido é o material, e portanto, menor será a sua deformação elástica. Geralmente o material selecionado para acopladores é o alumínio, cujo módulo de elasticidade é aproximadamente 70 GPa. Também é importante analisar as propriedades químicas dos materiais que serão selecionados, pois é necessário assegurar que os mesmos sejam compatíveis com os combustíveis, como é o caso dos elementos de vedação, evitando que ocorra reações químicas indesejadas.
tanque ferroviário; o subsistema de detecção do nível de líquido é disposto no corpo do tanque do vagão-tanque ferroviário e está eletricamente conectado com o controlador quantitativo de carregamento; e o controlador quantitativo de carregamento está conectado ao tubo do guindaste de carga e descarga pelo fundo e à válvula. De acordo com o modelo de utilidade, a eficiência de carregamento pode ser efetivamente melhorada, a intensidade de trabalho é reduzida, o progresso de carregamento pode ser verificado no local a qualquer momento, e o carregamento e descarregamento por baixo do vagão-tanque ferroviário é mais benéfico para a realização do controle quantitativo automático e preciso do carregamento.
CN210944849 U [9] , depositada em 27/08/2019, sob o título “RAILWAY TANK CAR BOTTOM LOADING AND UNLOADING CRANE PIPE”. O modelo de utilidade mostra um tubo suspenso de carga e descarga no qual compreende por um vagão-tanque ferroviário e um tubo suspenso. A extremidade do tubo é conectada através de uma válvula na parte inferior do vagão-tanque. O tubo suspenso é composto por uma coluna de suporte fixado ao solo, um suporte rotativo, uma placa de fixação, um eixo de conexão, um braço interno, uma biela, um conector giratório, um flange, um segundo conector giratório, um tubo curvado, um terceiro conector giratório, um braço externo, um quarto conector giratório, um tubo vertical, um suporte de fixação, uma placa de suporte e um cilindro de mola (FIGURA 11). Durante a operação do tubo de carga e descarga, apenas o braço de carregamento precisa ser conectado manualmente no fundo do vagão-tanque. Segurança e rapidez são alcançadas, o uso é conveniente, ao mesmo tempo em que os respingos voláteis do líquido e a eletricidade estática podem ser reduzidas através do carregamento por baixo.
Figura 11 - Desenho referente a patente CN210944849 U
2.2. Geração de conceitos
2.2.1. Fluxo de Funções
Cada uma das funções que o componente deve atender possuem diversos conceitos como possibilidade para o cumprimento da sua tarefa, abaixo temos alguns possíveis conceitos para a concepção do mesmo:
Para o corpo do conector bottom:
Material: ● Aço inoxidável ● Liga de alumínio ● Ferro fundido ● Cobre/Zinco Formato: ● Cilíndrico ● Hexagonal Arranjo do conector ● Modelo em corpo único ● Bi-partido com elemento flexível Forma de fixação: ● Rosqueado ● Engate rápido ● Flangeado Vedação ● Polímeros - PBT ● Polímeros - PTFE ● Elastômero - HNBR ● Elastômero - FFKM Dispositivos adicionais ● Alças de posicionamento ● Controlador de fluxo ● Tampão
2.3. Seleção de conceitos
Dados os atributos desejáveis para o produto listado no item 1.6, é possível atribuir pesos aos mesmos conforme sua concepção de importância para o projeto do produto. Foi definido um grau de importância em cada atributo variando de 0 a 10, conforme a lista a seguir:
a. Robustez = 10: Como o principal objetivo do componente é suportar altas vibrações, esse aspecto recebeu o peso máximo. b. Manutenção = 7: Associado à robustez e facilidade de manutenção/utilização do componente. c. Higiene e Segurança = 10: Peso máximo por se tratar de um parâmetro essencial para que o produto funcione com o mínimo potencial de risco aos operadores e a integridade do próprio produto. d. Eficiência = 9: Relacionado a garantir o próximo de 100% da distribuição do combustível. e. Fabricação = 7: Relacionado a produção do componente. f. Estética = 4: Aspecto considerado com peso inferior aos demais por ser considerado fator secundário. g. Custo = 9: Parâmetro a ser otimizado considerando requisitos mínimos de confiabilidade estrutural e segurança no manuseio.
A partir de conhecimentos prévios das características dos 8 conceitos gerados foi possível atribuir uma nota para cada conceito em cada um dos itens listados acima e gerar a matriz de seleção de conceitos a seguir:
Tabela 2 - Tabela de decisão de conceitos
Da matriz de conceitos chegou-se ao conceito C3 por sua elevada robustez, segurança e eficiência, apesar de ser um conceito com custo possivelmente mais elevado por priorizar os aspectos de robustez e segurança.
2.4. Detalhamento do conceito
O conceito escolhido envolve a utilização de um conector bottom capaz de fornecer praticidade no manuseio (engate rápido), excelente resistência a óleos e combustíveis em geral no quesito vedação, como boas condições de usinabilidade por ser concebido em alumínio. Ainda, escolheu-se a geometria hexagonal, por questões estéticas e de melhor aderência ao contato, permitindo ao operador maior segurança na utilização.
Nas Figuras 12 e 13, pode-se observar representações do conceito proposto, sendo um desenho em perspectiva e outro com vista em corte com detalhamento dos componentes, respectivamente. O conector bottom conceitual, consiste de duas alavancas com superfície auto-travante semi-circular, um anel de vedação em FFKM entre o dispositivo da mangueira de abastecimento e o conector propriamente dito, bem como a carcaça com geometria usinada de forma abaulada para permitir o posicionamento das alavancas.
Figura 12 e 13 – Desenho de detalhamento do conceito escolhido 1 – Carcaça do conector, 2 – alavancas auto-travantes, 3 – dispositivo conector da mangueira de abastecimento, 4 – anel de vedação
