Vantagens

Perdas de Cargas

As perdas de carga são perdas de energia hidráulica que acontecem devido à viscosidade da água e ao seu atrito com as paredes internas dos tubos ou conexões. Elas têm por consequência uma queda de pressão global, em redes por gravidade e gastos de energia suplementares com bombeamento (recalque).

Para calcular essas perdas, normalmente são utilizadas fórmulas como a Darcy, Colebrook-White e Hazen-William. Além disso, para escolher o diâmetro de uma canalização em ferro dúctil, revestida internamente com argamassa de cimento, adota-se geralmente um coeficiente de rugosidade (k) = 0,1mm.

Fórmula de Darcy

A fórmula de Darcy é a fórmula geral para o cálculo das perdas de carga:

• j: perda de carga (em m de carga do fluido por m de tubo);
• λ: coeficiente de atrito, adimensional, determinado pela fórmula de Colebrook-White;
• D: diâmetro interno do tubo (m);
• V: velocidade do fluido (m/s);
• Q: vazão (m3/s);
• g: aceleração da gravidade (m/s2).

Fórmula de Colebrook-White

A fórmula de Colebrook-White é hoje universalmente utilizada para determinar o coeficiente de atrito λ:

• Re = (Números de REYNOLDS);
• µ: viscosidade cinemática do fluido à temperatura de serviço (m2/s);
• k: rugosidade da superfície interna equivalente do tubo (m); observa-se que não é igual à altura real da rugosidade da superfície; é uma dimensão fictícia relativa à rugosidade da superfície, daí o termo “equivalente”.

Os dois termos da função logarítmica correspondem:

• Para o Primeiro Termo - à parte das perdas de carga devidas ao atrito interno do fluido com ele mesmo.
• Para o Segundo Termo - à parte das perdas de carga causadas pelo atrito do fluido com a parede do tubo; para os tubos idealmente lisos (k=0), este termo é nulo e as perdas de carga são simplesmente devidas ao atrito interno do fluido.

Fórmula de Hazen-Williams

A fórmula de Hazen-Williams, com o seu fator numérico em unidades métricas, é a seguinte:

• j =10,643 Q1,852 x C-1,852 x D-4,87

Onde:

• Q = vazão (m3/s);
• D = diâmetro interno do tubo (m);
• j = perda de carga unitária (m/m);
• C = coeficiente que depende da natureza (material e estado) das paredes dos tubos.

Rugosidade da Superfície dos Revestimentos Internos de Argamassa de Cimento

Os revestimentos internos feitos de argamassa de cimento centrifugado apresentam uma superfície lisa e regular. Uma série de testes foi realizada para avaliar o valor k da rugosidade da superfície dos tubos novos revestidos internamente com cimento e foi encontrado um valor médio de 0,03mm, o que corresponde a uma perda de carga suplementar de 5 a 7% (conforme o diâmetro do tubo) comparada a um tubo perfeitamente liso com um valor de k = 0 (calculado com uma velocidade de 1m/s).

Contudo, a rugosidade da superfície equivalente de uma canalização não depende somente da uniformidade da parede do tubo, mas do número de curvas, de tês e de derivações, além das irregularidades do perfil da canalização. A experiência mostra que k = 0,1mm é um valor razoável para ser adotado no caso de canalização de distribuição de água potável. Nos casos de grandes canalizações, que apresentem um pequeno número de conexões por quilômetro, k pode ser ligeiramente inferior (0,06 a 0,08mm).

Contudo, três observações podem ser feitas sobre as perdas de carga que ocorrem em canalizações de água funcionando sob pressão:

1) As perdas de carga correspondem à energia que é preciso fornecer para que a água circule na canalização; sendo constituídas da soma de 3 parcelas:

• o atrito da água com ela mesma (ligado à sua viscosidade);
• o atrito da água com a parede do tubo (ligado à rugosidade);
• as modificações locais de escoamento (curvas, juntas etc.).

2) O atrito da água com ela mesma (parcela a) que constitui, na prática, o essencial das perdas de carga; o atrito da água com as paredes (parcela b), que só depende do tipo de tubo, é bem menor: pouco mais de 7% da parcela a para um tubo de ferro fundido cimentado (k=0,03mm).

3) O diâmetro interno real da canalização tem uma influência considerável:

• para uma dada vazão (caso geral), a cada 1% a menos no diâmetro, corresponde a 5% a mais nas perdas de carga;
• para uma determinada carga (condução por gravidade), a cada 1% a menos no diâmetro, corresponde a 2,5 % a menos de vazão obtida.

Vantagens do Ferro Fundido

Uma série de pesquisas feitas nos Estados Unidos sobre as canalizações antigas e recentes em ferro fundido, revestidas internamente com argamassa de cimento, revelou valores de C (segundo a fórmula de HAZEN-WILLIAMS) para uma larga gama de diâmetros de tubos e de tempo de serviço.

Entretanto, em alguns casos de transporte de água bruta a baixa vazão, a experiência mostra que qualquer que seja a natureza do material da canalização, é preciso prever um aumento de k no decorrer do tempo.

Estes resultados referem-se a diferentes tipos de revestimentos internos de cimento e de águas provenientes de zonas geográficas muito diversas.

Pode-se concluir que:

• as canalizações revestidas internamente com argamassa de cimento asseguram uma grande capacidade de vazão constante ao longo do tempo;
• um valor global de k = 0,1mm constitui uma hipótese razoável e segura para o cálculo das perdas de carga em longo prazo, para os tubos revestidos internamente com argamassa de cimento e destinados ao transporte de água potável.

Fonte: Saint-Gobain Canalização

Características do Ferro Dúctil

O ferro fundido dúctil distingue-se dos ferros fundidos cinzentos tradicionais pelas suas propriedades mecânicas excecionais (elasticidade, resistência aos impactos, alongamento...). Estas são devidas à forma esferoidal das partículas de grafite.

Definição dos ferros fundidos

Uma classificação dos produtos em ferro pode ser estabelecida em função do teor em carbono no metal de base:

• Ferro: 0 à 0,1% de C;
• Aço: 0,1 à 1,7% de C;
• Ferro fundido: 1,7 à 5% de C.

Abaixo de 1,7 % de carbono, a solidificação gera austenite, material monofásico, na estrutura do qual todo o carbono fica em solução sólida.

Acima de 1,7% de carbono, este não pode ser dissolvido na totalidade na estrutura de ferro e, por conseguinte, solidifica-se sob a forma de uma segunda fase ou de grafite (C puro), ou de carboneto de ferro (Fe3C).

O ferro fundido é um material multifases, com estrutura complexa: os constituintes mais correntes são a ferrite (Feα) e a perlite (Feα + Fe3C).

Outros elementos, presentes no ferro fundido em proporções muito baixas, têm uma influência na estrutura, nas propriedades mecânicas, e na fundição do metal.

O silício (habitualmente de 1 a 3 %) tem um papel particular e faz, na realidade, do ferro fundido uma liga ternária: ferro, carbono, silício.

Diferentes Tipos de Ferros Fundidos

O termo “ferro fundido” abrange uma larga variedade de ligas Fe–C–Si. É usual classifica-las em famílias segundo o estado do grafite, com uma diferenciação adicional devido à estrutura da matriz metálica (ferrite, perlite, etc.).

Influência da Forma da Grafite

Nos ferros fundidos cinzentos, a grafite apresenta-se sob a forma de lamelas, daí o nome metalúrgico de ferros fundidos com grafite lamelar (ou ferro fundido FGL).

Cada uma destas lamelas de grafite pode, sob uma concentração de esforços anormais em certos pontos, levar ao aparecimento de uma fissura. Os metalúrgicos esforçaram-se para diminuir ou eliminar estes efeitos jogando com o tamanho das lamelas e a sua disposição.

A centrifugação permitiu obter lamelas muito finas que aumentam sensivelmente as qualidades mecânicas do ferro fundido.

Um passo decisivo foi alcançado em 1948, quando pesquisas realizadas nos Estados-unidos e em Grande-Bretanha permitiram obter um ferro fundido com grafite esferoidal (ou ferro fundido FGS), mais conhecido sob o nome de ferro fundido dúctil.

A grafite já não se apresenta sob a forma de lamelas, mas é cristalizada sob a forma esférica. As linhas de propagação das ruturas são assim eliminadas.

A cristalização da grafite sob a forma de esferas é obtida pela introdução controlada de uma pequena quantidade de magnésio num ferro fundido de base previamente dessulfurado.

Características do Ferro Fundido Dúctil

O ferro fundido dúctil tem características mecânicas excecionais graças à forma esferoidal da grafite que contém:

• Resistência à tração;
• Resistência aos impactos;
• Elevado limite elástico;
• Alongamento importante.

Estas características ainda podem ser melhoradas pelo domínio da análise química e do tratamento térmico da matriz metálica.

O ferro fundido dúctil conserva, no entanto, as qualidades mecânicas tradicionais dos ferros fundidos, provenientes do seu forte teor em carbono:

• Resistência à compressão;
• Aptitude na moldagem;
• Resistência à abrasão;
• Maquinabilidade;
• Resistência à fadiga.

O Ferro Fundido Dúctil

Todos os tubos, acessórios para a adução de água, são fabricados em ferro fundido GS conforme à norma EN 545 e à norma ISO 2531.

Nota 1: Por acordo entre o fabricante e o cliente, o limite convencional de elasticidade a 0,2 % (Rp0,2) pode ser medido. Não deve ser inferior a:- 270 MPa quando A ≥ 12 % para os DN 40 a 1 000 ou ≥ 10 % para os DN > 1000; - 300 MPa nos outros casos.

Características comparadas dos ferros fundidos para tubos centrifugados.

A dureza Brinell não deve exceder 230 HB para os tubos e 250 HB para os acessórios. Para os componentes fabricados por soldadura, uma dureza Brinell mais elevada é admitida na zona afetada termicamente pela soldadura.