O documento discute a fabricação de cilindros de alta pressão para armazenamento de biometano. Os cilindros seriam feitos de aço inoxidável ou alumínio reforçado com fibra de carbono. O processo de fabricação incluiria conformação mecânica, tratamento térmico e testes para garantir a resistência estrutural dos cilindros sob altas pressões.

1. Estudo para fabricação de cilindros especiais
para biometano
José de Souza1
Lirio Schaeffer2
Resumo
O biometano, biogás filtrado, composto em torno de 90% de metano,
pode ser utilizado como combustível em veículos automotores. Este com-
bustível tem potencial poluidor menor que os de origem fóssil. Além dis-
so, a geração do biometano constitui-se em uma ação despoluidora do
meio ambiente, pois utiliza resíduos urbanos, esgotos, biomassa vegetal,
etc. O armazenamento do biometano é fundamental para não restringir e
limitar a utilização deste ao local onde é produzido. Uma alternativa é a
de fabricar cilindros de alta pressão e para isso verificou-se o processo de
fabricação, as normas a serem observadas e a modelagem tridimensional
de um cilindro para armazenamento de biometano.
Palavras chave: Cilindros. Biometano. Transporte de biometano.
Abstract
Biomethane is composed around 90% of methane and can be used as
combustible in cars and other vehicles. This fuel has lesser polluting
potential than the others of fossil origin. Moreover, the generation of the
biomethane is a friendly environment production because it uses urban
residues, solid waste, vegetal biomass and others. The storage of the
biomethane is necessary for not limit the utilization of this gas to the place
where it is produced. An alternative is to manufacture high-pressure
cylinders. For this we studied the processes of manufacture, the tests of
quality for the construction of the cylinders and modeled a cylinder for
biomethane storage.
Keywords: Cylinders. Biomethan. Transport of biomethane.
1 Introdução
pressão ambiente. A pressão e temperatura
As alternativas para armazenagem de requerida é de -82,5° C e 47,5 bar, respectiva-
biometano dependem de fatores como consu- mente (KAPDI, 2005). As formas mais usuais
mo e tecnologia. Esse combustível não pode de armazenamento deste gás à baixa pressão
ser armazenado facilmente devido ao fato de são as próprias câmaras de biodigestão ou gasô-
que não pode ser liquefeito à temperatura e metros, em balões de Vinil, PEAD (Polietileno
1
Tecnólogo em Automação Industrial (Universidade Estadual do Rio Grande do Sul) Mestrando em Engenharia de Materiais, Minas e Metalurgia
(Universidade Federal do Rio Grande do Sul) e-mail: jose@ped-energia.com - Fone (51) 81733945.
2
Engenheiro Mecânico pela UFRGS, Mestre em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais pela UFRGS e Doutor em Conformação Mecânica pela
Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule/Aachen. Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica – LdTM, Centro de Tecnologia da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul. E-mail: lirio.shaeffer@pesquisador.cnpq.br Fone (51) 3308 6134
Artigo recebido em 16/06/09 e aceito em 18/05/2010

2. Souza, J., Schaeffer, L.
de alta densidade) e mantas emborrachadas. O biometano pode ser utilizado em auto-
Estas formas limitam a utilização do mesmo móveis adaptados ou construídos para o uso
ao local de produção inviabilizando o seu do gás natural, pois o motor a gasolina pode
transporte. Para altas pressões, a alternativa também ser movido por este combustível
mais viável é a de cilindros em aço inoxidá- (RUTZ; RAINER, 2007). As principais fontes
vel. Estes cilindros facilitarão seu transporte e biomassa que podem ser exploradas para a
estocagem e o manuseio, além disso, o gás obtenção do biometano são:
pode ser utilizado como combustível em ve- • Biomassa orgânica agrícola;
ículos automotores. No entanto, é necessá- • Biomassa vegetal urbana;
rio buscar a padronização através da norma- • Efluentes agrícolas de animais;
tização dos processos de fabricação destes • Esgoto doméstico urbano e rural;
cilindros e desenvolver parâmetros confiáveis • RSU (Resíduos Sólidos Urbanos);
com base em referências normativas para • Outros.
transporte, manuseio e estocagem. Este tra-
balho tem como objetivos avaliar o proces- 2.2 Dos requisitos para fabricação dos
so de fabricação para um cilindro de biome- cilindros
tano, verificar as normas a serem observadas
para a produção e os testes necessários para Os cilindros de armazenamento de gases
se averiguar a qualidade do mesmo. Para devem ser resistentes para suportar grandes ten-
uma melhor compreensão e visualização do sões. Porém, o cilindro deve apresentar baixo
tema, desenvolveu-se a modelagem tridimen- peso para não comprometer a capacidade de
sional de um cilindro para armazenamento carga do veículo na combustão ou em seu trans-
de biometano. porte. Por isso um cilindro de alta pressão para
biometano pode ser fabricado a partir de um
2 Cilindros para biometano tubo de aço-liga cromo-molibdênio, sem cos-
tura e de espessura de parede entre 8 e 10 mm
2.1 Biometano (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS, 1993). O tubo deverá passar por
O biometano é obtido através da filtragem um processo de repuxamento e conformação
e tratamento do biogás que é obtido através da das extremidades (base de um lado e gargalo
decomposição de materiais orgânicos por bac- do outro). Na figura 1, pode-se verificar o for-
térias anaeróbicas, denominadas de metano- mato da matriz e da punção para forjamento
gênicas. Estas se desenvolvem em diferentes do cilindro.
estágios dentro de câmaras fechadas sem con-
tato com o ar, conhecidos por biodigestores. O
desenvolvimento das bactérias tem como re-
sultado a quebra desse composto orgânico que
é transformado em metano (HANDBOOK ON
BIOGAS UTILIZATION, 1990).
O biogás difere em sua composição em
função do processo fermentativo e do substrato
que é usado na biodigestão. Basicamente é com-
posto por 55 a 85% de Metano (CH3), 20% de
Dióxido de carbono (CO2) e o restante de Ni-
trogênio (N), Oxigênio (O), Ácido Sulfídrico
(H2S) e Amônia (CH3) (OGEJO, 2007). Atra-
vés da filtragem, obtém-se uma elevação da con-
centração do metano em torno de 90%, fator
necessário para que o mesmo possa ser utiliza-
do como biocombustível em veículos
automotores que utilizam gás natural, metano Figura 1 – Corte de conjunto de forjamento de cilindro
fossilizado (BIRATH, 2008). para Biometano (Geratriz)
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3. Estudo para fabricação de cilindros...
Depois da conformação e do tratamento o usuário, ou seu agente credenciado, deve
térmico (têmpera e revenido), todos os cilin- preparar um documento formal denominado
dros deverão ser ensaiados de modo a detectar ‘especificação de projeto usuário’ (user´s
algum tipo de defeito construtivo, como trin- design especification), indicando as condições
cas e falhas que possam comprometer sua in- de operação do vaso (fluido contido, pressão e
tegridade estrutural (ASSOCIAÇÃO BRASI- temperatura). Inclusive para situações transitó-
LEIRA DE NORMAS TÉCNICAS,2003). rias ou anormais, necessidade ou não de análi-
Os cilindros podem também ser fabri- se de fadiga para serviços cíclicos, detalhando
cados em alumínio e reforçados com fibra os dados necessários para essa análise, neces-
de carbono. Estes são significativamente sidade ou não de margem para corrosão e ero-
mais leves que os de aço-liga, porém seu são, ou de tratamentos térmicos. A norma exi-
preço será mais elevado devido ao custo des- ge também que seja feito um acompanhamen-
tes materiais. As características físicas do ci- to do comportamento do vaso em operação e
lindro de alta pressão exigem que este equi- em manutenção, durante toda a sua vida útil,
pamento seja fabricado seguindo um con- pelo usuário responsável pela especificação de
junto de etapas que permitem a obtenção de projeto.
um equipamento seguro e confiável. Estas Conforme NR13 (1994), vasos de pres-
etapas compreendem as especificações do são são equipamentos que contêm fluidos sob
projeto, análise, ensaios mecânicos destruti- pressão interna e que recebem:
vos e não destrutivos e, por fim, a aprovação. · Prontuário do Vaso de Pressão;
· Registro de Segurança;
2.3 Matérias primas para fabricação · Projeto de Instalação;
· Projeto de Alteração ou Reparo;
A matéria-prima para fabricação dos ci-
· Relatórios de Inspeção.
lindros deve ser cuidadosamente seleciona-
No projeto de cilindros de alta pressão
da. Os tubos de aço-liga sem costura são re-
para biometano, é utilizado o cálculo das ten-
cebidos do fabricante em diversas bitolas,
sões nas paredes dos recipientes e análise por
acompanhados dos certificados de análise
elementos finitos, com auxílio de programas
química e dos testes hidráulicos, realizados
de computador. Os dados calculados devem,
individualmente para cada lote de tubos.
então, ser verificados experimentalmente,
Em seguida, deverão ser verificadas suas
usando-se equipamentos de medição de ten-
características químicas, físicas, mecânicas e,
sões na parede do cilindro, denominados de
quando necessário, sua resistência à corrosão
extensômetros. É necessário garantir que o
sob tensão. A análise mecânica da fratura do
cilindro suporte uma pressão superior a duas
aço-liga empregado para fabricação do cilin-
vezes a pressão nominal (ASSOCIAÇÃO
dro permite ao fabricante definir qual o máxi-
BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS,
mo defeito permissível a fim de possibilitar:
2000). Na figura 2, apresenta-se um exem-
· estabelecer o ensaio não destrutivo mais ade-
plo para visualização de um cilindro para
quado para a linha de produção;
biometano com capacidade de 100 litros.
· garantir a vida útil do produto;
No projeto do cilindro, considerando o
· demonstrar que sua falha é sempre precedida
processo de conformação mecânica, é neces-
por início de trinca ocasional no cilindro.
sária a utilização do cálculo estrutural, para
2.4 Projeto dos cilindros isso pode ser utilizado um software dedica-
do, um programa de análise estrutural por
Para projetos de vasos de pressão, con- elementos finitos que dispõe de recursos para
forme o código ASME (American Society a elaboração de diversos modelos estruturais,
Mechanical Engineers, 2004), em qualquer versátil e evolutivo para análise estrutural. A
caso é exigido que o vaso seja destinado a um conformabilidade na produção de cilindros
serviço específico preestabelecido, e para isso metálicos pode ser avaliada quantitativamente
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4. Souza, J., Schaeffer, L.
Figura 3 – Corte da cúpula do cilindro
260 bar de maneira que os cilindros deverão
ser projetados para adequarem-se aos seguin-
tes limites de pressão:
a) Pressão estabilizada a 200 bar a uma tempe-
Figura 2 – Cilindro para biometano
ratura estável de 15º C;
a partir de alguns parâmetros como: coefici- b) A pressão máxima não pode exceder 260
ente de encruamento (n), coeficiente de bar, independentemente das condições de en-
ansiotropia (r) e constante plástica de resis- chimento ou da temperatura.
tência (K), através de uma curva limite de A temperatura dos materiais do cilindro
conformação (CLC) (VIJAY, 2006). O conhe- pode variar de -40º C a 82º C. Temperaturas
cimento do comportamento dos materiais con- acima de 65º C devem ser localizadas ou existi-
formados, quando sofrem o processo em si, rem por curto período de tempo, de modo que a
é de suma importância para o projeto das fer- temperatura do gás no cilindro não ultrapasse
ramentas e do processo. As curvas de limite 65º C.
de conformação trazem informações dos es- Os cilindros para gases devem ser fabri-
tados de tensão do estado do cisalhamento cados, conforme normas técnicas de fabrica-
até o de tensões mais baixas e balanceadas ção nacionais, para poderem ser utilizados
correspondendo aos dados de estampagem como reservatórios de gás. Estes cilindros de-
profunda até o estiramento puro. Através da vem ser fabricados a partir de tubos de ligas de
curva de limite de conformação, pode-se ava- aço especiais sem costura e sem solda (uma
liar o estado de deformação do tampo do ci- vez que não é indicado através de norma), de
lindro (figura 3) e a probabilidade de ocor- forma a garantir resistência às altas pressões de
rência de falha. serviço. A pressão de trabalho dos cilindros é
superior a 200 bar (20 MPa).
2.5 Ensaios e testes na fabricação dos Os cilindros para gases devem apresentar
cilindros resistência a choques e colisões que podem
ocorrer no transporte, manuseio e instalação.
Foi pesquisada uma série de requisitos que Para garantir esta resistência, os cilindros de-
devem ser observados na produção de cilin- verão ser testados e ensaiados durante o pro-
dros recarregáveis para armazenamento de cesso de fabricação, além disso, alguns deles
biometano a altas pressões, para ser utilizado devem ser separados aleatoriamente para tes-
como combustível automotivo. A pressão de tes mecânicos de destruição em testes de con-
operação dos sistemas para GNV é de 200 bar trole de qualidade. Os cilindros fabricados no
a uma temperatura de 15° C. Isso significa que Brasil recebem o selo de qualidade pelo orga-
este limite deverá ser observado para os cilin- nismo de certificação do produto credenciado
dros de biometano. A pressão máxima será de pelo Inmetro, (Instituto Nacional de Metrologia).
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5. Estudo para fabricação de cilindros...
Os ensaios e testes de novos cilindros são
executados de diversas formas:
a) Ensaios mecânicos como tração, impacto,
ruptura hidráulica, dobramento e achatamen-
to, rugosidade e análise química na matéria-
prima;
b) Verificação de requisitos de segurança num
cilindro de amostra do lote de fabricação;
Estes requisitos são:
· Teste de ruptura hidráulica;
· Ensaio de pressão cíclica;
· Ensaio de dobramento e impacto;
Figura 4 – Tratamento térmico em cilindro para gases
· Resistência ao fogo; (Fonte: MAT)
· Resistência a projéteis;
· Ensaio ambiental; Depois disso deverão ser efetuados os tes-
· Ensaio cíclico de temperatura extrema.
tes para verificação de qualidade. Em seguida
Durante a etapa de produção, 100% dos
o cilindro deve usinado para receber uma saí-
cilindros devem passar pelos seguintes ensaios:
· Ensaio de dureza (Brinel ou similar); da rosqueável no pescoço. Deverá, ainda, re-
· Inspeção de ultra-som; ceber acabamento externo, pintura e identifi-
· Ensaio hidráulico de expansão volumétrica; cação, conforme normas de identificação de
· Teste dimensional, inclusive da rosca do cilindros para gases (ISO 11439:2000).
gargalo;
· Verificação da marcação do cilindro; 4 Conclusões
· Verificação do acabamento superficial in-
terno e externo. É cada vez maior a produção de biogás, e
Deve-se, ainda, providenciar o ensaio as tecnologias para a geração deste melhoram
destrutivo de ruptura hidráulica em um cilin- a cada dia. Nesse sentido é imprescindível a
dro de amostra do lote fabricado. construção de cilindros especiais gerando sua
utilização eficiente. Não é recomendável que
3 Processos de fabricação se utilizem cilindros fabricados para GNV (Gás
Natural Veicular) aplicado ao biometano. Este
O processo de fabricação de cilindros de último pode ser quimicamente agressivo, de-
alta pressão pode ser descrito em passos ou pendendo da sua composição que contém gran-
processos a serem executados. de quantidade de agentes corrosivos em fun-
O primeiro processo a ser executado para ção da região ou da utilização do gás. Portan-
a fabricação de cilindros é o corte da chapa, to, é necessária a construção de cilindros espe-
quando são estabelecidos os tamanhos e a ca- ciais, respeitando as normas de fabricação, as-
pacidade hidráulica dos cilindros. A conforma-
pecto e identificação dos mesmos. É reprová-
ção da chapa é o processo responsável pela
vel a utilização de recipientes de outros gases
forma, uma vez que o cilindro não pode ser
para o biometano ou biogás. Além disso, me-
construído através de soldagem. A conforma-
didas deverão ser tomadas visando à regula-
ção da base do cilindro é seguida da confor-
mação de ombro quando é dada a forma que o mentação para armazenagem e transporte do
cilindro terá no final. biometano. A tecnologia empregada não dife-
O cilindro conformado deve passar por re muito da utilizada na fabricação dos cilin-
um processo de têmpera de revenido e norma- dros para GNV e outros gases. Empresas que
lização para se garantirem as propriedades que fabricam estes modelos podem, sem grandes
impedirão rompimento do cilindro para a pres- investimentos adicionais, remodelar suas linhas
são requerida como ilustra a figura 4. para fabricação dos cilindros.
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6. Souza, J., Schaeffer, L.
As normas existentes para fabricação de 35660. Research institute Georgia institute of
cilindros para gases devem ser observadas e Technology Atlanta, Georgia 30332, 1990
cumpridas, uma vez que o biometano se en-
ISO 11439: Gas cylinders: High pressure
quadra como gás combustível.
cylinders for the on-board storage of natural
gas as a fuel for automotive vehicles. Geneve:
5 Referências ISO, 2000.
AMERICAN SOCIETY MECHANICAL KAPDI, S. Z. et al. Biogás Scrubing,
ENGINEERS. Reference Code for Compression and Storage: perspective and
Construction Desing: Div. 1 – Regras para prospectus in Indian context. Renewable
Construção de Vasos de Pressão – U / UM Energy, v.30, n.8, p. 1195-1202, july 2005 .
stamp.. New York, NY: ASME, 2004. NR 13. Caldeiras e Vasos de Pressão:
(113.000-5); Itens 3.6 e 13.7. Vasos de pressão
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS e Instalação de Vasos de Pressão; Portaria GM
TÉCNICAS. Cilindros para alta pressão para n.º 3.214, de 08 de junho de 1978 (Redação
armazenamento de GNV como combustível dada pela Portaria SSST n.º 23, de 27 de de-
a bordo de veículos automotores. Rio de Ja- zembro de 1994)
neiro, 2000. (ISO 11439:2000)
OGEJO, J.A. et al. Biomethane Technology.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS Virginia Cooperative extension. Blacksburg,
TÉCNICAS. NBR 12791:Cilindro de aço sem VA, Communications and Marketing, College
costura, para armazenamento de gases a alta of Agriculture and Life Sciences, Virginia
pressão. Rio de Janeiro, 1993. Polytechnic Institute and State University, n.
442-881, 2007. Disponível em: < http://
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS pubs.ext.vt.edu/442/442-881/442-881.html>
TÉCNICAS. NBR 12274: Inspeção em cilindros RUTZ, D,; RAINER, J, – BioFuel Technology
de aço sem costura para gases. Rio de Janeiro, 2003. Handbook. München – Germany: WIP
Renewable Energies Sylvensteinstr,2007.
BIRATH, K. et al. Technical guidance for
Disponivel em:< http://www.wip-munich.de/
biofuels , Utrecht, The Netherlands: European downloads/dissemination/selected_publications/
Commission nor the co-ordination Action BioFuel_Technology_Handbook_shortversion.pdf>
Biofuel Cities European Partneship Consortium,
2008. Disponível em: <http:// www.biofuel- VIJAY, V. K. et al. Biogas Purification and
cities.eu> Bottling into CNG Cylinders: Producing Bio-
CNG from Biomass for Rural Automotive
HANDBOOK ON BIOGAS UTILIZATION. Applications. In: JOINT INTERNATIONAL
Published for U. S. Department of Energy CONFERENCE ON “SUSTAINARE ENEGY
Southeastern Regional Biomass Energy Program AND ENVIRONMENT, 2, 2006, Bangokok.
Tennessee Valley Authority Muscle Shoals, Alabama Proceedengs… Bangokok, 2006.
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