anÁlise experimental e computacional de...
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ANÁLISE EXPERIMENTAL E COMPUTACIONAL DE
PARÂMETROS-CHAVE EM JUNTAS DE MATERIAL COMPÓSITO
André Felipe Casais de Paula Garcia
Projeto de Graduação Apresentado ao
corpo docente do Curso de Engenharia
Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro,
como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Fernando Augusto de
Noronha Castro Pinto, Dr. -Ing.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE EXPERIMENTAL E COMPUTACIONAL DE
PARÂMETROS-CHAVE EM JUNTAS DE MATERIAL COMPÓSITO
André Felipe Casais de Paula Garcia
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU
DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr – Ing.
________________________________________________
Prof. Fernando Pereira Duda, DSc
________________________________________________
Prof. Flávio de Marco Filho, DSc
ii
GARCIA, André Felipe Casais de Paula
Análise Experimental e Computacional de Parâmetros-
Chave em Juntas de Material Compósito / André Felipe Casais
de Paula Garcia – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,
2014.
IX, 45 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 44-45.
1. Análise Experimental 2. Análise por Elementos Finitos.
3. Juntas Compósitas.
I. Castro Pinto, Fernando Augusto de Noronha. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Mecânica. III. Análise Experimental e
Computacional de Parâmetros-Chave em Juntas de Material
Compósito
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço.
Aos meus pais, Paulo e Beth, e minha irmã, Paula, de quem o suporte, amor, carinho e
compreensão foram fundamentais para chegar até aqui. Sem vocês eu não seria.
À minha avó, Amneris, que, por razões que fogem ao nosso controle, infelizmente não
pode assistir à conclusão desse curso, mas quem foi determinante na minha trajetória de vida.
À Luísa, cuja motivação e dedicação admiráveis me ajudaram a enxergar que 120% não
é o bastante.
Aos grandes amigos que fiz nessa faculdade, em especial à minha turma de origem,
2008/2, e seus agregados, com quem convivi nos últimos 6 anos e sem os quais não seria
Engenheiro.
Ao meu orientador, Fernando Castro Pinto, que esteve presente e disponível para me
ajudar na confecção deste trabalho.
E, finalmente, à Teadit, que muito contribuiu e contribui para minha formação, e graças
a quem este trabalho é realidade.
Muito obrigado.
iv
SUMÁRIO
1 Introdução ........................................................................................................................... 1
1.1 Motivação .................................................................................................................... 1
1.2 Objetivos e Organização dos Capítulos ...................................................................... 2
2 Vazamento .......................................................................................................................... 3
2.1 Taxa de Vazamento ..................................................................................................... 5
2.2 Métodos de Medição de Vazamento ........................................................................... 6
2.3 Panorama de Vazamento ............................................................................................. 7
3 Vedação .............................................................................................................................. 9
3.1 Flanges ........................................................................................................................ 9
3.1.1 Classificação ...................................................................................................... 10
3.1.2 Tipos .................................................................................................................. 10
3.1.3 Faceamento ........................................................................................................ 12
3.2 Juntas ......................................................................................................................... 14
3.2.1 Material .............................................................................................................. 14
3.2.2 Dimensões .......................................................................................................... 16
3.3 Forças em uma União Flangeada .............................................................................. 16
3.4 Método de Cálculo para Instalação ........................................................................... 18
4 Determinação Experimental dos Parâmetros da Junta ..................................................... 21
4.1 Metodologia .............................................................................................................. 21
4.1.1 Equipamento Utilizado ...................................................................................... 21
4.1.2 Tipos Testados ................................................................................................... 23
4.1.3 Procedimento Experimental ............................................................................... 26
4.2 Resultados ................................................................................................................. 29
4.3 Análise Estatística ..................................................................................................... 31
5 Análise Computacional..................................................................................................... 35
5.1 Introdução.................................................................................................................. 35
5.2 Modelagem ................................................................................................................ 36
5.3 Resultados ................................................................................................................. 38
5.4 Discussão ................................................................................................................... 41
6 Conclusões ........................................................................................................................ 41
7 Referências ....................................................................................................................... 44
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Comparativo Custos e Benefícios CAAA90 – Fonte: EPA, 2011 ______________ 4
Figura 2 - Comparativo de Emissões Antes/Depois CAAA90 – Fonte: EPA, 2011 ________ 4
Figura 3 - Fluxograma LDAR – Fonte: EPA, 2007 (adaptado) ________________________ 6
Figura 4 - Emissões de CO2 ___________________________________________________ 8
Figura 5 - Emissões de N2O ___________________________________________________ 8
Figura 6 - Emissões de CH4 ___________________________________________________ 8
Figura 7 - Emissões por Tipo - Fonte: EPA, 1996 __________________________________ 8
Figura 8 - Exemplo de união flangeada - Fonte: BlueScope Pipeline Supplies ____________ 9
Figura 9 - Principais Tipos de Flange - Fonte: Tubulações Industriais, 2001 (adaptado) ___ 11
Figura 10 - Tipos de Ranhura - Fonte: Juntas Industriais, 2013 _______________________ 12
Figura 11 - Tipos de Faces de Flanges - Fonte: Juntas Industriais, 2013 ________________ 13
Figura 12 - Forças em uma União Flageada - Fonte: Juntas Industriais, 2006 (adaptado) ___ 17
Figura 13 - Sequência de Torque – Fonte: ASME, 2010 (adaptado) ___________________ 18
Figura 14 - Equipamento Utilizado_____________________________________________ 22
Figura 15 - Junta Espiral - Fonte: Juntas Industriais, 2013___________________________ 23
Figura 16 - Junta Camprofile - Fonte: Juntas Industriais, 2013 _______________________ 24
Figura 17 - Papelão Hidráulico ________________________________________________ 24
Figura 18 - Visão Geral do Procedimento _______________________________________ 26
Figura 19 - Camada Cisalhada - Fonte: Silva et al (Adaptado) _______________________ 27
Figura 20 - Relaxação tipo SWG ______________________________________________ 29
Figura 21 - Relaxação tipo GFGM _____________________________________________ 29
Figura 22 - Relaxação tipo CFG-A _____________________________________________ 29
Figura 23 - Relaxação tipo CFG-C _____________________________________________ 29
Figura 24 - Gráfico de Intervalos - SgT vs Sgmin-O _________________________________ 32
Figura 25 - Gráfico de Intervalos - Espessura vs Sgmin-O __________________________ 33
Figura 26 - Gráfico de Intervalos - Tipos vs Sgmin-O ______________________________ 34
Figura 27 - Gráfico de Intervalos - Tipos vs Sgmin-O ______________________________ 34
Figura 28 - Grafico de Probabilidades de Sgmin-O ________________________________ 35
Figura 29 - Forças e Condições de Contorno _____________________________________ 37
Figura 30 - Malha Gerada ____________________________________________________ 38
Figura 31 - Resultados Etapa 1 ________________________________________________ 39
Figura 32 - Resultados Etapa 1 - Tensão Cisalhante _______________________________ 39
vi
Figura 33 - Resultado Etapa 2 _________________________________________________ 40
Figura 34 - Comparação Deslocamentos ________________________________________ 40
vii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Emissões Fugitivas Totais em Toneladas - Fonte: Petrobras, 2010 ____________ 7
Tabela 2 - Parâmetros Equação 1 ______________________________________________ 23
Tabela 3 - Tipos Testados ____________________________________________________ 25
Tabela 4 - Dimensões das Juntas Testadas _______________________________________ 25
Tabela 5 - Resultados de Máxima Tensão Admissível ______________________________ 30
Tabela 6 - Valores de SgT ____________________________________________________ 30
Tabela 7 - Resultados Parte 1 _________________________________________________ 31
Tabela 8 - Resultados de Sgmin-S _____________________________________________ 31
viii
RESUMO
O procedimento de cálculo definido no Apêndice-O do ASME PCC-1-2010 – Guidelines
for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly (1) – vem chamando atenção dos
pesquisadores de junta nos últimos anos. Nesse novo método, o cálculo depende de diversos
parâmetros que levam em consideração a integridade de cada um dos componentes da união,
para garantir a integridade dos mesmos enquanto desempenham propriamente sua função.
Os parâmetros relacionados à junta são a máxima tensão permissível de junta, a mínima
tensão de instalação de junta e a mínima tensão de operação de junta. Esses parâmetros estão
bem definidos no apêndice, no entanto, não é informado nenhum procedimento para a
determinação dos mesmos.
O presente trabalho se propõe a determinar valores para esses parâmetros em juntas de
diferentes materiais e com espessuras distintas, a fim de se avaliar a influência dessas variações
nos resultados dos parâmetros. Além disso, é apresentada uma modelagem por Elementos
Finitos, com o intuito de proporcionar um melhor entendimento acerca da distribuição de
tensões nas juntas.
ix
ABSTRACT
The bolt load calculation method introduced in Appendix-O of ASME PCC-1-2010 –
Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly [1] – has drawn attention from
the gasket researching community in the past few years. In this new method, calculation is
based on parameters that consider the integrity of each joint component so that none of them
be damaged while prompting an effective sealing.
The parameters related to the gasket are the maximum permissible gasket stress, minimum
gasket seating stress and the minimum gasket operating stress. In Appendix-O, those
parameters are defined, but no information is provided on how to determine them.
The intent of this work is to determine the values of those parameters for gaskets in different
material composition for different thicknesses, and to evaluate the influence of those variables
on the parameters. A further analysis is developed though Finite Elements Modeling in order
to better understand the way the stress is distributed on the gasket.
1
1 Introdução
Este trabalho apresenta um estudo realizado a fim de se determinar parâmetros-chave de
juntas de material compósito para o cálculo da força inicial a ser aplicada em uniões flangeadas
segundo procedimento ASME (1). Os parâmetros foram determinados experimentalmente
seguindo procedimento recentemente desenvolvido (2), publicado em 2013 no congresso
ASME Pressure Vessels and Piping Conference.
Posteriormente à determinação experimental, é apresentada uma modelagem
computacional, em elementos finitos, utilizando-se o software Abaqus®, com o objetivo de se
aprofundar o entendimento acerca da distribuição de tensões em juntas de material compósito
quando submetidas aos esforços da união flangeada.
1.1 Motivação
As uniões flangeadas são a forma mais amplamente utilizada de se unir segmentos de
dutos ou tubos. Nestas, um par de flanges é unido por parafusos e, a fim de eliminar o
vazamento de fluido através da união, é colocada uma junta entre os flanges. A função desta é
se conformar quando submetida às forças geradas pelos parafusos, preenchendo os espaços
existentes entre os flanges e as imperfeições das superfícies dos mesmos, eliminando qualquer
caminho pelo qual o fluido possa escapar.
Assim sendo, o sucesso da vedação é extremamente dependente da força aplicada na
junção e, consequentemente, na junta. O tensionamento insuficiente pode levar a uma
conformação não efetiva da junta, permitindo vazamentos e ocasionando prejuízos e danos ao
meio-ambiente. Por outro lado, a aplicação excessiva – ou de maneira errada - de força pode
comprometer a integridade da junta, impedindo que esta desempenhe sua função, ou pior,
comprometer a integridade dos demais componentes, gerando problemas mais graves, como
inutilização do duto/tubo, e vazamentos de níveis catastróficos.
2
As tolerâncias com vazamentos estão cada vez mais restritas, tendo as agências
reguladoras exigido, cada vez mais, níveis baixos de emissões. Nos dias de hoje, para que
possam ser competitivos, os fabricantes de juntas devem se adequar e fabricar seus produtos
de forma a atender normas estritas de selabilidade, publicadas por organizações de grande
reconhecimento, como ASTM, ASME, DIN, entre outras.
Explica-se assim, a importância do entendimento das tensões atuantes nessas uniões e o
conhecimento de parâmetros para cálculo a fim de se proporcionar uma instalação apropriada
e prevenir danos, prejuízos e desempenho insatisfatório das mesmas.
1.2 Objetivos e Organização dos Capítulos
Este trabalho tem como foco um dos componentes da união flangeada, tido como o mais
problemático devido à sua fragilidade: a junta. Em cima desta, foram desenvolvidos dois
objetivos.
O primeiro foi determinar os parâmetros da junta necessários para o cálculo correto da
tensão de instalação dos parafusos de uma união flangeada. Esse método de cálculo, e os
parâmetros necessários para se realiza-lo, são definidos no apêndice “O” do ASME PCC1-2010
– Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly (1), e será melhor explicado
posteriormente.
O segundo objetivo, foi desenvolver um modelo em elementos finitos para que fosse
possível entender melhor a distribuição das tensões na junta quando submetida à compressão
gerada pelos flanges. Esse modelo foi desenvolvido no software Abaqus®, comumente
utilizado para estudos em elementos finitos.
O trabalho foi organizado em capítulos, a fim de se distribuir melhor os assuntos e facilitar
o entendimento. Inicialmente, são introduzidos os conceitos e níveis de vazamento,
apresentando referências das organizações reguladoras, suas formas de medição e níveis
3
aceitáveis. É também apresentado um panorama das emissões nas industrias, exemplificando-
se os impactos decorrentes do vazamento.
No capítulo seguinte, é descrito e aprofundado o conceito de vedação. Neste, são
detalhados os componentes das uniões flangeadas, onde são apresentadas suas normas de
projeto e testes, bem como exemplificados os tipos mais comuns existentes hoje em dia. Ainda
no mesmo capitulo, são apresentadas as forças atuantes em uma união flangeada em operação
e os procedimentos de cálculo para sua instalação, com ênfase no procedimento abordado nesse
trabalho.
Posteriormente, é apresentada a análise experimental realizada. O procedimento é descrito
detalhadamente e os resultados reportados. Ao final do capítulo é apresentada a análise
estatística realizada com os dados obtidos.
A modelagem computacional será descrita no capítulo 5. Neste estão presentes os
parâmetros utilizados para a realização do modelo, as considerações feitas e os resultados
obtidos. Estes resultados são comparados aos experimentais, sendo feita uma discussão acerca
dos resultados obtidos em ambas análises.
Por fim, são expostas as conclusões obtidas com o estudo realizado e referenciada a
bibliografia utilizada para basear e orientar o trabalho.
2 Vazamento
Vazamentos em tubulações existem nos mais diversos níveis e o critério de aceitação pode
variar de acordo com a aplicação em questão. Em determinadas situações, por exemplo, podem
ser considerados aceitáveis vazamentos da ordem de grandeza de gotas d’água por segundo,
enquanto que em aplicações mais restritas – muitas vezes por conta do fluido em questão e dos
possíveis impactos às redondezas – essa ordem de grandeza pode cair para centenas de partes
por milhão. Aos últimos, denomina-se emissões fugitivas, que são vazamentos de percepção
não tão evidente, sendo a sua detecção mais difícil.
4
A preocupação é crescente acerca de emissões fugitivas e vazamentos em geral e o tema
vem recebendo bastante atenção já há alguns anos. Com o intuito de estabelecer e incentivar o
controle de emissões fugitivas, a EPA – Enviromental Protection Agency – publicou, em 1970,
o Clean Air Act (3), no qual estabelece níveis máximos aceitáveis de vazamento e programas
de controle dessas emissões. O CAA recebeu algumas revisões (em 1977 e 1990) e, apesar da
dificuldade na quantificação, a EPA afirma ter melhorado significativamente a qualidade do ar
e diminuído o impacto ao ambiente.
Em relatório recentemente publicado (4), a EPA estabelece comparativos entre os custos e
benefícios do CAA e faz projeções das reduções em emissões decorrentes da criação do ato. As
Figura 1 e Figura 2, a seguir, foram extraídas do relatório e ilustram o comparativo e a previsão
de redução de emissões para o ano de 2020.
Figura 1 - Comparativo Custos e Benefícios
CAAA90 – Fonte: EPA, 2011
Figura 2 - Comparativo de Emissões Antes/Depois
CAAA90 – Fonte: EPA, 2011
5
2.1 Taxa de Vazamento
“Partindo do princípio da inexistência do ‘vazamento zero’, se uma junta está ou não
vazando depende do método de medição ou do critério usado”, (Veiga, 2013). Ao contrário do
que se deseja, não é possível garantir a selabilidade total, ou seja, a inexistência completa de
emissões. Tomando isso como premissa, adota-se o critério de vazamento máximo admissível
para a aplicação. O critério é flexível e depende de alguns fatores que, ainda de acordo com
Veiga (5), podem ser elencados como segue:
Fluido a ser vedado;
Impacto para o meio ambiente, se o fluido escapar para a atmosfera;
Perigo de incêndio ou explosão;
Limites de Emissões Fugitivas.
No estabelecimento do nível aceitável de vazamento, é comum tomar-se como base
definições por parte de organismos regulamentadores reconhecidos. A EPA, por exemplo,
estabelece o limite de 500 ppm como vazamento máximo admissível para flanges e hastes de
válvulas (3). Esse valor vem sendo questionado como sendo muito alto e existem movimentos
para baixá-lo para 100 ppm, já sendo, por exemplo, este valor exigido por normas de
certificação de válvulas e seus mecanismos de vedação (6) (7).
Como outro exemplo, na Europa, a norma alemã VDI 2440 (8) estabelece valores máximos
de emissões para refinarias de petróleo, de acordo com a qual o valor máximo admissível para
juntas é de 10-4 mbar x l/ (s x m) estabelecido em temperatura ambiente com teste especifico
com gás Hélio.
De maneira geral, trata-se de um assunto delicado e o estabelecimento de uma taxa
admissível de vazamento deve ser feito com cuidado.
6
2.2 Métodos de Medição de Vazamento
A medição e quantificação de emissões fugitivas é, por natureza, um ato difícil. As
concentrações de gás, a natureza das fontes, as condições operacionais e outros fatores geram
variabilidades no processo que dificultam a mensuração da perda do fluido. O CAA (3) requer
o estabelecimento de um programa denominado LDAR - Leak Detection and Repair – cujo
objetivo é o monitoramento dos componentes da instalação em questão para a detecção de
componentes problemáticos (que apresentem vazamento superior ao aceitável) e a realização
do reparo nos mesmos. Os requisitos necessários e a estrutura de um LDAR podem variar de
acordo com a aplicação, mas em geral são compostos por 5 elementos básicos e seguem o
fluxograma descrito na Figura 3 (9):
Figura 3 - Fluxograma LDAR – Fonte: EPA, 2007 (adaptado)
Os métodos de identificação de emissões fugitivas podem ser divididos basicamente como
técnicas qualitativas e técnicas quantitativas. Com as primeiras detecta-se se há ou não o
vazamento, e com as segundas mede-se e quantifica-se o vazamento. Na literatura, podem ser
encontradas as mais diversas técnicas de detecção e medição de vazamento, por exemplo, a
seção V do ASME Boiler & Pressure Vessel Code (10), sugere como técnicas de testes de
vazamento:
Formação de bolhas – aplica-se à região externa dos flanges uma camada de sabão.
Caso seja observado a geração de bolhas no sabão conclui-se que existe vazamento
na união.
Detecção por Espectrômetro de Massa – com auxílio de um espectrômetro de massa,
mede-se o vazamento da união, obtendo um valor instantaneamente.
7
Detecção por Diodo de Halogênio – método semi-quantitativo de detecção de
vazamentos. Destina-se a detectar e localizar os vazamentos.
Detecção acústica – O fluxo turbulento do fluido em vazamento produz um sinal
acústico que é detectado pelo equipamento. É também um método semi-quantitativo,
pois não é possível determinar exatamente uma taxa de vazamento, mas ter uma
noção do nível do vazamento.
2.3 Panorama de Vazamento
A Petrobras elaborou e publicou, em 2010, um inventário no qual faz levantamentos e
estimativas de emissões fugitivas de gases de efeito estufa geradas por suas operações. O
inventário, denominado Emissões Fugitivas de Gases de Efeito Estufa na Indústria de Petróleo
e Gás Natural (11), discrimina os valores de emissões em três tipos de processo - Exploração
e Produção (E&P), Refino e Transporte - para três gases distintos: CO2, CH4 e N2O. Na Tabela
1 - Emissões Fugitivas Totais em Toneladas - Fonte: Petrobras, 2010, a seguir, podem ser observados os
resultados de emissões totais (E&P, Refino e Transporte) para cada um dos gases em questão.
Tabela 1 - Emissões Fugitivas Totais em Toneladas - Fonte: Petrobras, 2010
Ano CO2 CH4 N2O
1990 6.224.656 41.732 69
1991 6.071.778 41.216 68
1992 6.268.937 41.804 69
1993 6.356.479 42.726 70
1994 6.680.167 44.391 73
1995 6.628.360 45.676 75
1996 7.209.744 51.177 84
1997 7.749.254 55.111 90
1998 8.453.140 62.997 102
1999 9.146.380 70.507 114
2000 9.578.576 78.151 126
2001 10.071.197 82.317 132
2002 10.381.145 90.104 145
2003 10.206.257 64.401 135
2004 9.581.801 81.394 118
2005 12.797.492 147.933 218
2006 12.065.909 114.309 169
2007 12.328.829 103.778 162
2008 13.042.379 106.662 185
8
Para melhor visualização, as Figura 4 - Emissões de CO2, Figura 5 - Emissões de N2O e Figura 6
- Emissões de CH4 a seguir ilustram esses resultados em gráficos. Observando-se os gráficos, é
notório o crescimento no montante de emissões ao longo dos anos.
Figura 4 - Emissões de CO2
Figura 5 - Emissões de N2O
Figura 6 - Emissões de CH4
Em um outro estudo, realizado nos EUA (12), foi feita uma estimativa das maiores fontes
de vazamento em indústrias de gás metano (Figura 7 - Emissões por Tipo - Fonte: EPA, 1996). As
emissões fugitivas em linhas e equipamentos representam 62,1% do total de emissões,
enquanto que as emissões ventadas (vented emissions) e por combustão representam 30 e 7,9%
respectivamente. Esses dados não refletem exatamente a realidade brasileira, mas mostram a
significância de vazamentos em linhas e equipamentos para a quantidade total de emissões.
Figura 7 - Emissões por Tipo - Fonte: EPA, 1996
62%
30%
8%
Vazamento emequipamentos
Emissões Ventadas
Combustão
9
Em novembro de 1999, o Comitê de Investigação Governamental dos EUA publicou um
relatório (13) no qual versa acerca de emissões por parte de refinarias de óleo nos Estados
Unidos. De acordo com as informações do relatório, as refinarias são responsáveis por 11,4%
de todas as emissões de VOC’s constantes da base de dados do AIRS – Aerometric Information
Retrieval System. VOC’s – Volatile Organic Compounds – são compostos que reagem com
NOx quando em contato com a luz do sol, formando um gás tóxico responsável pela geração
do “smog” (mistura das palavras inglesas smoke e fog), que por sua vez é responsável por
sérios problemas de saúde, como irritações no sistema respiratório e redução das
funcionalidades pulmonares.
3 Vedação
3.1 Flanges
Flanges são peças utilizadas como elemento de ligação entre tubulações, normalmente para
facilitar a montagem/desmontagem. Suas características - geométricas, materiais, etc - são
padronizadas por normas, permitindo facilidade na conexão a tubos, válvulas e diversos tipos
de acessórios, mesmo que entre fabricantes distintos. Eles são montados em pares e unidos por
parafusos, sendo a superfície de contato entre dois flanges mantida sob força de compressão, a
fim de vedar a conexão. A Figura 8 apresenta um exemplo de uma tubulação flangeada.
Figura 8 - Exemplo de união flangeada - Fonte: BlueScope Pipeline Supplies
10
3.1.1 Classificação
Segundo as normas construtivas da ASME, os flanges são padronizados pelo diâmetro
nominal (em polegadas) da tubulação nas quais se deseja instalá-los. A norma ASME B16.5
trata de diâmetros de até 24 polegadas enquanto que a norma ASME B16.47 trata de diâmetros
maiores. Todavia, nas duas estão contidas informações como dimensões, tolerâncias, materiais,
tipos e razões de pressão versus temperatura.
Os flanges são também classificados de acordo com a classe de pressão que determina a
máxima pressão interna admissível. As classes mais comuns são: #150, #300, #600, #900,
#1500 e #2500, aonde o símbolo ‘#’ seguido do número equivale à pressão em psi (libras por
polegada quadrada) de trabalho da tubulação.
O diâmetro interno e a classe de pressão são utilizados em conjunto para se classificar um
flange, por exemplo, 8” #600, quer dizer que trata-se de um flange de 8 polegadas e classe de
pressão 600 psi. As normas ASME são todas geradas levando-se em consideração essa
classificação, tornando fácil a consulta por informações relevantes, e contribuindo para a
intercambialidade dos componentes.
3.1.2 Tipos
A família de flanges engloba vários tipos e sua aplicação depende das recomendações da
norma, podendo influenciar bastante na sua operação. Os principais tipos são (14):
Flange Pescoço (Welding neck) - Muito utilizados em tubulações industriais para
quaisquer pressões e temperaturas. Esse flange é ligado ao tubo por uma única solda
de topo, sem descontinuidades que facilitem a concentração de esforços ou a
corrosão. A montagem com esses flanges é relativamente cara pois requer certos
detalhes na fabricação do tubo que a tornam complicada.
Sobreposto (Slip-on) - Mais barato e mais fácil de instalar que o Welding Neck. A
ponta do tubo encaixa no flange, facilitando o alinhamento e evitando a necessidade
11
do corte do tubo na medida exata. O flange é ligado ao tubo por duas soldas em
angulo, uma interna e outra externa.
Solto (Lap Joint) - São flanges que não ficam como os demais, presos à tubulação,
e sim soltos. São capazes de deslizar livremente sobre o tubo. É soldado a topo na
extremidade do tubo uma peça especial, virola ou pestana (stub-end), que serve de
batente ao flange.
Encaixe (Socket weld) - Semelhante ao sobreposto, o flange de encaixe é mais
resistente e tem um encaixe mais completo para a ponta do tubo, dispensando assim
a solda interna.
Cego (Blind) – Flanges fechados em forma de disco utilizados para extremidades de
linhas ou fechamento de bocais flangeados
Rosqueado (Threaded) - Parecido com o sobreposto, o flange rosqueado, como o
próprio nome diz, possui rosca interna e é rosqueado a um tubo com rosca externa.
A Figura 9 abaixo ilustra os flanges citados:
Figura 9 - Principais Tipos de Flange - Fonte: Tubulações Industriais, 2001 (adaptado)
12
3.1.3 Faceamento
Além do acoplamento à tubulação, os flanges diferem nos tipos de superfície e seu
acabamento. O acabamento da superfície pode ser ranhurado ou liso. De maneira geral, flanges
ranhurados são utilizados com juntas não-metálicas, para evitar a extrusão da junta e impedir
que esta seja “expulsa” pela força radial, enquanto que flanges lisos são destinados às juntas
metálicas, por não sofrerem dos mesmos problemas das primeiras (5). Os tipos mais comuns
de ranhuras em flanges são as concêntricas e em espiral fonográfica, que podem ser
visualizadas na Figura 10.
Figura 10 - Tipos de Ranhura - Fonte: Juntas Industriais, 2013
O faceamento de flanges pode ser discriminado ainda no que diz respeito ao tipo de face.
Esses tipos estão descritos a seguir e ilustrados na Figura 11:
Face Plana – As superfícies de contato de ambos os flanges são planas. Normalmente
utilizadas para flanges de material frágil, para se evitar a trinca devido à rotação dos
flanges.
Face Ressaltada – As superfícies de contato são ressaltadas, permitindo a colocação e
remoção da junta sem necessidade de afastar os flanges, facilitando eventuais trabalhos
de manutenção. É o tipo mais utilizado em tubulações.
13
Face Lingueta e Ranhura – A profundidade da ranhura é igual ou ligeiramente maior
que a altura da lingueta. Neste tipo de flange a junta fica totalmente confinada,
minimizando o contato da mesma com o fluido.
Face Macho e Fêmea – A junta fica semi-confinada neste tipo de flange. Para se evitar
o contato entre os flanges, a profundidade do flange femea deve ser igual ou menor que
a altura do macho.
Face Plana e Ranhura – A face de um dos flanges é plana e a outra possui uma ranhura
na qual a junta é encaixada. Nesse tipo de face, quando a junta é comprimida os flanges
se encostam.
Face para Junta de Anel – Os flanges possuem canais com paredes em ângulo, nos quais
se aloja o Anel.
Figura 11 - Tipos de Faces de Flanges - Fonte: Juntas Industriais, 2013
14
3.2 Juntas
“Se fosse econômica e tecnicamente viável a fabricação de flanges com superfícies planas
e perfeitamente lapidadas, e se conseguíssemos manter estas superfícies em contato
permanente, não necessitaríamos de juntas” (Veiga, 2013). As juntas são o material responsável
por se acomodar entre os flanges, preenchendo os espaços, criando uma barreira e mantendo o
fluido no interior da tubulação. Para uma vedação satisfatória, é necessário levar em
consideração quatro fatores principais: força de esmagamento inicial, força de vedação,
material vedante, acabamento superficial.
A escolha é delicada e deve ser feita com cautela. Eventuais erros causam problemas na
operação e a solução pode não ser trivial. Vale ressaltar que paradas de manutenção tem
programação bem controlada e a ocorrência de defeitos na junção pode gerar atrasos ou
requerer nova parada, impactando profundamente a produtividade.
3.2.1 Material
As juntas podem ser divididas inicialmente em dois grandes grupos: metálicas e não-
metálicas. Como características gerais, as juntas metálicas suportam maior aplicação de aperto,
e normalmente são revestidas por algum outro material, grafite flexível ou PTFE por exemplo,
que desempenham o papel de material vedante. As não-metálicas podem ser fabricadas em
diversos materiais diferentes, que podem também ser combinados a fim de satisfazer os
requisitos da aplicação. A consulta aos catálogos dos fabricantes é fundamental pois permite
determinar qual junta atende à necessidade.
A escolha do material para a junta deve ser feita levando-se em consideração fatores como
o fluido e suas propriedades químicas, a temperatura de operação, a pressão de serviço, e, para
as juntas metálicas, também deve se ter em mente os efeitos de corrosão e condução elétrica.
15
A seguir estão elencados os materiais mais comumente utilizados para fabricação de juntas
metálicas e não-metálicas:
Juntas Metálicas
o Aço Carbono
o Aço Inoxidável AISI 304, 304L,
316, 316L, 321, 347
o Monel – Liga com ~ 67% Ni e
30% Cu
o Níquel 200
o Cobre
o Alumínio
o Inconel
o Titânio
Juntas Não-Metálicas
o Papelão Hidráulico
o Politetrafluoretileno
o Grafite Flexível
o Elastômeros
o Fibra de Celulose
o Cortiça
A partir da combinação destes materiais, vários modelos de juntas foram desenvolvidos e
estão disponíveis para utilização. Os modelos mais comuns estão exemplificados e brevemente
descritos a seguir (5):
Papelão Hidráulico – Fabricados a partir da vulcanização sob pressão de elastômeros
com fibras naturais, artificias ou sintéticas. Opção econômica e de aplicação flexível.
Politetrafluoretileno – Polímero desenvolvido pela americana DuPont, conhecido
como Teflon®. Caracteriza-se por sua excepcional resistência química, sendo o
plástico mais utilizado para vedação industrial.
Juntas Espirais – São compostas por uma fita metálica pré-formada preenchida por
um material macio e arranjada de forma espiral. Podem ser preenchidas com
diversos materiais, sendo os mais comuns o grafite e o PTFE.
16
Juntas com Revestimento Metálico – São compostas por um núcleo de material
macio revestido por uma ou mais camadas metálicas. O núcleo é em geral de grafite
flexível, podendo ser também de PTFE, fibra cerâmica ou um outro metal.
Anel Metálico – Juntas metálicas maciças podendo ser planas ou em formato de anel.
Juntas Camprofile – São juntas maciças de metal fabricadas com perfil serrilhado.
Possuem as características normais de uma junta metálica, como resistência a
elevadas temperaturas e pressões. O serrilhado da junta deve ser revestido com um
material macio que proporcione a vedação, em geral são utilizados grafite flexível
ou PTFE.
3.2.2 Dimensões
Para facilitar a montagem das juntas, suas dimensões são padronizadas de forma a
“concordar” com as dimensões do flange. A classificação segue a mesma que a utilizada para
os flanges, sendo descrita pelo diâmetro da tubulação em polegadas acompanhado pela classe
de pressão da mesma.
As normas mais comumente utilizadas para determinar as dimensões de junta são publicadas
pela ASME. Para as metálicas, a norma utilizada é a ASME B16.20 (15) e para as não-metálicas
é a ASME B16.21 (16)
3.3 Forças em uma União Flangeada
As forças em uma união flangeada surgem basicamente por conta de dois agentes: os estojos
e a pressão interna. Como consequência da aplicação destas, surgem as resultantes na junta:
Força Radial e Força de Vedação. As forças externas e suas resultantes estão exemplificadas
na Figura 12.
17
Figura 12 - Forças em uma União Flageada - Fonte: Juntas Industriais, 2006 (adaptado)
Força de Separação – Também chamada de força hidrostática, é originada pela pressão
interna e tende a separar os flanges. A separação destes ocasiona redução de tensão na
junta, podendo ser um fator complicador no processo.
Força dos Estojos – É a força responsável pela compressão da junta e da qual surge a
força de vedação. É originada a partir da aplicação de torque nas porcas e deve ser
cuidadosamente calculada.
Força Radial – Força originada pela pressão interna com tendência a expulsar junta.
Força de Vedação – Força de compressão na junta, originada pela força dos estojos e
responsável por manter o vazamento em níveis aceitáveis.
Inicialmente, atingir a vedação parece uma tarefa simples, basta que a força de vedação seja
superior à pressão interna. No entanto, existem alguns outros fatores que devem ser levados
em conta para garantir “vazamento zero”. Em primeiro lugar, os esforços aos quais a junção
estará submetida não podem ser tão grandes quanto se queira. Os componentes possuem suas
18
limitações que se excedidas podem levar a falhas, como destruição da junta, empeno do flange,
escoamento dos estojos, etc. e consequentemente uma operação não satisfatória. Por outro lado,
a compressão deve ser suficiente para que a junta se conforme, selando os flanges e
desempenhando seu papel. Além disso, há de se levar em conta o relaxamento natural da junta,
que com o tempo diminui a tensão residual, sendo uma possível fonte de problemas.
3.4 Método de Cálculo para Instalação
Como dito anteriormente, o cálculo de aperto e a execução apropriada da instalação da junta
são a chave para uma vedação satisfatória. Devido a sua importância, o tema tem atraído a
atenção de pesquisadores da área, a fim de se determinar o melhor procedimento para a
definição do aperto a ser aplicado e para a execução da instalação. A ASME introduz no seu
PCC1 (1) diversas diretrizes para realização da instalação de uniões flangeadas. O PCC1 se
caracteriza por levar em consideração tanto os limites mínimos para a vedação quanto os limites
máximos de resistência dos componentes.
De acordo com o PCC1, a tensão a ser aplicada nos parafusos deve ser previamente
calculada, determinando o torque alvo e o aperto dado e monitorado com um torquímetro. O
torque em cada parafuso deve ser aplicado seguindo uma ordem pré-estabelecida, conforme
ilustrado na Figura 13.
Figura 13 - Sequência de Torque – Fonte: ASME, 2010 (adaptado)
19
O torque deve ser aplicado em etapas graduais, até que se atinja o torque final. O
procedimento detalhado é como segue:
Apertar as porcas a mão sem exceder 20% do torque final.
Com o torquímetro aplicar 20-30% do torque final em todos os parafusos.
Aplicar de 50-70% do torque final em todos os parafusos
Aplicar 100% do torque final em todos os parafusos.
Aplicar 100% do torque final em todos os parafusos na sequência do relógio.
Se possível reaplicar 100% do torque final após 4 horas da instalação.
Para o cálculo do aperto a ser aplicado, o Apêndice O do PCC1-2010 (1) introduziu um
método que leva em consideração os limites dos componentes, de forma que nenhum deles seja
danificado enquanto desempenham seus papéis da maneira esperada. São definidos no
apêndice diversos parâmetros relacionados a cada um dos componentes, com os quais são
efetuados os cálculos. Esses parâmetros, levam em consideração fatores como resistência dos
flanges, resistência dos estojos, limites de rotação do flange, limites de vazamento, etc. Neste
trabalho, o enfoque é dado para a junta, e os parâmetros para esta no apêndice são os seguintes:
SgT – tensão alvo de instalação, é a tensão que escolhemos aplicar na junta na hora
de sua instalação.
Sgmax – tensão máxima à qual a junta pode ser submetida sem que sofra danos que
comprometam sua funcionalidade.
Sgmin-S – tensão mínima que se deve aplicar na junta a fim de que ela se conforme
nos flanges garantindo a selabilidade no início da operação.
Sgmin-O – tensão residual mínima que deve ser mantida na junta em operação para
garantir que esta mantenha a vedação enquanto em serviço.
20
Aqui cabe ressaltar a importância deste último parâmetro. Devido ao relaxamento natural
do material, juntas industriais, em especial as não-metálicas, apresentam a tendência de perder
tensão a medida que o tempo passa. Com isso, o valor aplicado quando da instalação se manterá
por uma fração de tempo até que entra em declínio e eventualmente atinge e vai abaixo do
mínimo necessário para a vedação em operação. Portanto, para evitar problemas futuros – perda
da vedação - é extremamente interessante que se tenha conhecimento do mínimo valor de
tensão residual ao qual a junta deve ser submetida para o cálculo correto da instalação.
Os parâmetros estão bem definidos e explicados no apêndice, no entanto, não é fornecida
nenhuma informação a respeito da determinação dos mesmos. Estes devem ser obtidos com os
fabricantes para que os cálculos possam ser efetuados corretamente. Assim sendo, fica a cargo
dos fabricantes desenvolver seus próprios procedimentos e métodos para testes a fim de
fornecer as informações mais completas e apropriadas para seus clientes ou suas equipes de
aplicação.
Com isso em mente, um grupo de funcionários da Teadit®1 conduziu um estudo no qual
define um protocolo para a determinação de valores para estes parâmetros. O estudo foi
publicado em 2013, no congresso ASME PVP – Pressure Vessels and Piping Conference -, e
se denomina “Developing a Protocol to Determine the Minimum Operating Stress of
Compressed Non-Asbestos Gaskets” (2), e determina os procedimentos experimentais a serem
realizados para se determinar o Sgmax, Sgmin-S e Sgmin-O.
1 A Teadit é empresa líder mundial no segmento de vedação industrial, fabricando produtos como juntas metálicas,
juntas não-metalicas, gaxetas, juntas de expansão, entre outros. O autor era estagiário no setor de desenvolvimento
técnico da empresa quando da confecção deste trabalho.
21
4 Determinação Experimental dos Parâmetros da Junta
O trabalho desenvolvido por Silva et al (2), foi fundamental pelo pioneirismo no
desenvolvimento de um método para a determinação dos ditos parâmetros. O estudo foi
conduzido em um tipo especifico de junta - papelão hidráulico, fabricado com fibras de aramida
e celulose unidas por borracha NBR - popularmente conhecido como “folha verde”. Os testes
foram todos conduzidos com este material, na espessura de 3,2 mm.
Conforme visto anteriormente, existem no mercado juntas fabricadas com diversos
materiais, em diferentes configurações. Estes podem ser combinados e organizados em
diferentes estruturas, em camadas ou misturas, resultando em múltiplos tipos e modelos,
podendo as juntas, ainda, variar em espessura. No entanto, existe muito pouca informação
disponível sobre como e quão relevantes são essas variações para os limites máximos e
mínimos das juntas.
Na tentativa de se estabelecer relações entre os tipos de juntas e suas composições com os
resultados no Sgmax, Sgmin-S e Sgmin-O, uma série de testes foi conduzida seguindo o protocolo
determinado (2) para juntas de diferentes materiais e em espessuras diferentes. Os resultados
estão reportados a seguir, com análises comparativas e correlações entre as configurações.
4.1 Metodologia
4.1.1 Equipamento Utilizado
Os testes foram conduzidos nos laboratórios de desenvolvimento da Teadit®, no Rio de
Janeiro. Para o trabalho, foi utilizada uma prensa mecânica, equipada com uma célula de carga
e dois flanges do tipo Face Ressaltada. A Figura 14 ilustra o equipamento e apresenta um
desenho esquemático dos flanges.
Os ressaltos dos flanges têm um diâmetro interno (DRFi) de 50 mm e diâmetro externo
(DRFe) de 90 mm. A pressão interna é aplicada pelo orifício de entrada de gás, preenchendo o
22
espaço interno dos flanges. Quando estes estão comprimidos um contra o outro, um O’Ring
sela a periferia, garantindo que o vazamento seja emitido somente através do canal de saída
dos flanges.
Figura 14 - Equipamento Utilizado
A taxa de vazamento do gás é medida de acordo com a norma alemã DIN3535-6 (17), que
estabelece que o volume emitido seja medido por um período de 10 min ≤ Δt ≤ 2 h, com uma
bureta graduada de sensibilidade ≤ 0.05 cm³. O teste deve ser feito com gás Nitrogênio, a 40
bar de pressão e a Equação 1 é introduzida para calcular uma taxa especifica de vazamento. Do
volume de vazamento ΔVp [cm³] coletado pelo intervalo de tempo Δt [s], a taxa específica de
vazamento é calculada para pressão atmosférica PE [bar] e temperatura Tp [K] do ambiente de
teste.
𝜆ℎ =∆𝑉𝑝 . 𝑃𝐸 . 𝑇𝑁 . 𝜌𝑁2
𝑃𝑁 . 𝑇𝑝 . 𝜋 . 𝐷𝑚 . ∆𝑡 (1)
O valor de 0.1 mg/m.s é estabelecido na norma como o máximo valor admissível para a
taxa de vazamento específica. Na equação, π.Dm é o valor da circunferência média da junta a
23
ser testada, e foi adaptado para as dimensões de juntas utilizadas. A Tabela 2 a seguir apresenta
os valores dos parâmetros da Equação 1:
Tabela 2 - Parâmetros Equação 1
Parâmetro Valor
PE 1.013 [bar]
PN 1.013 [bar]
TE 293.15 [K]
TN 273.15 [K]
ρN2 1.2504 [mg/cm³]
4.1.2 Tipos Testados
Para a realização do estudo, foram escolhidos 4 produtos diferentes disponíveis no
mercado, sendo duas juntas metálicas e duas não-metálicas. Esses produtos foram escolhidos
devido ao seu uso comum em vedação industrial. Os produtos representam 3 tipos distintos de
juntas, que estão descritos e detalhados a seguir:
Junta Espiral (SWG) – As juntas espirais utilizadas eram compostas de uma fita-
metálica de aço inoxidável preenchida com grafite flexível. Além disso, as juntas
possuíam anel externo para auxiliar na centralização da junta, tendo seu diâmetro
externo valor determinado de forma a encostar nos parafusos, e também anel
interno para evitar a flambagem do material (5). A Figura 15 abaixo ilustra o tipo
de junta:
Figura 15 - Junta Espiral - Fonte: Juntas Industriais, 2013
24
Junta Camprofile (GFGM) – As juntas testadas consistiam de um núcleo maciço
de metal, com serrilhado concêntrico, recoberto com grafite flexível em ambas as
superfícies, e com anel de centralização externo (Figura 16).
Figura 16 - Junta Camprofile - Fonte: Juntas Industriais, 2013
Papelão Hidráulico (CFG) – Foram escolhidos dois tipos diferentes de juntas de
papelão hidráulico, sendo uma fabricada com fibras de aramida e celulose e a
outra de fibras de carbono com grafite. Um desenho esquemático desse tipo junta
pode ser observado na Figura 17 a seguir:
Figura 17 - Papelão Hidráulico
25
Os tipos escolhidos estão sumarizados na Tabela 3 a seguir:
Tabela 3 - Tipos Testados
Tipo Detalhe
SWG Fita de Aço Inoxidável recheada com
Grafite Flexivel
GFGM Núcleo de Aço Inoxidável coberto
com Grafite Flexível
CFG-A Fibras de Aramida e Celulose unidas
com borracha NBR
CFG-C Fibras de Carbono e Grafite unidas
com borracha NBR
As dimensões para essas juntas foram escolhidas com base na literatura (2) (15) e estão
detalhadas na Tabela 4.
Tabela 4 - Dimensões das Juntas Testadas
Tipo Dimensões Área de Contato (Ac)
SWG
Diâmetro de Contato Interno (GC,ID): 69.9 mm
Diâmetro de Contato Externo (GC,OD): 85.9 mm
Diâmetro Anel Interno (IRD): 55.6 mm
Diâmetro Anel Externo (ORD): 104.9 mm
Área de Contato (Ac): 1968.81 mm²
GFGM
Diâmetro de Contato Interno (GC,ID): 69.8 mm
Diâmetro de Contato Externo (GC,OD): 88.9 mm
Diâmetro Anel Externo (ORD): 104.9 mm
Área de Contato (Ac): 2369.70 mm²
CFG - A
CFG - C
Diâmetro de Contato Interno (GC,ID): 75 mm
Diâmetro de Contato Externo (GC,OD): 90 mm
Diâmetro Externo (GOD): 104 mm
Área de Contato (Ac): 1943.86 mm²
26
4.1.3 Procedimento Experimental
Conforme dito anteriormente, o procedimento utilizado para os testes foi o determinado
por Silva, Xavier e Rodrigues (2), em 2013. De acordo com o procedimento, primeiro devemos
determinar o tempo que devemos aguardar após a aplicação de tensão para que a junta se adapte
no flange. Depois disso, determinamos a tensão máxima admissível para a junta e,
posteriormente, executar o teste de vazamento, em duas etapas, para a determinação das tensões
mínimas de instalação e de operação da junta (Figura 18).
Figura 18 - Visão Geral do Procedimento
Para a determinação do tempo de permanência, que aqui chamaremos de Tg, escolhe-se
um valor de SgT a ser aplicado à junta e permite-se que ela “relaxe”. Os valores de tensão são
monitorados ao longo do tempo e o intervalo de tempo necessário para que a queda se torne
desprezível é o Tg necessário à estabilização da força.
Para a determinação da tensão máxima admissível para as juntas de Papelão Hidráulico
(CFG-A e CFG-C), o procedimento estabelece que estas devem ser instaladas com SgT’s
escolhidos arbitrariamente. Após a aplicação da tensão, a junta é removida e visualmente
27
analisada, quando uma marca de cisalhamento for detectada em uma das suas camadas (Figura
19), interpreta-se que foi iniciado um modo de falha. A existência de marcas de cisalhamento
em ambas camadas da junta indica que a tensão máxima admissível para esta foi ultrapassada.
A tensão mais alta aplicada que não gerou cisalhamento é considerada a tensão máxima
admissível para a junta.
Figura 19 - Camada Cisalhada - Fonte: Silva et al (Adaptado)
As juntas SWG e GFGM, são juntas metálicas e os níveis de tensão admissível para estas
são extremamente altos. O fabricante recomenda 297 e 241 MPa (5) como tensão máxima para
SWG e GFGM respectivamente, valores que ultrapassam as limitações do equipamento
utilizado para os testes. A célula de carga utilizada possui um limite de 50 toneladas de força e
90% desse valor foi utilizado como força máxima permitida.
O protocolo sugere um procedimento em duas etapas para a determinação dos valores de
Sgmin-S e Sgmin-O. A primeira parte determina os valores de Sgmin-S e um intervalo de tensão no
qual está o Sgmin-O. Na segunda parte, os resultados são mais refinados, com menores
decrementos de tensão. Para ambas as partes devem ser escolhidas tensões alvo (SgT) a serem
aplicadas nas juntas. Essas tensões foram escolhidas, conforme indica o procedimento, para
28
serem 90, 70, 50 e 30% dos valores encontrados como Sgmax. Para os tipos cujas máximas
tensões não puderam ser determinadas, foram escolhidos percentuais da força máxima
permitida pelo equipamento. Os procedimentos detalhados para cada uma das etapas do teste
de vazamento estão a seguir:
Parte 1 Parte 2
1. Instalar a junta com a tensão alvo
selecionada (SgT);
2. Após o tempo de permanência, aplicar a
pressão interna;
3. Após 10 minutos medir a taxa de
vazamento;
4. Se a taxa for menor de 0.004 mg/(m.s),
diminuir a tensão na junta em 10 MPa;
5. Aguardar o tempo de permanência e
medir a taxa de vazamento;
6. Repetir as etapas 4 e 5 até que a taxa de
vazamento ultrapasse 0.004 mg/(m.s).
1. Instalar a junta com a tensão alvo
selecionada (SgT);
2. Após o tempo de permanência, aplicar a
pressão interna;
3. Após 10 minutos, diminuir a tensão de
vazamento para o valor determinado na
Parte 1;
4. Após o tempo de permanência, medir a
taxa de vazamento;
5. Se a taxa de vazamento for menor que 0.1
mg/(m.s), diminuir a tensão na junta em
1.26 MPa;
6. Repetir as etapas 4 e 5 até que a taxa de
vazamento ultrapasse 0.1 mg/(m.s)
O procedimento desenvolvido tem como foco maior a determinação de valores para o
Sgmin-O. Isso se explica, conforme ressaltado anteriormente, pela relaxação natural das juntas,
fator inevitável que deve ser cuidadosamente considerado. A maior parte da perda do aperto
decorrente desta relaxação se dá logo após a compressão inicial da junta, sendo prática comum
o reaperto da mesma nos minutos ou horas seguintes à sua instalação. No entanto, mesmo que
as técnicas de instalação sejam executadas corretamente, a relaxação perdura ainda quando a
junção é posta em operação, resultando no decréscimo da tensão residual da junta ao longo do
tempo. No caso em que essa tensão residual se torne inferior à mínima tensão de operação para
a junta aplicada, a taxa de vazamento ultrapassará o máximo admissível, tornando o
equipamento problemático, sendo fonte de prejuízo e em determinados casos danos ao
29
ambiente. Neste cenário, o Sgmin-O torna-se fator crítico, sendo seu conhecimento essencial para
a garantia da vedação e um cenário sem maiores problemas.
4.2 Resultados
O protocolo começa com a determinação do Tg. Para isso, as juntas foram instaladas e
comprimidas até 138 MPa e foi permitido que “relaxassem”. A força atuante na junta foi
monitorada através da célula de carga e os dados coletados com o software FIX32 Intellution
de coleta de dados. Para cada tipo e espessura, foram realizados 3 ensaios a fim de proporcionar
repetibilidade. As médias dos resultados foram plotados em gráficos e podem ser observados
nas Figura 20, Figura 21, Figura 22 e Figura 23 a seguir.
Observa-se que, para todos os tipos, após 20 minutos da aplicação da força a perda de
tensão torna-se desprezível. Por segurança, o Tg foi determinado como 30 minutos para todos
os tipos, o que concorda com o determinado em (2).
Figura 20 - Relaxação tipo SWG
Figura 21 - Relaxação tipo GFGM
Figura 22 - Relaxação tipo CFG-A
Figura 23 - Relaxação tipo CFG-C
30
Uma vez determinados os Tg para cada uma das juntas, foram realizados os ensaios de
máxima tensão admissível. Para isso, cada tipo e espessura foi instalado e comprimido até
tensões alvo escolhidas arbitrariamente e foram analisadas conforme sugere o protocolo. As
tensões alvo foram gradualmente aumentadas até que se observasse a ocorrência de
cisalhamento. Os resultados podem ser vistos na Tabela 5 - Resultados de Máxima Tensão Admissível
a seguir.
Tabela 5 - Resultados de Máxima Tensão Admissível
SWG
[MPa]
GFGM
[MPa]
CFG-A [MPa] CFG-C [MPa]
1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm 1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm
>200* >165* >227* 152 138 227* 227* 152
*Nota: Não determinado devido a limitações do equipamento.
Para dar continuidade ao protocolo, é necessário escolher valores a serem utilizados como
SgT. Conforme dito anteriormente, esses valores foram escolhidos como sendo 90, 70, 50 e
30% do encontrado como Sgmax. Os valores de SgT escolhidos para os tipos testados podem ser
vistos na Tabela 6.
Tabela 6 - Valores de SgT
%Sgmax
SgT [MPa]
SWG GFGM CFG-A CFG-C
1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm 1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm
90% 203 165 227 138 124 227 227 138
70% 159 159 179 103 97 179 179 103
50% 114 93 124 76 69 124 124 76
30% 69 55 76 45 41 76 76 45
O procedimento para a Parte 1 do teste de vazamento foi realizada para cada um desses
valores em triplicata. Os resultados da primeira parte dos testes podem ser vistos na Tabela 7 a
seguir.
31
Tabela 7 - Resultados Parte 1
SgT
[%Sgmax]
Sgmin-O [MPa]
SWG GFGM CFG-A CFG-C
1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm 1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm
90% 26.8 16.5 27.7 21.4 15.1 17.6 30.2 20.1
70% 29.5 16.5 20.1 20.1 15.1 25.2 25.2 20.1
50% 26.8 16.5 19.9 20.1 15.1 20.1 33.6 20.1
30% 26.1 16.5 25.2 N/D N/D N/D N/D N/D
*N/D: Taxa de vazamento > 0.004 mg/(m.s) no início do teste.
Como pode ser observado na Tabela 7, para alguns dos tipos não foi possível se determinar
valores para 30% do Sgmax. A taxa de vazamento já estava acima do permitido quando do
começo do teste. De acordo com Silva, Xavier e Rodrigues (2), isso significa que o SgT
escolhido está abaixo da tensão mínima de instalação necessária para a junta, ou seja, está
abaixo do Sgmin-S. O Sgmin-S é determinado a partir do valor mais baixo que garantiu a vedação
inicial. Os valores de Sgmin-S determinados podem ser vistos na Tabela 8 a seguir:
Tabela 8 - Resultados de Sgmin-S
SWG
[MPa]
GFGM
[MPa]
CFG-A [MPa] CFG-C [MPa]
1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm 1.6 mm 2.0 mm 3.2 mm
Sgmin-S 68.9 55.2 75.8 75.8 68.9 124 124 75.8
Foi então efetuada a segunda parte do procedimento do teste de vazamento, sendo
efetuadas 3 medições para cada um dos valores de SgT a fim de proporcionar repetibilidade, e
com os resultados obtidos foi realizada a análise estatística, que será abordada a seguir.
4.3 Análise Estatística
Os testes resultaram em uma quantidade significativa de dados, pouco mais de 90 valores
de Sgmin-O foram determinados, que foi analisada estatisticamente a fim de se determinar as
relações entre os diferentes tipos de juntas e suas espessuras com os valores obtidos para os
32
parâmetros. Para a realização desta análise, o software estatístico Minitab® foi utilizado,
programa referência para estudos estatísticos. Os resultados para a CFG-A na espessura de 3,2
mm foram extraídos de (2).
Primeiramente, foi analisada a influência do aperto inicial escolhido (SgT) nos resultados.
Para isso, os valores de Sgmin-O foram plotados em um gráfico de intervalos, que pode ser
observado na Figura 24.
Figura 24 - Gráfico de Intervalos - SgT vs Sgmin-O
Do gráfico, fica claro que as médias de cada SgT são estatisticamente iguais para cada um
dos tipos testados. Os mesmos dados foram avaliados por regressão linear que resultaram em
uma relação próxima de 0%. Assim sendo, conclui-se que os valores de Sgmin-O não serão
afetados pelo SgT aplicado, desde que esse seja superior ao Sgmin-S para a junta em questão.
Uma vez descartada a influência do SgT, a análise prossegue para a avaliação da influência
das espessuras das juntas de papelão hidráulico. Um outro gráfico de intervalos foi gerado,
relacionando a espessura ao resultado de Sgmin-O (Figura 25).
33
Figura 25 - Gráfico de Intervalos - Espessura vs Sgmin-O
Apesar das médias para cada espessura não serem todas estatisticamente iguais, apenas
a média da CFG-A não encontra nenhum dos outros intervalos de erro. As regressões lineares
realizadas relacionando a espessura dessas juntas com seus resultados de Sgmin-O
individualmente, e com os dados combinados mostraram relação muito baixa, chegando no
máximo a 60% de relação. Assim sendo, por motivos práticos, podemos ignorar qualquer
influência da espessura e escolher um único valor de Sgmin-O para as 3 espessuras de cada
papelão hidráulico.
Então, um gráfico de intervalos foi gerado no qual os resultados de Sgmin-O foram
plotados contra cada um dos tipos testados (Figura 26). Os resultados são estatisticamente
diferentes, exceto para a SWG e CFG-C, no entanto, pode-se observar certa semelhança entre
eles.
Tipo
Espessura
CFG-CCFG-A
3,22,01,63,22,01,6
24
22
20
18
16
14
12
10
Sg
min
-O [
MP
a]
16,5
19,519
12,5
16,2
17,8
Gráfico de Intervalos de Sgmin-O [MPa]
34
Figura 26 - Gráfico de Intervalos - Tipos vs Sgmin-O
A diferença entre as médias mais alta e mais baixa (Sgmin-O,SWG – Sgmin-O,GFGM), é pouco
maior de 5 MPa. Quando esses resultados são plotados evidenciando os valores encontrados
de Sgmin-S (Figura 27), a diferença fica praticamente insignificante. A distância entre o Sgmin-S
mais baixo e os Sgmin-O é tão maior que podemos descartar as diferenças entre os tipos e escolher
um único valor para todos.
Figura 27 - Gráfico de Intervalos - Tipos vs Sgmin-O
CFG-CCFG-AGFGMSWG
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
Tipo
Sg
min
-O [
MP
a]
18,3
16
13,1
18,7
Gráfico de Intervalos de Sgmin-O [MPa]
35
Finalmente, os dados foram avaliados em um gráfico de probabilidades, através do qual
foi possível retirar valores que garantem a vedação em operação com determinados níveis de
confiança, como pode ser observado na Figura 28.
Figura 28 - Grafico de Probabilidades de Sgmin-O
Assim, somando-se três desvios padrões à média encontrada (µ + 3.σ), obtemos o valor de
Sgmin-O = 25,9 MPa. Isso significa que, com 99,73% de certeza, valores de tensão acima de 25,9
MPa garantem taxas de vazamento inferiores a 0.1 mg/(m.s) para todos os tipos testados.
5 Análise Computacional
5.1 Introdução
As juntas de papelão hidráulico são muito utilizadas em vedação industrial. Sua alta
capacidade de suportar esforços, baixa relaxação e boa relação custo-benefício as tornam uma
opção muito interessante (5). Apesar de sua popularidade, não existe muita informação a
36
respeito do seu comportamento quando submetidas às forças da união flangeada, sendo comum
encontrar estudos em relação a relaxação, etc (18) (19).
Assim sendo, é apresentada neste capítulo uma modelagem computacional simples, a fim
de iniciar um estudo em elementos finitos para compreender o que acontece com a junta no
momento em que esta é comprimida pelos flanges e posta em operação.
5.2 Modelagem
Para a realização da modelagem foi escolhido o software Abaqus®. O mesmo foi escolhido
por ser reconhecido e comumente utilizado na realização de análises por elementos finitos.
Conforme explicitado anteriormente, foi escolhida a junta de papelão hidráulico para a
realização da modelagem. Para as simulações, a junta foi considerada ser de material
homogêneo e isotrópico. Para o tipo de modelagem realizado, o software pede tão somente o
Módulo de Young (E) e Coeficiente de Poisson (ν) do material. O valor de E foi obtido com o
fabricante (ECFG-C = 15,8 GPa), no entanto este não determina valores para o Coeficiente de
Poisson. Para contornar o problema, foram realizadas simulações com 3 diferentes valores de
Coeficiente de Poisson (ν = {0,35; 0,4; 0,45}), variando entre os valores conhecidos para aço
e borracha, sem que fosse notada grande diferença entre estes. As dimensões da junta foram
escolhidas de forma a concordar com as dimensões utilizadas em (2) e nas determinações
experimentais deste trabalho.
O modelo foi realizado sem a existência dos flanges, sendo as ranhuras substituídas por
forças pontuais e condições de contorno. Os flanges escolhidos para a modelagem foram do
tipo Face Ressaltada Ranhurada. Nestes tipos, os flanges não entram em contato com toda a
superfície da junta, apenas na parte onde há o ressalto. Para as dimensões da junta modelada, a
largura de contato resultante entre a junta e os flanges é de L = 7,5mm. Assim sendo, as forças
foram aplicadas na parte superior da junta, espaçadas de 0,5 mm (5). Na parte inferior da junta,
37
foram estabelecidas condições de contorno do tipo “pinado”, considerando-se que o flange
inferior estaria imóvel a todo tempo e a junta se conformaria em torno do ponto de contato
inicial entre junta e ranhura. Em uma segunda etapa, após a aplicação da pré-carga, é aplicada
uma pressão na face interna da junta, simulando a aplicação da pressão interna. Os valores de
força e pressão foram escolhidos com base no resultado de Sgmax (SgmaxCFG-C_3,2 = 152 MPa) e
na pressão utilizada para os testes (P = 40bar). A Figura 29 a seguir ilustra as forças e condições
de contorno estabelecidas na peça:
Figura 29 - Forças e Condições de Contorno
A junta foi modelada como sendo Axisimétrica, e os elementos utilizados foram de tensão
axisimétrica e trigonais. A malha realizada na junta foi separada em duas seções, a primeira
mais refinada, na região aonde ocorre o contato da junta com as ranhuras do flange, e a segunda
38
com elementos maiores, na região da junta que não entra em contato inicialmente com o flange.
A Figura 30 a seguir ilustra a malha realizada na peça. Ao todo foram gerados 17793 elementos,
sendo os menores de tamanho 5x10-5 e os maiores de tamanho 3x10-4.
Figura 30 - Malha Gerada
5.3 Resultados
Uma vez estabelecido o modelo, o programa foi posto a analisar. Na Figura 31 a seguir,
podemos ver as tensões geradas na peça após a aplicação da pré-tensão. Note que há
concentração de tensão nos pontos de aplicação da força, como era de se esperar, sendo esta
mais acentuada no limiar entre os pontos de aplicação e a parte livre da junta. Isso corresponde
ao local onde se observaria o surgimento da marca de cisalhamento, utilizada como critério de
máximo de acordo com o protocolo (2).
39
Figura 31 - Resultados Etapa 1
A Figura 32 a seguir mostra o resultado evidenciando as tensões de cisalhamento geradas
na peça. Observando-se a figura fica claro a concentração de tensões de cisalhamento nos
limites do ressalto do flange.
Figura 32 - Resultados Etapa 1 - Tensão Cisalhante
40
A pressão interna foi aplicada na segunda etapa, e o resultado pode ser observado na Figura
33 a seguir. A distribuição interna de tensões na junta foi um pouco alterada após a aplicação
da pressão, mas mesmo assim nada muito significativo.
Figura 33 - Resultado Etapa 2
A Figura 34 compara a magnitude dos deslocamentos antes e depois da aplicação da
pressão interna. Como se pode notar, não houve grande mudança de um estado para o outro.
Figura 34 - Comparação Deslocamentos
41
5.4 Discussão
Do procedimento experimental realizado, foram obtidos valores para diferentes
parâmetros, cada um com a sua importância para o trabalho com juntas. Apesar de o protocolo
seguido enfatizar a tensão mínima de operação das juntas, pelos motivos já explicitados
anteriormente, é, também, muito interessante o estudo e conhecimento da máxima tensão de
aplicação, uma vez que a tensão aplicada na junta durante a instalação deve ser a mais alta
possível, a fim de se promover a maior garantia contra o vazamento (1).
O protocolo estabelece como critério de falha da junta a ocorrência de marcas de
cisalhamento na região limite de contato entre o ressalto e a superfície da junta. Após a
realização dos experimentos, foi possível observar que esta marca de fato surgia antes da
ocorrência de cisalhamento em qualquer outra parte, nos levando a crer que ali seria um ponto
de maior concentração de tensões.
Os resultados computacionais mostram concentração de tensão nos pontos de aplicação da
força – que representam o ponto de contato entre ranhura e junta inicialmente – e concentração
na região limite do contato ressalto/junta. Assim sendo, a modelagem apresentada pode ser
considerada coerente, e reflete o que de fato acontece com a junta quando esta é submetida à
compressão pelos flanges.
6 Conclusões
Os vazamentos em uniões flangeadas tomaram importância significativa nos últimos 30
anos. Nos dias de hoje, a preocupação com processo cada vez mais sustentáveis é muito grande.
As agências reguladoras têm sido cada vez mais restritivas no que diz respeito a vazamentos e
emissões fugitivas, exigindo um controle rígido destas, e punindo significativamente aqueles
que não cumprirem as exigências. Assim sendo, torna-se importante a vedação e a manutenção
da mesma.
42
Neste contexto, as diretrizes definidas no ASME PCC-1-2010 (1) ganharam muita
popularidade nos últimos anos. A publicação leva em conta os limites dos componentes da
união, bem como fatores necessários à garantia da vedação. O método de cálculo para a força
a ser aplicada nos parafusos – força esta responsável pela compressão da junta e
consequentemente a vedação da união – definido no apêndice O do PCC-1, leva em conta
diversos parâmetros para garantir a vedação e a integridade dos componentes. No entanto, não
são estabelecidos valores para estes parâmetros, sendo necessário que sejam obtidos com os
fabricantes.
Assim sendo, este trabalho se propôs a determinar valores para os parâmetros referentes à
junta, utilizando um protocolo previamente estabelecido (2). Foi possível determinar valores
para os parâmetros em juntas de quatro materiais diferentes, sendo dois deles em três espessuras
distintas. O protocolo pode ser então considerado válido, uma vez que foram determinados os
valores.
A análise dos valores obtidos levou a algumas conclusões. Primeiramente, todas a juntas
testadas mostraram boa estabilidade de tensão, apresentando pouca relaxação após a aplicação
da força. Além disso, os experimentos de máxima tensão permissível mostraram que juntas de
menor espessura aguentam uma aplicação de tensões de maior magnitude que a juntas de maior
espessura.
Com os dados coletados nos testes foi possível realizar uma análise estatística significativa.
A partir desta, foi possível concluir que os resultados de mínima tensão de operação das juntas
não serão afetados pela tensão aplicada inicialmente nesta, desde que a tensão inicial seja maior
que a mínima tensão de instalação necessária à junta.
A análise realizada a respeito das espessuras de juntas de papelão hidráulico não mostrou
relação significativa entre a espessura e o Sgmin-O. Assim sendo, os resultados obtidos indicam
43
que a tensão mínima de operação da junta não será afetada pelas diferenças de espessura, não
implicando em valores diferentes de Sgmin-O para produtos de diferentes espessuras.
Foi possível, ainda, determinar um único valor de Sgmin-O para todos os produtos testados,
uma vez que as diferenças entre os valores encontrados para cada produto não eram muito
significativas quando comparadas com os resultados de máximo e mínima tensão de instalação.
Essa conclusão é particularmente importante, pois facilita os cálculos, por exemplo, em uma
parada de planta em que é necessário instalar diversas juntas de tipos e espessuras diferentes,
pode-se escolher um único valor de Sgmin-O para efetuar todos os cálculos. Além disso, uma vez
obtido um valor confiável de Sgmin-O, é possível realizar cálculos mais precisos, assim
diminuindo a probabilidade de vazamento devido a relaxação, estendendo o tempo de
operação, ganhando em produtividade e economizando em perda de produto.
O modelo por elementos finitos estabelecido foi considerado coerente quando comparado
aos resultados obtidos experimentalmente. Este modelo pode ser aprofundado, por exemplo,
incluindo-se os flanges na modelagem e modelando o contato entre eles. Além disso, a
modelagem pode ser não linear, a fim de obter resultados mais precisos.
Ainda como sugestão para futuros trabalhos, fica a aplicação do procedimento a juntas de
outros tipos de materiais, como PTFE, além de se variar a pressão e a temperatura de testes,
para se entender a influência destes nos valores dos parâmetros e no comportamento das juntas.
44
7 Referências
1. American Society of Mechanical Engineers. ASME PCC-1-2010 Guidelines for Pressure Boundary
Bolted Flange Joint Assembly. Nova Iorque, Nova Iorque, EUA : s.n., 2010.
2. Silva, Ana, Xavier, Lucas and Rodrigues, Gabriele. Developing a Protocol to Determine the
Minimum Operating Stress of Compressed Non-Asbestos Gaskets. ASME PVP Conference. julho 2013.
3. Enviromental Protection Agency. Clean Air Act. [www.epa.gov/air/caa] Washington DC :
Enviromental Protection Agency, 1970.
4. Enviromental Protection Agency. Second Prospective Study - 1990 to 2020. Site da EPA. [Online]
Enviromental Protection Agency, março de 2011. [Citado em: 29 de junho de 2014.]
www.epa.gov/air/sect812/prospective2.html.
5. Veiga, José Carlos. Juntas Industriais. Rio de Janeiro : s.n., 2013.
6. American Petroleum Institute. API 622. Type Testing of Process Valve Packing for Fugitive
Emissions. Washington, DC : s.n., 2011.
7. American Petroleum Institue. API 624. Type Testing of Rising & Rotating Stem Valves Equipped
with Flexible Graphite Packing for Fugitive Emissions. Washington, DC : s.n., 2014.
8. Comission on Air Polution Prevention of VDI and DIN, Verein Deustcher Ingenieure. VDI 2440
Guideline. Emission Control - Mineral oil refineries. 2000.
9. Enviromental Protection Agency. Leak Detection and Repair Compliance Assistance Guidance - A
Best Practices Guide.
[http://www.epa.gov/compliance/resources/publications/assistance/ldarguide.pdf] [Citado em: 30
de junho de 2014.] Washington, DC : Enviromental Protection Agency, 2007.
10. American Society of Mechanical Engineers. Section V. [A. do livro] American Society of
Mechanical Engineers. 2010 ASME Boiler & Pressure Vessel Code. Nova Iorque : s.n., 2011.
11. Petrobras. EMISSÕES FUGITIVAS DE GASES DE EFEITO ESTUFA NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E
GÁS NATURAL. Brasilia, DF : s.n., 2010.
12. Enviromental Protection Agency. Methane Emissions from the Natural Gas Industry, Volume 2:
Technical Report. 1996.
13. Committee on Government Reform. Oil Refineries Fail to Report Millions of Pounds of Harmful
Emissions. 1999.
14. Telles, Pedro Silva. Tubulações Industriais. Rio de Janeiro : LTC, 2001.
15. American Society of Mechanical Engineers. ASME B16.20 - Metallic Gaskets fo Piping Flanges.
Nova Iorque : s.n., 2007.
16. —. ASME B16.21 - Nonmetallic Flat Gaskets For Piping Flanges. Nova Iorque : s.n., 2005.
45
17. Deutsches Institut für Normung. Gaskets for Gas Supply Part 6: Gasket materials Based on
synthetic fibers, graphite of polytetrafluoroethylene (PTFE) for gas valves, gas appliances and gas
mains. DIN 3535-6.
18. BlueScope Pipeline Supplies. <http://www.bluescopepipelinesupplies.com.au/pipeline-
products/flanges> Citado em: 29 de junho de 2014.