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I
PROJETO DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA DE ENGAXETAMENTO EM VÁLVULAS E
EQUIPAMENTOS ROTATIVOS
Bruno Maitam Pedroso
Projeto de Graduação apresentado ao 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: Reinaldo De Falco
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2016
II
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ
PROJETO DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA DE ENGAXETAMENTO
EM VÁLVULAS E EQUIPAMENTOS ROTATIVOS
Bruno Maitam Pedroso
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO 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. Reinaldo De Falco
________________________________________________ Prof. Fábio Luiz Zamberlan
________________________________________________ Prof. Fernando Rochinha
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2016
III
Pedroso, Bruno Maitam
Projeto de Especificação Técnica e Econômica de
Engaxetamento em Válvulas e Equipamentos Rotativos /
Bruno Maitam Pedroso. – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola
Politécnica, 2016.
X, 61 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Reinaldo de Falco.
Projeto de Graduação – UFRJ / POLI / Curso de
Engenharia Mecânica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 61.
1. Vedação Industrial. 2. Emissões Fugitivas. 3. Gaxeta.
4. Válvulas. 5. Bombas.
I. De Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica.
III. Projeto de Especificação Técnica e Econômica de
Engaxetamento em Válvulas e Rotativos.
IV
AGRADECIMENTOS
Aqui gostaria de deixar meu agradecimento a todos que fizeram dessa árdua
jornada um caminho mais prazeroso
Primeiramente a meus pais Rita e Renato pela inesgotável fonte de amor e
confiança, tornando tudo sempre possível e a vida mais fácil de se levar. Sou e serei
eternamente grato por tudo que fizeram por mim e gostaria que soubesse que vocês
tem uma parcela muito significativa em quem sou hoje e que não estaria onde estou
sem vocês.
Em segundo, por questão de tempo, agradeço ao meu irmão Guilherme, que me
faz reinventar a cada dia e me mostra os valores mais puros que o tempo nos remete.
Se eu busco saber sempre tudo é por sua causa, irmão te ama.
Aos que fazem parte da minha família mas são filhos de outras mães, meus
amigos mais valiosos e que me impulsionam sempre a ser hoje uma pessoa muito
melhor que ontem, Ricardo, Pedro, Rafinha, Jucá, Gustavo, Marcelinho, Victinho,
Alfonso, Matheus, Berna e Lipe.
Não posso esquecer dos que fizeram da presença física na faculdade a
caminhada possível. É impossível citar cada um dos nomes que passam pela minha
cabeça, então para não cometer injustiças agradeço do fundo do meu coração ao time
que conquistou meu coração, e a Copa Campus mostrando ao FCB o que significa
amor à camisa, muito obrigado Invencivil. Aos amigos também do FutCampo, nunca
foi tão prazeroso cortar as ACEs, com vocês toda viagem era um mar de risos.
Obrigado ao River por me mostrar a força de um grupo e a importância em ter um
técnico amigo mas que não sabe nada de futebol. Aos Plays sempre sacaneando a
vida de qualquer ser humano. E por último e mais importante, aos que fizeram meus
últimos anos valerem a pena, deixo aqui meu muito obrigado a todos os eternos
amigos do Mecats/Mecmiguxos que levo para a minha vida, tenham certeza que sem
vocês isso jamais seria possível.
Agradeço também ao meu orientador Reinaldo De Faldo nessa conclusão de
jornada, e a toda equipe do Departamento de Engenharia Mecânica.
Para finalizar gostaria de enaltecer minha gratidão a empresa Teadit, que vem a
cada dia me surpreendendo mais e me acolhendo cada vez mais como uma família,
impulsionando meu desenvolvimento pessoal e profissional a novos patamares, e em
especial a Josie, Aline, Camille e Luzia, por me aguentarem diariamente.
Obrigado Universo por sempre conspirar ao meu favor!!
V
Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. PROJETO DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA E ECONÔMICA DE ENGAXETAMENTO
EM VÁLVULAS E EQUIPAMENTOS ROTATIVOS
Bruno Maitam Pedroso
Dezembro/2016 Orientador: Reinaldo De Falco Curso: Engenharia Mecânica
O presente trabalho apresenta um estudo de caso de engaxetamento em
válvulas de bloqueio em uma planta de uma petroquímica como base de cálculo e
apoio para o dimensionamento e seleção de gaxetas em válvulas e rotativos. Seu
objetivo é proporcionar a ótima vedação mecânica aos equipamentos da planta de
produção, garantindo menores perdas nos processos e evitando problemas com o
vazamento, como, por exemplo, vazamentos nas linhas de vapor superaquecido,
podendo causar ferimentos graves, danos materiais e até mortes. Sabendo-se da
importância em controlar cada vez mais as perdas por emissões, tanto para a
otimização da produção industrial quanto pela responsabilidade social e segurança no
trabalho, este projeto aborda um caso de redimensionamento de seleção de gaxetas
numa planta petroquímica no Rio Grande do Sul para válvulas de bloqueio numa linha
de vapor saturado. Para que o estudo desse caso fosse feito da maneira correta,
foram abordados temas que ajudassem no entendimento de fabricação e aplicação de
gaxetas, bem como um estudo sobre os equipamentos a serem instalados, no caso
bombas e válvulas. Com isso seguem exemplos de especificação e aplicação das
gaxetas para solidificar o estudo feito.
Palavras-chave: Gaxetas, Dimensionamento, Seleção de Gaxetas, Válvulas, Bombas
Hidráulica.
VI
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
TECHNICAL AND ECONOMIC SPECIFICATION PROJECT FOR VALVES AND ROTATING SEALING
Bruno Maitam Pedroso
December/2016 Advisor: Reinaldo De Falco Course: Mechanical Engineering
This work presents a case study of packing in locking valves in a petrochemical
plant as a basis of calculation and support for the design and selection of gaskets in
valves and rotary. Its objective is to provide a good mechanical seal to the equipment
of the production plant, guaranteeing lower losses in the processes and avoiding
problems with the leakage, such as leaks in superheated steam lines, which can cause
serious injuries, material damage and even death. Knowing the importance of
increasingly controlling emissions losses, both for the optimization of industrial
production and social responsibility and safety at work, this project addresses a case of
scaling of gasket selection at a petrochemical plant in Rio Grande do Sul For blocking
valves in a saturated steam line. In order to study this case correctly, it was
approached subjects that would help in the understanding of the manufacture and
application of gaskets, as well as a study on the equipment to be installed, in the case
of pumps and valves. This is followed by examples of gasket specification and
application to solidify the study.
Keywords: Gaskets, Sizing, Gasket Selection, Valves, Hydraulic Pump.
VIII
Sumário
1 Objetivo..............................................................................................................1
2 Introdução...........................................................................................................22.1 VedaçãoIndustrial...................................................................................................22.2 EmissõesFugitivas....................................................................................................32.3 TEADIT:CaracterizaçãodaOrganização....................................................................42.3.1 O“ProjetoBuscadeValor”....................................................................................5
3 ConceitosBásicos................................................................................................73.1 ElementosdeVedação.............................................................................................73.2 JuntasdeVedação..................................................................................................103.2.1 Definição.............................................................................................................103.2.2 ForçasemumaUniãoFlangada...........................................................................103.2.3 EficiênciadeumaJunta.......................................................................................113.2.4 InfluenciadoAcabamentodosFlangesnaescolhadaJunta.................................123.2.5 TiposdeFacesdeVedaçãodosFlanges...............................................................123.3 Gaxetas..................................................................................................................153.3.1 Definição.............................................................................................................153.3.2 TiposConstrutivos...............................................................................................153.3.3 GaxetasdeVedação............................................................................................173.3.4 Composição.........................................................................................................193.3.4.1 FibrasUtilizadas...............................................................................................193.3.4.2 ImpregnanteseLubrificantes...........................................................................213.3.5 FatordepH.........................................................................................................223.3.6 SistemasdeEngaxetamento................................................................................233.4 GaxetasemEquipamentosRotativos.....................................................................253.5 GaxetasemVálvulas..............................................................................................27
4 AnálisedeEspecificaçãoeAplicaçãodeGaxetas................................................314.1 SeleçãodeGaxetas.................................................................................................314.2 CálculodeAplicaçãodeEngaxetamento.................................................................344.2.1 EquipamentosRotativos.....................................................................................344.2.2 Válvulas..............................................................................................................364.3 ModelosparaEquipamentosRotativos..................................................................374.3.1 Exemplo1...........................................................................................................374.3.2 Exemplo2...........................................................................................................404.4 ModeloparaVálvulas.............................................................................................434.4.1 Exemplo..............................................................................................................43
5 ProjetoBuscadeValor–IndustriaB..................................................................475.1 CasoB(Triunfo–RS)..............................................................................................475.2 SoluçãoProposta....................................................................................................485.3 CálculosTécnicos....................................................................................................495.4 CálculosEconômicos..............................................................................................55
6 Conclusão..........................................................................................................591
VIII
Lista de Figuras FIGURA1:EMISSÕESEMFLANGES........................................................................................................................3FIGURA2:INDUSTRIASTEADITGLOBAL.................................................................................................................5FIGURA3:TABELADECUSTOSDEELEMENTOSDEVEDAÇÃO......................................................................................6FIGURA4:ELEMENTOSDEVEDAÇÃO....................................................................................................................7FIGURA5:GAXETAS..........................................................................................................................................9FIGURA6:FORÇASEMUNIÕESFLANGEADAS........................................................................................................10FIGURA7:FLANGEFACEPLANA.........................................................................................................................12FIGURA8:FLANGEFACERESSALTADA.................................................................................................................13FIGURA9:FLANGELINGUETAERANHURA...........................................................................................................13FIGURA10:FLANGEFACEPLANAERANHURA......................................................................................................14FIGURA11:FLANGEMACHOEFÊMEA................................................................................................................14FIGURA12:FLANGERINGJOINT........................................................................................................................14FIGURA17:CORTEEPOSICIONAMENTODAGAXETA..............................................................................................17FIGURA18:VÁLVULA......................................................................................................................................18FIGURA19:BOMBA........................................................................................................................................18FIGURA20:ESCALADEPH................................................................................................................................23FIGURA21:BOMBASEMÁGUADESELAGEM.......................................................................................................24FIGURA22:BOMBACOMÁGUADESELAGEM......................................................................................................25FIGURA23:CLASSIFICAÇÃODEBOMBAS.............................................................................................................26FIGURA24:FUNÇÕESDEBOMBASCENTRÍFUGAS..................................................................................................27FIGURA25:COMPONENTESDEUMAVÁLVULADECONTROLE..................................................................................28FIGURA26:GRÁFICOVEL.PERIFÉRICAXDIÂMETRODOEIXO..................................................................................32
IX
Lista de Tabelas TABELA1:TABELADEAPLICAÇÃODEGAXETASPARAROTATIVOS.............................................................................33TABELA2:TABELADEAPLICAÇÃODEGAXETASPARAVÁLVULAS...............................................................................34TABELA3:INFORMAÇÕESTÉCNICASDASVÁLVULASDEBLOQUEIODE14".................................................................49TABELA4:INFORMAÇÕESTÉCNICASDASVÁLVULASDEBLOQUEIODE16".................................................................49TABELA5:DADOSGERAISDAEMPRESAB...........................................................................................................55TABELA6:INFORMAÇÕESECONÔMICASDASVÁLVULASDE14"...............................................................................56TABELA7:VALORDASPERDASPOREMISSÕESNASVÁLVULASDE14".......................................................................56TABELA8:ECONOMIATOTALNASVÁLVULASDE14".............................................................................................57TABELA9:ECONOMIANASVÁLVULASDE16"......................................................................................................57TABELA10:ECONOMIATOTALDASVÁLVULASDE14"E16"DAPLANTADAINDÚSTRIAB............................................58
1
1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é detalhar todos os passos para especificação e
aplicação de gaxetas, tanto em equipamentos rotativos quanto em válvulas, com a
finalidade de otimizar os processos, relativamente aos aspectos técnicos, comerciais,
bem como de saúde, meio ambiente e segurança envolvidos.
Por meio da evidenciação de um caso de grande importância e significado para
o mercado petroquímico brasileiro, este documento aborda detalhadamente um projeto
de reespecificação de engaxetamento com dados técnicos e econômicos fornecidos
gentilmente pela empresa Teadit, tradicional fabricante de elementos de vedação.
Relacionam-se dados de aplicação técnica com valores significativos de
economia financeira, que provém de uma correta especificação, aplicação e
manutenção dos elementos vedantes.
Com base num trabalho atual chamado Projeto Busca de Valor, o presente
estudo detalha desde os tipos de elementos de vedação existentes até os principais
fabricados pela Teadit, como juntas de vedação e gaxetas.
Destaca-se também o presente momento em que vivemos, de conscientização e
preocupação com o excesso de emissões industriais. Sabemos que a Terra é uma
fonte riquíssima, porém esgotável, de matéria prima, e o controle severo de emissões
fugitivas se mostra cada vez mais importante para o futuro de uma convivência
equilibrada entre ser humano e planeta.
2
2 Introdução
2.1 Vedação Industrial
Vedação é o processo usado para impedir a passagem, de maneira estática ou
dinâmica, de líquidos, gases e sólidos particulados (pó) de um meio para outro.
Elementos de vedação são peças que impedem a passagem de fluidos de um
ambiente para outro e evitam que esse ambiente seja poluído por agentes externos.
Eles atuam de maneira diversificada e são específicos para cada tipo de atuação. É
importante que o material do vedador seja compatível com o produto a ser vedado,
para que não ocorra uma reação química entre eles. Além disso uma vedação deve
resistir ao calor, à pressão, ao desgaste e ao envelhecimento. Se houver reação
química entre o vedador e o produto a ser vedado, poderá ocorrer vazamento e
contaminação do produto. Os vazamentos em meios industriais podem parar uma
máquina ou linha de produção inteira e causar contaminação do produto que,
consequentemente, será descartado, resultando em prejuízo à empresa.
Outro aspecto diferencial diz respeito a sua dinâmica. As partes a serem
vedadas podem estar em repouso ou movimento, ou seja, a junção pode ser estática
ou dinâmica.
Em função da solicitação, as vedações são feitas em diversos formatos e
diferentes materiais, como: juntas de borracha, papelão, velumóide, anéis de borracha
ou metálicos, juntas metálicas, retentores, gaxetas, selos mecânicos, dentre outros.
Os fatores que influenciam o material utilizado na vedação são:
• Compatibilidade do material do vedador com o produto a ser vedado - para que
não ocorra uma reação química entre eles, o material deve ser compatível, evitando
assim o vazamento e a contaminação do produto;
• Temperatura - no caso de se trabalhar em ambiente com temperatura muito
elevada, o material do vedador deve suportar a temperatura de trabalho interna e
externa;
• Acabamento das peças - uma boa vedação requer bom acabamento das
superfícies a serem vedadas;
• Pressão - quanto mais elevada for à pressão do fluido, maior será a
possibilidade de escapamento, devendo o material resistir à pressão;
• Estado físico - os fluidos líquidos são mais fáceis de serem vedados do que os
fluidos em estado gasoso.
3
2.2 Emissões Fugitivas
A Resolução CONAMA 382/06 define emissão fugitiva como “lançamento difuso
na atmosfera de qualquer forma de matéria solida, liquida ou gasosa, efetuado por
uma fonte desprovida de dispositivo projetado para dirigir ou controlar seu fluxo”.
Segundo a USEPA as emissões fugitivas são lançamentos não intencionais de
componentes de tubulação e vazamentos de equipamentos em superfícies seladas ou
impermeáveis, considerando ate mesmo vazamentos de dutos subterrâneos.
Em geral, as emissões deste tipo envolvem volumes pequenos de fluidos de
processos, isto é, gases ou líquidos, gerados por falhas mecânicas dos equipamentos
de vedação devido ao seu desgaste e folgas de conexão. Assim, as emissões
fugitivas, portanto, tornam-se representativas em produções que envolvam elevado
risco de exposição ao material emitido e/ou em produções que apresentem elevada
quantidade destes fluidos.
Figura 1: Emissões em Flanges (Fonte: Enesens)
A vedação é um mecanismo de prevenção das emissões fugitivas que tem
importância fundamental para o desempenho da indústria, tendo como principal
objetivo a contenção de um fluido, evitando seu contato com o ambiente. Com o
advento do controle ambiental, a vedação tem adquirido um papel importante na
indústria, para além da questão das perdas de produto e as perdas de receita a ela
associadas.
As emissões podem ser caracterizadas em estacionárias e não-estacionárias. As
emissões estacionárias são aquelas que ocorrem em uma taxa contínua, enquanto as
não-estacionárias possuem emissões bastante variadas (como por exemplo,
equipamentos que só são acionados em situações atípicas). Assim, é razoável
4
classificar as emissões fugitivas como estacionárias, uma vez que se ocorrem
vazamentos não intencionais de superfícies seladas que ocorrem com taxas de
vazamento contínuas ao longo da operação dos equipamentos considerados.
As fontes de emissões em processos industriais, portanto, incluem mas não se
limitam, principalmente, a válvulas e flanges, além de bombas e compressores,
instrumentos de alivio de pressão, drenos de processos, entre outros. Todos estes
pontos são, portanto, possíveis pontos de monitoramento para a detecção de
vazamentos. No entanto, por mais controlado e monitorado que o equipamento seja, a
vedação nunca pode ser considerada perfeita, uma vez que sempre haverá algum
escape até mesmo devido a porosidade inerente a todos os materiais, ao desgaste
mecânico decorrente da utilização dos componentes analisados e as falhas de
instalação.
2.3 TEADIT: Caracterização da Organização
A Teadit atua mundialmente na área de vedação e isolamento. Através de
associações e/ou incorporações a TEADIT impulsionou seu crescimento no mercado
mundial. EM 1988 montou uma rede especial de distribuição em Houston, Texas,
através da empresa Teadit North America que atualmente fabrica juntas localmente.
No ano seguinte, foi aberta a fábrica Teadit International, na Áustria, fabricante de
gaxetas e juntas planas de PTFE. EM 1991, foi a vez da fábrica da Teadit Itália,
também fabricante de gaxetas, mas que não se encontra mais em funcionamento.
Mais recentemente, em 1995, uma nova estrutura especial de distribuição, desta vez
em Buenos Aires: Teadit Argentina, que já expandiu para outra filial em Bahia Blanca,
ambas fabricando juntas localmente. Em 1999 o mercado Europeu se expandiu e
levou a empresa a abrir a Teadit Germany, e nos anos 2000 passou a operar também
nos mercados da China e Índia para atender ao continente Asiático.
Atualmente no Brasil, está presente com duas fábricas, a Teadit Indústria e
Comércio, situada no Rio de Janeiro, e a Teadit Juntas, localizada em Campinas.
Além de inúmeros Postos Avançados de Atendimento dentro dos maiores polos
industriais dos setores de Siderurgia, Químico, Petroquímico e Refinaria, Papel e
Celulose, entre outros.
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Figura 2: Industrias Teadit Global (Fonte: Teadit)
As industrias do Rio de Janeiro e São Paulo são fabricantes de produtos de
vedação e isolamento térmico, atendendo ao mercado brasileiro e obtendo penetração
também nos mercados internacionais. Os principais produtos são: Gaxetas, Papelões
Hidráulicos, Papelões Industriais, Filamentos, Fitas, Tecidos de Fibras de Aramida,
Produtos de PTFE expandido, Juntas de Vedação e Juntas de Expansão (Metálicas e
Não-Metálicas).
2.3.1 O “Projeto Busca de Valor”
Constantemente a Teadit realiza testes visando certificar a qualidade e
confiabilidade de seus produtos junto ao mercado. Ciente da necessidade das
industrias em reduzir o numero de paradas não programadas, aumentando assim,
seus índices de produtividade, a Teadit busca oferecer produtos que obtenham o
maior nível de selabilidade, garantindo a segurança e economia em diversas
aplicações dirigidas a vários segmentos da indústria.
É com esse objetivo que a empresa baseia o seu Projeto Busca de Valor, com o
intuito de encontrar o que tem real significado para o cliente, contribuindo para o
mapeamento dos sistemas na tentativa de encontrar caminhos que agreguem valor
final ao processo.
O Projeto procura dar um passo adiante no que diz respeito ao simples
relacionamento de vendas entre fornecedor e comprador, uma vez que no mercado de
vedação industrial o custo real do produto é tipicamente 10% do custo total, que
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também sofre impacto nos custos de transações de compra, armazenagem e
principalmente no custo de aplicação do produto. Para se ter uma ideia, a aplicação do
produto engloba custos de instalação, de vida do produto, de impacto ambiental e
também custos para atender os requisitos de segurança.
Figura 3: Tabela de Custos de Elementos de Vedação (Fonte: Teadit)
Com o conhecimento de todos os fatores citados anteriormente, a Empresa
busca assegurar-se antes, durante e após a venda, que o cliente especifique, compre,
selecione e instale os produtos corretamente e mais eficientemente para minimizar o
custo total, gerando assim valor.
7
3 Conceitos Básicos 3.1 Elementos de Vedação
O segmento de vedações industriais é de extrema importância para o correto
funcionamento dos equipamentos e das instalações de diversas espécies. São
variados os tipos de artefatos que compõem este segmento, sendo que algumas
empresas especializaram-se na fabricação e distribuição destes elementos, pois são
indispensáveis em qualquer processo industrial.
Os materiais tipicamente utilizados como elementos de vedação são juntas de
borracha, juntas de papelão, velumóide, anéis de borracha e metálicos, gaxeta, selos
mecânicos e outros. Podemos destacar alguns exemplos de peças e elementos
utilizados para vedações industriais.
Figura 4: Elementos de Vedação (Fonte: Erycla)
Juntas de Borracha: São vedações empregadas em partes estáticas, muito
usadas em equipamentos e flanges. Podem ser fabricadas com materiais em forma de
manta e ter uma camada interna de lona (borracha lonada) ou materiais com outro
formato.
Juntas de papelão: São empregadas em partes estáticas de máquinas ou
equipamentos como, por exemplo, nas tampas de caixas de engrenagens e uniões de
8
flange. Esse tipo de junta pode ser comprada pronta ou confeccionada conforme o
formato da peça que vai utilizá-la.
Velumóide: É especificamente destinado à fabricação de juntas de vedação,
para: compressores, condutores de óleo, tampas de válvulas, flanges de tubulações, e
outros. O Guarnital, material de que é feito o velumóide, não corrói as partes metálicas
com as quais está em contato, visto não provocar fenômenos eletrolíticos por ser de
atividade absolutamente neutra.
Anéis de Borrachas ou Anéis O’Ring: São vedadores usados em partes estáticas
ou dinâmicas de máquinas ou equipamentos. Estes vedadores podem ser comprados
nas dimensões e perfis padronizados ou confeccionados colando-se, com adesivo
apropriado, as pontas de um fio de borracha com secção redonda, quadrada ou
retangular. A vantagem do anel padronizado é que nele não existe a linha de colagem,
que pode ocasionar vazamento. Os anéis de borracha ou anéis da linha ring são
bastante utilizados em vedações dinâmicas de cilindros hidráulicos e pneumáticos que
operam à baixa rotação.
Juntas metálicas: São destinadas à vedação de equipamentos que operam com
altas pressões e altas temperaturas. São geralmente fabricadas em aço de baixo teor
de carbono, em alumínio, cobre ou chumbo. São normalmente aplicadas em flanges
de grande aperto ou de aperto limitado.
Juntas de Teflon (PTFE): São empregadas na vedação de processos de
produtos como óleo, ar e água.
Juntas de Cortiça: O material é empregado em vedações estáticas de produtos
como óleo, ar e água submetidos a baixas pressões. As juntas de cortiça são muito
utilizadas nas vedações de tampas de cárter, em caixas de engrenagens, e outros.
Junta de Amianto: Utilizado na vedação de fornos e outros equipamentos. O
amianto suporta elevadas temperaturas e ataques químicos de muitos produtos
corrosivos. Porém vem sendo proibido em cada vez mais países, por estudos
comprovarem que o amianto quando inalado pelos trabalhadores dão origem a câncer
de pulmão e outras complicações de saúde.
Retentores: O vedador de lábio, também conhecido pelo nome de retentor, é
composto essencialmente por uma membrana elastomérica em forma de lábio e uma
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parte estrutural metálica semelhante a uma mola que permite sua fixação na posição
correta de trabalho. A função primordial de um retentor é reter óleo, graxa e outros
produtos que devem ser mantidos no interior de uma máquina ou equipamento. O
retentor é sempre aplicado entre duas peças que executam movimentos relativos entre
si, suportando variações de temperatura.
Gaxetas: São elementos mecânicos utilizados para vedar a passagem de um
fluxo de fluido de um local para outro, de forma total ou parcial. Os materiais usados
na fabricação de gaxetas são: algodão, juta, asbesto (amianto), náilon, teflon,
borracha, alumínio, latão e cobre. A esses materiais são aglutinados outros, tais como:
óleo, sebo, graxa, silicone, grafite, mica e outros. A função desses outros materiais
que são aglutinados às gaxetas é torná-las lubrificadas. Em algumas situações, o fluxo
de fluido não deve ser totalmente vedado, pois é necessária uma passagem mínima
de fluido com a finalidade de auxiliar a lubrificação entre o eixo rotativo e a própria
gaxeta. A este tipo de trabalho dá-se o nome de restringimento. O restringimento é
aplicado, por exemplo, quando se trabalha com bomba centrífuga de alta velocidade.
Nesse tipo de bomba, o calor gerado pelo atrito entre a gaxeta e o eixo rotativo é muito
elevado e, sendo elevado, exige uma saída controlada de fluido para minimizar o
provável desgaste. A caixa de gaxeta mais simples apresenta um cilindro oco onde
ficam alojados vários anéis de gaxeta, pressionados por uma peça chamada
sobreposta. A função dessa peça é manter a gaxeta alojada entre a caixa e o eixo, sob
a pressão conveniente para o trabalho.
Figura 5: Gaxetas (Fonte: Teadit)
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Selo mecânico: O selo mecânico é um vedador de pressão que utiliza princípios
hidráulicos para reter fluidos. É comum a vedação exercida pelo selo mecânico ser
analisada em dois tipos, a vedação principal e a secundária.
3.2 Juntas de Vedação
3.2.1 Definição
Junta de vedação é todo material que, comprimido entre duas partes, de uma
união flangeada, permite controlar o vazamento de um fluido dentro dos limites
máximos aceitáveis para a aplicação.
Os materiais das juntas devem ser sempre mais macios do que os materiais dos
flanges, de modo que, ao serem apertados contra as superfícies dos flanges
preencham as imperfeições entre elas, proporcionando a vedação sem que os flanges
sejam danificados. Em juntas, o vazamento pode ocorrer entre as superfícies da junta
e do flange ou através da própria junta (juntas não-metálicas), sendo este último caso
mais comum na vedação de gases, podendo ser bastante perigoso se o gás for tóxico
ou explosivo.
3.2.2 Forças em uma União Flangada
Figura 6: Forças em Uniões Flangeadas (Fonte: Teadit)
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• Força Radial: É originada pela pressão interna e tende a “expulsar” a junta.
• Força de Separação: Também é originada pela pressão interna e tende a
separar os flanges
• Força dos Parafusos: É a carga total exercida pelo aperto dos parafusos.
• Força de Vedação: É a força que comprime os flanges contra a junta.
Inicialmente é igual à força dos parafusos, após a pressurização do sistema passa a
ser igual a força dos parafusos menos a força de separação.
A força dos parafusos, aplicada incialmente sobre a junta, além de esmaga-la,
deve compensar a força de separação causada pela pressão interna e ser suficiente
para manter uma pressão residual sobre a junta, evitando o vazamento do fluido.
3.2.3 Eficiência de uma Junta
A eficiência de uma junta é determinada pela observância dos seguintes fatores
durante a especificação do tipo de junta e o material a ser utilizado:
Pressão de Operação: Representada pela pressão interna do fluido contra a
junta, tentando expulsá-la.
Temperatura e Ciclagem Térmica: A alternância entre o calor e o frio atuam
sobre a junta, flange e parafusos, causando efeitos termomecânicos pela dilatação e
contração dos metais e o colapso de alguns tipos de juntas. O calor afeta o material da
junta pela aceleração do “creep-relaxation”, que é a deformação permanente que
ocorre em materiais macios quando sob esforço. Certos fluidos confinados se tornam
cada vez mais agressivos com o aumento da temperatura, atacando os materiais
orgânicos da junta. Como regra geral, quanto mais alta for a temperatura, mais
criteriosa deve ser a seleção da junta.
Compatibilidade Química: É a capacidade da junta resistir ao ataque químico
do fluido que será vedado.
Torque Adequado: É o aperto a ser dado nos parafusos do flange de modo a
que a junta seja comprimida o suficiente para vedar o fluido nas condições de
operação especificadas. O cálculo do torque deve levar em conta os limites de
resistência das juntas, flanges e parafusos de modo a que não sejam danificados.
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Acabamento Superficial: O acabamento superficial dos flanges tem grande
influencia na selabilidade da junta. Flanges com maior rugosidade requerem juntas
mais macias.
Condições Gerais: Tipo, material e dimensional dos flanges e dos parafusos,
montagem correta e características típicas de cada equipamento/aplicação.
3.2.4 Influencia do Acabamento dos Flanges na escolha da Junta
Como regra geral, é necessário que a superfície seja ranhurada para as juntas
não metálicas já que elas precisam ser mordidas pela superfície de vedação, lisa para
as metálicas e ligeiramente áspera para as semi-metálicas.
A superfície dos flanges podem varias do acabamento bruto de fundição até o
lapidado. Entretanto, o acabamento mais encontrado comercialmente é o ranhurado
concêntrico ou em espiral fonográfica.
3.2.5 Tipos de Faces de Vedação dos Flanges
Nas figuras a seguir são mostradas as combinações mais usuais das possíveis
faces dos flanges e sua influencia na seleção das juntas.
Face Plana: Junta não confinada. As superfícies de contato de ambos os
flanges são planas. A junta deve ser do tipo FF (Full Face = face plana), cobrindo toda
a superfície de contato. A face plana é normalmente utilizada em flanges de materiais
frágeis.
Figura 7: Flange Face Plana (Fonte: Teadit)
13
Face Ressaltada: Junta não confinada. As superfícies de contato são
ressaltadas de 1/16” ou ¼”. As juntas podem ser do tipo RF (Raised Face = face com
ressalto) indo até os parafusos, ou FF. A junta RF é mais utilizada, pois além de
permitir sua montagem/desmontagem sem a necessidade de se retirar todos os
parafusos, é mais econômica.
Figura 8: Flange Face Ressaltada (Fonte: Teadit)
Lingueta e Ranhura: Junta totalmente confinada. A profundidade é igual ou um
pouco maior que a altura da lingueta. A ranhura é cerca de 1/16” mais larga que a
lingueta. Normalmente a junta tem a mesma largura da lingueta. É necessário afastar
os flanges para a colocação da junta. Este tipo de flange produz elevadas pressões de
aperto sobre a junta, não sendo adequado para a utilização de juntas não metálicas.
Figura 9: Flange Lingueta e Ranhura (Fonte: Teadit)
Face Plana e Ranhura: Junta totalmente confinada. A face de um dos flanges é
plana e a outra possui uma ranhura onde a junta é encaixada. Usada em aplicações
onde a distancia entre os flanges deve ser precisa, pois quando a junta é esmagada,
os flanges encostam. Somente as juntas de grande resiliência podem ser usadas
neste tipo de montagem. Juntas espiraladas, O-Rings metálicos não sólidos e juntas
dupla camisa com enchimento metálico são as mais indicadas.
14
Figura 10: Flange Face Plana e Ranhura (Fonte: Teadit)
Macho e Fêmea: Junta semi-confinada. A profundidade da fêmea é igual ou
menor à altura do macho, para evitar a possibilidade de contato direto dos flanges
quando a junta é comprimida. O diâmetro externo da fêmea é até 1/16” (1,6 mm) maior
que a do macho. Os flanges devem ser afastados para montagem da junta.
Figura 11: Flange Macho e Fêmea (Fonte: Teadit)
Ring Joint: Também chamado de API. Ambos os flanges possuem canais com
paredes em ângulos. A junta é de metal solido com perfil variável.
Figura 12: Flange Ring Joint (Fonte: Teadit)
15
3.3 Gaxetas
3.3.1 Definição
O controle das perdas de fluidos é essencial para o bom funcionamento de
equipamentos mecânicos. Vários métodos são empregados para atingir esse objetivo,
sendo a utilização de gaxetas o mais antigo, e até hoje o mais funcional.
Construídas com fios trançados de diversas fibras, as gaxetas se caracterizam
por serem produtos macios, flexíveis, resilientes, com boa resistência mecânica,
térmica e química.
Fáceis de serem instaladas, as Gaxetas podem trabalhar com praticamente
todos os tipos de fluidos, em amplas faixas de temperaturas.
3.3.2 Tipos Construtivos
Como as gaxetas são utilizadas numa ampla gama de aplicações (hastes de
válvulas, bombas rotativas, alternativas e centrífugas, misturadores, sopradores,
tampas de filtros e reatores, evaporadores e fornos), existem vários tipos construtivos
visando à obtenção da melhor relação custo/benefício em casa uma delas.
No caso de gaxetas de vedação, varias experiências demonstraram que a forca
de vedação é influenciada pela construção da gaxeta. As gaxetas com construção
mais densa são mais efetivas na transmissão da força de aperto de anel para anel, e
como consequência a força de vedação também é melhor distribuída (embora de
forma decrescente) do anel junto à sobreposta até o anel no fundo da caixa.
O tipo de construção da gaxeta também é determinante em sua flexibilidade. As
gaxetas mais flexíveis se conformam melhor ao eixo (haste), garantindo uma
superfície de contato/vedação mais homogênea.
A seguir, serão relacionadas características de fabricação e aplicação dos
diferentes tipos construtivos: capa sobre alma, capa sobre capa, entrelaçada trança
grossa, entrelaçada trança fina.
Capa sobre Alma Consiste em se trançar uma capa sobre uma alma de fios
torcidos. É uma gaxeta de pouca resistência mecânica e baixa
densidade, porém de excelente conformabilidade.
Recomendada para isolamento térmico. Quando impregnadas
Figura 13: Capa sobre Alma (Fonte: Teadit)
16
e lubrificadas, também podem ser utilizadas em haste de válvulas em aplicações
pouco exigentes (baixa pressão).
Capa sobre Capa Neste processo, são trançadas várias capas, uma sobre
a outra, até se atingir a bitola desejada. São gaxetas densas,
porém pouco flexíveis, sendo recomendadas para altas
pressões e baixas velocidades periféricas, como em hastes de
válvulas (alta pressão), juntas de expansão, e outros.
Entrelaçada Trança Grossa Os fios são trançados de uma só vez, passando uns
pelos outros numa mesma direção. Normalmente macias,
estas gaxetas podem absorver grande quantidade de
lubrificantes e impregnantes. São relativamente densas e
flexíveis, sendo recomendadas para serviços com médias
velocidades periféricas e pressões relativamente baixas. São
utilizadas em equipamentos rotativos antigos e com desgaste.
Entrelaçada Trança Fina Os fios se entrecruzam diagonalmente, de um lado ao
outro da gaxeta. Cada fio é fortemente preso pelos outros,
formando uma estrutura muito sólida e densa, porém flexível.
Sem capas para se desgastarem, as gaxetas com essa
construção podem absorver uma boa quantidade de
lubrificantes e impregnantes, sendo as mais indicadas para
aplicações em eixos rotativos, alternativos e válvulas, em
serviços com altas pressões e/ou altas velocidades periféricas, devido as seguintes
características:
Possui uma superfície mais lisa: maior área de contato da gaxeta com o eixo
(haste), melhorando a vedação.
Figura 14: Capa sobre Capa (Fonte: Teadit)
Figura 15: Entrelaçada Trança Grossa (Fonte: Teadit)
Figura 16: Entrelaçada Trança Fina (Fonte: Teadit)
17
Maior estabilidade dimensional: menor deformação transmitindo melhor a
força de aperto de anel para anel.
Maior flexibilidade: Ajusta-se melhor quando curvada sobre o eixo.
Melhor efeito de vedação: A força de vedação é melhor distribuída ao longo do
engaxetamento.
3.3.3 Gaxetas de Vedação As gaxetas de vedação são cortadas em formas de anéis, flexionadas de modo a
se conformar em torno do eixo (haste) e instaladas na caixa de gaxetas.
Figura 17: Corte e Posicionamento da Gaxeta (Fonte: Teadit)
Ao apertarmos a sobreposta, ela exerce sobre os anéis uma pressão axial (força
de aperto) que os deforma, provocando sua expansão contra o eixo ou haste e a caixa
de gaxetas. Essa força provocada pela expansão dos anéis é chamada de força de
vedação.
Características Básicas de Aplicação
Estática: Haste de Válvulas
Nestas aplicações a gaxeta funciona como elemento de vedação, não sendo
permitido gotejamento ou qualquer vazamento visual.
Portanto, são gaxetas com características construtivas próprias para resistir à
alta pressão de aperto, recebendo ou não reforços metálicos para aplicações
estremas.
18
Figura 18: Válvula (Fonte: Teadit)
Dinâmica: Eixos de Bombas e de outros equipamentos rotativos e alternativos.
Normalmente nessas aplicações, a gaxeta funciona como elemento controlador
de vazamento e necessita de uma película de fluido entre ela e o eixo (luva), com o
objetivo de diminuir o atrito entre ambos e refrigerar o sistema.
As fontes desta película podem ser: os lubrificantes adicionados a gaxeta
durante sua fabricação, o gotejamento controlado do fluido de processo ou um fluido
de fonte externa.
Figura 19: Bomba (Fonte: Teadit)
19
3.3.4 Composição
3.3.4.1 Fibras Utilizadas
Existe uma grande variedade de fibras apropriadas para a fabricação de gaxetas
de vedação, cada uma delas com características próprias. A utilização de uma ou
outra, tem como objetivo a obtenção do melhor desempenho para as gaxetas em cada
aplicação específica.
Carbono
São obtidas por processo de oxidação controlada de fibras de base asfáltica ou
acrílica, obtendo-se as fibras de carbono (com 95% de carbono). Possuem excelente
estabilidade e condutividade térmica, são auto-lubrificantes, e são inertes a maioria
dos produtos químicos. Ideal para trabalhos com alta temperatura, alta pressão, alta
velocidade periférica e produtos quimicamente agressivos.
Grafite Flexível e Grafite HT
Obtido a partir do grafite puto expandido e , posteriormente, compactado sob
pressão, o Grafite Flexível apresenta propriedades únicas de inercia química,
resistência térmica, resiliência e compressibilidade. É auto lubrificante e dissipador de
calor, sendo portanto ideal para trabalhos a altas temperaturas.
As gaxetas de grafite flexível podem ser reforçados com fios metálicos de níquel-
cromo. Esse reforço visa aumentar a resistência mecânica das gaxetas para
aplicações em válvulas de alta pressão. O Grafite HT possui características para
resistir a temperaturas mais elevadas.
Grafite Flexível e Carbono
Reúne as principais características dos dois tipos de filamentos, proporcionando
uma gaxeta com excelente selabilidade, baixo coeficiente de atrito e excelente
resistência à extrusão. Sendo indicada tanto para haste de válvulas como para eixos
rotativos.
PTFE Expandido
Atualmente, vários tipos de filamentos de PTFE são utilizados na produção de
gaxetas, sendo que teste demonstraram que os diferentes processos de produção dos
filamentos influenciam diretamente na performance de PTFE.
20
PTFE Expandido e Grafite
Produzido com a mesma tecnologia do filamento de PTFE expandido e
aditivado, é obtido através da integração molecular do PTFE expandido com o grafite,
resultando em um material auto lubrificante com coeficiente de atrito muito baixo,
excelente resistência a produtos químicos, alta condutibilidade térmica e dissipação de
calor. Apresenta excelente selabilidade, não enrijece e virtualmente elimina o desgaste
do eixo.
Aramidas
Fibras de poliaramida aromática dividem-se em dois grupos:
• Para-Aramidas: oferecem incomparável resistência à pressão e a fluidos
abrasivos. Apresentam ainda excelente estabilidade dimensional e boa resistência a
produtos químicos. Como as gaxetas produzidas com essa fibra são especialmente
indicadas para trabalhar com fluidos que contenham sólidos em suspensão/abrasivos
(areia, polpa de minério, etc.), recomenda-se que o eixo/luva do equipamento possua
um acabamento superficial com dureza entre 45 e 60 HRC.
• Meta-Aramidas: são fibras resistentes a fluidos abrasivos e quimicamente
agressivos. Suas principais características são, boa estabilidade térmica e
dimensional, maciez e flexibilidade, proporcionando baixo desgaste da luva/eixo e alta
durabilidade do engaxetamento.
EGK
O EGK é um filamento exclusivo, patenteado pela TEADIT. No EGK, o filamento
de para-aramida encontra-se totalmente envolvido pelo filamento de PTFE-Grafite.
Este filamento reúne propriedades tais como a resistência mecânica da para-aramida
(interna) e a resistência química, auto lubrificação e baixo coeficiente de atritos dos
filamentos de PTFE expandidos e aditivados (externa). Possui grande resistência à
extrusão.
Fenólica
Devido a sua estrutura química (termofixa), a fibra fenólica possui propriedades
que claramente a distingue de outras fibras e que conferem as gaxetas características
tais como: boa resistência à temperatura, a produtos químicos e abrasivos, excelente
estabilidade térmica, além de não provocar o desgaste prematuro da superfície dos
eixos/luvas.
21
Sintética
As fibras sintéticas possuem boas propriedades mecânicas, que conferem a
gaxeta boa estabilidade térmica e dimensional. Apresenta excelente relação
custo/benefício em aplicações com fluidos pouco agressivos.
Fibras Vegetais
As fibras vegetais, tais como o rami e o algodão, tem como principal vantagem o
seu baixo custo, além de não serem abrasivas. Apresentam boa resistência mecânica
e conformabilidade em equipamentos desgastados, porém baixa resistência aos
produtos químicos e ao calor.
3.3.4.2 Impregnantes e Lubrificantes
Devem ser combinados com as fibras de tal forma que não sejam facilmente
expulsos da trama da gaxeta quando esta for apertada pela sobreposta, evaporados
pelo calor gerado devido ao atrito da gaxeta com o eixo, dissolvidos ou precipitados
por reações químicas com o fluido bombeado.
Em algumas gaxetas, a perda prematura dos impregnantes e lubrificantes,
provocará uma redução significativa de seu volume, obrigando a serem efetuados
sucessivos reapertos da sobreposta na tentativa de controlar o vazamento. Essa perda
de volume aliada ao maior atrito entre as fibras das gaxetas e o eixo do equipamento,
também provocará maior desgaste do conjunto eixo/gaxeta e reduzirá drasticamente o
tempo de vida útil do conjunto.
Daí a importância de uma criteriosa escolha do impregnante e do lubrificante de
uma gaxeta, pois a combinação adequada da fibra com esses componentes
contribuirá significativamente na redução dos reapertos da sobreposta, prolongando a
vida útil do engaxetamento tanto em eixos rotativos e alternativos, quanto em hastes
de válvulas.
Impregnantes
Tem como objetivo proteger as fibras da gaxeta contra o ataque químico dos
fluidos e bloquear sua passagem entre a estrutura da mesma. Os tipos utilizados são:
• Sintéticos: Comparáveis em alguns casos aos minerais, porém, desenvolvidos
em laboratório para atender a especificações de alta performance. Possuem
22
excelentes características de viscosidade x temperatura e, quando se decompõem,
volatilizam-se sem deixar resíduos.
• PTFE: A emulsão de PTFE em suspensão é um dos impregnantes mais
empregados atualmente, pois além de aumentar a resistência química das fibras
utilizadas na construção das gaxetas e não contaminar os fluidos de processo, possui
baixo coeficiente de atrito e é auto lubrificante.
Lubrificantes
Essenciais para as gaxetas utilizadas em aplicações dinâmicas (eixos em
movimento), os lubrificantes ajudam a minimizar o atrito e dissipar o calor gerado na
interface entre os anéis da gaxeta e a superfície do eixo, e entre as fibras da gaxeta.
Durante a partida do equipamento, os lubrificantes devem ser liberados da
gaxeta ao se apertar a sobreposta, de forma a prover a vedação e a lubrificação inicial,
até a entrada gradual do sistema de lubrificação dinâmico.
Após a partida e durante toda a vida útil do engaxetamento, os lubrificantes
proporcionam uma resiliência as gaxetas, pois ao reduzirem o atrito entre as fibras,
permitem que as mesmas se deformem e se recuperem, acompanhando pequenas
ações mecânicas tais como a flexão do eixo.
Os tipos mais comuns são:
• Silicones: Resistem a condições extremas e são quimicamente inertes e
termicamente estáveis até 360oC.
• Óleo Minerais: Normalmente são empregados os óleos inertes quimicamente.
• Grafite: É o lubrificante sólido mais usual. Utilizado na forma de escamas ou
pó.
3.3.5 Fator de pH
Um dos fatores mais importantes para a escolha de uma gaxeta é a
compatibilidade química de seus componentes com o fluido de processo com o qual
terão contato.
A agressividade química de um fluido é medida por um fator chamado de
“Potencial de Hidrogênio” (pH), que varia em uma escala de 0 a 14.
23
Figura 20: Escala de pH (Fonte: Teadit)
Quanto mais próxima das extremidades estiver a classificação de um fluido, mais
agressivo ele será.
Fluidos Ácidos: Variam de 0 a 6
Ácido Sulfúrico - pH tendendo a 0
Fluidos Neutros: Variam de 6 a 8
Água (neutro) - pH 7
Fluidos Cáusticos: Variam de 8 a 14
Soda Cáustica - pH tendendo a 14
3.3.6 Sistemas de Engaxetamento
Os sistemas de engaxetamento utilizados dependem do projeto da caixa de
gaxetas e dos fluidos envolvidos.
Os dois projetos mais usuais nas industrias em geral são:
Sistema Auto-lubrificante: Este é o projeto mais simples e amplamente
utilizado com fluidos limpos (não contaminantes e sem sólidos em suspensão) em
equipamentos rotativos e bombas centrífugas de simples estágio.
Sendo a pressão interna do sistema maior que a pressão atmosférica, o fluido de
processo é forçado a passar entre o eixo e a gaxeta, proporcionando a lubrificação e a
refrigeração necessária.
24
Figura 21: Bomba sem Água de Selagem (Fonte: Teadit)
Sistema Integrado de Lubrificação: Com auxílio de um anel lanterna esse
sistema é utilizado quando:
• O fluido de processo contiver sólidos em suspensão, mantendo a caixa de
gaxetas limpa.
• O fluido de processo for contaminante, evitando que o mesmo entre em contato
com o meio ambiente.
• A pressão na caixa for inferior a pressão atmosférica, evitando a entrada de ar
no sistema.
• A temperatura do fluido de processo for muito elevada, ajudando na
refrigeração e lubrificação do engaxetamento.
Este sistema consiste na injeção de um fluido limpo (normalmente água), com
uma pressão de 1 a 1,5 bar superior à pressão interna da caixa de gaxetas.
Este fluido é injetado entre os anéis da gaxeta através do anel lanterna (anel
perfurado de PTFE, bronze, aço carbono ou inox), cuja posição no engaxetamento é
definida no projeto pelo fabricante do equipamento.
Se não houver problemas de contaminação ou de diluição do fluido de processo,
este líquido é suprido por uma fonte externa.
Quando o fluido bombeado não puder sofrer contaminação ou diluição e/ou
quando a pressão interna na caixa de gaxetas for inferior à atmosférica, o fluido de
injeção deverá ser retirado da própria descarga da bomba e filtrado (se contiver
25
sólidos em suspensão) para então ser injetado na caixa de gaxetas através do anel
lanterna.
Figura 22: Bomba Com Água de Selagem (Fonte: Teadit)
3.4 Gaxetas em Equipamentos Rotativos
As bombas são classificadas pela sua aplicação ou pela forma com que a
energia é cedida ao fluido. Normalmente existe uma relação estreita entre a aplicação
e a característica da bomba que, por sua vez, está intimamente ligada à forma de
ceder energia ao fluido.
O esquema a seguir apresenta um quadro de classificação dos principais tipos
de bombas. A classificação foi feita pela forma como a energia é fornecida ao fluido a
ser transportado.
26
Figura 23: Classificação de Bombas
Na turbo bomba ou bomba dinâmica, a movimentação do líquido ocorre pela
ação de forças que se desenvolvem na massa do líquido, em consequência da rotação
de um eixo no qual é acoplado um disco (rotor ou impulsor) dotado de pás (palhetas,
hélice) que recebe o líquido pelo seu centro e o expulsa pela periferia, devido à ação
da força centrífuga. Daí vem o seu nome mais usual, ou seja, bomba centrífuga.
O sistema de vedação da bomba centrífuga tem a finalidade de evitar que o
fluido bombeado vaze pelo espaço existente entre o eixo e a carcaça da bomba.
Basicamente utilizamos dois tipos de sistemas de vedação, por gaxeta e por selo
mecânico.
A gaxeta tem como principal função controlar a passagem da água do interior da
carcaça, onde se encontra o rotor, para os pontos em que o eixo passa por dentro da
caixa ou gaveta de gaxeta. As gaxetas são feitas de material facilmente moldável e
plástico, que possam ser convenientemente ajustados. São construídas de fios
trançados de fibras vegetais (juta, rami, algodão), fibras minerais (amianto) ou fibras
sintéticas, como já bastante abordado e explicado nos capítulos antecedentes. Devem
resistir ao calor e ao atrito com o eixo ou com a luva protetora do eixo e são
especificadas pelo fabricante, de acordo com o fluido a ser bombeado, a temperatura,
a pressão e o ataque químico.
Sua função varia se a instalação da bomba está acima ou abaixo do tanque de
sucção. A tabela a seguir explica um pouco melhor sua variação de função.
27
Figura 24: Funções de Bombas Centrífugas (Fonte: Teadit)
A função da gaxeta é evitar a entrada de ar e o vazamento de água na bomba.
Em uma bomba centrífuga radial pura de simples estágio, a caixa de gaxetas
usualmente tem o formato de uma caixa cilíndrica que acomoda certo número de anéis
de gaxetas em volta do eixo ou da luva de eixo. Esse anel é comprimido pelo ajuste
feito por intermédio do componente denominado preme gaxeta, sobreposta ou aperta-
gaxeta
O controle do gotejamento é feito pelo maior ou menor aperto dos anéis de
gaxeta por intermédio da sobreposta. Como as gaxetas são de natureza semiplástica,
amoldam-se mais com o aperto e tendem a controlar o gotejamento.
3.5 Gaxetas em Válvulas
As válvulas de controle desempenham um papel muito importante no controle
automático de modernas indústrias, que dependem da correta distribuição e controle
de vazão de fluidos líquidos e gasosos. Tais controles sejam para trocas de energia,
redução de pressão ou simplesmente para encher um reservatório, dependem de
algum tipo de elemento final de controle para fazer esse serviço.
O controle de vazão é feito por elementos finais de controle, e o mais comum
dele na indústria de processo é a válvula de controle. Tipicamente uma válvula de
controle constitui-se do corpo da válvula, das partes internas como o obturador e a
sede, um atuador que fornece a força motora para operar a válvula, e uma variedade
de acessórios, dentre eles elementos de vedação. Os acessórios são essenciais para
um bom desempenho final da válvula.
28
Figura 25: Componentes de uma Válvula de Controle (Fonte: Teadit)
Estudos abrangentes sobre o desempenho das malhas de controle indicam uma
alta variabilidade do processo, e que em muitos casos as culpadas são as válvulas de
controle. Os fatores que levam ao baixo desempenho das válvulas de controle são: o
dimensionamento e o tipo de válvula equivocados; características estáticas e o tempo
de resposta da válvula; a banda morta; o projeto do conjunto atuador posicionador.
As normas ANSI/ISA-75.01.01 e IEC 60534-2-1 estabelecem um procedimento
para o dimensionamento de válvulas de controle com fluidos compressíveis e
incompressíveis. A não-utilização da correção, trazida por essas normas, no efeito da
geometria da tubulação adjacente (no caso da válvula globo) não produz erros
significantes nos cálculos de vazão, todavia para válvulas de alta recuperação de
pressão (como as borboletas e as esferas) causaram notáveis erros.
Banda morta é definida pela faixa onde o sinal de entrada pode ser variado,
considerando uma reversão de sinal, sem iniciar uma variação observável no sinal de
saída do processo. Para um bom desempenho de uma malha, recomenda-se que a
banda morta seja menor ou igual a 1%. Há diversas causas para ela, mas a principal é
o atrito. O atrito entre a haste e o engaxetamento da válvula no castelo é uma fonte de
banda morta em válvula globo.
29
O castelo é a parte da válvula que conecta o atuador ao corpo da válvula,
guiando a haste da mesma, alojando o sistema de selagem do fluido do processo e
exercendo um papel importante de realizar troca de calor do sistema de
engaxetamento com o ambiente.
Com castelo normal, a válvula pode ser utilizada em praticamente todos os tipos
de aplicação em que a temperatura não ultrapasse 180° C e que o fluido de processo
não possua características tóxicas ou inflamáveis.
O castelo alongado com aletas de resfriamento é utilizado quando a temperatura
ultrapassa 180°C. Deve ser convenientemente dimensionado para garantir uma queda
acentuada de temperatura das gaxetas não seja inferior a -25°C, sendo recomendados
para aplicações em temperaturas inferiores a -5°C.
Com relação aos castelos com fole de vedação, os mesmos são utilizados para
fluidos tóxicos e inflamáveis e servem como reforço das gaxetas. O fole é
normalmente fabricado de liga metálica resistente a corrosão, flexível, devendo ser
soldado a haste da válvula.
Nas válvulas do tipo esfera e borboleta, que possuem haste ou eixo com
deslocamento rotativo, o desgaste das mesmas, normalmente anéis de vedação em
torno do eixo, é menor. No caso das válvulas globo, como a haste é deslizante há a
necessidade de uma selagem da haste através do denominado sistema de
engaxetamento.
Constituem-se de anéis e acessórios com a função de fixar o sistema ao castelo,
em torno da haste, de modo a se evitar vazamentos do fluido de processo.
Os materiais mais utilizados no engaxetamento das válvulas de controle são o
teflon, a asbesto e o grafite. O material das gaxetas deve ser compatível com o fluido
do processo, deve efetuar uma boa selagem da haste e produzir mínimo atrito no
deslocamento da haste. O teflon é o material mais utilizado, cobrindo a maior parte
das aplicações. Em serviços com alta temperatura e/ou pressão, o teflon pode ser
impregnado com outros materiais, como, por exemplo, a fibra de vidro. O teflon está
limitado a temperaturas da ordem de 230°C, mas, caso carregado com fibra de vidro,
pode atender até temperaturas de 450°C. Nestas temperaturas, porém, utilizam-se
materiais mais apropriados, como o asbesto ou o grafite. O limite mínimo pode chegar
a -185°C. Outro material muito aplicado no sistema de engaxetamento é o grafite,
onde a maior vantagem é a resistência a altas temperaturas (540°C) Alguns tipos
especiais de grafite utilizados em castelos estendidos podem atingir temperaturas de
até 640°C.
Uma desvantagem do grafite, entretanto, é a menor durabilidade, obrigando sua
substituição com maior frequência. As condições extremas de utilização devem ser
30
bem especificadas, de modo que os fabricantes possam auxiliar no fornecimento do
sistema de engaxetamento mais adequado.
31
4 Análise de Especificação e Aplicação de Gaxetas
4.1 Seleção de Gaxetas
Num engaxetamento típico, a pressão de vedação e o consequente esforço do
motor ou do operador (válvulas) para girar o eixo serão diretamente proporcionais a
pressão de operação do sistema, ao comprimento da caixa de gaxetas, ao diâmetro do
eixo e sua RPM e ao coeficiente de atrito do engaxetamento.
Para fazer a especificação de uma gaxeta deve-se analisar os seguintes fatores:
Tipo e Condições do Equipamento: o primeiro agente que analisamos ao
especificar uma gaxeta é o tipo do equipamento, que se diferenciam entre estático
(válvulas) e dinâmicos (bombas). As gaxetas para válvulas devem ser mais densas e
não há necessidade de muito lubrificante. Já para os equipamentos rotativos, as
gaxetas devem ser flexíveis e conter bastante lubrificante, ou então serem feitas com
fibras auto lubrificantes, dependendo do sistema de lubrificação existente no
equipamento.
Características Físicas do Fluido: os fluidos podem ser gases ou líquidos,
podendo ainda ser voláteis, cristalizantes, limpos ou com sólidos em suspensão.
No caso de gases (incluindo vapor), trata-se normalmente de uma válvula e a
gaxeta deverá ser compactada e de alta selabilidade.
Quando o fluido for volátil, obrigatoriamente devemos ter um lubrificante externo
ou aplicar uma gaxeta auto lubrificante.
No caso de fluidos cristalizantes ou com sólidos em suspensão, além da fonte
externa de lubrificação, devemos trabalhar com gaxetas que possuam boa resistência
a abrasão.
Para fluidos limpos, podemos trabalhar com gaxetas mais macias e
consequentemente menos agressivas ao eixo.
Características Químicas do Fluido: a resistência química dos lubrificantes e
impregnantes da gaxeta bem como a fibra utilizada na sua construção tem
fundamental importância neste item, dessa forma deveremos escolher uma gaxeta
cuja faixa de pH seja compatível com o pH do fluido de processo.
32
Temperatura e Pressão de Operação: aqui também a resistência dos materiais
de construção da gaxeta devem ser compatíveis com as temperaturas e pressões as
quais serão submetidos.
Velocidade periférica (rotativos): cada tipo de gaxeta tem um limite de
resistência que pode ser relacionado com a velocidade periférica do eixo, e que é
dada pela seguinte expressão.
𝑉𝑝 =∅!"#$ .𝜋.𝑅𝑃𝑀
60000
Onde: Vp = velocidade periférica do eixo (m/s)
∅ = diâmetro do eixo (mm)
RPM = rotações por minuto
Figura 26: Gráfico Vel. Periférica x Diâmetro do Eixo (Fonte: Teadit)
Relação Custo x Benefício: os seguintes fatores devem ser observados ao se
especificar umas gaxeta: desempenho, durabilidade, contaminação do fluido,
otimização dos itens de estoque, eventuais problemas à saúde de quem manuseia a
gaxeta e perdas de produção. A análise de todos esses fatores é quem determinará o
produto mais vantajoso ao cliente.
33
Para as embasar a seleção de gaxetas, segue abaixo as tabelas de aplicação de
gaxetas da empresa Teadit para Válvulas e Rotativos.
Tabela 1: Tabela de Aplicação de Gaxetas para Rotativos (Fonte: Teadit)
34
Tabela 2: Tabela de Aplicação de Gaxetas para Válvulas (Fonte: Teadit)
4.2 Cálculo de Aplicação de Engaxetamento Após todo o processo de especificação dá-se início ao dimensionamento e
aplicação (instalação) da gaxeta.
4.2.1 Equipamentos Rotativos
Bitola da gaxeta: a dimensão da bitola da gaxeta é encontrada a partir do
diâmetro interno da caixa de gaxetas e do diâmetro do eixo da bomba, dada pela
seguinte equação: 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 − 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑒𝑖𝑥𝑜
2
Número de anéis de gaxeta: o número de anéis a serem instalados vai variar
de acordo com o tipo de lubrificação presente no equipamento, isso porque se for
utilizado líquido de selagem deve-se fazer a montagem com anel lanterna, que por sua
vez é responsável pela entrada do líquido de lubrificação dentro da caixa de gaxeta.
Na montagem sem o anel lanterna o número de anéis de gaxeta é dado pela
expressão: 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑥𝑒𝑡𝑎𝑠
𝐵𝑖𝑡𝑜𝑙𝑎 𝑑𝑎 𝑔𝑎𝑥𝑒𝑡𝑎
35
Já com o anel lanterna nós teremos dois
cálculos para fazer. Um para os anéis de gaxetas
que ficarão no fundo da caixa:
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐴 − (𝐵)𝐵𝑖𝑡𝑜𝑙𝑎 𝑑𝑎 𝑔𝑎𝑥𝑒𝑡𝑎
E outro para o número de anéis após o anel lanterna:
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐵 − (𝐶)𝐵𝑖𝑡𝑜𝑙𝑎 𝑑𝑎 𝑔𝑎𝑥𝑒𝑡𝑎
Comprimento do anel de gaxeta: o comprimento dos anéis varia de acordo
com a bitola de gaxeta. Com bitolas até ½” é dada pela fórmula:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
Já para bitolas de gaxeta acima de ½” usa-se:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14 + 𝑆
Onde: L = comprimento do anel (mm)
S = bitola da gaxeta (mm)
D = diâmetro do eixo (mm)
Outro detalhe importante que depende da bitola da gaxeta é o formato do corte
da gaxeta. Até ½” o corte deve ser em 45°, para bitolas de gaxeta maiores que ½” o
corte será de 90°.
Torque aplicado: na sobreposta de equipamentos rotativos o torque não é
controlado, mas sim o gotejamento necessário para lubrificação da caixa de gaxeta,
Figura 27: Distancias para Engaxetamento com Água de Selagem (Fonte: Teadit)
36
que segundo estudos da FSA (Fluid Sealing Association) é de 8 a 10 gotas por
polegada por minuto.
4.2.2 Válvulas
Para engaxetamento em válvulas é necessário
atender às folgas definidas por norma (API621).
Sobreposta e haste:
A = 0,90 a 1,50 mm
Sobreposta e caixa:
B = 0,15 a 0,80 mm
Caixa e haste:
C = 1,00 a 1,65 mm
Caso a folga existente entro o fundo da caixa e a haste (C) for superior a 1,65
mm, recomenda-se que seja instalado um anel metálico, inteiriço ou bi-partido, com
diâmetro interno igual ao diâmetro da haste mais 1,65 mm e diâmetro externo igual ao
diâmetro interno da caixa de gaxetas menos 0,10 mm.
Bitola da gaxeta: a dimensão da bitola da gaxeta é encontrada a partir do
diâmetro interno da caixa de gaxetas e do diâmetro da haste, dada pela seguinte
equação: 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 − 𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑎 ℎ𝑎𝑠𝑡𝑒
2
Número de anéis de gaxeta: o número de anéis recomendados são 5, e o
máximo são 6. Se a profundidade da caixa de gaxeta for superior a 6 vezes a bitola da
gaxeta especificada, recomenda-se a utilização de uma bucha bi-partida de grafite no
fundo da caixa de gaxetas, conforme recomendação da norma API 621.
𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑥𝑒𝑡𝑎𝑠
𝐵𝑖𝑡𝑜𝑙𝑎 𝑑𝑎 𝑔𝑎𝑥𝑒𝑡𝑎
Figura 28: Engaxetamento de Válvulas (Fonte: Teadit)
37
Comprimento do anel de gaxeta: o comprimento dos anéis em válvulas é dada
pela seguinte fórmula:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
Torque aplicado: em válvulas o aperto de cada parafuso da sobreposta deve
ser calculado com as seguintes expressões:
𝑇 =𝑘 × 𝐹𝑛 × 𝑑!"#$!%&
1000
Onde: T = torque (Nm)
k = coeficiente de atrito
F = força ou carga de aperto sobre as gaxetas (N)
n = número de parafusos da sobreposta
𝑑!"#$!%& = diâmetro nominal do parafuso da sobreposta (mm)
O coeficiente de atrito utilizado é normalmente 0,15 para parafusos lubrificados e
0,20 para uniões sem lubrificação. Já a força de aperto sobre as gaxetas (F) é
encontrada pela fórmula:
𝐹 = 𝑆! +𝑃10
×[ 𝜋 ×𝐵! − 𝐶!
4]
Onde: Sc = compressão mínima de vedação sobre a gaxeta (Mpa)
P = Pressão de operação da válvula (bar)
B = Diâmetro interno da caixa de gaxetas (mm)
C = Diâmetro da haste da válvula (mm)
A compressão mínima de vedação de uma gaxeta é fornecido pelo fabricante
das mesmas.
4.3 Modelos para Equipamentos Rotativos
4.3.1 Exemplo 1
38
Especificação de uma gaxeta para trabalhar em uma bomba centrífuga em uma
fábrica de Papel e Celulose, que possui as seguintes condições operacionais:
• Fluido: Celulose pré-branqueada
• Temperatura de Operação: 80°C
• Pressão de Operação: 6 bar
• Velocidade Periférica: 6 m/s
• pH: 7 a 13
• Pressão da Água de Refrigeração: 8 bar
Passo 1:
Como a celulose pré-branqueada é um fluido abrasivo, verificamos na Tabela de
Aplicação de Gaxetas para Rotativos (Tabela 1) ou na descrição de fibras quais as
gaxetas que atendem a esse requisito.
Resposta - 2004, 2017, 2030, 2043, 2777, 2773, 2774 e 2200.
Passo 2:
Verificar se a compatibilidade química entre o fluido de processo e as gaxetas
selecionadas no passo 1 atendem aos padrões especificados na Tabela 1.
Resposta - 2030, 2777,2773, 2774 e 2200.
Passo 3:
Verificar nas tabelas existentes no catálogo de gaxetas, dentre as selecionadas
no passo anterior quais atendem as condições de pressão e temperatura.
Resposta - Todas (2030, 2777,2773, 2774 e 2200).
Passo 4:
Verificar se as gaxetas selecionadas no passo 2 podem trabalhar na velocidade
periférica informada.
Resposta - Sim, todas atendem.
Passo 5:
Consultar a tabela de preços o custo de aquisição (R$/mt) de cada uma das
gaxetas selecionadas e comparar com os dados técnicos e de desempenho esperados
de cada uma delas, cassificando-as como:
• Gaxeta mais econômica: 2030
39
• Gaxeta com o melhor custo/benefício: 2773 e 2774
• Gaxeta com a melhor performance: 2200
Escolhemos a Gaxeta 2773, por ser uma gaxeta de excelente desempenho com
fluidos abrasivos, já que é composta de fibras fenólicas e grafite, dando maior
flexibilidade.
A partir de agora entramos no processo de dimensionamento de aplicação da
Gaxeta 2773. A partir do Catálogo de Bombas KSB ETA, obtemos os seguintes
valores de projeto:
• Diâmetro da Caixa: 45 mm
• Diâmetro do Eixo: 29 mm
• Profundidade da Caixa: 58 mm
• Profundidade até o Furo de Injeção: 50 mm
• Largura do Anel Lanterna: 6 mm (folga: 0,6 mm)
Passo 6:
Calculo da bitola da gaxeta
45 − 29
2= 8 𝑚𝑚 𝑜𝑢 5/16"
Como a medida padrão para bitola de gaxeta é dada em polegadas usaremos a
de 5/16”, que equivale a 7,9 mm.
Passo 7:
Cálculo do Número de Anéis. Como esta é uma bomba que necessita de fluido
de selagem, descobrimos o números de anéis que ficarão no fundo da caixa
subtraindo a profundidade da caixa pela profundidade até o furo de injeção.
58 − 507,9
= 1,01
Então será necessário 1 anel de Gaxeta 2773 no fundo da caixa. Notamos
também que existirá a folga exigida pelo anel lanterna.
40
Agora então calculamos o número de anéis após o anel lanterna.
50 − 7,27,9
= 5,4
Onde 7,2 é o valor do anel lanterna com as folgas de ambos os lados. Com isso
teremos 5 anéis e restando um espaço para o aperto da sobreposta.
Passo 8:
O comprimento dos anéis será encontrado pela seguinte fórmula:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
Onde S é a bitola da gaxeta e D o diâmetro do eixo.
𝐿 = 1,3 × 7,9 + 29 × 3,14
𝐿 = 123 𝑚𝑚
Passo 9:
O torque aplicado será controlado pelo vazamento de água de selagem da
bomba, devendo variar entre 8 a 10 gotas por polegadas por minuto.
4.3.2 Exemplo 2
Especificação de uma gaxeta para trabalhar em uma bomba centrífuga em uma
fábrica Siderúrgica, que possui as seguintes condições operacionais:
• Fluido: Água de Lavagem do Alto Forno (água com sólidos em suspensão)
• Temperatura de Operação: 50°C
• Pressão de Operação: 2,5 bar
• Velocidade Periférica: 1800 RPM
• pH: Neutro
• Pressão da Água de Refrigeração: Sem água de selagem
41
Passo 1:
Como a água é um fluido neutro, verificamos na Tabela de Aplicação de Gaxetas
para Rotativos (Tabela 1) ou na descrição de fibras quais as gaxetas que atendem a
esse requisito.
Resposta - 2202, 2200, 2020, 2773 e 2774.
Passo 2:
Verificar se a compatibilidade química entre o fluido de processo e as gaxetas
selecionadas no passo 1 atendem aos padrões especificados na Tabela 1.
Resposta - Todos atendem (2202, 2200, 2020, 2773 e 2774).
Passo 3:
Verificar nas tabelas existentes no catálogo de gaxetas, dentre as selecionadas
no passo anterior quais atendem as condições de pressão e temperatura.
Resposta - Todas (2202, 2200, 2020, 2773 e 2774).
Passo 4:
Verificar se as gaxetas selecionadas no passo 2 podem trabalhar na velocidade
periférica informada.
Como a velocidade periférica é dada em RPM, precisamos converter para
metros por segundo para poder utilizar a tabela de aplicação de gaxetas. Utilizaremos
a seguinte fórmula:
𝑉𝑝 =∅!"#$ .𝜋.𝑅𝑃𝑀
60000
E encontraremos o seguinte valor:
𝑉𝑝 =90 × 𝜋 × 1800
60000= 8,5 𝑚/𝑠
Resposta - Sim, todas atendem (2202, 2200, 2020, 2773 e 2774.)
Passo 5:
Após consultar a tabela de preços o custo de aquisição (R$/mt) de cada uma das
gaxetas selecionadas e comparar com os dados técnicos e de desempenho esperados
de cada uma delas, escolhemos a Gaxeta 2200.
42
O maior atributo desta gaxeta é o fato de que pode ser instalada eliminando a
necessidade de água de selagem, o que gera enorme redução no consumo de água
na indústria.
A partir de agora entramos no processo de dimensionamento de aplicação da
Gaxeta 2200. A partir da especificação feita pelos profissionais da área de Engenharia
de Aplicação da Teadit temos os seguintes valores:
• Diâmetro da Caixa: 122 mm
• Diâmetro do Eixo: 90 mm
• Profundidade da Caixa: 83 mm
Passo 6:
Calculo da bitola da gaxeta
122 − 90
2= 16 𝑚𝑚 𝑜𝑢 5/8"
Como a medida padrão para bitola de gaxeta é dada em polegadas usaremos a
de 5/8”, que equivale a 15,9 mm.
Passo 7:
Cálculo do Número de Anéis.
8315,9
= 5,22
Então serão necessários 5 anel de Gaxeta 2200 na caixa.
Passo 8:
O comprimento dos anéis será encontrado pela seguinte fórmula:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
Onde S é a bitola da gaxeta e D o diâmetro do eixo.
43
𝐿 = 1,3 × 15,9 + 90 × 3,14
𝐿 = 348 𝑚𝑚
Passo 9:
O torque aplicado será controlado pelo vazamento de água de selagem da
bomba, devendo variar entre 8 a 10 gotas por polegadas por minuto.
4.4 Modelo para Válvulas
4.4.1 Exemplo
Especificação de uma gaxeta para trabalhar em uma válvulas de bloqueio em
uma fábrica Petroquímica, que possui as seguintes condições operacionais:
• Fluido: Hidrocarboneto (metano)
• Temperatura de Operação: 260°C
• Pressão de Operação: 302 bar
• Velocidade Periférica: Não há
• pH: Neutro
• Pressão da Água de Refrigeração: Válvulas não possuem água de selagem
Passo 1:
Como estamos especificando um produto para Válvulas de Bloqueio, verificamos
na Tabela de Aplicação de Gaxetas para Válvulas (Tabela 2) ou no catálogo da
empresa quais as gaxetas que atendem a esse requisito.
Resposta – 2235, 2236, 2000IC, 2202, 2000S e 2005.
Passo 2:
Verificar se a compatibilidade química entre o fluido de processo e as gaxetas
selecionadas no passo 1 atendem aos padrões especificados na Tabela 2.
Resposta - Todos atendem (2235, 2236, 2000IC, 2202, 2000S e 2005).
Passo 3:
Verificar nas tabelas existentes no catálogo de gaxetas, dentre as selecionadas
no passo anterior quais atendem as condições de pressão e temperatura.
44
Resposta - 2235, 2236 e 2000IC.
Passo 4:
Verificar se as gaxetas selecionadas no passo 2 podem trabalhar na velocidade
periférica informada. Como não existe velocidade periférica na análise de válvulas de
bloqueio, todas continuam atendendo.
Resposta - Sim, todas atendem (2235, 2236 e 2000IC).
Passo 5:
Após consultar a tabela de preços o custo de aquisição (R$/mt) de cada uma das
gaxetas selecionadas e comparar com os dados técnicos e de desempenho esperados
de cada uma delas, escolhemos a Gaxeta 2236.
Ela é especialmente indicada para o uso em válvulas de bloqueio que operam
com hidrocarbonetos e que estão sujeitas a serviços onde se requeira o controle
extremo de emissões fugitivas dos fluidos de processo buscando reduzidíssimos
índices de emissão. Trata-se da gaxeta de melhor selabilidade já desenvolvida.
A partir de agora entramos no processo de dimensionamento de aplicação da
Gaxeta 2236. A partir da especificação feita pelos profissionais da área de Engenharia
de Aplicação da Teadit temos os seguintes valores:
• Diâmetro da Caixa: 44 mm
• Diâmetro da Haste: 25 mm
• Profundidade da Caixa: 52 mm
• Diâmetro Nominal do Parafuso: 19,1 mm ou ¾”
• Coeficiente de Atrito do Impregnante usado: 0,20
• Fatos de compressão mínima: 73 MPa
Passo 6:
Calculo da bitola da gaxeta
44 − 25
2= 9,5 𝑚𝑚 𝑜𝑢 3/8"
45
Passo 7:
Cálculo do Número de Anéis.
529,5
= 5,47
Então serão necessários 5 anel de Gaxeta 2236 na caixa, o que é recomendado.
Passo 8:
O comprimento dos anéis será encontrado pela seguinte fórmula:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
Onde S é a bitola da gaxeta e D o diâmetro do eixo.
𝐿 = 1,3 × 9,5 + 25 × 3,14
𝐿 = 118 𝑚𝑚
Passo 9:
O torque aplicado será encontrado pela seguinte fórmula:
𝑇 =𝑘 × 𝐹𝑛 × 𝑑!"#$!%&
1000
Onde: T = torque (Nm)
k = 0,2
F = força ou carga de aperto sobre as gaxetas (N)
n = 2
𝑑!"#$!%& = 19,1 mm
Já a força de aperto sobre as gaxetas (F) é encontrada pela fórmula:
𝐹 = 𝑆! +𝑃10
×[ 𝜋 ×𝐵! − 𝐶!
4]
Onde: Sc = 73 MPa
P = 302 bar
46
B = 44 mm
C = 25 mm
𝐹 = 73 +30210
×[ 𝜋 ×44! − 25!
4]
𝐹 = 103,2 ×[ 𝜋 ×1936 − 625
4]
𝐹 = 106258 𝑁
Voltando ao cálculo do torque:
𝑇 =0,2 × 1062582 × 19,1
1000
𝑇 =2029521000
𝑇 = 203 𝑁𝑚
Os exemplos acima vão servir de base para nortear os cálculos técnicos que se
seguirão ao longo do próximo capítulo, tanto para a especificação como para o
dimensionamento das gaxetas.
47
5 Projeto Busca de Valor – Industria B
5.1 Caso B (Triunfo – RS)
A Companhia C, é a empresa que opera a central de matérias-primas do
Complexo Petroquímico de Triunfo, no Rio Grande do Sul, o terceiro instalado no país,
no início da década de 80. As indústrias ali instaladas transformam os produtos
recebidos da indústria C em petroquímicos denominados de intermediários, que são
matérias-primas para as indústrias de transformação manufaturarem os bens de
consumo, como plásticos, borrachas, filmes, vernizes, solventes, PVCs, etc. A
indústria C é uma empresa de capital intensivo e tecnologia de ponta com controle dos
processos de produção em tempo real segundo Sistema Digital de Controle
Distribuído, contando com 952 colaboradores (empregados), dos quais 19 % possuem
nível superior e 70% têm o 2º grau completos . É uma empresa privada desde 1992,
com controle de capital brasileiro e tem suas ações negociadas nas principais Bolsas
de Valores do Brasil. Em 2000, sua receita bruta atingiu cerca de US$1,5 bilhão de
dólares.
Iniciou suas operações em dezembro de 1982 após ter sido concebida no estado
da arte em termos de tecnologia do processo de produção, incluindo os aspectos
ambientais e de segurança de suas instalações. Com capacidade atual de 1.135 mil
toneladas por ano de eteno é considerada central de grande porte, ofertando cerca de
40% dos petroquímicos básicos no mercado brasileiro. Seus produtos, em grande
parte, são comercializados no mercado nacional e o restante no Mercosul , EUA e
Europa.
A empresa C foi privatizada em maio de 1992 e para obter competitividade face
às transformações projetadas para o segmento petroquímico nacional decorrente da
abertura de mercado e liberação dos preços, iniciadas nos primeiros anos da década
de 90 no Brasil, empreendeu em 1993 uma profunda transformação gerencial. O
processo de mudança buscou no mercado internacional consultoria de grande
experiência nesse tipo de projeto.
Em 2007 a indústria C foi comprada pela empresa B, do ramo químico e
petroquímico brasileiro. A empresa se destaca por ser a líder mundial na produção de
biopolímeros e a maior produtora de resinas termoplásticas das Américas (sexta maior
fabricante mundial de resinas plásticas).
48
Foi a partir dai que a Empresa Teadit adentrou no Polo Petroquímico de Triunfo
(RS) com o Projeto Busca de Valor, realizando testes de performance em válvulas de
bloqueio de grande diâmetro utilizadas nas caldeiras.
O cenário encontrado pela equipe de Engenharia de Aplicação de Produtos na
área de caldeiraria da indústria C foi a seguinte:
• Elevado numero de intervenções, cerca de 8 num período de 1 ano;
• Altos custos de manutenção devido a necessidade de utilizar produto auxiliar
para vedação das válvulas, com injeção de massa em conjunto com o engaxetamento;
• E índices de vazamento próximos a 2000 toneladas ao ano.
Os frequentes vazamentos ocorridos na linha de vapor, sistemas VS – Bloqueio
Geral da Caldeira (Vapor Saturado), impediam a manutenção com as caldeiras em
operação gerando custos extras de vedação e perdas durante o processo. Para sanar
o problema, uma nova analise e especificação foi realizada junto as válvulas do
sistema, que operavam sob pressão de 113 bar e temperaturas acima dos 500˚C.
Oferecer um produto de maior durabilidade, com menor perda de massa à
elevadas temperaturas, reduzindo perdas de vapor e eliminando o uso de material
auxiliar, foram alguns dos objetivos que nortearam a equipe da Engenharia de
Aplicação de Produtos Teadit.
5.2 Solução Proposta
Após análise detalhada das características operacionais, em conjunto com
estudos de performance de gaxetas para atender as condições desta aplicação na
planta da indústria B foi indicada para uso a gaxeta Quimgax 2235, que por sua
composição e construção com reforço de fios metálicos de níquel-cromo a tornou a
solução ideal para severas aplicações que utilizem vapor saturado ou superaquecido
produtos químicos, gases, fluidos térmicos e solventes, com exceção dos agentes
oxidantes fortes.
49
5.3 Cálculos Técnicos
Tabela 3: Informações Técnicas das Válvulas de Bloqueio de 14" (Fonte: Teadit)
Tabela 4: Informações Técnicas das Válvulas de Bloqueio de 16" (Fonte: Teadit)
50
Começando pela especificação para ambos os casos das Válvulas de Bloqueio
de 14” e 16”, e com o auxílio da Tabela de Aplicação de Gaxetas para Válvulas
(Tabela 2) temos:
Tipo e Condições do Equipamento: Válvulas de Bloqueio
Possibilidades: 2235, 2236, 2000IC, 2202, 2000S e 2005.
Características Físicas do Fluido: Vapor Saturado
Possibilidades: 2235, 2236, 2000IC, 2202 e 2000S.
Características Químicas do Fluido: pH neutro (VS tem pH entre 6 e 8)
Possibilidades: 2235, 2236, 2000IC, 2202 e 2000S.
Temperatura e Pressão de Operação: Temperatura podendo chegar acima dos
500°C e pressão em torno de 113 bar.
Possibilidades: 2235.
Velocidade periférica (rotativos): Válvulas não possuem velocidade periférica
pois são equipamentos estáticos.
Possibilidades: 2235.
Relação Custo x Benefício: Por ter em sua composição fios de grafite flexível
reforçados individualmente com malha de níquel cromo, a Gaxeta 2235 é a solução
ideal para serviços nas quais existam altas temperaturas e altas pressões no processo
de produção, o que assegura selabilidade incomparável.
Solução: Gaxeta 2235.
Com a especificação já feita, o próximo passo é partir para o dimensionamento e
aplicação da gaxeta escolhida.
Válvulas de Bloqueio de 14”
Bitola da gaxeta: da tabela de válvulas tiramos o diâmetro da caixa e o diâmetro
da haste em milímetros.
98 − 73
2= 12,5 𝑚𝑚 𝑜𝑢 ½”
51
As bitolas das Gaxetas Teadit são todas padronizadas em polegadas, então
usaremos 12,7 milímetros.
Número de anéis de gaxeta: da tabela de válvulas também encontramos a
profundidade da caixa, que junto com a bitola calculada anteriormente, nos dá a
quantidade de anéis a serem instalados.
12812,7
= 10,08 𝑎𝑛é𝑖𝑠
Como excede o número máximo de anéis, instalamos 6 anéis da Gaxeta 2235
junto com uma bucha de grafite fixada no fundo da caixa.
Comprimento do anel de gaxeta: o comprimento dos anéis é dado por:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
S = 12,7 mm
D = 98 mm
𝐿 = 1,3 × 12,7 + 73 × 3,14
𝐿 = 281 𝑚𝑚
Torque aplicado:
𝑇 =𝑘 × 𝐹𝑛 × 𝑑!"#$!%&
1000
Onde: T = torque (N.m)
k = 0,17
F = força ou carga de aperto sobre as gaxetas (N)
n = 2
𝑑!"#$!%& = 1” ou 25,4 mm
𝐹 = 𝑆! +𝑃10
×[ 𝜋 ×𝐵! − 𝐶!
4]
Onde: Sc = 55 Mpa
P = 113 bar
52
B = 98 mm
C = 73 mm
𝐹 = 55 +11310
×[ 𝜋 ×98! − 73!
4]
𝐹 = 66,3 ×[𝜋 × 9604 − 5329
4]
𝐹 = 66,3 × 3358
𝐹 = 222607 𝑁
Com a força de aperto encontrada, calculamos o torque desejado.
𝑇 =0,17 × 2226072 × 25,4
1000
𝑇 =4806081000
𝑇 = 481 𝑁.𝑚
Válvulas de Bloqueio de 16”
Bitola da gaxeta: da tabela de válvulas tiramos o diâmetro da caixa e o diâmetro
da haste em milímetros.
114 − 86
2= 14 𝑚𝑚 𝑜𝑢 9/16"
As bitolas das Gaxetas Teadit são todas padronizadas em polegadas, então
usaremos 14,3 milímetros.
Número de anéis de gaxeta: da tabela de válvulas também encontramos a
profundidade da caixa, que junto com a bitola calculada anteriormente, nos dá a
quantidade de anéis a serem instalados.
53
13014,3
= 9,09 𝑎𝑛é𝑖𝑠
Como excede o número máximo de anéis, instalamos 6 anéis da Gaxeta 2235
junto com uma bucha de grafite fixada no fundo da caixa.
Comprimento do anel de gaxeta: o comprimento dos anéis é dado por:
𝐿 = 1,3 × 𝑆 + 𝐷 × 3,14
S = 14,3 mm
D = 86 mm
𝐿 = 1,3 × 14,3 + 86 × 3,14
𝐿 = 328 𝑚𝑚
Torque aplicado:
𝑇 =𝑘 × 𝐹𝑛 × 𝑑!"#$!%&
1000
Onde: T = torque (N.m)
k = 0,17
F = força ou carga de aperto sobre as gaxetas (N)
n = 2
𝑑!"#$!%& = 1.1/4” ou 31,75 mm
𝐹 = 𝑆! +𝑃10
×[ 𝜋 ×𝐵! − 𝐶!
4]
Onde: Sc = 55 Mpa
P = 113 bar
B = 98 mm
C = 73 mm
𝐹 = 55 +11310
×[ 𝜋 ×114! − 86!
4]
54
𝐹 = 66,3 ×[𝜋 × 12996 − 7396
4]
𝐹 = 66,3 × 4398
𝐹 = 291603 𝑁
Com a força de aperto encontrada, calculamos o torque desejado.
𝑇 =0,17 × 2916032 × 31,75
1000
𝑇 =7869631000
𝑇 = 787 𝑁.𝑚
Com isso, temos especificados os tipos de gaxeta para a aplicação da linha de
vapor superaquecido, bem como os torques necessários no momento de aperto nas
válvulas de bloqueio de 14” e 16”.
55
5.4 Cálculos Econômicos
Tabela 5: Dados Gerais da Empresa B (Fonte: Teadit)
56
Os cálculos econômicos abaixo foram obtidos, com embasamento do que foi
especificado e aplicado nos cálculos técnicos anteriormente feitos, a partir do
acompanhamento em campo das seguintes válvulas de bloqueio da linha de vapor
saturado das caldeiras. Os valores tanto de mão de obra quanto de produtos são
fundamentados pelo mercado de atuação da época.
Valvulas de Bloqueio de 14”
A partir dos valores fornecidos na tabela de Dados Gerais (Tabela 3) para o quilo
das Gaxetas 2202 e 2235, bem como o valor do quilo de injeção de massa, obtém-se
os valores para a quantidade que foi utilizada em metros para uma campanha de
duração de 3 anos.
Tabela 6: Informações Econômicas das Válvulas de 14" (Fonte: Teadit)
Nota-se uma economia de 95,27% no processo de instalação e manutenção do
engaxetamento dessas 2 válvulas, incrivelmente significativa para essa redefinição de
especificação levando-se em conta um espaço temporal de 3 anos.
Outro imenso ponto agregador de valor diz respeito à economia de emissões
fugitivas e perdas na linha de vapor saturado para essas válvulas, que seguem abaixo.
Tabela 7: Valor das Perdas por Emissões nas Válvulas de 14" (Fonte: Teadit)
57
Com uma economia de 95% nos insumos da linha, a indsutria B passou de uma
perda de 1971 toneladas, por ano por válvula, para 99 toneladas, também por
ano/válvula.
Com base nesses valores, foi possível agregar significado ao trabalho realizado
juntamente ao cliente, uma vez que os dados de acompanhamento por si só já são
capazes de tornar claro a importância da correta especificação e aplicação de
produtos de qualidade, bem como seu acompanhamento e manutenção. A seguir
encontram-se os custos finais para essas 2 válvulas de bloqueio de 14”.
Tabela 8: Economia Total nas Válvulas de 14" (Fonte: Teadit)
Válvulas de Bloqueio de 16”
A mesma análise feita acima foi utilizada na linha de vapor saturado para as 4
válvulas de 16”, trazendo valores ainda mais significantes para o cliente nesses 3 anos
de campanha.
Tabela 9: Economia nas Válvulas de 16" (Fonte: Teadit)
58
Com aplicações em campo, na indústria B, a Gaxeta 2235 apresenta excelente
performance, eliminando totalmente a necessidade de injeção de massa junto ao
engaxetamento, e reduzindo o índice de perdas de vapor de 2000 toneladas ao ano
para menos de 100 toneladas ano por válvula.
Tabela 10: Economia Total das Válvulas de 14" e 16" da Planta da indústria B
(Fonte: Teadit)
A tabela acima (Tabela 10) nos mostra o valor em reais economizado nas 6
válvulas de bloqueio presentes na linhas de vapor saturado da Planta Petroquímica B
do Rio Grande do Sul, sabendo-se que a planta não se limitava somente a esse
universo de válvulas, e abrindo o estudo para outros pontos de perdas por emissões
fugitivas tanto em válvulas de controle como em bombas, o ganho é ainda mais
significativo.
Numa campanha de 3 anos os gastos com a Gaxeta 2235 foram de
R$103.172,21, contra R$2.055.641,21 nos mesmos 3 anos com a Gaxeta 2202 com
injeção de massa. A empresa B teve um ganho significativo de 94,98%, chegando a
uma economia de R$1.952.469,00.
59
6 Conclusão
Após todos os aspectos citados durante o desenvolvimento do presente tema,
torna-se notável a importância da correta especificação e aplicação dos elementos
vedantes. Partindo da premissa que os usuários, no caso as indústrias, estão sempre
buscando otimizar seus processos de produção, cabe ao fornecedor da vedação
entregar ao seu cliente a melhor solução com seu devido acompanhamento e atenção,
garantindo assim a máxima eficiência de suas linhas fabris, evitando então perda de
insumos e excesso de emissões fugitivas.
Como consequência direta da utilização da Gaxeta 2235 nas válvulas de
Bloqueio de Vapor Superaquecido das Caldeiras, além dos benefícios diretos, como a
eliminação do uso de massa de vedação e forte redução das perdas de vapor, obteve-
se um ganho de segurança pessoal, durante a realização de manobra com as válvulas
de maior diâmetro.
É indiscutível os ganhos que uma reespecificação pode trazer. No caso
estudado acima em apenas 6 válvulas de bloqueio obteve-se uma economia muito
próxima a 2 milhões de reais, o que nos deixa imaginar a quantidade de pontos, tanto
de válvulas como em bombas, onde o projeto pode ser aplicado, e um novo estudo
pode ser feito simplesmente por se fazer uma nova especificação. Pode-se expandir
também esse pensamento para as industrias de outros segmentos. Os ganhos, ou
economias, podem ser enormes.
Alguns limitantes foram encontrado durante o desenvolvimento do trabalho.
Certos aspectos econômicos não foram levados em consideração pois a análise
financeira feita baseou-se somente no âmbito pontual de engaxetamento de válvulas
da Empresa B. O tempo para execução e detalhamento dos fatores também foi um
fator importante, para um detalhamento mais profundo seria necessário maior tempo
investido como maiores informações da Teadit. Independente de qualquer limitante, o
trabalho mostrou a importância de uma correta instalação e especificação do material
com o objetivo de sanar o excesso de emissões fugitivas.
60
Referências Bibliográficas
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