PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA LIGAÇÕES FLANGEADAS

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1 PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA LIGAÇÕES FLANGEADAS Diego Plubins Rodrigues 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

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3 Rodrigues, Diego Plubins Projeto de Juntas de Vedação Não metálicas para Ligações Flangeadas / Diego Plubins Rodrigues. Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, X, 61 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Reinaldo de Falco. Projeto de Graduação UFRJ / POLI / Curso de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Vedação. 2. Flanges. 3. Emissões. 4. Dimensionamento. 5. Juntas Não metálicas. I. De Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Projeto de Juntas de Vedação Não metálicas para Ligações Flangeadas. iii

4 Agradecimentos À minha mãe, Alexandra, pela confiança, amor, inspiração e sensibilidade que me dão força todos os dias. Ao meu pai, Mauro, por todos os valores que me ensinou, pela integridade, caráter e sabedoria transmitidos todos os dias. Ao meu irmão, Pablo, pelo exemplo de determinação e lealdade que sempre foi. À minha irmã, Laura, por todo o carinho e todos os sorrisos compartilhados. À Carolina Sanz, companheira fantástica que me impulsionou na direção certa nos momentos em que mais precisei. Foram seus incentivos e seu apoio incondicional que tornaram esta conquista possível. À todos da Teadit, em especial Luzia Obed e André Bueno, por todas as oportunidades de desenvolvimento e pela confiança depositada em mim. Na empresa, em minha primeira experiência profissional, pude estar em contato e estudar diversos dos elementos que me levaram a desenvolver este trabalho. Ao grupo de amigos Lázaros: André, Fred, Gabriel, Gouvea, Guilherme e Luiz Henrique por todos os momentos fantásticos que passamos juntos e pelo forte laço de amizade que carregaremos sempre em nossas vidas. Aos que tornaram a faculdade uma fonte de alegria e amizade: Fabricio, Marun, Vidal, Paulo Henrique, Dorea, Matheus, Thales, André, Eduardo, Frederico, Pedroso, Paulo Victor, Pedro e Thomás. A união deste grupo está entre os grandes responsáveis por esta conquista. Ao professor Reinaldo De Falco, por toda a atenção e compreensão dos meus objetivos, pelas orientações claras e diretas. iv

5 Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA LIGAÇÕES FLANGEADAS Diego Plubins Rodrigues Dezembro/2016 Orientador: Reinaldo De Falco Curso: Engenharia Mecânica Este trabalho apresenta métodos para a seleção e dimensionamento de juntas não metálicas e os principais procedimentos de cálculos necessários para o projeto do elemento de vedação em ligações flangeadas. Diante do alto risco de acidentes em possíveis vazamentos de tubulações e equipamentos industriais, o projeto cuidadoso do elemento de vedação se torna muito importante. Serão descritos os pré-requisitos para a utilização de juntas não metálicas, como formato da face do flange e condições de operação. Para determinação das forças de instalação e de operação sobre a junta, além das características requeridas nos parafusos para o projeto da ligação flangeada, serão utilizadas como base as orientações do ASME Boiler and Pressure Vessel Code. De forma complementar, serão realizadas as verificações recomendadas pelo ASME-PCC , que visa garantir a integridade de todos os elementos da ligação flangeada (flange, parafusos e junta) e calcular o torque de instalação dos parafusos. Serão apresentados três casos comuns na indústria em que se pode utilizar juntas não metálicas, vantajosas economicamente, e garantir a segurança da operação, controlando emissões e protegendo tanto os trabalhadores quanto o meio ambiente. Palavras-chave: Juntas Não metálicas, Emissões Fugitivas, Ligação Flangeada, Vedação Industrial. v

6 Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. PROJECT OF NON-METALLIC GASKETS FOR FLANGED CONNECTIONS Diego Plubins Rodrigues Dezembro/2016 Advisor: Reinaldo De Falco Couse: Mechanical Engineering This work presents methods for selection and sizing of non-metallic gaskets, along with the main necessary calculation procedures for projecting the sealing element in flanged connections. Due to the high risk of accidents caused by possible leaking in pipes and industrial equipments, a thorough project of the gasket becomes necessary. The requirements for using non-metallic gaskets, such as type of flange face and operating conditions are described in this work. In order to calculate the assembly and operating forces, in addition to required characteristics of the bolts, the guidelines of ASME Boiler and Pressure Vessel Code are followed. To complete the analysis, the guidelines of ASME-PCC are used to verify the stress limits of the elements (flanges, bolts and gasket) and to calculate the assembly bolt torque. Three common cases in the industry are shown in this work, where non-metallic gaskets, economically advantageous, can be used to guarantee a safety operation by controlling emissions and protecting workers and the environment. Keywords: Non-metallic gaskets, Fugitive Emissions, Flanged Connections, Industrial Sealing. vi

7 Sumário 1 Objetivo Introdução Emissões Atmosféricas Emissões Fugitivas Funcionamento das juntas Materiais de Juntas Proibição do Amianto Conexões Flangeadas Tipos de Flanges Faceamento Materiais e Classes de Pressão Forças na união flangeada Projeto de Juntas Especificação da Junta Não metálica Adequação ao Flange Compatibilidade Química Condições de Operação Dimensões da Junta Projeto segundo o ASME Boiler and Pressure Vessel Code Verificações segundo o ASME-PCC Exemplos de projeto de juntas Exemplo Exemplo Exemplo Conclusões e Recomendações Anexos Anexo 1 Tabelas de Compatibilidade Química Anexo 2 Gráficos de Pressão x Temperatura Anexo 3 Dados para Projeto de Juntas Referências Bibliográficas...59 vii

8 Lista de Figuras Figura 1: Principais gases responsáveis por potencializar o efeito estufa. (Fonte: EPA, 2016)... 3 Figura 2: Fontes de gás metano lançando na atmosfera. (Fonte: EPOCA, 2006)... 3 Figura 3: Distribuição de emissões de gases do efeito estufa no ano de 2014 e projeção para (Fonte: EPE, 2014)... 5 Figura 4: Conjunto formado por flanges, parafusos, porcas, arruelas e junta de vedação Figura 5: Esquema de junta de vedação preenchendo as irregularidades do flange. (Fonte: PEREIRA, 2016/Remosa Valves)... 7 Figura 6: Juntas não metálicas Figura 7: Juntas semimetálicas Figura 8: Juntas do tipo anel metálico (Ring-Type Joint) Figura 9: Dimensões do ressalto em flanges RF Figura 10: Flange com face ressaltada (RF) Figura 11: Flange com face plana (FF) Figura 12: Junta em flange com face ressaltada (à esquerda) e face plana (à direita) Figura 13: Flange com face para receber junta de anel metálico Figura 14: Forças em união flangeada. (Fonte: VEIGA, 2014) Figura 15: Possível rotação dos flanges diante das forças atuantes na ligação flangeada. (Fonte: PEREIRA, 2016)...17 Figura 16: Sequência indicada para aperto em flange com 8 parafusos Figura 17: Exemplo de gráfico pressão x temperatura para material não-metálico. (Fonte: RKlinger)...21 Figura 18: Posição da junta em contato com a superfície de vedação ressaltada Figura 19: Deformação do conjunto formado por flanges, junta e parafusos nas situações sem aperto, com aperto inicial e com pressurização. (Fonte: Bouzid, A.H., Galai, H., 2011)...26 Figura 20: Localização da força de reação da junta G e largura efetiva b. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1)...28 Figura 21: Limites de tensão no conjunto (flanges, estojos e junta) Figura 22: Gráfico pressão x temperatura de aplicação do produto NA1100. (Fonte: site Teadit)...56 Figura 23: Gráfico pressão x temperatura de operação do produto U60NA. (Fonte: site Teadit)...57 Figura 24: Gráfico pressão x temperatura de operação do produto NA1002. (Fonte: site Teadit)...57 viii

9 Lista de Tabelas Tabela 1: Superfície do flange para cada tipo de junta Tabela 2: Acabamento recomendado para a superfície de vedação dos flanges em função do tipo de junta. (Fonte: ASME PCC )...14 Tabela 3: Pressão admissível em função da temperatura para materiais como A105 e A350. (Fonte: SÖLKEN, 2016)...15 Tabela 4: Pressão admissível em função da temperatura para materiais como o A182. (Fonte: SÖLKEN, 2016)...16 Tabela 5: Condições de aplicação para cada material de juntas Tabela 6: Dimensões das juntas para flanges de classe 150# conforme ASME B16.5. Dimensões em polegadas. (Fonte: ASME B16.21)...22 Tabela 7: Dimensões das juntas para flanges de classes 300#, 400#, 600# e 900# conforme ASME B16.5. Dimensões em polegadas. (Fonte: ASME B16.21)...23 Tabela 8: Diâmetro do ressalto em flanges RFem polegadas. (Fonte: ASME B16.5)...24 Tabela 9: Espessura indicada para juntas. (Fonte: VEIGA, 2014)...25 Tabela 10: largura base de assentamento b o da junta. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1)...27 Tabela 11: Valores sugeridos para as constantes "m" e "y". (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division1)...29 Tabela 12: Área de raiz para estojos imperiais Tabela 13: Lista de materiais de parafusos para verificação da tensão admissível. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II Part D)...32 Tabela 14: Tensão máxima admissível em função da temperatura para parafusos. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II Part D)...33 Tabela 15: Limite de tensão Sfmáx para flanges ASTM A105. (Fonte: ASME-PCC )...36 Tabela 16: Limite de tensão Sfmáx para flanges ASTM A182. (Fonte: ASME-PCC )...37 Tabela 17: Limite de rotação (em graus) para flanges ASTM A105. (Fonte: ASME-PCC )...38 Tabela 18: Limite de rotação (em graus) para flanges ASTM A182. (Fonte: ASME-PCC )...39 Tabela 19: Exemplo de torques calculados para flange A105 e parafusos A193 B7 com junta metálica espiral. (Fonte: ASME-PCC )...41 Tabela 20: Compatibilidade química dos papelões hidráulicos Teadit (Fonte: site Teadit)...55 Tabela 21: Valores para cálculo das juntas Teadit. (Fonte: VEIGA, 20140)...58 ix

10 1 Objetivo Este trabalho final de graduação tem como objetivo projetar juntas de vedação para flanges utilizando materiais não-metálicos em situações muito comuns na indústria. A vedação em operações industriais é essencial para garantir a segurança de trabalhadores e do meio ambiente. Serão descritos os procedimentos para seleção do material, normas de dimensionamento e os cálculos necessários para a determinação do torque de instalação dos parafusos do flange. As recomendações deste trabalho são baseadas nas normas e códigos mais utilizados no Brasil. Existem outros procedimentos utilizados na Europa, por exemplo, que não serão mencionados. Para o projeto do flange e sua junta, é necessário conhecer as forças atuantes no conjunto sob as condições de trabalho e de instalação. Neste caso, são utilizadas as orientações do ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II, Appendix 2 Rules for Bolted Flange Connections with Ring Type Joints, para determinar as forças necessárias nos parafusos e na junta, assim como a área requerida dos parafusos. Para tornar mais preciso e seguro o projeto de juntas de vedação, o ASME-PCC Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Assembly, é usado de forma complementar ao código anterior. Assim, é possível determinar, além do torque de instalação dos parafusos, alguns critérios para garantir a integridade e o funcionamento adequado do conjunto formado por flange, parafusos e junta. 1

11 2 Introdução 2.1 Emissões Atmosféricas É considerado poluente atmosférico qualquer forma de matéria ou energia em quantidade, concentração, tempo ou características que possam tornar o ar (CONAMA, 1990): Impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde; Inconveniente ao bem-estar público; Danoso aos materiais, à fauna e flora; Prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade e às atividades normais da comunidade. Emissões são perdas de material em processos graças às dificuldades na determinação e controle efetivo dos subprodutos de processos. Estas emissões podem ser poluentes ou não, de acordo com o material emitido, do impacto ambiental causado e da região atingida. Em ambientes industriais, é importante monitorar emissões atmosféricas devido ao risco à saúde dos trabalhadores. Quanto ao impacto ambiental, muitas substâncias podem prejudicar a qualidade do ar, intensificando mudanças climáticas. (COSTA, 2010). Existe ainda o risco de explosões, no caso de fluidos inflamáveis. Serão caracterizadas como poluição as emissões que ultrapassem os limites do ecossistema em absorver ou suportar a presença das substâncias, gerando desequilíbrios temporários ou permanentes. (SOUZA, R. 2013). Segundo SOUZA, S. (2006), indústrias siderúrgicas, químicas, petroquímicas, metalúrgicas e de celulose e papel se destacam pelo potencial de poluição atmosférica. Nestes segmentos, é muito comum a emissão de gases resultados de processos como queima de combustíveis em caldeiras e geração de energia elétrica a partir do gás natural. A Figura 1 mostra os principais gases que vêm potencializando o efeito estufa ao longo dos anos de atividade industrial, causando mudanças climáticas no planeta. 2

12 Figura 1: Principais gases responsáveis por potencializar o efeito estufa. (Fonte: EPA, 2016) A Figura 2, publicada em 2006, exibe as principais fontes de gás metano emitido na atmosfera. É possível destacar a grande contribuição de atividades industriais humanas, principalmente da queima de gás natural. Figura 2: Fontes de gás metano lançando na atmosfera. (Fonte: EPOCA, 2006) Em 2014, a EPA (Environmental Protection Agency) estimou a contribuição das principais fontes de metano, sendo as indústrias de petróleo e gás natural responsáveis por 33% do total emitido. Visto que o metano é o principal componente do gás natural (cerca de 70%), as atividades de extração, processamento, armazenamento e transporte, além da queima, estão todas sujeitas a lançar quantidades do gás na atmosfera. 3

13 2.2 Emissões Fugitivas São chamadas de emissões fugitivas as emissões indesejadas de fluidos na atmosfera e em áreas subterrâneas, oriundas de vazamentos e falhas em tubulações e outros equipamentos que contenham elementos de vedação. Normalmente, os fluidos são emitidos em volumes pequenos. No entanto, muitas aplicações industriais envolvem fluidos críticos, seja em função de questões ambientais ou em função da toxicidade, causando possíveis problemas de saúde aos humanos. Sendo assim, o projeto de juntas pode ser visto como o projeto de equipamentos voltados para a segurança. Assim como ocorre em diversas outras áreas de projeto de engenharia, parte-se do princípio da impossibilidade de garantir 100% de vedação. Desta forma, são estabelecidos critérios para avaliar vazamentos. Condições mais severas, com fluidos críticos, altas pressões e temperaturas, ou ainda fluidos corrosivos e tóxicos requerem critérios mais rígidos. Por outro lado, no caso de gaxetas, por exemplo, o vazamento controlado ajuda a lubrificar e arrefecer o elemento de vedação e tem papel importante na manutenção do funcionamento correto do equipamento. (VEIGA, 2014) A EPE (Empresa de Pesquisa Energética), no Plano Decenal de Energia de 2014, apresentou balanço sobre as emissões de gases do efeito estufa relacionadas à energia e definiu projeções para o ano de 2023, como mostrado na Figura 3. Os valores são dados em MtCO 2e, isto é, utilizando o conceito de equivalência em dióxido de carbono (em Megatoneladas). Esta equivalência consiste na utilização do potencial de aquecimento global dos gases emitidos para compará-los com quantidades de dióxido de carbono emitido isoladamente. 4

14 Figura 3: Distribuição de emissões de gases do efeito estufa no ano de 2014 e projeção para (Fonte: EPE, 2014) Para reduzir as emissões, deve-se voltar o foco para o consumo de combustíveis fósseis na geração de eletricidade, transportes e indústrias em geral. (EPE, 2014). As emissões fugitivas têm previsão de aumento em quantidade de CO 2 equivalente emitido. No entanto, a porcentagem de sua contribuição para o total dos gases tem previsão de redução de 4,3% em 2014 para 3,8% em É no controle de emissões fugitivas que a correta aplicação de elementos de vedação pode contribuir para reduzir as mudanças climáticas e efeitos de poluição existentes no planeta. 2.3 Funcionamento das Juntas Segundo TELLES (2001), em toda ligação flangeada entre tubulações deve existir um elemento de vedação, chamado habitualmente de junta. Este elemento, durante as condições de operação, estará sujeito tanto aos esforços de compressão, causados pelo aperto aplicado nos parafusos, quanto ao cisalhamento proporcionado pela pressão interna do fluido a ser vedado. A Figura 4 ilustra os componentes da ligação flangeada: flanges, parafusos, porcas, arruelas e junta de vedação. 5

15 Figura 4: Conjunto formado por flanges, parafusos, porcas, arruelas e junta de vedação. De acordo com TELLES (2001), quanto maior a pressão do fluido na tubulação, mais duro deverá ser o material da junta, para ser capaz de resistir aos esforços citados anteriormente. No entanto, a junta deverá combinar dureza e resistência com elasticidade e capacidade de deformação para preencher as irregularidades (vales e picos de rugosidade) presentes na superfície de vedação do flange, como mostrado na Figura 5. Também é importante que o material seja compatível quimicamente com o fluido a ser vedado, isto é, resista às ações corrosivas, não se deforme excessivamente sob pressão e resista às temperaturas de trabalho envolvidas em cada caso. 6

16 Figura 5: Esquema de junta de vedação preenchendo as irregularidades do flange. (Fonte: PEREIRA, 2016/Remosa Valves) 2.4 Materiais de Juntas De acordo com o que foi visto na seção anterior, a seleção do material correto para a junta tem fundamental importância na vedação. TELLES (2001) classifica as juntas em três tipos: não metálicas, semimetálicas e metálicas, descritas resumidamente da seguinte forma: 1) Juntas não metálicas: têm formato de anel plano e suas espessuras variam, atualmente, de 0,3 mm até mais de 6,0 mm. Os materiais mais utilizados na composição destas juntas são borrachas naturais, borrachas sintéticas, materiais plásticos e cargas minerais. A fibra sintética aramida também vem sendo amplamente utilizada. Cada combinação de materiais é indicada para determinadas condições de aplicação. Em aplicações que envolvem fluidos corrosivos, o PTFE (politetrafluoretileno) também é usado, apesar de ser um material mais caro que os outros. Juntas não metálicas são usadas principalmente na indústria de celulose e açúcar, em tubulações de água, condensado, vapor saturado, derivados de petróleo, entre outros. Apresentam vantagens econômicas sobre os outros materiais utilizados em juntas. Também podem receber 7

17 acabamento superficial com materiais antiaderentes, para facilitar a remoção da junta no momento da manutenção. A Figura 6 mostra exemplos deste tipo de juntas. Figura 6: Juntas não metálicas. 2) Juntas semimetálicas: são construídas através da torção de uma lâmina metálica e do preenchimento dos espaços entre as voltas com outros materiais, como PTFE e grafite. Este tipo de junta possui excelente elasticidade e normalmente conta com um anel externo de aço, que tem a função de centralizar a junta, evitando má distribuição de tensões. As dimensões para juntas semimetálicas foram padronizadas na norma ASME B Exemplos deste tipo de junta se encontram na Figura 7. Figura 7: Juntas semimetálicas. 3) Juntas metálicas: são divididas entre folheadas, maciças e de anel. As folheadas são juntas que recebem capas metálicas e são empregadas sob as mesmas condições das juntas semimetálicas. As juntas maciças são usadas em flanges do tipo face ressaltada, ranhura e lingueta ou macho e fêmea. Já os anéis metálicos, que possuem seção oval ou 8

18 octogonal, são geralmente de aço inoxidável e aplicados em condições mais severas. Suas dimensões também estão padronizadas na ASME B É muito importante que o material da junta seja sempre menos duro que o material do flange para todas as juntas metálicas. A Figura 8 exibe juntas do tipo anel metálico. Figura 8: Juntas do tipo anel metálico (Ring-Type Joint). 2.5 Proibição do Amianto O amianto, também chamado de asbestos, é uma fibra mineral natural muito utilizada no setor industrial. O Brasil está entre os cinco maiores produtores, consumidores e exportadores mundiais do chamado amianto crisotila ou amianto branco. Por muito tempo chamado de mineral mágico, o amianto esteve presente principalmente nas indústrias de construção civil (telhas, caixas d água, tubulações, entre outros), isolamentos acústicos e térmicos, freios de automóveis (lonas e pastilhas), no setor de vedação, em juntas e gaxetas, e ainda em aplicações da área petrolífera, acessórios anti-chamas e tintas. (INCA, 2016) No ramo das juntas de vedação, seu amplo uso foi devido às suas excelentes propriedades, como elevada resistência ao calor, ataques químicos, boa flexibilidade, durabilidade, além de baixo custo. Apesar das propriedades do amianto, foram descobertos diversos problemas de saúde, principalmente pulmonares, causados pelo contato constante dos trabalhadores com a substância. Os principais são a asbestose, cânceres de pulmão, laringe, ovário e trato digestivo e o mesotelioma. Todas as formas em que o amianto se apresenta são cancerígenas. No caso da asbestose, os sintomas da doença podem aparecer de 2 a 3 décadas após a inalação constante do pó de amianto. Desta forma, muitos trabalhadores estão apresentando hoje os efeitos de atividades realizadas na década de 1980, época em que não havia controle efetivo do 9

19 uso da substância. Os profissionais com maior risco de exposição são encanadores, soldadores, zeladores, eletricistas, carpinteiros, mineradores e trabalhadores nas áreas de construção civil, naval e de materiais isolantes. (PINHEIRO, 2016) Segundo o INCA, 50% dos indivíduos com asbestose desenvolvem também o câncer de pulmão. As formas de exposição ao amianto são divididas em: Exposição ocupacional: é a principal forma, através da inalação das fibras de amianto, que podem causar lesões nos pulmões e em outros órgãos, e possíveis ingestões do material. Exposição ambiental: envolve fatores como contato dos familiares com roupas contaminadas, residência próxima a áreas industriais e a presença do amianto livre na natureza ou em pontos de descarte de produtos com amianto. Diante deste quadro, o uso do amianto foi proibido em 62 países. A Organização Internacional do Trabalho, em 1986, adotou medidas para controlar a substância, entre elas: Proibir o uso do amianto tipo anfibólio e todos os produtos que o contenham. Proibir a pulverização de qualquer tipo de amianto Limitar a concentração de fibras respiráveis em 2 fibras/cm³. Definir como responsabilidade das empresas o fornecimento e lavagem frequente dos EPIs e roupas de trabalho. No Brasil, seis estados proibiram a fibra em todas as suas formas: Espírito Santo, Mato Grosso, Pernambuco, Rio de Janeiro, Rio Grande do Sul e São Paulo. (INCA, 2016) 10

20 3 Ligações Flangeadas Este capítulo descreve as características construtivas dos flanges mais utilizados em aplicações industriais, bem como as forças e condições de trabalho necessárias ao projeto do conjunto formado por flange, parafusos/estojos e junta. 3.1 Tipos de Flanges Faceamento A superfície de vedação dos flanges pode ter diferentes formatos (TELLES, 2001), sendo os mais comuns os seguintes: Face Ressaltada (Raised Face ou RF): é o tipo mais comum em flanges industriais por se adequar tanto a condições de trabalho comum quanto críticas, isto é, altas pressões e temperaturas. Segundo SÖLKEN (2016), o ressalto possui 1,6 mm de altura em flanges de classes 150# e 300#, enquanto a altura é de cerca de 6,4 mm em flanges das classes 400# em diante (Figura 9). Em flanges com face ressaltada, a junta se estende até os parafusos, de forma que seu diâmetro externo os tangencie. Figura 9: Dimensões do ressalto em flanges RF. A face ressaltada apresenta ainda uma vantagem relacionada à manutenção. Nesta situação, é possível trocar a junta sem que seja necessário retirar todos os parafusos e afastar muito os flanges. Na Figura 10 é possível ver por outro ângulo o ressalto na face do flange. 11

21 Figura 10: Flange com face ressaltada (RF). Face Plana (Flat Face ou FF): mais comum nos flanges de materiais mais frágeis que o aço, como ferro fundido e plásticos. Neste tipo de face, dado que a área da junta é consideravelmente maior, deve-se aplicar o aperto na junta com cuidado e precisão para esmagá-la corretamente e garantir a vedação (VEIGA, 2014). A Figura 11 mostra um flange com face plana e 8 furos para parafusos. Figura 11: Flange com face plana (FF). A Figura 12 compara o formato das juntas em flanges com face ressaltada e face plana. No caso da face ressaltada, o diâmetro externo da junta, ao tangenciar os parafusos, ajuda a centralizá-la no flange. 12

22 Figura 12: Junta em flange com face ressaltada (à esquerda) e face plana (à direita). Face para Junta de Anel (Ring Type Joint ou RTJ): mais comum em flanges de aço, principalmente designados para trabalhar em condições mais severas (elevadas pressões e temperaturas). Neste tipo de flange existe uma cavidade de seção trapezoidal projetada para receber a junta de anel metálico. Segundo TELLES (2001), a pressão interna tem papel fundamental no desempenho da junta neste caso, porque tende a dilata-la e comprimi-la contra a parede da cavidade do flange. É importante que a dureza do material que constitui a face do flange seja maior que a do metal da junta. Na Figura 13 é possível ver a cavidade onde a junta deve ser inserida no flange. Figura 13: Flange com face para receber junta de anel metálico. 13

23 Ainda sobre a superfície de vedação dos flanges, deve-se levar em consideração o tipo e a qualidade do acabamento destas. Segundo VEIGA (2014), pode-se assumir, de forma geral, as regras descritas na Tabela 1: Tabela 1: Superfície do flange para cada tipo de junta. Tipo de Junta Acabamento superficial Não metálica Ranhurado Semimetálica Ligeiramente áspero Metálica Liso No caso de juntas não metálicas, as ranhuras podem ser concêntricas ou em espiral, sendo as concêntricas mais fáceis de vedar. A junta, ao ser esmagada, deve preencher as ranhuras até o fundo para evitar vazamentos. Desta forma, é fundamental escolher materiais com propriedades de escoamento adequadas para garantir a vedação eficiente. As ranhuras ainda acumulam a função de segurar a junta no lugar, evitando que sejam expulsas dos flanges. O ASME-PCC organiza valores recomendados para a rugosidade superficial dos flanges segundo a Tabela 2: Tabela 2: Acabamento recomendado para a superfície de vedação dos flanges em função do tipo de junta. (Fonte: ASME PCC ) Descrição da Junta Acabamento da superfície de contato μm μin. Espiral Camisa de metal corrugado com enchimento metálico; acabamento com fita de grafite flexível em toda a superfície Metal ranhurado com acabemento de grafite flexível, PTFE ou outros materiais conformáveis Materiais e Classes de Pressão TELLES (2001) indica que o processo de fabricação ideal para flanges é o forjamento. Para o aço, material mais utilizado, existem as seguintes especificações: Grafite flexível reforçado com enchimento metálico Metal ranhurado 1.6 máx. 63 máx. Metal puro e plano 1.6 máx. 63 máx. Metal com enchimento metálico 2.5 máx 100 máx. Placa não-metálica, espessura 1.6 mm Placa não-metálica, espessura > 1.6 mm ASTM A-181: para aplicações gerais. ASTM A-105: com Silício na composição, ideal para temperaturas mais elevadas. 14

24 ASTM A-182: presença de aços-liga (Molibdênio, Cromo-Molibdênio). ASTM A-350: mais comum em aplicações com baixas temperaturas, é constituído de aços-liga com Níquel. A norma ASME B.16.5 padroniza as dimensões dos flanges e os divide em sete classes de pressão: 150#, 300#, 400#, 600#, 900#, 1.500# e 2.500#. Estes valores estão relacionados à pressão nominal suportada pelo flange (em psi). No entanto, para cada classe e material existe uma relação entre pressão admissível e temperatura de operação, fatores de extrema importância no momento do projeto do flange. Esta relação é organizada em forma de curvas ou tabelas e está diretamente associada ao material do flange. As Tabelas 3 e 4 descrevem as pressões de trabalho admissíveis em função da temperatura para alguns materiais de flanges. Tabela 3: Pressão admissível em função da temperatura para materiais como A105 e A350. (Fonte: SÖLKEN, 2016) Todos os flanges que pertencem à mesma classe pressão e são fabricados com o mesmo material obedecem à mesma curva, independente de diâmetro e formato. (TELLES, 2001). 15

25 Tabela 4: Pressão admissível em função da temperatura para materiais como o A182. (Fonte: SÖLKEN, 2016) São padronizados também os diâmetros dos parafusos-máquina ou estojos para cada flange, assim como o raio do círculo de furação e o número de furos. Flanges com maiores classes de pressão possuem parafusos com diâmetros maiores e em maior número. Este fator tem influência direta no projeto da junta de vedação, como será visto mais adiante. A Tabela 5 resume as condições de aplicação em que cada material de juntas deve ser utilizado. Tabela 5: Condições de aplicação para cada material de juntas. Tipo de Junta Classes de Pressão Condições Não metálica 150#, 300# e 400# Temperaturas até 400 C Semimetálica 150#, 300# e 600# Temperaturas acima de 400 C ou abaixo de 0 C Metálica 900# e acima Ampla faixa de temperaturas, ideal para condições mais severas 3.2 Forças na União Flangeada É de fundamental importância que o projetista da ligação flangeada conheça as forças atuantes no conjunto. A pressão do fluido dá origem a forças nas direções radial e axial na tubulação. A força axial, chamada de força de separação, tende a afastar os flanges e deve ser 16

26 superada pela força aplicada pelos parafusos. A força radial atua no sentido de expulsar a junta dos flanges, fenômeno conhecido como blowout. A Figura 14 exibe a localização destas forças em uma ligação flangeada. Figura 14: Forças em união flangeada. (Fonte: VEIGA, 2014) Devido à presença de diversos esforços em todos os elementos da ligação flangeada, o aumento da temperatura pode causar, além de efeitos indesejados de dilatação térmica, alterações na resistência dos materiais que compõem a junta, estojos ou flanges. Desta forma, a presença de forças externas e erros no projeto das forças dos parafusos podem causar deformações nos flanges chamadas de rotação, como mostrado na Figura 15. Figura 15: Possível rotação dos flanges diante das forças atuantes na ligação flangeada. (Fonte: PEREIRA, 2016) 17

27 Alguns cuidados no momento da instalação evitam que a junta seja expelida ou deformada durante a operação, como: aplicação do torque correto em todos os parafusos, pois excesso ou falta de aperto podem comprometer a vedação; sequência de aperto correta dos parafusos, para evitar distribuição desigual de tensões no flange; nunca usar número de parafusos diferente do especificado, entre outros. A Figura 16 apresenta uma possível sequência de aperto dos parafusos de um flange. Figura 16: Sequência indicada para aperto em flange com 8 parafusos. 18

28 4 Projeto de Juntas Este capítulo contém todo o procedimento utilizado para o projeto de juntas não metálicas, desde a seleção do material, dimensionamento até o cálculo do torque aplicado nos parafusos do flange para a instalação correta do elemento de vedação. Serão descritos e explicados os códigos e normas mais utilizados no projeto de juntas no Brasil. O primeiro procedimento está contido no ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII, no Appendix 2 Rules for Bolted Flange Connections with Ring Type Joints. Porém, outras verificações são necessárias para garantir o funcionamento adequado e a integridade dos componentes da ligação flangeada. Desta forma, o Appendix O do ASME PCC Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Assembly é usado de forma complementar, levando em consideração diversas variáveis ausentes no momento do projeto dos flanges. Cabe ressaltar que os valores calculados para forças e pressões a seguir não são rígidos, ou seja, cabe ao projetista da junta utilizar de análise de engenharia para identificar quais esforços são críticos em cada caso. Os limites de pressão também são indicativos, ou seja, um pequeno excesso de pressão não necessariamente causará vazamentos. 4.1 Especificação da Junta Não metálica Adequação ao Flange Juntas não metálicas são amplamente utilizadas por serem muito econômicas e possuírem vasta área de aplicação. No entanto, existem restrições importantes para empregar estes materiais, que não são usados em aplicações muito severas. O primeiro fator a ser observado é a presença de ciclos térmicos na tubulação. Variações na temperatura causam dilatações térmicas em todos os elementos da união (flange, junta, parafusos, porcas, etc.), e alguns materiais não apresentam boa resistência a este tipo de condição. Em linhas que sofrem manutenção frequente, ou seja, a temperatura e a pressão às quais a junta está sujeita sofrem variações significativas, deve-se selecionar outros materiais para as juntas. No caso de linhas que passam por uma parada para manutenção anual, deve-se selecionar cuidadosamente um material que apresente resistência aceitável às variações sem comprometer o funcionamento adequado do conjunto. O segundo fator que deve ser verificado é o tipo de flange em questão. A aplicação de juntas não metálicas só é possível em flanges cuja face de vedação é do tipo plana (FF) ou ressaltada (RF) e ambas devem ser, obrigatoriamente, ranhuradas. A rugosidade recomendada para a superfície de contato entre flange e junta está descrita na Tabela 2. 19

29 4.1.2 Compatibilidade Química É de fundamental importância que a composição química da junta seja compatível com o fluido a ser vedado. Os fabricantes de juntas devem informar aos clientes as aplicações adequadas de cada produto para evitar acidentes. A seleção incorreta do material pode causar a corrosão do material da junta, comprometendo gravemente a vedação. No caso de fluidos como água para consumo humano, alimentos e fármacos, deve-se ficar atento à deterioração do material da junta por causa da possibilidade de contaminação do fluido. O Anexo 1 deste trabalho contém as tabelas utilizadas nos exemplos do Capítulo 5, que podem ser encontradas no site do fabricante Condições de Operação Cada material possui, além da compatibilidade química, limitações em termos de criticidade das condições de operação. O fornecedor da junta deve indicar os limites de temperatura e pressão sob os quais o material da junta pode trabalhar de forma contínua sem riscos. No entanto, estes fatores não devem ser analisados só individualmente. Fabricantes, em seus catálogos, geralmente oferecem gráficos em que são definidas faixas de operação adequadas combinando temperatura e pressão, como exemplificado na Figura 17. Se o ponto de operação estiver na região 1, o produto é adequado. Na região 2, o fabricante deve ser consultado. Caso o ponto esteja na região 3, o produto não deve ser utilizado e o deve-se buscar outro produto. Desta forma, o projetista da junta pode facilmente verificar se o material pode ser utilizado nas condições necessárias. 20

30 Figura 17: Exemplo de gráfico pressão x temperatura para material não-metálico. (Fonte: RKlinger) Dimensões da Junta O material de juntas não metálicas é vendido, de forma geral, em folhas ou placas retangulares de grandes dimensões, e as juntas devem ser cortadas ou estampadas nas dimensões desejadas. O diâmetro interno da junta deve ser ligeiramente maior que o diâmetro da tubulação, de forma que não exista risco de obstrução do fluxo quando os parafusos forem apertados e a junta for comprimida. No entanto, se o diâmetro interno da junta for muito maior que o da tubulação, o fluido pode corroer a parte exposta do flange. A norma ASME.B padroniza as dimensões destas juntas, definindo diâmetros interno e externo diante de fatores como tipo de face do flange e classe de pressão. As Tabelas 6 e 7 apresentam os valores normalizados. 21

31 Tabela 6: Dimensões das juntas para flanges de classe 150# conforme ASME B16.5. Dimensões em polegadas. (Fonte: ASME B16.21) Face plana (Full Face) Diâmetro Diâmetro Diâmetro Diâmetro nominal interno da externo Diâmetro N de Diâmetro do círculo junta da junta externo furos dos furos de furos 1/ / / / / /

32 Tabela 7: Dimensões das juntas para flanges de classes 300#, 400#, 600# e 900# conforme ASME B16.5. Dimensões em polegadas. (Fonte: ASME B16.21) Diâmetro Nominal Diâmetro interno Diâmetro Externo Classe 300 Classe 400 Classe 600 Classe 900 1/ / / / / / No caso de flanges com face ressaltada, é muito importante que a junta seja dimensionada corretamente, pois seu diâmetro externo tangencia os parafusos e ajuda a centralizar a junta no momento da instalação. Juntas instaladas descentralizadas estão sujeitas a esforços irregulares e, consequentemente, grandes riscos de falha. Para o procedimento de cálculo descrito a seguir, os diâmetros da junta levados em consideração são aqueles que mantêm contato com a superfície de vedação. No caso de flanges com face ressaltada, este diâmetro é igual ao diâmetro do ressalto, como indicado na Figura

33 Figura 18: Posição da junta em contato com a superfície de vedação ressaltada. O diâmetro do ressalto é padronizado também na norma ASME B16.5, como reproduzido na Tabela 8. Tabela 8: Diâmetro do ressalto em flanges RF. Dimensões em polegadas. (Fonte: ASME B16.5) Diâmetro Nominal Diâmetro do Ressalto 1/ / / / / / Quanto à espessura da junta, deve-se seguir a simples regra descrita na Tabela 9. 24

34 Tabela 9: Espessura indicada para juntas. (Fonte: VEIGA, 2014) Diâmetro do flange Espessura da junta Até 10 Acima de 10 1/16 (1,6 mm) 1/8 (3,2 mm) 4.2 Projeto segundo o ASME Boiler and Pressure Vessel Code O código da ASME chamado Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) foi desenvolvido em 1911 e publicado em 1915, diante da necessidade de garantir a segurança da população, principalmente em regiões industriais. Com o desenvolvimento e ampliação do uso das máquinas a vapor, ocorreram inúmeras explosões em caldeiras e fábricas nos Estados Unidos e na Europa, entre o fim do século dezoito e início do século dezenove. Em Massachusetts, por exemplo, uma caldeira explodiu na fábrica Shoe Grover, causando 58 mortes e ferimentos em outras 117 pessoas. A catástrofe foi amplamente divulgada pelos meios de comunicação da época e resultou na demanda popular por normas e regras para garantir a segurança de equipamentos que trabalham sob pressão. Desde então, o código vem passando por revisões e aperfeiçoamentos. A primeira edição continha 114 páginas, enquanto a de 2001 era constituída por mais de 16 mil. (CANONICO, 2011) A seção VIII do código, Rules for Construction of Pressure Vessels, auxilia os e engenheiros no projeto de uniões flangeadas. O código determina que a união flangeada deve ser projetada para duas situações distintas: operação e instalação (também chamada de esmagamento da junta). Como mostrado na Figura 19, os esforços de compressão sobre a junta são diferentes nas situações inicial, aperto de instalação e início da operação, em que ocorre a pressurização da linha. 25

35 Figura 19: Deformação do conjunto formado por flanges, junta e parafusos nas situações sem aperto, com aperto inicial e com pressurização. (Fonte: Bouzid, A.H., Galai, H., 2011) As variáveis necessárias para os cálculos nesta etapa do projeto são: - Wm1 = força mínima nas condições operacionais (lbf) - Wm2 = força mínima inicial para instalação (lbf) - G = diâmetro efetivo da junta, onde está localizada a força de reação (pol) - P = pressão de operação do fluido (psi) - b = largura efetiva da junta (pol) - b o = largura base de assentamento da junta (pol) - m = fator característico da junta - y = pressão mínima de esmagamento da junta (psi) - Sb = tensão admissível nos estojos na temperatura de operação (psi) - Sa = tensão admissível nos estojos na temperatura de operação (psi) - Am1 = Área mínima dos estojos nas condições de operação (pol²) - Am2 = Área mínima dos estojos nas condições de instalação (pol²) - Wg máx = força máxima de esmagamento da junta (lbf) - Sg máx = tensão máxima de esmagamento da junta em temperatura ambiente (psi) - N = largura da junta em contato com a superfície do flange (pol) 1 ) Determinar a largura da junta em contato com o flange N através da Equação 1: N = De Di 2 Em seguida, determinar a largura base de assentamento da junta b o, que depende tipo de contato entre a junta e o flange, através da Tabela 10. (1) 26

36 Tabela 10: largura base de assentamento b o da junta. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1) Calculados os valores de N e b o, deve-se calcular a largura efetiva da junta b através das Equações 2 e 3: b = b 0, se b 0 1/4" (2) b = 0,5 b 0,5 0, se b 0 > 1/4" (3) 27

37 Por fim, a partir da geometria indicada na Figura 20, é possível calcular o diâmetro efetivo da junta G, onde está localizada a força de reação, através da Equação 4: G = De 2 b (4) Figura 20: Localização da força de reação da junta G e largura efetiva b. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1) 2 ) Determinar a força mínima nos parafusos capaz resistir à pressão máxima que atua na área delimitada pelo diâmetro de localização da força de reação da junta (G), mantendo o funcionamento correto do conjunto durante a operação, através da equação 5: Wm1 = π G2 P b π G m P (5) Desta forma, a força mínima Wm1 conta com o acréscimo de um fator m multiplicado pela pressão interna, garantindo que sempre seja exercida sobre a junta uma pressão residual maior que a pressão interna do fluido. O código ASME sugere valores para o fator m de acordo com a Tabela 11, mas o fabricante da junta também poderá informar este dado. 28

38 Tabela 11: Valores sugeridos para as constantes "m" e "y". (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division1) 29

39 3 ) Determinar a força mínima inicial para instalação da junta, isto é, para obrigar a junta a preencher as irregularidades da superfície do flange. Esta força corresponde a um aperto aplicado sob condições atmosféricas, sem pressão interna atuando na tubulação, e depende do material e da área da junta selecionada. A força é calculada segundo a Equação 6 : Wm2 = b π G y (6) 4 ) Verificar a área mínima dos estojos: a soma das áreas de raiz dos estojos selecionados no projeto do flange deve ser maior que as áreas mínimas calculadas para as condições de operação e instalação. Estas duas são calculadas segundo as Equações 7 e 8, levando em consideração a temperatura de cada situação. Na maioria dos casos, a temperatura de instalação é a ambiente, enquanto a de operação varia. Am1 = Wm1 Sb Am2 = Wm2 Sa (7) (8) O valor da área total requerida Am será igual ao maior entre os valores Am1 e Am2. Para garantir que os estojos possuem área suficiente para resistir aos esforços, multiplica-se o número de estojos por sua área de raiz, como na Equação 9. nb Ab Am (9) A área de raiz Ab correspondente a cada diâmetro de parafuso/estojo pode ser encontrada na Tabela

40 Tabela 12: Área de raiz para estojos imperiais. Diâmetro (pol) Área de raiz (pol²) 1/2 0,1257 5/8 0,2017 3/4 0,3019 7/8 0, , /8 0, /4 0, /8 1, /2 1, /8 1, /4 1, /8 2, , /4 3, /2 4, /4 5, , /4 7, /2 8, /4 10, ,570 Os valores para as tensões admissíveis nos estojos Sa e Sb, de acordo com a temperatura, estão tabelados no ASME Boiler and Pressure Vesse Code Section II Part D. O projetista deve localizar a numeração da linha correspondente ao material do parafuso e diâmetro desejado na Tabela 13 e, em seguida, utilizar o número da linha na Tabela 14 para obter a tensão admissível nos parafusos. Note-se que, para aplicações que envolvem temperaturas muito altas, o projetista deve tomar bastante cuidado ao realizar esta verificação, visto que os valores podem sofrer grandes alterações. A tensão admissível no material ASTM A193 B7, por exemplo, se reduz a 50% do valor inicial ao atingir 900 F. 31

41 Tabela 13: Lista de materiais de parafusos para verificação da tensão admissível. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II Part D) 32

42 Tabela 14: Tensão máxima admissível em função da temperatura para parafusos. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II Part D) 4.3 Verificações segundo o ASME-PCC Este documento orienta o projetista a realizar diversas verificações para manter o funcionamento correto da junta de vedação e sua integridade, incluindo parâmetros que não são levados em consideração na seção anterior. As variáveis necessárias para a realização destas verificações são as seguintes: - Sb sel = tensão de instalação dos estojos: a ser determinada mediante verificação de todas as condições e limites do conjunto. - ϴg máx = rotação máxima permissível: a rotação do flange durante a instalação não deve exceder o limite permissível para a junta. É adotado o valor de 1.0 grau, na falta de valor específico. 33

43 - Sb máx = tensão admissível máxima nos estojos: valor adotado para que os estojos não sejam danificados. É recomendado que este valor esteja na faixa entre 40% e 70% da tensão de escoamento do material do estojo. - Sb mín = tensão admissível mínima nos estojos: a tensão nos estojos deve ter um limite inferior para que a vedação não seja comprometida por falta de aperto. A recomendação é que este valor esteja entre 20% e 40% da tensão de escoamento do material do estojo. - Sf máx = Tensão admissível máxima nos estojos em relação ao flange: valor determinado de acordo com o flange para evitar danos ao conjunto. - Sg mín-s = tensão mínima de esmagamento: tensão mínima sobre a junta durante a instalação para que haja assentamento adequado. Valor fornecido pelo fabricante da junta. - Sg mín-o = tensão mínima de esmagamento durante a operação: valor mínimo que garante as propriedades de selabilidade quando o equipamento está em operação. É fornecido pelo fabricante. - Sg máx = tensão máxima de instalação da junta: máximo valor de tensão em temperatura ambiente (instalação) em que a junta não sofre danos. Também é fornecido pelo fabricante. - Sg T = tensão desejada na junta no momento da instalação. Dado que ocorre relaxamento após o conjunto entrar em operação, este valor deve ser selecionado tendo em vista o limite superior da junta. Neste trabalho, serão adotados valores na faixa de 70% a 80% de Sg máx. - φ g = fração de relaxamento da junta: fração do aperto aplicado que permanece atuando na junta após a instalação. É fornecido pelo fabricante. - k = fator de aperto: relacionado ao coeficiente de atrito e determina a manutenção do torque aplicado. - Deg = diâmetro externo da junta - De = diâmetro externo da junta em contato com a superfície de vedação. - Di = diâmetro interno da junta em contato com a superfície de vedação. - Fb = força nos estojos - T = torque de instalação dos estojos a ser ajustado no torquímetro - nb = número de estojos - db = diâmetro dos estojos De forma geral, os dados com subscrito g se referem à junta (gasket, em inglês), enquanto o subscrito f se refere ao flange. As letras s e o estão relacionadas às condições de instalação e operação, respectivamente. O subscrito b está relacionado aos estojos (bolts, em inglês). A Figura 21 exibe graficamente o objetivo dos próximos procedimentos de cálculo: 34

44 encontrar um valor de tensão que se situe na faixa ideal, respeitando os limites de todos os componentes. Valores muito próximos aos limites inferiores estão sujeitos a vazamento por causa do relaxamento (perda de aperto nos parafusos) com o tempo de operação e devem ser evitados. Figura 21: Limites de tensão no conjunto (flanges, estojos e junta). O procedimento deve ser feito utilizando unidades inglesas de medida e pode ser simplificado de acordo com o seguinte roteiro: 1 ) Determinar a tensão de instalação desejada nos estojos de acordo com a Equação (10): Sb sel = Sg T Ag nb Ab (10) 2 ) Verificar se o valor de Sb sel está adequado aos limites dos estojos: Limite superior do estojo: O valor de Sb sel deverá se tomado como o menor entre o valor calculado no item anterior e a tensão máxima no estojo, como resumido na Equação 11: Sb sel = mín. (Sb sel, Sb máx ) (11) Limite inferior do estojo: Nesta etapa, deve-se verificar da mesma forma se a tensão está acima do limite mínimo. O valor adotado para Sb sel agora deverá se igualar ao maior entre o calculado anteriormente na Equação 11 e o limite mínimo do estojo, como descrito na Equação 12: Sb sel = máx. (Sb sel, Sb mín ) (12) 3 ) Determinar se o valor de Sb sel está adequado aos limites do flange: 35

45 Selecionado o valor que se adequa aos limites dos estojos, o próximo passo é adequar a tensão aos limites do flange. Limite de tensão do flange: A tensão Sb sel não pode exceder o limite do flange. Desta forma, a Equação 13 corrige o valor de Sb sel para garantir a integridade da união flangeada: Sb sel = mín. (Sb sel, Sf máx ) (13) Valores para o limite Sf máx podem ser encontrados nas tabelas do código ASME-PCC As Tabelas 15 e 16 mostram os valores determinados para flanges ASTM A105 e ASTM A182, respectivamente, utilizando análises de elementos finitos. Tabela 15: Limite de tensão Sfmáx para flanges ASTM A105. (Fonte: ASME-PCC ) 36

46 Tabela 16: Limite de tensão Sfmáx para flanges ASTM A182. (Fonte: ASME-PCC ) Verificar o limite de rotação do flange: A aplicação de torques nos estojos pode causar rotação do flange, como visto na Figura 15. O projetista deve garantir que esta rotação se encontre abaixo do limite especificado para o flange através da equação (14). Sb sel Sf máx Θ gmáx Θ fmáx (14) Os valores para a rotação máxima do flange se encontram tabelados também no Apêndice O, como reproduzido nas Tabelas 17 e 18, para os materiais ASTM A105 e A182, respectivamente. 37

47 Tabela 17: Limite de rotação (em graus) para flanges ASTM A105. (Fonte: ASME-PCC ) 38

48 Tabela 18: Limite de rotação (em graus) para flanges ASTM A182. (Fonte: ASME-PCC ) 4 ) Determinar se as condições da junta estão satisfeitas: Verificar se a tensão de esmagamento sobre a junta está adequada na instalação para garantir o assentamento da junta, segundo a Equação 15: Sb sel Sg mín S Ag nb Ab (15) Verificar se após o início da operação a junta se encontra sob tensão suficiente para garantir a vedação. A Equação 16 descreve esta verificação. Diferente da etapa anterior, deve-se levar em consideração agora a pressão de operação e outros dados do conjunto: Sb sel (Sg mín O Ag)+ ( π 4 x P x Di2 ) ᵩg x Ab x nb (16) Verificar se o limite máximo da junta foi excedido, para garantir que a junta não sofreu deformações excessivas e danos físicos. Esta verificação, descrita pela Equação 17, é análoga à realizada na Equação 15: Sb sel Sg máx 5 ) Cálculo do torque de instalação dos estojos: Ag (17) nb Ab 39

49 Realizadas todas as verificações anteriores e selecionado o valor da tensão Sb sel, utilizase este valor para o cálculo do torque a ser ajustado no dispositivo de instalação. Calcular a força nos parafusos Fb segundo a Equação 18: Fb = Ab Sb sel (18) Calcular o torque T, segundo a Equação 19: T = k Fb db (19) O fator de aperto k é uma constante adimensional determinada experimentalmente que está diretamente relacionada ao coeficiente de atrito entre as superfícies do parafuso/estojo e do flange. Deve-se selecionar o valor com atenção, pois pequenas variações podem alterar significativamente o torque calculado. Diversos fatores têm influência no valor do fator de aperto, como diâmetro do parafuso, material, temperatura de instalação, presença de lubrificante e sua composição, estado de conservação do parafuso, entre outros. O ASME-PCC recomenda a utilização de k = 0,20 para parafusos de aço liga lubrificados. No caso de lubrificantes à base de molibdênio, é sugerido o valor de 0,15. O código ASME apresenta ainda Tabela 19 como exemplo de torques para juntas metálicas em espiral. Para aplicação do torque de instalação, existem diversos equipamentos diferentes. Segundo VEIGA (2014), algumas das opções mais comuns são: Torquímetros manuais, usados em parafusos de diâmetro pequeno por questões de praticidade. Torquímetros hidráulicos, amplamente utilizados em parafusos maiores, que requerem apertos mais elevados. Tensionadores hidráulicos, que permitem aplicar o aperto sem necessidade de girar as porcas, evitando efeitos devidos ao atrito. No entanto, o processo é mais lento e exige preparação prévia dos parafusos. 40

50 Tabela 19: Exemplo de torques calculados para flange A105 e parafusos A193 B7 com junta metálica espiral. (Fonte: ASME-PCC ) 41

51 5 Exemplos de Projeto de Juntas Neste capítulo são apresentados três exemplos de aplicações de juntas muito comuns no setor industrial. Os três casos descrevem bem a importância do projeto cuidadoso do elemento de vedação em tubulações e equipamentos. Mesmo em condições operacionais de baixa ou média criticidade para os componentes da união flangeada, a proximidade de trabalhadores, temperatura e toxicidade dos fluidos tornam o projeto da junta uma questão de segurança. Os cálculos descritos nos exemplos seguem as recomendações do Capítulo Exemplo 1 Tubulação de diâmetro grande e pressão média-alta. Dados do projeto: Setor de atuação: gasoduto 1) Condições de operação: a) Fluido: gás natural b) Temperatura de operação: T op = 10 C = 50 F c) Pressão de operação P op = 40 bar = 580,15 psi = 40,79 kgf/cm² 2) Dados da tubulação: d) Material: aço carbono e) Diâmetro nominal: 20 = 506 mm 3) Dados do flange: a) Material: Aço carbono ASTM 105 classe 300# b) Tipo de face: Raised Face (RF) c) Tipo de acabamento da superfície de vedação: ranhurado concêntrico d) Rugosidade da superfície de vedação: 3,2 μm 4) Dados dos estojos: a) Número de estojos: 24 b) Diâmetro: 1 1/4 pol = 31,75 mm c) Material: ASTM A193 B7 d) Área de raiz: 0,9289 pol² = 599,29 mm² e) Tensão de escoamento: psi f) Tensão admissível na temperatura de operação (Tabelas 13 e 14): Sb = psi g) Tensão admissível na temperatura de instalação (Tabelas 13 e 14): Sa = psi h) Tensão mínima permissível nos estojos: como a aplicação envolve pressão relativamente alta e risco de acidentes, será adotado o seguinte: 42

52 S bmín = 0, = psi i) Tensão máxima permissível nos estojos: S bmáx = 0, = psi De acordo com as instruções do capítulo 4 deste trabalho, o projeto da junta para vedar o flange nestas condições é explicitado abaixo. 1º) Compatibilidade química: O catálogo do fabricante deve indicar a compatibilidade de cada material com o fluido a ser vedado gás natural, neste caso. De acordo com a Tabela 20, existem três possibilidades para o gás natural: NA1002, NA1100 e NA º) Condições de operação Cada material tem limites de temperatura e pressão sob os quais o funcionamento da junta é adequado e é fundamental que estas condições sejam atendidas. Verificando as informações disponíveis no Anexo 2, será escolhido o produto NA º) Dados da junta Definido o produto que será utilizado, deve-se reunir os dados da junta para o procedimento de cálculo. Segundo a Tabela 9, a espessura da junta deve ser igual a 3,2 mm. De acordo com a Tabela 21, no Anexo 3, os dados para a junta são: Espessura: 3,2 mm Fator m : 4,1 Fator y : psi Sg máx: psi Sg mín-s: psi Sg mín-o: psi φg: 0,7 ϴg máx: 1,0 Devem ser determinadas também as dimensões da junta. Segundo a norma ASME B.16.21, para tubulação com diâmetro nominal 20 : Deg = 25,75" = 654,05 mm Di = 20" = 508,00 mm 43

53 No entanto, para o procedimento de cálculo, deve ser levado em consideração o diâmetro externo da junta que mantém contato com a superfície de vedação. Como o flange é do tipo RF, este diâmetro é igual ao diâmetro da área ressaltada, descrito na Tabela 8. De = 23" = 584,20 mm E a área sob pressão da junta (formato de anel) é dada por: Ag = (De2 Di 2 ) π 4 = 101,32 pol 2 = ,62 mm² 4º) Projeto da junta - Instalação: Largura da junta em contato com o flange, segundo a Equação (1): N = (De Di) 2 Largura efetiva da junta, segundo a Equação (3): = = 1,5" b = 0,5 ( 1,5 2 ) 0,5 = 0,43" Diâmetro efetivo da junta, segundo a Equação (4): G = (De 2 b) = ,43 = 22,14" Força mínima de esmagamento da junta, de acordo com a Equação (6): Wm2 = π 0,43 22, = ,07 lbf 5º) Projeto da junta Operação: Força mínima de projeto em operação, segundo a Equação (5): Wm1 = π 22, , ,43 π 22,14 4,1 580,15 4 Wm1 = ,76 lbf Área dos estojos, segundo as Equações 7 e 8: Am1 = Wm1 Sb = ,76 = 14,63 pol² Am2 = Wm2 Sb = ,07 = 4,19 pol² Am = 14,63 pol² Logo, de acordo com a Equação (9), tem-se que: nb Ab = 24 0,9289 = 22,29 pol² Am < Ab nb 6º) Verificações necessárias ASME-PCC : 44

54 Tensão de instalação dos estojos: O valor para Sg T deve ser definido pelo projetista. Será adotado, neste caso, 70% de Sg máx: Sg T = psi E pode-se definir a tensão de instalação dos estojos através da Equação (10): Ag Sb sel = Sg T nb Ab = , ,9289 Sb sel = psi Verificação dos limites do estojo, segundo as Equações (11) e (12): Sb sel = mín. ( ; ) Sb sel = psi Sb sel = máx. ( ; ) Sb sel = psi Verificação dos limites do flange: Limite de tensão, de acordo com a Equação (13), utilizando valor para Sf máx retirado da Tabela 15: Sb sel = mín. ( ; ) Sb sel = psi Limite de rotação, segundo a Equação (14), utilizando valor retirado da Tabela 17: ϴf máx = 0,58 Sb sel ( 1 0,58 ) ,21 Verificação da tensão de esmagamento (instalação), de acordo com a Equação (15): 101, , ,82 Verificação da tensão mínima de operação, como descrito na Equação (16): (3.900 x 101,32)+ (π 4 x 580,15 x 202 ) 0,7 x 0,9289 x ,21 Verificação do esmagamento máximo da junta, utilizando a Equação (17): 101,32 Sg sel , ,65 45

55 7º) Cálculo do torque para instalação da junta: De acordo com a Equação (18): Fb = Ab Sb sel = ,9289 = ,66 lbf = ,70 kgf Segundo a Equação (19): T = k Fb dp T = 0, ,70 1,25 0,0254 = 187,26 kgf. m = , 39 Nm = , 45 lb. ft 5.2 Exemplo 2 Tubulação de diâmetro comum e pressão baixa Dados do projeto: Setor de atuação: tubulação de vapor em planta industrial 1) Condições de operação: a) Fluido: vapor saturado b) Temperatura de operação: T op = 300 C = 572 F c) Pressão de operação P op = 10 kgf/cm² = 142 psi = 9,8 bar 2) Propriedades da tubulação: d) Material: aço carbono e) Diâmetro nominal: 4 = 101,6 mm 3) Dados do flange: a) Material: Aço carbono ASTM 105 classe 300# b) Tipo de face: Raised Face (RF) c) Tipo de acabamento da superfície de vedação: ranhurado concêntrico d) Rugosidade da superfície de vedação: 3,2 μm 4) Dados dos estojos: a) Número de estojos: 8 b) Diâmetro: ¾ pol = 19,05 mm c) Material: ASTM A193 B7 d) Área de raiz: 0,3019 pol² = 194,77 mm² e) Tensão de escoamento: psi f) Tensão admissível na temperatura de operação: Sb = psi g) Tensão admissível na temperatura de instalação (ambiente): Sa = psi h) Tensão mínima permissível nos estojos: S bmín = 0,3 105 = psi 46

56 i) Tensão máxima permissível nos estojos: S bmáx = 0,7 105 = psi 1º) Compatibilidade química: Verificar no catálogo do fabricante quais produtos são adequados ao fluido (vapor saturado). Segundo o Anexo 1, os produtos U60NA, NA1002, NA1060 e NA1100 se encontram adequados. No entanto, como nesta linha a possibilidade de ocorrência de ciclos térmicos é alta, foi selecionado o produto U60NA, pois apresenta melhor performance em aplicações de vapor saturado (VEIGA, 2014). 2º) Condições de operação O gráfico de aplicação do produto selecionado, U60NA, encontra-se na Figura 23. O ponto em que P = 9,8 bar e T = 300 C encontra-se na faixa recomendada. 3º) Dados da junta Definido o produto que será utilizado, deve-se reunir os dados do material para o procedimento de cálculo. A espessura da junta, segundo a Tabela 9, deverá ser de 1,6 mm. De acordo com a Tabela 21, no Anexo 3, os dados para o material são: Espessura: 1,6 mm Fator m : 2,6 Fator y : psi Sg máx: psi Sg mín-s: psi Sg mín-o: psi φg: 0,7 ϴg máx: 1,0 Devem ser determinadas também as dimensões da junta. Neste caso, segundo a norma ANSI B16.21: Deg = 6,88" = 174,75 mm Di = 4,5" = 114,30 mm Como o flange em questão é do tipo RF, o diâmetro externo da junta em contato com a superfície de vedação é igual ao diâmetro do ressalto: De = 6,19" = 157,23 mm E a área da junta em contato com a superfície de vedação é dada por: 47

57 Ag = (De2 Di 2 ) π 4 = 14,19 pol 2 = 9.154,82 mm² 4º) Projeto da junta - Instalação: Largura da junta em contato com o flange, de acordo com a Equação (1): N = De Di 2 = 6,19 4,5 Largura efetiva da junta, segundo as Equações (2) e (3): 2 = 0,845" b = 0,5 ( N 0,5 2 ) = 0,325" Diâmetro efetivo da junta, como descrito na Equação (4): G = (De 2 b) = (6,19 2 0,325) = 5,54" Força mínima de esmagamento da junta, segundo a Equação (6): Wm2 = π 0,325 5, = ,97 lbf 5º) Projeto da junta Operação: Força mínima de projeto em operação, segundo a Equação (5): Wm1 = π 5,54² ,325 π 5,54 2, Wm1 = 7.599,64 lbf Área dos estojos: De acordo com as Equações (7) e (8): Am1 = Wm1 Sb = 7.599,64 = 0,3040 pol² Am2 = Wm Sa = ,97 = 1,0182 pol² Am = 1,0182 pol² Logo, para garantir que os parafusos têm área suficiente para resistir aos esforços, segundo a Equação (9): nb Ab = 8 0,3019 = 2,42 pol² Am < Ab nb 6º) Verificações necessárias ASME-PCC : Tensão de instalação dos estojos: Segundo recomendado no código ASME, o valor de Sg T deve se situar próximo ao limite de tensão admissível da junta Sg máx. Desta forma, adota-se 70% de Sg máx: Sg T = psi 48

58 E pode-se definir a tensão de instalação desejada nos estojos através da Equação (10): Ag Sb sel = Sg T nb Ab = ,19 8 0,3019 Sb sel = ,49 psi Verificação dos limites do estojo, de acordo com as Equações (11) e (12): Sb sel = mín. ( ,49; ) Sb sel = Sb sel = máx. (31.500, ) Sb sel = psi Verificação dos limites do flange: Limite de tensão do flange, de acordo com a Equação (13) e valor de Sf máx retirado da Tabela 15: Sb sel = mín. (73.500, ) Sb sel = psi Limite de rotação do flange, de acordo com a Equação (14), utilizando valor ϴf máx retirado da Tabela 17: Sb sel ( 1 0,37 ) ,54 Verificação da tensão de esmagamento (instalação), segundo a Equação (15): 14, , ,48 Verificação da tensão mínima de operação, como descrito pela Equação (16): (3.900 x 14,19) + (π 4 x 142 x 4,52 ) 0,7 x 0,3019 x ,59 Verificação do esmagamento máximo da junta, segundo a Equação (17): 7º) Cálculo do torque para instalação da junta: De acordo com a equação (18): 14,19 Sb sel , ,27 Fb = Ab Sb sel = ,3019 = ,65 lbf = ,06 kgf Utilizando este resultado na Equação (19): 49

59 T = 0, ,06 ( 3 ) 0,0254 = 38,35 kgf. m = 376, 09 N. m = 277, 39 lb. ft Exemplo 3 Tubulação de diâmetro comum e pressão baixa Dados do projeto: Setor de atuação: tubulação de centro de distribuição de combustível 1) Condições de operação: a) Fluido: gasolina b) Temperatura de operação: T op = 25 C = 77 F c) Pressão de operação P op = 5,10 kgf/m² = 72,52 psi = 5,0 bar 1) Propriedades da tubulação: d) Material: aço carbono e) Diâmetro nominal: 12 = 304,80 mm 2) Dados do flange: a) Material: Aço carbono ASTM 182 classe 150# b) Tipo de face: Raised Face (RF) c) Tipo de acabamento da superfície de vedação: ranhurado concêntrico d) Rugosidade da superfície de vedação: 3,2 μm 3) Dados dos estojos: a) Número de estojos: 12 b) Diâmetro: 7/8 pol = 22,23 mm c) Material: ASTM A449 d) Área de raiz: 0,4192 pol² = 270,45 mm² e) Tensão de escoamento: psi f) Tensão admissível na temperatura de operação: Sb = psi g) Tensão admissível na temperatura de instalação (ambiente): Sa = psi h) Tensão mínima permissível nos estojos: Sb mín = psi i) Tensão máxima permissível nos estojos: Sb máx = psi 1º) Compatibilidade química: O catálogo do fabricante deve indicar quais produtos são compatíveis quimicamente com a gasolina. Segundo a Tabela 20, os produtos U60NA, NA1002, NA1040 e NA1100 são adequados. 50

60 2º) Condições de operação Como as condições de operação não são críticas, qualquer um dos produtos atende às necessidades. Será selecionado o produto NA º) Dados da junta A espessura da junta, segundo a Tabela 9, deverá ser de 3,2 mm. De acordo com a Tabela 21, os dados para o material são: Espessura: 3,2 mm Fator m : 2,0 Fator y : psi Sg máx: psi Sg mín-s: psi Sg mín-o: psi φg: 0,7 ϴg máx: 1,0 Devem ser conhecidas também as dimensões da junta, neste caso: Ag = (De2 Di 2 ) π 4 De = 15 = 381 mm Di = 12,76" = 324 mm = 48,92 pol 2 = ,23 mm² 4º) Projeto da junta - Instalação: Largura da junta em contato com o flange, segundo a Equação (1): N = De Di 2 = 15 12,76 2 = 2,24" Largura efetiva da junta, como descrito pelas Equações (2) e (3): b = 0,5 ( 2,24 2 ) 0,5 = 0,53" Diâmetro efetivo da junta, segundo a Equação (4): G = (De 2 b) = (15 2 0,53) = 13,94" Força mínima de esmagamento da junta, segundo a Equação (6): 5º) Projeto da junta Operação: Wm2 = π 0,53 13, = ,50 lbf Força mínima de projeto em operação, segundo a Equação (5): 51

61 Wm1 = π 13,94² 72, ,53 π 13, ,52 4 Wm1 = ,07 lbf Área requerida dos estojos: utilizando as Equações (7) e (8): E a área requerida é: Am1 = Wm1 Sb = ,07 = 0,7740 pol² Am2 = Wm Sa = ,50 = 3,5321 pol² Am = 3,5321 pol² Segundo a Equação (9): nb Ab = 12 0,4192 = 5,0304 pol² Am < Ab nb 6º) Verificações necessárias ASME-PCC : Tensão de instalação dos estojos: Segundo recomendado no código ASME, o valor de Sg T deve se situar próximo ao limite de tensão admissível da junta Sg máx. Desta forma, neste caso: Sg T = psi E pode-se definir a tensão de instalação dos estojos através da Equação (10): Ag Sb sel = Sg T nb Ab = , ,4192 Sb sel = ,22 psi Verificação dos limites do estojo, segundo as Equações (11) e (12): Sb sel = mín. ( ,22; ) Sb sel = Sb sel = máx. (64.400; ) Sb sel = psi Verificação dos limites do flange: Limite de tensão, segundo a Equação (13), utilizando valor de Sf máx de acordo com a Tabela 16: Sb sel = mín. (64.400; ) Sb sel = psi Limite de rotação, segundo a Equação (14), utilizando valor ϴf máx retirado da Tabela 18: Sb sel ( 1 0,79 ) 52

62 ,95 Verificação da tensão de esmagamento (instalação), segundo a Equação (15): 48, , ,61 Verificação da tensão mínima de operação, como descrito pela Equação (17): (3.500 x 48,92) + (π 4 x 72,52 x 12,762 ) 0,7 x 0,4192 x Verificação do esmagamento máximo da junta, de acordo com a Equação (17): 7º) Cálculo do torque para instalação da junta: De acordo com a equação (18): 48,92 Sb sel , ,22 Fb = Ab Sb sel = ,4192 = ,48 lbf = ,40 kgf Utilizando este resultado na Equação (19): T = k Fb dp T = 0, ,40 ( 7 ) 0,0254 = 54,43 kgf. m = 533, 78 N. m = 393, 70 lb. ft 8 53

63 6 Conclusões e Recomendações Foi possível utilizar as orientações de ambos os códigos ASME Boiler and Pressure Vessel Code e ASME PCC para projetar juntas em três casos diferentes, todos muito comuns no ramo industrial. Consultando catálogos e informações disponibilizadas por fabricantes de juntas, foi possível reunir todos os dados necessários ao projeto. As verificações do ASME-PCC se mostraram fundamentais para garantir que a tensão aplicada nos parafusos não se encontra fora das faixas limites dos materiais que compõem flanges, juntas e parafusos. Em alguns casos, foi necessário trabalhar com valores próximos aos limites superiores dos parafusos/estojos ou dos flanges. Visto que diversos fatores contribuem para a perda de aperto nos parafusos ao longo do tempo, não há problema em trabalhar próximo ao limite superior. Por outro lado, tensões pouco acima dos limites inferiores apresentam riscos de vazamentos e não devem ser utilizadas. As causas mais comuns de vazamentos em juntas estão divididas entre falhas de projeto e falhas de instalação. As falhas de projeto ocorrem principalmente por aperto insuficiente ou excessivo nos parafusos e equívocos na seleção do material e sua adequação ao flange. Quanto às falhas de instalação, é importante que o torque seja aplicado de forma controlada, selecionando ferramentas corretas e que seja garantido o uso de parafusos adequados, junto com a sua devida lubrificação. Deve-se tomar bastante cuidado, também, para que a junta seja instalada centralizada com os flanges, para que os esforços sejam distribuídos de forma homogênea sobre a área da junta. É importante mencionar também que juntas jamais devem ser reutilizadas. Após a retirada da junta para manutenção, uma nova junta deve ser instalada para que não ocorram acidentes. Como não existe norma para determinação das propriedades de juntas utilizadas neste trabalho, é recomendado que o projetista consulte o fabricante da junta sempre que houver dúvidas. No caso de ausência de dados, o ASME Boiler and Pressure Vessel Code sugere valores comuns para cada material. Fica a critério do projetista avaliar as seções críticas do projeto e, considerando ainda efeitos de perda de aperto durante a operação, vibrações e desgastes, garantir a aplicação de torques que mantenham a junta operando dentro dos limites máximos e mínimos. Fabricantes de juntas podem fornecer, também, tabelas com torques recomendados em função do diâmetro nominal do flange e dos parafusos em questão. Se este for o caso, o projetista deve seguir as recomendações do fabricante e não aplicar o procedimento de cálculo descrito. 54

64 7 Anexos 7.1 Anexo 1 Tabelas de Compatibilidade Química Tabela 20: Compatibilidade química dos papelões hidráulicos Teadit (Fonte: site Teadit) 55

65 7.2 Anexo 2 Gráficos de Pressão x Temperatura Figura 22: Gráfico pressão x temperatura de aplicação do produto NA1100. (Fonte: site Teadit) 56