ABSORÇÃO DE FLUIDO EM SELOS ELASTOMÉRICOS

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1 ABSORÇÃO DE FLUIDO EM SELOS ELASTOMÉRICOS Artur F. F. da CRUZ 1*, Kleber M. L. da COSTA 2, Céliton S FERNANDES 3*, Ademir Oliveira da SILVA 4. 1*.Aluno do curso de Engenharia de Materiais da UFRN -Núcleo de Tecnologia Industrial - Laboratório de Materiais Complementares - Campus Universitário - Lagoa Nova CEP: Natal-RN -arturffc@hotmail.com; 2 Aluno do curso de Eng. Mecânica da UFRN - klebermatias@gmail.com; 3* Aluno de mestrado do Programa de Pós-Grad. Eng. Mec. UFRN - celitonn@pop.com.br; 4 Professor Doutor do Dep. Química UFRN, Grupo de Estudos de Tribologia GET-UFRN - ademiros@ufrnet.br. Fluid absorption in elastomeric seals Abstract: Tribological pairs elastomeric seal metallic rod are conceived to slide on a reciprocating motion constrained into a stuffing box to avoid fluid leakage. For this reason, elastomer volumetric changes constitute an important factor to sure the system functionality and so, the fluid absorption to which the seal is submitted, defined as swelling. Dimensional variations above certain limits tend to change the physical properties of the material of the seal. The measurement of the change in volume of seal is obtained by standard procedures that limit themselves to employ samples with predefined geometries, that restrict their direct application in seals, because seal geometries differ from standard samples. This work presents a comparative study among the procedure adopted for Brazilian Standard NBR 1147 and a new approach developed for the measurement of volumetric variation of seals utilizing specimens with similar geometries to elastomeric seal that integrates a stuffing box of a pumping unit of petroleum. Experimental results obtained by means of the two methods are discussed concerning the applicability of the new method to Polyurethane (PU) and Nitrile Butile Rubber (NBR) samples. Key-words: Elastomers; Leakage; Swelling; Tribology. Introdução O projeto de sistemas de vedação de bombas em poços de petróleo torna-se mais crítico à medida que a legislação ambiental coíbe vazamentos que levem a danos ambientais. Nesse escopo, a seleção dos selos tem migrado para um processo engenheirado e com um cunho científico, envolvendo numerosas variáveis. O material do selo necessita coexistir química e fisicamente com o fluido para garantir sua integridade física durante o serviço. Os materiais dos selos dinâmicos devem ser resistentes ao desgaste para garantir sua função durante sua vida especificada em projeto. Outras características desejáveis nas faixas de temperatura e pressão de serviço são (a) sua resistência à deformação permanente na direção do movimento, variáveis para cada poço de petróleo, (b) estabilidade termogravimétrica, (c) resistência à variação do volume, (d) custo de aquisição e substituição, em função da vida em serviço. Algumas dessas características são paradoxais, entretanto, em um selo dinâmico, pressão de contato elevada entre o selo, estático, e a superfície, móvel, resulta em uma boa estanqueidade às custas da majoração do atrito do sistema, que pode acelerar a taxa de desgaste do elastômero, da

2 haste metálica, ou de ambos. Uma redução nessa pressão de contato tende a aumentar a vida do selo, às custas de vazamento de fluido mesmo à pressão do fluido relativamente baixa (ERIKS, 22). Um fator importante a ser considerado no estudo do atrito entre o selo e a haste de bombeamento em movimento alternado ( reciprocating motion ), é a mudança no volume do elemento de vedação elastomérico. Após o contato do selo com algum líquido ou fluido gasoso, pode haver aumento ou diminuição do volume e essa variação é quase sempre acompanhada por uma mudança na dureza (ERIKS, 22). Em algumas aplicações estáticas, o aumento do volume do selo pode ser desejável, porém, para aplicações dinâmicas, um inchamento ( swelling ) de até 15 a 2% na maioria das vezes é tolerável, pois, valores mais altos aumentam o atrito e reduzem a resistência à abrasão fazendo com que o uso do selo torne-se impraticável, o que resulta em um desgaste prematuro do material. Uma redução do volume pode ser conseqüência do fluido em serviço que extrai algum plastificante da cadeia polimérica. A contração do selo é bem mais crítica que o inchamento, já que o selo não estará com uma compressão eficiente e o vazamento ocorrerá mais facilmente. Mais que 3 ou 4% de contração pode ser suficientemente crítico em aplicações dinâmicas. (ERIKS, 22). À luz destas premissas, este trabalho compara a variação volumétrica de corpos-de-prova com geometria retangular e anular para verificar a melhor opção para o estudo do inchamento de selos elastoméricos. Experimental Materiais e Técnicas A metodologia deste trabalho é baseada em (FERNANDES, 27). O Poliuretano (PU) e a Borracha Nitrílica (NBR) foram os dois elastômeros estudados, ambos porosos. O NBR é utilizado pela maior parte dos selos em caixas de vedação na extração de petróleo pelas unidades de bombeio. A utilização de PU é mais rara nesse tipo de aplicação, porém, o mesmo foi adotado como material comparativo por apresentar uma boa resistência à abrasão, mas com variação de volume questionável. A técnica adotada para medida do inchamento foi baseada na Norma Brasileira NBR-1147, que quantifica as alterações de propriedades físicas sob o efeito da imersão em líquidos padrões em elastômeros vulcanizados. Essa Norma adota corpos-de-prova com geometria linear (sólido retangular). No presente estudo foram adicionados corpos-de-prova em formato anular, com volume inicial distinto do padrão, Figura 1, a fim verificar a viabilidade da imersão do selo diretamente em

3 líquido padrão. O líquido padrão adotado para a imersão foi o tolueno e o tempo da imersão foi de 24 horas. Figura 1 Formas e dimensões dos corpos-de-prova (em mm) Procedimento experimental Para cada material, seis corpos-de-prova foram confeccionados, sendo três com forma sólido retangular e três com forma sólido anular, que foram colocados em um tubo de vidro borossilicato contendo 1ml do tolueno (Figura 2). Figura 2 Corpos-de-prova submersos em tolueno. O período de imersão foi de 24 horas, à temperatura ambiente (entre 26 e 3 C) e à pressão atmosférica ao nível do mar. Para medidas dimensionais dos corpos-de-prova, antes e após a imersão em fluido, foram utilizados um paquímetro e um micrômetro (Figura 3), ambos com uma resolução de 1 m. Para execução dos cálculos da variação dimensional, foram usadas as equações (1) e (2). Foram realizadas três medições para cada dimensão dos corpos-de-prova e, em seguida, calculou-se a média.

4 Figura 3 Procedimentos de medição L L L % 1 (1) L Onde: L = variação de comprimento, % L = comprimento inicial do corpo-de-prova. mm L = comprimento do corpo-de-prova após a imersão, mm. A etapa seguinte foi o cálculo da variação percentual da largura, W, e da espessura, t. Possibilitando assim o cálculo da variação de volume do corpo-de-prova sólido retangular. D D D % 1 (2) D Onde: D = variação do diâmetro externo, % D = diâmetro externo inicial do corpo-de-prova, mm D = diâmetro externo do corpo-de-prova após a imersão, mm. Calculou-se a variação percentual do diâmetro interno, d, e da espessura, t. A partir de então foi calculada a variação volumétrica do corpo-de-prova sólido anular. Resultados e Discussão Decorridas 24 horas da imersão em tolueno, foi percebida uma variação dimensional considerável de todos os corpos-de-prova (Figuras 4 e 5).

5 Figura 4 Corpos-de-prova em formato sólido anular comparados entre si, como adquiridos. e após imersão em tolueno. Poliuretano e NBR respectivamente. Figura 5 - Corpos-de-prova em formato sólido retangular comparados entre si, como adquiridos e após imersão em tolueno. Poliuretano e NBR respectivamente. Os cálculos foram feitos relativos às alterações dimensionais e consequentemente foi calculada também a variação do volume em porcentagem (Figura 6). Amostras anulares NBR PU Amostras retangulares VARIAÇÃO DO VOLUME (%) Figura 6 Resultados da variação do volume

6 As Figuras 7 e 8 relacionam diferenças volumétricas (V%) entre as duas geometrias de um mesmo material, antes e após o ensaio de imersão em tolueno, respectivamente. A diferença entre os volumes após a imersão é consideravelmente menor do que antes, ou seja, existe uma influência da geometria dos corpos-de-prova nos ensaios de absorção de fluido. Percebe-se, também, que o corpo-de-prova com geometria anular apresentou uma maior variação dimensional. E esta é a geometria usada na maioria dos selos em estudo. 9 VOLUME ANTES DA IMERSÃO (mm 3 ) V = 28% Forma anular Forma retangular V = 21% PU Figura 7 Diferença de volume antes da imersão NBR VOLUME APÓS A IMERSÃO (mm 3 ) V = 2% Forma anular Forma retangular V =6% PU NBR Figura 8 Diferença de volume após a imersão

7 A Figura 9 mostrou que o corpo-de-prova anular feito de PU aumentou seu volume 25% mais do que o corpo-de-prova retangular. Para os corpos-de-prova feitos de NBR, tal diferença foi em torno de 3% maior do que o anular Retangular Anular 3% VARIAÇÃO DE VOLUME (mm 3 ) % PU NBR Figura 9 Variação do volume Conclusões Os ensaios demonstraram que, pelas circunstâncias apresentadas neste trabalho: 1. o método para a quantificação do inchamento usando corpos-de-prova de geometria retangular, como prescritos na Norma Brasileira, não representam a real variação no volume de um selo elastomérico, devido à variação do volume em corpos-de-prova de geometria anular ser consideravelmente maior do que nos corpos-de-prova retangulares; 2. para alguns elastômeros (o PU, por exemplo), a medida do inchamento em selos com geometria anular, tornam-se mais representativos, desde que sejam adotados corpos-de-prova com geometria aproximada do selo. Agradecimentos Os autores agradecem à Petrobras S.A., ao Prof. João Telésforo Nóbrega de Medeiros, Coordenador do GET (Grupo de Estudos de Tribologia da UFRN) e ao PPGEM (Programa de Pós-Graduação na Engenharia Mecânica da UFRN), por patrocinar este projeto e fornecer o auxílio financeiro para a sua execução. Referências Bibliográficas 1. ASTM D 471, Standard Test Method for Rubber Property Effect of liquids, by 26.

8 2. ERIKS, Sealing Elements. Precision O-ring Technical Manual. Publication number: 25416, by 22, < 3. NBR 1147, ELASTÔMEROS VULCANIZADOS - Determinação das alterações das propriedades físicas, por efeito de imersão em líquidos. Dezembro de FERNANDES, Céliton S. - Influência do inchamento (swelling) de selos elastoméricos em vazamentos de fluido de bombeio. Dissertação de mestrado em elaboração. Natal, PPGEM- UFRN, 27.