A orientação sobre a espessura da junta para arruelas planas não metálicas está ausente na norma ASME B16.21. Selecionar a espessura adequada da junta para uma aplicação específica é um problema recorrente e difícil de responder de forma sucinta.
Assim, incentivamos os usuários, quando tiverem dúvidas sobre a seleção da espessura, a consultar os engenheiros de aplicação.
O artigo de hoje tem como objetivo elucidar por que esse problema é complexo, ao mesmo tempo que transmite conhecimentos relevantes sobre a aplicação para preparar os usuários para cenários potenciais.
Como engenheiros de aplicação de juntas, geralmente defendemos o uso de juntas mais finas sempre que possível.
Em certas situações, porém, é aconselhável uma junta mais espessa.
Esclareceremos isto: uma junta de 3,2 mm de espessura é necessária e totalmente aceitável para algumas condições operacionais comuns, incluindo as seguintes:
- Os flanges finos ficarão irregulares após o aperto dos parafusos, como cantoneiras de 6,4 mm de espessura ou flanges de placa de aço.
- Flanges de grande diâmetro, como aqueles em conformidade com o padrão AWWA (American Water Works Association), e vasos de pressão com 3 metros de diâmetro.
- Flanges de baixa pressão, face inteira e grande diâmetro com força de parafuso limitada.
- Flanges mais antigos que podem apresentar algum grau de corrosão, empenamento ou danos.
Um dos motivos pelos quais juntas grossas são usadas para flanges de baixa pressão e grande diâmetro é que esses flanges não possuem parafusos suficientes, principalmente porque a pressão interna é baixa, portanto, muitos parafusos não são necessários no projeto.
Parafusos limitados significam compressão limitada da junta; flanges finos implicam que o flange se deformará depois que os parafusos forem apertados, comprimindo as folgas entre os parafusos a um nível mínimo ou não. As juntas finas não têm compressão suficiente para compensar essas flanges irregulares.
Isto parece contradizer o nosso pensamento habitual. Se você observar nossa tensão de instalação recomendada, exigiremos maior tensão (carga) com um aumento na espessura da junta.
No entanto, em locais onde a carga é muito baixa, como flanges angulares de ferro, muitas vezes não há espessura de flange suficiente para fornecer o nivelamento e a vedação necessários para juntas finas.
Na maioria dos casos, esses flanges têm baixa pressão interna, portanto não há alto risco de explosão para juntas mais espessas.
Por exemplo, vamos considerar uma caixa de 66 flanges: a espessura do flange é de aproximadamente 6,4 mm, com 20 parafusos 5/8. Para um flange tão grande, o número e o tamanho dos parafusos são insuficientes.
O cliente perguntou sobre uma junta autoexpansível óleo-água de 1,6 mm para óleo sem pressão, mas uma escolha melhor seria uma junta de 3,2 mm de espessura, por dois motivos:
- Um espaçamento tão grande entre os parafusos resulta em cargas de compressão muito pequenas entre dois parafusos. Juntas finas não se adaptam bem a flanges empenados.
- Sem pressão interna, usar uma junta mais espessa não apresenta desvantagens ou inconvenientes, pois a junta não irá estourar.
Entretanto, para flanges projetados para pressões mais altas, a situação difere bastante. Esses flanges são muito mais grossos, o que normalmente permite manter o nivelamento, atingindo um nivelamento de 0,1 mm quando os parafusos são apertados.
Nesses casos, a abordagem mais fina é a mais adequada.
Existem inúmeras vantagens em usar juntas finas:
(1) Maior resistência à explosão devido a menor área exposta à pressão interna.
(2) Taxa de vazamento reduzida, também devido à menor área em contato com a pressão interna.
(3) Melhor retenção de torque em fixadores devido às propriedades de relaxamento de fluência mais baixas de juntas mais finas.
(4) Menor custo devido à menor utilização de material.
Embora quanto mais fina for a junta melhor “na medida do possível”, este princípio é o mais difícil de definir; usar juntas finas nem sempre é possível.
Juntas mais espessas são mais adequadas para flanges gravemente danificados ou empenados. A capacidade de uma junta preencher flanges irregulares é baseada na quantidade de compressão sob uma determinada carga. Esta taxa de compressão é expressa como uma percentagem da espessura original da junta.
Juntas mais espessas, com uma espessura original maior, também apresentam uma quantidade real de compressão maior. Para uma junta de 1,6 mm, uma taxa de compressão de 10% significa uma quantidade de compressão de 0,16 mm, enquanto uma junta de 3,2 mm comprimida a 10% tem uma quantidade de compressão de 0,32 mm.
Esta compressão adicional da junta significa que as juntas grossas podem preencher melhor arranhões ou buracos profundos do que as juntas finas.
No entanto, as vantagens de usar uma junta espessa podem ser enganosas. Independentemente disso, quando juntas mais espessas são usadas para vedar flanges mais defeituosas, elas podem causar mais problemas no futuro.
Juntas mais espessas resultam em maior relaxamento de fluência, o que significa que durante toda a vida útil da conexão do flange, os usuários podem precisar reapertar os parafusos para manter a compressão suficiente da junta.
Juntas mais espessas também podem levar a uma maior força de ruptura, agravada por um aumento da área em contato com a pressão interna, o que gera uma força total maior tentando empurrar a junta para fora do flange (força de ruptura).
(A unidade de pressão interna é MPa, e uma junta mais espessa parece “mais alta” na direção voltada para a pressão interna, o que significa uma área de superfície maior. A força maior resulta da pressão interna MPa multiplicada pela área maior.)
Por último, como todos os materiais da junta são um tanto permeáveis, o meio pode penetrar no corpo da junta. Juntas mais espessas criam canais de permeação maiores, resultando em uma maior taxa de vazamento.
Observe que o inverso também pode ocorrer. Se uma junta for muito fina para compensar as falhas no flange, o meio vazará em vez de vazar através do corpo da junta, e a taxa de vazamento poderá ser maior do que com uma junta espessa.
Flanges que exigem juntas mais espessas podem causar problemas que os fabricantes de juntas não podem controlar.
A melhor solução é usar ou projetar flanges que possam fornecer uma carga de compressão maior, manter uma boa condição da superfície do flange e usar juntas com espessura de 1,6 mm ou até 0,8 mm.
Ao projetar para usar juntas de folha sem amianto, os usuários devem considerar o uso de valores “M&Y” de espessura mais alta de 3,2 mm em seus cálculos de projeto, mas instalar uma junta de 1,6 mm de espessura. Estas recomendações eliminarão algumas das causas mais comuns de falhas nas conexões de flange.
Em casos especiais são necessárias arruelas com espessuras muito específicas. Existem inúmeras conexões de arruelas que exigem uma espessura específica de arruela. Para estes tipos de conexões é fundamental lembrar que a espessura final comprimida da arruela deve ser levada em consideração. Isso pode incluir os seguintes cenários:
Bombas divididas: A espessura final é crítica, pois afeta a folga entre ambos os lados da bomba. Essas bombas geralmente usam arruelas de compressão sem amianto de 0,4 mm.
Às vezes, os clientes exigem chapas metálicas com pequena tolerância de espessura e variação mínima de espessura. É importante lembrar que arruelas com grande compressão geralmente não são aplicáveis aqui, pois a espessura final é diferente.
Sistemas de tubulações de longa distância projetados para espessuras específicas de arruelas. Por exemplo, uma arruela espiral padrão, quando comprimida, mede aproximadamente 3,2 mm de espessura. Pode haver um problema de espaçamento em tubulações de longa distância se forem usadas arruelas mais finas, e há numerosos flanges em uma única tubulação, criando uma grande lacuna no último flange.
Arruelas usadas em ranhuras: Ao usar superfícies macho e fêmea ou flanges planos côncavos, a arruela deve preencher todo o espaço antes que o metal do flange entre em contato com outro metal. A espessura comprimida da arruela carregada deve ser calculada e deve exceder a folga criada após o contato do flange.
Por exemplo, se a ranhura tiver 3,2 mm de profundidade, a lingueta tiver 0,6 mm de altura, a espessura comprimida da arruela deve exceder 2,6 mm, caso contrário, os flanges entrarão em contato antes que a arruela esteja totalmente comprimida.
O tipo de material da arruela e a carga de compressão permitida também podem afetar a espessura da arruela que veda uma conexão de flange específica. De acordo com o teste padrão ASTM F36, arruelas com taxa de compressão mais alta não exigem a mesma espessura daquelas com taxa de compressão mais baixa, pois uma arruela comprimida mais facilmente não precisa ser tão espessa para acomodar defeitos de flange.
Sempre somos solicitados a vedar flanges defeituosos. Isto geralmente pode ser conseguido considerando cuidadosamente todas as variáveis das condições de aplicação ao escolher o tipo e a espessura do material da arruela.
No entanto, às vezes os defeitos do flange ou parafuso não são totalmente compensáveis pela arruela. Da mesma forma, a instalação adequada do sistema de conexão flangeada também é crucial.
