【Conhecimentos de vedação】Sistemas de conexão por junta e flange de parafuso

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Junta: A junta é uma peça de vedação individual que é colocada entre as superfícies de vedação de um par de flanges. Durante a instalação, uma força externa é aplicada à flange ao apertar os parafusos; essa força é transmitida à junta, fazendo com que ela sofra deformação por compressão. Partindo do conceito de energia, o trabalho realizado pela força externa sobre a junta, se não forem consideradas perdas de energia alguma, será totalmente convertido em energia de deformação, armazenada dentro da junta. Durante o funcionamento, a pressão do fluido de vedação faz com que as superfícies de vedação das flanges se separem. Assim, a carga sobre a junta de compressão é parcialmente eliminada. A energia de deformação armazenada na junta é liberada para ser utilizada como força motriz, ou seja, a junta libera sua energia. Se ainda houver energia de deformação armazenada, a junta e a superfície de vedação da flange permanecerão em contato, e a flange não sofrerá vazamentos. Portanto, a junta também é descrita como “um dispositivo que fica selado entre duas superfícies e armazena energia”. 1. I – Nos sistemas de conexão por parafusos e flanges, se for tecnicamente e economicamente viável, é possível criar superfícies de junção muito lisas e precisas entre as duas peças a serem conectadas. Essas superfícies são então unidas por meio de parafusos, de modo que permaneçam em contato constante. Nesse caso, não é necessário usar buchas entre as superfícies de junção. Esse tipo de conexão por parafusos é chamado de conexão por parafusos sem bucha (non-gasketed bolt joints). É amplamente utilizado em automóveis, aeronaves, estruturas de aço e equipamentos pesados. No entanto, devido às limitações na estrutura e no tamanho dos equipamentos, é difícil obter uma superfície de junção lisa e ideal durante o processamento e a instalação ； Em segundo lugar, a superfície de junção também pode sofrer corrosão ou desgaste com o tempo, tornando-se irregular. Portanto, é necessário instalar pastilhas entre essas superfícies de conexão, como elementos de transição, a fim de se obter um contato firme entre elas. Isso permite garantir a vedação necessária para a conexão. Em comparação com conexões feitas apenas com parafusos, esse método permite obter uma vedação eficaz com cargas menores nos parafusos. Essas conexões são chamadas de conexões por parafusos com pastilhas (gasketed bolt joints). Elas são as conexões removíveis mais utilizadas em tubulações sob pressão, recipientes pressurizados e equipamentos resistentes à pressão. Como os conectores geralmente utilizam um par de flanges, uma das extremidades dos flanges é conectada ao corpo do equipamento ou ao tubo, e os dois flanges são unidos entre si por meio de um conjunto de parafusos. Geralmente, esse tipo de conexão por parafusos é denominado conexão por flange com parafusos (bolted flanged connection, BFC) ou junta por flange com parafusos (bolted flanged joint, BFJ), como mostrado na Figura 3.18. Portanto, pode-se concluir que o BFC é um conjunto composto por elementos como flanges, parafusos e arruelas. As duas flanges podem ser do mesmo tipo e material, ou podem ser de tipos e/ou materiais diferentes; também é possível que uma delas seja uma tampa plana conectada por parafusos. Já as buchas são sempre feitas de materiais mais macios do que os usados para vedar as flanges. II. De acordo com o princípio de vedação, as conexões por flanges com parafusos podem ser divididas em duas categorias principais: o tipo flutuante (floating type, FL), que não envolve contato entre metais; e o tipo com contato entre metais (metal to metal contact, MMC). Como mostrado na Figura 3.19(a), na conexão por flange com parafusos flutuantes, a bucha é colocada entre as duas superfícies de encaixe dos flanges. Desde o momento em que os parafusos são apertados, não há nenhum contato entre as superfícies de encaixe dos flanges durante toda a vida útil da conexão. Portanto, a carga de aperto dos parafusos atua inteiramente sobre a bucha. Após a entrada em operação, a carga inicial na bucha aumenta ou diminui de acordo com as cargas externas aplicadas, e a distribuição da carga sobre a bucha também não é uniforme. Já a conexão por flanges de parafusos do tipo contato metal-metal (denominada “MMC”) pode utilizar os mesmos flanges utilizados nas conexões por flanges de parafusos do tipo flutuante. A diferença está no fato de que, nesse caso, alguns dispositivos de restrição à compressão são colocados na superfície de junção dos flanges, dentro do círculo central do parafuso. Esses dispositivos de restrição também podem fazer parte das buchas ou ser componentes separados, funcionando como limitadores. Ver Figura 3.19(b). Portanto, após a pré-apertagem do parafuso, ocorre um contato mecânico entre os metais das duas superfícies de junção da flange, ou entre o metal dessas superfícies de junção e o metal do limitador de compressão. Em comparação com o tipo flutuante, a principal característica das conexões por flange com parafusos do tipo MMC é que os parafusos devem ser submetidos a uma carga suficientemente alta, não apenas para garantir o contato entre os metais, mas também para assegurar que, sob qualquer carga externa aplicada, haja contato contínuo entre os metais durante todo o ciclo de vida da conexão. Dessa forma, a carga sobre as buchas também permanece constante e distribuída uniformemente ao redor. O dispositivo de limitação de compressão atua como suporte para cargas externas, proporcionando o melhor desempenho de vedação nas conexões por flange. Portanto, a principal diferença entre as conexões por parafusos de flange do tipo flutuante e do tipo MMC é que qualquer alteração nas condições do material de vedação não acarreta o risco de interferir na magnitude e na distribuição da carga sobre essa vedação. Essas interferências, como o peso próprio, a pressão dos fluidos, os momentos externos e as variações de temperatura, bem como suas flutuações, são transferidas para os parafusos e para as partes em contato mecânico. Em segundo lugar, a conexão por parafusos das flanges MMC também reduz o risco de fadiga ou afrouxamento dos parafusos devido à carga cíclica a que são submetidos. Além disso, ele também aumenta a rigidez da flange e reduz o ângulo de rotação dela. III. Cargas aplicadas nas conexões por parafusos e flanges Como mostrado na Figura 3.20, as cargas que atuam nas conexões por parafusos e flanges são as seguintes. ①Carga de pressão P: Pressão do meio que atua uniformemente, em direção radial, sobre a superfície interna da flange e sobre a superfície circular interna da junta. ②Carga nas extremidades W: Carga axial gerada pela pressão no meio presente nas extremidades da flange, que faz com que a flange se separe axialmente. ③Carga do parafuso F: força que estica o parafuso ao apertar a porca; essa força de reação é utilizada para comprimir a flange. ④Carga da junta G: Força de compressão exercida pela flange sobre a junta. A carga de compressão aplicada à junta é utilizada, em parte, para fazer com que o material da junta flua, preenchendo assim as cavidades e outras imperfeições na superfície de vedação da flange. A parte restante é usada para compensar as diferenças de expansão térmica entre a pressão interna, a flange e os parafusos, evitando assim que as superfícies de vedação se separem e causando vazamentos do meio de vedação. ⑤Força externa T e torque externo M: são as forças axiais externas ou (e) os torques aplicados à flange pelos equipamentos e tubulações conectados a ela. Geralmente, vazamentos nas juntas ocorrem devido à existência de canais de vazamento dentro da própria junta (vazamento interno), ou por meio de canais entre a superfície da junta e a superfície de vedação da flange (vazamento interfacial). Quando os parafusos da flange são apertados, as superfícies superior e inferior da junta são comprimidas, fazendo com que os canais de vazamento internos se fechem. Além disso, a deformação da superfície bloqueia os canais de vazamento na interface. Portanto, o tamanho e a distribuição da carga de aperto do parafuso ou da tensão de aperto das buchas são os fatores mais diretos e importantes que influenciam a capacidade de vedação das conexões por parafusos.