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No início dos anos 80, novos materiais à base de carbono começaram a se desenvolver rapidamente. Eles desempenham um papel crucial em muitas áreas da produção industrial e são considerados os materiais com maior potencial de pesquisa no campo da ciência dos materiais no século XXI. Existem quatro categorias comuns de materiais de carbono: (1) produtos feitos de carbono ； ⑵Pastas de carbono ； ⑶Produtos de grafite ； ⑷Produtos de grafite especiais. Esses materiais possuem, ao mesmo tempo, as propriedades especiais dos materiais cerâmicos, metálicos e poliméricos. Do ponto de vista macroscópico, eles podem ter estruturas de tipo fibroso, granular, membranoso ou em blocos (a maioria é densa, enquanto poucos são porosos, como os blocos de grafite expandido). Assim, eles apresentam diversas propriedades especiais, devido às suas estruturas de baixa dimensão, bidimensionais ou tridimensionais. Com o progresso e o desenvolvimento da tecnologia, o setor industrial moderno exige dos materiais requisitos cada vez mais rigorosos, tais como: resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão, baixo peso, resistência à oxidação, boas propriedades mecânicas e alta estabilidade. Os materiais de carbono poroso são aqueles que possuem diferentes estruturas de microporos. O diâmetro desses poros pode variar desde nanômetros, em casos de poros extremamente pequenos, até milímetros, em casos de poros suficientemente grandes para permitir o crescimento e a atividade de microrganismos. Essa estrutura microscópica única confere a esses materiais propriedades especiais, superiores às dos outros materiais. Além disso, os métodos de fabricação dos materiais de carbono poroso são extremamente simples: basta usar carvão, cascas de coco, asfalto, entre outros, como precursores, e aplicar métodos físicos e químicos de ativação para transformá-los em materiais de carbono ricos em poros. Por isso, eles têm uma ampla gama de aplicações. Na produção industrial, os materiais de carbono poroso são frequentemente utilizados como agentes ativadores e suportes para adsorventes, sendo amplamente aplicados em áreas como separação por adsorção, blindagem eletromagnética e vedação. A grafite expandida, também conhecida como grafite flexível, é um material de grafite macio, com estrutura microscópica semelhante à de um verme. Ela é obtida a partir de lâminas de grafite natural, que são submetidas a um processo de oxidação e, em seguida, à expansão em altas temperaturas. Sua aparência e a estrutura de suas porosidades na superfície podem ser vistas nas imagens SEM mostradas nas Figuras 1-1 e 1-2. Foi desenvolvido pela primeira vez em 1963 pela empresa americana United Carbonic Corporation (UCC). Sua produção começou em 1968, e o produto foi lançado no mercado em 1970. Portanto, tem apenas algumas décadas de existência até hoje. Embora a pesquisa sobre algumas de suas características ainda esteja em fase inicial, e seu potencial de aplicação ainda não tenha sido totalmente explorado, desde que foi desenvolvido, ele já despertou grande interesse entre os pesquisadores. Países de todo o mundo competem para investir na pesquisa e no desenvolvimento do grafite expandido. Nosso país começou a pesquisar, produzir e utilizar materiais de grafite expandido em 1978. No entanto, tanto em termos técnicos quanto teóricos, ainda há uma grande diferença em relação aos países estrangeiros. As pesquisas realizadas visam principalmente melhorar a estrutura e as propriedades do grafite expandido. Com o aceleramento do processo de industrialização do nosso país, certamente haverá um ambiente mais favorável para a pesquisa sistemática e a produção em larga escala de grafite expandido. A grafite expandida é um produto feito de grafite de alta pureza. A grafite natural pertence ao sistema cristalino hexagonal; seus cristais têm formato de placas ou folhas hexagonais. Os aglomerados de grafite têm estrutura em camadas, com ligações covalentes entre os átomos de carbono dentro da mesma camada (chamada direção α). A energia dessas ligações é de 586 KJ/mol. Já entre as camadas (na direção perpendicular a α, chamada direção c), as ligações são fracas, sendo de tipo forças de Van der Waals, com energia de ligação de 16,7 KJ/mol. Essa disposição tridimensional em camadas faz com que haja diferenças na estrutura entre as direções das camadas e entre elas mesmas. Isso faz com que os cristais de grafite tenham propriedades anisotrópicas, como nas propriedades elétricas, térmicas e mecânicas. Portanto, a estrutura policristalina do grafite expandido também possui essa característica anisotrópica, que deve ser levada em consideração na análise. A estrutura especial, porosa e solta do grafite expandido, confere a ele uma alta capacidade de compressão e elasticidade, tornando-o um novo material de vedação cada vez mais popular. Ele é amplamente utilizado para fins de vedação em diversos dispositivos mecânicos, tanto em condições dinâmicas quanto estáticas. Especialmente nos países desenvolvidos, a proibição gradual do amianto, que é um material de vedação cancerígeno, a partir dos anos 90, acelerou o uso do grafite expandido como material de vedação. Em cinco anos, nosso país adquiriu três linhas de produção dos Estados Unidos e do Japão, a fim de pesquisar e produzir esse novo tipo de material de vedação. No entanto, devido ao alto teor de enxofre e volatilidade do grafite expandido produzido, além da baixa resistência e dos processos de produção obsoletos, o produto não tem grande competitividade no mercado internacional. Para superar suas desvantagens, como a baixa resistência e a tendência à oxidação no ar, o mundo todo está pesquisando novos métodos de preparo, além de desenvolver produtos compostos com grafite expandido. O grafite expandido é combinado com adesivos como HB03 (ou seus sais), H3PO4 (ou seus sais), siliconas orgânicas e resinas. Além disso, alguns materiais são imersos em ácido perclórico (ou BaMoO3) ou fluoreto de tetrafluoreto, a fim de melhorar sua resistência à oxidação em altas temperaturas e suas propriedades lubrificantes. Aplicação e desenvolvimento das propriedades de vedação do grafite expandido. No final da década de 1960, a empresa americana Union Carbide utilizou grafite expandido como material de vedação, dando origem à segunda geração de materiais de vedação. Em 1971, o Centro de Projeto de Válvulas da Rockwell, nos Estados Unidos, com o objetivo de resolver os problemas de vazamento nas válvulas utilizadas na energia nuclear, realizou estudos comparativos em 64 locais diferentes, analisando as diversas estruturas de vedação produzidas por nove empresas do país. Os resultados mostraram que o material de grafite expandido oferece o melhor desempenho em termos de vedação. Por isso, alguns países desenvolvidos, como EUA, Japão e França, realizaram pesquisas mais aprofundadas sobre esse tipo de material de vedação. Isso acelerou o desenvolvimento do grafite expandido como material de vedação, fazendo com que esse novo material de carbono poroso, eficiente e econômico, se tornasse um material de vedação muito procurado em todo o mundo. A partir de 1978, nosso país começou a pesquisar materiais de grafite expandido e seus produtos compostos. Nos últimos anos, houve um rápido desenvolvimento nessa área. Huang Zhuoming e outros estudaram a aplicação da grafite flexível em vedações dinâmicas de bombas. Eles demonstraram que as vedações feitas com grafite flexível são superiores às vedações feitas com tecidos impregnados em óleo, anéis de amianto e anéis de borracha. Além disso, a grafite flexível é resistente à corrosão em soluções alcalinas, ácido sulfúrico diluído, ácido sulfúrico concentrado e solventes orgânicos, além de possuir boa estabilidade química ； Jiang Fang realizou estudos sobre a distribuição da pressão do fluido no selo feito com grafite expandido. Ele constatou que a quantidade, a estrutura, o tamanho e a rigidez dos anéis de vedação influenciam a curva de distribuição da pressão de vazamento do fluido. Além disso, ele sugeriu que a utilização de anéis de vedação com densidades diferentes, mas das mesmas especificações, dentro do mesmo invólucro de vedação, pode ajudar a obter uma distribuição mais adequada da pressão de vazamento do fluido ； Gu Boqin e outros realizaram pesquisas sobre as propriedades em altas temperaturas das juntas de revestimento feitas de grafite flexível e aço inoxidável. Os resultados dos experimentos mostraram que a quantidade de compressão aumenta à medida que a temperatura e a tensão de compressão da junta aumentam. Além disso, a capacidade de resiliência da junta diminui com o aumento da temperatura. A curva de compressão e resiliência é não linear e não conservativa. Essas juntas são compostas por materiais metálicos e não metálicos, e ocorre deformação por fluência mesmo em temperaturas normais; a quantidade de deformação por fluência aumenta com o aumento da temperatura ； Zhou Tingnian e outros utilizaram grafite expandido impregnado com solução aquosa de sacarose, submetendo-o a altas temperaturas para conseguir a carbonização entre as camadas do grafite. Isso melhorou as propriedades de compressão do material de grafite expandido. Além disso, foi proposto que esse material carbonizado pudesse ser usado como matriz para a criação de compósitos estruturais com fios de aço inoxidável, o que permitiria aumentar a resistência à tração em cerca de 40% ； Após vários anos de pesquisa, a Henan Metallurgical Equipment Joint Venture alcançou novos avanços na tecnologia de selos planares feitos de grafite expandido. Isso aumentou a confiabilidade dos selos e permitiu a substituição dos materiais utilizados para selagem em altas temperaturas, o que contribuiu para aumentar a produção e reduzir custos. Como um novo tipo de material de carbono funcional, a grafite expandida (Expanded Graphite, abreviado como EG) é uma substância porosa e em forma de verme, obtida a partir de lâminas de grafite natural, por meio de processos de intercalação, lavagem, secagem e expansão em altas temperaturas. Além das excelentes propriedades do grafite natural, como resistência a altas e baixas temperaturas, resistência à corrosão e capacidade de autolubrificação, o EG possui também características que o grafite natural não tem, como flexibilidade, capacidade de recuperação após compressão, capacidade de adsorção, compatibilidade com o ambiente ecológico, biocompatibilidade e resistência às radiações. Já no início da década de 1860, Brodie descobriu o grafite expandido ao fazer reagir grafite natural com reagentes químicos como sulfúrico e nítrico, sob aquecimento. No entanto, sua aplicação só começou a ser utilizada um século depois. Desde então, muitas instituições iniciaram pesquisas e desenvolvimentos relacionados ao grafite expandido, alcançando importantes avanços científicos. Desde que o método de preparação do grafite expandido foi desenvolvido pela primeira vez em 1963 pela empresa americana United Carbon Corporation (UCC), o grafite expandido tem recebido grande atenção por parte de estudiosos de todo o mundo, devido às suas excelentes propriedades. Para que essas propriedades possam ser maximizadas, os métodos de preparação também foram aprimorados ao longo do tempo. Os processos de produção tornaram-se cada vez mais simples, e a poluição gerada durante o processo diminuiu significativamente. Atualmente, há um esforço para desenvolver métodos de produção que sejam livres de poluição, sem enxofre e com alta resistência. A seguir, é apresentada uma breve descrição de alguns dos métodos de preparo mais comuns: (1) Método de oxidação química. O método de oxidação química é o método tradicional utilizado na produção industrial para sintetizar grafite expansível. Quando a temperatura de aquecimento atinge cerca de 100°C, o oxidante é misturado com ácido sulfúrico concentrado em uma proporção específica, formando assim um líquido oxidante. O grafite em forma de escamas naturais é imerso nesse líquido, de modo que os íons sulfato presentes no líquido se inserem entre as camadas de grafite e se combinam com os átomos de carbono que foram oxidados. Após uma certa quantidade de tempo de reação, o material é lavado e secado, resultando em grafite expansível. Por fim, após ser submetido a altas temperaturas, obtém-se o grafite verdadeiramente expansível. Porém, ao aplicar este método, é necessário prestar atenção ao tempo de imersão, à proporção entre o oxidante e o agente de intercalação, à quantidade de oxidante utilizada, bem como à temperatura empregada durante a expansão. Todas essas condições técnicas afetam o resultado da expansão. Por exemplo: se a quantidade de oxidante utilizado for insuficiente, isso causará uma reação insuficiente entre as camadas de grafite, impedindo que se atinja o grau de oxidação necessário para uma expansão completa. Por outro lado, se a quantidade de oxidante for excessiva, isso levará à oxidação excessiva do grafite, o que também impedirá o efeito de expansão desejado. A equação de reação desse método é: (2) Método eletroquímico. A Universidade de Tsinghua e a fábrica Guanghua Chemical em Nangong utilizam o método eletroquímico para produzir grafite expansível. Isso não só reduz os custos de produção e a poluição ambiental, mas também melhora a qualidade do produto. Esse método consiste em combinar o material do ânodo auxiliar selecionado com grafite, formando assim uma câmara de ânodo. Em seguida, essa mistura é imersa em um eletrólito que contém agentes intercalantes. É aplicada uma corrente elétrica de intensidade adequada, e, após um certo período de tempo, a mistura é oxidada. Depois disso, ela é lavada e secada para se obter grafite expansível. Por fim, esse grafite expansível é submetido a altas temperaturas para se obter o material final. O grafite expandido produzido por esse método geralmente possui baixo teor de enxofre. Não é necessário adicionar outros oxidantes; basta ajustar parâmetros eletroquímicos como a corrente e a tensão para controlar o andamento da reação. A simplicidade e facilidade de controle desse método tornam possível a síntese em grande escala do grafite expandido. No entanto, ele também tem suas desvantagens. Por exemplo, o tempo necessário para a reação é maior, e os custos também são mais elevados. (3) O método de substituição do líquido de imersão, conforme mostrado na equação de reação (1-1), indica que o grafite expandido obtido pelo processo tradicional, ou seja, pelo método de oxidação química, possui um teor elevado de enxofre. O teor de enxofre afeta a vida útil do material; portanto, é necessário reduzir ao máximo o teor de enxofre no material. Dun Huijuan e seus colegas mergulham o material de grafite expansível, produzido por meio de processos tradicionais, em uma solução obtida a partir da mistura de oxalato e nitrato. Nessa reação, parte dos íons de oxalato e das moléculas de oxalato se inserem entre as camadas de grafite, substituindo parte dos íons de sulfato e das moléculas de sulfato. Dessa forma, **diminui-se o teor de enxofre no material de grafite expansível**. (4) Adição de inserentes não ácidos fortes: Os inserentes não ácidos fortes podem entrar entre as camadas de grafite e substituir parcialmente o sulfato, reduzindo assim o teor de enxofre no grafite expansível. Wang Shenmin e colaboradores utilizaram uma pequena quantidade de ácido sulfúrico concentrado e peróxido de potássio como oxidantes, além de uma pequena quantidade de cloreto de ferro como agente de inserção. Eles encontraram condições ideais para a produção de grafite expansível com baixo teor de enxofre. O processo de produção é simples, a velocidade de reação é alta, e há pouco impacto ambiental. Além disso, as propriedades mecânicas, a taxa de perda de massa por calor e o teor de enxofre são superiores aos dos produtos similares disponíveis no mercado nacional e internacional. Song Keming e colaboradores prepararam grafite expansível sem enxofre, utilizando peróxido de potássio como agente oxidante, e uma mistura de ácido sulfúrico concentrado e ácido propiónico como agente de inserção. F. Kang sintetizou grafite expansível sem enxofre em solução de ácido fórmico. Esse grafite expansível contém apenas elementos como carbono, hidrogênio e oxigênio entre suas camadas; após a expansão, torna-se praticamente uma substância puramente carbonada. Este método oferece uma maneira viável de produzir grafite flexível, de alta pureza e sem propriedades corrosivas. As propriedades do grafite expandido são resultado do tratamento químico das escamas de grafite natural, que é posteriormente modificado por expansão instantânea em altas temperaturas. Além de possuir as excelentes propriedades químicas do grafite natural, ele também apresenta diversas propriedades mecânicas únicas. É, portanto, um material de vedação ideal, com ampla aplicabilidade e boas propriedades de vedação. As principais características de desempenho são as seguintes: (1) Densidade: As escamas de grafite, após sofrerem expansão em altas temperaturas, formam um grafite expandido com uma estrutura microscópica porosa e solta. Sua densidade de compactação é, em geral, de 0,002 a 0,005 g/cm³, enquanto a densidade do produto final fica entre 0,8 e 1,8 g/cm³. Por isso, sua massa é menor e sua plasticidade é maior ； (2) Pureza: Nos produtos feitos de grafite expandido, o teor de carbono é o mais elevado. O teor de carbono fixo pode chegar a cerca de 98%. Em alguns materiais de grafite expandido submetidos a tratamentos especiais, o teor de carbono pode ultrapassar 99%, o que permite atender às exigências de alta pureza dos selantes em diversos setores industriais. (3) Estabilidade: Teoricamente, os produtos feitos de grafite expandido podem ser utilizados entre -200°C e 3000°C. Como material de vedação, podem ser usados com segurança entre -200°C e 800°C. Garante que, em baixas temperaturas, não haja fragilização ou envelhecimento, e que, em altas temperaturas, não haja amolecimento, deformação ou decomposição. Além disso, o grafite expandido possui um menor coeficiente de expansão térmica, o que lhe confere maior estabilidade, permitindo que ele mantenha uma boa vedação mesmo em condições de altas temperaturas ou mudanças bruscas de temperatura. (4) Resistência à radiação: Não sofre alterações significativas após exposição prolongada a raios neutros, raios gama, raios alfa, raios beta, entre outros. (5) Impermeabilidade: Sua estrutura especial, porosa e porosa, confere-lhe uma grande área de superfície, o que permite a formação de camadas muito finas de gás ou líquido, impedindo assim a penetração do meio. Portanto, possui boa impermeabilidade em relação a muitos gases e líquidos. (6) Autolubrificação: o grafite expandido mantém a estrutura em camadas planares das escamas de grafite natural. Sob a ação de forças externas, essas camadas podem deslizar umas em relação às outras, gerando autolubrificação e evitando assim o desgaste do eixo ou do vástulo da válvula. (7) Resistência à corrosão: A grafite expandida possui uma inércia química estável. Com exceção de agentes oxidantes fortes, como água régia, nítrico, sulfúrico e halogênios, ela consegue suportar a maioria das soluções ácidas, alcalinas e salinas, água do mar, vapor e solventes orgânicos. (8) Compressibilidade e resiliência: Os produtos feitos de grafite expandido possuem, em nível microscópico, muitos pequenos espaços vazios que podem ser comprimidos sob a ação de forças externas. Além disso, devido à tensão gerada pelo ar presente nesses pequenos espaços, esses materiais possuem uma excelente capacidade de resiliência. (9) Flexibilidade: A grafite expandida é leve e flexível, sendo fácil de processar. Pode ser cortada com ferramentas comuns, além de poder ser enrolada ou dobrada de qualquer maneira, permitindo a criação de diversas formas finais. Pesquisa e desenvolvimento do grafite expansivo e de seus materiais de vedação compostos. O grafite expansivo é obtido a partir do grafite natural, por meio de processos físico-químicos específicos. Sua estrutura cristalina microscópica é semelhante à do grafite comum; portanto, possui todas as propriedades do grafite. Além disso, possui uma grande área superficial e alta atividade superficial. Não é necessário adicionar nenhum agente de ligação, nem realizar sinterização em altas temperaturas para que possa ser moldado. As partículas de grafite expandido são colocadas em um dispositivo sob pressão, a fim de serem compactadas em folhas ou fitas alongadas. Em seguida, essas folhas ou fitas de grafite expandido são enroladas e moldadas sob pressão em um molde. Dessa forma, é possível criar diversos tipos de componentes para vedação mecânica, como caixas feitas de grafite flexível, anéis de preenchimento de grafite flexível, materiais compostos de grafite expandido para uso em vedações, entre outros. Além disso, o grafite expandido também pode ser utilizado para fabricar placas ou equipamentos feitos de grafite. No entanto, devido à desvantagem de sua baixa resistência mecânica, o grafite expandido encontra certas limitações em algumas áreas de aplicação, o que acelerou o desenvolvimento de seus compósitos. À medida que os países ao redor do mundo impõem restrições cada vez mais rigorosas aos materiais de vedação que contêm amianto, o grafite expandido e seus materiais de vedação compostos, por serem materiais sem amianto com excelentes propriedades, ganham grande importância e perspectivas de desenvolvimento, atraindo cada vez mais atenção. A aplicação do grafite expandido e de seus compósitos em sistemas de vedação se deve às propriedades do próprio grafite expandido, como resistência a altas e baixas temperaturas, resistência à corrosão, impermeabilidade e excelente capacidade de recuperação após compressão. Por isso, ele é amplamente utilizado em vários tipos de sistemas de vedação, tanto dinâmicos quanto estáticos. Os selos feitos de grafite flexível, anéis de grafite flexível, materiais de preenchimento feitos de grafite flexível, bem como diversos compostos de grafite flexível, são amplamente utilizados em sistemas de vedação elástica e não elástica em diversas aplicações. Por exemplo, as vedações de alta temperatura para tubulações, válvulas e flanges de equipamentos em diversos fornos da indústria metalúrgica ； Vedantes resistentes à corrosão e vedantes resistentes à radiação nas indústrias de máquinas, eletrônica, química, aeroespacial, nuclear, petróleo e produtos químicos ； Vedação de longa duração para motores a combustão interna ferroviários, automóveis e vários tipos de juntas de cilindro de motores a combustão interna, bem como juntas para tubulações de admissão e escape. Os produtos feitos de grafite expandido que são comuns no mercado atual são mostrados na figura abaixo. As formas mais comuns de grafite expandido e de seus compósitos são as seguintes: (1) Juntas de vedação – O grafite expandido pode ser utilizado como junta de vedação estática, podendo ser fabricado a partir de folhas metálicas ou por meio de processos de moldagem. Sua produção é bastante simples. Como um tipo de junta selante não à base de amianto amplamente utilizado atualmente, tanto as juntas de grafite puramente flexíveis quanto as juntas compostas conseguem oferecer um bom desempenho na função de selagem. Podem ser utilizadas em grande variedade de aplicações, como em conexões por flange em tubulações, válvulas, recipientes sob pressão e bombas, para proporcionar um selamento eficaz. (2) Junta de revestimento de grafite expandido: A junta de revestimento de grafite expandido é um tipo de junta de vedação composta, formada pela sobreposição alternada de fitas de grafite flexível e fitas metálicas em formato V ou W. Possui excelente resistência a altas e baixas temperaturas, além de boa resistência à corrosão. Seu desempenho como material de vedação é excelente em condições de alta temperatura e pressão. Foram realizados muitos estudos experimentais sobre esse material, mas há poucos estudos relacionados à simulação numérica. Por isso, este artigo foca no estudo do desempenho desse tipo de junta composta em diferentes condições operacionais. (3) Recheios de grafite flexível: Os recheios de grafite flexível são formados a partir da enrolagem do grafite flexível ao redor de um núcleo, por meio de processo de prensagem. Atualmente, existem muitos tipos de estruturas para esses recheios no mercado, como anéis de grafite flexível, juntas de grafite flexível, almofadas de grafite e juntas de grafite reforçado. Eles são amplamente utilizados em sistemas de vedação estática e dinâmica em diversos setores industriais. O material de preenchimento feito de grafite flexível é um composto formado por fibras que servem de estrutura, combinadas com uma camada externa feita de fios de grafite flexível. Ele mantém, em grande medida, as propriedades originais do grafite expandido: não é afetado por ácidos ou bases. Além disso, possui alta resistência à tração, bom desempenho sob compressão e boa capacidade de condução térmica. É fácil de instalar e remover, sendo assim o material de vedação ideal para uso em turbinas a alta temperatura e pressão, bem como em equipamentos de refino de petróleo, entre outros setores industriais. A preparação e moldagem de materiais compósitos com grafite expandido: as excepcionais propriedades do grafite expandido fazem com que ele seja muito apreciado pelos pesquisadores. No entanto, algumas de suas desvantagens, que não podem ser ignoradas, também limitam seu uso em uma ampla gama de aplicações. Por exemplo, a estrutura especial e porosa do grafite expandido faz com que ele tenha uma certa capacidade de absorver água e óleo. Se o grafite expandido puro for utilizado como material de vedação para os componentes do motor de um carro, isso causará vazamentos graves devido à absorção de água e óleo ； A grafite expandida é obtida a partir da transformação do grafite natural em altas temperaturas. As forças que mantêm suas estruturas unidas são apenas as fracas forças de van der Waals, por isso sua resistência é baixa ； Tem baixa resistência ao desgaste e não resiste à erosão; portanto, não pode ser usado diretamente como material de vedação para determinados componentes ou válvulas. Portanto, a busca por compósitos de grafite flexível tornou-se a principal direção dos pesquisadores nacionais e internacionais que estudam o grafite expansivo. Já foram feitos grandes avanços nessa área. Os materiais compósitos de metal e grafite expandido possuem muitas das vantagens dos materiais metálicos tradicionais: boa plasticidade, resistência, capacidade de conexão entre as partes e resistência ao desgaste. Além disso, possuem alta rigidez e boa resistência ao impacto, o que os torna ideais para compensar algumas das fraquezas do grafite expandido puro. Por isso, a utilização de materiais compósitos de metal e grafite expandido é muito popular no setor de vedação. Atualmente, existem dois tipos principais desses materiais: (1) Pastilhas compostas de metal e grafite expandido, também conhecidas como pastilhas de grafite reforçado ou pastilhas de grafite de alta resistência. Os materiais de reforço mais comuns são o aço inoxidável 304, 316 ou folha de zinco. Existem diferentes formas de reforço, como placas reforçadas, placas planas reforçadas e placas em malha. O grafite reforçado com 304 é amplamente utilizado em sistemas de vedação de tanques sob pressão, bombas, tubulações, válvulas, geradores e outros equipamentos. Ele possui boa resistência a altas e baixas temperaturas, alta resistência mecânica e boa capacidade de recuperação após compressão. (2) A aplicação de uma camada protetora sobre a superfície do material de base, por meio do uso de metais, sempre foi o método mais simples e prático utilizado por muitas indústrias para melhorar as propriedades dos materiais. Isso também despertou o interesse dos pesquisadores em grafite expandido, que, ao aplicar camadas de metais como cromo, molibdênio e tungstênio sobre a superfície das placas de grafite flexível, conseguiram criar produtos de grafite com alta resistência à corrosão e grande resistência mecânica. O método é muito simples: basta desgaseificar a superfície das placas de grafite em condições de vácuo. Em seguida, as placas são imersas em soluções de sais como nitrato de cromo, nitrato de molibdênio e nitrato de tungstênio. Após um certo período de tempo, as placas são secas, e assim obtém-se o composto de grafite flexível. Como esse método é simples e fácil de ser aplicado, ele é bastante utilizado na produção diária. No entanto, como melhorar o controle sobre seu desempenho, a fim de economizar materiais e tempo, continua sendo um desafio que os pesquisadores buscam superar. O mecanismo de vedação das juntas de vedação e as equações de deformação: As máquinas e equipamentos podem ser classificados, com base no movimento relativo entre suas superfícies de vedação, em vedação estática e vedação dinâmica. A vedação estática é a forma mais utilizada na produção diária, como nas flanges de tubulações, conexões roscadas, bem como na vedação de reservatórios pressurizados e suas tampas. De acordo com o princípio de funcionamento, a vedação estática pode ser dividida em vedação por meio de juntas de flange com parafusos, vedação autoapertável, vedação por meio de juntas de flange roscadas e vedação com selantes. Dentre essas, a vedação por meio de juntas de flange com parafusos é a forma de vedação estática mais utilizada atualmente. Os estudos sobre essa estrutura de vedação concentram-se em dois aspectos principais: por um lado, há os testes de desempenho dos materiais de vedação, com foco na metodologia de preparo desses materiais, bem como na cientificidade e precisão dos instrumentos e métodos utilizados nos experimentos ； Por outro lado, foi realizado um grande volume de análises sobre as diversas causas que levam à falha na vedação do sistema. Foram estudados, separadamente, os fatores que influenciam a taxa de vazamento em diferentes tipos de juntas feitas de materiais variados. Para evitar vazamentos de fluidos, o método básico utilizado é aumentar a resistência ao fluxo do fluido na área de vedação. Quando a resistência do fluido ao passar pela área de vedação é maior do que a diferença de pressão entre os lados dessa área, o fluido fica selado. A resistência que o meio sofre ao passar pelo orifício de vedação é causada pela pressão exercida sobre a superfície de compressão. Quanto maior for a pressão de vedação aplicada sobre essa superfície, maior será a resistência que o meio enfrenta ao passar pelo orifício de vedação, o que, por sua vez, contribui para uma melhor vedação. Falha de resistência: No caso de sistemas de conexão por parafusos e flanges, se ocorrer uma falha de resistência, deve-se realizar uma análise da resistência separadamente para as três partes que o compõem: os flanges, os parafusos e as buchas. (1) A falha na resistência da flange: A escolha do material e o design estrutural da flange afetam diretamente sua resistência. Ao selecionar o material, é necessário levar em consideração fatores como a corrosividade do meio interno, a temperatura adequada para o uso do material e a maior tensão que ele pode suportar. Esses são os requisitos básicos para a seleção do material. De acordo com a GB150, o projeto estrutural e a verificação da resistência das flanges são realizados. Dessa forma, a resistência das flanges projetadas fica garantida, reduzindo assim a probabilidade de falha em sua resistência. (2) Falha na resistência dos parafusos A falha na resistência dos parafusos é causada, em grande parte, pelos seguintes fatores: resistência insuficiente do material, corrosão causada pelo meio ambiente, relaxamento devido ao calor, defeitos internos nos parafusos e tensão excessiva. Devido a esses fatores, os parafusos se curvam ou torcem, perdendo assim sua capacidade de fixação, o que leva à falha na estrutura conectada. Devido à alta probabilidade de falha na resistência dos parafusos e aos grandes impactos que isso pode causar, é necessário que os projetistas deem grande atenção a esse aspecto. (3) Falha na resistência das buchas de vedação – As buchas de vedação são os componentes mais importantes em toda conexão de vedação. O desempenho delas afeta diretamente o grau de estanqueidade da estrutura de conexão. A capacidade de deformação e as propriedades de recuperação das buchas são fatores importantes que determinam seu desempenho como vedantes. Geralmente, as buchas com grande capacidade de deformação necessitam de uma força de aperto pequena dos parafusos, o que permite preencher as irregularidades na superfície de compressão, facilitando assim a formação de um selo inicial ； Juntas com boas propriedades de resiliência conseguem se adaptar mais facilmente às flutuações causadas pela pressão e pela temperatura do meio em condições operacionais. Como as juntas entram em contato direto com o meio, elas também devem possuir propriedades como resistência à corrosão, resistência a impactos e resistência ao desgaste, a fim de manter um bom desempenho de vedação e uma vida útil prolongada mesmo sob condições reais de uso. A falha na vedação nas conexões por parafusos se manifesta principalmente por vazamentos. Quando ocorre um vazamento, isso pode causar acidentes. Em casos leves, isso leva ao desperdício de energia e equipamentos, afetando assim o funcionamento normal da produção e causando perdas econômicas. Em casos graves, pode haver explosões, resultando em ferimentos ou mortes, além de causar danos ambientais incalculáveis. Portanto, torna-se ainda mais importante reduzir ao máximo os vazamentos e aumentar as exigências de vedação nos sistemas de selagem de recipientes e tubulações. Ao analisar as causas das vazamentos que ocorrem na produção real, constatou-se que existem dois principais mecanismos pelos quais o fluido pode vazar nas juntas de vedação. Um deles é a “vazamento por permeação”. Esse tipo de vazamento acontece porque o material das juntas possui muitos capilares; o fluido consegue passar por esses capilares, causando assim o vazamento. Geralmente, quanto maior a pressão do fluido, maior a temperatura e menor a viscosidade do mesmo, maior será a probabilidade de ocorrência desse tipo de vazamento. Além disso, além da influência dessas propriedades dos fluidos e das condições operacionais em que eles se encontram, o tipo de estrutura da junta e as propriedades do material também são fatores importantes. Isso acontece principalmente nas juntas feitas de materiais não metálicos, pois esses materiais possuem muitos pequenos espaços entre suas partículas, o que resulta em uma estrutura pouco compacta e com baixa capacidade de vedação. Quando é aplicada sobre ele uma pressão muito pequena, o meio pode vazar facilmente através de um grande número de capilares. Em geral, é possível adicionar certos materiais de preenchimento a esses materiais de vedação porosas. Por exemplo, a melhoria pode ser feita por meio da imersão em soluções de silicato, fosfato, etc., ou combinando-se com certos materiais impermeáveis para criar compósitos, o que também pode reduzir as “vazamentos por permeação”. O segundo é o “vazamento na interface”, ou seja, o vazamento que ocorre entre a junta e a superfície de pressão da flange. A quantidade de vazamento depende principalmente do tamanho do espaço entre essas duas superfícies. Existem dois fatores principais que causam esse vazamento: (1) a superfície de vedação não é plana durante o processo de processamento, ou então a força aplicada para apertá-la é insuficiente ou desigual, o que gera espaços entre as superfícies de vedação. (2) Existe uma diferença de pressão ou de concentração entre as duas faces da superfície selada. Na prática, a diferença de pressão e a diferença de concentração presentes em ambos os lados da superfície de vedação são inevitáveis. Para reduzir essas vazamentos na interface, é necessário aumentar a precisão do processamento. Além disso, é preciso aplicar uma força adequada sobre as buchas de vedação, de modo a aproveitar ao máximo a deformação elástica gerada pelas mesmas, visando preencher as irregularidades na superfície de vedação. As equações de coordenação das deformações nos sistemas de conexão por parafusos e flanges são atualmente baseadas em análises de resistência elástica. Os principais métodos de cálculo para o projeto desses sistemas são a teoria de Waters e a teoria de Timosenko. A última é mais adequada para sistemas de conexão integrais, pois, além das condições consideradas na teoria de Waters, ela também leva em conta fatores que podem afetar a taxa de vazamento do sistema, como a pressão do meio, as temperaturas interna e externa, o módulo elástico do material e o coeficiente de expansão linear, que mudam com a temperatura. Este artigo analisa o sistema de conexão por flanges e parafusos como um todo, utilizando a teoria de Timosenko. As hipóteses básicas são as seguintes: (1) O corpo da flange é considerado como uma viga elástica de comprimento infinito, enquanto o anel da flange é visto como uma placa circular que, sob a ação de torques externos, não sofre torção, mas sim uma deflexão em um determinado ângulo; (2) A flange e os parafusos são considerados como elementos elásticos lineares, sem possibilidade de deformação plástica ou fluência, e não se leva em conta a influência dos orifícios dos parafusos na deformação da flange ； (3) Sem levar em consideração o deslocamento radial da flange no ponto de conexão com o corpo do tanque, nem a tensão na membrana causada pela pressão interna, assume-se que o ângulo de rotação entre o corpo do tanque e a flange, bem como o deslocamento radial resultante, são iguais. A escolha da estrutura de conexão por parafusos e flanges é determinada pelas necessidades do processo de produção e da instalação dos equipamentos. Em equipamentos químicos ou em conexões de tubulações, costuma-se utilizar estruturas de conexão removíveis, como conexões roscadas, conexões por encaixe e conexões por flanges. Entre essas, as conexões por flanges são as mais utilizadas. Por isso, é importante estudar as condições de esforço e deformação dessas estruturas de conexão. De acordo com a pressão interna do meio e o tipo de meio, deve-se escolher adequadamente os materiais e os tipos de estrutura para as flanges, parafusos e pastilhas de vedação. A figura abaixo mostra o formato geral de uma conexão por flange. As pastilhas dentadas metálicas são geralmente fabricadas em tornos de precisão, com ranhuras concêntricas sendo criadas em ambas as faces da pastilha de aço inoxidável. Dependendo do meio em questão, pode-se utilizar grafite flexível, PTFE, placas sem amianto ou outros metais macios, que são colados nas duas faces da pastilha. Também pode ser usado diretamente, sem camada de vedação, e ainda assim oferece um bom desempenho de vedação. No entanto, em condições de alta pressão, pode causar danos à superfície da flange. Simulação do desempenho de vedação e otimização estrutural das pastilhas compostas com dentes metálicos. Visão geral das pastilhas com dentes metálicos: na produção real, a fabricação dessas pastilhas é extremamente simples; basta usar um torno preciso para criar vários canais concêntricos em ambas as faces da pastilha de aço inoxidável, o que permite formar uma estrutura metálica com dentes. A estrutura especial das dentadas determina seu mecanismo de vedação: ao ser submetida a pressão, as pontas das dentadas geram um concentrado de tensões muito alto, o que permite a formação de uma vedação em forma de linha no metal. Ele consegue alcançar um bom nível de vedação, sendo seguro e confiável. No entanto, a escolha dos materiais, o design da estrutura e o processo de fabricação do produto têm grande influência no desempenho de vedação dessas pastilhas com dentes metálicos. Além disso, se essas pastilhas forem utilizadas em condições de alta pressão, podem causar danos à superfície das flanges. Por isso, na indústria atual, raramente se utiliza apenas esse tipo de pastilha com estrutura metálica; em vez disso, preferem-se pastilhas compostas, feitas a partir da combinação de vários materiais. Esse tipo de junta, que tem como base uma estrutura metálica, utiliza, dependendo do meio de trabalho, grafite flexível, PTFE, placas não asbestosas ou outros metais macios, que são colados nas duas faces da estrutura. Essa junta é, portanto, uma junta composta com estrutura metálica. Nos últimos anos, com o contínuo desenvolvimento da tecnologia de vedação, as propriedades dos materiais de grafite expandido têm ganhado cada vez mais destaque. Como novo material de vedação, ele está substituindo cada vez mais os materiais de vedação à base de amianto e os materiais de vedação metálicos tradicionais. Portanto, para os pesquisadores que trabalham com juntas compostas de formato dentado em metal, utilizar o substrato das juntas selantes de formato dentado e colar grafite flexível nas superfícies de contato superior e inferior, a fim de criar juntas compostas de formato dentado feitas de grafite flexível e metal, é uma área de pesquisa muito atrativa para eles. Numerosos estudos experimentais demonstraram que esse tipo de junta composta não apenas mantém a confiabilidade da estrutura ondulada das juntas dentadas originais, garantindo um selamento eficaz nas suas extremidades pontiagudas, mas também possui as propriedades do grafite expandido, como resistência a altas e baixas temperaturas e boa capacidade de recuperação após compressão. Assim, ela oferece um duplo efeito de selamento. O mecanismo de vedação deste tipo de junta consiste no fato de que, sob uma força de pré-aperto baixa, a camada de grafite macio e flexível presente na superfície da junta é pressionada para dentro dos sulcos do esqueleto metálico. As superfícies superior e inferior do esqueleto metálico não entram em contato direto com a flange, o que evita danos à própria flange. Quando a tensão aumenta, o esqueleto metálico sofre deformação elástica, o que faz com que o grafite expandido seja comprimido, ficando assim confinado no espaço circular entre o esqueleto metálico e a superfície de contato da flange. Assim, é criado um efeito de vedação dupla, resultante da combinação de vários materiais metálicos com grafite flexível. A junta composta de grafite flexível com dentes metálicos é especialmente adequada para condições de alta temperatura, alta pressão e variações alternadas nas condições de operação. É amplamente utilizada nas conexões por flange de equipamentos como trocadores de calor, vasos de pressão e reatores, sendo uma substituta ideal para as juntas tradicionais revestidas de metal. Os tipos estruturais das buchas dentadas metálicas são divididos em dois tipos básicos, dependendo do tipo de superfície de vedação da flange: o primeiro é a bucha dentada com anel de fixação, utilizada em flanges planas ； O segundo é um almofada dentada sem anel de fixação, utilizada para flanges com superfícies irregulares. A Figura 4-1 mostra a estrutura externa do anel de fixação utilizado em pastilhas compostas de grafite flexível e dentes metálicos, na produção real. O modelo de simulação do desempenho de compressão dos selos compostos de grafite flexível com dentes metálicos, bem como os tipos de materiais utilizados, são baseados na norma da indústria química da China, implementada em julho de 2009: “Selos compostos com dentes metálicos para flanges de tubos de aço com revestimento” (número da norma: HG/T20623-2009). Neste artigo, foi utilizado um selo com dentes metálicos do tipo DN80. A estrutura do esqueleto metálico e a forma geral do selo são mostradas nas Figuras 4-2 e 4-3, respectivamente. As dimensões do selo padrão estão indicadas na tabela. Este artigo analisa, sob a condição de diâmetro nominal constante, o impacto do número de dentes N da estrutura metálica e da espessura S da camada de grafite expandido nas propriedades mecânicas das juntas compostas. No processo de pré-tratamento, foi utilizado como material para a estrutura metálica o aço inoxidável 304, cujo módulo elástico é de 2,0x10¹¹ Pa, o coeficiente de Poisson é de 0,313, o módulo de cisalhamento é de 7,45x10¹¹ Pa, o limite de resistência é de 2,05x10⁸ Pa, e a densidade é de 7850 kg/m³. O tipo de elemento utilizado foi “planel83”” ； O material utilizado para a camada de revestimento é grafite expandido, com densidade de 1000 kg/m³. Seu módulo elástico é de 1,0x10¹⁰ Pa, o coeficiente de Poisson é de 0,01, o módulo de cisalhamento é de 1,0x10⁷ Pa, e o limite de resistência é de 6,0x10⁷ Pa. O tipo de elemento utilizado é “planel82”. Como a estrutura da junta é um padrão simétrico em torno do eixo central, as tensões na direção circular são ignoradas. Assim, o modelo geométrico tridimensional é simplificado para um modelo bidimensional, a fim de realizar a análise das tensões axiais. A unidade Plane182 e a unidade Planel82 são unidades elementares 2D com 4 nós, utilizadas em modelos 2D. Cada unidade possui 4 nós, e cada nó, por sua vez, tem duas graus de liberdade, ou seja, translação nas direções x e y. Essa unidade pode ser utilizada como unidade planar (com esforços e deformações planares, ou com deformações planares generalizadas), ou como unidade axissimétrica. Ela possui capacidades de plasticidade, superelasticidade, reforço por esforço, grandes deformações e grandes deformações estruturais. Além disso, permite a utilização de fórmulas que combinam forças e deslocamentos. Assim, ela pode ser usada para simular as deformações de materiais subelásticos que são quase incompressíveis, bem como de materiais superelásticos que são completamente incompressíveis. (2) A unidade Plane183/Planel83 é uma unidade de elemento finito 2D de alto grau, com 8 nós, que possui funções de deslocamento quadráticas. É adequada para a divisão em malhas de modelos irregulares. A unidade é definida por 8 nós, e cada nó possui duas graus de liberdade em termos de direção. Semelhante à unidade PIanel82, ela também pode ser usada como unidade planar e unidade axial simétrica. Possui capacidade de plasticidade, deformação, rigidez sob esforço, grandes deformações e grandes deformações estruturais. Além disso, possui a capacidade de utilizar fórmulas que combinam força e deslocamento, o que permite simular as deformações de materiais elasto-plásticos quase incompressíveis. Também suporta opções relacionadas às tensões iniciais. E oferece diferentes opções de impressão. A divisão da malha leva em consideração a forma irregular do esqueleto metálico; neste artigo, foi escolhida uma divisão de malha livre mais simples, com células quadradas e um comprimento de lado de 0,1 mm. Os modelos de juntas de vários tamanhos utilizados nessa simulação, após a divisão da malha, geraram aproximadamente 20.000 nós e cerca de 7.600 elementos. A Figura 4-4 mostra a divisão da malha dos elementos da junta composta com dentes, onde o espaçamento entre os dentes é de 12 unidades, e a espessura da camada de grafite expansivo é de 0,4 mm. O software ANSYS possui funcionalidades para lidar com graus de liberdade acoplados e equações de restrição. Isso permite uma descrição precisa de detalhes como regiões rígidas, conexões por dobradiças em determinadas estruturas, limites de deslizamento simétricos, condições periódicas e outras conexões especiais entre nós internos. As típicas graus de liberdade de acoplamento aplicados à parte do modelo incluem: simetria estrutural, formação de dobradiças entre dois nós repetidos, pinos, junções universais e conexões deslizantes, permitindo que uma determinada parte do modelo apresente propriedades de corpo rígido. Nesta simulação, a fim de demonstrar melhor a coordenação das deformações da camada composta de grafite expandido, não é suficiente utilizar apenas as conexões convencionais entre os nós. É necessário realizar operações de acoplamento das libertades de movimento na superfície superior dessa camada composta. A direção X é considerada como a libertade principal; assim, os deslocamentos nas direções X e Y dos nós localizados na superfície superior são restritos a serem iguais, a fim de garantir as propriedades rígidas dessa superfície. Após carregar e resolver o tipo de análise que define a estrutura como uma análise estática, para obter a curva de propriedades de resiliência à compressão da estrutura composta por dentes metálicos feitos de grafite flexível, é necessário utilizar um método de carregamento em várias etapas. Primeiramente, é necessário impor condições de borda ao modelo. Nesta simulação, são restringidas as liberdades axiais na superfície inferior da camada composta de todos os modelos, ou seja, UY=0 ； Em seguida, é aplicada uma carga uniforme de 60 MPa na superfície superior da camada composta. As opções definidas para o processo de aplicação da carga incluem um tempo final de 10 s, um número de subpassos de 100, e a leitura dos resultados a cada subpasso. Depois disso, a carga é registrada, sendo designada como 1 ； Por fim, uma carga de 0 MPa é aplicada na superfície superior da camada composta. As opções relacionadas à aplicação da carga incluem o estabelecimento do tempo de duração de 20 s para essa aplicação; os demais valores ficam como padrão. Essa etapa de aplicação da carga é denominada 2. O papel da etapa de carga 1 é realizar o carregamento gradual do modelo, enquanto o efeito da etapa de carga 2 é realizar o processo de descarregamento do modelo. Após definirem-se as condições de contorno e os passos de carga, pode-se começar os cálculos. Escolha “Solution—Solve—From LS Files” para resolver os problemas relacionados a vários passos de carga. Para verificar os resultados dos cálculos no pós-processamento geral do ANSYS, selecione a etapa desejada para leitura. Em seguida, escolha cerca de dez etapas no tempo durante o processo de carregamento e outras dez etapas durante o processo de descarregamento, para cada nó. Assim, é possível obter os valores de deslocamento e tensão desse nó nas respectivas etapas do tempo. As três figuras a seguir mostram um exemplo de almofada composta de grafite flexível e metal (P=1,0 mm) ； S=0,5 mm, N=12): Mapas de tensão e de deslocamento do modelo de pastilha em determinados momentos durante os processos de carregamento e descarregamento. (1) Mapa de tensões (2) Mapa de deslocamentos. Como a deformação dessa junta composta é muito pequena durante a carga e a descarga, o mapa de deslocamentos para a condição de descarga não é apresentado aqui. A partir das três figuras acima, pode-se observar que, durante o processo de carregamento, à medida que o valor da carga aumenta, os valores de tensão e deslocamento da estrutura de vedação também aumentam. Já durante o processo de descarregamento, os valores de tensão nesse ponto diminuem à medida que a carga diminui. Isso está de acordo com as leis reais de carregamento e descarregamento. No processador de dados POST26, as variações dos valores de tensão ao longo do processo de carregamento e descarregamento são representadas por linhas gráficas. Os valores de tensão e deslocamento correspondentes aos diferentes níveis de carga são inseridos no software Origin para análise. Assim, é possível obter a curva de compressão da junta composta de grafite flexível e metal, em condições normais de temperatura. Seguindo o método de simulação descrito, os valores característicos de compressão das juntas compostas de grafite flexível e metal são calculados, e esses valores são inseridos no software Origin para análise. Os resultados da análise são mostrados na Figura 4-10. Pode-se observar que as curvas de compressão das juntas compostas padrão (com 12 dentes) e das juntas compostas com 10 dentes são quase lineares. As curvas de compressão das juntas compostas com camada de grafite expansivo de 0,5 mm, bem como das juntas com espessura de camada de 0,4 mm e 0,6 mm, também são aproximadamente lineares. A Figura 4-10(a) mostra os valores dos parâmetros de fechamento sob pressão para diferentes espessuras de junta, sendo S = 0,5 mm; profundidade das dentadas, sendo h = 0,32 mm; além de diferentes distâncias entre as dentadas e números de dentadas ； A Figura 4-10(b) mostra os valores das características de fechamento sob pressão para diferentes espessuras de pastilhas compostas, com distância entre dentes P=1,0 mm, número de dentes N=12 e profundidade dos dentes h=0,32 mm. Esses valores servem como referência para análises numéricas futuras. No caso das pastilhas compostas de grafite flexível e metal, a taxa de vazamento é um fator importante que determina a eficiência do selamento da pastilha. Atualmente, as pesquisas sobre juntas compostas de grafite flexível e dentes metálicos são, em sua maioria, limitadas a estudos experimentais. Além disso, mesmo quando existem simulações numéricas para avaliar o desempenho das juntas, essas simulações focam apenas nas propriedades estruturais do esqueleto metálico, sem haver análises numéricas relacionadas à taxa de vazamento da junta composta como um todo. Este texto trata das pastilhas compostas para as diversas estruturas mencionadas acima. A força de pré-tensão dos parafusos, em função da pressão interna do meio em que a pastilha está inserida, é calculada conforme os valores de 0,98 MPa, 1,568 MPa, 2,45 MPa, 4 MPa, 6 MPa e 8 MPa. Na fase de pré-tratamento, os parâmetros do material da pastilha são inseridos de acordo com os valores de compressão e recuperação indicados nas curvas de esforço para cada estrutura, conforme mostrado na Figura 4-10. As demais opções relacionadas à seleção das células, à construção do modelo, às condições de borda, bem como aos métodos de aplicação de carga e resolução do problema, permanecem as mesmas. A figura abaixo mostra o mapa de tensões da pastilha composta de grafite flexível e dentes metálicos em dez diferentes condições de operação. Em qualquer condição de funcionamento, a distribuição de tensão nas pastilhas segue a mesma regra: ela é desigual ao longo do diâmetro, aumentando gradualmente de dentro para fora ； À medida que a pressão interna do meio aumenta, a tensão residual da junta também aumenta ； Quando a pressão interna do meio permanece constante, a tensão residual da junta aumenta à medida que a força de pré-tensão dos parafusos aplicada também aumenta, o que está de acordo com as características mecânicas dos sistemas de conexão por flanges roscadas. Verificou-se novamente a correção do método de análise numérica por simulação. Os valores de tensão e deformação obtidos no software ANSYS, para cada condição de operação, são inseridos nas fórmulas correspondentes, a fim de se calcular a taxa de vazamento das pastilhas compostas de grafite flexível e metal nessas condições. O mesmo procedimento é aplicado às pastilhas de outros tipos de estrutura: primeiro, utiliza-se o software comercial de análise por elementos finitos ANSYS para calcular os valores de tensão e deformação em cada condição de operação; em seguida, esses valores são inseridos nas equações relacionadas à taxa de vazamento dos modelos de meios porosos, a fim de se obter a taxa de vazamento correspondente. Por fim, os valores da taxa de vazamento dos selos, obtidos por meio dos vários modelos utilizados nos cálculos, em dez condições diferentes, foram inseridos no software de análise de dados Origin para comparação. Os resultados da análise são mostrados na Figura 4-12. A Figura (a) mostra a comparação da taxa de vazamento de juntas compostas com espessura de gaxeta S=0,5 mm e profundidade das dentadas h=0,32 mm, em diferentes números de dentadas e espaçamentos entre elas, sob diferentes pressões internas do meio ； A Figura (b) mostra a comparação da taxa de vazamento, sob uma pressão interna do meio de 2,45 MPa, para diferentes arruelas compostas com espessura de junta S = 0,5 mm e profundidade das dentadas h = 0,32 mm, considerando diferentes distâncias entre as dentadas e números diferentes de dentadas ； A Figura (C) mostra a comparação da taxa de vazamento de juntas compostas com espaçamento entre dentes de P == 1,0 mm e número de dentes de N = 12, em diferentes espessuras de camada de grafite expandido, sob diferentes pressões internas do meio ； A figura mostra a comparação da taxa de vazamento em diferentes níveis de tensão de pré-estiramento do parafuso, com um espaçamento entre os dentes de P=1,0 mm e um número total de dentes de N=12, sob uma pressão interna do meio de 2,45 MPa (para referência futura em análises numéricas). Como pode ser visto na figura (a), a pressão interna do meio afeta de maneira semelhante as pastilhas compostas de grafite expandido com diferentes números de dentes; ou seja, à medida que a pressão interna aumenta, a taxa de vazamento das pastilhas compostas também aumenta ； Sob a mesma pressão no mesmo meio, a taxa de vazamento das juntas compostas com N=10 dentes é a menor, enquanto a taxa de vazamento das juntas compostas padrão (N=12) é a maior. Como pode ser visto na Figura (b), a força de pré-tensão do parafuso tem um efeito semelhante sobre os compostos de grafite expandido com diferentes números de dentes. Ou seja, à medida que a força de pré-tensão do parafuso aumenta, a taxa de vazamento dos compostos diminui em todos os casos ； Sob a mesma força de pré-estiramento dos parafusos, com o mesmo tamanho, a taxa de vazamento é menor para as buchas compostas com N=10 dentes. Já a taxa de vazamento das buchas compostas padrão (N=12) continua sendo a maior. Isso pode ser concluído a partir das figuras (a) e (b). Para as juntas compostas de grafite flexível DN8, a estrutura padrão de esqueleto metálico não é a melhor opção. No entanto, quando a espessura da junta é S=0,5 mm, a profundidade das ondulações é h=0,32 mm, o espaçamento entre as ondulações é p=1,0 mm e o número de ondulações é N=10, a junta composta resultante apresenta a menor taxa de vazamento, ou seja, tem o melhor desempenho de vedação. O efeito da pressão interna do meio sobre as juntas compostas de grafite expandido com diferentes revestimentos de grafite expandido é o mesmo: à medida que a pressão interna aumenta, a taxa de vazamento dessas juntas compostas também aumenta ； Sob a mesma pressão no mesmo meio, as juntas compostas com camada de grafite expandido têm a menor taxa de vazamento; no entanto, o valor máximo de taxa de vazamento ainda é o mesmo que o das juntas compostas padrão. Como pode ser visto na Figura (d), a força de pré-tensão do parafuso tem um efeito semelhante sobre as propriedades dos selos compostos com dentes metálicos revestidos de grafite expandido. Ou seja, à medida que a força de pré-tensão do parafuso aumenta, a taxa de vazamento dos selos compostos diminui, independentemente do revestimento de grafite expandido utilizado ； Sob a mesma força de pré-estiramento dos parafusos, com espessura da camada de grafite expandido de S=0,4 mm, a taxa de vazamento do junta composta é a menor. Já a junta composta com o mesmo padrão, mas com espessura de S=0,5 mm, apresenta a maior taxa de vazamento. A partir das figuras (c) e (d), pode-se concluir que, para as juntas compostas de grafite flexível do tipo DN80, quando a espessura da junta é S=0,4 mm, a profundidade das ondulações é h=0,32 mm, o espaçamento entre as ondulações é P=1,0 mm e o número de ondulações é N=12, a junta composta assim projetada apresenta a menor taxa de vazamento, o que permite alcançar o objetivo de otimização da estrutura da junta. Este artigo resume um tipo de junta composta, feita de grafite expandido e dentes metálicos, que tem recebido bastante atenção na comunidade de pesquisa atualmente. Esse tipo de gaxeta é obtido utilizando como estrutura base um esqueleto metálico ondulado, sobre o qual é aplicada uma camada de grafite expansivo com determinada espessura. Além das vantagens de rigidez e confiabilidade oferecidas pelo esqueleto metálico, ela também possui as boas propriedades de resiliência à compressão do grafite expansivo, além de ser resistente a altas e baixas temperaturas. Isso resulta em um efeito de vedação dupla, sendo amplamente utilizada em estruturas de vedação de diversos equipamentos. Atualmente, a análise desses selantes é, em sua maior parte, limitada a estudos experimentais; as simulações numéricas são muito escassas. Por isso, este artigo utiliza o software ANSYS para realizar uma análise numérica do desempenho de vedação desses selantes, além de otimizar sua estrutura. As conclusões obtidas incluem: (1) Durante o processo de carregamento, à medida que o valor da carga aumenta, os valores de tensão e deslocamento na estrutura do selo também aumentam. Já durante o processo de descarregamento, o valor de tensão nesse ponto diminui à medida que a carga diminui. Isso está de acordo com as leis reais de carregamento e descarregamento ； (2) Quando a espessura da camada de grafite expandido é de 0,5 mm, as curvas de compressão das juntas compostas padrão (com 12 dentes) e das juntas compostas com 10 dentes são quase lineares ； (3) Quando o número de dentes da estrutura metálica é 12, as curvas de desempenho em termos de compressão das buchas padrão (S=0,5 mm) e das buchas compostas com espessura de revestimento de 0,4 mm e 0,6 mm são aproximadamente lineares ； (4) Quando a espessura da camada de revestimento do grafite expandido é de 0,5 mm, a taxa de vazamento das juntas compostas com N=10 é a menor. Já a taxa de vazamento das juntas compostas padrão (N=12) é a maior ； (5) Quando o número de dentes da estrutura metálica é 12, a espessura da camada de grafite expandido resulta em uma taxa de vazamento mínima para a junta composta. A taxa de vazamento máxima continua sendo igual àquela das juntas compostas padrão.