PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA LIGAÇÕES ...monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10019142.pdf · PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA

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

iii

Rodrigues, Diego Plubins

Projeto de Juntas de Vedação Não metálicas para

Ligações Flangeadas / Diego Plubins Rodrigues. – Rio de

Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2016.

X, 61 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Reinaldo de Falco.

Projeto de Graduação – UFRJ / POLI / Curso de

Engenharia Mecânica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 59-61.

1. 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.

iv

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.

v

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


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-1-2010, 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.

vi

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


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-1-2010 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.

vii

Sumário

1 Objetivo .............................................................................................................................. 1

2 Introdução ........................................................................................................................... 2

2.1 Emissões Atmosféricas ................................................................................................ 2

2.2 Emissões Fugitivas ...................................................................................................... 4

2.3 Funcionamento das juntas ........................................................................................... 5

2.4 Materiais de Juntas ...................................................................................................... 7

2.5 Proibição do Amianto ................................................................................................... 9

3 Conexões Flangeadas .......................................................................................................11

3.1 Tipos de Flanges ........................................................................................................11

3.1.1 Faceamento .........................................................................................................11

3.1.2 Materiais e Classes de Pressão ...........................................................................14

3.2 Forças na união flangeada ..........................................................................................16

4 Projeto de Juntas ...............................................................................................................19

4.1 Especificação da Junta Não metálica..........................................................................19

4.1.1 Adequação ao Flange ..........................................................................................19

4.1.2 Compatibilidade Química .....................................................................................20

4.1.3 Condições de Operação ......................................................................................20

4.1.4 Dimensões da Junta ............................................................................................21

4.2 Projeto segundo o ASME Boiler and Pressure Vessel Code .......................................25

4.3 Verificações segundo o ASME-PCC-1-2010 ...............................................................33

5 Exemplos de projeto de juntas ...........................................................................................42

5.1 Exemplo 1 ...................................................................................................................42

5.2 Exemplo 2 ...................................................................................................................46

5.3 Exemplo 3 ...................................................................................................................50

6 Conclusões e Recomendações ..........................................................................................54

7 Anexos ...............................................................................................................................55

7.1 Anexo 1 – Tabelas de Compatibilidade Química .........................................................55

7.2 Anexo 2 – Gráficos de Pressão x Temperatura ...........................................................56

7.3 Anexo 3 – Dados para Projeto de Juntas. ...................................................................58

8 Referências Bibliográficas ..................................................................................................59

viii

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

2023. (Fonte: EPE, 2014) .......................................................................................................... 5

Figura 4: Conjunto formado por flanges, parafusos, porcas, arruelas e junta de vedação. .......... 6

Figura 5: Esquema de junta de vedação preenchendo as irregularidades do flange. (Fonte:

PEREIRA, 2016/Remosa Valves) .............................................................................................. 7

Figura 6: Juntas não metálicas. .................................................................................................. 8

Figura 7: Juntas semimetálicas. .................................................................................................. 8

Figura 8: Juntas do tipo anel metálico (Ring-Type Joint). ............................................................ 9

Figura 9: Dimensões do ressalto em flanges RF. ...................................................................... 11

Figura 10: Flange com face ressaltada (RF). ............................................................................ 12

Figura 11: Flange com face plana (FF). .................................................................................... 12

Figura 12: Junta em flange com face ressaltada (à esquerda) e face plana (à direita). ............. 13

Figura 13: Flange com face para receber junta de anel metálico. ............................................. 13

Figura 14: Forças em união flangeada. (Fonte: VEIGA, 2014) .................................................. 17

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. .................................. 18

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. .................... 24

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). ......................................... 35

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

ix

Lista de Tabelas

Tabela 1: Superfície do flange para cada tipo de junta. .............................................................14

Tabela 2: Acabamento recomendado para a superfície de vedação dos flanges em função do

tipo de junta. (Fonte: ASME PCC-1-2010) ................................................................................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. ..............................................16

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 bo 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. .........................................................................31

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-1-2010).....36

Tabela 16: Limite de tensão Sfmáx para flanges ASTM A182. (Fonte: ASME-PCC-1-2010).....37

Tabela 17: Limite de rotação (em graus) para flanges ASTM A105. (Fonte: ASME-PCC-1-2010)

.................................................................................................................................................38


.................................................................................................................................................39

Tabela 19: Exemplo de torques calculados para flange A105 e parafusos A193 B7 com junta

metálica espiral. (Fonte: ASME-PCC-1-2010) ...........................................................................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

1

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-1-2013 –

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.

2

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.

3

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.

4

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 MtCO2e,

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.

5

Figura 3: Distribuição de emissões de gases do efeito estufa no ano de 2014 e projeção para 2023.

(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 CO2 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 2023.

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.

6

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.

7

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

8

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.16.20. 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

9

octogonal, são geralmente de aço inoxidável e aplicados em condições mais severas.

Suas dimensões também estão padronizadas na ASME B.16.20.

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

10

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)

11

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 3.1.1 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.

12

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.

13

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.

14

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-1-2010 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-1-2010)

3.1.2 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:

ASTM A-181: para aplicações gerais.

ASTM A-105: com Silício na composição, ideal para temperaturas mais elevadas.

μm μin.

Espiral 3.2-6.4 125-250

Camisa de metal corrugado com enchimento

metálico; acabamento com fita de grafite flexível em

toda a superfície

3.2-6.4 125-250

Metal ranhurado com acabemento de grafite flexível,

PTFE ou outros materiais conformáveis3.2-6.4 125-250

Grafite flexível reforçado com enchimento metálico 3.2-6.4 125-250

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 3.2-6.4 125-250

Placa não-metálica, espessura > 1.6 mm 3.2-13 125-500

Acabamento da superfície de contatoDescrição da Junta

15

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).

16

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

17

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)

18

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.

19

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–1-2010–

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 4.1.1 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.

20

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.

4.1.3 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.

21

Figura 17: Exemplo de gráfico pressão x temperatura para material não-metálico. (Fonte: RKlinger)

4.1.4 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.16.21 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.

22

Tabela 6: Dimensões das juntas para flanges de classe 150# conforme ASME B16.5. Dimensões em polegadas. (Fonte: ASME B16.21)

Diâmetro

externo

N° de

furos

Diâmetro

dos furos

Diâmetro

do círculo

de furos

1/2 0.84 1.88 3.50 4 0.62 2.38

3/4 1.06 2.25 3.88 4 0.62 2.75

1 1.31 2.62 4.25 4 0.62 3.12

1 1/4 1.66 3.00 4.63 4 0.62 3.50

1 1/2 1.91 3.38 5.00 4 0.62 3.88

2 2.38 4.12 6.00 4 0.75 4.75

2 1/2 2.88 4.88 7.00 4 0.75 5.50

3 3.50 5.38 7.50 4 0.75 6.00

3 1/2 4.00 6.38 8.50 8 0.75 7.00

4 4.50 6.88 9.00 8 0.75 7.50

5 5.56 7.75 10.00 8 0.88 8.50

6 6.62 8.75 11.00 8 0.88 9.50

8 8.62 11.00 13.50 8 0.88 11.75

10 10.75 13.38 16.00 12 1.00 14.25

12 12.75 16.13 19.00 12 1.00 17.00

14 14.00 17.75 21.00 12 1.12 18.75

16 16.00 20.25 23.50 16 1.12 21.25

18 18.00 21.62 25.00 16 1.25 22.75

20 20.00 23.88 27.50 20 1.25 25.00

24 24.00 28.25 32.00 20 1.38 29.50

Face plana (Full Face)

Diâmetro nominal

Diâmetro

interno da

junta

Diâmetro

externo

da junta

23

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)

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 18.

Classe 300 Classe 400 Classe 600 Classe 900

1/2 0.84 2.12 2.12 2.12 2.50

3/4 1.06 2.62 2.62 2.62 2.75

1 1.31 2.88 2.88 2.88 3.12

1 1/4 1.66 2.88 2.88 2.88 3.50

1 1/2 1.91 3.75 3.75 3.75 3.88

2 2.38 4.38 4.38 4.38 5.62

2 1/2 2.88 5.12 5.12 5.12 6.50

3 3.5 5.88 5.88 5.88 6.62

3 1/2 4 6.50 6.38 6.38 ...

4 4.5 7.12 7.00 7.62 8.12

5 5.56 8.50 8.38 9.50 9.75

6 6.62 9.88 9.75 10.50 11.38

8 8.62 12.12 12.00 12.62 14.12

10 10.75 14.25 14.12 15.75 17.12

12 12.75 16.62 16.50 18.00 19.62

14 14 19.12 19.00 19.38 20.50

16 16 21.25 21.12 22.25 22.62

18 18 23.50 23.38 24.12 25.12

20 20 25.75 25.50 26.88 27.50

24 24 30.50 30.25 31.12 33.00

Diâmetro ExternoDiâmetro Nominal Diâmetro interno

24

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)

Quanto à espessura da junta, deve-se seguir a simples regra descrita na Tabela 9.

1/2 1.38

3/4 1.69

1 2.00

1 1/4 2.50

1 1/2 2.88

2 3.62

2 1/2 4.12

3 5.00

3 1/2 5.50

4 6.19

5 7.31

6 8.50

8 10.62

10 12.75

12 15.00

14 16.25

16 18.50

18 21.00

20 23.00

24 27.25

Diâmetro Nominal Diâmetro do Ressalto

25

Tabela 9: Espessura indicada para juntas. (Fonte: VEIGA, 2014)

Diâmetro do flange Espessura da junta

Até 10” 1/16” (1,6 mm)

Acima de 10” 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.

26

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)

- bo = 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)

- Wgmáx = força máxima de esmagamento da junta (lbf)

- Sgmáx = 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 (1)

Em seguida, determinar a largura base de assentamento da junta “bo”, que depende tipo

de contato entre a junta e o flange, através da Tabela 10.

27

Tabela 10: largura base de assentamento bo da junta. (Fonte: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII Division 1)

Calculados os valores de N e bo, deve-se calcular a largura efetiva da junta “b” através

das Equações 2 e 3:

𝑏 = 𝑏0, se 𝑏0 ≤ 1/4" (2)

𝑏 = 0,5 ∗ 𝑏00,5, se 𝑏0 > 1/4" (3)

28

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

4+ 2 ∗ 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.

29

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

30

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 (7)


𝑆𝑎 (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 12.

31

Tabela 12: Área de raiz para estojos imperiais.

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.

Diâmetro (pol) Área de raiz (pol²)

1/2 0,1257

5/8 0,2017

3/4 0,3019

7/8 0,4192

1 0,5509

1 1/8 0,7276

1 1/4 0,9289

1 3/8 1,155

1 1/2 1,405

1 5/8 1,689

1 3/4 1,979

1 7/8 2,303

2 2,652

2 1/4 3,422

2 1/2 4,291

2 3/4 5,258

3 6,324

3 1/4 7,487

3 1/2 8,748

3 3/4 10,110

4 11,570

32

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

33

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-1-2010

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:

- Sbsel = tensão de instalação dos estojos: a ser determinada mediante verificação de todas as

condições e limites do conjunto.

- ϴgmáx = 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.

34

- Sbmáx = 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.

- Sbmín = 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.

- Sfmáx = Tensão admissível máxima nos estojos em relação ao flange: valor determinado de

acordo com o flange para evitar danos ao conjunto.

- Sgmín-S = tensão mínima de esmagamento: tensão mínima sobre a junta durante a instalação

para que haja assentamento adequado. Valor fornecido pelo fabricante da junta.

- Sgmín-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.

- Sgmáx = 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.

- SgT = 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 Sgmáx.

- φg = 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:

35

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):

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑆𝑔𝑇 ∗𝐴𝑔

𝑛𝑏∗𝐴𝑏 (10)

2°) Verificar se o valor de Sbsel está adequado aos limites dos estojos:

Limite superior do estojo:

O valor de Sbsel deverá se tomado como o menor entre o valor calculado no item anterior

e a tensão máxima no estojo, como resumido na Equação 11:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = mín. (𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 , 𝑆𝑏𝑚á𝑥) (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 Sbsel agora deverá se igualar ao maior entre o calculado

anteriormente na Equação 11 e o limite mínimo do estojo, como descrito na Equação 12:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = máx. (𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 , 𝑆𝑏𝑚í𝑛) (12)

3°) Determinar se o valor de Sbsel está adequado aos limites do flange:

36

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 Sbsel não pode exceder o limite do flange. Desta forma, a Equação 13 corrige o

valor de Sbsel para garantir a integridade da união flangeada:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = mín. (𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 , 𝑆𝑓𝑚á𝑥) (13)

Valores para o limite Sfmáx podem ser encontrados nas tabelas do código ASME-PCC-1-

2010. 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-1-2010)

37

Tabela 16: Limite de tensão Sfmáx para flanges ASTM A182. (Fonte: ASME-PCC-1-2010)

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).

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 𝑆𝑓𝑚á𝑥 ∗𝛳𝑔𝑚á𝑥

𝛳𝑓𝑚á𝑥 (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.

38


39


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:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≥ 𝑆𝑔𝑚í𝑛−𝑆 ∗𝐴𝑔


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:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≥(𝑆𝑔𝑚í𝑛−𝑂∗ Ag)+ (

π

4x 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:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 𝑆𝑔𝑚á𝑥 ∗𝐴𝑔


5°) Cálculo do torque de instalação dos estojos:

40

Realizadas todas as verificações anteriores e selecionado o valor da tensão Sbsel, utiliza-

se 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 ∗ 𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 (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-1-2013

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.

41

Tabela 19: Exemplo de torques calculados para flange A105 e parafusos A193 B7 com junta metálica espiral. (Fonte: ASME-PCC-1-2010)

42

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 4.

5.1 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: Top = 10°C = 50 °F

c) Pressão de operação Pop = 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: 105.000 psi

f) Tensão admissível na temperatura de operação (Tabelas 13 e 14): Sb = 25.000 psi

g) Tensão admissível na temperatura de instalação (Tabelas 13 e 14): Sa = 25.000 psi

h) Tensão mínima permissível nos estojos: como a aplicação envolve pressão relativamente

alta e risco de acidentes, será adotado o seguinte:

43

𝑆𝑏𝑚í𝑛 = 0,4 ∗ 105.000 = 42.000 𝑝𝑠𝑖

i) Tensão máxima permissível nos estojos:

𝑆𝑏𝑚á𝑥 = 0,7 ∗ 105.000 = 73.500 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 NA1085.

2º) 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 NA1100.

3º) 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”: 3.500 psi

Sgmáx: 22.000 psi

Sgmín-s: 11.000 psi

Sgmín-o: 3.900 psi

φg: 0,7

ϴgmáx: 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

44

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 − 𝐷𝑖2) ∗ 𝜋

4= 101,32 𝑝𝑜𝑙2 = 65.367,62 𝑚𝑚²

4º) Projeto da junta - Instalação:

Largura da junta em contato com o flange, segundo a Equação (1):

𝑁 =(𝐷𝑒 − 𝐷𝑖)

2=

23 − 20

2= 1,5"

Largura efetiva da junta, segundo a Equação (3):

𝑏 = 0,5 ∗ (1,5

2)

0,5

= 0,43"

Diâmetro efetivo da junta, segundo a Equação (4):

𝐺 = (𝐷𝑒 − 2 ∗ 𝑏) = 23 − 2 ∗ 0,43 = 22,14"

Força mínima de esmagamento da junta, de acordo com a Equação (6):

Wm2 = 𝝅 ∗ 0,43 ∗ 22,14 ∗ 3500 = 104.680,07 lbf

5º) Projeto da junta – Operação:

Força mínima de projeto em operação, segundo a Equação (5):

𝑊𝑚1 =𝜋 ∗ 22,142 ∗ 580,15

4+ 2 ∗ 0,43 ∗ 𝜋 ∗ 22,14 ∗ 4,1 ∗ 580,15

𝑊𝑚1 = 365.631,76 𝑙𝑏𝑓

Área dos estojos, segundo as Equações 7 e 8:


𝑆𝑏=

365.631,76

25.000= 14,63 𝑝𝑜𝑙²


𝑆𝑏=

104.680,07

25.000= 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-1-2013:

45

Tensão de instalação dos estojos:

O valor para SgT deve ser definido pelo projetista. Será adotado, neste caso, 70% de Sgmáx:

𝑆𝑔𝑇 = 15.400 𝑝𝑠𝑖

E pode-se definir a tensão de instalação dos estojos através da Equação (10):


𝑛𝑏 ∗ 𝐴𝑏= 15.400 ∗

101,32

24 ∗ 0,9289

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 69.989.95 𝑝𝑠𝑖

Verificação dos limites do estojo, segundo as Equações (11) e (12):

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚í𝑛. (69.989.95; 73.500)

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 69.989.95 𝑝𝑠𝑖

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚á𝑥. (69.989.95; 42.000)

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 69.989.95 𝑝𝑠𝑖

Verificação dos limites do flange:

Limite de tensão, de acordo com a Equação (13), utilizando valor para Sfmáx retirado da Tabela

15:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚í𝑛. (69.989.95; 74.000)

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 69.989.95 𝑝𝑠𝑖

Limite de rotação, segundo a Equação (14), utilizando valor retirado da Tabela 17:

ϴf𝑚á𝑥 = 0,58

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 74.000 ∗ (1

0,58)

69.989.95 ≤ 127.586,21

Verificação da tensão de esmagamento (instalação), de acordo com a Equação (15):

69.989.95 ≥ 11.000 ∗101,32

24 ∗ 0,9289

69.989.95 ≥ 49.992,82

Verificação da tensão mínima de operação, como descrito na Equação (16):

69.989.95 ≥(3.900 x 101,32)+ (

π

4x 580,15 x 202)

0,7 x 0,9289 x 24

69.989.95 ≥ 37.000,21

Verificação do esmagamento máximo da junta, utilizando a Equação (17):

𝑆𝑔𝑠𝑒𝑙 ≤ 22.000 ∗101,32

24 ∗ 0,9289

69.989.95 ≤ 99.985,65

46

7º) Cálculo do torque para instalação da junta:

De acordo com a Equação (18):

𝐹𝑏 = 𝐴𝑏 ∗ 𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 69.989.95 ∗ 0,9289 = 65.013,66 𝑙𝑏𝑓 = 29.489,70 𝑘𝑔𝑓

Segundo a Equação (19):

𝑇 = 𝑘 ∗ 𝐹𝑏 ∗ 𝑑𝑝

𝑇 = 0,2 ∗ 29.489,70 ∗ 1,25 ∗ 0,0254 = 187,26 𝑘𝑔𝑓. 𝑚 = 𝟏. 𝟖𝟑𝟔, 𝟑𝟗 𝑵𝒎 = 𝟏. 𝟑𝟓𝟒, 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


a) Fluido: vapor saturado


c) Pressão de operação Pop = 10 kgf/cm² = 142 psi = 9,8 bar

2) Propriedades da tubulação:


e) Diâmetro nominal: 4” = 101,6 mm

3) Dados do flange:







b) Diâmetro: ¾ pol = 19,05 mm

c) Material: ASTM A193 B7



f) Tensão admissível na temperatura de operação: Sb = 25.000 psi

g) Tensão admissível na temperatura de instalação (ambiente): Sa = 25.000 psi

h) Tensão mínima permissível nos estojos:

𝑆𝑏𝑚í𝑛 = 0,3 ∗ 105 = 31.500 𝑝𝑠𝑖

47

i) Tensão máxima permissível nos estojos:

𝑆𝑏𝑚á𝑥 = 0,7 ∗ 105 = 73.500 𝑝𝑠𝑖


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).


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


Sgmáx: 32.000 psi

Sgmín-s: 8.000 psi

Sgmín-o: 3.900 psi

φg: 0,7

ϴgmáx: 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:

48

𝐴𝑔 = (𝐷𝑒2 − 𝐷𝑖2) ∗ 𝜋

4= 14,19 𝑝𝑜𝑙2 = 9.154,82 𝑚𝑚²


Largura da junta em contato com o flange, de acordo com a Equação (1):

𝑁 = De−Di

2=

6,19 − 4,5

2= 0,845"

Largura efetiva da junta, segundo as Equações (2) e (3):

𝑏 = 0,5 ∗ (𝑁

2)

0,5

= 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 ∗ 5,54 ∗ 4500 = 25.453,97 lbf



𝑊𝑚1 = π ∗ 5,54² ∗ 142

4+ 2 ∗ 0,325 ∗ 𝜋 ∗ 5,54 ∗ 2,6 ∗ 142

𝑊𝑚1 = 7.599,64 𝑙𝑏𝑓

Área dos estojos:

De acordo com as Equações (7) e (8):


𝑆𝑏=

7.599,64

25.000= 0,3040 𝑝𝑜𝑙²

𝐴𝑚2 = 𝑊𝑚

𝑆𝑎=

25.453,97

25.000= 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




Segundo recomendado no código ASME, o valor de SgT deve se situar próximo ao limite de

tensão admissível da junta Sgmáx. Desta forma, adota-se 70% de Sgmáx:

𝑆𝑔𝑇 = 22.400 𝑝𝑠𝑖

49

E pode-se definir a tensão de instalação desejada nos estojos através da Equação (10):


𝑛𝑏 ∗ 𝐴𝑏= 22.400 ∗

14,19

8 ∗ 0,3019

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 131.606,49 𝑝𝑠𝑖

Verificação dos limites do estojo, de acordo com as Equações (11) e (12):

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚í𝑛. (131.606,49; 73.500)

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 73.500

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚á𝑥. (31.500, 73.500)

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 73.500 𝑝𝑠𝑖


Limite de tensão do flange, de acordo com a Equação (13) e valor de Sfmáx retirado da Tabela

15:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚í𝑛. (73.500, 89.000)


Limite de rotação do flange, de acordo com a Equação (14), utilizando valor ϴfmáx retirado da

Tabela 17:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 89.000 ∗ (1

0,37)

73.500 ≤ 240.540,54

Verificação da tensão de esmagamento (instalação), segundo a Equação (15):

73.500 ≥ 8.000 ∗14,19

8 ∗ 0,3019

73.500 ≥ 47.033,48

Verificação da tensão mínima de operação, como descrito pela Equação (16):

50.258 ≥(3.900 x 14,19) + (

π4 x 142 x 4,52)

0,7 x 0,3019 x 8

73.500 ≥ 34.069,59

Verificação do esmagamento máximo da junta, segundo a Equação (17):

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 32.000 ∗14,19

8 ∗ 0,3019

73.500 ≤ 188.009,27


De acordo com a equação (18):

𝐹𝑏 = 𝐴𝑏 ∗ 𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 73.500 ∗ 0,3019 = 22.189,65 𝑙𝑏𝑓 = 10.065,06 𝑘𝑔𝑓

Utilizando este resultado na Equação (19):

50

𝑇 = 0,2 ∗ 10.065,06 ∗ (3

4) ∗ 0,0254 = 38,35 𝑘𝑔𝑓. 𝑚 = 𝟑𝟕𝟔, 𝟎𝟗 𝑵. 𝒎 = 𝟐𝟕𝟕, 𝟑𝟗 𝒍𝒃. 𝒇𝒕

5.3 Exemplo 3

Tubulação de diâmetro comum e pressão baixa

Dados do projeto:

Setor de atuação: tubulação de centro de distribuição de combustível


a) Fluido: gasolina


c) Pressão de operação Pop = 5,10 kgf/m² = 72,52 psi = 5,0 bar

1) Propriedades da tubulação:


e) Diâmetro nominal: 12” = 304,80 mm

2) Dados do flange:







b) Diâmetro: 7/8 pol = 22,23 mm

c) Material: ASTM A449



f) Tensão admissível na temperatura de operação: Sb = 23.000 psi

g) Tensão admissível na temperatura de instalação (ambiente): Sa = 23.000 psi

h) Tensão mínima permissível nos estojos: Sbmín = 27.600 psi

i) Tensão máxima permissível nos estojos: Sbmáx = 64.400 psi


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.

51


Como as condições de operação não são críticas, qualquer um dos produtos atende às

necessidades. Será selecionado o produto NA1002.

3º) 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


Sgmáx: 20.000 psi

Sgmín-s: 10.000 psi

Sgmín-o: 3.900 psi

φg: 0,7

ϴgmáx: 1,0°

Devem ser conhecidas também as dimensões da junta, neste caso:

𝐷𝑒 = 15 = 381 𝑚𝑚

𝐷𝑖 = 12,76" = 324 𝑚𝑚

𝐴𝑔 = (𝐷𝑒2 − 𝐷𝑖2) ∗ 𝜋

4= 48,92 𝑝𝑜𝑙2 = 31.561,23 𝑚𝑚²


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):

Wm2 = 𝝅 ∗ 0,53 ∗ 13,94 ∗ 3.500 = 81.237,50 lbf



52

𝑊𝑚1 = π ∗ 13,94² ∗ 72,52

4+ 2 ∗ 0,53 ∗ 𝜋 ∗ 13,94 ∗ 2 ∗ 72,52

𝑊𝑚1 = 17.801,07 𝑙𝑏𝑓

Área requerida dos estojos: utilizando as Equações (7) e (8):


𝑆𝑏=

17.801,07

23.000= 0,7740 𝑝𝑜𝑙²

𝐴𝑚2 = 𝑊𝑚

𝑆𝑎=

81.237,50

23.000= 3,5321 𝑝𝑜𝑙²

E a área requerida é:

𝐴𝑚 = 3,5321 𝑝𝑜𝑙²

Segundo a Equação (9):

𝑛𝑏 ∗ 𝐴𝑏 = 12 ∗ 0,4192 = 5,0304 𝑝𝑜𝑙²




Segundo recomendado no código ASME, o valor de SgT deve se situar próximo ao limite de

tensão admissível da junta Sgmáx. Desta forma, neste caso:

𝑆𝑔𝑇 = 14.000 𝑝𝑠𝑖

E pode-se definir a tensão de instalação dos estojos através da Equação (10):


𝑛𝑏 ∗ 𝐴𝑏= 9.000 ∗

48,92

12 ∗ 0,4192

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 136.148,22 𝑝𝑠𝑖

Verificação dos limites do estojo, segundo as Equações (11) e (12):

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚í𝑛. (136.148,22; 64.400)

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 64.400

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚á𝑥. (64.400; 27.600)



Limite de tensão, segundo a Equação (13), utilizando valor de Sfmáx de acordo com a Tabela

16:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 𝑚í𝑛. (64.400; 68.000)


Limite de rotação, segundo a Equação (14), utilizando valor ϴfmáx retirado da Tabela 18:

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 68.000 ∗ (1

0,79)

53

64.400 ≤ 86.075,95

Verificação da tensão de esmagamento (instalação), segundo a Equação (15):

73.500 ≥ 10.000 ∗48,92

12 ∗ 0,4192

64.400 ≥ 52.877,61

Verificação da tensão mínima de operação, como descrito pela Equação (17):

50.258 ≥(3.500 x 48,92) + (

π4

x 72,52 x 12,762)

0,7 x 0,4192 x 12

73.500 ≥ 51.257.96

Verificação do esmagamento máximo da junta, de acordo com a Equação (17):

𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 ≤ 14.000 ∗48,92

12 ∗ 0,4192

64.400 ≤ 136.148,22


De acordo com a equação (18):

𝐹𝑏 = 𝐴𝑏 ∗ 𝑆𝑏𝑠𝑒𝑙 = 64.400 ∗ 0,4192 = 26.996,48 𝑙𝑏𝑓 = 12.245,40 𝑘𝑔𝑓

Utilizando este resultado na Equação (19):

𝑇 = 𝑘 ∗ 𝐹𝑏 ∗ 𝑑𝑝

𝑇 = 0,2 ∗ 12.245,40 ∗ (7

8) ∗ 0,0254 = 54,43 𝑘𝑔𝑓. 𝑚 = 𝟓𝟑𝟑, 𝟕𝟖 𝑵. 𝒎 = 𝟑𝟗𝟑, 𝟕𝟎 𝒍𝒃. 𝒇𝒕

54

6 Conclusões e Recomendações

Foi possível utilizar as orientações de ambos os códigos ASME – Boiler and Pressure

Vessel Code e ASME PCC-1-2010 - 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-1-2010 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.

55

7 Anexos

7.1 Anexo 1 – Tabelas de Compatibilidade Química Tabela 20: Compatibilidade química dos papelões hidráulicos Teadit (Fonte: site Teadit)

56

7.2 Anexo 2 – Gráficos de Pressão x Temperatura

Figura 22: Gráfico pressão x temperatura de aplicação do produto NA1100. (Fonte: site Teadit)

57

Figura 23: Gráfico pressão x temperatura de operação do produto U60NA. (Fonte: site Teadit)

Figura 24: Gráfico pressão x temperatura de operação do produto NA1002. (Fonte: site Teadit)

58

7.3 Anexo 3 – Dados para Projeto de Juntas.

Tabela 21: Valores para cálculo das juntas Teadit. (Fonte: VEIGA, 2014)

Material Espessura Fator "m"Fator "y"

(psi)

Sgmáx

(psi)

Sgmín-s

(psi)

Sgmín-o

(psi)ϕg

ϴgmáx

(°)

1,6 2.0 3.500 30.000 11.000 3.900 0.7 1

3,2 2.0 3.500 20.000 10.000 3.900 0.7 1

1,6 2,9 3.500 30.000 18.000 3.900 0.7 1

3,2 4,1 3.500 22.000 11.000 3.900 0.7 1

1,6 2,6 4.500 32.000 8.000 3.900 0.7 1

3,2 6,1 4.500 16.000 10.000 3.900 0.7 1

NA1002

NA1100

U60NA

59

8 Referências Bibliográficas

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME Boiler and Pressure Vessel

Code, Section VIII, Division 1: Rules for Construction of Pressure Vessels – Mandatory

Appendix 2 – Rules for Bolted Flange Connections with Ring Type Joints. Nova Iorque,

Estados Unidos, 2007.

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME Boiler and Pressure Vessel

Code, Section II, Part D - Materials. Nova Iorque, Estados Unidos, 2007.

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. Guidelines for Pressure Boundary

Bolted Flange Assembly – ASME-PCC-1-2010. Nova Iorque, Estados Unidos, 2010.

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME B.16.5: Pipe flanges and

flanged fittings. Nova Iorque, Estados Unidos, 2003.

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME B.16.20: Metallic Gaskets for

Pipe Flanges: Ring-Joint, Spiral-Wound and Jacketed. Nova Iorque, Estados Unidos, 2012.

AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. ASME B.16.21: Nonmetallic Flat

Gaskets for Pipe Flanges. Nova Iorque, Estados Unidos, 1992.

BOUZID, A.H., GALAI, H. A New Approach to Model Bolted Flange Joints With Full Face

Gaskets. Journal of Pressure Vessel Technology, 2011.

CANONICO, DOMENIC. The History of ASME`s Boiler and Pressure Vessel Code. American

Society of Mechanical Engineers, 2011. Disponível em: <https://www.asme.org/engineering-

topics/articles/boilers/the-history-of-asmes-boiler-and-pressure>. Acesso em 5 Dez. 2016

CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE – CONAMA. Resolução N°3, 1990.

60

COSTA, D. M. B. da. Avaliação das Emissões Fugitivas de Metano em Sistemas de

Transporte de Gás Natural – O Caso do Gasoduto Bolívia-Brasil. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.

ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY – EPA. Overview on Greenhouse Gases.

Disponível em: <https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases>. Acesso em 9

Dez. 2016

ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY – EPA. Greenhouse Gases. 2016. Disponível em:

<https://www3.epa.gov/climatechange/kids/basics/today/greenhouse-gases.html>. Acesso em: 6

Dez. 2016

EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA – EPE. Balanço Energético Nacional, 2014.

Disponível em: <https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2014.pdf>. Acesso em:

6 Dez. 2016

EPOCA, O Vilão Anônimo. 16 de Outubro de 2016. Disponível em:

<http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/0,,EMI55478-15228,00.html>. Acesso em: 7 Dez.

2016

INSTITUTO NACIONAL DE CÂNCER JOSÉ ALENCAR GOMES DA SILVA - INCA. Prevenção

e Fatores de Risco: Amianto. Disponível em:

<http://www2.inca.gov.br/wps/wcm/connect/cancer/site/prevencao-fatores-de-

risco/amianto>.Acesso em: 21 Nov. 2016.

PEREIRA, J. B. S. Análise das condições que provocam o vazamento em ligações

flangeadas aparafusadas de válvulas, tubulações e equipamentos. Disponível em:

<http://66.7.216.136/~petroblog/wp-content/uploads/An%C3%A1lise-juntas-flangeadas-e-

aparafusadas-estojos-a%C3%A7o-C-e-Inoxid%C3%A1vel.pdf>. Acesso em: 1 Dez. 2016.

PEREIRA, J. B. S. Forças atuando em ligação flangeada. Disponível em:

<http://www.petroblog.com.br/wp-content/uploads/For%C3%A7as-atuando-

liga%C3%A7%C3%A3o-flangeada.pdf>. Acesso em: 1 Dez. 2016

61

PINHEIRO, P. Mesotelioma e Asbestose: Doenças do Amianto. Disponível em:

<http://www.mdsaude.com/2010/06/mesotelioma-asbesto-asbestose-amianto.html>. Acesso

em: 21 Nov. 2016.

KLINGER Produtos – Papelão Hidráulico. Disponível em:

<http://www.rklinger.com.br/Site/downloads.asp >. Acesso em:2 Dez. 2016

SÖLKEN, W. Definition and Details of Flanges – Pressure Rating. Disponível em:

http://www.wermac.org/flanges/flanges_pressure-temperature-ratings_astm_asme.html>.

Acesso em: 17 Nov. 2016.

SÖLKEN, W. Definition and Details of Flanges – Flange Faces. Disponível em:

http://www.wermac.org/flanges/flanges_raised-face_flat-face_ring-type-joint.html>. Acesso em:

15 Nov. 2016.

SOUZA, S. L. de. Doenças respiratórias em Araucária/PR – condicionantes

socioambientais e poluição atmosférica. Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2006.

SOUZA, R. C. de. Análise dos Impactos de Emissões Atmosféricas Locais da Indústria

Siderúrgica: um estudo de caso no Rio de Janeiro. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Rio de Janeiro, 2013.

TEADIT. Papelões Hidráulicos. Disponível em:

<http://www.teadit.com/br/index.php?option=com_content&view=article&id=61&Itemid=206>.

Acesso em: 5 Nov. 2016

TEADIT. Compatibilidade Química. Disponível em:

<http://www.teadit.com/br/catalogos/tabcompatibilidadequimicaph.pdf>. Acesso em: 5 Nov. 2016

TELLES, P. C. S. Tubulações Industriais: Materiais, Projeto, Montagem. 10a Ed. Rio de

Janeiro, LTC Editora, 2001.

VEIGA, J. C. Juntas Industriais. 7a Ed. Rio de Janeiro, Teadit, 2014.

Documents

PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA LIGAÇÕES ...monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10019142.pdf · PROJETO DE JUNTAS DE VEDAÇÃO NÃO METÁLICAS PARA