Autópsia dos flanges: construção, funcionamento e definições

Autópsia dos flanges: construção, funcionamento e definições

Os flanges oferecem um meio mecânico de união de tubos, conexões (cotovelos, tês etc.) e válvulas. Comparado às soldas, os flanges são um tipo de junta não permanente que pode ser facilmente montada e desmontada (ideal para sistemas que requerem manutenção). Os flanges são instalados por soldagem ou aparafusamento, e são o segundo método de união mais popular após a soldagem.

O sistema de flangeamento é composto por:

  • Flange (lâmina, cubo).
  • Junta (metálica, composta ou não metálica).
  • Fixadores (porcas, parafusos ou pinos). 

tipos de flanges

Terminologia dos flanges

A terminologia e a nomenclatura dos flanges podem ser confusas devido aos termos, definições e frases semelhantes que são usadas. Para facilitar o processo de aprendizagem, devemos compreender claramente os seguintes termos:

Tipos de flanges

Refere-se ao design do flange. Exemplos de tipos de flange incluem o Flange de Pescoço, Flange de Encaixe, Encaixe para Solda, Flange Rosqueado, Flange Cego e Flanges do tipo junta sobreposta. Os tipos de flanges são selecionados com base nos requisitos de temperatura e pressão e são identificáveis ​​por sua geometria.

Faces do flange

Refere-se à área utilizada para vedação do flange. Uma junta é normalmente instalada entre as duas faces opostas do flange. Exemplos de faces de flange incluem a junta plana, elevada, tipo anel (RTJ), junta sobreposta, macho e fêmea.

Superfícies do flange

Refere-se à condição da superfície de vedação da face do flange. A superfície da face do flange pode ser lisa ou ranhurada¹. A suavidade de uma superfície da face dos flanges é definida por sua Média de Rugosidade (Ra) ou Altura de Rugosidade Média Aritmética (AARH).

É importante perceber que existem muitos aspectos que influenciam não apenas o tipo de flange escolhido para uma determinada aplicação, mas também a face e a superfície. Por exemplo:

  • Certos sistemas podem exigir flanges soldados que podem ser facilmente inspecionadas (isso nem sempre é possível com certos tipos de flange).
  • Certas faces de flange podem não ser adequadas para sistemas de pressão mais alta porque a pressão máxima de vedação é muito baixa (projetos de face plana).
  • Certos materiais tenderão a ter acabamentos pobres que produzem uma superfície de vedação correspondentemente áspera. Essas superfícies ásperas requerem uma gaxeta para obter uma vedação estanque, por exemplo, flanges de ferro fundido.

Ao selecionar um flange, o material é escolhido para atender aos requisitos do processo primeiro, enquanto os requisitos de temperatura e pressão são atendidos com base no material escolhido.

¹ “ranhuras” são regiões usinadas cortadas na superfície da face de um flange. O material da gaxeta flui para dentro das ranhuras, o que resulta em uma vedação mais confiável. As ranhuras também ajudam a manter a junta no lugar.

Juntas parafusadas, rosqueadas e soldadas

Os flanges são um tipo de junta aparafusada. Outros tipos comuns incluem flanges rosqueados e soldados.

Um flange aparafusado requer uma junta e fixadores (porcas, parafusos ou pinos).

Um flange rosqueado requer uma rosca macho e fêmea, a rosca macho parafusa na rosca fêmea. 

Uma junta soldada é feita usando uma solda (o processo de aplicação/fusão de metal pela aplicação de calor).

tipos de flanges

O tipo de junta usada depende de muitos fatores, incluindo pressão, temperatura, tipo de fluido de processo, características operacionais do sistema e ambiente circundante. Flanges aparafusados podem ser usados se:

  • Outros tipos modelos não forem adequados. Por exemplo, a soldagem pode não ser possível em áreas com risco de incêndio ou explosão. Esta é principalmente uma preocupação para um sistema de tubulação já operacional, mas não um que está em construção. 
  • Um item de maquinário deve ser desconectado da linha de serviço para que a manutenção ou substituição da máquina possa ocorrer. 
  • A montagem rápida em campo é necessária usando apenas ferramentas manuais básicas. 
  • O item (por exemplo, tanque, tubo, máquina) ao qual o flange será conectado tenha manutenção com frequência (é rápido e fácil desmontar e montar um flange, mas não uma solda).

Algumas das principais desvantagens associadas a flanges aparafusados incluem:

  • Isolar um flange aparafusado (isolamento térmico) custa mais do que isolar um modelo rosqueado ou soldado.
  • Flanges aparafusados requerem mais espaço físico do que os rosqueados ou soldados.
  • Cada flange aparafusado representa um ponto de vazamento adicional (mesmo se montado corretamente).

Como regra geral, flanges roscados são adequados apenas para aplicações de pressão e temperatura mais baixas, enquanto flanges aparafusados e soldados são adequados para aplicações de pressão e temperatura mais altas.

Se um flange roscado precisar ser estanque e não puder ser tolerado, ele pode ser soldado com vedação. A técnica de soldagem de vedação é usada apenas para condições de pressão de serviço mais altas e não é uma solução ideal porque cria um ponto de concentração de tensão que será propenso a falhas por fadiga.

A vantagem dos flanges soldados é que a solda pode ser comprovada usando técnicas de Ensaios Não Destrutivos (END), por exemplo, teste penetrante, teste ultrassônico, teste de partículas magnéticas, teste de pressão hidrostática etc.

Construção de Flanges

Os flanges são divididos em duas áreas principais, a “lâmina” e o “cubo”.

  • A lâmina do flange abrange a área onde os parafusos penetram através do flange e da face do flange.
  • O cubo do flange é a área que acomoda o tubo que se conecta ao flange.

Para garantir que não ocorra vazamento entre os flanges correspondentes, são usadas juntas de papelão hidráulico. É possível unir dois flanges de metal sem o uso das juntas, mas a vedação é difícil e só pode ser alcançada com flanges especialmente projetados.

A conexão final especifica como o flange é conectado ao tubo que o acompanha (conexão rosqueada ou soldada).

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Como os Flanges funcionam

Um flange é criado quando duas superfícies opostas são intencionalmente pressionadas juntas para criar uma vedação estanque. Para obter uma vedação, a força deve ser aplicada e mantida em cada uma das faces opostas do flange.

Como muitas faces de flanges apresentam imperfeições de fabricação (arranhões, amassados, furos etc.), é necessário colocar um material mais macio entre as duas superfícies de vedação para obter a vedação. Este material mais macio é a junta.

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Matemática Básica de Flanges

Para entender como os flanges funcionam, devemos primeiro entender o conceito de pressão. A pressão é definida como:

Pressão = Força / Área

P = F/A

Os flanges vedam porque a pressão é aplicada às superfícies de vedação correspondentes. Esta pressão é conhecida como “compressão da junta” ou “pressão de vedação”. A pressão aplicada faz com que as duas faces:

  • Esmague uma junta entre as duas faces de acoplamento.
  • Pressione as duas faces de encaixe uma contra a outra.

No exemplo da gaxeta, a gaxeta é deformada devido à pressão aplicada. Essa deformação faz com que a gaxeta “flua” em quaisquer imperfeições da superfície que possam estar presentes em qualquer face de vedação. Como as imperfeições da superfície foram preenchidas pelo material da gaxeta, o vazamento não é mais possível.

O segundo exemplo assume que nenhuma junta ou gaxeta está presente e que duas faces de flange são pressionadas juntas. É difícil criar uma vedação estanque usando este método, embora seja possível se as superfícies forem bem usinadas e muito limpas.

A pressão de vedação aplicada geralmente precisa ser significativa, pois a superfície do flange pode ser fabricada em metal, que não se deforma facilmente sob pressão (dependendo da classe do material e do flange). A vedação do flange de metal com metal é cara e, portanto, não é comum.

Fatores definidores dos flanges

Os flanges são categorizados com base em determinados critérios, e essas categorias geralmente são definidas por padrões e especificações de tubulação relevantes (discutidos posteriormente). Um flange é definido por:

Tipo – a geometria do flange como um todo. Pescoço de soldagem, encaixe e solda de soquete são exemplos de diferentes tipos de flange.

Face – a área de vedação do flange. Face plana, face elevada e junta tipo anel são exemplos de diferentes faces de flange.

Padrões e Especificações – os flanges são fabricados de acordo com determinados padrões e especificações. Padrões e especificações ditam as dimensões, geometria e material de um determinado flange (para citar alguns fatores). 

Dimensões – as dimensões do cubo, face, lâmina etc. de um flange. As dimensões dependem do tamanho nominal do tubo (NPS) e da classe de pressão necessária para uma determinada aplicação.

Tamanho nominal do tubo (NPS) – uma unidade de medida adimensional que define o tamanho do item (tubo, conexão etc.) que se conecta ao flange.

Classe de Pressão – a classificação de pressão-temperatura do flange para um determinado material. Apesar do nome “classe de pressão”, este fator depende do material e da temperatura.

Material – o material a partir do qual o flange é fabricado, por exemplo, ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável etc.

Schedule (SCH) – espessura de um tubo. O Schedule de um tubo é relevante apenas para flanges de pescoço e flanges sobrepostos, porque o Schedule desses flanges deve corresponder ao Schedule da tubulação associada à qual eles estão conectados. Os outros tipos de flanges deslizam parcialmente, parafusam ou penetram em seu flange associado, portanto, o Schedule do flange não precisa corresponder ao do tubo.

Diversas normas e padrão de flanges

É importante perceber que os flanges não são itens únicos. Os flanges são fabricados para uma finalidade específica, com muitos fatores de projeto já considerados. Caso um flange falhe, o mesmo flange pode – teoricamente – ser encomendado para substituir seu predecessor.

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