A flange é um componente chave indispensável nos sistemas modernos de tubagem e equipamento. Como método padronizado e destacável de ligação de tubagens, é utilizado principalmente para obter interfaces fiáveis entre tubos, válvulas, bombas e equipamento, facilitando grandemente a vedação, instalação, manutenção de rotina e inspeção do sistema. As ligações por flange utilizam a pré-carga dos parafusos para unir firmemente os componentes, tornando-as numa das formas de ligação mais utilizadas na engenharia de transporte de fluidos.
O que é uma flange
Uma flange é essencialmente uma peça de ligação redonda ou quadrada com orifícios para parafusos, montada na extremidade de um tubo ou equipamento. Na prática industrial, um conjunto completo de ligação por flange é constituído por três componentes principais:
- Corpo da flange: Normalmente, duas peças, utilizadas para ligar a tubagem ou os orifícios do equipamento.
- Junta de vedação: Colocado entre as duas faces da flange para proporcionar uma vedação flexível.
- Aparafusamento: A aplicação de uma pré-carga uniforme através de parafusos e porcas.
Diagrama explodido que ilustra os principais componentes de uma ligação de flange - corpo da flange, junta e parafusos.
O valor central da ligação por flange reside na sua capacidade de conseguir uma desmontagem e manutenção rápidas, fiáveis e repetitivas, garantindo simultaneamente um funcionamento sem fugas, o que constitui uma vantagem significativa em relação às ligações soldadas.
Para além das aplicações em tubagens, o termo "flange" pode também referir-se, de forma mais ampla, a qualquer rebordo ou aresta saliente utilizado para reforçar ou ligar estruturas mecânicas.
Como funciona uma ligação de flange
O princípio de vedação de uma ligação de flange baseia-se na força mecânica. O processo segue essencialmente os seguintes passos:
- Colocação inicial: A junta é posicionada com precisão entre as faces de vedação das duas flanges.
- Aplicação de pré-carregamento: Uma pré-carga axial significativa é aplicada à junta através do aperto uniforme dos parafusos e porcas.
- Deformação da junta: Sob a pré-carga, a junta sofre uma deformação controlada (elástica ou plástica), preenchendo totalmente e adaptando-se às pequenas irregularidades, ranhuras ou defeitos das duas faces da flange.
- Realização da selagem: Quando o sistema está operacional, as forças de separação geradas pela pressão do meio interno, temperatura e cargas externas são equilibradas pela pré-carga do parafuso. Enquanto a força do parafuso exceder a soma de todas as forças de separação, a junta mantém a sua tensão mínima de vedação, obtendo assim uma vedação fiável e duradoura.
Tipos de flanges comuns
As flanges existem em vários tipos, cada um adequado a diferentes condições de funcionamento, classificações de pressão e requisitos de instalação.
Flange com pescoço de soldadura
A flange de pescoço de soldadura apresenta um cubo longo e cónico que se liga ao tubo através de soldadura de topo. A sua transição gradual da espessura da flange para a parede do tubo minimiza a concentração de tensões, proporcionando uma excelente resistência e fiabilidade de vedação. É ideal para condições de serviço de alta pressão, alta temperatura e flutuantes, como linhas de vapor e permutadores de calor.
Flange deslizante
A flange de encaixe desliza diretamente sobre o tubo e é soldada em ângulo nos lados interior e exterior. Oferece um alinhamento simples e requer menos trabalho de soldadura. Devido à sua resistência moderada, é mais adequada para aplicações de baixa a média pressão a temperaturas normais, mas não é recomendada para pressões ou variações de temperatura severas.
Flange cega
A flange cega é uma placa sólida sem furo, utilizada para fechar a extremidade de uma tubagem, válvula ou recipiente sob pressão. Permite um acesso fácil para inspeção, manutenção ou testes hidrostáticos e proporciona um meio fiável de isolar uma secção do sistema de tubagem.
Flange de soldadura de encaixe
A flange de soldadura de encaixe tem um furo rebaixado onde o tubo é inserido e unido com uma única soldadura de filete externa. Esta conceção proporciona uma elevada integridade estrutural e é normalmente utilizada para sistemas de pequeno diâmetro e alta pressão, tais como linhas de instrumentos. No entanto, é menos adequado para fluidos corrosivos ou aplicações que exijam uma inspeção rigorosa da soldadura.
Flange roscada
A flange roscada liga-se aos tubos através de roscas internas, eliminando a necessidade de soldadura. Permite uma instalação rápida e é especialmente útil em áreas onde a soldadura é perigosa ou não é permitida. As flanges roscadas são normalmente utilizadas em sistemas de baixa pressão e não críticos que envolvem meios inflamáveis ou explosivos.
Flange de junta sobreposta
A flange de junta sobreposta é constituída por uma extremidade de topo e um anel de apoio solto que pode rodar livremente à sua volta. Isto permite um alinhamento fácil dos orifícios dos parafusos e uma montagem ou desmontagem conveniente. É ideal para sistemas de tubagem que requerem manutenção frequente ou manuseamento de fluidos corrosivos, em que a extremidade de topo pode ser feita de material resistente à corrosão, enquanto a flange de apoio utiliza aço-carbono económico.
Tipos de faces de flange
A face de vedação é a parte da flange que contacta diretamente com a junta, e a sua geometria determina o desempenho da vedação e os materiais adequados para a junta.
Comparação de três tipos de faces de flange: Junta tipo anel (RTJ), face elevada (RF) e face plana (FF).
- Junta de tipo anel (RTJ):A face de vedação inclui uma ranhura maquinada com precisão que contém um anel de vedação metálico. Esta configuração oferece uma integridade de vedação extremamente elevada e é amplamente utilizada em condições de alta pressão, alta temperatura ou meios perigosos.
- Rosto levantado (RF):A superfície de vedação é ligeiramente elevada acima da face do círculo de parafusos. É a face de flange mais comummente utilizada, proporcionando uma ampla adaptabilidade a diferentes juntas, especialmente juntas de chapa não metálica e juntas enroladas em espiral.
- Face plana (FF):A superfície de vedação está nivelada com toda a face da flange. É normalmente utilizado para sistemas de baixa pressão e equipamento feito de materiais frágeis, como ferro fundido ou fibra de vidro, para evitar tensões de flexão durante o aperto dos parafusos.
Dimensões
As dimensões das flanges definem os parâmetros geométricos necessários para assegurar o alinhamento, a vedação e a integridade mecânica adequados num sistema de tubagem.
Determinam não só a compatibilidade da flange com o tubo ligado, mas também a sua capacidade de acomodar corretamente as juntas e os parafusos sob pressão.
Principais parâmetros dimensionais:
- Diâmetro nominal (DN / NPS): Representa a dimensão nominal do tubo correspondente ao diâmetro interior do tubo ligado - DN para os sistemas métricos e NPS para sistemas imperiais.
- Diâmetro exterior e círculo de parafusos: Especificar a dimensão total da flange e o posicionamento exato dos orifícios dos parafusos para garantir o alinhamento e a permutabilidade.
- Base de conceção: Todos os parâmetros dimensionais - incluindo o número, tamanho e espaçamento dos parafusos - devem estar estritamente em conformidade com a norma de classificação de pressão aplicável (por exemplo, ASME B16.5 ou EN 1092) para garantir que a flange, a junta e o conjunto de parafusos funcionam com segurança sob a pressão de projeto pretendida.
Classificações de pressão
As classificações de pressão dos flanges definem a pressão interna máxima que um flange pode suportar com segurança a uma determinada temperatura. São o principal indicador da força e da capacidade de suporte de pressão de uma flange e servem como parâmetro chave na conceção do sistema e na seleção do material.
Sistemas de classificação:
As diferentes normas expressam as classificações de pressão das flanges em sistemas distintos:
- Sistema americano (classe ASME): Utiliza designações como Classe 150, Classe 300, Classe 600, etc. Um número de classe mais elevado indica uma maior resistência à pressão.
- Sistema europeu (EN/DIN PN): Utiliza designações como PN10, PN16, PN40, etc., quando PN representa Pressão nominal (normalmente medido em bar).
É importante notar que a pressão de trabalho permitida de uma flange diminui à medida que a temperatura de funcionamento aumenta. Os engenheiros de projeto devem consultar sempre as Tabelas de Classificação de Pressão-Temperatura aplicáveis para o material e norma específicos, para garantir que a flange selecionada cumpre as condições de serviço reais.
Normas e marcação de flanges
As normas de flanges definem os requisitos dimensionais, de material e de ensaio que permitem a permutabilidade global e um desempenho consistente em todos os sistemas de tubagens.
São classificados por sistemas regionais e industriais, cada um com a sua própria série de classificação de pressão e convenções dimensionais.
As marcações obrigatórias em cada flange asseguram uma rastreabilidade e identificação totais durante o fabrico e a vida útil.
Sistemas comuns normalizados:
- ASME B16.5 e ASME B16.47 - Predominantemente utilizado nas Américas.
A norma B16.5 abrange flanges até NPS 24, enquanto a norma B16.47 se aplica a grandes diâmetros de NPS 26 a NPS 60. - Normas EN 1092 / DIN - Comum na Europa, utilizando a série de pressão PN para especificar as classificações de pressão nominal.
- HG/T 20592-20635 - Normas chinesas da indústria química, harmonizadas com os sistemas internacionais e que suportam as séries PN e Class.
Todas as flanges conformes são marcadas permanentemente com dados críticos, como a designação padrão, o tipo de material, o tamanho nominal, a classe de pressão e o número de calor, para garantir o controlo de qualidade, a conformidade regulamentar e uma rastreabilidade fiável.
Aplicações de flanges na indústria
Devido à sua fiabilidade e facilidade de manutenção, as ligações flangeadas são amplamente aplicadas em infra-estruturas críticas de várias indústrias:
- Sistemas de oleodutos e gasodutos: Utilizado para ligar linhas de transmissão de longa distância, estações de bombagem, estações de compressão e equipamento de processamento de petróleo e gás.
- Tubagem de processos químicos: Utilizado para transportar meios químicos corrosivos, a alta temperatura ou a alta pressão, facilitando a inspeção regular e a substituição do equipamento.
- Sistemas de Engenharia Marítima e Offshore: Utilizado para ligar tubagens de navios, equipamento de dessalinização e vários sistemas em plataformas offshore.
- Sistemas AVAC e de tratamento de água: Utilizado para ligar caldeiras, permutadores de calor, bombas e grandes redes municipais de abastecimento de água e de drenagem.
Conclusão
A flange, como um método de ligação de tubos padronizado, de elevada manutenção e amplamente aplicável, desempenha um papel crucial na segurança e eficiência industrial. Ao conceber e adquirir, os engenheiros devem considerar cuidadosamente factores como as propriedades do meio, a temperatura de funcionamento e a pressão para selecionar corretamente o tipo de flange, o revestimento, a pressão nominal e a norma. Só através de uma seleção e instalação adequadas é possível garantir a segurança a longo prazo e o funcionamento fiável de todo o sistema de transporte de fluidos.
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