Petroquímica e refinação
Flanges ANSI · linhas de processo
Flanges em linhas de processo a alta pressão e temperatura. Combinação habitual: junta espirometálica + Belleville Inconel 718 em pernos críticos.
Anilhas Belleville
para flanges
Prevenção de fugas em uniões de flange sujeitas a ciclos térmicos, vibração ou relaxamento da junta.
Gama térmica
−350 °C → +650 °C
Materiais
17-7 PH · Inconel 718 · H-13
Aconselhamento
Equipa técnica própria desde 1975
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O que é uma anilha Belleville para flange
Uma anilha Belleville para flange —também designada mola de prato de pressão, disc spring ou coned-disc washer— é um componente elástico cónico instalado sob a porca ou cabeça do perno numa união de flange para manter uma carga axial constante na junta.
Ao contrário das anilhas planas, a sua geometria troncocónica armazena energia elástica que compensa a perda de pré-carga produzida por:
- Relaxamento do perno (creep / stress relaxation) à temperatura de serviço.
- Expansão térmica diferencial entre flange, perno e junta — diferentes coeficientes de dilatação.
- Assentamento (embedment) e fluência do material da junta de vedação.
- Vibrações e cargas dinâmicas que tendem a desapertar a ligação.
Estas anilhas são referenciadas pelo diâmetro do perno em polegadas e três níveis de força para cada um. Também podem ser fornecidas para diâmetro de perno no sistema métrico. Consulte o seu caso.
FOTO + ESQUEMA · montagem em flange com Belleville sob cada porcaanilhas Belleville → marcadas a vermelho
02
Quando utilizar
A instalação de anilhas Belleville em flanges justifica-se quando a união está exposta a algum dos seguintes cenários. A anilha atua como reserva de carga: quando a junta ou o perno perdem comprimento efetivo, a anilha expande-se sem recuperar a sua altura total, o que permite à união manter-se vedada (com uma força menor, mas suficiente para que não ocorram fugas).
01
Colapso térmico · thermal shock
Durante um ciclo térmico, numa união flangeada, o perno, o corpo da flange e a junta sofrem alterações a ritmos diferentes. As anilhas de flange, pré-comprimidas ao binário de aperto exigido pela junta, absorvem estas alterações de modo que a união nunca fica sem força de aperto, evitando assim uma fuga indesejada.
02
Colapso mecânico
O contacto 100 % rígido provoca dois modos opostos: perda de carga por assentamento da junta, ou valores excessivos que partem pernos ou juntas. A elasticidade da anilha de flange absorve estas tensões e mantém a força dentro da gama operacional.
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Relaxamento do perno · creep
Com o passar do tempo e à temperatura de serviço, o perno tende a deformar-se/alongar-se por estar sob tensão. Esse alongamento é absorvido pelas anilhas de flange, de modo que a união não fica sem força de contacto, evitando a fuga do fluido que circula pela tubagem. (O alongamento do perno é menor do que o alongamento da anilha de flange.)
04
Ligações elétricas · efeito Joule
As ligações elétricas são frequentemente compostas por materiais com diferentes coeficientes de dilatação térmica. Além disso, os materiais da união conduzem mais corrente do que os parafusos, o que faz com que a união aqueça mais do que estes. A dilatação térmica diferencial resultante gera um aumento da carga no parafuso, que pode provocar a fluência dos componentes da união. A introdução de anilhas-mola reduz este efeito prejudicial.
↘ Configuração habitual: par de anilhas Belleville sob cada porca do terminal elétrico, normalmente em 17-7 PH ou Inconel 718 consoante a temperatura de serviço.
FOTO · ligação elétrica de flange · corteanilhas a vermelho
Terminais ligados por flange passante. As Belleville absorvem a dilatação cíclica por efeito Joule e mantêm a pressão de contacto entre superfícies.
— Resumo funcional
As anilhas de flange protegem as uniões flangeadas contra fugas, dotando-as da elasticidade que cada caso necessita.
03
Materiais · três ligas para três gamas
A Surisa fabrica as anilhas Belleville para flange em três materiais que cobrem a quase totalidade das aplicações industriais. A seleção depende da temperatura de serviço, da atmosfera de trabalho (corrosão) e da frequência do ciclo térmico.
17-7 PH
X7CrNiAl17-7 · 1.4568
−200 → +300 °C
Resistência à corrosão
Boa (semiaustenítico de precipitação)
Mecânica
Elevada relação resistência / peso. Conserva propriedades elásticas a temperatura moderada e comportamento estável em criogenia.
Aplicação
Flanges na indústria química, ligações elétricas, ambientes corrosivos moderados, equipamentos criogénicos até −200 °C.
Inconel 718
NiCr19NbMo · 2.4668
−250 → +600 °C
Resistência à corrosão
Excelente · oxidação e ataque químico severo
Mecânica
Resistência à fluência (creep) e à fadiga térmica graças à precipitação γ″ (Ni₃Nb). Mantém o limite elástico a alta T°.
Aplicação
Petroquímica, geração de vapor, turbinas, escapes, instalações químicas com fluidos agressivos.
H-13
X40CrMoV5-1 · 1.2344
−100 → +590 °C
Resistência à corrosão
Limitada · não inoxidável. Admite tratamento superficial para trabalhos ao ar livre.
Mecânica
Aço hot-work de base Cr 5 %. Dureza retida a temperaturas elevadas. Excelente comportamento à fadiga térmica.
Aplicação
Flanges em linhas de processo a alta temperatura sem agentes corrosivos. Aplicações com ciclo térmico intenso.
As gamas são orientativas para projeto preliminar. A temperatura de serviço admissível depende também da carga, da frequência do ciclo térmico e da atmosfera.
Vamos falar do seu projeto?
Conte-nos o seu caso de utilização e a nossa equipa de engenheiros aconselhá-lo-á na escolha da solução ótima.
04
Gama térmica · -350 °C → +650 °C
Os três materiais sobrepõem-se na gama central de serviço convencional. A diferença crítica está nos extremos: criogenia em baixo, fluência a alta temperatura em cima.
O Inconel 718 é o único material apto para serviço contínuo acima dos 550 °C graças à sua precipitação γ″. O 17-7 PH é a escolha por defeito quando há corrosão moderada ou trabalho criogénico. O H-13 cobre o intermédio em aplicações não corrosivas onde o ciclo térmico é intenso.
Para o limite superior da gama por material, recomendamos validação com cálculo específico de relaxamento à temperatura de serviço real.
FIG · gamas de temperatura de serviço por material
05
Aplicações · setores onde são críticas
As Belleville para flange são o standard quando a fuga da junta tem consequências críticas (segurança, paragem de fábrica, ineficiência elétrica) e o ambiente torna inevitável a perda da pré-carga inicial.
Geração de energia
Vapor · ciclo combinado
Permutadores de calor, turbinas e condutas de vapor sobreaquecido onde o ciclo térmico é contínuo e a falha da junta tem impacto crítico.
Indústria química
Ambientes corrosivos
Fábricas com fluidos agressivos onde é obrigatoriamente exigido material inoxidável ou liga de níquel. 17-7 PH para corrosão moderada, Inconel 718 para ambientes severos.
Ligações elétricas de potência
Subestações · transformadores
Ligações de flange em quadros industriais, transformadores e subestações. A Belleville absorve a dilatação cíclica por efeito Joule e evita pontos quentes.
Criogenia
GNL · separação de ar · H₂ líquido
Equipamentos até −250 °C onde o inox 17-7 PH e o Inconel 718 mantêm um comportamento elástico estável. Crítico em instalações de GNL e hidrogénio líquido.
Válvulas e juntas industriais
Vedação dinâmica · fecho por flange
Fechos de flange de válvulas com haste, onde a fuga é função direta da manutenção da pré-carga sobre o conjunto da junta.
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Como determinar o binário de aperto
O binário de aperto numa união de flange com Belleville não é um valor de catálogo: depende de vários fatores acoplados que devem ser avaliados em conjunto.
Os fatores principais são: diâmetro e classe do perno, coeficiente de atrito rosca-porca (função do lubrificante e do revestimento), carga de fecho exigida pela junta e curva carga-deflexão da anilha selecionada.
O procedimento habitual é: (1) definir a carga de fecho necessária sobre a junta, (2) selecionar a anilha Belleville cuja curva F-s entregue essa carga dentro da sua zona de trabalho elástico, (3) calcular o binário do perno necessário para alcançar a pré-carga total com o coeficiente de atrito real.
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Perguntas frequentes
01 Qual é a diferença entre uma anilha Belleville DIN 6796 e uma anilha Belleville para flange?
As DIN 6796 são anilhas-mola de bloqueio normalizadas para parafusaria estrutural, concebidas para evitar o desaperto de uniões aparafusadas e trabalhar quase a plano, sendo de uma única utilização. As anilhas de flange são molas de prato de pressão concebidas para manter uma pré-carga elástica significativa durante toda a vida da união, com curva carga-deflexão calculada para compensar a relaxação térmica e mecânica. As primeiras são um elemento de segurança antidesaperto; as segundas são um elemento ativo de manutenção de carga (live loading).
02 Até que temperatura posso usar uma anilha Belleville para flange?
Depende do material. O aço inoxidável 17-7 PH mantém propriedades elásticas estáveis desde −200 °C até cerca de +300 °C. O Inconel 718 é a opção para serviço contínuo até cerca de +600 °C graças à sua resistência à fluência, e desce até −250 °C. O H-13 cobre a gama intermédia em aplicações não corrosivas, desde −100 °C até cerca de +590 °C. Para serviço no limite da gama térmica, recomendamos validação com cálculo específico.
03 Posso substituir uma junta espirometálica por anilhas Belleville num flange?
Não: são elementos complementares, não alternativos. A junta continua a ser o elemento de vedação primário. As anilhas Belleville montam-se sob a porca do perno para manter a pré-carga sobre essa junta quando o sistema sofre ciclos térmicos, vibração ou relaxamento. A instalação combinada (junta espirometálica + anilhas Belleville nos pernos) é habitual em flanges críticos de petroquímica e geração de energia.
04 Quantas anilhas Belleville se montam por perno?
Numa união flangeada, o habitual é montar duas anilhas, uma sob cada porca; estas anilhas não são empilhadas em stacks. O programa de cálculo da Surisa é exclusivo para molas de prato DIN 2093 e não é aplicável às anilhas de flange. Para dimensionar uma união concreta, envie-nos os dados da união (norma de flange, perno, temperatura e junta) e a nossa equipa técnica indicar-lhe-á o material e a disposição adequados.
05 A Surisa fabrica medidas especiais ou só catálogo?
A grande maioria das aplicações que recebemos resolve-se com anilhas de catálogo; é pouco frequente ter de fabricar medidas fora de catálogo, ao contrário do que acontece com as molas de prato DIN 2093. Pontualmente, podem fabricar-se execuções especiais sob consulta.
O prazo de entrega habitual para as referências padrão é de 72 a 96 horas: o material é importado dos Estados Unidos, pelo que o trânsito e os trâmites aduaneiros podem alargar esse prazo. Confirme-nos a sua referência e indicar-lhe-emos o prazo real em cada caso.
06 Que diferença existe em relação à DIN 2093?
A DIN 2093 é um elemento elástico de uso geral: é concebida para uma força e uma deflexão específicas. A anilha de flange é um elemento de manutenção de pré-carga: é concebida para compensar a perda de carga no parafuso da flange por relaxação e temperatura.
Dimensionalmente também são diferentes, tanto na relação entre diâmetro exterior e diâmetro interior como na relação entre a capacidade de deflexão e a altura sem carga.
Vamos falar do seu projeto?
Conte-nos o seu caso de utilização e a nossa equipa de engenheiros aconselhá-lo-á na escolha da solução ótima.