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Apostila para emendas de tubulações por elementos flangeados...

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FLANGES TECÉM TECNOLOGIA EMPRESARIAL LTDA

2011

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1 – INTRODUÇÃO Flanges são elementos que promovem a ligação entre tubos e/ou entre tubos e equipamentos facilitando a montagem e a desmontagem.

As classes de pressão de flanges são definidas pela ANSI (American National Standards Institute) em 150, 300, 400, 600, 900, 1500 e 2500 lb. O padrão ANSI, exige a marcação na lateral do flange por meio de punção, contendo: - Identificação do fabricante - diâmetro nominal da da tubulação - classe de pressão (150, 300 lb...) - faceamento (superfície usinada onde será colocada a junta) - material – especificação ASTM que indica a matéria prima - numero da junta de anel (quando o flange for RTJ) - número da corrida - espessura da parede do tubo que será instalado no flange.

TAYLOR FORGE 4” 300 RF .237 A-105I AK32

Fabricante Diâmetro nominal (in ) Classe de Pressão Faceamento

Espessura Material

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Nº da Corrida

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2 – PRINCIPAIS TIPOS DE FLANGES E SUA UTILIZAÇÃO 2.1 – FLANGES PADRÃO ANSI Os principais tipos de flanges, padrão ANSI, estão mostrados nas figuras abaixo:

Tipos de flanges

FLANGE ROSCADO Threaded Flange

FLANGE DESLIZANTE COM PESCOÇO PARA SOLDA Lap Joint Flange

FLANGE ENCAIXE SOLDA Socket Weld Flange

FLANGE CEGO Blind Flange

FLANGE SOBREPOSTO Slip On Forged Flange

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FLANGE DE PESCOÇO Weld Neck Flange

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2.2 - UTILIZAÇÃO DOS FLANGES Flange Deslizante ou Solto (Lap Joint Flange) Esses flanges são apropriados para pestanas (stub-ends). Os flanges não são fixados às tubulações por solda daí a denominação deslizante. Na montagem o flange é preso ao outro flange da linha pressionando a junta. São indicados para baixas pressões e a principal utilização se dá em locais onde ocorre muita troca, montagem e desmontagem.

Flange Sobreposto (Slip-on Flange) Esses flanges são menos espessos que a maioria dos flanges ficando sobreposto sobre o tubo. Recebem solda interna e externa. Sua utilização se limita a esforços e pressões moderadas. Apresentam vantagem de preço em relação ao flange de pescoço.

Flange Roscado (Threaded Pipe Flange)

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É um dos tipos mais populares de flange sendo fabricado em diversos tipos de materiais. É utilizado com ou sem solda observando-se obviamente o tipo de aplicação. É extremamente interessante para conectar tubulações de pequeno diâmetro por apresentar baixo custo.

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tECÉM Flange de Pescoço (Weld Neck Flange) É o tipo de flange mais utilizado em tubulações de alta pressão. São soldados circunferencialmente no pescoço o que facilita a inspeção da solda por raios X. São também resistentes tanto a altas como a baixas temperaturas, de acordo com o material selecionado. É seguramente o flange de maior aplicação nas indústrias.

Flange de Encaixe (Socket Welding Flange) Esse flange possui um encaixe que recebe a tubulação a ser soldada, sendo utilizada somente um cordão de solda externa. Foi desenvolvido especificamente para tubulações de pequeno diâmetro que devem suportar altas pressões e garantir o não vazamento de produtos químicos.

Flange Cego (Blind Flanges)

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Os flanges cegos (sem furo) são usados para interromper a passagem de fluidos em tubulações, válvulas e bombas ou como acessório no final de linhas. Podem ser utilizados em quaisquer valores de pressão e temperatura desde que dimensionados adequadamente e com o material selecionado convenientemente.

Flange de Redução (Reducing Flange) TECÉM TECNOLOGIA EMPRESARIAL LTDA

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tECÉM Utilizados quando o projeto requer constantes variações no diâmetro das tubulações. Os flanges de redução conectam, de modo econômico, diferentes tipos e tamanhos de flanges. Podem ser utilizados em pressões elevadas e apresentam facilidade de manuseio. As figuras mostram diversos tipos de flanges de redução.

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TABELA DE FLANGES DE REDUÇÃO (TERCOFLAN)

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tECÉM 2.3 – FLANGES PADRÃO API Os flanges API 6BX e 6B (pescoço, cego, target e testes) são definidos pelo padrão API 6 A. Os flanges tipo 6B flanges são do tipo junta anel ou “ ring joint type “ e não são projetadas para vedação face-a-face mas a partir do aperto dos parafusos que comprime a junta (anel) no seu alojamento. Os flanges do tipo 6BX também são de junta anel “ring joint type” e projetados com face em ressalto. A face em ressalto previne danos para os flanges ou para o anel de vedação por aperto excessivo dos parafusos.

CEGO

PESCOÇO

6B FLANGE DE PESCOÇO PARA SOLDA

6BX FLANGE DE PESCOÇO PARA SOLDA

6BX FLANGE CEGO

6BX FLANGE CEGO COM FURO AMORTECIMENTO

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6B FLANGE CEGO

DE TESTE

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FLANGE TARGET

6B FLANGE DE TESTE

6BX FLANGE DE TESTE

COMPARAÇÃO ENTRE OS FLANGES ASME/ANSI E API As diferenças entre os flanges ANSI/ASME e API estão no material de fabricação e na maior pressão de operação definida para os flanges API. Os flanges ASME/ANSI são muito comuns nas indústrias de processo manuseando água, vapor, ar e gases. Os flanges API são fabricados para sistemas de elevados esforços em refinarias trabalhando com produtos como óleo e gás em atmosferas explosivas. São também utilizados na exploração de petróleo. Os padrões de flanges API 6A e ASME/ANSI B16.5 são similares dimensionalmente mas os flanges API são especificados para maiores taxas de pressão como indica a tabela abaixo:

COMPARAÇÃO FLANGES API e. ASME/ANSI Classe de Pressão (psi) Flange

De Pescoço

Cego E Rosqueado

API 6A

600

2000

900

3000

1500

5000

600

2000

900

3000

1500

5000

ASME/ANSI B16.5

API 6A

1/2 - 24

113/16 - 11

1)

113/16 - 211/4 1/2 - 24

113/16 - 203/4 13/16

1

- 11

Na edição antiga do API standard, a faixa de flanges ia de 11/2 to 10(20) inches.

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1)

ASME/ANSI B16.5

Diâmetro nominal (inches)

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tECÉM 2.4 CLASSIFICAÇÃO DOS FLANGES EM RELAÇÃO À FACE

    

Os tipos mais comuns de face de flanges são: Raised Face (RF) (flange com ressalto) Flat Face (FF) (face plana) Ring-Type Joint (RTJ) (junta anel) Male-and-Female (M&F) (macho / fêmea) Tongue-and-Groove (T&G) (ranhura e anel)

FACE COM RESSALTO - RAISED FACE (RF)

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Flanges com ressalto (RF) são os mais utilizados e facilmente identificados. A altura do ressalto nas classes de pressão 150lb e 300 lb é aproximadamente 1,6 (1/16in) e para classe de pressão 400 até 2500 é de 6,4 mm (1/4in).

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FACE PLANA - FLAT FACE (FF) Os flanges de face plana têm a superfície de gaxeta no mesmo plano do circulo de furanção dos parafusos. A aplicação de flanges de face plana se dá onde o flange da linha ou o flange do equipamento é fundido. A utilização de flanges de face com ressalto em ferro fundido por exemplo, pode provocar a quebra do flange durante o aperto dos parafusos. Flanges de face plana nunca devem fazer par com flanges com ressalto. Caso seja necessária a instalação de flanges de ferro fundido face plana com flanges de aço carbono, o ressalto do flange de aço carbono deve ser removido. (ASME B.31.1)

JUNTA ANEL - RING-TYPE JOINT (RTJ)

O tipo de junta anel mais aplicados são: O tipo OVAL de acordo com o ASME B 16.20, disponíveis para clases de pressão de 150 a 2500 lb. O tipo R – OCTOGONAL de acordo com o ASME B 16.20. também disponíveis para classes de pressão de 150 a 2500 lb. Considera-se uma melhoria no projeto do anel OVAL mas só pode ser utilizado em ranuras com fundo plano.

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Os flanges RTJ possuem ranhura usinada na face dentro da qual é alojado o anel que serve de vedação. Esse anel é um anel metálico com dureza inferior a do flange que, quando comprimido pelo aperto dos parafusos, promove uma vedação metal-metal. Os flanges RTJ (como são usualmente denominados) são adequados para altas pressões e altas temperaturas.

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MACHO – FEMEA - MALE-AND-FEMALE (M&F) Com esse tipo os flanges são comprados e utilizados aos pares. A protuberância no flange macho e o recesso no flange fêmea são usinados e ajustados. Esse tipo de flange é comumente encontrado em casco de permutadores de calor.

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TONGUE-AND-GROOVE (T&G) De modo identico ao macho-femea esses flanges trabalham aos pares. Um dos flanges tem uma protuberância (anel externo) e outro um recesso (rebaixo) que se casam na montagem. Esses flanges são comumente utilizados em flanges carcaça caixa de gaxetas de bombas e parte superior / corpo de válvulas (bonnet).

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tECÉM 2.5 - ACABAMENTO DAS FACES DOS FLANGES O ASME B16.5 especifica que a face dos flanges (plana ou ranhurada) tenha uma rugosidade definida de modo a garantir a compatibilidade com a junta e prover um alto grau de vedação.

O acabamento ranhurado pode ser de ranhuras concêntricas ou ranhuras em espiral e são especificadas 30 a 55 ranhuras por polegada e uma rugosidade entre 125 e 500 micro inches. Os acabamentos superficiais mais utilizados são:

Acabamento Stock (estoque) - Stock Finish

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É o tipo de acabamento mais empregado por que, praticamente, é adequado para todos os serviços de condições ordinárias. A junta é prensada pelas ranhuras promovendo uma selagem. O acabamento para esses flanges é gerado por uma ferramenta de ponta com 1,6mm de raio com um avanço de 0,8mm por rotação até 12 polegadas. Par tamanhos a partir de 14 polegadas, o acabamento é feito com ferramenta com raio de 3,2mm e avanço de 1,2 mm por rotação.

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tECÉM Ranhuras em espiral - Spiral Serrated Conhecida também como ranhura contínua ou ranhura fonográfica (dos antigos discos LP). No entanto difere da STOCK pois a ferramenta tem ponta de 90º que cria um “V” com ângulo na ranhura de 45º.

Ranhuras Concêntricas - Concentric Serrated Como o nome indica é constituída de ranhuras concêntricas, utilizando uma ferramenta com ângulo de ponto de 90º.

Acabamento Suave - Smooth Finish

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Esse acabamento não mostra nenhuma ranhura aparente deixada pela ferramenta de usinagem. Esse tipo de acabamento é normalmente utilizada com gaxetas de metal como dupla camisa, planas ou onduladas. O acabamento é obtido com uma ferramenta de 0,8mm de raio na ponta com um acanço de 0,3mm por rotação e uma profundidade de corte de 0,05mm. Com isso o acabamento superficial (rugosidade) ficará entre Ra3,2 e 6,3 micrometros (125 a 250 micro inches).

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tECÉM 2.6 - PARAFUSOS E PARAFUSOS ESTOJO A união por flanges é feita pelo aperto dos parafusos que são normalizados pelo ANSI/ASME e outras normas internacionais. A conexão dos flanges pode ser feita por parafusos máquina (hexagonal) ou parafusos estojo. O parafuso estojo é fabricado a partir de barras roscadas com 2 porcas pesadas enquanto o parafuso máquina tem cabeça hexagonal e uma porca pesada. Todas as porcas são sextavadas. O comprimento do parafuso estojo é definido pelo ASME B 16.5. O comprimento em polegadas é igual ao comprimento roscado efetivo medido paralelamente ao eixo desde o primeiro fio de rosca ate o último sem considerar os chanfros (pontas dos parafusos).

Nota: o comprimento de parafusos estojo métricos, medidos paralelamente ao eixo, inclui as pontas. A quantidade de parafusos dos flanges bem como seu diâmetro será função do tipo de flange e classe de pressão definidos nas normas. As roscas são definidas no ASME B 1.1 .1 Unified Inch Screw Threads, (UN and UNR Thread Form). A rosca mais comum é a simetrica com perfil V, cujo ângulo é s 60°. Esse tipo de roscamente é a utilizada nas UM (Unified Thread) (UN, UNC, UNF, UNRC, UNRF) bem como nas roscas métricas, padrão ISO. The advantage of a symmetrical threads is that they are easier to produce and inspect compared with non-symmetrical threads. These are typically used in general-purpose fasteners.

MARCAÇÃO DOS PARAFUSOS ESTOJO

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Os Parafusos estojo e as porcas devem ser marcados pelo fabricante de acordo com a norma ASTM.

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tECÉM 2.7 - MATERIAIS PARA PARAFUSOS E PORCAS As dimensões para os parafusos estojos estão definidas no ASME B 16.5. Os materiais estão definidos nos padrões do ASTM e são indicados pelo grau (grade). Os graus mais frequentemente utilizdos são o ASTM A 193 para parafusos e ASTM A 194 para porcas O ASTM A193 cobre aços ligas e inoxidáveis para parafusos de vasos de pressão, válvulas, flanges e acessórios de tubulação para altas temperaturas e altas pressões ou ainda para aplicações especiais. O ASTM A194 cobre uma variedade de aço carbono, aço liga e aços inoxidáveis austeníticos e martensíticos para fabricação de porcas. Essas porcas se destinam a utilização em serviços de altas temperaturas, altas pressões ou ambos. A tabela a seguir apresenta alguns materiais utilizados:

TEMPERATURA

FLANGES

DE PROJETO

-195° to 102°C

ASTM A 182 Gr. F304, F304L, F316,

MATERIAL (GRAU) ASTM

MATERIAL (GRAU) ASTM

PARAFUSO ESTOJO

PORCAS

A320 Gr. B8 Class 2

A194 Gr. 8A

A 320 Gr. L7

A 194 Gr. 7

F316L, F321, F347

-101° to -47°C

ASTM A 350 Gr. LF3

-46° to -30°C

ASTM A 350 Gr. LF2

A 320 Gr. L7

A 194 Gr. 7

-29° to 427°C

ASTM A 105

A 193 Gr. B7

A 194 Gr. 2H

A 193 Gr. B16

A 194 Gr. 2H

A 193 Gr. B8 Class 1

A 194 Gr. 8A

A 193 Gr. B8 Class 1

A 194 Gr. 8A

ASTM A 182

428° to 537°C

Gr. F11, F22

ASTM A182

538° to 648°C

649° to 815°C

Gr. F11, F22

ASTM A182 Gr. F304 H, F316 H

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Os parafusos estojo são normalmente fornecimento com incrementos no comprimento de ¼ in. A medição, conforme mencionado anteriormente, vai di 1º fio de rosca até o último (L).

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tECÉM A tolerância está indicada na tabela abaixo: Comprimento (in) Até 12 De 12 a 18 Acima de 18

Tolerância (in) ± 0,062 ± 0,125 ± 0,250

As extremidades dos parafusos estojo devem ser chatas (planas) e chanfradas.

extremidade chanfrada

2.8 MATERIAIS PARA FLANGES, ACESSÓRIOS DE TUBULAÇÃO, VÁLVULAS E PARAFUSOS, SEGUNDO O ASTM Os padrões do ASTM definem o processo de fabricação específico do material e determinam a exata composição química para cada GRAU. Por exemplo, um flange de aço carbono pode ser identificado com o GRAU F9 ou F11, um aço inoxidável com Grau F 316 ou F 321. A tabela abaixo mostra a composição química para o ASTM A 182 graus F304, F304L e F316L. Como pode ser observado para o ASTM A 105 não há grau definido Requisitos de composição química ( %) ASTM A 182 Grade F304 (A) Grade F304L (A)Grade F316L (A) Carbono, max 0.08 0.035 0.035 Manganês, max 2.00 2.00 2.00 Fósforo, max 0.045 0.045 0.045 Enxofre, max 0.030 0.030 0.030 Silicio, max 1.00 1.00 1.00 Niquel 8 - 11 8 - 13 10 - 15 Cromo 18 - 20 18 - 20 16 - 18 Molibdenio 2.00-3.00

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(A) Nitrogen 0.10% max.

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Graus ASTM Material Aço Carbonol

Aço liga Alta Temperatura Aço liga Baixa Temperatura Aços Inoxidáveis Austeníticos

Tubos

Acessórios

Flanges

Válvulas

A106 Gr A A106 Gr B A106 Gr C A335 Gr P1 A335 Gr P11 A335 Gr P12 A335 Gr P22 A335 Gr P5 A335 Gr P9 A333 Gr 5

A234 Gr WPA A234 Gr WPB A234 Gr WPC A234 Gr WP1 A234 Gr WP11 A234 Gr WP12 A234 Gr WP22 A234 Gr WP5 A234 Gr WP9 A420 Gr WPL6

A105 A105 A105 A182 Gr F1 A182 Gr F11 A182 Gr F12 A182 Gr F22 A182 Gr F5 A182 Gr F9 A350 Gr LF2

A216 Gr WCB A216 Gr WCB A216 Gr WCB A217 Gr WC1 A217 Gr WC6 A217 Gr WC6 A217 Gr WC9 A217 Gr C5 A217 Gr C12 A352 Gr LCB

A333 Gr 3

A420 Gr WPL3

A350 Gr LF3

A352 Gr LC3

A312 Gr TP304 A312 Gr TP316 A312 Gr TP321 A312 Gr TP347

A403 Gr WP304 A403 Gr WP316 A403 Gr WP321 A403 Gr WP347

A182 ...