Selagem de Motores com Juntas Planas de Cortiça-Borracha ...

Selagem de Motores com Juntas Planas de Cortiça-Borracha

Influência da Percentagem de Etanol em Misturas com Gasolina

Pedro Miguel Alves Pereira Gil

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Prof. Nuno Manuel Mendes Maia (IST)

Orientadores: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis (IST)

Prof. Miguel António Lopes de Matos Neves (IST)

Vogais: Prof. Eduardo Joaquim Anjos de Matos Almas (IST)

Eng. João Fernandes (ACC)

Setembro de 2008

i

Agradecimentos

A realização do trabalho experimental e a escrita da tese contaram com a valiosa colaboração de

algumas pessoas às quais faço questão de demonstrar o meu mais sincero agradecimento. A minha

gratidão estende-se:

Aos meus orientadores científicos, Professor Luís Reis e Professor Miguel Neves por terem

possibilitado que a tese fosse desenvolvida conjuntamente com o estágio, pelo apoio prestado ao

longo do trabalho e pelas revisões zelosas da tese que permitiram que o documento apresentasse

maior rigor científico;

Ao Eng. João Fernandes, que acompanhou e orientou o meu trabalho na Amorim Cork

Composites, pelo que me ensinou acerca da selagem, pelo que me ensinou acerca do funcionamento

duma empresa e do papel do engenheiro, pela disponibilidade em esclarecer as dúvidas com que me

ia deparando ao longo do trabalho e por ter sido a alavanca empírica que facilitou a resolução de

alguns problemas que surgiram aquando do trabalho experimental;

Aos colaboradores da secção de Desenvolvimento de Novos Produtos, pelo companheirismo que

ajudou à minha integração na empresa e que tornou o estágio não só uma experiência de

enriquecimento a nível técnico, mas também uma experiência de enriquecimento ao nível do

relacionamento interpessoal;

Aos meus pais, por tudo o que representam para mim e por me terem apoiado incondicionalmente

ao longo de toda a minha vida. Muita gente diz que tem os melhores pais do mundo, mas, sem

presunção, julgo ser o único a poder dizê-lo sem mentir;

À minha irmã, ou mana como ela prefere que eu a chame, por me ter auxiliado na fase final de

verificação e formatação do texto, mas acima de tudo por ser, há já 20 anos, uma presença

motivadora na minha vida. Isto é que são manas.

ii

Resumo

A utilização crescente de biocombustíveis, nomeadamente misturas de gasolina com etanol,

obriga a identificar o impacto que estes terão sobre os componentes constituintes do sistema de

admissão de combustível dos motores. Neste trabalho, apresentam-se os principais resultados do

estudo da adequabilidade de juntas de cortiça-borracha à selagem de motores que utilizem misturas

de gasolina com etanol.

Com o propósito de avaliar a compatibilidade química de quatro (4) compósitos de cortiça-

borracha, foram imersas várias amostras em diferentes misturas de gasolina com etanol e

determinada a variação de dureza, volume, espessura e peso ao fim de 168 horas de imersão. Os

resultados decorrentes destes testes diferiram de material para material, mas todos revelaram menor

tolerância a misturas com baixas e médias percentagens de etanol (E5, E10, E25, E50) em relação à

gasolina ou a misturas com percentagens de etanol elevadas (E85).

Com vista a testar os materiais em condições o mais próximas possível das condições de serviço,

realizaram-se dois testes de validação que permitiram avaliar o desempenho dos materiais enquanto

juntas. No primeiro teste, fizeram-se circular, durante um ciclo de 100 horas, misturas de E15 e E50

por 3 carburadores ligados a um reservatório, o que permitiu aferir a resposta dos materiais ao ataque

químico quando sujeitos à compressão. No segundo teste, instalaram-se juntas de cortiça-borracha

fabricadas com dois (2) dos quatro (4) compósitos testados num motor Honda GCV 160, sujeitando-

-as ao funcionamento do motor por períodos de 100 horas, e avaliou-se o desempenho das juntas

com base na inspecção visual das mesmas após o teste.

No final do trabalho é possível concluir que os compósitos de cortiça-borracha se mostram

capazes de garantir a selagem de gasolina e de misturas de gasolina com etanol.

Palavras-Chave: Cortiça-Borracha; Juntas planas; Selagem; Gasolina; Misturas com Etanol

iii

Abstract

The increasing use of biofuels, namely blends of gasoline with ethanol, requires the identification of

the impact they have on the components of the fuel admission system of internal combustion engines.

In this work, are presented the main results of the study of the suitability of corkrubber gaskets to seal

engines using gasoline mixed with ethanol.

In order to evaluate the chemical compatibility of four (4) corkrubber composites, several samples

were immersed in different blends of gasoline with ethanol to determine the changes of hardness,

volume, thickness and weight after 168 hours of immersion. The results of these tests differed

between materials, but all of them showed less tolerance to blends with low and medium percentages

of ethanol (E5, E10, E25, E50) when compared to gasoline or blends with higher percentages of

ethanol (E85).

To test the material in conditions as close as possible to the service conditions, it were done two

validation tests that allowed to evaluate the corkrubber gaskets performance. In the first test, E15 and

E50 blends flowing through three (3) carburetors connected to a reservoir during 100 hours cycle,

allowed to gauge the response of materials to chemical attack when subjected to compression. In the

second test, corkrubber gaskets manufactured with two (2) of the four (4) composites tested were

installed in a Honda GCV 160 engine, subjecting them to the operation of the engine for periods of

100 hours in order to evaluate the gaskets performance based on visual inspection.

At the end of the work it is possible to conclude that the corkrubber composites passed the tests for

sealing of gasoline and blends of gasoline with ethanol.

Key-words: CorkRubber; Flat Gaskets; Sealing; Gasoline; Ethanol blends

iv

Índice

AGRADECIMENTOS.............................................................................................................. i

RESUMO............................................................................................................................. ii

PALAVRAS-CHAVE............................................................................................................... ii

ABSTRACT.......................................................................................................................... iii

KEYWORDS......................................................................................................................... iii

ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................................. vii

ÍNDICE DE TABELAS............................................................................................................. x

NOMENCLATURA................................................................................................................. xi

ACRÓNIMOS........................................................................................................................ xiii

1. INTRODUÇÃO............................................................................................................. 1

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................................ 4

2.1. A CORTIÇA.................................................................................................................. 4

2.1.1. Breve Enquadramento Histórico........................................................................ 4

2.1.2. Estrutura e Composição Química da Cortiça.................................................... 5

2.1.3. Comportamento em Compressão da Cortiça.................................................... 7

2.1.4. Produtos em Cortiça.......................................................................................... 10

2.2. BORRACHAS UTILIZADAS NAS MISTURAS DE CORTIÇA-BORRACHA TESTADAS.................. 12

2.3. CORTIÇA-BORRACHA – COMPÓSITO VERSÁTIL............................................................. 12

2.3.1. Produção de Cortiça-Borracha.......................................................................... 12

2.3.2. Características dos Compósitos de Cortiça-Borracha...................................... 14

2.4. ESTADO DO CONHECIMENTO DA SELAGEM DE FLUIDOS POR LIGAÇÃO APARAFUSADA

COM JUNTAS...................................................................................................................... 16

2.4.1. Introdução.......................................................................................................... 16

2.4.2. Tipos de Ligações com Juntas.......................................................................... 18

2.4.3. Selecção das Juntas.......................................................................................... 20

2.4.3.1. Material das Juntas.................................................................................... 21

2.4.3.2. Espessura das Juntas............................................................................... 24

2.4.4. Comportamento Mecânico das Juntas.............................................................. 24

2.4.4.1. Rigidez das Juntas.................................................................................... 25

2.4.4.2. Fluência e Relaxamento Sob Tensão........................................................ 25

2.4.4.3. Resistência à Tracção............................................................................... 27

2.4.4.4. O Factor PxT............................................................................................. 27

2.4.4.5. Resistência ao Esmagamento................................................................... 27

2.4.4.6. Compressibilidade e Recuperação............................................................ 28

2.4.5. Procedimento de Montagem.............................................................................. 28

v

2.4.5.1. Ferramentas Necessárias.......................................................................... 28

2.4.5.2. Inspecção dos Elementos da Ligação....................................................... 28

2.4.5.3. Tensão Requerida..................................................................................... 29

2.4.5.4. Sequência de Aperto Adequada................................................................ 30

2.4.5.5. Especificações Para Instalação de Juntas................................................ 31

2.4.5.6. Procedimento de Desmontagem............................................................... 31

2.4.6. Projecto de Juntas............................................................................................. 31

2.4.6.1. Procedimento do Código ASME................................................................. 32

2.4.6.2. Método Simplificado de Whalen................................................................. 33

2.4.6.3. Determinação da Segurança de uma Ligação Aparafusada com Junta..... 34

2.4.6.4. Outros Métodos.......................................................................................... 34

2.4.6.5. Recomendações Relativas a Geometria das Juntas.................................. 36

2.4.7. Avaliação do Desempenho das Juntas............................................................. 37

2.4.7.1. Verificação de Fugas................................................................................. 38

2.4.7.2. Compatibilidade Química........................................................................... 38

2.4.7.3. Resistência à Temperatura........................................................................ 39

2.4.7.4. Aderência aos Membros da Ligação......................................................... 40

2.4.8. Fabrico e Armazenamento de Juntas................................................................ 40

3. EQUIPAMENTO E METODOLOGIA EXPERIMENTAL.............................................. 42

3.1. EQUIPAMENTO UTILIZADO............................................................................................. 42

3.1.1. Chaves Dinamométricas.................................................................................... 42

3.1.2. Durómetro.......................................................................................................... 43

3.1.3. Comparador de Espessuras.............................................................................. 43

3.2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL...................................................................................... 44

3.2.1. Metodologia para os Testes de Compatibilidade Química................................ 44

3.2.2. Metodologia para os Testes de Validação de Juntas Sujeitas ao Líquido em

Pressão Estacionária em Três Carburadores................................................................... 44

3.2.3. Metodologia para os Testes de Validação de Juntas com Motor em

Funcionamento................................................................................................................. 45

3.2.3.1. Fluxograma do Processo de Validação Experimental de Juntas Num Motor. 48

4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DE RESULTADOS.............................................. 50

4.1. TESTES DE COMPATIBILIDADE QUÍMICA......................................................................... 50

4.1.1. Propriedades dos Materiais............................................................................... 50

4.1.1.1. Composto de Cortiça com Borracha Nitrílica TS 1400.............................. 50



vi

4.1.1.4. Composto de Cortiça com Epicloridrina TS 7110...................................... 54

4.1.2. Agentes Químicos............................................................................................. 55

4.1.3. Resultados e Discussão.................................................................................... 55

4.2. TESTES DE VALIDAÇÃO DE JUNTAS EM TRÊS CARBURADORES........................................ 59

4.2.1. Equipamento da Aplicação................................................................................ 59

4.2.2. Juntas Utilizadas................................................................................................ 60

4.2.3. Agentes Químicos............................................................................................. 61

4.2.4. Algumas Considerações Relativas à Aplicação da Metodologia....................... 61


4.2.5.1. Teste com a Mistura de Gasolina com Etanol E15.................................... 62

4.2.5.2. Teste com a Mistura de Gasolina com Etanol E50.................................... 65

4.3. TESTES DE VALIDAÇÃO DE JUNTAS NUM MOTOR EM FUNCIONAMENTO............................ 67

4.3.1. Motor Honda GCV 160...................................................................................... 67

4.3.2. Juntas Utilizadas................................................................................................ 68

4.3.3. Agente Químico................................................................................................. 69

4.3.4. Algumas Considerações Relativas à Aplicação da Metodologia....................... 69


4.3.5.1. Teste com Compósito de Cortiça-Borracha TS 1800................................ 72

4.3.5.2. Teste com Compósito de Cortiça-Borracha TS 1400................................ 75

4.4. RESUMO DOS RESULTADOS OBTIDOS NOS TESTES........................................................ 78

5. CONCLUSÕES E PROPOSTAS PARA DESENVOLVIMENTOS FUTUROS............ 80

5.1. CONCLUSÕES.............................................................................................................. 80

5.2. PROPOSTAS PARA DESENVOLVIMENTOS FUTUROS........................................................ 81

REFERÊNCIAS ............................................................................................................... 83

ANEXOS ..........................................................................................................................

Anexo A – Metodologia de Ensaio dos Testes de Compatibilidade Química................... A

Anexo B – Critérios de Avaliação da Compatibilidade Química da Norma UL157........... C

Anexo C – Tabela dos Coeficientes m e y e do Parâmetro b0 do Código ASME............. D

Anexo D – Glossário de Termos Relacionados com Juntas (Norma ASTM F 118)......... G

Anexo E – Quadros de Compatibilidade Química............................................................ J

Anexo F – Complemento da Tabela 2.5: Materiais Metálicos para Juntas K

vii

Índice de Figuras

Figura 2.1 – Estrutura da parede celular da cortiça segundo von Honel.................................... 6

Figura 2.2 – Modelo da “meia-parede” celular proposto por Sitte............................................... 6

Figura 2.3 – Secções principais da cortiça vistas com microscópio electrónico de varrimento.. 6

Figura 2.4 – Orientação das direcções principais da cortiça....................................................... 7

Figura 2.5 – Curvas experimentais em compressão radial (R) e não-radial (NR)....................... 8

Figura 2.6 – Fluxograma do processo de produção de cortiça-borracha.................................... 14

Figura 2.7 – Comparação entre a compressibilidade da cortiça, da borracha e da

cortiça-borracha........................................................................................................................... 15

Figura 2.8 – Interdependência dos elementos constituintes duma ligação com junta................ 16

Figura 2.9 – Junta Trelleborg “Gina” do túnel Øresund............................................................... 17

Figura 2.10 – Componentes típicos duma ligação com junta...................................................... 18

Figura 2.11 – Flanges com superfícies sobrelevadas................................................................. 18

Figura 2.12 – Juntas sobrepostas............................................................................................... 19

Figura 2.13 – Juntas planas........................................................................................................ 19

Figura 2.14 – Flanges com entalhe............................................................................................. 19

Figura 2.15 – Flanges macho-fêmea........................................................................................... 19

Figura 2.16 – Juntas planas e flanges com entalhe.................................................................... 20

Figura 2.17 – Junta anelar........................................................................................................... 20

Figura 2.18 – Comportamento à compressão do material usado no fabrico de juntas............... 24

Figura 2.19 – Cone de influência de um parafuso....................................................................... 25

Figura 2.20 – Sequências de aperto para configurações circulares........................................... 30

Figura 2.21 – Sequências de aperto para configurações de geometria diversa......................... 30

Figura 2.22 – Tensão de selagem vs Parâmetro de estanquicidade.......................................... 35

Figura 2.23 – Exemplos de selagem insuficiente devido à inadequada distribuição dos

parafusos..................................................................................................................................... 36

Figura 2.24 – Alterações do design da junta para prevenir ruptura junto aos furos.................... 37

Figura 2.25 – Pormenor de junta reforçada................................................................................ 37

Figura 2.26 – Juntas em que se verificam sintomas de ataque químico..................................... 39

Figura 2.27 – Fissuras radiais devido a ataque térmico.............................................................. 39

Figura 2.28 – Aderência de juntas em fibra de papel e em grafite.............................................. 40

Figura 3.1 – a) Chave Craftsman; b) Chave Tohnichi................................................................. 43

Figura 3.2 – Durómetro Shore A................................................................................................. 43

Figura 3.3 – Comparador de espessuras digital.......................................................................... 43

Figura 3.4 – Colocação das juntas nos carburadoes.................................................................. 45

Figura 3.5 – Projecto do design das juntas................................................................................. 46

Figura 3.6 – Gráficos para selecção da espessura..................................................................... 47

Figura 3.7 – Fluxograma do processo de validação experimental de juntas planas num motor. 49

Figura 4.1 – Curvas de compressão do compósito TS 1400 para diferentes espessuras.......... 51

viii

Figura 4.2 – Imagem fotográfica de uma amostra do TS 1400................................................... 51







Figura 4.9 – Variação de dureza em misturas de gasolina com etanol...................................... 55

Figura 4.10 – Variação de volume em misturas de gasolina com etanol.................................... 56

Figura 4.11 – Variação de espessura em misturas de gasolina com etanol............................... 56

Figura 4.12 – Variação de peso em misturas de gasolina com etanol........................................ 56

Figura 4.13 – Factor de agressividade de diferentes fluidos nos compósitos testados.............. 57

Figura 4.14 – Equipamento para teste de juntas em carburadores............................................ 50

Figura 4.15 – Configuração das juntas no teste com E15........................................................... 60

Figura 4.16 – Configuração das juntas no teste com E50........................................................... 60

Figura 4.17 – Fotografia da junta em TS 1400 do carburador 1 após teste com E15................ 63

Figura 4.18 – Fotografia da junta em TS 1400 do carburador 2 após teste com E15................ 63

Figura 4.19 – Fotografia da junta em TS 1800 do carburador 2 após teste com E15................. 63












Figura 4.31 – Motor Honda GCV 160.......................................................................................... 68

Figura 4.32 – Nesting do conjunto de juntas do motor Honda GCV 160.................................... 69

Figura 4.33 – Sequência de aperto dos parafusos do cárter...................................................... 70

Figura 4.34 – Juntas cortadas com jacto de água....................................................................... 71

Figura 4.35 – Fotografia da junta em TS1800 para a caixa das válvulas após teste com

gasolina....................................................................................................................................... 74

Figura 4.36 – Fotografia da junta em TS1800 para a tampa do respirador após teste com

gasolina....................................................................................................................................... 74

Figura 4.37 – Fotografia do conjunto de juntas em TS1800 para o carburador após teste com

gasolina....................................................................................................................................... 74

Figura 4.38 – Fotografia da junta em TS1800 para o cárter após teste com gasolina................ 75

ix

Figura 4.39 – Fotografia da junta em TS1400 para a caixa das válvulas após teste com

gasolina....................................................................................................................................... 76

Figura 4.40 – Fotografia da junta em TS1400 para a tampa do respirador após teste com

gasolina....................................................................................................................................... 76

Figura 4.41 – Fotografia do conjunto de juntas em TS1400 para o carburador após teste com

gasolina....................................................................................................................................... 77

Figura 4.42 – Fotografia da junta em TS1400 para o cárter após teste com gasolina................ 77

Figura 4.43 – Remoção de uma junta do carburador ilustrando a fácil remoção sinónimo de

baixa aderência........................................................................................................................... 78

x

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 – Composição química da cortiça............................................................................. 7

Tabela 2.2 – Propriedades elásticas da cortiça e respectiva formulação................................... 9

Tabela 2.3 – Cortiça versus Materiais alternativos...................................................................... 11

Tabela 2.4 – Propriedades importantes nos materiais utilizados para vedação......................... 21

Tabela 2.5 – Materiais mais utilizados no fabrico de juntas........................................................ 22

Tabela 2.6 – Inspecção visual dos elementos de uma ligação com junta................................... 29

Tabela 2.7 – Valores característicos do coeficiente K................................................................. 29

Tabela 2.8 – Coeficientes de segurança para ligações com juntas............................................ 33

Tabela 3.1 – Testes de compatibilidade química realizados e documentos de referência......... 44

Tabela 4.1 – Propriedades do compósito TS 1400..................................................................... 51




Tabela 4.5 – Número de juntas e de parafusos em cada carburador......................................... 60

Tabela 4.6 – Testes nos carburadores: Binário aplicado e tensão sobre as juntas.................... 61

Tabela 4.7 – Binário de aperto retido nas ligações dos carburadores no teste com E15........... 62

Tabela 4.8 – Binário de aperto retido nas ligações dos carburadores no teste com E50........... 65

Tabela 4.9 – Juntas e parafusos nas ligações do motor Honda................................................. 68

Tabela 4.10 – Binário de aperto aplicado aos parafusos............................................................ 70

Tabela 4.11 – Dados para determinação da espessura das juntas............................................ 71

Tabela 4.12 – Temperaturas medidas em alguns componentes do motor Honda...................... 72

Tabela 4.13 – Binário de aperto retido nos parafusos do motor no teste com TS1800.............. 73

Tabela 4.14 – Binário de aperto retido nos parafusos do motor no teste com TS1400.............. 75

Tabela 4.15 – Resumo dos resultados obtidos nos testes realizados……………………………. 79

xi

Nomenclatura

A0 Área da secção perpendicular ao eixo de compressão

Ab Área de secção transversal mínima do parafuso

Ac Área de contacto entre a junta e as flanges

Ag Área de contacto da junta

Am Área onde a pressão interna do sistema é aplicada

b Largura da superfície de contacto da junta

b0 Parâmetro do código ASME

C Rigidez adimensional de uma ligação aparafusada

d Diâmetro do parafuso

E Módulo de Young

E’ Módulo de Young – Componente elástica

E’’ Módulo de Young – Componente viscosa

F Força de compressão

F0 Força mínima requerida para a selagem

Fi Pré-Tensão aplicada aos parafusos

Fm Força sobre as flanges

G Diâmetro médio ou externo da superfície de contacto

K Factor de atrito entre o parafuso e as flanges

KF Constante elástica de uma ligação aparafusada sem junta

KG Constante elástica da junta

Kj Constante elástica de uma ligação aparafusada com junta

L0 Altura inicial

Lr Taxa de fuga

m Factor de manutenção da junta

n Factor de segurança

NR Não Radial

P Pressão máxima de serviço

P1 Pressão interna

Patm Pressão atmosférica

Q Forças externas aplicadas a uma ligação aparafusada

R Radial

Sb Tensão admissível do parafuso

Sg Tensão de selagem mínima

Sm Tensão mínima de projecto

Sya Tensão de selagem que assegura Tpmin

T Binário de aperto

Tp Parâmetro de estanquicidade

Tpmin Parâmetro de estanquicidade mínima

xii

Wb Carga por parafuso

Wm1 Carga requerida numa ligação aparafusada sem considerar a pressão interna

Wm2 Carga requerida numa ligação aparafusada considerando as forças externas

aplicadas

y Tensão mínima de selagem

α Ângulo do cone de pressão com o eixo do parafuso

ΔDureza Variação de dureza

ΔEspessura Variação de espessura

ΔL Variação de altura dum provete na direcção da compressão

ΔPeso Variação de peso

ΔVolume Variação de volume

ε Extensão nominal

Coeficiente de Poisson

NR,NR Coeficiente de Poisson (Não Radial/Não Radial)

NR,R Coeficiente de Poisson (Não Radial/Radial)

R,NR Coeficiente de Poisson (Radial/Não Radial)

σ Tensão nominal

σb Tensão sobre o parafuso

xiii

Acrónimos

ACC Amorim Cork Composites

ASME American Society of Mechanical Engineers

ASTM American Society for Testing and Materials

DNP Desenvolvimento de Novos Produtos

E5 Mistura de gasolina com 5% de etanol







ECO Borracha de Epicloridrina

ESA European Sealing Association

FA Factor de Agressividade

FSA Fluid Sealing Association

NBR Borracha Nitrílica

PEG Mistura de 50% de Propileno Glicol com 50% de Água

PVRC Pressure Vessel Research Committee

UL Underwriters Laboratories

- 1 -

CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

Os motores de combustão interna são utilizados numa vasta gama de aplicações onde se

pretende atingir um determinado output de trabalho com um rendimento elevado. Trata-se de

máquinas térmicas e, como tal, regem o seu funcionamento executando ciclos termodinâmicos que

permitem a transformação da energia térmica, procedente da combustão da mistura ar/combustível,

em energia mecânica. Classificando-os de acordo com o ciclo térmico em que fundamentam a sua

actuação, existem dois tipos principais de motores de combustão interna: o motor de ignição por

faísca, que realiza o ciclo Otto, e o motor de ignição por compressão, que cumpre o ciclo Diesel. Os

motores de ignição por faísca são geralmente movidos a gasolina, enquanto que nos motores de

ignição por compressão o combustível mais comummente utilizado é o gasóleo (diesel) [1].

Preocupações económicas e ambientais conduziram à procura de novos combustíveis que

permitam a redução de custos e que, simultaneamente, emitam gases de exaustão menos poluentes.

Nesta perspectiva, como alternativa à gasolina e ao gasóleo, passaram a utilizar-se os

biocombustíveis (como, por exemplo, o metanol e o etanol) e o gás de petróleo liquefeito (GPL). A

utilização destes novos combustíveis obriga a identificar o impacto que estes terão sobre os

componentes constituintes do sistema de admissão de combustível dos motores, em particular a

influência que poderão ter no desempenho das juntas de vedação. Em causa está a compatibilidade

química entre o combustível e o vedante utilizado e a permeabilidade deste, sendo que a função

principal da junta é evitar o fluxo capilar do fluido [2].

Neste estudo, analisou-se experimentalmente o comportamento de juntas de cortiça-borracha

(corkrubber) quando em contacto com gasolina e com combustíveis alternativos, nomeadamente

misturas de gasolina com etanol que se obtiveram fazendo variar a percentagem de etanol na mistura

entre 5% e 85%. Existe uma vasta gama de materiais utilizados para o fabrico de juntas de motores,

dependendo a sua selecção de diversos factores, entre os quais se destacam a temperatura de

serviço, o comportamento mecânico de compressão/deflexão da junta (que é caracterizado por

curvas de compressão, relaxamento sob tensão, etc.), o meio a selar e o tipo de ligação em que vão

estar envolvidas as juntas. Pesadas todas estas condicionantes é possível fazer uma selecção

criteriosa do material a utilizar, sendo vulgar que mais do que um material cumpra os requisitos

necessários à selagem [3].

O material utilizado em juntas é geralmente dividido em dois grandes grupos: o das juntas

metálicas e o das juntas não-metálicas [4]. As juntas metálicas são tipicamente utilizadas em

situações onde a força aplicada sobre a área de selagem é elevada e em situações onde se exige

grande paralelismo entre os membros da ligação. As juntas não-metálicas, também denominadas

- 2 -

juntas macias (do inglês, soft gaskets) [3], apresentam maior compressibilidade e fluência, isto é,

maior capacidade de se adaptarem às superfícies dos membros da ligação, pelo que o paralelismo

entre componentes não é fundamental para garantir a selagem. São inúmeros os materiais ou

compostos não-metálicos utilizados para o fabrico das juntas e é neste grupo que se enquadram as

juntas de cortiça-borracha, que aliam as características de compressibilidade e recuperação elástica

da cortiça à flexibilidade, durabilidade, impermeabilidade e resistência química da borracha.

Neste documento apresentam-se os testes realizados para aferir a resposta das juntas de

cortiça-borracha quando expostas a diferentes misturas de gasolina com etanol. Para isso foram

realizados ensaios laboratoriais na secção de Desenvolvimento de Novos Produtos (DNP) da

empresa Amorim Cork Composites (ACC), em Stª Marta de Corroios. Além de testes de variação de

dureza, volume, peso e espessura, em que várias amostras foram imersas em misturas de gasolina

com diferentes percentagens de etanol para estudar aspectos relevantes da compatibilidade química

dos compostos, testaram-se juntas de cortiça-borracha num pequeno motor a gasolina Honda – GCV

160 [5], observando o seu comportamento aquando do funcionamento do motor (verificação da

existência de fugas ou de sinais evidentes de degradação das juntas) e analisando posteriormente,

por inspecção visual, a deformação e degradação das juntas, a aderência aos membros da ligação e

a eventual permeabilidade ao meio. Paralelamente, para que os testes com as misturas de

biocombustível se revestissem de um carácter mais aproximado das condições reais de

funcionamento das juntas, vazaram-se misturas de E15 (15% de etanol e 85% de gasolina) e de E50

(50% de etanol e 50% de gasolina) num reservatório previamente preparado para permitir o

acoplamento de três (3) carburadores. Assim, ensaiaram-se três tipos de compostos de cortiça com

borracha em simultâneo e com as juntas num estado de compressão semelhante ao de serviço, o

que implica que a zona de contacto com as misturas de gasolina com etanol seja limitada.

Relativamente ao funcionamento real, este ensaio nos carburadores difere nas vibrações a que as

juntas são sujeitas (enquanto que aqui não existem quaisquer vibrações, no motor elas são inerentes

ao seu funcionamento) e na temperatura (os testes nos carburadores são realizados à temperatura

ambiente), mas não era expectável que fossem estes dois factores a assumir preponderância no

desempenho das juntas devido às propriedades e características dos materiais testados.

Foi com base nos resultados obtidos nos testes de compatibilidade química que se optou pela

utilização do E15 e do E50 para o ensaio dos carburadores. Os resultados obtidos nos testes de

variação de dureza, volume, peso e espessura mostram que misturas com baixas e médias

percentagens de etanol (E5, E10, E25 e E50) são mais agressivas para os materiais testados que

misturas com percentagens elevadas, nomeadamente E85, e que a gasolina, pelo que era de maior

interesse analisar o comportamento das juntas em compressão com este tipo de misturas. A análise

dos resultados obtidos nos testes de compatibilidade química legitimou a utilização de dois

compostos (TS1400 e TS7110, que serão caracterizados no capítulo 4) como vedantes de gasolina e

de misturas de gasolina com etanol, mas obrigou a que se colocassem algumas reservas

relativamente à utilização de outros dois compostos (TS1800 e TS7100), na medida em que

apresentaram variações significativas das propriedades testadas. Contudo, o seu desempenho na

- 3 -

aplicação dos carburadores revelou que quando sujeitos a compressão estes materiais são mais

resistentes ao ataque químico das misturas de gasolina com etanol.

Por fim, nos testes de validação realizados no motor Honda, em que foram testadas juntas

fabricadas com os compostos TS1400 e TS1800, obtiveram-se resultados satisfatórios, uma vez que

as juntas cumpriram o objectivo principal de garantir a selagem e, após inspecção visual, não se

detectaram quaisquer sinais de desintegração que pudessem por em causa o seu normal

funcionamento. Embora estes testes de validação tenham sido realizados utilizando gasolina e o foco

de interesse nesta tese se prenda com a resposta das juntas às misturas de gasolina com etanol, os

resultados dos testes de compatibilidade química, juntamente com os ensaios efectuados nos

carburadores, por serem satisfatórios do ponto de vista da resistência química dos materiais,

careciam essencialmente de uma validação no tocante ao desempenho das juntas quando instaladas

num motor e expostas a condições de temperatura superior à temperatura ambiente e a vibrações

que podem eventualmente conduzir à perda de carga nas ligações aparafusadas.

Findo este capítulo dedicado à introdução do tema da tese, segue-se uma breve descrição da

estrutura do documento.

Como em qualquer tese na área da engenharia, a revisão bibliográfica assume uma

importância fulcral no restante trabalho desenvolvido, uma vez que é partindo do conhecimento

adquirido em estudos e experiências anteriores que se conseguem desenvolver novos conceitos,

teorias e ideias com fundamentos científicos sólidos. Assim, o capítulo 2 dedica-se inteiramente à

apresentação da pesquisa bibliográfica realizada, focando temas como a cortiça, as borrachas

utilizadas nas misturas de cortiça com borracha, a cortiça com borracha e o estado do conhecimento

da selagem de fluidos. No capítulo 3 é feita uma descrição do equipamento laboratorial utilizado e da

metodologia experimental seguida. Atente-se a que, por questões de sigilo industrial, alguns dos

procedimentos seguidos são apresentados em anexo e não estarão disponíveis para leitura a não ser

para motivos de avaliação da tese. No entanto, será indicada a norma que rege a metodologia

experimental aplicada e que permitirá ao leitor, por consulta da mesma, perceber o trabalho

experimental desenvolvido. No capítulo 4 são analisados e discutidos os resultados obtidos nos

testes experimentais realizados. As conclusões, objectivo último do trabalho, são apresentadas no

capítulo 5 juntamente com algumas propostas de desenvolvimentos futuros que se esperam

relevantes para que se levem a cabo novos estudos nesta área e para que algumas questões que

ficaram por responder sejam esclarecidas.

- 4 -

CAPÍTULO 2

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo, apresentam-se os principais factos, conceitos e modelos recolhidos durante o

período de pesquisa bibliográfica. Pelo facto do estudo incidir em juntas de cortiça-borracha

considerou-se importante dedicar um sub-capítulo (2.1) à cortiça, outro (2.2) às borrachas utilizadas

nas misturas de cortiça-borracha testadas e outro (2.3) à cortiça-borracha. Ao estado do

conhecimento da selagem de fluidos, por servir de base teórica à análise de resultados e às

conclusões, é dedicado um sub-capítulo (2.4) extenso e aprofundado que visa apresentar ao leitor o

essencial do conhecimento necessário para uma melhor compreensão do trabalho realizado.

2.1. A Cortiça

2.1.1. Breve Enquadramento Histórico

A utilização da cortiça, tanto quanto se sabe hoje em dia, remonta ao ano 3000 a.C., sendo

utilizada no fabrico de utensílios de pesca em países como a China, o Egipto ou a antiga Pérsia.

Vestígios datados do século IV a.C. provam que a cortiça já era utilizada em Itália e na Grécia na

concepção de bóias, tampas para tonéis, calçado e telhados. É nesta altura que o filósofo grego

Teofrasto, numa das primeiras referências feitas ao sobreiro, alude à “faculdade que esta árvore

possui em renovar a sua casca quando esta lhe é retirada”. É esta característica do sobreiro que

torna a cortiça um produto tão interessante e capaz de responder às exigências logísticas do

mercado e atender às necessidades produtivas [6].

Só mais tarde, no século XVII, surgiram novos desenvolvimentos significativos no estudo da

cortiça, quando Robert Hooke conseguiu visualizar a primeira imagem da cortiça ao microscópio e

quando Dom Perrignon passou a usar cortiça como vedante das garrafas do seu famoso champanhe.

Até então, Dom Perrignon utilizava tampões de madeira envoltos em cânhamo embebido em azeite,

tendo verificado que era frequente que estes saltassem devido à pressão do gás. Com a utilização da

cortiça este problema foi ultrapassado, o que levou a que as empresas vinícolas adoptassem este

sistema de vedação inovador. Com a expansão da indústria vinícola, já no século XVIII, iniciou-se a

exploração dos grandes sobreirais característicos da Península Ibérica e surgiu, em Gerona, na

Catalunha, a primeira instalação fabril de rolhas de cortiça. É também em meados do século XVIII

que surgem os primeiros trabalhos sobre a constituição química da cortiça, desenvolvidos pelo

químico italiano Brugnatelli, assim como o primeiro compêndio sobre subericultura [6-8].

No século XIX, França, Itália e Tunísia, países de influência mediterrânica, aderem à exploração

sistemática dos sobreirais iniciada na Península Ibérica, e países como os Estados Unidos e a

Rússia, conscientes das potencialidades aplicativas da cortiça, iniciam a plantação de sobreiros. Este

foi um século de enorme desenvolvimento na indústria rolheira, como pode ser comprovado pelo

facto de no Reino Unido ter sido patenteada a primeira máquina destinada ao fabrico de rolhas e pelo

- 5 -

aparecimento de nova aplicações industriais para a cortiça, de que são exemplo os aglomerados,

inventados em 1891 pelo norte-americano John Smith, e o fabrico de rolhas em duas peças de cortiça

natural coladas [6,9].

No século seguinte, o desenvolvimento acentua-se, aparecem as rolhas constituídas por discos de

cortiça natural e corpo de aglomerado em 1903 e, alguns anos mais tarde, são registadas patentes

relativas à utilização da cortiça em correias de transmissão e pneus. Durante a Segunda Guerra

Mundial, que impulsionou o crescimento científico e tecnológico em várias áreas, a cortiça passa a

ser utilizada em diversos equipamentos militares e a investigação desenvolvida permite a utilização

da cortiça (no seu estado natural ou composto) numa miríade de aplicações até então inexploradas.

Nas últimas décadas do século houve a preocupação de definir normas internacionais para a

indústria corticeira, destacando-se a Conféderation Européenne du Liége (C.E. Liége) que, em 1996,

apresenta o Código Internacional de Práticas Rolheiras que visa o controlo da qualidade na produção

de rolhas [6].

Em pleno século XXI a cortiça continua a ser objecto de interesse quer a nível produtivo, quer

numa óptica de investigação científica. Acresce ainda, que as preocupações ambientais, que tiveram

o seu foco no final do século XX e que neste século se tornaram uma constante, conferem à cortiça o

estatuto de produto de excelência, na medida em que se trata de um material ecológico, reciclável e

biodegradável. Como prova de que a cortiça continua a gozar de uma excelente reputação como

matéria-prima multifuncional, refira-se, a título de exemplo, que foi apresentado recentemente um

projecto nacional inovador que consiste num banco de automóvel com o assento constituído por 60%

de cortiça moída, reduzindo o seu volume para metade e tornando-o três vezes mais leve [6].

2.1.2. Estrutura e Composição Química da Cortiça

Para uma melhor compreensão das propriedades mecânicas da cortiça e da sua aplicabilidade, na

sua forma natural ou de composto, como vedante, é importante conhecer a sua estrutura e a sua

composição química.

A cortiça pertence à classe dos materiais celulares, cuja denominação se deve ao facto de ser

constituída por células, devendo-se as suas propriedades especiais ao tipo de estrutura que

apresenta. As observações com microscópio óptico permitiram a R. Hooke (séc. XVII) identificar a

célula como unidade base da estrutura da cortiça, classificá-la como anisotrópica e propor um modelo

que se confirmou acertado após novas observações realizadas no século XX. As células da cortiça

são poliédricas, ocas, fechadas e geralmente constituem 15% do volume do sólido [10].

Os modelos propostos para a parede celular da cortiça têm por base o conhecimento adquirido

sobre a parede celular das madeiras, onde se considera a existência das paredes primária,

secundária e terciária que apresentam diferentes composições químicas. As figuras 2.1 e 2.2

ilustram, respectivamente, os modelos propostos por von Hohnel (1877) e Sitte (1962) e que são

consistentes com microfotografias da parede celular da cortiça obtidas por microscopia electrónica de

transmissão [10].

- 6 -

Figura 2.1 – Estrutura da parede celular da cortiça segundo von Honel [7]

Figura 2.2 – Modelo da “meia-parede” celular proposto por Sitte [10]

A existência de canalículos na parede celular e a topoquímica são ainda hoje assuntos

controversos na discussão do modelo mais adequado para representação da estrutura da parede

celular da cortiça. Quanto à estrutura celular propriamente dita, a figura 2.3 é ilustrativa do aspecto

das secções tangencial, transversal e radial da cortiça amadia (cortiça retirada na idade adulta do

sobreiro quando o crescimento radial do tronco já não provoca a rotura do tecido). É notória a

semelhança entre as secções transversal e radial, pelo que se utiliza frequentemente o termo secção

não-tangencial para designar qualquer uma destas secções [10]. A figura 2.4 apresenta a orientação

das direcções principais da cortiça

Figura 2.3 – Secções principais da cortiça vistas com microscópio electrónico de varrimento [7]

- 7 -

Figura 2.4 – Orientação das direcções principais da cortiça [7]

O composto principal da parede celular é a suberina, responsável pela muito baixa permeabilidade

da cortiça e que se encontra associado a lenhina, segundo componente estrutural mais importante

nas paredes celulares. Outros componentes estruturais importantes, embora presentes em menor

grau, são os polissacáridos celulose e hemiceluloses [10]. A tabela 2.1 apresenta a composição

química média da cortiça extraída de 10 árvores da região de Mora.

Tabela 2.1 – Composição Química da Cortiça [10]

% em peso seco

Componentes Cortiça virgem Cortiça amadia

Cinzas 0,9 1,2

Extractivos 16,9 14,2

Suberina 35,2 39,4

Lenhina 22,4 24,0

Polissacáridos 21,3 19,9

2.1.3. Comportamento da Cortiça em Compressão

Na selagem, como em muitas das aplicações em que se utiliza a cortiça, o comportamento em

compressão do material é uma característica determinante no seu desempenho. Como tal, uma

descrição do comportamento da cortiça nestas condições é essencial para que se perceba o

potencial desta matéria-prima como vedante. Na secção 2.4, quando for apresentado o “Estado do

Conhecimento da Selagem de Fluidos”, este tema voltará a ser abordado, mas numa perspectiva do

desempenho das juntas de vedação.

O facto da cortiça ser um material anisotrópico obriga a que as suas propriedades elásticas e

inelásticas à compressão sejam avaliadas nas direcções principais (tangencial, transversal e radial).

Atendendo à estrutura da cortiça e a resultados decorrentes de ensaios de compressão uniaxial

(estado mais simples de compressão), para pequenas deformações pode considerar-se apenas a

compressão na direcção radial e numa qualquer direcção não-radial, uma vez que as propriedades

nas direcções não-radiais são aproximadamente iguais entre si [7,10]. Nos ensaios de compressão é

registada a força F de compressão e a correspondente diminuição de altura do provete ΔL medida na

- 8 -

direcção paralela à direcção de compressão [10]. Deste modo, é possível calcular a tensão nominal σ

dada por

𝜎 =𝐹

𝐴0

(1)

em que A0 é a área da secção perpendicular ao eixo de compressão, medida antes do ensaio; e a

extensão nominal ε, que representa a variação de comprimento do provete relativamente ao seu

comprimento inicial e que é dada por

𝜀 =∆𝐿

𝐿0

(2)

onde L0 é a altura inicial do provete.

Com estes dados é possível desenhar a curva de compressão do material, sendo que para o caso

da cortiça a figura 2.5 representa o aspecto não-linear tipicamente obtido após o ensaio para a

direcção radial e uma direcção não-radial [7].

Figura 2.5 – Curvas experimentais em compressão radial (R) e não-radial (NR) [7]

Importa, no entanto, referir que o comportamento da cortiça em compressão depende da

temperatura, da velocidade de compressão e do teor de humidade da cortiça, tendo este último factor

particular interesse em aplicações de selagem.

Nas curvas de compressão é possível identificar três regiões distintas quer na direcção radial, quer

nas direcções não-radiais. A primeira região está associada a pequenas tensões e deformações

(𝜀 = 5 − 7%) e corresponde à deformação elástica da cortiça, quando a relação entre σ e ε é

aproximadamente linear, sendo a constante de linearidade dada pelo quociente 𝜎 𝜀 e denominada de

módulo de Young, E (lei de Hooke). Na verdade a deformação é viscoelástica (onde o módulo de

Young apresenta parte imaginária e é denominado módulo de Young complexo ou dinâmico e é dado

por E = E’ + i·E’’ [7]), mas serve o termo elástica para indicar que nesta região não se atinge a

cedência do material. Após a cedência e até deformações de 50% a 70% identifica-se a segunda

região, onde ocorre um novo mecanismo de deformação devido ao colapso das células e que se

caracteriza por ter um declive pequeno 𝑑𝜎 𝑑𝜀 ≈ 1𝑀𝑃𝑎 . Também aqui é possível determinar um

- 9 -

módulo de Young aproximado relacionando a tensão e a extensão de cedência. Deste modo,

conforme o tipo de cortiça, a direcção de compressão, a temperatura, o grau de humidade e a

velocidade de deformação tem-se que os valores de E podem variar entre 7 e 25 MPa [10]. Por fim,

na terceira região da curva, a tensão aumenta rapidamente com ε e o esmagamento das células

conduz à densificação do material. Resumindo, as três regiões enunciadas correspondem à

deformação elástica (viscoelástica) do material, ao colapso das células e à densificação do material

[10-11].

Para pequenas tensões e deformações, ou seja, ainda no domínio elástico, a deformação ocorre

principalmente devido à flexão das paredes celulares. A análise da deformação elástica da cortiça

permite a determinação das constantes elásticas efectivas, nomeadamente os módulos de Young, E,

e coeficiente de Poisson, , devendo-se mais uma vez à estrutura celular da cortiça o facto de ter de

se determinar o módulo de Young nas direcções não-radiais (tangencial ou transversal) e na direcção

radial. O efeito de Poisson está relacionado com as variações que a compressão numa direcção

induz nas direcções transversais e, como tal, a anisotropia da cortiça obriga a considerar as

diferenças de comportamento entre as direcções não-radiais (NR) e a direcção radial (R) [7,10-11]. A

tabela 2.2 apresenta os valores das propriedades referidas para pequenas deformações elásticas e a

formulação que permite o seu cálculo.

Tabela 2.2 – Propriedades elásticas da cortiça e respectiva formulação [10]

Propriedade Formulação

R,NR −

𝜀𝑁𝑅

𝜀𝑅 0,097

(*)

NR,R −𝜀𝑅𝜀𝑁𝑅

0,064(*)

NR,NR 𝜀𝑁𝑅1

𝜀𝑁𝑅2

0,26

ER [MPa] 𝜎

𝜀 (ensaio na direcção radial) 29

ENR [MPa] 𝜎

𝜀 (ensaio numa direcção não-radial) 19

(*) Neste plano o coeficiente de Poisson é praticamente nulo

Ao atingir-se a tensão de cedência, as células colapsam devido à encurvadura das paredes

celulares e inicia-se a deformação permanente do material. As células alteram a sua forma inicial,

ficando com as paredes dobradas e onduladas, mas geralmente não fracturadas e, não obstante

alguma recuperação, a deformação não é reversível. Sendo a deformação localizada, isto é,

não-uniforme, o colapso das células é progressivo, iniciando-se numa célula e propagando-se

primeiro às células adjacentes, numa mesma camada de células perpendicular à direcção de

compressão [10].

A partir de deformações de 50% a 70%, dá-se a densificação do material que aumenta também a

sua rigidez que tende, no limite, para a rigidez do material das paredes celulares. Após o colapso por

encurvadura plástica, as paredes encurvadas começam a tocar-se progressivamente, mas

geralmente, mesmo para deformações superiores a 70%, não se observa fractura das paredes

- 10 -

celulares, pelo que a densificação não é total e não se atinge a rigidez do material das paredes [10-

11].

Um fenómeno interessante no comportamento da cortiça à compressão é a relaxação de tensão.

Após compressão até uma deformação correspondente a ΔL, a tensão necessária para manter este

nível de deformação vai diminuído ao longo do tempo o que, em condições de carga de compressão

constante como as que se verificam nas aplicações de selagem estática, conduz à perda de

espessura da junta e à perda de tensão de compressão em condições de deflexão constante [10-11].

A fluência, denominação dada à deformação lenta e progressiva sob a acção de uma tensão

constante, serve também para caracterizar o comportamento da cortiça em compressão. Nos ensaios

de fluência é medida a variação da altura do provete ΔL ao longo do tempo, possibilitando a

representação de uma curva ε(t). Também aqui, à imagem do que se verifica na relaxação, a

deformação é lenta e ocorre por pequenos reajustamentos a nível molecular nas paredes celulares e

que provocam deformações irreversíveis [10-11]. Observações com microscópio electrónico levam a

crer que o colapso das células contribui para a deformação permanente em fluência, o que permite

concluir que o colapso é um mecanismo de deformação dependente do tempo [12].

Conforme já foi referido, o teor de humidade da cortiça influencia o seu comportamento à

compressão. Ensaios experimentais de compressão radial e não-radial mostram que o aumento do

teor de humidade resulta numa diminuição da resistência à compressão e numa diminuição da

anisotropia. Por outro lado, aumentando o teor de humidade aumenta também a capacidade de

recuperação após descarga dos provetes [10].

2.1.4. Produtos em Cortiça

Seja na sua forma natural seja sob a forma de aglomerado, são várias e de carácter diverso as

aplicações da cortiça. O principal objectivo do processamento industrial da cortiça é a produção de

objectos de cortiça natural, nomeadamente rolhas e discos [10], mas o enorme volume de material

desperdiçado no fabrico de rolhas e de matéria-prima que não cumpre os requisitos necessários à

produção de objectos de cortiça natural leva a que se proceda à trituração destes desperdícios para

posterior utilização sob a forma de aglomerado [8].

Entre os aglomerados são geralmente diferenciados os aglomerados puros, constituídos a partir

da auto-aglomeração térmica dos grânulos de cortiça, dos aglomerados compostos, que utilizam um

adesivo ou ligante para ligar as partículas de cortiça entre si e/ou as partículas de outros materiais,

como por exemplo a borracha [10]. Muitas da inovações mais recentes que se registaram nos

produtos de cortiça aglomerada prendem-se com o método utilizado para a aglomeração e que

confere ao material diferentes características. Métodos de natureza química, em que a suberina é

despolimerizada, obtendo-se monómeros que funcionam como adesivos quando são polimerizados

durante o processo de aglutinação, permitem a obtenção de aglomerados rígidos. A aglomeração dos

grânulos de cortiça com termoplásticos consiste num método concebido para que seja possível

utilizar a grande maioria dos pós de cortiça resultantes dos desperdícios industriais. Os

- 11 -

termoplásticos com baixo ponto de fusão têm a vantagem, relativamente às colas normalmente

usadas, de não conterem solventes e de não serem tóxicos. Os compósitos resultantes são

considerados rígidos, já que apresentam baixa flexibilidade [8].

Agrupando de acordo com os domínios de utilização os produtos fabricados em cortiça, surgem

como principais campos a vedação, no qual se incluem o fabrico de rolhas para líquidos diversos e os

discos para tampas de bebidas e medicamentos; os artefactos, donde se destacam os artigos de

artesanato, os flutuadores e punhos para canas de pesca, palmilhas para calçado e peças de

vestuário; a construção civil, onde se utiliza a cortiça como isolante térmico e acústico, em tectos

falsos e no revestimento de paredes, pisos e tectos; os fins industriais, como os antivibráticos para

maquinaria, isolamentos para frio industrial, juntas para motores de explosão e a queima dos pós

para produção de energia; o desporto, em que é utilizada a cortiça para revestimento de raquetes de

ténis de mesa, alvos para setas e bases para volantes de badmington; e o ambiente, podendo a

cortiça ser utilizada na recolha de petróleo derramado [8].

A sustentabilidade é um ponto forte a favor dos produtos em cortiça relativamente a outros

materiais. A tabela 2.3 apresenta as diferenças entre a cortiça, o alumínio e o plástico no que respeita

ao fim ecológico e humano de garantir um desenvolvimento sustentável [13].

Tabela 2.3 – Cortiça versus Materiais Alternativos (adaptado do Relatório de Sustentabilidade da Corticeira Amorim [13])

Cortiça Alumínio Plástico

Origem

Produto florestal, não poluente, cuja extracção é realizada de 9 em 9 anos sem danificar a árvore

Mineral; Fonte não renovável

Petróleo; Fonte não renovável

Consumo Energético Baixo Elevado Elevado

Alterações Climáticas

A cortiça é um sumidouro de carbono. Uma parte significativa das necessidades energéticas do processo produtivo é satisfeita a partir da utilização de biomassa

A produção primária de uma tonelada de alumínio emite, em média, 12 ton de CO2; O processo industrial de transformação do alumínio em produto final (cápsulas) origina emissões adicionais de CO2

Os processos petroquímicos apresentam um elevado impacto ao nível das emissões de gases com efeito de estufa

Reciclabilidade 100% reciclável com baixo consumo de energia

100% reciclável com alto consumo de energia

Taxas de reciclagem baixas

Biodiversidade

A indústria da cortiça promove e sustenta o ecossistema do montado do qual dependem muitas espécies

As minas de bauxite têm um impacto potencialmente negativo muito significativo nos ecossistemas

A extracção e transporte de petróleo e a refinação dos respectivos produtos têm um impacto potencialmente negativo nos ecossistemas

A afirmação que a seguir se transcreve, serve não só para finalizar este sub-capítulo dedicado aos

produtos em cortiça, mas também para reflexão naquilo em que podem transformar-se de forma a

garantir um desenvolvimento sustentável [14]:

- 12 -

“A cortiça e os seus produtos parecem assim condenados, no futuro, a transmitir aos produtos ou

actividades a que venham associados, uma mensagem de excelência exótica e não propriamente a

desempenhar funções que outros materiais não possam desempenhar. Efectivamente, os produtos

derivados da cortiça, apesar das excelentes propriedades físico-químicas que possuem, parecem

bem mais destinados à nobre actividade de serem uma assinatura de excelência, mais para dignificar

opções humanas e actos de cultura, do que produtos técnicos com diversificadas aplicações

funcionais, embora efectivamente o sejam também.”

2.2. Borrachas Utilizadas nas Misturas de Cortiça-Borracha Testadas

Os compósitos de cortiça-borracha testados no âmbito da presente tese, são compostos por

cortiça e epicloridrina (ECO) ou cortiça e borrachas nitrílicas (NBR). Os elastómeros são o elemento

base dos produtos de cortiça com borracha [15] e, em aplicações de selagem, pretende-se que

confiram à mistura uma maior resistência ao ataque químico, maior flexibilidade e maior durabilidade.

Seguidamente são apresentadas algumas características e propriedades dos elastómeros ECO e

NBR com relevância no seu desempenho em aplicações de selagem.

Epicloridrina (ECO)

A ECO possui propriedades que a tornam atraente do ponto de vista da sua utilização em

aplicações de selagem, tendo vindo a substituir a NBR em algumas das suas aplicações. Pedreira

[16], na sua tese de mestrado intitulada Caracterização de Compósitos em Borracha com Cortiça

atesta a excelente resistência à variação de volume da ECO quando imersa em diferentes óleos e

combustíveis por um período de 168 horas (testes realizados de acordo com métodos internos da

ACC). Importa referir que, relativamente a estes compósitos, o E85, ao promover uma variação de

volume de 12% nas primeiras 50 horas de imersão, é um dos fluidos mais agressivos entre os

testados (gasolina, E85, diesel, biodiesel, óleo de engrenagem e PEG). Por outro lado, a imersão em

gasolina resulta numa variação de cerca de 7%, o que representa uma boa resistência à variação de

volume neste fluido [16].

Noutra referência consultada [17], é descrita a grande amplitude térmica da ECO, podendo ser

utilizada entre -40º C e 149º C sem perder a sua capacidade de resistência a óleos e a combustíveis

e a sua flexibilidade.

Borrachas de Acrilonitrilo Butadieno, Borrachas Nitrílicas (NBR)

As NBR, compostas pelos polímeros acrilonitrilo e butadieno, são vulgarmente utilizadas no fabrico

de juntas devido à sua resistência a óleos e a combustívies. Este tipo de borrachas são classificadas

de acordo com a quantidade de acrilonitrilo, sendo que quanto maior for a quantidade deste polímero

presente na composição, maior é a sua resistência à tracção e a sua resistência a óleos. Uma menor

quantidade de acrilonitrilo, aumenta a resiliência e elasticidade da borracha e melhora a sua

flexibilidade a baixas temperaturas. A sua utilização é limitada por uma gama de temperaturas entre

os -40 e os 100º C [4].

- 13 -

Pedreira [16] refere que uma das vantagens das NBR é não dilatarem quando em contacto com

gasolina, óleos ou gordura, acrescentando ainda que, neste capítulo, são superiores à maioria das

borrachas. No entanto, refere também que possuem uma fraca resistência térmica e que têm por isso

vindo a ser substituídas por outras borrachas mais resistentes ao calor. Os resultados dos testes

realizados mostram que a imersão em gasolina e E85 provocam variações de volume a alguns destes

elastómeros entre 20 e 25%, o que levou Pedreira [16] a considerar estes dois fluidos os mais

agressivos entre os testados.

2.3. Cortiça-Borracha – Compósito Versátil

A cortiça com borracha, conhecida comercialmente pela designação anglo-saxónica CorkRubber

ou RubberCork, foi desenvolvida no início da década de sessenta nos Estados Unidos da América

para concepção de juntas de vedação para óleos destinadas à indústria automóvel [18]. A ACC,

empresa líder mundial na produção de cortiça-borracha, produz composições diversas deste material

para aplicação como juntas, material antivibrático e de isolamento acústico, material para

pavimentação, material de calçado, punhos de ferramentas e canas de pesca, material diverso para

uso doméstico e material de escritório. As juntas deste tipo de material são utilizadas em caixas de

engrenagens, transmissões, tampas de válvulas, reservatórios de óleo, contadores de gás,

transformadores, bombas de óleo e de água, vedantes estáticos de óleos, solventes, massas

lubrificantes água, ar e outros fluidos [15,19].

2.3.1. Produção de Cortiça-Borracha

A cortiça-borracha resulta da aglomeração de vários produtos. Diferenciando-os de acordo com a

função que desempenham no aglomerado têm-se o produto base (elastómero), a carga activa

(granulado de cortiça), os plastificantes, as cargas inertes, os activadores, os vulcanizantes, os

aceleradores e os anti-oxidantes [15]. O processo industrial de fabrico pode resumir-se no fluxograma

apresentado na figura 2.6.

Apesar da aparente simplicidade, este é um processo onde interferem diversas variáveis que é

necessário controlar para que o produto final cumpra os requisitos. Assim, deve considerar-se a

pesagem dos produtos, a sua granulometria, o tempo de mistura, a temperatura da mistura, a altura

do bloco antes da moldagem, o peso do bloco, o tempo de vulcanização e a temperatura de

vulcanização [15].

- 14 -

Figura 2.6 - Fluxograma do processo de produção de cortiça-borracha

2.3.2. Características dos Compósitos de Cortiça-Borracha

A cortiça-borracha combina as características de compressibilidade e recuperação elástica da

cortiça com a flexibilidade, durabilidade, impermeabilidade e resistência química da borracha. A

cortiça e a borracha são materiais com atributos distintos. A cortiça é compressível, apresentando

valores do coeficiente de Poisson próximos de zero (ver tabela 2.2), o que significa que a aplicação

duma carga provoca redução de volume sem que haja um escoamento lateral significativo nas

direcções transversais à do carregamento, e reage de forma pneumática quando sujeita à

compressão. Por outro lado, a borracha é incompressível e o coeficiente de Poisson assume valores

próximos de 0,5, pelo que o escoamento de material nas direcções perpendiculares a uma carga

aplicada é evidente. A cortiça-borracha, ao combinar estes dois materiais, pode apresentar

características de compressibilidade próximas das da cortiça ou exibir um comportamento

incompressível típico das borrachas [20]. A figura 2.7 ilustra de forma qualitativa uma comparação

entre a compressibilidade da cortiça, da borracha e da cortiça com borracha.

- 15 -

Figura 2.7 – Comparação entre a compressibilidade da cortiça, da borracha e da cortiça-borracha [20]

A variação desta e de outras características da cortiça- borracha depende das percentagens de

cada um dos produtos da mistura, da granulometria da cortiça e do tipo de borracha usada. Como tal,

as propriedades e limitações da generalidade dos produtos em cortiça-borracha dependem de cada

mistura específica, na medida em que variam de acordo com diversos factores. Contudo, podem

avaliar-se estes materiais indicando a capacidade de cumprir os requisitos de determinada aplicação,

nomeadamente enquanto juntas.

A impermeabilidade, a capacidade de estabelecer um contacto total com as superfícies das

flanges bem como a de manter o contacto para diferentes condições de pressão, força e contacto

com diferentes fluidos, são algumas características que tornam a cortiça-borracha um material

adequado à concepção de juntas [20].

O contacto total entre as juntas e as superfícies das flanges é fácil de atingir com juntas em

cortiça-borracha, uma vez que este material é facilmente comprimido e, sob condições de baixa

pressão, tem uma excelente capacidade de se adaptar às irregularidades das superfícies [20].

A elasticidade e o coeficiente de atrito dos compósitos de cortiça com borracha permitem manter o

contacto entre as juntas e as flanges. O material quase não escoa lateralmente quando é comprimido

e os grânulos de cortiça em contacto com as superfícies das flanges promovem um aumento do atrito

que dificulta o escorregamento das juntas mesmo quando em contacto com óleo ou outros

lubrificantes [20].

A compatibilidade química com os meios a selar é geralmente controlada pelo tipo de borracha

usado na composição, mas a presença da cortiça impõe que não seja usado este material na

selagem de soluções fortemente ácidas ou alcalinas. Os compósitos de cortiça-borracha têm

tendência a inchar quando em contacto com fluidos, mas este não costuma ser um sinal de

deterioração das juntas [20].

No Military Handbook [20] aconselha-se a utilização de juntas em cortiça-borracha a temperaturas

inferiores a 71º C, mas também refere que algumas composições suportam temperaturas até 121º C

e 149º C. Estes dois últimos valores são mais ajustados às características indicadas nos catálogos da

ACC para composições de CorkRubber usadas na concepção de juntas.

Como última nota refira-se que, apesar de a cortiça-borracha poder ser utilizada em muitas

aplicações como substituto da cortiça ou da borracha, só a substituição da borracha pela composição

cortiça-borracha representa uma vantagem a nível económico.

- 16 -

2.4. Estado do Conhecimento da Selagem de Fluidos por Ligação

Aparafusada com Juntas

2.4.1. Introdução

A prevenção de fugas de gases ou líquidos recorrendo a ligações aparafusadas com juntas

assume uma importância fulcral na indústria e no quotidiano de quem “co-habita” com este tipo de

tecnologia. A selagem de fluidos é geralmente importante do ponto de vista económico e também

porque é frequente que os fluidos a selar sejam considerados perigosos por serem tóxicos ou

inflamáveis. Uma fuga deve ser sempre encarada como um desperdício ao qual está associado um

custo e pode resultar num risco de incêndio, explosão ou qualquer outro incidente ou acidente grave

[2].

Segundo o “American Heritage Dictionary” uma junta é um vedante usado entre duas partes

ligadas de uma máquina ou em tubos que previne a fuga de gases ou líquidos [21]. A definição da

ASTM [22] vai de encontro à anterior, classificando uma junta como um material que pode ser

apertado entre duas superfícies e que funciona como vedante. De acordo com um artigo da FSA [23],

uma junta nunca deve ser desassociada do sistema em que se insere, uma vez que nesse sistema há

uma interdependência entre os elementos que é responsável pelo sucesso da junta. Esta relação

entre elementos é ilustrada na figura 2.8.

Figura 2.8 – Interdependência dos elementos constituintes duma ligação com junta [23]

As juntas planas para a indústria, tipo de junta também utilizado na selagem de motores, surgiram

à cerca de 100 anos, inventadas pelo engenheiro austríaco Richard Klinger, sendo compostas por

amianto e borracha. O sucesso desta invenção levou a que outros inventores tentassem criar novas

juntas, o que conduziu a que vários materiais de diversas qualidades passassem a ser usados como

juntas de vedação. Assim, tornou-se urgente definir parâmetros que permitissem avaliar o

desempenho enquanto juntas dos materiais utilizados na selagem. Porque esta era uma nova

tecnologia, o estado do conhecimento encontrava-se numa fase embrionária, e a determinação da

- 17 -

tensão de rotura à compressão do material, que hoje em dia assume um papel menos relevante na

selecção deste, era na altura o método utilizado para escolher o material adequado [21].

Embora aparentemente simples, as juntas utilizadas nos motores de combustão interna são

produtos de engenharia com requisitos muito exigentes e que obrigam a que se proceda a um

considerável número de testes para assegurar a sua funcionalidade. Um facto ilustrativo da

importância das juntas é o de que durante as décadas de 1920 e 1930, uma das falhas mais

frequentes que impossibilitavam os bólides da corrida Indy 500 de terminar as provas estava

relacionada precisamente com as falhas ao nível da junta da cabeça do motor. Acrescia ainda, que

devido às fugas provocadas por uma selagem ineficiente, o óleo derramado nas pistas durante as

corridas provocava inúmeros acidentes. Actualmente, os veículos de passageiros percorrem mais de

240 000 km sem que se verifiquem fugas significativas e motores diesel de alta cilindrada fazem mais

de 1 600 000 km sem necessidade de reparações [21]. O famigerado desastre da nave espacial

Challenger é outro exemplo da importância das juntas, uma vez que a explosão que vitimou os sete

tripulantes da nave teve origem na fragilização dum O-Ring devido às baixas temperaturas que se

verificavam aquando do lançamento [24].

A aplicação de juntas está longe de se cingir aos motores de combustão interna, sendo utilizadas

também na selagem de transformadores eléctricos, em sistemas de tubagem variados, em

reservatórios de pressão e até mesmo em túneis submersos, de que é exemplo a figura 2.9 do túnel

de Øresund, que liga Malmö, na Suécia, a Copenhaga, na Dinamarca, permitindo o tráfego de

veículos entre a Europa escandinava e a Europa central.

Figura 2.9 – Junta Trelleborg “Gina” do túnel Øresund [25]

Ao longo do tempo, novos métodos de selagem têm sido desenvolvidos, especialmente para

condições de serviço mais severas, oferecendo aos utilizadores mais hipóteses de escolha no tocante

a materiais e tecnologia de selagem. Também as normas que regulamentam a tecnologia da selagem

e os testes à resposta dos vários materiais utilizados têm sofrido alterações, havendo um elevado

número de métodos que diferem de acordo com as normas de cada país. Felizmente, os avanços

mais recentes revelam uma similaridade cada vez maior entre os diferentes métodos para avaliação

das técnicas e materiais aplicados na selagem, facto que deve ser encorajado de forma a normalizar

os procedimentos de avaliação em todo o mundo [3].

http://en.structurae.de/geo/geoid/index.cfm?ID=302

- 18 -

2.4.2. Tipos de Ligação com Juntas

Por serem das mais diversas as aplicações em que se utilizam juntas de vedação, são também

vários os tipos de ligação utilizados. Tipicamente, as ligações são como a ilustrada na figura 2.10,

utilizando os elementos indicados, nomeadamente: membros da ligação (ou flanges), junta e

elementos de ligação (parafusos e porcas).

Figura 2.10 – Componentes típicos duma ligação com junta [3]

As ligações podem ser de natureza estática ou dinâmica, sendo que na selagem estática, onde se

enquadra o estudo efectuado no âmbito desta tese, se considera que as flanges têm uma posição fixa

entre si, enquanto que na selagem dinâmica se considera que há movimento relativo entre os

membros da ligação [4,15]. De acordo com o documento da ESA/FSA referenciado [3], os sistemas

mais comuns de ligação com juntas são os seguintes:

a) Flanges com superfícies sobrelevadas:

Comuns em sistemas de tubagem. As

superfícies de contacto são sobrelevadas

ficando a junta não confinada. Geralmente, o

diâmetro exterior da junta é igual ao diâmetro

do círculo dos parafusos menos o diâmetro

dos parafusos. Deste modo, é possível

instalar ou remover a junta facilmente, sem

separar completamente o sistema.

Figura 2.11 – Flanges com superfícies sobrelevadas [3]

- 19 -

b) Juntas sobrepostas: Sistema semelhante

ao anterior, é usado quando é requerido que o

sistema de tubagem seja quimicamente inerte,

podendo os membros da ligação ser de um

material menos resistente ao ataque químico

do meio.

Figura 2.12 – Juntas Sobrepostas [3]

c) Juntas planas: Normalmente utilizadas

quando o material dos membros da ligação é

relativamente frágil.

Figura 2.13 – Juntas Planas [3]

d) Flanges com rasgo: Neste caso a junta

fica totalmente confinada, tendo a junta a

mesma largura que o rasgo. Este sistema

obriga a uma separação total dos membros da

ligação para remoção da junta. É exercida

sobre a junta uma pressão elevada pelo que

com este sistema não é aconselhável o uso

de juntas macias (não-metálicas).

Figura 2.14 – Flanges com Rasgo [3]

e) Flanges macho e fêmea: Aqui a junta não

está totalmente confinada. A profundidade do

membro fêmea é igual ou menor que a altura

do membro macho de forma a evitar o

contacto directo entre os membros da ligação

quando a junta é comprimida. É necessário

separar totalmente os membros da ligação

para remoção da junta.

Figura 2.15 – Flanges Macho-Fêmea [3]

- 20 -

f) Juntas planas e flanges com rasgo: Junta

totalmente confinada. Um dos membros da

ligação é plano, enquanto o outro possui um

entalhe onde é instalada a junta. Este método

é utilizado quando a distância entre os

membros deve ser precisa. Apenas juntas

com elevada resiliência devem ser usadas

neste tipo de ligação.

Figura 2.16 – Juntas Planas e Flanges com rasgo [3]

g) Junta anelar: Ambos os membros da

ligação possuem canais para acomodar a

junta anelar normalmente fabricada em metal.

Note-se que difere do “O-Ring” em borracha

que é mais utilizado em selagem dinâmica.

Figura 2.17 – Junta Anelar [3]

2.4.3. Selecção das Juntas

A selecção das juntas para uma dada aplicação deve obedecer a determinadas premissas no que

se refere à escolha do material mais adequado. Os factores a ter em conta prendem-se

essencialmente com a resistência química, a resistência térmica, as resistências à tracção e ao

esmagamento, a tensão de selagem requerida, a pressão exercida pelo fluido, o custo, a resiliência

(rigidez/recuperação), a natureza do fluido a selar (explosivo, tóxico, cancerígeno, benigno, etc.), a

permeabilidade do material da junta, a lubricidade, as características de fluência, a condutividade

térmica e o design da junta [2].

Outra referência consultada [4] indica algumas propriedades importantes do material a utilizar no

fabrico de juntas. O facto de o autor ter caracterizado cada uma destas propriedades torna pertinente

que se transcreva esta nova lista de propriedades relevantes nos materiais utilizados na selagem e

que se apresentam na tabela 2.4.

As recomendações da ESA/FSA [3] são mais simples, cingindo os critérios de selecção aos

factores que considera mais relevantes. Deste modo, é referido que na escolha do material a utilizar

devem considerar-se a compatibilidade química com o meio a selar, a temperatura e pressão de

serviço, as variações das condições de serviço e o tipo de ligação em que a junta está envolvida.

Como nota, são ainda deixadas duas advertências relativas ao facto de que, independentemente da

similaridade entre os materiais disponíveis, deve sempre ter-se em consideração que as propriedades

podem variar de fornecedor para fornecedor e que devem sempre seleccionar-se juntas de boa

qualidade. Esta última advertência contraria, de certa forma, a indicação dada por Bickford [2] de que

- 21 -

o custo é outro factor a ter em conta na selecção das juntas, uma vez que o documento da ESA/FSA

[3] acrescenta que o custo das juntas é sempre insignificante quando comparado com os custos

associados à falha das juntas e com questões de segurança.

Tabela 2.4 – Propriedades importantes nos materiais utilizados para vedação [4]

Compatibilidade química Resistência da junta ao ataque químico do meio a selar.

Resistência térmica Capacidade de suportar a temperatura de serviço.

Compressibilidade ou macro-

conformabilidade

Capacidade da junta se adaptar à distorção e ondulações dos

membros da ligação.

Micro-conformabilidade

Capacidade da junta se adaptar às irregularidades do

acabamento superficial dos membros da ligação

(rugosidade).

Recuperação

Propriedade do material que lhe permite seguir as

movimentações dos membros da ligação causadas por forças

mecânicas ou por efeito da temperatura.

Fluência e Relaxamento sob

Tensão (creep relaxation)

Capacidade da junta reter a tensão suficiente para garantir a

selagem ao longo do tempo.

Resistência à erosão

Resistência ao ataque químico do fluido nos casos em que a

junta funciona como dispositivo que garante a estabilidade

dimensional.

Tensão de Compressão Resistência ao esmagamento e/ou à extrusão causada por

elevadas tensões.

Tensão radial ou de tracção Resistência mecânica à pressão aplicada pelo meio.

Tensão de corte

Capacidade de suportar os movimentos dos membros da

ligação causados por forças mecânicas e por efeitos térmicos

e que promovem o aparecimento de tensões de corte na

junta.

Tensão “Z” Facilidade de remoção de juntas usadas sem fractura interna

do material.

Anti-aderência Garantia de que a junta não fica colada aos membros da

ligação facilitando, assim, a sua remoção.

Condutividade térmica O material da junta não deve obstar à transferência de calor

necessária na aplicação.

Isolamento acústico A junta deve providenciar o isolamento acústico requerido.

Estabilidade dimensional A estabilidade dimensional deve ser assegurada para garantir

a correcta instalação das junta.

2.4.3.1. Material das Juntas

Existe uma vasta de gama de materiais utilizados para fabrico de juntas e, como tal, a escolha do

material é um dos factores mais importantes a considerar na selecção das juntas. Antes de

considerar o material específico para cada aplicação, deve escolher-se o tipo de material adequado.

As juntas não-metálicas (macias), as juntas semi-metálicas e as juntas metálicas, constituem as três

principais categorias de materiais e cada uma delas corresponde a diferentes campos de aplicação.

As juntas não-metálicas são geralmente fabricadas em materiais compósitos e são compatíveis com

uma larga variedade de sistemas em que se pretende selar meios químicos. Por norma a sua

utilização está limitada a condições de baixa ou média pressão. As juntas semi-metálicas são

igualmente fabricadas em materiais compósitos constituídos por materiais metálicos e não-metálicos.

- 22 -

O metal da composição é responsável pela resistência e resiliência das juntas, tornando-as aplicáveis

quer em condições de baixa pressão, quer em condições de pressão elevada. As juntas metálicas,

fabricadas num único metal ou com uma combinação de materiais metálicos (ligas), podem assumir

diversas formas e tamanhos. Aplicáveis em situações de elevada temperatura e pressão, é exigido

paralelismo entre as flanges [3].

Brink et. al. [4], caracterizam as juntas não-metálicas definindo as condições necessárias ao seu

bom desempenho. Uma vez que a principal função das juntas é impedir o fluxo capilar de fluido, deve

assegurar-se que o material tem a densidade necessária de modo a eliminar os “vazios” que

contribuem para a porosidade do material. Este objectivo pode ser atingido por compressão do

material e/ou preenchendo os “vazios” com aglomerantes durante o fabrico. Para manter a

impermeabilidade ao longo do tempo, os constituintes do material devem ser resistentes à

degradação e desintegração provocadas pelo ataque químico do meio a selar e pela temperatura de

serviço [4].

A maioria dos materiais não-metálicos usados em juntas são compostos por material fibroso ou

granular, que funciona como material base ou matriz, misturado ou reforçado com um aglomerante. A

escolha da combinação material base/aglomerante depende da compatibilidade entre os

componentes, do meio a selar e das condições de carregamento requeridas na ligação [4].

Em seguida, com base na informação recolhida por consulta das referências [3-4,17,20,26-28],

apresenta-se na tabela 2.5 uma lista de materiais não-metálicos usados no fabrico de juntas e

respectivas características e campos de aplicação.

Tabela 2.5 – Materiais mais utilizados no fabrico de juntas [3-4,17,20,26-28]

Material Características

Não-metálicos

Fibras de

Amianto

Durante muito tempo foi o material mais utilizado no fabrico de juntas devido

às suas excelentes propriedades. Com boa resistência até aos 425ºC, não

combustível, praticamente inerte quimicamente, fácil composição com

outros materiais e com baixa compressibilidade, garantia a selagem para

diversas condições de serviço. Contudo, a elevada toxicidade do amianto

levou a que só seja permitido usar estas fibras em aplicações industriais

especiais, em que esteja envolvida a segurança da junta e onde nenhum

outro material garanta a selagem.

Celulose (Fibra de

Papel)

Fibra natural adequada para condições de baixa temperatura e pressão

média. Apresentam boa resistência a óleos, gasolina e água, mas ciclos que

alternem condições de humidade com condições secas podem causar o

encolhimento e endurecimento da junta comprometendo o seu desempenho.

Surgiram com o objectivo de substituir as fibras de amianto.

Fibras sintéticas

(aramid)

Fibras aromáticas com elevada resistência e excelente estabilidade

dimensional em condições de temperaturas médias. Tal como a celulose

são também uma alternativa ao amianto.

Fibras de carbono

Fibras com elevada condutividade térmica que asseguram uma rápida

dissipação de calor. Funcionais a altas temperaturas e com boa resistência

química (podem ser usadas para selar meios ácidos ou básicos) têm como

principal constrangimento não serem adequadas para meios oxidantes.

Fibras de vidro

Oferecem boa resistência mecânica e razoável resistência química.

Aplicáveis em médias e altas temperaturas têm a característica de não

“desfibrarem”.

- 23 -

Tabela 2.5 (cont.) – Materiais mais utilizados no fabrico de juntas [3-4,17,20,26-28]

Borrachas

Quer como material base, quer como aglomerantes, são várias as borrachas

utilizadas na selagem. As borrachas, na sua generalidade, conferem às

juntas boa resistência química e térmica, flexibilidade, impermeabilidade e

durabilidade. As borrachas usualmente utilizadas em juntas são a borracha

natural, a nitrílica, o isopropeno, o etileno-propileno, a epicloridrina, o

silicone, o neoprene, o poliuretano, os fluorelastómeros, etc.

Cortiça

Possui elevada compressibilidade o que permite aumentar facilmente a

densidade da junta. As juntas em cortiça são geralmente aplicadas em

condições de baixa tensão. A compressibilidade da cortiça também confere

às juntas a faculdade de se adaptarem às irregularidades dos membros da

ligação. Excelente resistência à água, óleo e solventes e fraca resistência a

ácidos inorgânicos, produtos alcalinos e ambientes oxidantes.

CorkRubber

Combina as características de compressibilidade e recuperação elástica da

cortiça com a impermeabilidade, flexibilidade e durabilidade da borracha.

Dependendo da borracha utilizada na formulação do compósito pode

também melhorar-se a resistência química relativamente à cortiça. As juntas

podem ainda ser reforçadas com fibras para aumentar a percentagem de

aperto retido face à pré-tensão inicial.

Plástico

Os plásticos, de que são exemplo o PTFE (vulgo Teflon) e o Kel-F,

apresentam, geralmente, maior resistência térmica e maior resistência a

ambientes corrosivos que as borrachas. A Garlock apresentou este ano dois

novos materiais em PTFE para juntas que demonstram maior capacidade de

retenção da carga e mais baixa permeabilidade. Com boa resistência

química e térmica estes novos materiais são aplicáveis em condições entre

os -267 ºC e 260ºC um, e entre -40ºC e 340ºC o outro [27].

Grafite flexível

Material tipicamente composto por mais de 95% de carbono.

Consequentemente, apresenta excelente resistência química em vários

meios e não deve ser aplicado em meios oxidantes. O material pode ser

fornecido com elevada densidade (para sistemas com fluidos a alta pressão)

ou com baixa pressão (adequado para tensões de selagem baixas ou

quando se exige boa conformabilidade ao material). As juntas Graflex da

Teadit substituem com vantagem juntas com enchimento em amianto,

apresentando melhores características de selagem.

Vermiculite (Mica)

Material composto por silicatos de alumínio e com morfologia laminar.

Possui elevada flexibilidade, elasticidade e tenacidade, assim como

excelente estabilidade térmica e boa resistência química. A Flexitallic,

empresa que se dedica à produção de juntas, lançou em 2007 um material

composto por vermiculite e pedra-pomes com resistência térmica acima dos

1000 ºC.

No anexo F, apresenta-se uma continuação da tabela 2.5 onde são indicados os materiais

metálicos usados no fabrico de juntas e as suas respectivas características. Porque não vêm

descritas na tabela 2.5, relembra-se que as juntas em materiais semi-metálicos combinam as

propriedades de cada um dos elementos da sua composição, variando as suas características

consoante os materiais utilizados.

- 24 -

2.4.3.2. Espessura das Juntas

A espessura é outro factor importante na escolha de uma junta ou um conjunto de juntas para

determinada aplicação. A ESA/FSA [3] indica que deve utilizar-se a espessura mais fina que o tipo de

ligação permita, mas suficientemente espessa para compensar as irregularidades das superfícies das

flanges, a sua falta de paralelismo e a sua rigidez. Quanto mais fina for a junta maior será a carga dos

parafusos que conseguirá suportar e menor a perda de carga devido ao relaxamento da junta. Uma

junta com menor espessura tem ainda a vantagem de ser menor a área exposta à pressão e ao

ataque químico do meio a selar [3].

Brink et. al. [4] acrescentam à informação dada no documento da ESA/FSA a importância do factor

de forma das juntas no relaxamento que sofrem. Em grande parte, o relaxamento deve-se à

expansão lateral das juntas, pelo que maiores espessuras implicam maior área lateral disponível para

expansão. O factor de forma das juntas é dado pelo rácio entre a área de uma das faces carregadas

e a área livre por onde se expande lateralmente a junta. Como tal, tem-se que quanto maior for a

espessura da junta, menor será o factor de forma, maior o relaxamento da tensão e menor a

capacidade da junta em reter a tensão inicialmente imposta [4].

No artigo [29] da FSA, também são enumeradas algumas características favoráveis ao uso de

juntas os mais finas possível, como por exemplo a menor área exposta à pressão interna, a maior

capacidade em reter o aperto inicial, as menores taxas de fuga devido à menor área lateral e o custo

mais baixo das juntas. Contudo, é referido também que nem sempre é possível optar por juntas finas,

já que na presença de irregularidades na superfície das flanges juntas mais espessas apresentam

maior conformabilidade.

2.4.4. Comportamento Mecânico das Juntas

Bickford [21] refere que as características mecânicas das juntas são de extrema importância no

projecto uma vez que são as juntas que determinam o comportamento da ligação. Acrescenta ainda

que conhecer o seu comportamento mecânico ajuda a compreender o porquê de se verificarem fugas

em algumas ligações com juntas e a responder ao que pode ser feito para as evitar.

A figura 2.18 a) visa ilustrar o comportamento característico de juntas não metálicas quando

sujeitas a compressão e a figura 2.18 b) exibe uma representação qualitativa das características de

recuperação após descarga que serão referidas adiante.

Figura 2.18 – Comportamento à compressão do material usado no fabrico de juntas [4]

- 25 -

2.4.4.1. Rigidez das Juntas

A rigidez de uma junta é caracterizada pela relação entre a tensão de compressão aplicada na

junta e a deflexão sob essa tensão. Uma junta pode ser tratada como uma mola montada em série

com o parafuso, a porca, a anilha e as flanges que também se comportam como molas [2]. Deste

modo, a constante elástica da ligação, KJ, é dada por:

𝐾𝐽 = 1

𝐾𝐺

+1

𝐾𝐹

−1

(3)

onde KG e KF são, respectivamente, a constante elástica da junta (em inglês gasket) e do sistema

sem juntas (flanges, parafuso, porca e anilha).

Um dado a reter na análise do comportamento de rigidez de uma junta prende-se com a

distribuição de pressão promovida pelos parafusos da ligação. A figura 2.19 ilustra o modelo do cone

de pressão de Rotscher que indica que a pressão é elevada até uma distância de cerca de 1,5 vezes

o raio do parafuso [30]. No referido modelo considera-se que o ângulo α do cone de pressão com o

eixo do parafuso é variável, mas por simplicidade assume-se frequentemente que α é constante e

igual a 30º.

Figura 2.19 – Cone de influência de um parafuso [30]

Principalmente no caso das juntas não metálicas, é frequente a junta ter uma constante elástica

muito inferior à constante elástica dos parafusos e das flanges. Nestes casos, o comportamento

elástico da ligação é governado pela junta, resultando numa boa aproximação considerar-se que

KJ=KG [2]. De notar que a junta não pode ser tratada como uma mola totalmente elástica, dado que

após retirado o carregamento a junta permanece deformada durante algum tempo. O seu

comportamento pode ser muito diferente em condições de carregamento estático relativamente à

aplicação de uma carga dinâmica [2].

Outro factor importante é a temperatura, uma vez que o coeficiente de contracção/expansão

térmica da junta difere significativamente dos do parafuso e das flanges, sendo o seu comportamento

afectado por gradientes térmicos elevados [2].

2.4.4.2. Fluência e Relaxamento Sob Tensão

A fluência e o relaxamento sob tensão são características mecânicas da junta com efeitos

importantes no comportamento da ligação. Estes fenómenos estão associados à perda de espessura

- 26 -

da junta quando sujeita a uma carga de compressão constante (fluência pura) e à perda de tensão de

compressão na junta carregada em condições de deflexão constante (relaxamento puro) [2]. É

comum serem referidas como:

- Fluência pura: percentagem (%) da variação da espessura da junta sob uma carga de

compressão constante;

- Relaxamento puro: percentagem (%) da variação da tensão de compressão na junta face à

tensão devida à pré-tensão, em condições de deflexão constante.

Numa junta que sofre os efeitos da fluência e do relaxamento sobre tensão, à perda de espessura

está associado o relaxamento dos parafusos e, consequentemente, uma redução do alongamento

dos parafusos, da sua tensão e da força de aperto, factores que conduzem a uma perda de tensão na

junta [2]. As normas ASTM F 38 [31] e DIN 52913 [32], são exemplo de testes que permitem

determinar a fluência e relaxamento sob tensão de materiais utilizados em juntas.

Um fenómeno interessante da fluência é a fluência cíclica. Testes do PVRC mostram que muitas

juntas sentem mais os efeitos da fluência quando sujeitas a cargas cíclicas do que em carregamento

estático. Estes testes são realizados em condições de fluência pura.

Após colocação das juntas, há um conjunto de factores que afectam o seu comportamento de

fluência e o relaxamento sob tensão. Qualquer um destes fenómenos é inevitável, uma vez que uma

junta deve apresentar alguma plasticidade que lhe permita adaptar-se às eventuais irregularidades

das superfícies dos membros da ligação, mas a quantidade de fluência e de relaxamento registados

depende de determinadas variáveis. O material é, obviamente, uma dessas variáveis, mas também a

espessura da junta, o tempo de serviço, a temperatura, as cargas aplicadas e a rigidez dos parafusos

contribuem para que se verifiquem algumas alterações no comportamento da junta. De uma forma

sumária os principais parâmetros envolvidos são:

Espessura Inicial: O relaxamento é proporcional à espessura da junta, sendo recomendado que

a junta tenha a mínima espessura possível [2-4];

Tempo: Grande parte do relaxamento e da fluência ocorre nos primeiros 15/20 minutos após a

aplicação da pré-tensão aos parafusos ou após 20/25 ciclos de carga. Estes fenómenos

continuam a ocorrer durante várias horas e voltam a manifestar-se depois de aumentar a

temperatura da junta, mas as alterações adicionais na deflexão não são, por norma, suficientes

para causar problemas [2].

Após algumas horas em serviço a junta estabiliza, pelo que é recomendado que ao fim de

18/24 h se proceda a um reaperto dos parafusos para recuperar as perdas da força de aperto que

se verificaram durante a ocorrência dos fenómenos de fluência e relaxamento [2]. Apesar de ser

um procedimento comum, um estudo realizado por Abid [33] levou a conclusão que o reaperto

conduz a fugas mais severas e, em último caso, à necessidade de substituir a junta. Quando se

verificam fugas o reaperto pode parecer uma boa solução, mas o seu efeito é apenas temporário;

Temperatura: A temperatura é um factor relevante. Altas temperaturas podem aumentar

significativamente os efeitos de fluência e de relaxamento. Uma grande vantagem das fibras de

- 27 -

amianto (que só são utilizadas em aplicações industriais especiais onde esteja envolvida a

segurança da junta e onde nenhum outro material garanta a selagem) prende-se com a sua

capacidade de funcionar a temperaturas de 399ºC ou superiores. Por outro lado, numa junta

elastomérica de poliamida aromática os efeitos do relaxamento sob tensão e de fluência

aumentam significativamente com o aumento da temperatura. De notar que, normalmente, as

características das juntas publicadas pelos fornecedores são baseadas em testes à temperatura

ambiente [2,4];

Pré-Tensão: A pré-tensão na junta afecta as suas taxas de fluência e relaxamento, havendo a

tendência para que carregamentos mais elevados originem maior relaxamento. Contudo,

paradoxalmente, em alguns casos o aumento da pré-tensão conduz a uma menor percentagem de

perdas [2];

Rigidez dos Parafusos: Não influi nas propriedades relativas ao relaxamento sob tensão e à

fluência, mas afecta a relação entre a redução de espessura da junta e a perda de força de aperto

a que esta é submetida. Utilizando parafusos esbeltos a perda de força de aperto para uma dada

mudança de espessura é menor que com parafusos curtos e de maior diâmetro [2].

2.4.4.3. Resistência à Tracção

Teoricamente, o material das juntas até poderia ter uma resistência à tracção nula se o aperto

dado à ligação fosse suficientemente grande para segurar a junta. Contudo, esta situação é muito

difícil de se verificar na prática, devendo a junta possuir alguma resistência à tracção para que, por

influência da pressão interna, não seja despedaçada e/ou lançada para fora da ligação [2].

2.4.4.4. O Factor PxT

A qualquer material utilizado no fabrico de juntas estão associadas uma temperatura e pressão

máximas acima das quais não há garantias da junta desempenhar correctamente a sua função. No

entanto, nunca a junta poderá ser exposta a condições de temperatura e pressão máximas

simultaneamente. Para evitar que esta situação ocorra foi criado um factor PxT, correspondente ao

produto da pressão e da temperatura, que pode ser utilizado para determinar uma combinação

aceitável de pressão e temperatura [2].

2.4.4.5. Resistência ao Esmagamento

Quanto maior for a pressão aplicada sobre uma junta menores serão as fugas, mas se as forças

de compressão forem demasiado elevadas podem provocar o esmagamento das juntas ou até a sua

rotura. A resistência ao esmagamento é uma função da temperatura de serviço e da espessura da

junta, ou seja, depende de duas variáveis que reflectem as condições e necessidades de

determinada aplicação. Como tal, por ser uma propriedade do material que depende das condições

de serviço, não costuma ser referida pelos fabricantes [2].

- 28 -

2.4.4.6. Compressibilidade e Recuperação

A compressibilidade define-se como a variação de espessura da junta quando comprimida por

acção de uma carga específica, fornecendo informação relativa à rigidez da junta [11]. A

compressibilidade do material, assim como a espessura da junta, deve ser adequada à rigidez,

rugosidade e irregularidades dos membros da ligação [4]. É uma propriedade fundamental para o

correcto funcionamento da junta sendo responsável pela capacidade do material se adaptar às

irregularidades nas superfícies das flanges [15]. Bickford [2] considera que mais importante que a

compressibilidade é a recuperação. A recuperação é uma medida da recuperação de espessura da

junta quando a carga imposta é reduzida ou totalmente retirada. À perda de tensão devido ao

relaxamento e fluência da junta deve estar associada uma recuperação de espessura suficiente para

que a junta se continue a adaptar às irregularidades das flanges.

2.4.5. Procedimento de Montagem

Para que a junta se comporte de acordo com os parâmetros para os quais foi projectada, deve

proceder-se à sua colocação com procedimentos adequados. Para tal, é necessário considerar as

condições dos membros da ligação, a sua dureza, a lubricidade das superfícies, a calibração das

ferramentas, a acessibilidade dos parafusos, a tensão requerida, a sequência de aperto apropriada,

etc. [3]. De seguida, descrevem-se de forma sumária os principais aspectos associados à montagem.

2.4.5.1. Ferramentas Necessárias

Para instalação das juntas são necessárias ferramentas não só para aplicar a tensão nos

parafusos, mas também para limpar as flanges. A tensão nos parafusos é aplicada recorrendo a

chaves dinamométricas que permitam controlar o torque aplicado. Para medir a tensão aplicada

podem utilizar-se micrómetros ou medidores ultrasónicos para medir a extensão dos parafusos [3].

Em alguns casos, dependendo da complexidade e/ou tamanho dos elementos a ligar, poderão ser

necessárias outras ferramentas para auxiliar a montagem.

A exigência de que os membros da ligação estejam limpos torna indispensáveis os produtos de

limpeza adequados a cada situação. A utilização de solventes para remoção de sujidades que

tenham aderido às superfícies das flanges (restos de uma junta anteriormente utilizada, por exemplo)

é muitas vezes necessária.

Por vezes, o procedimento de montagem é um processo que envolve alguma sujidade e em que

devem considerar-se questões de segurança. Assim, em alguns casos, deve usar-se roupa

apropriada, capacete, óculos de protecção e luvas [3].

2.4.5.2. Inspecção dos Elementos da Ligação

As superfícies das flanges de ligação não devem ter qualquer defeito grave, uma vez que nem

uma junta perfeita garantirá a selagem numa ligação com flanges danificadas. Na tabela 2.6 são

indicados os pormenores a verificar aquando a inspecção visual dos elementos da ligação.

- 29 -

Tabela 2.6 – Inspecção visual dos elementos de uma ligação com junta [3]

Parafusos / Porcas / Anilhas - Depois de limpos deve assegurar-se que não possuem

defeitos, tais como fendas ou acabamentos grosseiros.

Flanges da Ligação

- As superfícies não devem apresentar rasgos radiais,

encurvamentos ou outros defeitos;

- Deve assegurar-se o paralelismo adequado entre os

membros da ligação bem com a sua planeza.

Junta

- Confirmar que a junta é apropriada ao serviço (tamanho,

espessura, resistência à temperatura,...);

- Examinar a junta antes da instalação para garantir que não

apresenta defeitos.

2.4.5.3. Tensão Requerida

Apesar dos desenvolvimentos que têm surgido nesta área (como o controlo da tensão nos

parafusos, dispositivos de tensão hidráulicos, análise ultrasónica da extensão dos parafusos, etc.) o

controlo do binário aplicado aos parafusos continua a ser o método mais utilizado para controlar a

tensão aplicada na junta [3].

A relação entre o binário aplicado e a força de aperto é dada pela seguinte expressão [30]:

𝑇 = 𝐾 ×𝐹𝑖

𝑁º𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜𝑠× 𝑑 (4)

onde T é o binário aplicado, K o factor de atrito entre o parafusos e as flanges, Fi a pré-tensão a que

ficam sujeitos os parafusos e d o diâmetro dos parafusos. A tabela 2.7 apresenta alguns valores

característicos do coeficiente K.

Tabela 2.7 – Valores característicos do coeficiente K [30]

Acabamento do Parafuso K

Não-Revestido 0,3

Zincado 0,2

Lubrificado 0,18

Cadmiado 0,16

Bowman Anti-Fricção 0,12

Com porcas Bowman Grip 0,09

Determinando a área de contacto, Ac, da junta com as flanges antes do aperto, calcula-se a tensão

de compressão na junta, σ, fazendo:

𝜎 =𝐹𝑖𝐴𝑐

(5)

A determinação da tensão nos parafusos é feita recorrendo à seguinte expressão:

𝜎𝑏 =𝐹𝑖𝐴𝑏

(6)

onde σb e Ab são a tensão e área da secção transversal do parafuso, respectivamente.

- 30 -

2.4.5.4. Sequência de Aperto Adequada

Só com uma sequência de aperto adequada é possível distribuir uniformemente a tensão aplicada

nas juntas. É recomendado que se apertem os parafusos de forma cruzada caso contrário há o risco

de provocar a perda de paralelismo entre as flanges. As juntas podem até ter a capacidade de

compensar pequenas quantidades de distorção entre as flanges, mas dificilmente o farão se as

flanges estiverem longe da condição de paralelismo pretendida [3]. As figuras 2.20 e 2.21, ilustram as

sequências de aperto adequadas para diferentes números de parafusos e diferentes geometrias,

aplicando o modelo do aperto cruzado dos parafusos (em inglês, cross-bolting).

Figura 2.20 – Sequências de aperto para configurações circulares [3]

Figura 2.21 – Sequências de aperto para configurações de geometria diversa [34]

- 31 -

As figuras 2.20 c) e 2.21 d) representam o caso de uma geometria circular com 16 parafusos.

Contudo, apesar de em ambos os casos se seguir o modelo de aperto cruzado, a sequência de

aperto difere a partir do 5º parafuso. Enquanto que na figura 2.20 c) se apertam primeiro os parafusos

situados nas posições intermédias, na figura 2.21 d), depois de apertados os primeiros 4 parafusos, é

aplicado o binário de aperto aos parafusos adjacentes aos já apertados, mas seguindo sempre o

aperto cruzado.

No documento da ESA/FSA em referência [3], também é indicado que deve aplicar-se o torque em

pelo menos cinco (5) passos, sendo o primeiro o aperto à mão, o segundo aplicando um aperto igual

a 30% do aperto final pretendido, o terceiro até 60% e o quarto o aperto total requerido. Nestes

passos deve seguir-se a sequência de aperto recomendada, conforme ilustrado nas figuras 2.20 e

2.21, enquanto que no quinto passo se aplica novamente o aperto total pretendido, mas na direcção

dos ponteiros do relógio. Noutra referência [4] apenas são recomendados 2 a 3 passos.

2.4.5.5. Especificações para Instalação de Juntas

Resumindo a informação dada relativa à correcta instalação de juntas, Brink et al. [4] avançam

com um conjunto de especificações para a colocação correcta de juntas. As recomendações são as

seguintes:

Garantir que os membros da ligação estão limpos e que o acabamento superficial das superfícies

está de acordo com o exigido;

Limpar os furos dos parafusos das flanges;

Verificar se a junta apresenta algum dano antes de proceder à instalação;

Garantir que a junta se adequa à aplicação (compatibilidade geométrica);

Utilizar parafusos lubrificados. A rosca e a superfície inferior dos parafusos deve ser lubrificada;

Assegurar que a extremidade inferior dos parafusos não entra em contacto com as flanges;

Especificar o binário de aperto requerido e utilizar chaves dinamométricas;

Especificar e aplicar a sequência de aperto recomendada. Deve aplicar-se o binário total em duas

ou três etapas.

2.4.5.6. Procedimento de Desmontagem

Para remoção das juntas, são indicadas algumas regras que importa referir. Antes de mais, e para

que o processo de desmontagem seja feito em segurança, deve assegurar-se que o sistema onde as

juntas estão instaladas se encontra despressurizado. Depois, deve seguir-se um procedimento

inverso ao de montagem, ou seja, os parafusos devem ser desapertados de forma inversa à de

montagem e em vários passos. No caso da junta ficar colada, a limpeza deve ser feita com escovas

de material mais macio que as flanges para que a superfície destas não fique danificada [3].

2.4.6. Projecto de Juntas

A selecção das juntas divide-se em dois passos. Primeiro deve proceder-se à selecção criteriosa

dum material que garanta a compatibilidade química com o meio a selar e que suporte as

- 32 -

temperaturas de serviço. Como segundo passo, devem verificar-se a tensão mínima de selagem e a

pressão interna. Para cumprir este segundo passo são propostos os métodos ASME, Whalen e Reis

et al. [35] que a seguir se apresentam.

2.4.6.1. Método do Código ASME

O código ASME é utilizado principalmente para o projecto de juntas em reservatórios de pressão,

sendo o método mais utilizado nesta área [36].

Este método baseia-se na utilização de dois coeficientes, m e y, que dependem do material da

junta e que se apresentam no Quadro 1 do Anexo C. A ASME define estes dois coeficientes da

seguinte forma [2]:

m – frequentemente designado como factor de manutenção da junta, está associado à pressão

hidrostática do meio e ao tipo de ligação utilizado no sistema;

y – tensão mínima de selagem que é associada particularmente ao material da junta e só é afectado

pela montagem inicial do sistema [psi].

De notar, que o factor m é essencialmente um coeficiente que, multiplicado pela pressão, leva a

um aumento da força de aperto dos parafusos, procurando garantir desta forma que as forças

internas de pressão não provocam uma separação das flanges que conduza ao aparecimento de

fugas. Estes coeficientes foram determinados em 1937 [4] e apesar de alguma objecção quanto aos

seus valores específicos continuam a ser utilizados. Outra nota importante é que o código ASME

utiliza o sistema inglês, mas pode utilizar-se o sistema métrico sempre que desejável.

São utilizadas duas equações [4,36] para determinar a tensão requerida a aplicar nos parafusos,

devendo ser utilizada no projecto a que apresentar um resultado maior, i.e. máx {Wm1, Wm2}.

𝑊𝑚2 = 𝜋 ∙ 𝑏 ∙ 𝐺 ∙ 𝑦 (7)

𝑊𝑚1 =𝜋

4× 𝐺2 ∙ 𝑃 + 2𝑏 ∙ 3,14 ∙ 𝐺 ∙ 𝑚 ∙ 𝑃 (8)

onde Wm2 é a carga inicial requerida sem actuação da pressão interna do sistema [lb]; Wm1 a carga

requerida nas condições mais severas de funcionamento do sistema [lb]; G é, dependendo do valor

de b0 (parâmetro apresentado no Quadro 2 do Anexo C), o diâmetro médio ou externo da superfície

de contacto da junta [in]; P é a pressão máxima de serviço admissível [psi]; b é a largura da superfície

de contacto da junta assente na flange [in].

O cálculo do diâmetro dos parafusos [4,36] baseia-se na pré-tensão requerida e no binário a

aplicar e é efectuado recorrendo a uma das seguintes expressões:

𝑊𝑏 =𝑇

0,17∙𝐷, para parafusos lubrificados (9)

𝑊𝑏 =𝑇

0,2∙𝐷, para parafusos não-lubrificados (10)

- 33 -

onde Wb representa a carga por parafuso, D o diâmetro dos parafusos [in] e T o binário [lb.in]. Nas

ligações com mais do que um parafuso tem de multiplicar-se Wb pelo número de parafusos para obter

a carga total. A determinação do diâmetro dos parafusos baseada na carga aplicada e na tensão

admissível para uma dada classe dos parafusos é feita recorrendo à expressão:

𝑊𝑏 = 𝑆𝑏 ∙ 𝐴𝑏 (11)

onde Sb é a tensão admissível para uma dada classe de resistência do parafuso [psi] e Ab é a área de

secção mínima do parafuso [in2].

Como os factores m e y não são revistos há mais de 50 anos, o PVRC tem desenvolvido testes

para obtenção de informação relativa a fugas em ligações com juntas, com vista a determinar

constantes das juntas com maior significado na sua caracterização. Também se têm procurado

desenvolver as bases para um teste à estanquicidade das juntas em condições de aperto que seja

mais significativo [4].

2.4.6.2. Método Simplificado de Whalen

O método de Whalen também se baseia na tensão de selagem mínima Sg e na pressão interna P1

do sistema para determinar a carga total dos parafusos. Este método acaba por seguir a mesma linha

do código ASME, mas simplificando as equações uma vez que considera toda a largura de contacto

da junta [4,36]. A aplicação deste método obriga a satisfazer duas condições: a força Fg deve ser

suficiente para assentar a junta na superfície das flanges assim com para prevenir que as flanges se

afastem devido à pressão interna causando fugas. Deste modo, obtém-se:

𝐹𝑏 = 𝑆𝑔 ∙ 𝐴𝑔 (12)

equação que implica que a carga dos parafusos seja suficiente para acomodar a junta às superfícies

dos membros da ligação quando as pressões internas são desprezáveis e onde Fb representa a força

total dos parafusos [lb], Sg a tensão mínima de selagem e Ag a área de contacto da junta; e

𝐹𝑏 = 𝑛𝑃1 ∙ 𝐴𝑚 (13)

sendo que esta equação já considera a pressão interna do sistema com P1 a definir a pressão interna,

Am a área onde a pressão interna é aplicada (baseada, normalmente, no diâmetro médio da junta) e n

um factor de segurança que assume os valores apresentados na tabela 2.8.

Tabela 2.8 – Coeficientes de segurança para ligações com juntas ([adaptado de [4])

Factor de segurança n Aplicação

1,2 a 1,4 Para aplicações pouco exigentes em que todos os factores são cuidadosamente controlados, com temperaturas que não excedam os 120ºC e onde são aplicadas tensões de prova adequadas.

1,5 a 2,5

Para a maioria dos casos em que o peso não é um factor decisivo, as vibrações são moderadas e com temperaturas até aos 400ºC. Para parafusos não lubrificados devem usar-se coeficientes perto dos 2,5.

2,6 a 4,0 Para casos com variações extremas de pressão, temperatura ou vibração e onde é difícil assegurar tensões uniformes nos parafusos.

- 34 -

2.4.6.3. Determinação da Segurança de uma Ligação Aparafusada com Junta [35]

Neste método começa-se por estipular que a força exercida sobre as flanges, Fm, deve ser

superior à força mínima requerida para garantir a selagem, F0, o que se traduz na expressão:

𝐹𝑚 > 𝐹0 (14)

De acordo com Shigley [30] a força Fm é dada pela expressão:

𝐹𝑚 = 𝐹𝑖 − (1 − 𝐶) ∙ 𝑄 (15)

onde Fi representa a pré-tensão aplicada, C a rigidez adimensional da ligação e Q as forças externas

às quais a ligação está sujeita. Deste modo, considerando agora um factor de segurança n, vem:

𝐹0 = 𝐹𝑖 − (1 − 𝐶) ∙ 𝑛 ∙ 𝑄 (16)

Assim, por manipulação algébrica da equação (16), é possível determinar o factor de segurança da

ligação, n, que deve ser sempre maior que 1.

𝑛 =𝐹𝑖 − 𝐹0

(1 − 𝐶) ∙ 𝑄 (17)

2.4.6.4. Outros Métodos

As alterações que se têm promovido no código da ASME levaram à determinação de novas

constantes características das juntas. Apesar de na bibliografia consultada não constar o novo código

da ASME, sabe-se que vai providenciar novas constantes que poderão ser utilizadas no projecto das

juntas e que serão fornecidas pelos fabricantes de juntas [4]. Apresenta-se de seguida uma breve

descrição sobre o assunto.

a) Cálculo da Carga nos Parafusos com Base na Estanquicidade da Junta

As novas constantes devem ser utilizadas em ligações onde é importante considerar uma taxa de

fugas mínima [3,36]. Para utilização deste método é necessário introduzir três novos conceitos:

estanquicidade, parâmetro de estanquicidade (Tp) e taxa de fuga normalizada.

O parâmetro Tp é uma medida da estanquicidade proporcional à pressão e inversamente

proporcional à raiz quadrada da taxa de fuga.

𝑇𝑝 = 𝑃

𝑝𝑎𝑡𝑚

1

𝐿𝑟

0,5

(18)

onde P é a pressão interna [psi], patm a pressão atmosférica [psi] e Lr a taxa de fuga [mg/s]. Desta

forma, um valor de Tp mais alto corresponde a uma ligação mais estanque. Assim como, por

interpretação da expressão (18), se conclui que uma junta 10 vezes mais estanque, apresenta taxas

de fuga 100 vezes menores.

- 35 -

O facto do projecto da ligação ser feito considerando uma taxa de fuga mínima, obrigou a fixar um

valor para essa taxa. Uma taxa de fuga de 1/2480 lb/h por polegada do diâmetro exterior da junta foi

definido como taxa de fuga admissível. Deste modo,

𝑇𝑝𝑚𝑖𝑛 = 0,1243 ∙ 𝑃 (19)

Por consulta dum gráfico semelhante ao da figura 2.22, que representa a relação típica entre o

parâmetro Tp e a tensão na junta, pode determinar-se a tensão mínima de selagem.

Figura 2.22 – Tensão de selagem vs Parâmetro de estanquicidade [21]

b) Cálculo da Carga nos Parafusos Utilizando Tpmin, Gb, a e Gs

As constantes Gb, a e Gs são utilizadas para calcular a carga a aplicar aos parafusos e têm o

mesmo significado que Wm1 e Wm2 têm no código ASME. Estas constantes são determinadas com

base na interpretação da informação obtida em testes à taxa de fuga que relacionam a tensão Sg

aplicada na junta com o parâmetro de estanquicidade Tp [4,36].

Gb e a são constantes com o mesmo significado que o coeficiente y do código ASME, ou seja,

definem a tensão mínima de selagem com base em dados obtidos em testes efectuados ao material

das juntas. Gs está associado à parte operacional dos testes de estanquicidade a que são submetidas

as juntas, em que são descarregadas e comprimidas novamente enquanto é medida a taxa de fugas.

Comparando com o código ASME a constante Gs é análoga ao coeficiente m.

Definidas as constantes, o valor mínimo do parâmetro de estanquicidade Tpmin é dador por:

𝑇𝑝𝑚𝑖𝑛 = 0,1243 ∙ 𝑐 ∙ 𝑃 (20)

com c a depender da classe de estanquicidade da junta.

- 36 -

A tensão de selagem Sya requerida para assegurar que o Tpmin é atingido é dada pela expressão:

𝑆𝑦𝑎 =𝐺𝑏

𝑒× 1,5 ∙ 𝑇𝑝𝑚𝑖𝑛

𝑎 (21)

com e = ¾ para aperto manual e valores mais altos para outros métodos de montagem.

A determinação da tensão mínima de projecto Sm é obtida recorrendo à seguinte expressão:

𝑆𝑚 =𝑆𝑦𝑎

1,5−𝑝 ∙ 𝐴𝑖

𝐴𝑔

(22)

onde Ai é a área sujeita à pressão interna.

Para determinar a carga requerida, Wm, a aplicar nos parafusos tendo em conta as condições de

funcionamento utiliza-se a expressão

𝑊𝑚 = 𝑃 ∙ 𝐴𝑖 + 𝑆𝑚 ∙ 𝐴𝑔 (23)

que significa que os parafusos são carregados com a tensão necessária para igualar as forças de

pressão internas acrescida da tensão que é necessário aplicar na junta para garantir a selagem.

2.4.6.5. Recomendações relativas à geometria das Juntas

No projecto de juntas deve assegurar-se que a distribuição dos parafusos é adequada, garantindo

que não existem regiões onde a selagem é insuficiente [2,4]. A figura 2.23 ilustra uma ligação onde

estão patentes casos de selagem insuficiente devido a uma incorrecta distribuição dos parafusos.

Figura 2.23 - Exemplos de selagem insuficiente devido à inadequada distribuição dos parafusos [4]

Outra recomendação a considerar prende-se com os furos da junta onde são colocados os

parafusos. Cerca de 80% da carga do parafuso está concentrada na área ao redor do parafuso, pelo

- 37 -

que alterações na geometria da junta semelhantes à ilustrada na figura 2.24 são recomendadas para

reduzir a possibilidade de ruptura da junta [4]. A aplicação de reforços, como se verifica na figura

2.25, é outra solução possível para eliminar este problema.

Figura 2.24 – Alteração do design da junta para prevenir ruptura junta aos furos [4]

Figura 2.25 – Pormenor de junta reforçada

2.4.7. Avaliação do Desempenho das Juntas

A avaliação do desempenho de uma junta é realizada não só com base na sua performance

quando instalada em determinada aplicação, mas também nos resultados decorrentes de testes de

índole diversa realizados aos materiais usados nas juntas. O documento da Garlock [34] indica como

factores decisivos para um bom desempenho das juntas que estas sejam capazes de selar o fluido;

que resistam quimicamente ao fluido, não exibindo uma degradação significativa das suas

propriedades físicas; que se deformem o suficiente de forma a se adaptarem às superfícies das

flanges, promovendo desta forma o contacto da junta com toda a superfície das flanges; que resista à

temperatura sem que se verifique uma perda das suas propriedades; que seja resiliente e resistente à

fluência, para que seja capaz de reter uma quantidade adequada da carga aplicada inicialmente; que

tenha uma tensão de rotura à compressão suficiente para suportar as cargas aplicadas; que não

contamine o fluido a selar; que não provoque a corrosão das superfícies de contacto; que seja fácil de

remover, isto é, que não revele uma aderência excessiva ao sistema.

Os testes da ASTM para caracterização e avaliação das juntas vão de encontro aos factores

indicados pela Garlock. Os volumes 09.01 e 09.02 das normas ASTM especificam um conjunto de

testes para avaliação de juntas e para caracterização dos materiais que resultam de anos de

investigação nesta área.

A norma UL 157 [37] também indica um conjunto de testes que devem ser efectuados no intuito de

avaliar a capacidade de determinados materiais serem utilizados como juntas. Os testes indicados

são similares aos desenvolvidos pela ASTM e ajudam a caracterizar a capacidade dos materiais em

cumprir os requisitos referidos pela Garlock [34].

- 38 -

Os sub-capítulos que se seguem abordam os factores considerados determinantes para o

desempenho adequado das juntas bem como os testes desenvolvidos para caracterizar a sua

compatibilidade com determinada aplicação.

2.4.7.1. Verificação de Fugas

Sendo a principal função da junta evitar fugas é de extrema importância que o material utilizado

garanta a estanquicidade do sistema. A norma ASTM F 37 [38] indica dois métodos, A e B, que

consistem em comprimir uma junta anelar entre duas flanges de determinado equipamento, introduzir

o meio a selar no centro da junta, pressurizá-lo e registar o caudal de fluido [ml/h] que se escapa

através da junta. Ambos os métodos são apropriados para testar a capacidade de selar líquidos

(recomenda-se o uso de Fuel A) e para testar a capacidade de selar gases o método B é o indicado

(recomenda-se o uso de Nitrogénio). Deste modo, é possível determinar a compressão que deve ser

aplicada à junta para que não sejam registadas fugas.

Gu et al [39], no estudo que desenvolveram na tentativa de estimar o caudal das fugas numa

ligação com juntas, utilizaram outro método para detecção de fugas que consiste em criar uma

câmara de baixa pressão ao redor da junta a testar e, utilizando a equação dos gases perfeitos (PV =

nRT), determinaram o caudal de fugas medindo as variações de pressão e temperatura na câmara. A

realização de vários testes permitiu definir uma equação para a previsão do caudal das fugas, mas

que apenas é válida para os materiais testados (fibras e grafite flexível). A equação determinada é

função das pressões interna e externa, da tensão de compressão aplicada sobre a junta e de

coeficientes obtidos a partir dos dados experimentais.

Qualquer um dos métodos indicados permite determinar as condições necessárias a que deve ser

submetido determinado material para garantir a selagem. No entanto, também é possível verificar a

existência de fugas com as juntas instaladas na aplicação a que se destinam. A utilização de

produtos que são dissolvidos no líquido a selar e que exibem fluorescência quando iluminados por luz

negra, de que é exemplo o Keytect Tracer Yellow R (produto Keystone) [40], é bastante comum na

detecção de fugas, nomeadamente em motores de combustão interna.

A inspecção visual à vista desarmada é outro método possível de verificação de fugas, mas que

só deve ser utilizado quando, de acordo com o conhecimento empírico adquirido, caudais de fuga

reduzidos não tiverem um impacto significativo no desempenho do sistema.

2.4.7.2. Compatibilidade Química

A compatibilidade química dum material para juntas pode ser averiguada através da análise da

degradação das propriedades físicas do material após imersão total num fluido. A norma ASTM F 146

[41] refere que devem ser testadas as variações da tensão de rotura à tracção, da compressibilidade

em condições suaves, da flexibilidade, do volume, do peso e da espessura. A norma ASTM F 104

[42] indica as variações máximas admissíveis para algumas destas propriedades em materiais não-

metálicos para juntas. Entende-se que o ataque químico é tanto maior quanto maiores forem as

variações das propriedades testadas.

- 39 -

A norma UL 157 [37] indica as propriedades que devem ser testadas para avaliar a

compatibilidade química com vários fluidos, sendo de destacar que para a gasolina e para as

misturas de gasolina com etanol a resistência à tracção, o alongamento, a variação de volume e a

variação de peso são as características utilizadas para avaliar a compatibilidade química dos

materiais após imersão nos referidos fluidos.

Stevens [43], no seu estudo para a DuPont em que analisa a resistência de fluorelastómeros a

misturas de fuel C com etanol, procede a testes de 168 horas de variação da tensão de rotura,

extensão, dureza e de volume para avaliar a compatibilidade química destes fluorelastómeros com as

referidas misturas.

Num artigo da FSA [44] são indicados os sintomas típicos de uma junta que tenha sofrido os

efeitos de ataque químico. O artigo refere que as juntas ficam baças, esfareladas, perfuradas (com

aspecto semelhante às perfurações de uma colmeia) e até fracturadas em algumas regiões. As

figuras 2.26 a) e b) mostram o aspecto típico de uma junta que tenha sofrido ataque químico.

Figura 2.26 – Juntas em que se verificam sintomas de ataque químico [44]

2.4.7.3. Resistência à Temperatura

Um composto que seja compatível com determinado químico à temperatura ambiente pode não

resistir ao ataque químico a temperaturas elevadas [45]. Um dos sintomas típicos da falha térmica

das juntas é o aparecimento de fissuras radiais que se desenvolvem do centro para o exterior da

junta [46]. A figura 2.27 ilustra este fenómeno numa junta anelar fabricada em material cerâmico.

Figura 2.27 – Fissuras radiais devido a ataque térmico [46]

- 40 -

2.4.7.4. Aderência aos Membros da Ligação

A norma ASTM F 607 [47] especifica um método para medir a aderência de materiais de juntas a

superfícies metálicas. Consiste em comprimir o material da junta entre duas placas metálicas planas

nas condições em que se pretenda determinar o grau de aderência. É registada a força necessária

para separar as placas e determinada a tensão, em MPa, que é uma medida da aderência do

material às superfícies metálicas.

Aquando o procedimento de substituição as juntas não devem ser difíceis de remover nem deixar

resíduos colados às superfícies das flanges. Na figura 2.28 é possível visualizar pedaços de uma

junta de fibra de papel para um carburador e de uma junta em grafite para a cabeça do motor que

ficaram colados ao equipamento.

Figura 2.28 – Aderência de juntas: a) fibra de papel; b) grafite

2.4.8. Fabrico e Armazenamento de Juntas

Neste sub-capítulo são descritos resumidamente os processos normalmente utilizados no fabrico

de juntas e indicadas algumas recomendações relativas ao correcto armazenamento de juntas.

a) Corte em matrizes com réguas de aço

Este tipo de corte é geralmente utilizado para cortar juntas não-metálicas com tolerâncias

superiores a ±0,3 mm, podendo ser utilizadas para a produção de pequenas e grandes séries. É um

processo económico e que pode ser aplicado utilizando prensas de vários tipos. Também é aplicável

a metais de baixo calibre [4].

b) Corte com matriz e punção de aço

Este é um processo mais dispendioso que o anterior devido ao custo acrescido das ferramentas,

mas garante uma maior precisão dimensional no fabrico das juntas com tolerâncias de ±0,05 mm. É

utilizado na produção de grandes séries onde se exige elevada precisão dimensional e para metais

com 0,25 mm ou mais de espessura [4].

- 41 -

c) Corte por descarga eléctrica

A grande limitação deste processo é a sua aplicabilidade exclusiva a metais ferrosos. É um

processo de elevada precisão em que as folhas do material das juntas são empilhadas com

espessuras entre os 25 mm e os 50 mm e cortadas simultaneamente. É adequado à produção de

protótipos ou de pequenas séries, mas é um processo lento e dispendioso [4].

d) Corte a laser

Processo de corte bastante rápido, mas também bastante caro. As juntas são normalmente

cortadas a partir de uma folha do material e deve recorrer-se ao processo de nesting que consiste em

dispor o conjunto de juntas sobre a folha de material com uma configuração tal que permita um

melhor aproveitamento da matéria-prima. Apesar de permitir a imposição de tolerâncias apertadas

(±0,05 mm) deixa uma pequena marca de escória devido à operação de queima promovida pelo

laser. É aplicável à maioria dos materiais [4].

e) Corte por jacto de água

Método bastante económico, mas com menos precisão que o laser, já que a tolerância

dimensional é de ±0,25 mm. Caracteriza-se por ser um processo de corte rápido em que as folhas de

material podem ser empilhadas de forma a aumentar as taxas de produção. Tal como no laser o

nesting é aplicável o que permite um melhor aproveitamento do material [4].

Relativamente ao armazenamento de juntas, o documento da ESA/FSA [3] faz algumas

recomendações com vista à conservação das juntas não-metálicas quando são guardadas para

posterior utilização. É indicado que devem ser armazenadas num local fresco e seco, sem serem

expostas à luz solar directa e sem entrarem em contacto com água, óleo ou com produtos químicos.

Devem ser acondicionadas em locais planos e não devem ser penduradas sob o risco de originar

distorção. É recomendado ainda que não sejam submetidas a qualquer esforço mecânico e que

sejam mantidas limpas.

- 42 -

CAPÍTULO 3

3. EQUIPAMENTO E METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Os ensaios experimentais e os testes de validação realizados decorreram na secção de

Desenvolvimento de Novos Produtos (DNP) da Amorim Cork Composites (ACC), em Stª Marta de

Corroios, empresa certificada pela norma NP EN ISO 9001:2000. A produção dos materiais testados

foi realizada na área de produção da empresa de acordo com o fluxograma da figura 2.6. Já o corte

das juntas testadas no motor Honda foi efectuado na divisão da ACC sita em Mozelos utilizando a

tecnologia do corte por jacto de água.

Neste capítulo são descritas as características do equipamento utilizado e feita uma breve

descrição da metodologia seguida sendo que, quando aplicável, é referida a norma ASTM pela qual

se regem os testes.

3.1. Equipamento Utilizado

Aquando da realização do trabalho experimental utilizaram-se diversos equipamentos e aparelhos

como por exemplo, o motor Honda GCV 160, o equipamento necessário à realização dos testes de

validação de juntas nos carburadores, chaves dinamométricas, um durómetro e um comparador de

espessuras. Algumas características do motor Honda e do equipamento de teste de juntas em

carburadores foram determinadas após medições efectuadas durante os testes, pelo que só no

capítulo 4, dedicado à análise e apresentação de resultados, são apresentadas.

A realização de todo o trabalho experimental implicou a utilização de outro tipo de acessórios e

ferramentas, dos quais se destacam balanças digitais, paquímetros e micrómetros, apalpa-folgas,

verificadores de rosca, chaves diversas, varão roscado e um multímetro para medição de

temperatura.

3.1.1. Chaves Dinamométricas

Para controlar o aperto dado aos parafusos e para aplicar o método interno da ACC denominado

Pull-Up Torque, utilizaram-se chaves dinamométricas. A chave utilizada para o aperto dos parafusos

do motor é uma chave de leitura analógica da marca Craftsman, graduada em Nm e em lbf.in, e que

permite controlar o binário de aperto aplicado para alguns valores entre 3,6 Nm e 28,25 Nm.

O aperto dado aos parafusos da aplicação de teste dos carburadores e as medições obtidas pelo

método do Pull-Up Torque são efectuadas com uma chave analógica Tohnichi DB 25N, com uma

precisão de 0,5 Nm e que permite controlar o binário para uma gama de valores entre 3 Nm e 25 Nm.

As figuras 3.1 a) e b) representam as duas chaves utilizadas.

- 43 -

Figura 3.1 – a) Chave Craftsman; b) Chave Tohnichi

3.1.2. Durómetro

A medição das variações de dureza foi efectuada recorrendo a um durómetro Shore A digital

ilustrado na figura 3.2.

Figura 3.2 – Durómetro Shore A

3.1.3. Comparador de Espessura

As variações de espessura foram determinadas com recurso a um comparador de espessura

digital com precisão até à centésima do milímetro. O comparador é semelhante ao representado na

figura 3.3.

Figura 3.3 – Comparador de espessuras digital

- 44 -

3.2. Metodologia Experimental

O trabalho experimental desenvolvido regeu-se pelos métodos internos da ACC podendo ser

dividido em três grupos: 1) os testes de compatibilidade química, em que se procurou estabelecer os

padrões de resposta de materiais em cortiça com borracha quando em contacto com gasolina e

misturas de gasolina com etanol; 2) os testes de validação de juntas em carburadores, que visaram

analisar o desempenho das juntas no seu estado típico de compressão quando em contacto com

misturas de gasolina com etanol; 3) os testes de validação num pequeno motor a gasolina, que

permitiram tirar algumas conclusões sobre o desempenho das juntas de cortiça com borracha nas

condições de serviço a que se destinam. Relativamente ao teste das juntas nos carburadores,

convém notar que o teste realizado no motor se diferencia por sujeitar as juntas a temperaturas

superiores à temperatura ambiente e a vibrações significativas.

3.2.1. Metodologia para os Testes de Compatibilidade Química

Com base nos métodos de avaliação à compatibilidade química de juntas encontrados na

bibliografia consultada, procedeu-se a ensaios de variação de dureza, volume, espessura e peso

após imersão de provetes em gasolina e em misturas de gasolina com etanol, durante 168 horas e à

temperatura ambiente. Estes testes foram realizados de acordo com métodos internos da ACC que

se baseiam em normas ASTM e na norma UL 157.

A tabela 3.1 indica os testes realizados e as normas que serviram de referência à sua execução.

No Anexo A é apresentada com maior detalhe a metodologia de cada um destes testes.

Tabela 3.1 – Testes de compatibilidade química realizados e documentos de referência

Teste Efectuado após imersão

Duração da imersão

Documentos de Referência

Variação de Dureza 168 horas

(temperatura

ambiente)

ASTM D 2240 [48] e UL 157 [37]

Variação de Volume ASTM D 471 [49], ASTM F 146 [41] e

UL 157[37]

Variação de Espessura ASTM F 146 [41]

Variação de Peso ASTM D 471 [49] e ASTM F 146 [41]

3.2.2. Metodologia para os Testes de Validação de Juntas Sujeitas ao Líquido sob Pressão

Estacionária em Três Carburadores

Os testes de validação de juntas nos carburadores devem seguir a metodologia que a seguir se

apresenta:

Inspeccionar as flanges da ligação;

Determinar a geometria das juntas com base nas juntas de origem dos carburadores;

Cortar, com um x-acto, as juntas em cortiça-borracha a partir de folhas do material;

Acoplar os carburadores com as juntas ao reservatório, aplicando o binário indicado na tabela 4.6.

Apertar os parafusos em 3 passos; A figura 3.4 ilustra a colocação das juntas.

Ligar as tubagens aos carburadores e à bomba;

Preparar a mistura de gasolina com etanol numa proveta;

Vazar a mistura no reservatório e tapar o reservatório;

- 45 -

Ligar o transformador à bomba;

Abrir a válvula da bomba e registar a hora do início do ensaio;

Acompanhar periodicamente o ensaio para detecção de eventuais fugas;

A detecção de fugas é efectuada por inspecção visual, verificando se a orla exterior da junta se

encontra humedecida. Adicionalmente pode também colocar-se um papel por baixo dos carburadores

de forma a detectar pingos da mistura que escapem entre as flanges.

Findas 100 horas desligar a bomba, o transformador e as tubagens;

Aplicar o método do Pull-Up Torque aos parafusos dos carburadores e registar o torque;

O método Pull-Up Torque consiste em desapertar ligeiramente os parafusos da ligação e voltar a

apertá-los rodando a chave dinamométrica até à posição inicial. Então, é medido o binário aplicado, o

que permite aferir o aperto retido na ligação após funcionamento. Esta operação é realizada com a

chave dinamométrica Tohnichi.

Inspeccionar as juntas visualmente para detecção de eventuais sinais de degradação (como

indicado no sub-capítulo 2.4.7.2). Além da observação à vista desarmada, pode também efectuar-

se observação microscópica.

Figura 3.4 – Colocação das juntas nos carburadores

Importa referir que este é um teste de validação, do tipo passa/não-passa, e que no que respeita

ao impacto químico que o biocombustível tem na junta servirá para legitimar ou contestar os

resultados dos testes de variação de dureza, volume, espessura e peso. Se a junta não apresentar

sinais evidentes de degradação e/ou fugas devido a essa mesma degradação, considera-se que

cumpriu os requisitos de funcionamento.

3.2.3. Metodologia para os Testes de Validação de Juntas com Motor em Funcionamento

Questões de índole funcional, como a necessidade de reabastecer o motor e de acompanhar os

testes para resolver qualquer eventual problema que ocorresse durante o ensaio, não permitiram que

os testes de 100 horas fossem realizados em contínuo. Como tal, o motor só funcionava durante o

período laboral realizando entre 8 a 10 horas diárias.

São vários os passos e tarefas a desempenhar para levar a cabo os testes no motor. Alguns

destes passos obrigam a procedimentos de tentativa/erro e a dificuldade em garantir que tudo corra

- 46 -

bem à primeira torna o processo moroso. Com vista a esclarecer toda a metodologia seguida os

testes podem ser divididos nas seguintes tarefas:

Identificação das ligações com juntas;

Desmontagem do motor e identificação do tipo de juntas, da sua espessura e dos parafusos

utilizados (classe de resistência, diâmetro, passo,...);

Limpeza da superfície das flanges com escovas e solvente;

Identificação das superfícies das flanges e projecto do desenho das juntas;

As juntas foram desenhadas com base nas juntas originalmente instaladas no motor e no design

das superfícies das flanges. Utilizando paquímetros, micrómetros e réguas graduadas mediram-se as

juntas originais e as superfícies das flanges de forma a puder desenhar as juntas. Depois de

impressos, os desenhos foram recortados, comparados com as juntas originais e colocados sobre as

superfícies das flanges. Até o acerto ser o desejado foram feitas correcções aos desenhos. De notar

que o desenho das juntas obedeceu a algumas das recomendações indicadas na secção 2.4.6.4 com

vista a diminuir o risco de falha das juntas.

A figura 3.5 ilustra o procedimento seguido que pode definir-se como um processo de engenharia

inversa.

Figura 3.5 – Projecto do design das juntas: a) Desenho em CAD; b) Recorte da junta em papel;

c) Verificação da concordância com a superfície das flanges

Nesting do conjunto de juntas do motor;

Depois de desenhadas o conjunto de juntas deve proceder-se ao nesting para um melhor

aproveitamento da matéria-prima.

Determinação da área de contacto das juntas recorrendo ao software de desenho;

Determinação da tensão de compressão aplicada às juntas utilizando as expressões (4) e (5);

Determinação da distorção entre as flanges da ligação;

A distorção entre as flanges é medida seguindo um método interno da ACC que consiste em ligar

os membros das ligações com juntas sem a junta instalada e com o binário indicado no manual do

motor. Em seguida, utilizando um apalpa-folgas, mede-se o espaçamento entre flanges devido à falta

- 47 -

de paralelismo entre elas. O aperto dos parafusos deve ser feito em pelo menos 3 passos e de

acordo com a metodologia indicada na secção 2.4.5.4.

Determinação da espessura das juntas;

Na ACC a metodologia utilizada para selecção da espessura das juntas passa por relacionar a

tensão de selagem do material com a distorção das flanges da ligação. A tensão de selagem do

material é determinada seguindo um método interno da ACC que se baseia na norma ASTM F 37

[39]. Neste método é também considerada uma taxa de fugas mínima para estabelecer o parâmetro

de estanquicidade Tp das juntas, conforme se explica na secção 2.4.6.3, e que visa determinar a

tensão mínima de selagem. A figura 3.6 apresenta os gráficos que relacionam a tensão de selagem

com a distorção das flanges e que permitem seleccionar a espessura das juntas. A teoria por detrás

desta representação gráfica faz parte do know-how da empresa.

Figura 3.6 - Gráficos para selecção da espessura [50]

Encomenda das juntas;

Colocação das juntas e montagem do motor;

Atestar o motor de óleo e com cerca de ¼ da sua capacidade em gasolina;

Ligar e testar as condições de funcionamento do motor;

Atestar de gasolina e iniciar teste;

Acompanhar o teste com vista à detecção de fugas e ao reabastecimento de gasolina;

A detecção de fugas é efectuada por inspecção visual, verificando se existem vestígios do líquido

a selar na orla exterior das juntas.

Medir com um termopar ligado a um multímetro as temperaturas das flanges de ligação (5

medições por junta e fazer a média);

- 48 -

Findas as 100 horas de teste, vazar o óleo do motor;

Proceder à desmontagem aplicando o método Pull-Up Torque nos parafusos das ligações com

juntas;

Inspeccionar visualmente as juntas para avaliar o seu estado após funcionamento, de acordo com

o indicado nos sub-capítulos 2.4.7.2 e 2.4.7.3. Deve igualmente verificar-se se as juntas aderem

às flanges e se deixam resíduos colados às superfícies.

3.2.3.1. Fluxograma do Processo de Validação Experimental de Juntas Planas num Motor

O fluxograma apresentado na figura 3.7, apresenta os passos mais relevantes a considerar na

aplicação da metodologia de validação de juntas num motor. Assim, depois de identificado o torque a

aplicar aos parafusos das ligações com junta, deve calcular-se a tensão de compressão a que as

juntas são submetidas utilizando as expressões (4) e (5). Seguidamente, atendendo às propriedades

do material, deve escolher-se um material cuja gama de tensão de selagem compreenda a tensão de

compressão determinada pelas expressões (4) e (5).

A determinação da distorção entre as flanges da ligação permite, tal como referido na secção

3.2.3, seleccionar a espessura das juntas que melhor se adequa às condições impostas pelo

equipamento.

Após encomenda das juntas realizam-se ensaios com a duração de 100 horas, após os quais se

deve proceder à determinação do relaxamento da ligação e à inspecção visual das juntas com vista à

identificação de eventuais sinais de desintegração das juntas.

- 49 -

Figura 3.7 – Fluxograma do processo de validação experimental de juntas planas num motor

- 50 -

CAPÍTULO 4

4. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Neste capítulo, apresentam-se os resultados obtidos aplicando os métodos descritos na

metodologia experimental, os quais são divididos de acordo com o tipo de teste realizado. Deste

modo, distinguem-se como: 1) testes de compatibilidade química; 2) testes de validação de juntas na

aplicação dos carburadores; 3) testes de validação no motor Honda.

4.1. Testes de Compatibilidade Química

Objectivo: Os testes de variação de dureza, volume, espessura e peso, cuja metodologia foi

descrita no sub-capítulo 3.2.1, tiveram o objectivo de caracterizar a compatibilidade química de quatro

(4) compósitos de cortiça-borracha com gasolina e com as misturas E5, E10, E25, E50 e E85. Estes

testes, embora forneçam informação específica relativamente às variações de cada uma destas

características, devem ser analisados como um conjunto. Quer isto dizer que um material que

apresente, por exemplo, uma excelente resistência à variação de volume, não pode ser considerado

adequado para o fabrico de juntas se a sua dureza e espessura variarem significativamente após 168

horas de imersão na mistura.

4.1.1. Propriedades dos Materiais

Testaram-se quatro (4) compostos de cortiça com borracha referenciados na ACC como indicados

para aplicações de selagem de óleos e combustíveis. Dos quatro materiais três são constituídos por

misturas de cortiça com uma borracha nitrílica e o outro resulta da mistura de cortiça com

epicloridrina. Apesar do seu desempenho na selagem de combustíveis como a gasolina e o diesel já

ser conhecido, tendo os quatro materiais reagido positivamente à imersão nestes meios, a sua

resposta às misturas de gasolina com etanol era desconhecida e requeria à realização de alguns

testes experimentais para ser determinada. Seguidamente, apresentam-se os materiais testados

identificando o tipo de borracha presente sua composição e algumas das suas características mais

relevantes.

4.1.1.1 Composto de Cortiça com Borracha Nitrílica TS1400

O TS1400 é um material de selagem composto por cortiça e NBR que, tal como já antes foi

referido, tem a grande vantagem de não ficar entumecida quando em contacto com gasolina, óleos ou

gorduras e a desvantagem de apresentar uma baixa resistência térmica. A tabela 4.1 apresenta as

propriedades deste compósito que maior importância assumem no seu desempenho como vedante e

outras que servem para uma melhor caracterização do material.

- 51 -

Tabela 4.1 – Propriedades do compósito TS 1400 [50]

Gama de Temperaturas - 30º C a 125º C

Tensão de Selagem 6,5 a 30 MPa

Tensão de Rotura à Compressão > 70 MPa

Densidade (1)

1100 Kg/m3

Dureza (2)

75 Shore A

Tensão de Rotura à Tracção (3)

6 MPa

Extensão (3)

30%

(1) ASTM D297;(2) ASTM D240; (3) ASTM D412, Die C

Seguindo o método interno da ACC denominado “Determinação do Comportamento à

Compressão” e que se baseia na norma ASTM D575 pôde construir-se um gráfico das curvas de

compressão do material para diferentes espessuras, que não é mais que um gráfico de Tensão [MPa]

vs Deflexão [mm], sendo a deflexão do material medida na direcção da espessura (Figura 4.1).

Figura 4.1 – Curvas de compressão do compósito TS 1400 para diferentes espessuras [50]

Na figura 4.2 apresenta-se uma imagem fotográfica de uma amostra do compósito TS 1400.

Figura 4.2 – Imagem Fotográfica de uma amostra do TS 1400

- 52 -

4.1.1.2. Composto de Cortiça com Borracha Nitrílica TS1800

Tal como o TS1400, também o TS1800 resulta da mistura de cortiça com uma borracha nitrílica,

diferenciando-se os compósitos pelas percentagens de borracha e de cortiça presentes na mistura.

Seguindo os mesmos métodos que para o composto anterior, determinaram-se as propriedades que

se apresentam na tabela 4.2 e construiu-se o gráfico Tensão [MPa] vs Deflexão [mm] ilustrado na

figura 4.3. Na figura 4.4 apresenta-se uma imagem fotográfica do compósito TS 1800.



Tensão de Selagem 4 a 20 MPa


Densidade (1)

950 Kg/m3

Dureza (2)

75 Shore A


3 MPa

Extensão (3)

60%



Figura 4.4 – Imagem Fotográfica de uma Amostra do TS 1800

- 53 -

4.1.1.3. Composto de Cortiça com Borracha Nitrílica TS7100

O TS7100 é também um compósito de cortiça com uma borracha nitrílica, usado na selagem de

combustíveis e óleos e com propriedades semelhantes aos outros dois materiais apresentados.

Seguindo a estrutura até agora apresentada, seguem-se a tabela de propriedades (Tabela 4.3), o

gráfico das curvas de compressão (Figura 4.5) e a imagem fotográfica (Figura 4.6) deste compósito.



Tensão de Selagem 2,5 a 15 MPa


Densidade (1)

900 Kg/m3

Dureza (2)

65 Shore A


2,5 MPa

Extensão (3)

25%



Figura 4.6 – Imagem Fotográfica de uma Amostra do TS 7100

- 54 -

4.1.1.4. Composto de Cortiça com Epicloridrina TS7110

O compósito TS7110 diferencia-se dos restantes por resultar da mistura de cortiça com

epicloridrina (ECO). As propriedades, já enunciadas, que caracterizam a ECO e testes anteriores

desenvolvidos no DNP da ACC atestam que o compósito TS7110 é o mais indicado quando o meio a

selar é gasolina, faltando avaliar o seu desempenho quando exposto a misturas de gasolina com

etanol. Na tabela 4.4 apresentam-se algumas propriedades do TS7110 e o gráfico da figura 4.7

caracteriza o comportamento em compressão deste compósito.



Tensão de Selagem 4 a 20 MPa


Densidade (1)

1100 Kg/m3

Dureza (2)

75 Shore A


4,5 MPa

Extensão (3)

35%



Figura 4.8 - Imagem Fotográfica de uma Amostra do TS 7110

- 55 -

4.1.2. Agentes Químicos

Gasolina: A gasolina é um combustível líquido e volátil que resulta de uma mistura complexa de

hidrocarbonetos e que pode ser obtida pela destilação do petróleo [51]. Os hidrocarbonetos

provocam variações das propriedades físicas dos elastómeros, nomeadamente variações de

dureza e de volume [16]. A gasolina utilizada nos vários ensaios é uma gasolina sem chumbo de

95 octanas.

Misturas E5, E10, E25 e E85: A adição de etanol promove um aumento do número de octanas da

gasolina. Estas misturas possuem maior volatilidade e provocam um aumento da permeabilidade

dos elastómeros, assim como maiores variações de volume, excepção feita ao E85 que, para

alguns materiais, é menos agressivo que a gasolina. O etanol é produzido através da fermentação

e destilação de colheitas agrícolas, nomeadamente o milho, a cevada e o trigo [16].

4.1.3. Resultados e Discussão

Os gráficos das figuras 4.9 à 4.12 apresentam as variações de dureza, volume, espessura e peso

dos quatro (4) materiais testados após imersão durante 168 horas em misturas com diferentes

percentagens de gasolina com etanol. Estes gráficos foram obtidos através da metodologia descrita

no sub-capítulo 3.2.1 e que se encontra detalhada no Anexo A deste documento.

Figura 4.9 – Variação de dureza em misturas de gasolina com etanol

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Gasolina E5 E10 E25 E50 E85

Va

ria

çã

o d

e D

ure

za

[S

ho

re A

]

Variação de Dureza (168h)

TS 1400

TS1800

TS 7100

TS 7110

- 56 -

Figura 4.10 - Variação de volume em misturas de gasolina com etanol

Figura 4.11 - Variação de espessura em misturas de gasolina com etanol

Figura 4.12 - Variação de peso em misturas de gasolina com etanol

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50


Va

ria

çã

o d

e V

olu

me

[%

]

Variação de Volume (168h)

TS 1400

TS1800

TS 7100

TS 7110

0

5

10

15

20

25


Va

ria

çã

o d

e e

sp

es

su

ra [

%]

Variação de Espessura (168h)

TS 1400

TS1800

TS 7100

TS 7110

0

10

20

30

40

50

60

70


Va

ria

çã

o d

e P

es

o [%

]

Variação de Peso (168h)

TS 1400

TS1800

TS 7100

TS 7110

- 57 -

O primeiro resultado a reter dos testes de compatibilidade química é que as variações de volume,

espessura e peso após imersão nos fluidos testados são positivas, isto é, o material entumece por

absorção do fluido registando um ganho destas três propriedades. Estes fenómenos, principalmente

as variações positivas de volume e espessura, são desejáveis, uma vez que o inverso pode implicar a

perda do contacto total entre a junta e as superfícies das flanges. Por outro lado, a dureza diminui,

ficando o material mais macio após imersão.

Da análise dos gráficos, retira-se rapidamente a conclusão de que misturas com baixas e médias

percentagens de etanol promovem maiores variações das propriedades físicas dos materiais (dureza,

volume, espessura e peso) que a gasolina ou o E85. Significa isto que as misturas de E5, E10, E25 e

E50 são mais agressivas, sendo mais susceptíveis de pôr em causa o funcionamento do material na

sua aplicação enquanto junta.

Seria importante, do ponto de vista da classificação da adequabilidade das juntas, quantificar a

agressividade dos diferentes fluidos de imersão. Como tal, sugere-se que se defina um factor de

agressividade (FA) que poderia ser determinado de acordo com a seguinte expressão:

𝐹𝐴 = −𝛼1 ∙ ∆𝐷𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 + 𝛼2 ∙ ∆𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 + 𝛼3 ∙ ∆𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 + 𝛼4 ∙ ∆𝑃𝑒𝑠𝑜 (24)

Admitindo que os coeficientes α1 e α4 assumem o valor 1 e que os coeficientes α2 e α3, por estarem

associados às variações de volume e espessura (que nas condições normais de pressão terão

menos influência), assumem o valor 0,5, é possível quantificar a agressividade do agente químico

sobre os materiais testados. O gráfico da figura 4.13 ilustra precisamente o factor de agressividade

dos vários fluidos testados, com base nos valores assumidos para os coeficientes α e nos valores das

variações de dureza, volume, espessura e peso dos testes realizados.

Figura 4.13 – Factor de agressividade dos diferentes fluidos nos compósitos testados

Outro facto que salta à vista são as maiores variações provocadas pela imersão no E5. Só a

variação de espessura do TS 1400 e a variação de peso do TS 7100 não exibem o seu pico máximo

para a imersão neste fluido, pelo que é coerente afirmar que o E5 é o combustível mais agressivo

entre os testados.

0

20

40

60

80

100

120

140


Fa

cto

r d

e A

gre

ss

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ad

e (

FA

)

Factor de Agressividade

TS 1400

TS1800

TS 7100

TS 7110

- 58 -

Um dado que importa referir prende-se com o facto dos testes de imersão no E5 e no E50 não

terem sido realizados ao mesmo tempo que os testes de imersão nos restantes fluidos. Por o etanol

ser significativamente volátil e evaporar rapidamente, o tempo que demora a execução dos ensaios

realizados é uma variável que deve ser considerada, devendo as medições ser o mais rápidas

possível. Embora seja admissível que o E5 seja o combustível mais nocivo para os materiais, uma

vez que a generalidade dos testes revelou uma tendência padrão das variações das propriedades

dos materiais diminuírem com o aumento da percentagem de etanol, admite-se também que tenham

sido diferentes os tempos de realização dos ensaios, e que a diferença nas variações relativamente

ao E10 e ao E25, por exemplo, não seja tão grande. Os picos verificados na variação de dureza para

as imersões em E50, assinalados no gráfico da figura 4.9 com a linha vermelha a tracejado, também

poderão ser explicados por esta variabilidade entre os ensaios. Já foi referido que existe uma

tendência para que as variações das propriedades físicas dos materiais decresçam com o aumento

da percentagem de etanol na mistura e acresce ainda que as restantes variações (volume, espessura

e peso) registadas após imersão no E50 não são consentâneas com o aumento de dureza verificado.

É portanto aconselhável a repetição dos ensaios de variação de dureza após imersão no E50.

Continuando a análise gráfica com base no fluido de teste, pode também inferir-se que a imersão

no E10, E25 e E50 (exceptuando nos ensaios de variação de dureza) têm um impacto similar nos

compósitos testados.

Baseando a análise aos gráficos das figuras 4.1 à 4.4 nos compósitos testados, é possível avaliar

a capacidade de os destinar ao fabrico de juntas do ponto de vista da resposta de cada um deles ao

ataque químico. A análise dos resultados obtidos nos testes de compatibilidade química legitimou a

utilização dos compostos TS1400 e TS7110 como vedantes de gasolina e de misturas de gasolina

com etanol, mas obrigou a que se colocassem algumas reservas quanto à utilização dos compostos

TS1800 e TS7100, na medida em que apresentaram variações significativas das propriedades

testadas. Convém no entanto lembrar que, no que respeita ao ataque químico sofrido pelo material, a

imersão total no fluido é mais gravosa que a sua aplicação enquanto junta, em que área exposta ao

fluido é menor e em que o material se encontra comprimido, logo mais denso e com menor

porosidade.

Com efeito, os compósitos TS1400 e TS7110 revelaram excelente compatibilidade com todos os

combustíveis, e mesmo a imersão no E5 não afectou significativamente as suas propriedades físicas.

O TS7110, excepção feita á variação de dureza, é o material que apresenta variações mais baixas

das suas propriedades, pelo que pode afirmar-se que é superior aos restantes no que concerne à

compatibilidade química com a gasolina e com as misturas de gasolina com etanol. O TS1400 é o

composto que apresenta maior resistência à variação de dureza e nas restantes propriedades

também revela uma compatibilidade química aceitável.

Em oposição, os compósitos TS1800 e TS7100 são os que alteram mais as suas propriedades

físicas após imersões de 168 horas. Dos compósitos testados o TS1800 foi o que revelou a pior

compatibilidade química, nomeadamente nas imersões no E5 que provocaram variações de volume e

de peso de 47% e 59%, respectivamente, e uma variação de dureza de -29 Shore A.

- 59 -

Do ponto de vista da sua compatibilidade química pode classificar-se a adequabilidade dos

materiais testados à sua aplicação como juntas dispondo-os por ordem crescente: TS1800 – TS7100

– TS1400 – TS7110.

4.2. Testes de Validação de Juntas em Três Carburadores

Objectivo: Com o intuito de testar o impacto das misturas de gasolina com etanol nas juntas em

condições mais aproximadas às do seu funcionamento, utilizou-se um reservatório previamente

preparado para permitir a montagem de três carburadores e que, com o auxílio de uma bomba ligada

a um transformador, possibilitou a circulação de biocombustível pelos três carburadores acoplados

(Figura 4.14). A metodologia seguida na realização destes testes encontra-se indicada na secção

3.2.2. Desta forma, testaram-se as juntas num estado de compressão semelhante ao de serviço,

variando apenas, relativamente ao seu funcionamento real, as condições de vibração (inerentes ao

funcionamento do motor e inexistentes nesta aplicação) e de temperatura (o ensaio é realizado à

temperatura ambiente).

Foram realizados dois ensaios nesta aplicação que tiveram uma duração de 100 horas, fazendo

circular misturas E15 e E50, e testaram-se juntas em materiais de cortiça com borrachas NBR,

nomeadamente TS 1400, TS 1800 e TS 7100.

4.2.1. Equipamento da Aplicação

Para o teste da resposta das juntas instaladas em três (3) carburadores a diferentes misturas de

gasolina com etanol, foi necessário o equipamento que se encontra listado abaixo:

a) Reservatório de 3 litros

b) 3 Carburadores (1, 2 e 3)

c) Tubagens

d) Bomba

e) Transformador

Figura 4.14 – Equipamento para teste de juntas em carburadores: a) Vista frontal; b) Vista lateral

- 60 -

A ligação dos carburadores ao reservatório, bem como a compressão imposta às juntas, é feita

por intermédio de parafusos. A tabela 4.5 indica o número e tipo de parafusos utilizados e o número

de juntas instaladas em cada carburador.

Tabela 4.5 – Número de juntas e de parafusos em cada carburador

Nº de Juntas Nº e Tipo de Parafusos

Carburador 1 2 2 x M6x1.0; CR 4.8 (não-revestidos)

Carburador 2 3 2 x M6x1.0; CR 8.8 + 2x M6x1.0; CR 8.8 (não-revestidos)

Carburador 3 2 2x M6x1.0; CR 8.8 + 2x M6x1.0; CR 8.8 (não-revestidos)

4.2.2. Juntas Utilizadas

Neste ensaio foram testadas juntas cortadas a partir de amostras dos compósitos TS 1400, TS

1800 e TS 7100. A opção de testar apenas os compósitos com borrachas nitrílicas prende-se com a

maior compatibilidade química com misturas de gasolina com etanol revelada pelo TS 7110.

As figuras 4.15 e 4.16 permitem identificar as juntas colocadas em cada um dos carburadores nos

ensaios com E15 e E50, respectivamente. Como o objectivo destes testes se prendia com a

avaliação da agressividade das misturas de gasolina com etanol nas juntas, o facto das

configurações utilizadas para cada um dos testes serem diferentes não interferiu nas conclusões que

se pretendia tirar.

Figura 4.15 – Configuração das juntas no teste com E15

Figura 4.16 – Configuração das juntas no teste com E50

- 61 -

Para os compósitos TS 1400 e TS 1800 utilizaram-se juntas com 1,5 mm de espessura, enquanto

que para o TS 7100, a inexistência em stock desta espessura levou a que se utilizassem juntas com

uma espessura de 2,4 mm (valor mais próximo de 1,5 mm em stock).

4.2.3. Agentes Químicos

E15 e E50: A opção de utilizar misturas com baixas e médias percentagens de etanol deve-se ao

facto dos resultados dos testes de compatibilidade química terem revelado que este tipo de

misturas são mais agressivas para o material.

4.2.4. Algumas Considerações Relativamente à Aplicação da Metodologia

Antes de proceder à apresentação e discussão dos resultados obtidos com a metodologia indicada

no sub-capítulo 3.2.2, é indispensável indicar o aperto dado aos parafusos e verificar a tensão

aplicada sobre a junta. Como o dado mais relevante a extrair deste teste é a resposta química dos

materiais em condições de compressão (e não avaliar se cumpriam a sua missão de garantir a

selagem), não houve o cuidado de garantir que a tensão sobre a junta estivesse dentro da gama de

valores da tensão de selagem. A tensão foi determinada recorrendo às equações (4) e (5). A tabela

4.6 apresenta estes dados:

Tabela 4.6 – Testes nos carburadores: Binário aplicado e tensão sobre as juntas

Nº e Tipo de

Parafusos

Binário

Aplicado

[Nm]

Área de contacto

das juntas [mm2]

k

Tensão de

compressão

sobre as

juntas, σ [MPa]

Carburador 1 2 x M6x1.0; CR 4.8 10 1458,9 / 1036,2 0,3 7,6 / 10,7

Carburador 2 2 x M6x1.0; CR 8.8 +

2 x M6x1,0; CR 8.8 12

1102,9 / 1102,9 /

668,2 0,3

12,1 / 12,1 /

19,9

Carburador 3 2 x M6x1,0; CR 8.8 +

2 x M6x1,0; CR 8.8 12 1102,9 / 668,2 0,3 12,1 / 19,9

Uma nota que importa reter é que as flanges de ligação utilizadas não são as que originalmente

compunham o equipamento associado aos carburadores, pelo que a distorção entre flanges é

bastante acentuada. Este facto teve um impacto nos resultados que é referido na secção 4.2.5.


Tal como já foi referido, e como se depreende pelo epíteto de validação dado aos testes, os

ensaios nos carburadores serviram para autenticar os resultados obtidos nos testes de

compatibilidade química. Como foram realizados dois testes de 100 horas, um com E15 e outro com

E50, a apresentação e discussão dos resultados será dividida em duas partes, correspondentes a

cada um dos testes. Para cada teste são apresentados resultados relativos ao binário de aperto retido

- 62 -

nos parafusos que ligam os carburadores ao reservatório, à inspecção visual das juntas e à

verificação da existência de fugas durante os ensaios também por inspecção visual.

4.2.5.1. Teste com a Mistura de Gasolina com Etanol E15

A percentagem de binário de aperto retido na ligação dos carburadores ao reservatório, que foi

medida seguindo o método Pull-Up Torque descrito em 3.2.2, é apresentada na tabela 4.7,

associando o resultado a cada conjunto de parafusos responsável pela ligação.

Tabela 4.7 – Binário de aperto retido nas ligações dos carburadores no teste com E15

Material

Espessura das juntas

[mm]

Binário

Retido [%]

Tensão sobre a

junta, σ [MPa]

Carburador 1 TS 1400 1,5

60 4,6

TS 7100 2,4 6,4

Carburador 2

TS 1800 1,5 67

8,1

TS 1400 1,5 8,1

TS 7100 2,4 25 5,0

Carburador 3 TS 7100 2,4 67 8,1

TS 1800 1,5 46 9,1

Através da leitura dos dados da tabela 4.7, um resultado que salta à vista é a menor capacidade

de manter o aperto inicial que se verifica na junta em TS7100 do Carburador 2, com apenas 25% de

aperto relativamente aos 12 Nm iniciais, e na junta em TS1800 do Carburador 3, que perdeu 54% do

aperto inicialmente dado aos parafusos. Uma das justificações para esta ocorrência prende-se com o

relaxamento sob tensão e a fluência dos materiais em cortiça com borracha, mas não serve, por si só,

para justificar as perdas de 75% e 54% de aperto registadas. No caso da junta de TS7100, a sua

espessura excessiva (pelas razões apresentadas no sub-capítulo 2.4.3.2) de 2,4 mm tem muita

influência no relaxamento sofrido pela ligação, uma vez que quanto mais espessa for a junta maiores

são os fenómenos de relaxamento sob tensão na ligação. Outro factor com peso na perda de aperto

verificada é o das chapas utilizadas não serem as peças originais da ligação e de o paralelismo entre

as superfícies de contacto destas e do carburador ser muito inferior ao desejável. Nos restantes

casos, a percentagem de aperto retida é satisfatória, uma vez que, exceptuando na junta em TS1400

do carburador 1, todas as ligações retêm uma tensão superior à tensão mínima de selagem. Note-se

que os 2 parafusos do carburador 1 promovem a compressão das juntas em TS1400 e TS7100,

sendo que a espessura de 2,4 mm do 2º compósito é um factor relevante para o relaxamento da

ligação.

Durante o teste, mesmo nas ligações que sofreram maior relaxamento ou na ligação do

carburador 1 com a junta de 1400, não foram verificadas fugas podendo afirmar-se que as juntas

cumpriram o requisito principal de garantir a selagem do sistema.

No que respeita à resistência ao ataque químico sofrido pelas juntas, foi através da inspecção

visual das mesmas e com base nas indicações descritas na secção 2.4.7.2 que se avaliou a resposta

dos materiais. As figuras 4.17-23 apresentam as fotografias das juntas inspeccionadas após o

- 63 -

respectivo ensaio e permitem identificar, quando existem, sintomas de degradação das juntas por

ataque químico.

Figura 4.17 – Fotografia da junta em

TS1400 do carburador 1 após o teste com

E15

Figura 4.18 – Fotografia da junta em TS 1400 do carburador

2 após o teste com E15

O impacto do fluido na resistência química do material é bastante mais gravoso numa situação de

imersão total, como a praticada nos testes de compatibilidade química descritos no sub-capítulo 4.1,

do que quando a junta se encontra comprimida entre duas flanges. Deste modo como o TS1400

revelou uma boa resistência às variações de dureza, volume, espessura e peso, esperava-se que não

apresentasse sinais de degradação. Com efeito, a inspecção visual após ensaios comprovou este

facto, não sendo visíveis quaisquer sintomas reveladores do impacto químico do E15. Atente-se a

que mesmo na zona de contacto com o fluido continuam a distinguir-se os grânulos de cortiça (de cor

mais clara) da borracha, uma vez que não ficaram enegrecidos com a passagem do fluido.

Figura 4.19 – Fotografia da junta em TS 1800 do carburador 2

após o teste com E15

Figura 4.20 – Fotografia da junta em

TS1800 do carburador 3 após o teste com

E15

No caso do TS1800, os resultados dos testes de compatibilidade química e a ordem crescente de

adequabilidade apresentada no fim do sub-capítulo 4.1 levaram a que se colocasse em causa a

aplicabilidade deste material no fabrico de juntas. Contudo, quando em compressão o TS1800 resiste

ao ataque químico do E15, não evidenciando sintomas característicos de degradação por exposição

à mistura de gasolina com etanol, excepção feita a um ligeiro enegrecimento dos grânulos de cortiça

na zona de contacto com o fluido. Comprova-se portanto, que quando em compressão e com

- 64 -

reduzida área de exposição ao meio os materiais podem apresentar uma resistência química superior

à obtida com os testes de compatibilidade química.

Figura 4.21 – Fotografia da junta em TS 7100 do

carburador 1 após o teste com E15



Figura 4.23 – Fotografia da junta em TS 7100 do carburador 3 após o teste com E15

Entre os três materiais testados o TS7100 foi o que exibiu sinais mais evidentes de desintegração.

O enegrecimento do material na zona de contacto com o fluido é notório nas juntas dos carburadores

1 e 2 e as juntas ficam ressequidas devido ao contacto com o fluido. Importa no entanto recordar que

as juntas deste material tinham uma espessura de 2,4 mm, e não só este facto é suficiente para que

a zona de contacto com o E15 seja maior que para as juntas de TS1400 e TS1800, como o maior

relaxamento associado a uma maior espessura coloca o material sobre condições de compressão

inferiores ficando, portanto, menos denso. Observe-se que na junta do carburador 3, em que o binário

de aperto retido é superior ao das juntas em TS7100 dos carburadores 1 e 2, a junta não evidencia o

enegrecimento que se verifica nas outras juntas deste material nem ficou ressequida na zona de

contacto com o fluido.

Na junta do carburador 2 a desintegração da junta não é de natureza química, mas antes

provocada por uma tensão de compressão demasiado elevada. Embora no final do ensaio, devido ao

relaxamento da ligação, as condições de tensão sejam ajustadas à capacidade do material, no início,

o aperto dado aos parafusos coloca a junta sob uma tensão de compressão de 19,9 MPa, superando

a tensão máxima de selagem em 4,9 MPa. Este facto, que esteve na origem da desintegração da

junta, terá também contribuído para que o ataque químico do E15 tivesse um impacto negativo na

junta.

- 65 -

Outro dado com interesse na avaliação das juntas é a aderência destas às flanges, não tendo as

juntas de qualquer dos materiais testados colado aos membros da ligação.

4.2.5.2. Teste com a Mistura de Gasolina com Etanol E50

Tal como na apresentação de resultados para o teste com E15, também aqui se começará por

mostrar os resultados relativos ao binário de aperto retido nas ligações e à tensão aplicada sobre a

junta no final do ensaio (Tabela 4.8).

Tabela 4.8 – Binário de aperto retido nas ligações dos carburadores no teste com E50

Material

Espessura das juntas

[mm]

Binário

Retido [%]

Tensão sobre a

junta, σ [MPa]

Carburador 1 TS 1800 1,5

65 4,9

TS 7100 2,4 7,0

Carburador 2

TS 1400 1,5 67

8,1

TS 1800 1,5 8,1

TS 7100 2,4 < 25% -

Carburador 3 TS 1400 1,5 75 9,1

TS 1800 1,5 71 14,1

Os resultados obtidos são similares aos do teste com o E15. Mais uma vez, a espessura de 2,4

mm da junta em TS7100 parece ser um factor que provoca o relaxamento da ligação, como se pode

verificar pelo binário de aperto retido na junta do carburador 2 ser inferior a 3 Nm (valor mínimo

mensurável pela chave Tohnichi). Para as outras ligações a percentagem de aperto retida é sempre

superior a 60% e coloca as juntas sob condições de compressão adequadas à selagem.

No que diz respeito a fugas, foi detectada uma fuga na ligação com a junta de TS1800 do

carburador 1 nas primeiras 48 horas de serviço. A compressão sob a junta no início e no final do

ensaio encontra-se dentro da gama de valores da tensão de selagem do material, pelo que se poderá

justificar a fuga com a distorção entre flanges. Tal como já foi referido, os membros da ligação dos

carburadores têm um insuficiente acabamento superficial, sendo que neste teste, por ser o 2º, a falta

de paralelismo entre as flanges era ainda maior.

A exemplo do que já tinha sido feito para o teste com o E15, também neste teste como E50 são

apresentas um conjunto de figuras (4.24-30) que permitem avaliar o impacto químico do E50 sobre as

juntas através da identificação de sintomas típicos de degradação química.

Porque a inspecção visual às juntas redundou nas mesmas observações que foram feitas para o

teste anterior, em vez da discussão individualizada para cada um dos materiais é antes feito um

resumo das observações mais relevantes. Assim, têm-se que os compósitos TS1400 e TS1800

provaram mais uma vez ser capazes, para os testes realizados, de resistir ao ataque químico da

mistura não apresentando sinais evidentes de desintegração, exceptuando um ligeiro enegrecimento

do TS1800 na zona de contacto com o E50, mas que não é suficiente para que se considere que o

material não resiste quimicamente ao ataque com o fluido. Também as juntas de TS7100 se

comportaram de maneira semelhante à do teste com o E15, sendo possível visualizar o

- 66 -

enegrecimento das juntas nas figuras 4.29 e 4.30. Também o facto do material ficar ressequido na

zona de contacto com o fluido se voltou a constatar. Mais uma vez, a espessura excessiva da junta é

um factor que contribui para que o material esteja mais exposto ao fluido, assim como o relaxamento

promovido por maiores espessuras contribui para o relaxamento de tensão e consequente perda de

densidade do material.

Tal como no teste com o E15, também neste teste não se verificou qualquer tipo de aderência das

juntas às flanges de ligação.





Figura 4.26 – Fotografia da junta em TS 1800

do carburador 1 após o teste com E50


carburador 2 após teste com E50

Figura 4.28 – Fotografia da junta em TS 1800 do carburador 3 após teste com E50

- 67 -


carburador 1 após teste com E50

Figura 4.30 – Fotografia da junta em TS 7100

do carburador 2 após teste com E50

Resumindo a análise feita ao teste das juntas nos carburadores, pode dizer-se que todos os

materiais ensaiados foram capazes de garantir a estanquicidade do sistema desde que sujeitos ao

aperto adequado e a condições de distorção entre as flanges adequadas à espessura das juntas. No

caso da junta em TS 1800 do carburador 1 considerou-se que a fuga se deveu à distorção entre

flanges e não à incapacidade da junta. No respeitante à resposta ao ataque químico, ficou claro que

com as juntas comprimidas o ataque tanto do E15 como do E50 é menos evidente. Só o compósito

TS7100 evidenciou sintomas característicos de ataque químico, mas mesmo neste material estes

sintomas só foram evidentes quando a tensão retida era relativamente baixa ou quando a tensão

inicialmente imposta era superior a tensão máxima de selagem e a degradação mecânica da junta a

tornava mais susceptível ao fluido.

4.3. Testes de Validação de Juntas num Motor em Funcionamento

Objectivo: Os testes de validação no motor Honda GCV 160 constituíram a prova final da

adequabilidade dos materiais testados à concepção de juntas. Nestes testes, as juntas são

submetidas àquelas que são as condições reais de serviço, onde devem ser consideradas as

temperaturas e vibrações inerentes ao funcionamento do motor. Realizaram-se dois (2) testes com a

duração de 100 horas no motor Honda caracterizado na secção 4.3.1.

4.3.1. Motor Honda GCV 160

O motor Honda utilizado para testar as juntas é um pequeno motor a gasolina que pode ser

utilizado, por exemplo, como motor de pequenos corta-relvas. Trata-se de um motor de 160 cm3, com

uma potência de 3,3 kW a 3600 rpm e com um binário máximo de 9,4 Nm. Nesta secção são

identificadas a localização e tipo de juntas originalmente instaladas, o número e tipo de parafusos

utilizados nas ligações e o aperto dos parafusos indicado no manual do motor [5]. São utilizadas oito

(8) juntas na selagem do motor e na tabela 4.9 são indicadas as características associadas a cada

uma delas.

- 68 -

Figura 4.31 – Motor Honda GCV 160

Tabela 4.9 – Juntas e parafusos nas ligações do motor Honda

Localização Material da Junta

Original

Nº e Tipo de

Parafusos

Binário de Aperto dos

Parafusos Indicado no

Manual

Caixa das

Válvulas Silicone

4 x M6 x 1.0; CR 8.8

(aço ligado) 9

Tampa do

Respirador Cortiça com Borracha

1 x M6 x 1.0; CR 8.8

(aço ligado) 9

Carburador

Espuma com folha

metálica

2 x M6 x 1.0; CR 8.8

(aço ligado) 10 Fibra de papel

Fibra de papel

Fibra de papel

Fibra de papel

Cárter Silicone 8 x M6 x 1.0; CR 8.8

(zincados) 10

De notar que as juntas do carburador são comprimidas com recurso ao aperto dos mesmos

parafusos, uma vez que os parafusos utilizados atravessam todo o carburador ligando-o ao corpo do

motor.

4.3.2. Juntas Utilizadas

Para os testes realizados no motor, utilizaram-se juntas fabricadas com os compostos TS 1400 e

TS 1800. A utilização destes dois compósitos prende-se com os resultados obtidos nos testes de

compatibilidade química, descritos na secção 4.1 desta tese, em que ficou demonstrado que o

TS7110 é o mais resistente quimicamente, seguido em segundo lugar pelo TS1400, pelo TS7100 em

terceiro e, finalmente, em último lugar, o TS1800 que revelou ser o menos compatível com os

combustíveis de gasolina com etanol. Como o TS1800 apresentou as variações mais elevadas das

suas propriedades físicas, mas teve um comportamento aceitável nos testes de validação de juntas

nos carburadores, ao que se soma o facto de ser uma opção economicamente interessante, a sua

utilização no motor pode ser encarada como um teste crítico, onde se averigua se o material menos

provável de funcionar correctamente consegue ter um desempenho adequado. Por outro lado, a

escolha do TS1400 deve-se ao facto de estar entre os materiais com melhor resposta ao ataque

químico entre os testados, tal como se descreve na secção 4.1. A escolha deste material em

- 69 -

detrimento do TS 7110 deve-se ao maior conhecimento que se tem na ACC acerca da resposta do

TS 7110 em motores a gasolina.

A espessura e área de contacto das juntas são indicadas na secção 4.3.5.

4.3.3. Agente Químico

Gasolina: A gasolina utilizada nos 2 ensaios realizados é uma gasolina sem chumbo de 95

octanas. Foram dois os factores que influíram na decisão de testar o motor apenas com gasolina.

O primeiro deveu-se à necessidade de garantir que o motor seria capaz de realizar os ciclos de

100 horas, uma vez que era desconhecido o seu comportamento se se utilizassem misturas de

gasolina com etanol. O segundo prende-se com o facto de os testes de compatibilidade química

(mais agressivos, uma vez que se imergem totalmente os provetes) terem sido satisfatórios do

ponto de vista da resistência química dos materiais.

4.3.4. Algumas Considerações Relativamente à Aplicação da Metodologia

Aquando a descrição da metodologia de ensaio a seguir nos testes do motor, foi indicado que

deve recorrer-se ao processo de nesting para garantir um melhor aproveitamento da matéria-prima. A

figura 4.32 é representativa da configuração adoptada para que o aproveitamento do material fosse

maximizado.

Figura 4.32 - Nesting do conjunto de juntas

As juntas foram colocadas seguindo as indicações recolhidas na bibliografia que indicam o

procedimento de montagem correcto e que passam por uma selecção das ferramentas a utilizar,

inspecção dos elementos da ligação, determinação do torque a aplicar aos parafusos e especificação

da sequência de aperto adequada.

A tabela 4.10 indica o binário de aperto aplicado a cada parafuso das ligações com juntas. A

discrepância com os valores indicados no manual (ver tabela 4.9) deve-se à aproximação mais fiel

que a graduação da chave Craftsman permitia efectuar.

- 70 -

Tabela 4.10 – Binário de aperto aplicado aos parafusos

Localização dos Parafusos Binário de Aperto [Nm]

Caixa das Válvulas 8,69

Tampa do Respirador 8,69

Carburador 9,6

Cárter 9,6

Relativamente à sequência de aperto seguida, só no caso da junção dos membros do cárter, por a

geometria da figura dos parafusos não ser regular, se teve de adoptar uma sequência de aperto que

não está referida na bibliografia. Para a caixa das válvulas, em que a geometria da figura dos

parafusos é quadrangular o aperto foi dado de acordo com o ilustrado na figura 2.20 c), a ligação do

carburador ao corpo do motor só utiliza dois parafusos e a tampa do respirador apenas 1. A figura

4.33 ilustra a sequência de aperto seguida no cárter e que se fundamentou nos princípios do “cross-

bolting”. Os furos não numerados não correspondem a furos para parafusos, mas antes para

introdução de guias que facilitam a montagem do motor.

Figura 4.33 - Sequência de aperto dos parafusos do cárter


Na tabela 4.11 são indicados os valores da área de contacto das juntas com as flanges,

determinada com recurso ao programa de CAD em que foram desenhadas as juntas; a tensão de

compressão sobre as juntas, calculada utilizando as expressões (4) e (5); a distorção das ligações,

cujo método de medição utilizado foi sucintamente descrito na metodologia; e a espessura, com base

nos gráficos de selecção da espessura (figura 3.6) para os materiais utilizados.

- 71 -

Tabela 4.11 - Dados para determinação da espessura das juntas

Localização k Fi [N]

Área de

Contacto

[mm2]

Tensão

sobre as

juntas, σ

[MPa]

Distorção

Máxima

[mm]

Espessura

das juntas

[mm]

Caixa das

Válvulas 0,2 28966,7 2998,4 9,7 < 0,102

1

Tampa do

Respirador 0,2 7241,7 811,9 8,9 -

Carburador 0,2 16000

1132,4 14,1

< 0,051

1132,4 14,1

862,7 18,5

862,7 18,5

916,1 17,5

Cárter 0,17 75294,1 5881,9 12,8 < 0,051

O primeiro dado que convém salientar prende-se com o facto da tensão aplicada sobre as juntas

estar dentro da gama de valores da tensão de selagem do material (ver tabelas 4.1-2). Esta era uma

condição que era importante satisfazer, uma vez que se pretendia que o teste decorresse nas

condições mais próximas possíveis do funcionamento real, em que uma fuga deve ser sempre

encarada como uma falha da ligação aparafusada. Como tal, garantir que as juntas eram utilizadas

em condições de serviço que são capazes de suportar era um factor prioritário.

Seleccionada a espessura, procedeu-se à encomenda das juntas que foram cortadas com recurso

à tecnologia do corte por jacto de água. O conjunto de juntas TS1400 e TS1800 está representado na

figura 4.34.

Figura 4.34 – Juntas cortadas com jacto de água: a) Conjunto de juntas do TS1400; b) Conjunto de juntas

do TS1800; c) Juntas separadas do material excedente

Outra das medições que se realizaram com vista a conhecer melhor as condições a que estavam

sujeitas as juntas, foi a temperatura de alguns componentes do motor. Na revisão bibliográfica,

muitos foram os documentos consultados que referiam o efeito pernicioso da temperatura no

desempenho das juntas, tal como descrito nas secções 2.4.4.2 e 2.4.7.3, nomeadamente quando

combinado com o ataque químico do meio, pelo que se considerou a determinação das temperaturas

uma medida necessária.

- 72 -

Tabela 4.12 – Temperaturas medidas em alguns componentes do motor Honda

Caixa das Válvulas

Tampa do Respirador

Cárter

Carburador (junto ao corpo do motor)

Carburador (região mais afastada do corpo do motor)

Temperatura[ºC] 66 47 66,3 63,3 43,7

As temperaturas registadas são claramente inferiores às temperaturas máximas admissíveis que

foram indicadas para os compostos TS1400 e TS1800, considerando-se por isso que não põem em

causa o desempenho das juntas.

Até este ponto não houve necessidade de dividir a apresentação e discussão dos resultados nos

dois testes realizados. Contudo, os diferentes resultados obtidos quer no decorrer dos testes, quer

após a desmontagem aconselham a que se divida a análise dos resultados nos dois testes realizados

para uma melhor compreensão dos mesmos.

As juntas fabricadas com TS 1800 foram as primeiras a ser testadas no motor, cumprindo um ciclo

de 100 horas. Depois de realizado este ensaio, procedeu-se ao teste das juntas fabricadas com TS

1400. Seguindo a ordem dos ensaios, apresentam-se os resultados obtidos para o TS 1800 na

secção 4.3.5.1 e os resultados decorrentes do teste com as juntas de TS 1400 na secção 4.3.5.2.

4.3.5.1. Teste com Compósito de Cortiça-Borracha TS 1800

Tal como na abordagem do teste nos carburadores, apresentam-se primeiro os resultados

relativos à aplicação do método do Pull-Up Torque que permite determinar o binário retido em cada

parafuso no final das 100 horas. A tabela 4.13 apresenta estes resultados que foram obtidos de forma

similar à indicada para o teste nos carburadores.

Nos espaços assinalados com (-) o binário de aperto retido era inferior ao menor valor mensurável

pela chave dinamométrica (3 Nm), o que se traduz em perdas superiores a 65% (para a caixa das

válvulas) ou 70% (para o carburador e o cárter) nas ligações com juntas. Se no ensaio dos

carburadores este dado era um indicador do relaxamento das juntas (embora a evidente falta de

paralelismo entre as flanges também contribuísse para a perda de aperto), no motor a baixa retenção

de binário de aperto está fortemente associada às vibrações.

Há, obviamente, algum relaxamento característico dos materiais de cortiça-borracha, mas as

vibrações afiguram-se como as principais responsáveis pelas baixas percentagens de binário de

aperto retido. São dois os factos que levam a responsabilizar as vibrações pela maior parte da perda

de binário: 1) a capacidade revelada pelo TS1800 em manter uma percentagem significativa do

binário no ensaio dos carburadores; 2) o facto de os elementos onde foi impossível medir o binário

retido (caixa das válvulas e carburador) se situarem nas extremidades do motor, ficando, desta forma,

mais sujeitos aos efeitos da vibração, essencialmente a perda de aperto da ligação. No caso do

carburador, o facto de se utilizarem apenas dois parafusos para promover a compressão de cinco (5)

juntas de 1 mm é um factor relevante para a perda de aperto da ligação.

- 73 -

Tabela 4.13 – Binário de aperto retido nos parafusos do motor no teste com TS1800

Localização Parafusos Percentagem de Binário

de Aperto Retido [%]

Caixa das Válvulas

1 -

2 34,5

3 -

4 -

Tampa do Respirador 1 51,8

Carburador 1 -

2 -

Cárter

1 31,3

2 -

3 41,7

4 -

5 31,3

6 41,7

7 31,3

8 52,1

Independentemente dos valores do binário de aperto retido, não se detectaram fugas aquando o

funcionamento do motor. As juntas, mesmo em estados de baixa compressão, cumpriram o objectivo

principal de selar o sistema, o que leva a considerar satisfatório o seu desempenho. A impossibilidade

de medir o binário retido nalguns parafusos não permite calcular a tensão a que estão sujeitas as

juntas, pelo que seria especulativo assumir, ou não, que a junta se encontra sob uma tensão dentro

da gama de valores da tensão de selagem, descritas na secção 4.1.1.

A avaliação do desempenho das juntas com base na inspecção visual após as 100 horas de teste

revelou que as juntas resistiram não só ao ataque químico da gasolina e do óleo de motor, o que já

era expectável pela apreciação do resultado dos testes de compatibilidade química e pelas

indicações positivas que este material tinha revelado em testes anteriores relativamente ao contacto

com óleo de motor [51], como à fricção provocada pelas vibrações do motor e à temperatura de

serviço. As figuras que se seguem (Figuras 4.35-38) ilustram as juntas ao fim das 100 horas de

funcionamento do motor (ver metodologia de ensaio no sub-capítulo 3.2.3) e foi possível verificar que

não existiam quaisquer sintomas de desintegração passíveis de provocar a falha das juntas na sua

missão principal de garantir a estanquicidade.

- 74 -

Figura 4.35 – Fotografia da junta em TS1800 para a caixa das válvulas após teste com gasolina

Figura 4.36 – Fotografia da junta em TS1800 para a tampa do respirador após teste com gasolina

Figura 4.37 – Fotografia do conjunto de juntas em TS1800 para o carburador após teste com gasolina

- 75 -

Figura 4.38 – Fotografia da junta em TS1800 para o cárter após teste com gasolina

4.3.5.2. Teste com Compósito de Cortiça-Borracha TS 1400

Na mesma linha do procedimento seguido para a apresentação dos resultados dos testes com as

juntas de TS1800, começa por se apresentar os resultados obtidos na determinação do binário de

aperto retido. A tabela 4.14 apresenta os resultados obtidos.

Tabela 4.14 – Binário de aperto retido nos parafusos do motor no teste com TS1400

Localização Parafusos Percentagem de Binário

de Aperto Retido [%]

Caixa das Válvulas

1 -

2 34,5

3 40,3

4 -

Tampa do Respirador 1 84,3

Carburador 1 41,7

2 46,0

Cárter

1 52,1

2 36,5

3 57,3

4 62,5

5 62,5

6 57,3

7 41,7

8 62,5

Relativamente ao teste com o TS1800, neste é evidente a maior retenção de binário que as juntas

em TS1400 conferem às ligações. Paradoxalmente, detectou-se, por inspecção visual, logo após as

primeiras horas de teste, uma fuga de óleo na caixa das válvulas, a qual se registou ao longo de todo

o teste. No entanto esta fuga não foi suficiente para por em causa o funcionamento regular do motor,

não tendo sido necessário efectuar qualquer reabastecimento de óleo. Há dois factores que podem

- 76 -

estar na origem desta fuga: um aumento da distorção entre flanges relativamente ao primeiro teste,

uma vez que as vibrações do motor e o facto da caixa das válvulas já ter estado sob tensão podem

ter provocado uma diminuição do paralelismo entre as flanges; e o facto do TS1400 ser um material

mais duro que o TS1800, o que o torna um material menos conformável. A solução passaria por

aumentar a espessura da junta da caixa das válvulas. Uma vez que a compressibilidade é definida

como uma variação da espessura da junta quando comprimida por uma carga específica, para uma

espessura maior a junta melhora as suas características de compressibilidade, sendo, deste modo

capaz de se adaptar às irregularidades das superfícies das flanges.

Na avaliação da performance das juntas por inspecção visual após as 100 horas de teste não

foram detectados quaisquer sinais de degradação química, térmica ou mecânica. O TS1400

constatou o que já era esperado pelos resultados dos testes de compatibilidade química e na

aplicação dos carburadores e mostrou ser um material adequado para a selagem de motores de

combustão interna. Os rasgos que se observam nos furos inferiores da junta da caixa das válvulas

representada na figura 4.39 resultaram da remoção menos cuidadosa da junta, não devendo por isso

ser interpretados como uma falha no desempenho da junta. As figuras 4.39 à 4.42 são ilustrativas das

boas condições em que se encontram as juntas após as 100 horas de teste.

Figura 4.39 – Fotografia da junta em TS1400 para a caixa das válvulas após teste com gasolina

Figura 4.40 – Fotografia da junta em TS1400 para a tampa do respirador após teste com gasolina

- 77 -

Figura 4.41 – Fotografia do conjunto de juntas em TS1400 para o carburador após teste com gasolina

Figura 4.42 – Fotografia da junta em TS1400 para o cárter após teste com gasolina

Como última nota nesta discussão dos resultados, refira-se ainda que tanto o TS1800 como

TS1400 revelaram uma baixa aderência à superfície das flanges e, embora colando-se ligeiramente

ao equipamento a sua remoção foi fácil e não deixou vestígios nos membros da ligação. Como este

fenómeno não foi verificado na aplicação dos carburadores, é lícito admitir que a temperatura tem um

papel determinante na aderência das juntas às flanges. A figura 4.43 é ilustrativa da aderência destes

compostos.

- 78 -

Figura 4.43 – Remoção de uma junta do carburador ilustrando a fácil remoção sinónimo de baixa

aderência: a) vista geral; b) pormenor

4.4 Resumo dos Resultados Obtidos nos Testes Realizados

Os resultados testes de compatibilidade química, de validação de juntas nos carburadores e de

validação de juntas no motor que foram apresentados e discutidos nas secções 4.1, 4.2 e 4.3,

respectivamente, são agora resumidos na tabela 4.15, onde são apresentados os principais dados

recolhidos em cada um dos testes e que permitiram avaliar a adequabilidade dos quatro (4) materiais

testados na selagem de misturas de gasolina com etanol.

- 79 -

Tabela 4.15 – Resumo dos resultados obtidos nos testes realizados

Testes de Compatibilidade

Química

Testes de Validação de

Juntas em Carburadores

Testes de Validação de Juntas

num Motor em Funcionamento

TS

1400

Boa resposta à imersão nos

diferentes fluidos testados,

apresentando variações de

espessura e de volume

positivas e variações de

dureza inferiores às dos

restantes compósitos.

Confirmando o que se

esperava pelos resultados

obtidos nos testes de

compatibilidade química, as

juntas em TS 1400 tiveram um

desempenho positivo no teste

de validação nos carburadores

não exibindo quaisquer sinais

degradação por ataque

químico, tanto no teste com

E15 como no teste com E50.

A inspecção visual das juntas não

revelou sinais de degradação

química, térmica ou mecânica. Dos

materiais testados no motor, foi o

que mostrou maior capacidade para

retenção do binário de aperto dos

parafusos. Foi registada uma fuga

na caixa das válvulas no decorrer do

teste, mas admite-se que um

aumento da espessura da junta

pudesse fazer face a este problema.

TS

1800

Material que revelou menor

compatibilidade química com

os diferentes fluidos testados,

registando variações das suas

propriedades físicas superiores

aos outros materiais testados.

Boa resposta ao ataque

químico das duas misturas

testadas (E15 e E50), não

tendo sido detectados sinais

evidentes de degradação das

juntas. Apenas se verificou um

ligeiro enegrecimento dos

grânulos de cortiça na zona de

contacto com o fluido.

Desempenho positivo do TS 1800,

uma vez que não foram registadas

fugas nas ligações com juntas e a

inspecção visual das juntas não

revelou sintomas de degradação das

mesmas. Apesar da menor

capacidade em reter o binário que o

TS 1400, como não se registaram

fugas, admite-se que a capacidade

de recuperação do material tenha

sido suficiente para responder à

perda de aperto da ligação.

TS

7100

A seguir ao TS 1800 foi o

material que revelou menor

compatibilidade química com

os fluidos de teste.

Material com pior desempenho

neste teste, facto que não

pode ser desassociado da

maior espessura das juntas

deste material. Observou-se

um notório enegrecimento na

zona de contacto com o fluido,

tendo o material ficado mais

ressequido nesta zona.

---

TS

7110

Compósito que revelou maior

compatibilidade química quer

com a gasolina, quer com as

misturas de gasolina com

etanol. Só as variações de

dureza (exceptuando a

imersão em gasolina) e a

variação de espessura após

imersão no E5 registaram

valores superiores ao TS 1400.

--- ---

- 80 -

CAPÍTULO 5

5. CONCLUSÕES E PROPOSTAS PARA DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

5.1. Conclusões

Neste capítulo, apresentam-se os principais resultados do estudo realizado para avaliar a

capacidade de compósitos de cortiça-borracha serem utilizados como juntas para motores que usem

combustíveis compostos por gasolina e etanol. Para este estudo realizaram-se: 1) Testes de

compatibilidade química; 2) Testes de validação de juntas sujeitas ao líquido em pressão estacionária

em três carburadores; 3) Testes de validação de juntas num motor em funcionamento (apenas foram

realizados testes com gasolina). Sintetizam-se agora os principais resultados de cada um dos testes

realizados, apresentando-se as conclusões a que se chegou.

A primeira conclusão a tirar é que os quatro (4) compósitos testados são adequados para a

selagem estática de misturas de gasolina com etanol, uma vez que mesmo o TS1800, que se

mostrou o menos compatível com este tipo de misturas de gasolina com etanol, teve um desempenho

satisfatório tanto na aplicação dos carburadores como na selagem do motor Honda, não tendo sido

detectadas fugas durante os ensaios nem sinais evidentes de desintegração das juntas no fim dos

mesmos.

Quando totalmente imerso, por um período de 168 horas, no agente químico em teste, o TS7110

(ECO) é o material com melhor resistência química entre os testados, exibindo uma resistência

química superior, medida através das variações de dureza, volume, espessura e peso, e é,

claramente, o material mais adequado quando o fluido a selar é a gasolina. O TS1400 (NBR) é um

material com características de compatibilidade química muito semelhantes ao TS7110, diferindo

significativamente do comportamento deste composto apenas no tocante à resistência à variação de

volume. Por consulta do segundo quadro do anexo E [4], observa-se que a compatibilidade química

das borrachas nitrílicas com etanol é considerada muito boa e a da epicloridrina apenas boa.

Contudo, quando o agente químico em contacto com as juntas é uma mistura de gasolina com etanol,

os compósitos com epicloridrina superam os compósitos nitrílicos.

Os compósitos TS 1800 e TS 7100 são, entre os materiais testados, os menos compatíveis com

as misturas de gasolina com etanol, apresentando maiores variações das suas propriedades físicas

quando totalmente imersos, por 168 horas, no agente químico em teste. Já foi referido o desempenho

satisfatório do TS 1800 quando testado enquanto junta tanto na aplicação dos carburadores como no

motor. Já o TS 7100, apenas foi utilizado como junta na aplicação dos carburadores e, apesar de não

terem sido detectadas fugas através das juntas, o material exibiu alguns sinais de desintegração,

tendo ficado enegrecido e ressequido na zona de contacto com o fluido. Tal com já foi referido nesta

tese, a espessura das juntas em TS 7100, superior à espessura das juntas fabricadas com os outros

- 81 -

compósitos, é uma explicação plausível para a menor resistência química, uma vez que é maior a

área de contacto com o fluido. Como tal, seria interessante realizar novamente o teste das juntas de

TS 7100 na aplicação dos carburadores, mas com espessuras de 1,5 mm (como as utilizadas para os

compósitos TS 1400 e TS 1800).

Pelo facto do TS 1800 ter sido o material que revelou menor compatibilidade química quando

totalmente imerso no agente químico, mas não ter apresentado sinais evidentes de desintegração

das juntas nos testes de validação realizados, pode tirar-se outra conclusão que se prende com o

facto já mencionado no capítulo 4, na secção 4.2.5.1, da maior tolerância química dos materiais

testados quando se encontram comprimidos pela ligação aparafusada com pré-tensão.

Em consequência da compressão do material ser benéfica do ponto de vista da maior resistência

ao ataque químico que lhe atribui, conclui-se que um material capaz de reter o o binário de aperto

inicialmente aplicado, isto é, que não provoque o relaxamento excessivo da ligação, tem maiores

hipóteses de ser bem sucedido em aplicações de selagem. Neste capítulo o TS1400 provou ser

superior ao TS1800, tendo conservado maiores percentagens do aperto inicial tanto na aplicação dos

carburadores como no motor Honda. Relativamente ao TS7100, fazer esta análise é especulativo já

que as espessuras das juntas deste compósito na aplicação dos carburadores são superiores às

demais juntas utilizadas.

Outra conclusão que se tira do trabalho realizado prende-se com a maior agressividade de

misturas com baixas e médias percentagens de etanol face a misturas com percentagens de etanol

elevadas, de que é exemplo o E85, ou à gasolina. As maiores variações das propriedades físicas dos

materiais quando imersos neste tipo de misturas atestam esta característica. Entre estas misturas, o

E5 mostrou ser o mais agressivo para os compósitos de cortiça-borracha, observando-se também

que há uma tendência para que o aumento da percentagem de etanol nas misturas com gasolina

conduza a uma maior tolerância dos materiais ao contacto com o fluido.

Da análise aos gráficos representativos da compatibilidade química dos materiais conclui-se ainda

que as misturas E10, E25 e E50 têm um impacto similar nos compósitos testados, promovendo

variações das suas propriedades físicas da mesma ordem de grandeza.

Como nota final ficam duas conclusões, que mais não são que comprovações da informação

recolhida durante o período de pesquisa bibliográfica, mas que estiveram sempre presentes durante a

realização dos testes experimentais: a falha de uma ligação com junta não é forçosamente provocada

por uma falha da junta em si e a experiência e o know-how de quem trabalha nesta área é muitas

vezes mais importante que toda a teoria escrita sobre a selagem.

5.2. Propostas Para Desenvolvimentos Futuros

Uma vez concluída a dissertação, observa-se que muito fica por investigar e perceber dentro desta

área. Tal como tem vindo a ser referido ao longo desta tese, muitos são os factores que influem no

desempenho duma junta, pelo que o trabalho desenvolvido, por carecer de um número de amostras

- 82 -

estatisticamente significativo, não permite caracterizar na sua totalidade o desempenho dos

compósitos de cortiça-borracha testados. A determinação dum factor de agressividade, tal como

proposto no sub-capítulo 4.1.3, obriga à realização de um número significativo de testes de forma a

ajustar os valores atribuídos aos pesos αi (i=1,2,3,4). Como sugestão para continuação do trabalho

realizado, apresenta-se agora uma lista de estudos a serem desenvolvidos futuramente.

Validação de juntas no motor em funcionamento com misturas de gasolina com etanol, uma vez

que apenas foram realizados testes com gasolina.

Estudo da influência das vibrações no desempenho das juntas planas em motores. Análise da

capacidade das juntas em fazer face aos problemas provocados por vibrações parasitas que

levam à perda de aperto das ligações aparafusadas. Em particular seria importante investigar o

comportamento viscoelástico destes compósitos de cortiça-borracha, uma vez que as

propriedades viscoelásticas da cortiça alteram-se significativamente com a temperatura e a

humidade, para além de diferirem das propriedades elásticas [10].

Estudo da aderência das juntas em cortiça com borracha às flanges. Determinação dos factores

que promovem a aderência dos materiais e sua quantificação. Nesta tese, ficou mencionado o

facto de ser legítimo admitir que a temperatura é um dos parâmetros que pode influir na aderência

destes compósitos de cortiça-borracha, mas esta ideia carece de confirmação.

Determinação das características óptimas de um sistema com vista à aplicação de juntas de

cortiça-borracha. Seria interessante analisar as características das flanges e de outros elementos

de uma ligação aparafusada que melhor se adequam à aplicação de juntas de cortiça-borracha.

- 83 -

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[42] ASTM F 104; Standard Classification System for Nonmetallic Gasket Materials– F 104 -03;

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[50] Amorim Industrial Solutions; Small Engine Solutions (catálogo); AIS; 2007

[51] Cruz, M.J.F.; Determinação Experimental e Predição da Pressão de Vapor de Gasolinas com

Aditivos Oxigenados; Tese de Mestrado; Universidade Federal de Pernambuco; 2003;

A

ANEXOS

Anexo A – Metodologia de Ensaio do Testes de Compatibilidade Química

Variação de Dureza

Ensaios realizados com provetes rectangulares com 50,8 x 101,6 [mm] e 6mm de espessura.

a) Colocar o provete na mesa do durómetro, posicionando-o a uma distância entre o identador e

as arestas do provete de pelo menos 12 mm;

b) Carregar o manípulo para baixo de modo a elevar a mesa, até o identador entrar em contacto

com o provete de ensaio;

c) Registar o valor indicado no mostrador do durómetro, um segundo após o contacto do

identador com a amostra;

d) Levantar o manípulo e verificar se o mostrador volta a zero;

e) Repetir a leitura 3 a 5 vezes no mesmo provete em locais distanciados pelos menos 6mm

entre si;

f) Após imersão do provete, repetir as alíneas a) a e) e registar as variações de dureza.

Variação de Volume

Ensaios realizados com 3 provetes rectangulares com 25,4 x 50,8 [mm].

a) Efectuar a pesagem dos provetes numa balança de Jolly;

b) Registar a medida inicial de cada provete (Vi)

c) Colocar os provetes num tubo de ensaio;

d) Colocar o fluido pretendido no tubo de ensaio de modo a ficar 3 cm acima dos provetes;

e) Tapar os tubos de ensaio com rolhas e colocá-los num suporte à temperatura ambiente e

durante o tempo especificado;

f) No final do ensaio, retirar os provetes do fluido de teste e limpar com papel absorvente o fluido

excedente;

g) Efectuar a pesagem de cada provete numa balança de Jolly;

h) Registar a medida final de cada provete (Vf);

i) Registar a variação de volume de cada provete de acordo com a expressão apresentada em

seguida e fazer a média.

∆𝑉 % =𝑉𝑓 − 𝑉𝑖

𝑉𝑖× 100

Variação de Espessura

Ensaios realizados com 3 provetes rectangulares com 25,4 x 50,8 [mm] e 3,2mm de espessura.

a) Determinar a espessura inicial (Ei) de cada provete num comparador de espessuras em 3

zonas distintas e previamente marcadas;

b) Colocar os provetes num tubo de ensaio;

c) Colocar o fluido pretendido no tubo de ensaio de modo a ficar 3 cm acima dos provetes;

d) Tapar os tubos de ensaio com rolhas e colocá-los num suporte à temperatura ambiente e

durante o tempo especificado;

B

e) No final do ensaio, retirar os provetes do fluido de teste e limpar com papel absorvente o fluido

excedente;

f) Determinar a espessura final (Ef) de cada provete num comparador de espessuras em 3 zonas

distintas e previamente marcadas;

g) Registar a variação de espessura de cada provete de acordo com a expressão apresentada

em seguida e fazer a média.

∆𝐸 % =𝐸𝑓 − 𝐸𝑖

𝐸𝑖

× 100

Variação de Peso

Ensaios realizados com 3 provetes rectangulares com 25,4 x 50,8 [mm].

a) Pesar cada um dos provetes numa balança e registar o valor do peso inicial (Pi);

b) Sujeitar os provetes à imersão nos fluidos de testes do mesmo modo que para os ensaios de

variação de volume e espessura;

c) No fim do período de imersão, voltar a pesar os provetes e registar o valor do peso final (Pf);

d) Registar a variação de espessura de cada provete de acordo com a expressão apresentada

em seguida e fazer a média.

∆𝑃 % =𝑃𝑓 − 𝑃𝑖

𝑃𝑖× 100

C

Anexo B – Critérios de Avaliação da Compatibilidade Química da Norma UL157

Excerto da tabela 4.2 da norma UL 157 para a gasolina e misturas de gasolina com etanol.

D

Anexo C – Tabelas dos Coeficientes m e y e do Parâmetro b0 do Código ASME

Quadro 1 – Valores dos coeficientes m e y do código ASME

E

Quadro 1 (cont.) – Valores dos coeficientes m e y do código ASME

F

Quadro 2 – Valores do parâmetro b0 do código ASME

G

Anexo D – Glossário de Termos Relacionados com Juntas (Norma ASTM F 118)

Norma ASTM F 118 – 04: Standard Definitions of Terms Relating to Gaskets

Adhesion – the measurable attraction to bonding of a gasket material to a surface after the

application of a temperature, or compressive stress, or both.

Annulus – a cut gasket shape consisting of two concentric circles of known geometry.

Binder – a component of certain gasket material, which solidifies the structure, imparts uniform

adhesion to surfaces, and has an impact on the pore structure.

Blowout, gasket – the sudden release of internal pressure by a gasket sealing a flange with a given

stress applied. The internal pressure needed to create a blowout is also known as the blowout

pressure.

Classification – a means of specifying categories of gasket materials according to composition and

physical characteristics.

Combustibles – components of gasket material which are lost on ignition at a given temperature.

Compressed thickness – the measured thickness of a gasket material with a known compressive

stress applied.

Compressibility – in compressibility/recovery testing of gasket materials, the difference between the

specimen thickness under preload and thickness under total load, divided by the thickness under

preload, expressed as a percent.

Compressive strength/crush extrusion resistance – maximum compressive stress before crush

occurs at a specified temperature without regard for leakage.

Compressive yield – the point which the slope of the relationship between applied stress and

deformation of a gasket material changes.

Creep – a transient stress-strain condition in which the strain increases as the stress remains

constant. (This condition is approached in flat-face gasketing joints in which the bolt undergoes a high

elongation relative to any creep that might take place in the gasket).

Creep relaxation – a transient stress-strain condition in which the strain increases concurrently with

the decay of stress. (This is the most common condition existing in flat-face gasketing assemblies in

which the bolt exhibits a relatively large amount of elongation).

Cross-sectional area – the area of a gasket specimen defined as the width times the thickness.

Deflection – gasket material deformation in the “thickness direction” caused by the application of

stress.

H

Deformation – the percentage by which a gasket material is deformed under stress or after the

application of stress.

Density – the mass per unit volume for a given gasket material measured under defined conditions.

Description/line call out – an alphanumeric term used to define the composition and physical

properties of a gasket material.

Disintegration – the process by which a gasket material breaks up into components or fragments

after exposure to a given fluid and/or environment.

Durability – the resistance to disintegration of a gasket material after exposure to a given fluid and/or

environment.

Flange – the members of gasketed joint that compress the gasket.

Flange distortion – deviation of a contact surface from a perfect plane.

Flat faced joint – a joint or flange with no raised contact surface.

Flexibility – the ratio of mandrel size a gasket material can be bent 180 degrees around without

cracking to the thickness of said gasket material.

Fluid – a gas or liquid used for immersion and sealability testing of gasket material.

Gasket – a material that can be clamped between faces and acts as a static seal. Gaskets are cut,

formed, or molded into the desired configuration. They may consist of any of the following

constructions: (a) One or more plies of a sheet material;

(b) Composites of dissimilar materials;

(c) Materials applied as a bead or other form to one or both mating

faces prior to assembly

Gasketed joint – the collective total of all members used to effect a gasketed seal between two

separate items.

Leak – the passage of matter through interfacial openings or passageways, or both, in or around the

gasket.

Leakage – the rate at which the fluid escapes from a gasketed joint.

Linear dimensional stability – the degree to which a gasket material maintains its original size in the

x-y plane after exposure to specific conditions.

Maintenance factor, m – the factor that provides the additional preload capability in the flange

fasteners to maintain sealing pressure on a gasket after internal pressure is applied to the joint.

I

Manometer – a device used to measure pressure in a closed system. It may be used to measure

leakage of fluids through gasketed joints.

Peak load – the highest stress a gasket material can resist before tensile failure.

Recovery – in compressibility/recovery testing of a gasket material, the difference between the

specimen recovered thickness and the thickness under total load, divided by the difference between

the thickness under preload and thickness under total load, expressed as a percent.

Resiliency – in compressibility/recovery testing of a gasket material, the difference between the

specimen recovered thickness and the thickness under total load, divided by the thickness under total

load, expressed as a percent.

Sealability – the measure of leak rate a gasket material has for a given gasket geometry, fluid with

applied internal pressure, and applied flange pressure. Typically reported as a volume or mass of fluid

loss for a given period and used as means of comparison.

Strain – the deformation of a gasket specimen under action of applied forces of stress.

Stress – the force per unit area applied to a gasket material.

Stress relaxation – a transient stress-strain condition in which the stress decays as the strain

remains constant. (This condition is encountered in grooved-face gasketing joints when the bolt is

practically infinitely rigid).

Tensile strength – the maximum tensile stress applied during stretching a specimen to rupture.

Tensile stress – the applied force per unit of cross-sectional area of a specimen.

Torque bolt – a calibrated bolt made of a defined alloy that contains a pin mechanism which allows

the user to measure bolt stretch using relaxometer.

Yield factor (minimum design seating stress, y) – the factor that represents the pressure in MPa

over the contact area of the gasket that is required to provide a sealed joint, with no internal pressure

in the joint.

J

Anexo E – Quadros de Compatibilidade Química

Quadro de compatibilidade química de materiais para juntas da Amorim Industrial Solutions [15]

Compósitos de Cortiça-Borracha

SG-601 SG-625 V-50 RU-4 NC-710 NCA-50 NC-711G RU-140

Butanol

R+ R+ R+ R+ R+ R+ NR R+

Óleo Diesel NR R+ A R+ R+ A R+ R+

Etanol

R+ R R+ R+ R+ R+ R+ R+

Gasolina NR A R R R R R+ R

Óleos Lubrificantes NR R+ A R+ R+ A R+ R+

Metanol

R+ R+ R+ R+ R+ R+ R R+

Óleos Vegetais R R+ A R+ R+ A R+ R+

Água (fria) R+ R+ R+ R+ R+ R+ R NR

(R+) – Altamente Recomendado; (R) – Recomendado; (A) – Aceitável; (NR) – Não Recomendado

Os compósitos de cortiça-borracha apresentados resultam da mistura de cortiça com diferentes

borrachas. A lista que se segue indica a borracha utilizada na composição de cada um dos materiais:

SG-601: Borracha de clorosulfanato de polietileno (Hypalon®);

SG-625: Borracha acrílica de etileno (Vamac®);

V-50: Borracha poliacrílica;

RU-4, RU-140, NC-710, NCA-50: Borracha nitrílica;

NC-711G: Borracha de epicloridrina.

Quadro de compatibilidade química adaptado do Hanbook of Fluid Sealing [1]

Nitrílicas

Etileno -Propileno

Neoprene Fluorcarbono Silicone Hypalon® Epicloridrina

Ar Razoável Muito Bom

Bom Muito Bom Excelente Excelente Bom

Álcoois Muito Bom

Excelente Muito Bom

Razoável Muito Bom

Muito Bom

Bom

Óleos Animais Excelente Bom Bom Muito Bom Bom Bom Bom

Fuel de hidrocarbonetos alifáticos

Excelente Fraco Razoável Excelente Razoável Razoável Muito Bom

Fuel de hidrocarbonetos aromáticos

Bom Fraco Razoável /

Fraco Excelente Fraco

Razoável / Fraco

Muito Bom

Óleos de hidrocarbonetos (ricos em analina)

Excelente Fraco Bom Excelente Muito Bom

Excelente Excelente

Óleos de hidrocarbonetos (pobres em analina)

Muito Bom

Fraco Razoável /

Fraco Excelente Razoável

Muito Bom

Excelente

Óleos vegetais Excelente Bom Bom Excelente Excelente Bom Excelente

Água/Vapor Bom Excelente Razoável Razoável Razoável Razoável Bom

http://www.amorimsolutions.com/product/SPV00093.php








http://www.amorimsolutions.com/search/3/But.php

http://www.amorimsolutions.com/search/3/DO.php

http://www.amorimsolutions.com/search/3/Eol.php

http://www.amorimsolutions.com/search/3/LO.php

http://www.amorimsolutions.com/search/3/Mtol.php

http://www.amorimsolutions.com/search/3/WF.php

K

Anexo F – Complemento da Tabela 2.5: Materiais Metálicos para Juntas

Tabela 2.5 (cont.) – Materiais mais utilizados no fabrico de juntas

Metálicos

Aço Material adequado à generalidade das operações que não sujeitem as

juntas a condições demasiado severas.

316 (18-12 Cr/Ni:

aço inox

austenítico c/ Mo)

Excelente resistência à corrosão, mas em determinados meios fica sujeito à

fractura e à corrosão intergranular.

316L (Variante do

316 com menos

carbono)

Maior tolerância a meios potencialmente corrosivos que o aço inox 316.

304 (18-8 Cr/Ni:

aço inox

austenítico)

Excelente resistência à corrosão, mas sujeito à fractura e à corrosão

intergranular a temperaturas elevadas.

304L (Variante do

304 com menos

carbono)

Menor de risco de fractura e corrosão intergranular que o aço inox 304.

321 (18-10 Cr/Ni;

aço inox

austenítico com

Ti)

Passível de sofrer fractura por corrosão, mas com reduzida probabilidade de

se verificar corrosão intergranular.

347 (Variante do

18-10 Cr/Ni)

Características semelhantes ao aço inox 321 e apropriado para altas

temperaturas.

410 (12-9 Cr/Ni;

aço inox ferrítico) Excelente resistência térmica e boa resistência à corrosão.

Titânio Excelente resistência térmica e à corrosão e indicado para utilização em

meios oxidantes.

Liga 600 (70% Ni,

15% Cr, 8% Fe) Excelente resistência térmica e à corrosão.

Liga 625 (Ni / Cr

alloy, with Mo and

Nb)

Excelente resistência à corrosão quer em meios ácidos, quer em meios

alcalinos.

Liga 800 (32% Ni,

20% Cr, 46% Fe) Excelente resistência à corrosão a altas temperaturas.

Liga 825 (Ni, Cr,

Fe, Mo, Cu)

Elevada resistência a ácidos quentes e óptima resistência à fractura por

corrosão.

Liga 200

(99.6% Ni forjado) Elevada resistência a meios redutores e alcalinos.

Liga 400

(67% Ni, 30% Cu) Excelente resistência ao ácido fluorídrico.

Liga B2 (Ni/Mo) Excelente resistência aos ácidos acético, clorídrico, fosfórico e sulfúrico.

Liga C276

(Ni/Cr/Mo) Excelente resistência em meios redutores ou oxidantes.

Liga 20 (Fe/Ni/Cr) Desenvolvido para aplicações que requerem elevada resistência ao ácido

sulfúrico.

Liga x – 750

(Ni /Cr /Fe) Endurecido por precipitação. Aço de alta resistência.

Alumínio Excelente ductilidade e maleabilidade.

Cobre Resistente á corrosão na generalidade das aplicações.

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