Flange de alta pressão: classes de pressão e materiais 

O que é um flange de alta pressão e por que a classe de pressão é mais importante que o tipo de aço

Um flange de alta pressão não é apenas uma peça de conexão, mas um elemento crítico de segurança de um sistema de tubulação operando a pressões de 10 MPa e superiores. Em nossa prática de engenharia, observamos casos em que a escolha de um material baseado no princípio “mais caro” sem levar em conta a classe de pressão levou à despressurização da unidade após apenas três meses de operação sob cargas cíclicas. O principal erro que os compradores cometem é focar no tipo de aço (por exemplo, 09G2S ou AISI 316) e ignorar a classificação de pressão real (PN/Classe), que determina a geometria e o peso do produto. Para sistemas com pressões operacionais acima de 16 bar, os flanges padrão não são adequados; isso requer soluções que atendam aos padrões ASME B16.5 Classe 300-2500 ou GOST 33259-2015 para pressões de até 20 MPa.

A seleção correta de um flange de alta pressão começa com uma análise não da composição química, mas das características de temperatura e pressão do meio. Se o seu sistema operar em temperaturas acima de 400°C, a resistência ao escoamento do aço cai e o flange PN16 pode deformar-se mesmo na pressão nominal. Recomendamos examinar imediatamente os fornecedores que não possam fornecer certificados de teste de vazamento em temperaturas extremas. A seguir, examinaremos mais de perto como as classes de pressão se relacionam com os materiais e quais riscos ocultos existem ao importar esses componentes da Ásia.

Classes de pressão: Classe PN para ASME e purgadores de conversão

Compreender as classes de pressão é a base para uma operação segura. Na prática internacional, existem dois sistemas principais de designação: Europeu (PN - Pressão Nominal) e Americano (Classe - lbs). Um erro na comparação custa às empresas milhões de rublos em perdas anualmente. Muitos gerentes de compras acreditam erroneamente que PN16 é aproximadamente igual à Classe 150 e PN40 é aproximadamente igual à Classe 300. Esta é uma simplificação perigosa. A conformidade real depende da temperatura ambiente. À temperatura ambiente (20°C), o flange Classe 150 suporta, na verdade, cerca de 20 bar, o que é próximo de PN20. No entanto, quando aquecido a 400°C, a pressão permitida para a Classe 150 cai para 8-9 bar, enquanto o PN16 mantém sua classificação em temperaturas mais altas devido a um método diferente de cálculo dos fatores de segurança.

Para aplicações de alta pressão onde as pressões operacionais excedem 100 bar (10 MPa), usamos ASME Classe 600, 900, 1500 e 2500. O flange Classe 2500 pode suportar cargas enormes, mas seu peso é 3-4 vezes maior que um equivalente de baixa pressão do mesmo diâmetro. Em um de nossos projetos de modernização de refinaria, a substituição dos flanges Classe 900 por flanges Classe 600 (devido a um erro de especificação) resultou no desligamento completo da linha após duas semanas. A superfície de vedação simplesmente não conseguiu segurar a junta durante o golpe de aríete. Portanto, regra número um: nunca altere a classe de pressão “um degrau abaixo” sem recalcular as tensões na ligação parafusada.

A norma russa GOST 33259-2015 “Flanges de conexões, peças de conexão e tubulações para pressões de até 20 MPa” está harmonizada com as normas internacionais, mas possui características próprias nas dimensões das superfícies de vedação. Se você solicitar um flange de alta pressão de acordo com GOST, certifique-se de que o flange correspondente no equipamento importado tenha uma geometria de projeção compatível (vale-lug ou ranhura macho). A incompatibilidade mesmo de 0,5 mm tornará a instalação impossível sem o uso de adaptadores, que se tornam um elo fraco na linha de alta pressão. Solicite sempre um desenho com tolerâncias antes de pagar sua fatura.

A escolha da classe de pressão também determina os requisitos dos fixadores. Para flanges Classe 150, parafusos de grau 8,8 geralmente são suficientes, mas para Classe 900 e superiores, são necessários pinos de liga de aço (como ASTM A193 Gr.B7) com grau de resistência de pelo menos 10,9 ou 12,9. O uso de metal ferroso comum é inaceitável aqui - os parafusos simplesmente esticarão sob carga e a conexão perderá seu aperto. Vimos casos em que a economia de 5% nos custos de fixadores resultou na perda de 100% do produto devido a um acidente. Verifique as especificações do fixador em cada pedido de flange de alta pressão.

Materiais para condições extremas: carbono, ligas e aços inoxidáveis

A escolha do material para um flange de alta pressão é determinada pela agressividade do ambiente e pelas condições de temperatura, e não apenas pelo orçamento do projeto. Aços carbono como ASTM A105 (semelhante ao St20 ou 20GL) são o padrão para temperaturas de -29°C a +425°C. Esta é a opção mais comum para oleodutos e gasodutos de média pressão. No entanto, se a temperatura cair abaixo de -29°C, o aço carbono torna-se quebradiço. Na nossa prática, ocorreu um caso de destruição de uma flange de aço A105 a uma temperatura de -35°C durante o arranque de inverno de uma instalação na Sibéria. Para aplicações criogênicas, aço normalizado ou classes de baixa liga, como ASTM A350 LF2, que mantêm a tenacidade em baixas temperaturas, são essenciais.

Quando se trata de temperaturas acima de 450°C ou ambientes corrosivos (ácidos, álcalis, sulfeto de hidrogênio), o aço carbono está excluído. É aqui que entram em jogo os aços-liga de cromo-molibdênio, como ASTM A182 F11 ou F22. Esses materiais contêm cromo e molibdênio, que melhoram a resistência ao calor e à fluência. Um flange feito de aço F22 pode operar em temperaturas de até 550-580°C sob alta pressão, enquanto o aço comum já começará a “vazar”. O custo de tais flanges é 40-60% maior, mas esta é a única solução tecnicamente sólida para caldeiras e processos de craqueamento.

Os aços inoxidáveis ​​(aços inoxidáveis ​​austeníticos), como ASTM A182 F304/L e F316/L, são usados ​​não tanto para alta pressão, mas para resistência à corrosão. É importante entender a diferença entre F304 e F304L. O “L” significa Baixo Carbono. Ao soldar componentes de alta pressão, o F304 convencional é suscetível à corrosão intergranular na área de solda, o que pode levar a trincas por pressão. Recomendamos sempre o uso de classes “L” para estruturas soldadas sob pressão, por mais inerte que o ambiente possa parecer. Para ambientes com alto teor de cloreto (água do mar, alguns processos químicos), é necessário o aço F316L com adição de molibdênio, que resiste à corrosão por pite.

Atenção especial deve ser dada à qualidade da fundição e do forjamento. O flange de alta pressão deve ser forjado em vez de fundido, exceto em ligas especiais onde o forjamento não é possível. O forjamento refina o grão do metal, elimina vazios internos e melhora as propriedades mecânicas. Os flanges fundidos (rotulados CF8M em vez de F316) têm classificações de tensão mais baixas e são frequentemente usados ​​apenas para aplicações de baixa pressão. Verifique as marcações na extremidade do flange: a presença de um “F” na frente do número da classe (por exemplo, F316) geralmente indica material forjado. Se você vir marcações como “WCB” ou “CF8” sem indicar o método de fabricação, verifique com o fornecedor a tecnologia de produção, pois para pressões acima de 10 MPa, a fundição é muitas vezes inaceitável sem controle adicional de raios X.

Esses rigorosos requisitos de materiais impactam diretamente a seleção de um fornecedor OEM. Por exemplo,Wuxi Kaisheng Energia Elétrica e Equipamento Petroquímico Co., Ltd.é especializada no projeto e produção de unidades complexas onde flanges de alta pressão são integrados em trocadores de calor e reatores. A empresa produz equipamentos a partir de uma ampla variedade de materiais - desde aços carbono e ligas até titânio, latão marítimo C46400 e ligas de níquel N06625. Seus produtos, incluindo trocadores de calor de alta pressão e feixes de tubos ASME, são certificados PED e ASME para garantir que atendam aos rigorosos requisitos de resistência à corrosão e pressão extrema. Essa abordagem, quando o fabricante controla a qualidade não apenas dos próprios flanges, mas também de todo o conjunto, minimiza os riscos de incompatibilidade de materiais nos ambientes agressivos das indústrias química e de refino de petróleo.

Tipos de superfícies de vedação e seus efeitos na estanqueidade

A geometria da face de vedação (tipo de face) desempenha um papel decisivo na capacidade de uma conexão de flange suportar altas pressões. Para sistemas de baixa e média pressão, o design RF (Raised Face) é amplamente utilizado. No entanto, para pressões acima de 100 bar (Classe 600 e superiores) ou para meios tóxicos, o projeto de RF muitas vezes não é suficientemente confiável. Nestes casos, os engenheiros mudam para as versões RTJ (Ring Type Joint) ou MFM (Male-Female Face). Em nossa experiência em manutenção de estações de compressão, 90% dos vazamentos em linhas de alta pressão ocorreram precisamente nos flanges de RF devido à compressão da gaxeta durante as pulsações de pressão.

A versão RTJ é o padrão ouro para pressões ultra-altas (até 250 bar e acima). Aqui, a estanqueidade é garantida não pela compressão da junta macia, mas pela deformação plástica do anel metálico (seção transversal oval ou octogonal) que se encaixa na ranhura do flange. Um anel de metal (geralmente aço macio ou aço inoxidável revestido) preenche quaisquer imperfeições na ranhura, criando uma junta monolítica. A vantagem do RTJ é que o próprio corpo do flange não está em contato, a carga é transferida apenas para o anel. Isso permite que a conexão seja desmontada e remontada diversas vezes sem perder a vedação caso os anéis sejam substituídos. A desvantagem é o alto custo dos anéis e a necessidade de usinagem de canais de precisão.

As versões MFM (Thorn-Groove) e TG (Tongue-Groove - Groove-Groove) ocupam uma posição intermediária. Eles são ideais para aplicações de alta pressão onde o uso de juntas macias não é possível, mas o uso de anéis RTJ metálicos é excessivo em custo ou complexidade de instalação. Nestes projetos, a gaxeta é mantida mecanicamente dentro da ranhura, o que evita sua extrusão sob a influência da pressão interna. Recomendamos o uso de MFM para flanges com diâmetro até DN300 e pressões de PN100 a PN160. Uma nuance importante: durante a instalação é necessário controlar rigorosamente o paralelismo dos planos, pois o desalinhamento causará danos às paredes finas da espiga ou ranhura.

A escolha da junta está intimamente ligada ao tipo de superfície. Para RF, são usadas juntas espirais com anel de centralização. Para aplicações de alta pressão, a escolha correta do material de enchimento e revestimento é crítica. A carga de grafite é boa para altas temperaturas, mas sofre oxidação em temperaturas muito altas na presença de ar. O PTFE (Teflon) é quimicamente inerte, mas possui um alto coeficiente de fluência, o que requer aperto regular dos parafusos. Em sistemas com pressões superiores a 150 bar, recomendamos fortemente a utilização de juntas com anel de centragem interno e externo em aço inoxidável para evitar que o enchimento seja destruído por golpe de aríete.

Defeitos de fabricação e controle de qualidade: o que procurar na aceitação

O mercado está inundado de flanges que parecem perfeitos por fora, mas apresentam defeitos ocultos na estrutura metálica. O engano mais comum é usar sucata fundida em vez de aço virgem ou violar o regime de tratamento térmico. É impossível distinguir visualmente tal flange, mas sob carga ele se comporta de maneira imprevisível. Um de nossos clientes se deparou com uma situação em que um lote de flanges de aço 09G2S se desintegrou durante testes hidráulicos. A análise laboratorial mostrou que o fabricante economizou na têmpera e no revenido, o que resultou na dureza do metal abaixo do normal e na estrutura do grão grosseira.

Ao aceitar flanges de alta pressão, solicite um certificado de material Tipo 3.1 de acordo com EN 10204. Este documento confirma que um determinado lote passou em todos os testes necessários e os resultados são registrados. O certificado 2.2 ou a declaração de conformidade do fabricante não são suficientes para pressões superiores a 10 MPa. O certificado 3.1 deve indicar os resultados das análises químicas (todos os elementos, incluindo impurezas nocivas de enxofre e fósforo), os resultados dos testes mecânicos (resistência ao escoamento, resistência à tração, alongamento) e dados de resistência ao impacto à temperatura operacional.

Preste atenção às marcações. De acordo com os padrões ASME e GOST, cada flange de alta pressão deve ser claramente marcado, incluindo: nome do fabricante, classe do material, classe de pressão, tamanho, número térmico e tratamento térmico. A ausência de qualquer um desses elementos é um sinal de alerta. Particularmente importante é o Número de Calor, que permite rastrear a história do metal desde a aciaria até o produto acabado. Se o vendedor não conseguir igualar o número do flange com o número do certificado, recuse a compra. O risco de obter produtos falsificados é muito grande.

Também recomendamos testes ultrassônicos aleatórios (UT) do corpo do flange, especialmente na área de transição do cubo para o anel. Este é um lugar onde o estresse está concentrado. Rachaduras que ocorrem durante o forjamento ou tratamento térmico geralmente ficam escondidas ali. Para objetos críticos (usinas nucleares, gasodutos principais), o controle de dureza em toda a seção transversal é obrigatório. Uma dureza muito alta indica risco de fratura frágil; uma dureza muito baixa indica resistência insuficiente. A faixa ideal de dureza para aços carbono é geralmente 140-190 HB, para aços-liga é maior, dependendo do tipo.

Certificação de logística e importação: EAC, GOST e riscos aduaneiros

A importação de flanges de alta pressão para os países da EAEU exige o cumprimento estrito dos regulamentos técnicos da União Aduaneira (TR CU 032/2013 “Sobre a segurança de equipamentos que operam sob sobrepressão”). Sem a marcação EAC e um certificado de conformidade válido, o desembaraço aduaneiro não é possível e a operação de tais equipamentos é proibida por lei. O processo de obtenção de um certificado pode levar de 2 semanas a 2 meses, dependendo do esquema de certificação. Para entregas em série, é mais lucrativo emitir um certificado para um lote ou produção em série do que receber uma conclusão única para cada remessa.

Ao solicitar flanges da China ou de outros países asiáticos, certifique-se de que o fabricante esteja familiarizado com os requisitos de GOST e TR CU. Muitas fábricas asiáticas produzem produtos estritamente de acordo com ASME ou DIN, cujas dimensões podem diferir do GOST. Por exemplo, a distância centro a centro dos furos (diâmetro do círculo do parafuso) para flanges DIN e GOST do mesmo diâmetro nominal e pressão pode diferir em vários milímetros, o que tornará a instalação impossível sem alterar a peça correspondente. Recomendamos incluir no contrato uma cláusula informando que a geometria está em conformidade com os padrões russos ou fornecer ao fabricante desenhos detalhados com tolerâncias.

A embalagem e a preservação desempenham um papel importante durante o transporte marítimo de longa duração. Os flanges de alta pressão geralmente possuem superfícies de vedação usinadas que enferrujam dentro de duas semanas em um recipiente úmido. Solicite ao fornecedor a aplicação de um composto anticorrosivo e embale cada flange individualmente em filme de polietileno com sílica gel e posteriormente em caixa de madeira. As embalagens de madeira deverão passar por tratamento fitossanitário e possuir carimbo apropriado (IPPC), caso contrário a carga poderá ser rejeitada na alfândega. Em nossa prática, houve casos em que um flange de qualidade ideal chegou com um espelho de vedação corroído devido à embalagem barata, o que exigiu um reescaneamento ou substituição dispendiosa.

O prazo de entrega é outro fator crítico. A produção de flanges forjados de alta pressão é um processo demorado. Inclui aquecimento da peça, forjamento, usinagem, furação, tratamento térmico e acabamento. O tempo padrão de produção de um lote é de 45 a 60 dias. Se um fornecedor promete remessa em 2 semanas, este é um motivo para cautela: muito provavelmente, ele está oferecendo restos de armazém de origem desconhecida ou produtos fabricados em violação à tecnologia (por exemplo, sem tratamento térmico completo). Planeje suas compras com antecedência, levando em consideração o ciclo de produção, para não perder os prazos de instalação.

Perguntas frequentes

Que classe de pressão devo escolher para um sistema com pressão operacional de 80 bar?

Para uma pressão de trabalho de 80 bar (8 MPa), a classe mínima aceitável é PN100 ou ASME Classe 600. Selecionar a Classe 300 (que teoricamente suporta cerca de 50 bar em altas temperaturas) será arriscado e violará os padrões de margem de segurança. Recomendamos a classe 600, pois fornecerá a margem necessária para golpe de aríete e possíveis picos de pressão no sistema. Escolha sempre uma classe que exceda a pressão de trabalho em pelo menos 20-30%.

Os flanges de aço inoxidável 304 podem ser usados ​​em ambientes ácidos?

Não, o aço inoxidável padrão AISI 304 (08Х18Н10) não é adequado para ambientes que contenham sulfeto de hidrogênio (H2S), especialmente sob alta pressão. É suscetível à corrosão sob tensão por sulfeto. Para tais condições, é necessária a utilização de classes de aços especiais que passem nos testes NACE MR0175 / ISO 15156, como aços duplex (2205) ou aços austeníticos com baixo teor de carbono e tratamento térmico especial. Usar aço inoxidável normal resultará em falha repentina e quebradiça.

Qual é a diferença entre um flange GOST e um flange DIN, eles podem ser unidos?

Não é estritamente recomendado unir flanges GOST e DIN diretamente, mesmo que a pressão nominal e o diâmetro sejam iguais. As principais diferenças são o diâmetro do círculo do parafuso (a distância entre os centros dos furos) e o número de furos. Por exemplo, para um flange DN100 PN16 de acordo com GOST e DIN, esses parâmetros podem ser diferentes, o que não permitirá o alinhamento dos furos para os parafusos. Além disso, as dimensões da superfície de vedação podem variar. Use adaptadores apenas em casos extremos e após acordo com o engenheiro-chefe do projeto.

Com que frequência as juntas dos flanges de alta pressão precisam ser substituídas?

A frequência de substituição das juntas não é regulada por um prazo estrito, mas depende das condições de operação. Contudo, as melhores práticas determinam que as juntas nos flanges acima de PN100 devem ser substituídas sempre que a conexão for removida. As juntas em espiral ou metálicas não devem ser reutilizadas, pois já apresentarão deformação permanente e não fornecerão vedação quando reapertadas. Para sistemas com vibração ou ciclagem térmica, recomendamos realizar um aperto de controle dos parafusos 24 horas após a colocação em funcionamento e depois de acordo com o cronograma de manutenção.

Conclusão e recomendações para escolher um fornecedor

A seleção de um flange de alta pressão é um equilíbrio entre custo, segurança e durabilidade. Economizar na classe de pressão, no material ou na qualidade do tratamento da superfície de vedação sempre leva a múltiplas perdas no futuro devido a paradas de emergência e reparos. Um fornecedor confiável não deve apenas vender uma peça, mas fornecer um pacote completo de documentação técnica, incluindo certificados 3.1, certificados de qualidade e garantias de conformidade com o CU TR. Trabalhamos apenas com forjarias comprovadas que controlam todo o ciclo de produção, desde a fusão do aço até a embalagem final.

Se você está planejando comprar um lote de flanges de alta pressão para uma instalação crítica, não arrisque a qualidade. Contate-nos hoje mesmo para obter orientação sobre a seleção de materiais e classes de pressão para suas condições operacionais específicas. Nossos engenheiros irão ajudá-lo a elaborar uma especificação que elimine erros de compatibilidade e organize a entrega de produtos certificados no menor tempo possível.Veja o catálogo de flanges de alta pressãoou solicite uma oferta comercial adaptada às suas necessidades específicas.