Flange de face elevada versus face plana: quais são as principais diferenças e como escolher o correto?

Por que o tipo de face do flange é importante no projeto de sistemas de tubulação

Em qualquer sistema de tubulação – seja no processamento de petróleo e gás, fábricas de produtos químicos, instalações de tratamento de água ou geração de energia – os flanges são os conectores mecânicos que unem seções de tubulação, válvulas, bombas e equipamentos para formar um caminho de fluido completo e livre de vazamentos. Embora os engenheiros muitas vezes se concentrem no material do flange, na classe de pressão e no tamanho do furo ao especificar as conexões, o tipo de face do flange é igualmente crítico e frequentemente mal compreendido. A face é a superfície de contato do flange – a área que é comprimida contra uma gaxeta para criar a vedação. Dois dos tipos de face mais comuns em uso industrial são a face elevada (RF) e a face plana (FF) e, embora possam parecer semelhantes ao olho destreinado, suas diferenças em geometria, mecanismo de vedação, capacidade de pressão e adequação à aplicação são significativas o suficiente para que o uso do tipo errado em um determinado sistema possa resultar em falha da gaxeta, vazamento na junta, danos ao equipamento ou sérios incidentes de segurança.

Compreender exatamente como os flanges de face elevada e de face plana diferem — e sob quais condições cada um deve ser especificado — é o conhecimento prático que os engenheiros de tubulação, especialistas em compras e técnicos de manutenção precisam para tomar decisões corretas tanto na fase de projeto quanto durante o trabalho de instalação e substituição em campo.

O que é um flange de face elevada

Um flange de face elevada apresenta uma superfície de vedação elevada e circular que se projeta acima da face circular do parafuso do corpo do flange. Essa parte elevada — normalmente elevada em 1,6 mm (1/16 pol.) para flanges Classe 150 e Classe 300 e em 6,4 mm (1/4 pol.) para Classe 400 e classes de pressão superiores de acordo com ASME B16.5 — concentra a carga do parafuso em uma área de contato menor. Como a força de fixação dos parafusos é aplicada sobre uma área de superfície reduzida, e não sobre toda a face do flange, a tensão de contato na gaxeta é substancialmente maior para um determinado torque do parafuso. Essa tensão elevada na junta é o que cria uma vedação firme e confiável, mesmo sob condições operacionais de alta pressão.

A superfície da face elevada normalmente é acabada com um acabamento de superfície específico - geralmente um acabamento serrilhado em espiral ou serrilhado concêntrico de 125–250 AARH (altura média aritmética de rugosidade) - que intertrava mecanicamente com o material da gaxeta durante a compressão, melhorando ainda mais o desempenho da vedação e evitando a ruptura da gaxeta sob picos de pressão. Os flanges de face elevada são o tipo de face padrão especificado pela ASME B16.5 para flanges de aço na maioria das aplicações industriais e são compatíveis com uma ampla gama de materiais de gaxetas, incluindo gaxetas enroladas em espiral, juntas tipo anel e várias gaxetas de folhas de materiais macios.

O que é um flange de face plana

Um flange de face plana possui uma superfície de vedação nivelada e contínua em toda a face do flange, desde o furo até a borda externa dos furos dos parafusos. Não há superfície de assentamento elevada – a junta entra em contato com toda a face do flange, incluindo a área ao redor dos furos dos parafusos. Este projeto de contato de face total distribui a carga do parafuso por uma área muito maior, resultando em menor tensão de contato da junta em comparação com um flange de face elevada apertado com o mesmo torque do parafuso.

Os flanges de face plana são obrigatórios em aplicações específicas — principalmente ao conectar equipamentos flangeados feitos de ferro fundido, ferro dúctil ou outros materiais frágeis. Os flanges de ferro fundido são fabricados com face plana como padrão e isso não é simplesmente uma questão de convenção. Se um flange de aço com face elevada for aparafusado contra um flange de ferro fundido com face plana, a carga do parafuso se concentrará apenas na parte elevada do flange de aço, criando um momento fletor desigual através da face do flange de ferro fundido. Esta tensão de flexão pode quebrar o flange de ferro fundido – um modo de falha que é especialmente perigoso em sistemas que transportam fluidos quentes ou produtos químicos perigosos. O uso de juntas de face inteira e flanges de face plana distribui a carga uniformemente, protegendo o componente frágil dessa tensão de flexão.

Comparação direta: flanges de face elevada e face plana

A tabela abaixo resume as diferenças mais importantes entre flanges de face elevada e de face plana nos principais parâmetros técnicos e de aplicação:

Seleção de juntas: como o tipo de face determina o design da junta

A relação entre o tipo de face do flange e a seleção da gaxeta não é opcional — é uma dependência direta da engenharia. Usar o tipo de junta errado com uma determinada configuração de face do flange resultará em tensão de vedação inadequada, extrusão da junta ou danos mecânicos ao flange ou ao equipamento correspondente.

Juntas para flanges de face elevada

Os flanges de face elevada usam juntas tipo anel que ficam dentro da área de assentamento elevada, entre o furo e a borda interna do círculo do parafuso. Os tipos comuns de gaxetas para aplicações de face elevada incluem gaxetas enroladas em espiral com um anel de centralização externo (que evita que a gaxeta seja deslocada durante o aparafusamento), gaxetas de anel de metal sólido para aplicações de pressão muito alta e gaxetas de folha de fibra sem amianto comprimida (CNAF) cortadas nas dimensões do anel para serviços de baixa pressão e temperatura mais baixa. O anel de centralização nas juntas enroladas em espiral é projetado especificamente para se ajustar ao diâmetro externo da face elevada, garantindo o posicionamento preciso da junta e evitando a compressão excessiva do enrolamento.

Juntas para flanges de face plana

Os flanges de face plana requerem juntas de face completa que se estendem por toda a face do flange, com furos para parafusos perfurados no material da junta para corresponder ao círculo do parafuso do flange. Este projeto de face inteira é essencial – ele garante que a carga do parafuso seja distribuída uniformemente por toda a face, evitando os momentos de flexão que ocorreriam se apenas uma junta de anel fosse usada. As juntas de face inteira são normalmente feitas de materiais mais macios e compressíveis, como borracha (EPDM, neoprene, nitrila), PTFE ou folha de fibra comprimida, que podem atingir tensão de vedação adequada nas pressões de contato mais baixas disponíveis em conexões de face plana. O material deve ser macio o suficiente para vedar com cargas baixas nos parafusos, mas durável o suficiente para resistir ao fluido do processo, à temperatura e ao relaxamento mecânico ao longo do tempo.

Ambientes de aplicação onde cada tipo de rosto é especificado

A seleção entre flanges de face elevada e face plana é amplamente determinada pelo ambiente de aplicação – o serviço do fluido, as condições de pressão e temperatura e os materiais do equipamento de conexão. A compreensão desses contextos de aplicação torna as decisões de seleção simples na maioria dos casos.

• Tubulação de vapor e processo de alta pressão: Flanges de face elevada com juntas em espiral são a especificação padrão para linhas de vapor, tubulações de processo de hidrocarbonetos e serviços de alta temperatura em refinarias e fábricas de produtos químicos. A tensão de vedação concentrada do projeto de RF é essencial para manter a integridade da junta sob ciclos térmicos e flutuações de pressão.
• Conexões para bombas e válvulas de ferro fundido: Flanges de face plana com juntas de face completa são obrigatórios ao conectar tubulações de aço a carcaças de bombas de ferro fundido, corpos de válvulas ou outros equipamentos frágeis. Esta é uma das regras mais frequentemente violadas em instalações de campo, onde os trabalhadores aparafusam por engano flanges RF de aço padrão diretamente em equipamentos de ferro fundido, sem converter para juntas de face plana e de face inteira.
• Serviços públicos de água e baixa pressão: Flanges de face plana são comuns em sistemas de abastecimento de água, HVAC e utilidades de baixa pressão, onde o equipamento conectado é de ferro fundido ou ferro dúctil e as pressões operacionais permanecem abaixo dos limites da Classe 150. Esses sistemas normalmente usam juntas de borracha de face inteira que fornecem vedação confiável com cargas modestas nos parafusos.
• Sistemas de tubulação de plástico reforçado com fibra de vidro (FRP): Os flanges FRP são fabricados com face plana e exigem flanges de face plana e juntas de face inteira pelo mesmo motivo que o ferro fundido - o material é frágil e não pode suportar a tensão de flexão imposta por uma conexão de face elevada sem risco de rachaduras ou delaminação.
• Aplicações submarinas e de alta integridade: Os flanges de face elevada e, nos casos mais exigentes, os flanges de junta tipo anel (RTJ), são especificados para tubulações submarinas e outros sistemas críticos de alta integridade contendo pressão, onde as consequências do vazamento são graves e o acesso frequente para manutenção não é possível.

Erros comuns de instalação e como evitá-los

A aplicação incorreta dos tipos de face do flange é uma das causas mais comuns de vazamento nas juntas do flange e danos ao equipamento em instalações industriais. Muitos desses erros ocorrem durante trabalhos de manutenção e expansão, quando novas tubulações de aço são conectadas a equipamentos de ferro fundido existentes sem a devida atenção à compatibilidade do tipo de face. A seguir estão os erros encontrados com mais frequência e as práticas corretas que os evitam.

• Aparafusando flanges de aço RF em equipamentos de ferro fundido FF: Esta é a aplicação errada mais perigosa. A solução correta é especificar o flange de aço de conexão como face plana ou — se o flange de aço já tiver sido entregue como face elevada — usinar a face elevada até a face plana antes da instalação. Nunca use uma junta de anel nesta configuração, pois ela não distribuirá a carga adequadamente pela face do ferro fundido.
• Usando juntas de anel em flanges de face plana: A instalação de uma junta de anel entre dois flanges de face plana deixa a área externa do furo do parafuso sem suporte, permitindo que os flanges se curvem para dentro sob a carga do parafuso. Isto distorce a superfície de vedação, concentra a tensão na borda interna e quase sempre resulta em vazamento. Sempre use juntas de face completa com flanges de face plana.
• Torque de parafuso incorreto para tipo de face: Como os flanges de face elevada e de face plana têm diferentes áreas efetivas de assentamento da junta, o torque do parafuso necessário para atingir a tensão adequada na junta difere entre as duas configurações, mesmo na mesma classe de pressão e tamanho de flange. Sempre use os valores de torque calculados para o tipo de face específico, material da junta e dimensões da junta — e não tabelas genéricas de torque de parafuso que não levam em conta essas variáveis.
• Negligenciar a inspeção de acabamento superficial: A superfície de assentamento da face elevada deve ser inspecionada antes da instalação da junta quanto a arranhões radiais, corrosão ou danos por corrosão que possam fornecer caminhos de vazamento através da junta. Danos que percorrem radialmente a superfície de assentamento — perpendicularmente à direção de vedação — são particularmente graves e normalmente requerem usinagem da face do flange ou substituição do flange antes da remontagem.

Fazendo a escolha certa para o seu sistema de tubulação

A decisão entre rosto levantado e flanges de face plana não é uma questão de preferência — é um requisito de engenharia determinado pelos materiais, classe de pressão, serviço de fluido e equipamento envolvido em cada conexão específica. Na maioria dos sistemas industriais de tubulação de aço que operam acima de baixa pressão, os flanges de face elevada com juntas em espiral representam a especificação padrão correta e comprovada. Para qualquer conexão que envolva ferro fundido, ferro dúctil, FRP ou outros componentes flangeados frágeis, os flanges de face plana com juntas de face completa não são negociáveis ​​tanto do ponto de vista de integridade mecânica quanto de segurança.

Em caso de dúvida durante a fase de projeto ou aquisição, consulte as especificações de flange do fabricante do equipamento e o padrão de tubulação aplicável — ASME B16.5 para flanges de aço, ASME B16.1 ou B16.42 para flanges de ferro fundido e ferro dúctil e ASME B16.21 para dimensões de gaxetas. Esses padrões fornecem orientação definitiva sobre compatibilidade de tipo de face e seleção de gaxetas para cada combinação de classe de flange e material, e aderi-los é a maneira mais confiável de garantir a integridade da junta a longo prazo em toda a gama de condições operacionais que seu sistema encontrará.