Quais são os diferentes tipos de flange usados ​​em sistemas de tubulação?

Os flanges estão entre os componentes mais fundamentais em qualquer sistema de tubulação, fornecendo as juntas mecânicas que conectam tubos, válvulas, bombas e equipamentos de uma forma que seja estruturalmente segura e — criticamente — removível para inspeção, manutenção ou modificação. Em indústrias que vão desde petróleo e gás e petroquímica até tratamento de água, farmacêutica e geração de energia, a seleção correta do tipo de flange, classe de pressão, revestimento e material é tão importante quanto a própria especificação do tubo. Um flange incompatível ou com classificação incorreta é um potencial ponto de vazamento, uma falha de conformidade regulatória e, em serviços de alta pressão ou alta temperatura, um sério risco à segurança. Este artigo aborda os principais tipos de flanges usados ​​em sistemas de tubulação, suas características de engenharia, padrões aplicáveis ​​e os critérios práticos que orientam a seleção correta dos flanges.

O que é um flange de tubulação e por que a seleção do tipo é importante?

Um flange de tubulação é um disco, anel ou colar forjado, fundido ou usinado em metal que é preso a uma extremidade de tubo, corpo de válvula ou bocal de equipamento e aparafusado a um flange correspondente para formar uma junta estanque à pressão. A junta é vedada por uma junta comprimida entre as duas faces do flange pela força de fixação dos parafusos. O flange transfere cargas mecânicas entre os elementos conectados – incluindo pressão interna, forças de expansão térmica, cargas de peso e vibração – enquanto permite que a junta seja desmontada sem corte ou soldagem.

A seleção do tipo de flange é importante porque diferentes tipos são adequados para métodos de conexão, condições de serviço de pressão e temperatura fundamentalmente diferentes, espessuras de parede de tubo e facilidade de instalação e desmontagem. Usar um flange deslizante em uma linha de vapor de alta pressão ou um flange de solda em um tubo de grande diâmetro cria incompatibilidades entre a capacidade estrutural do flange e as demandas impostas a ele. As normas vigentes — mais comumente ASME B16.5, ASME B16.47, EN 1092-1 e API 6A — definem requisitos dimensionais, de classe de pressão e de material para cada tipo de flange, e a conformidade com essas normas é obrigatória na maioria dos setores regulamentados.

Os principais tipos de flanges usados em tubulações

Cada tipo de flange possui um método distinto de fixação ao tubo e um conjunto específico de características estruturais. Os sete tipos descritos abaixo cobrem a grande maioria das juntas flangeadas encontradas em sistemas de tubulação industriais e comerciais.

Flange de pescoço soldado

O flange de pescoço soldado é o tipo de flange estruturalmente mais robusto e amplamente especificado para aplicações de serviço cíclico e de alta pressão. Ele apresenta um cubo longo e cônico que transita gradualmente do corpo do flange para a espessura da parede do tubo, distribuindo a tensão uniformemente e minimizando a concentração de tensão na junta de solda. O flange é preso ao tubo por uma solda de topo com penetração total, o que proporciona a integridade da junta mais forte possível e permite o exame radiográfico da solda para verificação da qualidade. Os flanges de pescoço soldado são a especificação padrão em linhas de serviço críticas em petróleo e gás, geração de energia e processamento químico. O seu custo mais elevado e o maior tempo de instalação em comparação com outros tipos são justificados pelo desempenho mecânico superior e pela fiabilidade a longo prazo que proporcionam em condições de serviço exigentes.

Flange deslizante

O flange deslizante desliza sobre a parte externa do tubo e é preso com duas soldas de ângulo – uma na face do cubo e outra na parte traseira do furo do flange. Seu furo é um pouco maior que o diâmetro externo do tubo, permitindo que o tubo seja inserido antes da soldagem, o que simplifica o alinhamento durante a instalação. Os flanges deslizantes têm custo mais baixo e são mais fáceis de instalar do que os flanges com pescoço soldado, o que os torna populares em tubulações de serviços públicos, sistemas de baixa pressão e linhas de serviço não críticas. No entanto, sua resistência estrutural é inferior à dos flanges com pescoço de solda - normalmente avaliada em aproximadamente dois terços do equivalente do pescoço de solda na mesma classe de pressão - porque as soldas de ângulo não proporcionam penetração total na parede do tubo. Eles geralmente são limitados ao serviço ASME Classe 150 e 300 em aplicações não críticas.

Flange de solda de soquete

Os flanges de solda de soquete são usados exclusivamente em tubulações de pequeno diâmetro, normalmente de 2 polegadas (50 mm) de diâmetro nominal e inferior. O tubo é inserido em um encaixe usinado no furo do flange e uma solda de ângulo é aplicada no cubo. Uma pequena folga de aproximadamente 1,6 mm é deixada deliberadamente entre a extremidade do tubo e o ressalto do soquete antes da soldagem para permitir a expansão térmica e evitar rachaduras na solda. Os flanges de solda de encaixe proporcionam um furo interno mais limpo do que os flanges deslizantes para tamanhos de tubos pequenos, o que reduz a turbulência e a erosão em serviços de alta velocidade. Eles são usados ​​em linhas hidráulicas de alta pressão, conexões de instrumentos e tubulações de injeção de produtos químicos onde a integridade de furos pequenos é crítica. Eles não são adequados para serviços de lama ou fluidos corrosivos onde a fenda na abertura entre o encaixe e o tubo pode reter material.

Flange Rosqueada

Os flanges roscados se conectam ao tubo por meio de uma rosca interna cônica ou paralela em vez de soldagem, tornando-os o único tipo de flange comum que não requer soldagem para fixação. Eles são usados ​​em sistemas utilitários de baixa pressão, conexões de instrumentos e aplicações em serviços não perigosos onde a presença de gases inflamáveis ​​ou explosivos torna as operações de soldagem impraticáveis. Os flanges roscados são mecanicamente mais fracos do que os tipos soldados e são suscetíveis a vazamentos sob ciclos térmicos ou vibração, o que afrouxa progressivamente o engate roscado. Muitas especificações proíbem seu uso em serviços acima de 300°F (150°C) ou em serviços de gases e líquidos inflamáveis ​​por esse motivo. Em ambientes onde se aplicam restrições de soldagem, mas é necessária maior integridade, uma configuração soldada com rosca e vedação — aplicando uma solda de vedação sobre a junta roscada — proporciona maior confiabilidade.

Flange cego

Um blind flange is a solid disc with no bore that is used to close off the end of a pipe, nozzle, or vessel opening. It is bolted against a mating flange face with a gasket, creating a fully pressure-rated closure that can be removed when access to the line is required. Blind flanges are used at pipe ends for future expansion connections, at vessel inspection openings, at pressure test points, and as permanent end closures on redundant branch connections. They must be rated to the full system pressure class and are subject to significant bending stress from internal pressure acting on their unsupported face area, which is why blind flange wall thickness increases substantially with larger bore sizes and higher pressure classes.

Flange de junta sobreposta

O flange da junta sobreposta é usado em conjunto com uma conexão de ponta - uma seção curta de tubo com um raio usinado em uma extremidade que fornece a face de vedação. O flange da junta sobreposta desliza livremente sobre a extremidade da ponta e não é soldado ao tubo; em vez disso, a extremidade da ponta é soldada ao tubo e o flange solto encosta no raio da extremidade da ponta. Este arranjo permite que o flange gire livremente em torno do tubo, o que simplifica muito o alinhamento dos furos dos parafusos durante a instalação, especialmente em áreas congestionadas ou onde as conexões do equipamento não estão posicionadas com precisão. Os flanges de junta sobreposta também são economicamente vantajosos em sistemas caros de tubulação de liga porque apenas a extremidade da ponta - o componente em contato com o fluido - precisa ser fabricada a partir do material de liga, enquanto o flange de apoio pode ser de aço carbono padrão.

Flange de Orifício

Os flanges de orifício são uma variante especializada do projeto de pescoço de solda ou flange deslizante que incorpora furos roscados de pressão usinados no corpo do flange em ambos os lados de uma placa de orifício. A placa de orifício – um disco perfurado com precisão – é fixada entre o par de flanges de orifício e cria um diferencial de pressão calibrado à medida que o fluido passa através do furo restrito. Esta pressão diferencial é medida através dos furos de drenagem e usada para calcular a vazão volumétrica ou mássica. Os conjuntos de flange de orifício são uma tecnologia padrão de medição de vazão em aplicações de petróleo e gás, processamento químico e tratamento de água, e seus requisitos dimensionais e de usinagem são especificados na ASME MFC-3M e na ISO 5167.

Comparação de tipos de flange por critérios-chave

A tabela a seguir fornece uma comparação prática dos principais tipos de flanges de acordo com os critérios mais relevantes para decisões de seleção em projetos de tubulações industriais.

Tipos de faces de flange e seu papel na vedação de juntas

A face do flange é a superfície usinada que entra em contato com a gaxeta e cria a vedação de pressão. Selecionar o tipo de face errado para uma determinada condição de serviço ou material de vedação é uma causa comum de vazamento na junta. Cada um dos quatro tipos de faces mais utilizados em tubulações industriais possui mecanismos de vedação e faixas de aplicação distintos.

Face elevada (RF)

A face elevada é o tipo de face de flange mais comum em tubulações de processo e o tipo de face padrão para flanges ASME B16.5 da classe 150 até a classe 2500. A superfície de assentamento é um anel elevado - normalmente com 1,6 mm de altura para classes 150 e 300 e 6,4 mm de altura para classes 600 e superiores - que concentra a força de fixação do parafuso na área da gaxeta. O acabamento superficial padrão para flanges de face elevada é um acabamento serrilhado concêntrico ou espiral com rugosidade de 3,2 a 6,3 µm Ra, que fornece intertravamento mecânico com juntas macias e semimetálicas. Os flanges de face elevada são compatíveis com toda a linha de juntas planas, enroladas em espiral e do tipo anel usadas em serviços de processo geral.

Face plana (FF)

O flange de face plana tem sua superfície de assentamento nivelada com a face do corpo do flange, sem área elevada. Ele é usado no acoplamento com equipamentos flangeados — como válvulas de ferro fundido, bombas e equipamentos não metálicos — onde uma face elevada imporia cargas de flexão desiguais no componente correspondente e correria o risco de quebrá-lo. Os flanges de face plana usam juntas de face completa que se estendem até o círculo do parafuso e além, distribuindo a carga do parafuso por toda a face do flange e evitando a carga na borda que uma junta de anel criaria em um flange correspondente frágil.

Junta tipo anel (RTJ)

Os flanges de junta do tipo anel têm uma ranhura trapezoidal ou oval usinada com precisão na face do flange na qual uma junta de anel de metal sólido - normalmente ferro macio, aço de baixo carbono, aço inoxidável 316 ou Inconel - é assentada. À medida que os parafusos são apertados, a junta do anel é deformada plasticamente na ranhura, criando uma vedação metal com metal de integridade extremamente alta. As juntas RTJ são especificadas para serviços de alta pressão, alta temperatura e gás ácido, onde as demandas de confiabilidade excedem o que as juntas macias ou semimetálicas podem fornecer. Eles são padrão em tubulações de cabeça de poço, submarinas e de processo de alta integridade e exigem usinagem de precisão da ranhura e do anel para atingir seu desempenho nominal.

Língua e Groove (T&G)

Os flanges macho e fêmea são pares acoplados onde uma face do flange tem uma lingueta elevada e a outra tem uma ranhura correspondente usinada na face. A gaxeta assenta inteiramente dentro da ranhura, onde é restringida em todos os lados, evitando a ruptura da gaxeta sob condições de pressão de pico. As juntas T&G proporcionam retenção superior da junta e são usadas em tampas de trocadores de calor, tampas de válvulas e conexões de processo de alta integridade, onde o risco de ruptura da junta deve ser minimizado. Como as duas metades devem ser pares, os flanges macho e fêmea não são intercambiáveis ​​com flanges de face elevada padrão do mesmo tamanho e classe de pressão.

Classes de pressão do flange e o que elas significam

De acordo com ASME B16.5 – o padrão dominante para flanges de tubos na América do Norte e amplamente referenciado internacionalmente – os flanges são designados por classe de pressão: 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500. Esses números de classe não representam uma classificação de pressão fixa; em vez disso, eles definem a classificação de pressão-temperatura do flange, que diminui à medida que a temperatura aumenta devido à redução na resistência ao escoamento do material em temperaturas elevadas.

Por exemplo, um flange Classe 300 em aço carbono ASTM A105 é avaliado em aproximadamente 51,1 bar (740 psi) à temperatura ambiente, mas apenas 14,4 bar (210 psi) a 450°C (850°F). A classe de pressão correta para um determinado serviço deve, portanto, ser selecionada com base na pressão operacional máxima e na temperatura operacional máxima, usando as tabelas de classificação de pressão-temperatura em ASME B16.5 ou as tabelas EN 1092-1 equivalentes para flanges de padrão europeu. Subdimensionar a classe de pressão para a temperatura real de serviço é um dos erros mais importantes na especificação do flange.

Materiais de flange comuns e suas aplicações

A seleção do material do flange deve ser compatível tanto com o fluido do processo quanto com o ambiente externo, e deve manter propriedades mecânicas adequadas em toda a faixa de temperatura operacional.

• UmSTM A105 (Carbon Steel): O material padrão para flanges de aço carbono em serviços de processos gerais até aproximadamente 425°C. Usado em serviços de petróleo e gás, água, vapor e produtos químicos não corrosivos. Baixo custo e amplamente disponível em todas as classes e tipos de pressão.
• UmSTM A182 F316/F316L (Stainless Steel): Usado para serviços químicos corrosivos, aplicações alimentícias e farmacêuticas e ambientes marinhos. O grau 316 oferece boa resistência geral à corrosão; 316L (baixo carbono) é especificado onde a sensibilização do calor da soldagem deve ser evitada.
• UmSTM A182 F11 / F22 (Alloy Steel): Aços de liga de cromo-molibdênio usados em serviços de alta temperatura acima de 425°C na geração de vapor, reformadores e tubulações de aquecedores acionados, onde o aço carbono perde resistência mecânica.
• UmSTM A350 LF2 (Low Temperature Carbon Steel): Aço carbono testado contra impacto para serviços criogênicos e em baixas temperaturas de até -46 °C, usado em instalações de GNL, sistemas de refrigeração e tubulações externas em climas frios.
• Aço Inoxidável Duplex e Super Duplex (F51, F53): Usado em ambientes altamente corrosivos, incluindo serviços de água do mar, tubulações submarinas e fluxos químicos ricos em cloreto, onde os aços inoxidáveis austeníticos padrão sofreriam rachaduras por corrosão sob tensão ou corrosão por pite.

Como escolher o flange certo para o seu sistema de tubulação

A seleção correta do flange requer uma avaliação sistemática de vários parâmetros em combinação, em vez de otimização para qualquer critério único, como custo ou disponibilidade.

• Defina as condições de serviço com precisão: Estabeleça a pressão operacional máxima, a temperatura operacional máxima, a composição do fluido, incluindo quaisquer constituintes corrosivos, e o caráter de carga cíclica ou dinâmica do serviço antes de selecionar qualquer componente do flange.
• Selecione o tipo de flange com base nos requisitos estruturais: Use flanges de pescoço soldado para todas as linhas de serviço de alta pressão, alta temperatura, cíclicas ou perigosas. Use flanges deslizantes apenas em serviços públicos ou de baixa criticidade onde a redução de custos é justificada e a integridade estrutural inferior é aceitável dentro do código aplicável.
• Determine a classe de pressão nas tabelas de classificação PT: Procure a classificação de pressão-temperatura para o material escolhido na ASME B16.5 ou EN 1092-1 na temperatura real de serviço, não na temperatura ambiente. Aplique o fator de segurança apropriado exigido pelo código de projeto aplicável.
• Combine o tipo de face com a seleção da junta e o equipamento correspondente: Use face elevada com juntas em espiral ou anel para serviços de processo geral. Use face plana ao combinar com ferro fundido ou equipamento com flange não metálico. Use RTJ para serviços de alta pressão ou ácidos onde a vedação metal com metal é necessária.
• Verifique a compatibilidade dos materiais: Confirme se o material do flange é compatível com o fluido do processo — considerando corrosão, erosão e fissuração por corrosão sob tensão — e com o ambiente externo, incluindo isolamento sob risco de corrosão do revestimento e compatibilidade com proteção catódica para serviços enterrados ou submersos.

Conclusão

Os flanges para sistemas de tubulação abrangem uma gama muito mais ampla de decisões de engenharia do que seu papel aparentemente simples como conectores de tubos pode sugerir. A escolha entre pescoço de solda, encaixe, solda de encaixe, roscada, cega, junta sobreposta ou flange de orifício determina a integridade estrutural da junta, a facilidade de instalação e manutenção e a adequação da conexão para o ambiente de serviço específico. Combinado com o tipo de face correto para a gaxeta e o equipamento correspondente, a classe de pressão apropriada para a temperatura operacional e uma especificação de material compatível com o fluido do processo e as condições ambientais, a seleção correta do flange garante um sistema de tubulação que funciona de forma segura e confiável durante toda a sua vida útil de projeto, sem carga de manutenção desnecessária ou risco de falha.