Comparação de modelos de análise das normas ASME e EN 1591 para o projeto de flanges com juntas circulares

Abstract

Existem vários métodos analíticos que apresentam modelos para determinar os esforços atuantes no flange em função de uma determinada carga de aperto necessária para vedação da conexão e em função da pressão interna e de outras forças atuantes. Foram selecionados três dos principais métodos analíticos aplicados em projeto de vasos e tubulações industriais: o método atual do ASME baseado nas constantes de gaxeta m e y necessárias para determinar a força de aperto requerida, o novo método proposto para o ASME identificado aqui como o método do PVRC baseado nas novas constantes de gaxeta Gb, a e Gs em substituição as constantes m e y, e o método do Comitê Europeu de Padronização identificado aqui como EN1591. Tanto o método do PVRC quanto o método do EN1591 foram desenvolvidos a partir de um conceito mais atualizado, na qual o valor da força requerida de aperto é determinado em função de uma determinada taxa de vazamento esperada, este conceito é diferente do praticado atualmente pelo método do ASME que não relaciona a força de aperto requerida com o desempenho de estanqueidade. Diferentes considerações de contorno e critérios de cálculo dos três métodos analíticos resultam em diferentes valores de tensão encontrados para o flange, o que pode acarretar em subdimensionamentos para determinadas aplicações. O quanto divergente são estes resultados entre si e com a situação real é o objetivo final deste trabalho que analisou os três métodos analíticos através da avaliação das forças consideradas e das tensões determinadas por cada um dos seus modelos, comparando-os entre si e com os resultados de métodos numéricos mais precisos, sendo que para este trabalho foi considerado o método dos elementos finitos. As forças de projeto dos métodos analíticos aplicadas ao método dos elementos finitos não resultaram em tensões que pudessem causar danos estruturais ao flange, já que as tensões se mantiveram dentro dos limites admissíveis para as diferentes categorias de tensão (primária e secundaria) da norma ASME de Vasos de Pressão. Contudo, foram detectados alguns aspectos dentro de cada um dos modelos analíticos que merecem ser reavaliados e consolidados em outras simulações envolvendo testes práticos de campo para somar a avaliação mecânica a uma avaliação de estanqueidade, pois, mesmo que não haja comprometimento estrutural dos flanges, o nível de deformação ao qual estão sujeitos pode comprometer o desempenho de estanqueidade do conjunto e, portanto, os resultados mecânicos não garantem a plena segurança da conexão, já que além de possuir integridade mecânica devem evitar vazamentos. The existing analytical models determine the applied loads to seal the connection as function of the bolt load, external forces and internal pressure. Three analytical methods were selected to applied in design of industrial pressure vessel and piping: actual method of the ASME with the gasket constants m and y, the new method proposed for ASME described as PVRC method with the new gaskets constants (Gb, a and Gs) and European method EN1591. The PVRC and EN1591 method were based on the new concept where the required operating and seating loads are function of maximum acceptable leak rate, by the way, the actual ASME method do not use this concept, the required forces are not based on a admissible leak rate. Different boundary conditions and criteria of calculation of the three methods obtain different stress values to the flanges that can results in failures to some cases. This work reviews the implications of these methods in design of the bolted flanges through a comparison of considered forces and stresses by this methods and with the results of finite element analysis. The design forces generate by the analytical methods do not cause mechanical damage because the resultants stresses are below of admissible limits for the stress categories (primary and secondary) of the Pressure Vessel ASME code. However, were identified some aspects inside each analytical method that must be reviewed through practical tests to add the results of this mechanical analysis with the sealing analysis, because the strains can to decrease the sealing performance of the connection. The mechanical results do not warranty the safety of the connection.