Projeto de vedação com anel O, Parte 2: Vedações radiais para pressão externa

Figura 1. Um anel de vedação é mostrado em um sulco radial com a tampa de extremidade fixada. Observe o uso de um anel de apoio e chanfros de entrada. (Imagem cedida pela Parker Hannifin, adaptada pelo autor para este artigo)

A principal tarefa dos engenheiros navais é manter a água do lado de fora. Uma ruptura no casco pode arruinar um bom dia no mar.

Nossa discussão sobre o projeto de vedações de anel o começou com uma análise de vedações faciais no Marine Technology Reporter, edição de janeiro/fevereiro de 2026, páginas 20-23 .

Há informações básicas e contexto importantes nesse artigo que se relacionam bastante com este, mas que não são repetidas integralmente aqui. Para resumir esses conceitos básicos:

• Não existe melhor referência para o projeto de vedações com anéis de vedação do que o Manual de Anéis de Vedação da Parker (ORD-5700). Um PDF está disponível para download gratuito (veja "Citações" abaixo). É leitura obrigatória para engenheiros oceânicos e contém muito mais detalhes do que qualquer artigo pode apresentar.
• O anel de vedação cria uma barreira ao fluxo de fluido. O conjunto de vedação com anel de vedação consiste em um anel de vedação encaixado em uma ranhura.
• Os lubrificantes de montagem devem sempre ser usados com moderação. Eles servem para diminuir o atrito e permitir que o anel de vedação responda à pressão e se mova dentro da ranhura.
• A principal causa de falha dos anéis de vedação é a extrusão através de uma folga.
• Uma vedação radial requer uma folga para auxiliar na montagem, algo que o projeto de vedação frontal não exige.

Uma vedação radial é escolhida quando: 1) há área de flange limitada para uma vedação frontal e parafusos de retenção da tampa final, ou 2) como uma vedação de apoio secundária para uma vedação frontal primária.   Ocasionalmente, são utilizadas duas vedações radiais. A primeira vedação a receber pressão é a primária. A segunda vedação a receber pressão, em caso de falha da primária, é a secundária.

Alongamento do anel de vedação : Se o sulco ideal para o projeto estiver entre dois tamanhos de anel de vedação, você pode alongar o anel menor para que se ajuste ao sulco maior. Você pode aumentar o tamanho de um anel menor, mas não pode diminuir o tamanho de um anel maior. Quando um anel de vedação é alongado durante a instalação no sulco, sua seção transversal é achatada. Acima de 2-3% de alongamento, a profundidade do sulco deve ser reduzida para manter a compressão necessária. A Parker recomenda não alongar o anel de vedação em mais de 5%, pois isso reduz sua vida útil. (Ref.: Parker ORD 5700, Seção 3.5, “Alongamento”).

A expansão temporária do diâmetro interno para alcançar a ranhura durante a montagem normalmente não excede 25-50%.

Dureza : Um anel de vedação com dureza maior oferece melhor resistência à extrusão. Anéis de vedação com dureza menor são mais tolerantes a imperfeições na superfície. O uso de um anel de vedação com dureza 70 e um anel de reforço com dureza 90 proporciona o melhor dos dois mundos.

Ranhura externa versus ranhura interna : Uma ranhura para anel de vedação no diâmetro externo de um plugue é considerada uma ranhura "macho". Elas são muito mais fáceis de usinar, anodizar, limpar, montar e inspecionar. Uma ranhura na parte interna de uma tampa de acoplamento é considerada uma ranhura "fêmea". Estas são muito menos comuns.

Abordagem de projeto

Figura 2. A sequência de projeto da vedação radial é mostrada: 1) determinar a folga, 2) determinar o diâmetro interno do tubo, 3) com esses dois valores, calcular o diâmetro externo do plugue. (Imagens cedidas pela Parker Seal Company, adaptadas pelo autor para este artigo.)

Consultando a Figura 2: A sequência de projeto da vedação radial é:

• Utilizando as tabelas de projeto de vedação radial com anel de vedação Parker (ORD 5700, Seção 4.2, Tabela de Projeto 4-1) e o gráfico de Limites de Extrusão (ver Figura 4), determine a folga máxima permitida. Os gráficos mostram valores “diametral” ou “radial”, portanto, esteja ciente disso ao aplicar os números ao “diâmetro” (diametral) ou à “folga” (radial = ½ diametral).
• Determine a quantidade mínima de material que pode ser removida do diâmetro interno do tubo para produzir um furo circular. Remover material em excesso enfraquece a carcaça pressurizada.
• Subtraia (2 x folga) da dimensão do furo. Este é o diâmetro externo do bujão. Se estiver usando alumínio que será anodizado, ajuste as dimensões para permitir o crescimento da superfície (consulte "Anodização" abaixo).

Selecionando a folga : Ao projetar o bujão e o furo de acoplamento, utilize a especificação da Parker para definir o diâmetro externo do bujão e o diâmetro interno do furo. (Ref. Parker ORD 5700, Tabela de Projeto 4-1).

Existem algumas desvantagens:

Quanto maior a seção transversal do anel de vedação, maior a folga permitida.

Quanto menor a seção transversal do anel de vedação, menor a força de compressão necessária, facilitando a montagem.

A escolha de uma folga pequena exige usinagem mais precisa.

Para um anel de vedação típico com seção transversal de 0,070”, é permitida uma folga diametral de 0,002” a 0,005”. Isso significa uma folga radial máxima em um dos lados de 0,0025”.

Anel de apoio: Recomendo sempre usar um anel de apoio com um anel de vedação radial. Eles são baratos, ocupam pouco espaço e são projetados para evitar a extrusão do anel de vedação. (Veja a nota 4 acima.)

Coloque o anel de apoio no lado de baixa pressão do anel de vedação. O anel de vedação é o primeiro a sentir a pressão. O anel de apoio funciona como uma luva de beisebol, uma proteção para o anel de vedação.

Figura 3. A principal condição de falha de um anel de vedação é a extrusão para dentro de uma folga (esquerda). Um anel de reforço (direita), feito de um material com dureza maior, atua como um dispositivo anti-extrusão. (Imagens cedidas pela Parker Hannifin, adaptadas pelo autor para este artigo.)

Prefiro usar os anéis de apoio Parker Parbak de Buna-N com dureza 90 caso precise esticar o anel de vedação para ajustar a uma ranhura ligeiramente maior. Também gosto do fato de serem uma peça única e contínua. Os anéis de apoio de Teflon cortados por bisel não têm essa capacidade de esticar e deixam uma folga indesejável entre as extremidades se a distância entre os centros for muito grande.

Um único anel de apoio é suficiente quando a pressão é aplicada de um lado, geralmente o caso em instrumentação submersa. Se a pressão for imposta alternadamente em ambos os lados de um anel de vedação, como em um sistema com compensação de pressão, recomenda-se o uso de dois anéis de apoio, um em cada lado do anel de vedação. (Ref: Parker ORD-5700, Seção 6)

Os códigos de peça da Parbak começam com um "8-" seguido do número de três dígitos do anel de vedação. Por exemplo, um anel de vedação 2-018 utiliza um anel de apoio Parbak 8-018. Faz todo o sentido.

Utilize as curvas de Limites de Extrusão para Anéis O da Parker (ORD-5700, Seção 3.1.4, Figura 3.2) para confirmar a utilidade dos anéis de apoio. (Veja a Figura 4.) Em vedações de baixa pressão, as curvas indicarão folgas permitidas maiores do que as indicadas nas tabelas básicas de projeto de vedação radial. Em aplicações de alta pressão, as curvas indicarão se a adição de um anel Parbak permitirá o uso de dimensões de ranhura padrão de catálogo ou melhores. As dimensões na tabela referem-se a “folgas radiais”, portanto, dobre-as para obter “folgas diametrais”.

Figura 4. “Embora baseada em dados obtidos de anéis de vedação, a curva de 90 durômetros também pode ser um guia útil para o desempenho de anéis de apoio.” (ORD-5700, Seção 3.1.4, Figura 3.2.) (Imagem e texto cedidos pela Parker Hannifin.)

É sempre preferível construir um protótipo para testes de pressão, a fim de confirmar todos os aspectos do projeto. Um dos meus mentores de engenharia, o Dr. Frank Snodgrass, transmitiu-me uma sábia máxima: "A natureza sempre favorece a falha oculta".

Acabamento da Superfície : Como regra geral, os valores de rugosidade superficial nas superfícies de vedação não devem exceder 32 rms. (Veja a Figura 5.) Também é uma boa prática usinar as superfícies torneando a peça em um torno ou utilizando uma ferramenta de faceamento que produza um padrão circular que siga a direção do sulco. Essa especificação geralmente é mostrada no desenho técnico como um círculo em forma de C. Uma peça usinada com uma fresa de topo ou tupia pode produzir micro-sulcos que cortam o anel de vedação, o que pode ser problemático, pois causa rebaixamento do anel de vedação em toda a sua largura. Esse acabamento precisa ser inspecionado cuidadosamente.

Figura 5. São descritos os acabamentos superficiais recomendados para a ranhura do anel de vedação. As superfícies de vedação primárias que requerem acabamentos mais lisos são a superior e a inferior, como mostrado aqui. A frente e o verso da ranhura podem ser mais ásperos. O ângulo de inclinação da ranhura, de 0 a 5°, geralmente fica a critério do operador de máquina. Na minha oficina, normalmente usamos 0°. (Imagem cedida pela Parker Hannifin, adaptada pelo autor para este artigo.)

Anodização: A anodização do alumínio é um revestimento cerâmico obtido pela oxidação do material da superfície. Ela aumenta a espessura da camada superficial em metade da espessura especificada. Geralmente, especifico uma espessura de 0,002”, onde 0,001” penetra no material base e 0,001” se expande para fora. Isso altera as dimensões da peça final. Levar em consideração essa variação é muito importante quando as folgas diametrais para vedações radiais são muito pequenas. Os diâmetros externos aumentam em 0,002”, os diâmetros internos diminuem em 0,002”, a profundidade dos sulcos permanece a mesma, pois a parte inferior e superior se expandem para fora na mesma direção, os sulcos ficam mais estreitos, enquanto algumas dimensões, como o diâmetro externo e o comprimento do tubo, aumentam, mas isso não afeta as dimensões da peça final. Ajuste as dimensões relevantes da peça no desenho antes de enviá-lo para o operador de máquina.

Chanfros de entrada : Um chanfro de entrada de 10 a 20 graus na entrada do cilindro, para comprimir o anel de vedação, simplificará a montagem. O diâmetro externo do chanfro é ligeiramente maior que o diâmetro externo do anel de vedação. Arredonde os cantos do chanfro para remover as arestas vivas que podem causar danos acidentais ao anel de vedação. Também aplico um chanfro na borda de ataque do pistão para auxiliar no alinhamento e centralização do plugue no cilindro durante a montagem. Arredonde também os cantos vivos para remover qualquer aresta viva que possa danificar as superfícies de vedação do cilindro. Isso também proporcionará um melhor acabamento de anodização.

Cuidado na montagem : Trate as vedações de anel de vedação abertas com o mesmo cuidado que uma ferida aberta. A limpeza e o manuseio cuidadoso das vedações e das superfícies de vedação são vitais.

Notas adicionais:

• A equipe do Departamento de Engenharia de Aplicação da Parker está disponível para analisar seu projeto, incluindo temperaturas, pressões, projeto de ranhura (prensa-cabo), torque de aperto dos parafusos, acabamento superficial, etc. Eles oferecerão ideias de projeto alternativas, caso seja útil. A Divisão de Anéis O-Ring e Vedações de Engenharia da Parker está localizada em Lexington, KY, EUA, Telefone: 1-(859) 269-2351, Fax: 1-(859) 335-5128, www.parkerorings.com .
• O uso do software gratuito "Under Pressure" da DeepSea Power & Light auxiliará o engenheiro na determinação das dimensões ideais da caixa de pressão e da tampa final. É muito útil para simulações de variações hipotéticas. O programa pode ser baixado gratuitamente em https://www.deepsea.com/under-pressure-design-software .

Agradecimentos

O autor agradece ao torneiro mecânico da Scripps, Mert Ingraham, que compartilhou comigo as diretrizes de projeto de anéis de vedação da década de 1960, desenvolvidas quando a Scripps ainda era mais jovem. Ainda tenho essas anotações em minha cópia do manual ORD-5700. Quando tolerâncias rigorosas eram necessárias, dizíamos "um ajuste Mert".

Citações

Parker Hannifin Corp., ORD-5700, Edição de ^50º Aniversário, 2021   https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/O-Ring-Division-Literature/ORD-5700.pdf

Flitney, Robert, Manual de Selos e Vedação, Sexta Edição, Elsevier, 2014

“Lander Lab” é uma coluna prática sobre tecnologias e estratégias de pouso oceânico, uma classe única de veículos submarinos não tripulados, e as pessoas que os criam. Seu objetivo é servir à comunidade global de pouso oceânico, à semelhança da revista Make Magazine e outras comunidades do tipo “faça você mesmo”.

Comentários sobre este artigo ou sugestões de outras histórias de interesse são bem-vindos. Grupos de pouso oceânico são encorajados a escrever sobre seu trabalho. Sinta-se à vontade para entrar em contato com Kevin Hardy pelo e-mail [email protected] .

Obrigado pela leitura.