Projeto de Produto — Projeto de Vedação Estática

O cerne do projeto de vedação é garantir que, por meio dos efeitos combinados de estrutura, tolerâncias, materiais e outros fatores, o produto bloquee todos os caminhos de vazamento ao longo de toda a sua vida útil.

Se você verificar a vedação apenas quando estiver totalmente nova e ignorar aspectos como as tolerâncias do anel de vedação, as tolerâncias das peças ou o desempenho da vedação após o envelhecimento, é provável que ocorram vazamentos posteriormente. Esses fatores devem ser considerados desde o início do projeto.

Informações públicas classificam as vedações em vedações estáticas e vedações dinâmicas (conforme haja ou não movimento relativo entre a vedação e as peças durante seu funcionamento). O foco do projeto é muito distinto em cada caso. Este artigo aborda exclusivamente as vedações estáticas.

Conteúdo

1. Princípio de vedação e modos de falha

2. Projeto da estrutura do anel de vedação

1. Modos de falha em diferentes estados

2. Pressão de contato e comprimento de contato sob LMC

3. Taxa de preenchimento e tensão local sob MMC

3. Resistência climática dos anéis de vedação

1. Definição de deformação permanente por compressão

2. Como o Achatamento por Compressão se Relaciona com a Pressão (Taxa de Compressão), Temperatura e Tempo de Envelhecimento

3. Método Rápido de Avaliação Após o Envelhecimento

4. Escopo deste Artigo e Tópicos Futuros

1. Princípio de vedação e modos de falha

Um produto forma uma vedação porque o elastômero (anel de vedação) é comprimido contra a superfície de contato, impedindo a passagem de gás ou líquido.

Do ponto de vista do caminho de vazamento, a falha de vedação apresenta duas formas principais:

• Vazamento na interface: ocorre entre o anel de vedação e a superfície de contato quando o ajuste não é suficientemente adequado. O fluido escoa ao longo da interface ou da folga.

• Permeação pelo material: moléculas de gás ou líquido atravessam o próprio material de borracha ou plástico em nível molecular.

Na engenharia prática, o ensaio de bolhas sob pressão positiva normalmente detecta com maior facilidade vazamentos grandes na interface. Já a falha de isolamento após imersão é mais indicada para avaliar se o produto como um todo apresenta vazamento no nível do sistema.

Observação importante: os resultados dos testes não indicam automaticamente o mecanismo exato de falha. Por exemplo, um produto pode não apresentar bolhas sob pressão positiva, mas falhar na isolação sob pressão negativa. Isso não comprova que se trate de permeação do material — pode ainda ser uma fuga na interface, defeitos locais na junta de vedação ou outro caminho.

2. Projeto da estrutura do anel de vedação

Todos os guias de projeto públicos enfatizam que, ao projetar uma junta de vedação, é necessário considerar em conjunto a quantidade de compressão, o preenchimento da ranhura, o estado de alongamento/instalação, o acabamento superficial e as tolerâncias. Pouca compressão significa contato inadequado; compressão excessiva pode acelerar a deformação permanente, tornar a força de montagem muito elevada ou causar danos locais.

Para projeto de engenharia, é possível utilizar a análise por elementos finitos (FEA) para simular a junta de vedação sob alongamento, montagem, etc., e avaliar sua confiabilidade com base em parâmetros-chave. Os itens importantes para revisão encontram-se listados abaixo.

Observação: esses valores são indicadores indiretos de engenharia, não medições diretas do vazamento em si.

1. Modos de falha em diferentes estados

Durante a revisão da estrutura, verifique inicialmente se modos de falha evidentes aparecem sob diferentes combinações de dimensões e estados de montagem, tais como:

• Colapso do lábio de vedação

• Enrolamento ou pinçamento

• Extrusão local

• Evidência clara de concentração anormal de tensões

Esta etapa indica se a vedação ainda se encontra em condições normais de funcionamento. Mesmo que a taxa nominal de compressão pareça adequada, se o lábio de vedação colapsar ou dobrar sob montagem extrema, a confiabilidade ainda pode diminuir.

2. Pressão de contato e comprimento de contato sob LMC (Condição de Mínimo Material)

Para vedações estáticas, a LMC (dimensão do anel de vedação no limite inferior da tolerância, folga da ranhura no limite superior da tolerância) é frequentemente o ponto mais crítico, pois essa combinação torna mais provável a redução da pressão de contato e do comprimento de contato.

No campo do conector, a experiência mostra que, para a borracha de silicone, o projeto inicial deve visar uma pressão positiva >500 kPa e um comprimento de contato >0,6 mm. Este é um valor de referência capaz de garantir estanqueidade ao ar de 28 kPa após 1008 h a 125 °C (equivalente aproximadamente a uma profundidade de 3 m de água).

Observações adicionais:

① Se necessário, considere também a deformação das peças acopladas sob carga.

② A pressão e o comprimento de contato são verificações em nível macroscópico; em nível microscópico, ainda é necessário considerar canais de vazamento formados pela rugosidade superficial.

3. Taxa de Preenchimento e Tensão Local sob MMC (Condição de Máximo Material)

Sob MMC, o anel de vedação tem maior probabilidade de sofrer compressão excessiva. Concentre-se em:

• Se a taxa de preenchimento da seção transversal está muito alta (deve permanecer abaixo de 100%).

• Se a tensão local excede a capacidade do material (deve permanecer abaixo da resistência à tração da borracha) e apresenta tendência à esmagamento.

• Se há risco de extrusão.

3. Resistência climática dos anéis de vedação

A primeira parte abordou o desempenho do anel de vedação quando novo, e a análise por elementos finitos (FEA) pode fornecer resultados bastante precisos para esse caso.

No entanto, os materiais de borracha sofrem deformação permanente por compressão, relaxamento de tensão, envelhecimento térmico e redução de propriedades ao longo do tempo, de modo que a interface de vedação perde gradualmente sua força de contato original.

Aprovar os testes iniciais não significa que o componente continuará confiável no fim de sua vida útil. É necessário considerar os fatores de envelhecimento desde o início do projeto.

1. Definição de deformação permanente por compressão

A deformação permanente por compressão é um índice-chave para avaliar quão bem a borracha mantém sua elasticidade após compressão prolongada.

Isso significa que, após o anel de vedação ter sido comprimido e envelhecido por um longo período, ao se remover a pressão ele não consegue retornar totalmente à sua forma original. Quanto maior a deformação permanente por compressão, pior será sua capacidade de recuperação e maior o risco de perda de contato efetivo de vedação no fim da vida útil.

(O artigo apresenta aqui um diagrama da deformação permanente por compressão.)

(O artigo mostra o dispositivo padrão da indústria para ensaio de deformação permanente de anéis de vedação — um bloco de borracha de tamanho padrão colocado entre placas.)

2. Como o Achatamento por Compressão se Relaciona com a Pressão (Taxa de Compressão), Temperatura e Tempo de Envelhecimento

Qualitativamente, os três principais fatores são pressão (taxa de compressão), temperatura e tempo.

(O artigo mostra um gráfico da deformação permanente da borracha de silicone VMQ em função da taxa de compressão. Para o VMQ, uma compressão muito baixa ou muito alta não é a ideal para desempenho a longo prazo.)

(Observação: Quando a compressão é muito leve, o valor percentual da deformação permanente pode parecer muito elevado.)

(O artigo mostra gráficos da deformação permanente após envelhecimento a diferentes temperaturas — temperaturas mais altas prejudicam a recuperação.)

(O artigo mostra a vida útil aproximada de diferentes materiais de vedação em várias temperaturas — apenas para referência.)

(O artigo mostra um gráfico da deformação permanente da borracha NBR em função do tempo de envelhecimento.)

3. Método Rápido de Avaliação Após o Envelhecimento

Na prática de engenharia, é possível inserir o valor envelhecido do esforço residual de compressão novamente no projeto inicial para verificar rapidamente se há margem suficiente e avaliar o risco de falha ao final da vida útil.

Exemplo: Se a taxa de compressão inicial do projeto for de 10%, mas após 1008 h a 125 °C o esforço residual de compressão atingir 17%, então, após o envelhecimento, é muito provável que a vedação falhe. Você deve aumentar a taxa de compressão inicial ou escolher uma borracha com melhor desempenho quanto ao esforço residual de compressão.

Observação: Este método é adequado para verificações rápidas ou avaliação de tendências, não para previsão direta da taxa final de vazamento.

4. Escopo deste Artigo e Tópicos Futuros

Este artigo apresenta um quadro qualitativo para o projeto de vedação, mas ainda não aborda diversos temas, tais como a relação entre rugosidade superficial e vedação, o efeito da baixa temperatura no desempenho da vedação, métodos quantitativos para a taxa de vazamento e a construção de modelos de ajuste entre temperatura e envelhecimento.

Referências

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H et al. Previsão da vida útil da borracha nitrílica sob tensão de compressão em óleo isolante de transformador[C]//Anais da 5ª Conferência Internacional de 2016 sobre Medição, Instrumentação e Automação (ICMIA 2016). Paris: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.