No campo da fixação de alta pressão, é importante entender a dinâmica e o comportamento dos sistemas de fixação sob carga e como o engate da rosca é perigosamente comprometido pelo superdimensionamento da porca.
Conforme discutido em um artigo anteriorO rosqueamento excessivo (também chamado de superdimensionamento) é uma prática de campo comum que é, no entanto, proibida por quase todos os padrões que regem os revestimentos do sistema de fixação em serviço de alta pressão e/ou alta temperatura.
O superdimensionamento remove de 10 a 30 mils de aço da superfície não revestida das roscas da porca para permitir espaço para a espessura extra do revestimento anticorrosivo nas roscas do parafuso. A prática continua porque existem poucas soluções de revestimento ou chapeamento que oferecem mais de 5.000 horas de névoa salina (5 anos) de desempenho antes que a corrosão ocorra.
Antes de tudo, precisamos entender que existe uma grande diferença entre o aparafusamento estrutural, que trabalha com força de cisalhamento no eixo do parafuso, e o aparafusamento de pressão, que trabalha com força de tração nas roscas da porca/parafuso. (Certifique-se de ler Os efeitos da corrosão no comportamento de corte dos materiais para saber como a corrosão entra na equação.)
Tensão de Tração vs. Tensão de Cisalhamento
De acordo com Bickford, uma das principais autoridades em design e comportamento de parafusos, é importante saber a diferença entre juntas de tensão e de cisalhamento porque "elas diferem na forma como respondem à carga, nas formas como falham e nas formas como são montadas, etc. Em geral, a junta de tração é a mais complexa das duas.”1
Figura 1. Junta de tração / aparafusada por pressão (Bickford).
No aparafusamento por pressão, as forças de carga de tração são aplicadas aproximadamente paralelas ao eixo do parafuso.
Figura 2. Junta de cisalhamento / Parafusamento estrutural (Bickford).
No aparafusamento estrutural, as forças de carga de cisalhamento são essencialmente perpendiculares ao eixo do parafuso.
Ainda existe algum mal-entendido entre os aplicadores de revestimento sobre os padrões projetados para parafusos estruturais (ASTM A 325 e ASTM A 563) que, até certo ponto, permitem o superdimensionamento das porcas, desde que o sistema possa passar no teste de carga de prova.23
No entanto, nas normas que regem os sistemas de aparafusamento sob pressão, como ASTM A-194 e ASTM A-195, o superdimensionamento não é permitido.4.5
Em 2014, entrevistei 26 revendedoras de sutiãs sobre a prática do oversized e descobri que:
- Eles nunca ouviram falar de teste de carga de prova, ou
- Seus pedidos de compra não exigem esta prova, ou
- O superdimensionamento é feito pelo fabricante do parafuso antes que as modificações de superdimensionamento/revestimento sejam feitas durante a aplicação do revestimento.
Em todos os casos, isso significa que as porcas modificadas não atendem aos padrões ASTM A194 e ASME B1.1 e que estão sendo instaladas em campo sem nunca passar por testes de qualificação de carga.5.6
Como o overtapping afeta o comprometimento do encadeamento
Vejamos a dinâmica do parafuso para entender o projeto do parafuso e como ele é comprometido quando o aço é removido da porca ou do parafuso. O gráfico a seguir (Figura 3) mostra a distribuição de carga ao longo de todo o eixo de um único parafuso. A porca conta com o engate das duas primeiras roscas para suportar 57% da carga. Se o primeiro segmento falhar, o resto segue em um efeito dominó. A imagem da tensão de aparafusamento de pressão não é atraente, pois a maior parte da carga está na primeira rosca.
Figura 3. A queda de tensão de tração é curva, não linear. Bickford.
A primeira ilustração abaixo mostra o engate total das roscas, conforme projetado, onde a força é transmitida através da porca para o parafuso.
Figura 4. Comprometimento total do segmento.
O desenho a seguir mostra uma porca com rosca excessiva onde a força está concentrada nos picos das roscas. Quando não se utiliza o passo de rosca completo, a força se concentra em uma deformação plástica que ocorre nos vales. Isso iniciará uma reação em cadeia de falha por enroscamento da linha. Assim, a junta perderá carga devido ao afrouxamento das roscas e começará a escorregar e perder pressão e contenção.
Figura 5. As roscas das porcas falham por cisalhamento.
A falha ocorre nas roscas no ponto mais fraco do fixador, enfraquecido pelo sobredimensionamento. A quantidade de tensão que podemos criar em um parafuso depende não apenas da resistência de seu corpo, mas também da resistência ao corte de suas roscas. O engate do passo da rosca deve ser próximo a 100% ou grande o suficiente para nos permitir desenvolver a resistência máxima máxima do parafuso. (Saiba mais sobre resistência no artigo 6 Ensaios para medir a resistência de um material).
Um dos trade-offs que ocorre no campo é a fluência. A fluência é o resultado da perda de resistência à tração de uma carga constante ou múltiplas cargas altas/baixas ao longo do tempo.
Uma junta de vedação é selada pela aplicação de carga aos fixadores. Não ter um commit de thread completo é um bug em desenvolvimento. As roscas estão sob tensão concentrada e ocorrerá deformação plástica. A deformação resultante liberará a carga necessária para manter a vedação da junta. Esta é uma ocorrência comum no campo associado a nozes grandes. Se o tamanho do parafuso for muito pequeno ou o tamanho da porca for muito grande, pode ocorrer uma deformação plástica substancial. O relaxamento pode ser substancial em juntas com gaxetas e pode perder entre 80% e 100% da tensão de projeto.1
O esquema a seguir é uma visão simplificada da distribuição de tensão em uma junta carregada de pressão.
Figura 6. Distribuição de tensão em uma junta de pressão carregada.
Existem dois pontos perigosos onde as tensões estão concentradas:
- onde a cabeça encontra o corpo
- Onde a primeira rosca encaixa na porca
Conclusão
A remoção da linha é uma espécie de falha invisível e insidiosa. Pode ocorrer sem aviso prévio, mesmo quando a inspeção visual mostrar que a montagem é satisfatória. O uso indevido de padrões de aparafusamento estrutural e o superdimensionamento para serviço de alta pressão ou alta temperatura estão atualmente sendo abordados pelo American Petroleum Institute e pelo Bureau of Safety and Environmental Compliance (BSEE) dos EUA.