ABSORÇÃO DE FLUIDO EM SELOS ELASTOMÉRICOS
Artur F. F. da CRUZ1*, Kleber M. L. da COSTA2,
Céliton S FERNANDES3*, Ademir Oliveira da SILVA4.
1*
.Aluno do curso de Engenharia de Materiais da UFRN -Núcleo de Tecnologia Industrial - Laboratório de Materiais
Complementares - Campus Universitário - Lagoa Nova CEP: 59078-970 Natal-RN [email protected]; 2 Aluno do
curso de Eng. Mecânica da UFRN - [email protected]; 3*Aluno de mestrado do Programa de Pós-Grad. Eng.
Mec. UFRN - [email protected]; 4Professor Doutor do Dep. Química UFRN, Grupo de Estudos de Tribologia –
GET-UFRN - [email protected].
Fluid absorption in elastomeric seals
Abstract: Tribological pairs elastomeric seal – metallic rod are conceived to slide on a reciprocating motion
constrained into a stuffing box to avoid fluid leakage. For this reason, elastomer volumetric changes constitute an
important factor to sure the system functionality and so, the fluid absorption to which the seal is submitted, defined as
swelling. Dimensional variations above certain limits tend to change the physical properties of the material of the seal.
The measurement of the change in volume of seal is obtained by standard procedures that limit themselves to employ
samples with predefined geometries, that restrict their direct application in seals, because seal geometries differ from
standard samples. This work presents a comparative study among the procedure adopted for Brazilian Standard
NBR 11407 and a new approach developed for the measurement of volumetric variation of seals utilizing specimens
with similar geometries to elastomeric seal that integrates a stuffing box of a pumping unit of petroleum. Experimental
results obtained by means of the two methods are discussed concerning the applicability of the new method to
Polyurethane (PU) and Nitrile Butile Rubber (NBR) samples.
Key-words: Elastomers; Leakage; Swelling; Tribology.
Introdução
O projeto de sistemas de vedação de bombas em poços de petróleo torna-se mais crítico à
medida que a legislação ambiental coíbe vazamentos que levem a danos ambientais. Nesse escopo,
a seleção dos selos tem migrado para um processo engenheirado e com um cunho científico,
envolvendo numerosas variáveis. O material do selo necessita coexistir química e fisicamente com
o fluido para garantir sua integridade física durante o serviço. Os materiais dos selos dinâmicos
devem ser resistentes ao desgaste para garantir sua função durante sua vida especificada em projeto.
Outras características desejáveis nas faixas de temperatura e pressão de serviço são (a) sua
resistência à deformação permanente na direção do movimento, variáveis para cada poço de
petróleo, (b) estabilidade termogravimétrica, (c) resistência à variação do volume, (d) custo de
aquisição e substituição, em função da vida em serviço.
Algumas dessas características são paradoxais, entretanto, em um selo dinâmico, pressão de
contato elevada entre o selo, estático, e a superfície, móvel, resulta em uma boa estanqueidade às
custas da majoração do atrito do sistema, que pode acelerar a taxa de desgaste do elastômero, da
haste metálica, ou de ambos. Uma redução nessa pressão de contato tende a aumentar a vida do
selo, às custas de vazamento de fluido mesmo à pressão do fluido relativamente baixa (ERIKS,
2002).
Um fator importante a ser considerado no estudo do atrito entre o selo e a haste de
bombeamento em movimento alternado (“reciprocating motion”), é a mudança no volume do
elemento de vedação elastomérico. Após o contato do selo com algum líquido ou fluido gasoso,
pode haver aumento ou diminuição do volume e essa variação é quase sempre acompanhada por
uma mudança na dureza (ERIKS, 2002).
Em algumas aplicações estáticas, o aumento do volume do selo pode ser desejável, porém,
para aplicações dinâmicas, um inchamento (“swelling”) de até 15 a 20% na maioria das vezes é
tolerável, pois, valores mais altos aumentam o atrito e reduzem a resistência à abrasão fazendo com
que o uso do selo torne-se impraticável, o que resulta em um desgaste prematuro do material. Uma
redução do volume pode ser conseqüência do fluido em serviço que extrai algum plastificante da
cadeia polimérica. A contração do selo é bem mais crítica que o inchamento, já que o selo não
estará com uma compressão eficiente e o vazamento ocorrerá mais facilmente. Mais que 3 ou 4% de
contração pode ser suficientemente crítico em aplicações dinâmicas. (ERIKS, 2002).
À luz destas premissas, este trabalho compara a variação volumétrica de corpos-de-prova
com geometria retangular e anular para verificar a melhor opção para o estudo do inchamento de
selos elastoméricos.
Experimental
Materiais e Técnicas
A metodologia deste trabalho é baseada em (FERNANDES, 2007).
O Poliuretano (PU) e a Borracha Nitrílica (NBR) foram os dois elastômeros estudados,
ambos porosos. O NBR é utilizado pela maior parte dos selos em caixas de vedação na extração de
petróleo pelas unidades de bombeio. A utilização de PU é mais rara nesse tipo de aplicação, porém,
o mesmo foi adotado como material comparativo por apresentar uma boa resistência à abrasão, mas
com variação de volume questionável.
A técnica adotada para medida do inchamento foi baseada na Norma Brasileira NBR-11407,
que quantifica as alterações de propriedades físicas sob o efeito da imersão em líquidos padrões em
elastômeros vulcanizados. Essa Norma adota corpos-de-prova com geometria linear (sólido
retangular). No presente estudo foram adicionados corpos-de-prova em formato anular, com volume
inicial distinto do padrão, Figura 1, a fim verificar a viabilidade da imersão do selo diretamente em
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líquido padrão. O líquido padrão adotado para a imersão foi o tolueno e o tempo da imersão foi de
24 horas.
Figura 1 – Formas e dimensões dos corpos-de-prova (em mm)
Procedimento experimental
Para cada material, seis corpos-de-prova foram confeccionados, sendo três com forma sólido
retangular e três com forma sólido anular, que foram colocados em um tubo de vidro borossilicato
contendo 100ml do tolueno (Figura 2).
Figura 2 – Corpos-de-prova submersos em tolueno.
O período de imersão foi de 24 horas, à temperatura ambiente (entre 26 e 30°C) e à pressão
atmosférica ao nível do mar. Para medidas dimensionais dos corpos-de-prova, antes e após a
imersão em fluido, foram utilizados um paquímetro e um micrômetro (Figura 3), ambos com uma
resolução de 10 m. Para execução dos cálculos da variação dimensional, foram usadas as equações
(1) e (2). Foram realizadas três medições para cada dimensão dos corpos-de-prova e, em seguida,
calculou-se a média.
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Figura 3 – Procedimentos de medição
L%
L L0
100
L0
(1)
Onde:
L = variação de comprimento, %
L0 = comprimento inicial do corpo-de-prova. mm
L = comprimento do corpo-de-prova após a imersão, mm.
A etapa seguinte foi o cálculo da variação percentual da largura,
W, e da espessura,
t.
Possibilitando assim o cálculo da variação de volume do corpo-de-prova sólido retangular.
D%
D D0
100
D0
(2)
Onde:
D = variação do diâmetro externo, %
D0 = diâmetro externo inicial do corpo-de-prova, mm
D = diâmetro externo do corpo-de-prova após a imersão, mm.
Calculou-se a variação percentual do diâmetro interno, d, e da espessura, t. A partir de
então foi calculada a variação volumétrica do corpo-de-prova sólido anular.
Resultados e Discussão
Decorridas 24 horas da imersão em tolueno, foi percebida uma variação dimensional
considerável de todos os corpos-de-prova (Figuras 4 e 5).
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Figura 4 – Corpos-de-prova em formato sólido anular comparados entre si, como adquiridos.
e após imersão em tolueno. Poliuretano e NBR respectivamente.
Figura 5 - Corpos-de-prova em formato sólido retangular comparados entre si, como adquiridos
e após imersão em tolueno. Poliuretano e NBR respectivamente.
Os cálculos foram feitos relativos às alterações dimensionais e consequentemente foi
calculada também a variação do volume em porcentagem (Figura 6).
Amostras
anulares
NBR
PU
Amostras
retangulares
0
20
40
60
80
100
120
140
VARIAÇÃO DO VOLUME (%)
Figura 6 – Resultados da variação do volume
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160
180
200
As Figuras 7 e 8 relacionam diferenças volumétricas (V%) entre as duas geometrias
de um mesmo material, antes e após o ensaio de imersão em tolueno, respectivamente.
A diferença entre os volumes após a imersão é consideravelmente menor do que antes, ou
seja, existe uma influência da geometria dos corpos-de-prova nos ensaios de absorção de
fluido. Percebe-se, também, que o corpo-de-prova com geometria anular apresentou uma
maior variação dimensional. E esta é a geometria usada na maioria dos selos em estudo.
9000
3
VOLUME ANTES DA IMERSÃO (mm )
8000
Forma anular
Forma retangular
7000
6000
5000
4000
V = 21%
V = 28%
3000
2000
1000
0
PU
NBR
Figura 7 – Diferença de volume antes da imersão
9000
V =6%
Forma anular
Forma retangular
3
VOLUME APÓS A IMERSÃO (mm )
8000
7000
V = 2%
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
PU
Figura 8 – Diferença de volume após a imersão
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NBR
A Figura 9 mostrou que o corpo-de-prova anular feito de PU aumentou seu volume 25%
mais do que o corpo-de-prova retangular. Para os corpos-de-prova feitos de NBR, tal diferença foi
em torno de 3% maior do que o anular.
6000
Retangular
Anular
5500
3%
3
VARIAÇÃO DE VOLUME (mm )
5000
4500
4000
3500
25%
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
PU
NBR
Figura 9 – Variação do volume
Conclusões
Os ensaios demonstraram que, pelas circunstâncias apresentadas neste trabalho:
1. o método para a quantificação do inchamento usando corpos-de-prova de geometria
retangular, como prescritos na Norma Brasileira, não representam a real variação no volume de um
selo elastomérico, devido à variação do volume em corpos-de-prova de geometria anular ser
consideravelmente maior do que nos corpos-de-prova retangulares;
2. para alguns elastômeros (o PU, por exemplo), a medida do inchamento em selos com
geometria anular, tornam-se mais representativos, desde que sejam adotados corpos-de-prova com
geometria aproximada do selo.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Petrobras S.A., ao Prof. João Telésforo Nóbrega de
Medeiros, Coordenador do GET (Grupo de Estudos de Tribologia da UFRN) e ao PPGEM
(Programa de Pós-Graduação na Engenharia Mecânica da UFRN), por patrocinar este
projeto e fornecer o auxílio financeiro para a sua execução.
Referências Bibliográficas
1. ASTM D 471, Standard Test Method for Rubber Property – Effect of liquids, by 2006.
Anais do 9o Congresso Brasileiro de Polímeros
2. ERIKS, Sealing Elements. Precision O-ring Technical Manual. Publication number: 254106, by
2002, <http://oring.info/en/technical-manual/>
3. NBR 11407, ELASTÔMEROS VULCANIZADOS - Determinação das alterações das
propriedades físicas, por efeito de imersão em líquidos. Dezembro de 1990.
4. FERNANDES, Céliton S. - Influência do inchamento (swelling) de selos elastoméricos em
vazamentos de fluido de bombeio. Dissertação de mestrado em elaboração. Natal, PPGEMUFRN, 2007.
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