Autor: Teodorio Arão Santos de Oliveira
Engenheiro de Segurança contra Incêndio e Pânico
Telefone: (71) 99237-2739
De todos os poderes transformadores que a tecnologia possui, o mais importante seja a sua capacidade de encontrar e desenvolver soluções para descomplicar processos e facilitar a rotina de trabalho nas empresas. Não é de se estranhar, então, que justamente no segmento da indústria essas novas ideias encontrem um solo fértil para a inovação.
É nesse contexto que o sistema de conexões ranhuradas vem ganhando cada vez mais espaço no mercado e tem se tornado a escolha número um em qualquer projeto que envolva conexões e tubos de aço carbono, desde a indústria petrolífera até a construção civil.
A tubulação ranhurada tem mudado a forma como os empreiteiros fazem negócio por mais de 85 anos, pois canalizações mecânicas ranhuradas fornecem benefícios, como aumento de lucros, horários comprimidos e segurança no local de trabalho.
O sistema ranhurado utiliza conexões com ranhuras para fazer a união de tubos em aço carbono. Atualmente, ele é aplicado em diversos projetos, especialmente em setores que exigem constantes interferências e necessidades de ajustes em campo. Este sistema é um processo que é limpo, simples e que reduz consideravelmente o tempo de instalação e parada para manutenção.
O sistema ranhurado é um dos mais avançados, versáteis, econômicos e confiáveis. Depois de realizada a ranhura na tubulação, o anel de vedação é colocado nas extremidades dos tubos.
Os segmentos do acoplamento são posicionados sobre o anel de vedação, e os parafusos e as porcas são apertadas obtendo como resultado uma união segura e sem vazamento.
O sistema ranhurado é composto de quatro componentes:
a) tubos;
b) anel de vedação;
c) segmento de acoplamento; e
d) porca e parafuso.
O sistema ranhurado com os componentes podem ser vistos na Figura 1.
Figura 1 – Tubulação de aço com sistema de acoplamento ranhurado (grooved)/Fonte: Alvenius
O sistema ranhurado utiliza tubulações caracterizadas por tubos de aço carbono com extremidades ranhuradas por laminação “roll groove” (Figura 2), estando de acordo com a FM (Factory Mutual Global), a NFPA (National Fire Protection Association) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).
De acordo com a norma FM são recomendadas espessuras mínimas da parede, quando a tubulação não é certificada por FM Approvals, em tubulações metálicas rígidas para sprinklers, são elas:
– de 1” até 2”, espessura de 2,60 mm;
– de 2 ½” até 4”, espessura de 2,90 mm;
– para 5” e 6”, espessura de 3,30 mm; e
– de 8” até 12”, espessura de 4,50 mm
Já de acordo com a NFPA 13 são adotadas as seguintes espessuras mínimas para pressão de trabalho de até 300 PSI (20,7 bar):
– até 5” – padrão SCH-10;
– 6” – espessura de 3,40 mm;
– 8” e 10” – espessura de 4,78 mm;
– 12” – espessura de 8,38 mm;
A NFPA 13 também afirma que a união de tubos por acoplamentos no sistema ranhurado deve ser estabelecida por uma combinação dos referidos acoplamentos, anéis de vedação e dimensões da ranhura. As conexões, acessórios e válvulas devem ter a ranhura por corte (Figura 3) ou por laminação (Figura 2) e seus dimensionais devem ser compatíveis para o encaixe do acoplamento. Essas ranhuras por corte atendem tubos IPS, BS, AS, ISO, JIS e KS, conforme o Manual de Instalação – Sistema Ranhurado da Alvenius.
Os acoplamentos incluindo os anéis de vedação, para serem utilizados em tubulação seca, sistemas de pré-ação e em sistemas de dilúvio devem ser listados para tais aplicações.
De acordo com a ABNT NBR 10897:2020, os tubos de aço unidos por acoplamento mecânico para pressões até 2,07 MPa devem ser:
NBR 5590:
– até 6” (SCH-10)
– 8” e 10” (espessura de 4,78)
– 12” (SCH-30)
NBR 5580:
– classe leve
Os segmentos dos acoplamentos possuem uma estrutura responsável por abraçar e comprimir o anel de vedação, conforme visto na Figura 4. Os segmentos não somente proporciona resistência a união, mas também comprimem e protegem o anel de vedação contra exposições. Essas peças que se encaixam na ranhura dos tubos, são moldadas em uma variedade de materiais, sendo o ferro fundido o mais comum.
Os segmentos dos acoplamentos padrão e as conexões são feitos de ferro nodular, um tipo de ferro fundido, em conformidade com a Norma ASTM A536. Além do ferro fundido, podem também ser produzidos com materiais fundidos em aço inoxidável dependendo das aplicações do projeto. Os segmentos do acoplamento padrão e conexões devem ser atendidos pela ASTM A743.
Percebe-se então que os metais fundidos (ferro nodular e aço inoxidável) para aplicações industriais precisam estar de acordo com as normas da American Society for Testing and Materials (ASTM), que podem mudar dependendo das especificações mecânicas e composições químicas do projeto.
Os anéis de vedação dos sistemas ranhurados (Figura 5) estão disponíveis em diversos tamanhos, podendo atender exigências específicas. Esses anéis possuem uma capacidade excelente de vedação e são projetados para prover um alto índice de estanqueidade aos vazamentos. No processo de montagem do sistema ranhurado, a primeira etapa consiste na montagem do anel de vedação sobre as extremidades da tubulação, que é o processo responsável por formar a vedação.
Quando os segmentos do acoplamento são montados, eles fixam e comprimem o anel de vedação durante o aperto dos parafusos, criando assim, uma vedação hermética – que impede a passagem de líquidos ou gases. Essa vedação melhora ainda mais em virtude da pressão interna da tubulação, que cria a chamada força descendente nas bordas do anel de vedação. Em outras palavras, a pressão exercida pelo segmento na parte de fora do tubo se adapta à pressão interna exercida pela condução dos líquidos, criando uma força que atua de dentro para fora e de fora para dentro ao mesmo tempo. O anel de vedação padrão também é apropriado para condições de vácuo de até 254 mmHg (10 inHg), as quais podem ocorrer quando um sistema for drenado.
É recomendado sempre o uso de lubrificantes (Figura 6) para a instalação desse sistema. Afinal, os lubrificantes de pasta atóxica proporcionam mais facilidade na instalação do anel de vedação e ajudam a evitar que ele seja mordido ou deteriorado durante a instalação ou a manutenção. O ideal é que se aplique uma fina camada de lubrificante em toda a superfície externa, nos lábios internos dos anéis de vedação e no interior dos segmentos do acoplamento. Esse lubrificante não pode ser utilizado em tubulações secas, expostas a baixas temperaturas ou em tubos de PEAD.
O jogo de parafusos e porcas (Figura 7) é responsável por dar praticidade ao sistema ranhurado.
Estes produtos utilizam parafusos de cabeça oval feito em aço carbono conforme ASTM A183 Gr. 2, ASTM A449 ou SAE J429-5 e porcas sextavadas de trabalho pesado, conforme ASTM A563 Grau B ou SAE J995-2, disponíveis tanto em rosca UNC como em rosca métrico ISO.
Os parafusos de cabeça oval com rosca parcial se encaixam dentro dos orifícios ovais das seções dos segmentos permitindo um aperto fácil usando somente uma chave catraca ou uma chave de boca.
Os parafusos e porcas UNC são revestidos por um banho eletroquímico de zinco, de cor cromada prateado e os parafusos e porcas ISO na cor cromada dourada. Os parafusos e as porcas também podem ser galvanizados.
Os parafusos e as porcas de aço inoxidável, conforme ASTM A193, tipo 304 ou 316 são fornecidos com acoplamentos de aço inoxidável. Os parafusos e as porcas de aço inoxidável estão cobertos com dissulfeto de molibdênio (MoS2), para impedir o travamento. Como opção, as porcas de bronze siliconado também estão disponíveis para evitar o travamento.
O acoplamento tem a função de juntar duas peças, sejam elas duas barras de tubos ou até mesmo peças específicas como cotovelos ou teês.
O uso do acoplamento deve ser especificado em projeto, pois suas características específicas podem necessitar o uso do rígido ou flexível, dependendo do tipo de risco e local instalado.
Os acoplamentos rígidos podem ser usados em aplicações onde se requer uma união rígida similar aos das tradicionais conexões flangeadas, soldadas e rosqueadas. Não será preciso se preocupar com o desalinhamento da tubulação em trechos retos, pois todos os acoplamentos rígidos utilizam tanto o design de intertravamento mecânico quanto o de fricção.
Os acoplamentos rígidos eliminam ou reduzem movimentos angulares indesejados, deslocamentos axiais e rotações posteriores à instalação, conforme são requeridos em condições normais de serviço e visto na Figura 8.
O acoplamento rígido pode ter dois tipos de design: plano inclinado e o macho e fêmea. O funcionamento desses acoplamentos é conforme o design e atuam da seguinte forma:
a) Design plano inclinado: Conforme os parafusos são apertados, os planos inclinados se deslocam em direção oposta fazendo com que as abas laterais do acoplamento se prendam firmemente à tubulação, ao mesmo tempo em que as ranhuras da tubulação são forçadas para fora, contra as abas laterais do acoplamento, conforme visto na Figura 9.
b) Design macho e fêmea: O acoplamento foi projetado com um mecanismo macho e fêmea, onde o atrito e o travamento mecânico dos segmentos dentro do canal da ranhura proporcionam rigidez à união, conforme visto na Figura 10.
Os acoplamentos flexíveis (Figura 11) são ideais em todas as aplicações e condições de projeto, tais como traçados curvos ou com deflexão e quando os sistemas são expostos a forças externas, além das condições estáticas normais como abalos sísmicos ou quando há a necessidade da atenuação de vibração e/ou ruído. A habilidade de projetar com flexibilidade controlada é uma grande vantagem quando comparada aos métodos tradicionais de união rígida, tais como o roscado, flangeado ou soldado.
Quando se projeta com acoplamentos flexíveis se deve levar em conta a suportação correta para o sistema, a fim de eliminar tensões indesejadas.
Existem várias normas e códigos publicados a respeito de componentes de tubulações ranhuradas. Esses códigos ou normas podem variar em relação à definição do padrão dos acoplamentos flexíveis. Os projetistas devem confirmar qual(is) padrão(ões) ou código(s) são necessários para o sistema que está sendo projetado e devem também selecionar o acoplamento correto para a aplicação.
A NFPA 13 define o acoplamento flexível como um acoplamento ou conexão que permita o deslocamento axial, rotação e pelo menos 1 grau de movimento angular da tubulação (Figura 12) sem danificá-la. Para diâmetros de 8” ou superiores, o movimento angular seria permitido menor que 1 grau, porém não menor de 0,5 graus.
Para sistemas de sprinklers, a NFPA 13 especifica o uso de acoplamentos flexíveis para proteger o sistema contra danos provenientes de terremotos e estabelecem alguns exemplos específicos de como e onde eles devem ser utilizados. Os projetistas e instaladores devem projetar seus sistemas de proteção contra incêndio de acordo com esta norma.
A conexão ranhurada está presente em algumas peças como: acoplamento de redução, tee mecânico, conexão de saída para sprinkler, curvas de 90º e 45º.
O acoplamento de redução permite a redução direta em um trecho da tubulação e elimina a necessidade de uma redução concêntrica e acoplamentos adicionais. O anel de vedação de borracha foi especialmente projetado para ajudar a evitar que o tubo menor sofra o efeito telescópico e entre no tubo maior, durante a instalação vertical. Uma observação a ser feita é que o acoplamento não deverá ser usado com um cap, pois o cap poderá ser sugado para dentro do tubo pelo vácuo criado durante a drenagem do sistema.
Os tees mecânicos proporcionam uma derivação rápida e fácil com saída ranhurada num ponto intermediário do tubo. As dimensões das ranhuras atendem aos requisitos da norma AWWA C606.
Apesar da saída não ser ranhurada, os tees mecânicos proporcionam uma derivação rápida e fácil com saída roscada num ponto intermediário do tubo. As roscas são NPT segundo a norma ANSI B1.20.1 ou BSPT segundo a norma ISO 7. A pressão de trabalho UL/FM é de 20 bar (300 psi).
A Saída para Sprinkler é uma conexão de derivação ideal para fazer conexões diretas com sprinklers, canetas de derivação, mangueiras flexíveis e/ou instrumentos de medição. Não há necessidade de solda, apenas do corte ou furação de um orifício na posição desejada da saída.
As conexões, caracterizadas pelas curvas de 90º e de 45º, com extremidades ranhuradas de ferro dúctil são feitas de acordo com as normas ASTM A536 Gr. 65-45-12 e/ou ASTM A395 Gr. 65-45-15.
O sistema ranhurado possui as seguintes características:
- união mais rápidas de tubos;
- facilidade e rapidez de manutenção;
- maior flexibilidade de design;
- confiabilidade;
- economia;
- segmento de sistema de tubulação de movimento;
- redução de ruído e vibração;
- locais de trabalhos mais seguros; e
- sustentabilidade.
Sempre que pensamos em uma obra, tem se como objetivo melhorar o ambiente, seja ele um ambiente de trabalho ou residencial, mas quando se pensa em sistemas de combate a incêndio, como por exemplo, sistema de chuveiros automáticos, se pensa sempre no trabalho que será instalar toda a tubulação de água.
O sistema de combate a incêndio exige uma pressão de trabalho mais alta e, portanto, se faz necessário que a tubulação seja de um material mais rígido, seja ela aço, ferro ou até mesmo alguns outros tipos de materiais recentemente aprovados.
Por essa razão se faz necessário sempre trabalhar com solda, rosca ou conexões flangeadas, mas esses tipos de conexões já demonstraram que levam muito tempo para serem instaladas paralisando o local de trabalho por um período tempo mais extenso e causando um atraso da abertura de funcionamento do estabelecimento comercial. Com isso em mente, os fabricantes realizaram melhorias significativas no produto a fim de que o sistema de conexões ranhuradas supra a necessidade de tempo de instalação.
Os acoplamentos mecânicos são instalados até cinco vezes mais rápido do que as conexões soldadas e até três vezes mais rápido do que as flangeadas, fazendo assim com que todos os prazos de instalação sejam atendidos e por melhor diminuam.
O sistema garante que tanto o instalador quanto o cliente se beneficiem com isso, um por poder realizar mais obras em um período de tempo menor, e o outro por poder colocar seu estabelecimento para funcionar mais rapidamente.
A concepção de sistemas ranhurados permite uma manutenção mais rotineira e programada porque o acoplamento ranhurado proporciona uma união em cada junta, o que permite um acesso mais fácil ao sistema em comparação com outros métodos de junção.
A remoção de um acoplamento é fácil, pois o trabalhador afrouxa as porcas e parafusos e remove as caixas de acoplamento e junta. Uma vez que a manutenção esteja completa, o acoplamento pode ser montado na extremidade ranhurada de um tubo, válvula, encaixe ou acessório.
Como a manutenção não exige chamas ou soldas os sistemas ranhurados não precisam ser completamente drenados e secos para realizar a manutenção, resultando em tempo de inatividade mínimo do sistema.
Um sistema ranhurado não só oferece uma união em cada junta que simplifica o acesso ao sistema, mas também oferece 360º de movimento rotativo durante a sua instalação, reduzindo problemas de compatibilidade de campo, tornando mais fácil realizar ajustes no local.
A concepção de acoplamentos ranhurados, que são seguros e estanques, faz deles mais confiáveis do que outra forma de junção de tubos, como flanges, que exigem alinhamento mais preciso e padrões de aperto de parafusos específicos, aumentando o risco de vazamentos.
Os acoplamentos não requerem manutenção e são projetados para durar a vida útil do sistema de tubulação. As juntas soldadas, por outro lado, têm de ser radiografadas para garantir uma instalação adequada.
Os sistemas de tubulações mecânicas ranhuradas podem ser pressurizados e despressurizados repetidamente durante anos sem nunca fatigar a junta de elastômero.
O tempo de trabalho é a maior variável de custo no campo e os sistemas ranhurados oferecem uma redução nos custos totais instalados, porque reduzem o tempo de trabalho. Estima-se que os trabalhos que utilizam juntas soldadas exigem até 45% mais homens-hora na média comparada às soluções da tubulação mecânica.
A facilidade e a velocidade com que os sistemas de tubulação mecânica ranhuradas são instalados permitem que os empreiteiros tenham um impacto positivo na linha de fundo e atendam os cronogramas rigorosos do projeto.
Transientes térmicos podem impor deflexão em um sistema de tubulação como o tubo cresce quando aquecido e contrai quando resfriado, resultando em estresse sobre o sistema de tubulação e equipamentos.
Os acoplamentos ranhurados flexíveis minimizam esta tensão permitindo capacidades de deflexão limitadas para acomodar este movimento em deslocamentos do sistema ou para utilização em loops de expansão. Como um benefício adicional, os acoplamentos flexíveis permitem flexibilidade angular para acomodar o desalinhamento da tubulação e o movimento rotacional para uso em juntas de oscilação sísmicas.
Equipamentos frequentemente criam ruídos e vibrações que precisam ser isolados do sistema de tubulação.
Sistemas mecânicos flexíveis permitem que o tubo se mova dentro do acoplamento ranhurado e a junta elastomérica amortece a vibração, localizando assim as vibrações geradas pelos equipamentos e reduzindo a quantidade de ruído transmitida pela tubulação. A concepção da junta mecânica executa esta função sem desgaste da junta.
As vantagens de segurança que os sistemas ranhurados fornecem se acompanhados ao sistema de solda são numerosas.
Eles não exigem tanques voláteis ou tochas abertas. Não há linhas de chumbo para tropeçar, nem qualquer necessidade de pessoal de brigada de incêndio. E porque não há solda ou brasagem envolvidos, não há exposição resultante de fumos perigosos ou os problemas de saúde potenciais com os quais eles têm sido associados, como câncer de pulmão, câncer do trato unitário, doenças cardíacas e doença de Parkinson.
Instalações com sistemas ranhurados são mais amigáveis ao meio ambiente, pois reduzem significativamente ou até eliminam o desperdício de material, as emissões de gases e a poluição sonora do local de trabalho. Não necessitando de máquinas de solda, a qualidade do ar é preservada, uma vez que não há vapor de solda ou partícula de solda no ambiente.
Os sistemas ranhurados podem ser aplicados nos seguintes ramos:
- proteção contra incêndio;
- ventilação e ar condicionado;
- sistemas de aquecimento; e
- sistemas de água potável e estações de tratamento de água.
Na proteção contra incêndio, a aplicação típica do sistema ranhurado envolve acoplamento flexível em aplicações gerais e sua atuação no sistema de sprinklers, bem como o uso de acoplamento grooved ou conexões ranhuradas no sistema de hidrantes e mangotinhos.
Para aplicações gerais dos acoplamentos flexíveis são aplicados nas seguintes situações:
- absorção de vibrações e ruídos;
- ajuste do alinhamento;
- absorção de distorção;
- absorção de deflexão ou desvio entre os pisos;
- absorção de desalinhamento; e
- traçado curvo.
A aplicação dos acoplamentos flexíveis nos sistemas de sprinklers está conforme a NFPA 13 e é aplicado nas seguintes situações:
- para prumadas principais e de linhas secundárias;
- na seção horizontal do sistema;
- para tubos de descida;
- conjunto de separação sísmica;
- proteção contra abalos sísmicos para tubulações de sprinklers; e
- localização típica dos suportes num sistema de anel.
No sistema de hidrantes e mangotinhos, as conexões podem ser soldadas, rosqueadas, com acoplamento de pressão ou com acoplamento tipo grooved ou sistema de conexão ranhurado. Este último caracterizado pela facilidade e agilidade no processo de conexão entre tubos e singularidades.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 5580: Tubos de aço carbono para usos comuns na condução de fluidos. Rio de Janeiro: ABNT, 2015.
__NBR 5590: Tubos de aço-carbono com ou sem solda longitudinal, pretos ou galvanizados – Requisitos. Rio de Janeiro: ABNT, 2015 Versão Corrigida 2: 2017
__NBR 10897: Tubos de aço-carbono com ou sem solda longitudinal, pretos ou galvanizados – Requisitos.
ALVENIUS, E-book – Incêndio: Detecção e combate.
ALVENIUS, Manual de Instalação – Sistema Ranhurado.
ANSI, American National Standards Institute. ANSI/ASME B1.20.1 – Pipe threads, general purpose, inch, Washington, 2018.
ASTM, American Society for Testing and Materials. ASTM A183-14: Standard specification for carbon steel tracks bolts and nuts, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020.
__ASTM A193/A193-20: Standard specification for alloy-steel and stainless steel bolting for high temperature or high pressure service and other special purpose applications, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020.
__ASTM A395/A395-M-99: Standard specification for ferritic ductile iron pressure-retaining castings for use at elevated temperatures, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018.
__ASTM A449-14: Standard specification for hex cap screws, bolts and studs, steel, heat treated, 120/105/90 ksi minimum tensile strenght, general use, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020.
__ASTM A536-84: Standard specification for ductile iron castings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019.
__ASTM A563/A563M-21a: Standard specification for carbon and alloy steel nuts (inch and metric), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2021.
AWWA, American Water Works Association, AWWA C606: Grooved and shouldered joints.
__ASTM A743/A743-21: Standard specification for castings, iron-chromium, iron-chromium-nickel, corrosion resistant, for general application, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2021.
DANKE, E-book – Combate a incêndio – Conexões ranhuradas.
FM, FM Global
SAE, Society of Automotive Engineers. SAE J429-5: Mechanical and material requirements for externally threaded fasteners, EUA, 2014.
__SAE J995-2: Mechanical and material requirements for steel nuts, EUA, 2017.
SPRINKLERS, Instituto. Fundamentos de Segurança contra Incêndio em Edificações – Proteção Passiva e Ativa, Hidrantes e Mangotinhos, Cássio Roberto Armani, 215-244, São Paulo, 2019.
TUPY, E-book – Sistemas ranhurados – Entenda como o sistema ranhurado.
UL, Underwriters Laboratories
