Seja para confirmar que o processo está de acordo com a especificação e produzindo peças de boa qualidade, ou para detectar defeitos ainda no processo de fabricação, o teste de estanqueidade aparece como um fator auxiliar para as indústrias na redução dos custos de manufatura e problemas e custos de garantia, além de aumentar a satisfação do cliente.
No entanto, é comum existirem dúvidas sobre como definir a integridade de uma peça em relação a vazamentos e se isso é aceitável considerando-se sua função. Uma peça não vaza uma quantidade inaceitável do fluido (água, vapor d’ água, óleo, gasolina, entre outros) que passa por ela, seja em condição estática ou em operação.
É necessário saber também que é possível induzir uma peça a vazar outros fluidos ou gases, como ar, e ainda assim não vazar o fluido para o qual a peça foi designada. Outras dúvidas bastante comuns são quais as características que tornam mais difícil uma substância fluir através de um furo ou defeito na peça. É quase impossível haver vazamento se o mesmo for suficientemente pequeno ou a parede da peça for muito longa e espessa. Veja abaixo algumas das propriedades de um fluido que afetam sua fluidez.
Pressão
Se uma maior pressão for aplicada, pode ocorrer maior fluidez ou maior taxa de vazamento. Veja como isso acontece na figura 1.
Temperatura
Para os líquidos, maiores temperaturas alteram as características do fluido, fazendo com que fluam mais facilmente e, em conseqüência, mais rápido. Já para os gases, maiores temperaturas alteram suas características para que fluam mais lentamente.
Viscosidade
Esse parâmetro corresponde à medida de resistência interna da fluidez de uma substância. Em outras palavras, ela quantifica a resistência da substância quando ela flui. Maiores viscosidades indicam maiores resistências a fluir. Já os menores, indicam menores resistências a fluir ou maior probabilidade de vazamento. Observe na tabela 1 o comparativo de viscosidade entre diversos fluidos.
Podemos imaginar facilmente que óleo pesado ou graxa não fluirão rapidamente por um determinado furo pequeno, por onde a água fluiria. A relação de viscosidade entre o óleo SAE 10 Lube e a água é aproximadamente 68:1. Assim, a água flui, aproximadamente, 68 vezes mais unidades de volume através de um determinado furo, do que o óleo SAE 10.
Pelo mesmo princípio, quando submetido à baixa pressão (< 1 Psi), o ar fluirá através de um determinado furo, aproximadamente 53 vezes mais unidades de volume que a água.
Desta forma, podemos ver que são as características de um furo que determinam o vazamento. Entre os fatores que influenciam este quadro estão:
- O menor diâmetro do furo ao longo da parede;
- O comprimento da parede (comprimento do furo através da parede da peça);
- Tensão de superfície do material;
- Acabamento da superfície do furo.
Tamanho do furo
A menor abertura encontrada controla a taxa de vazamento. Acompanhe a figura 2. Explicar melhor esta figura.
Comprimento da parede
A extensão pela qual a substância deverá passar, controla o quanto ela fluirá. Maiores comprimentos aumentam a resistência a fluir. Observe a figura 3.
Vazão laminar para líquidos
É a própria vazão do líquido analisado. Para achá-la podemos utilizar a expressão abaixo:
Ql (cc/min) = 1,66 x 108 x (d4 /l) x [Pl (Psi)/ul (cp)]
Onde:
d - diâmetro do furo, em polegadas;
l - comprimento do furo, em polegadas;
ul - viscosidade do fluido, em centipoise;
Pl - pressão aplicada na parede do furo.
Vazão laminar para Gases
Para encontrar a vazão de determinado gás é necessário utilizar a expressão abaixo:
Qg (cc/min) = 1,132 x 10 7 x (d” 4 /l) x [d Pg (psi)/ Ug (cp)]
Onde:
d - diâmetro do furo, em polegadas;
l - comprimento do furo, em polegadas;
ug - viscosidade do gás (centipoise);
dPg - pressão aplicada na parede do furo (psi);
dPa - média da pressão absoluta na parede do furo (psi).
Quando se muda de líquido para ar, a taxa de vazamento aumenta devido à redução de viscosidade e das características de expansão do gás. A fórmula a seguir é derivada das duas fórmulas anteriores e reflete a comparação entre vazão de líquido e gás através de um mesmo furo.
Qg/Ql = 0,068 Pa x Ul/Ug x dPg/dPl
Qg/Ql = 0,068 x (114,7 + 14,7)/2 x 0,95/0,018 x 100/100
Qg/Ql = 0,068 x 64,7 x 52,7 x 1 = 232
Tensão superficial
Para que um líquido flua através de um pequeno furo capilar, a sua pressão deve ser maior que a tensão superficial. A relação da pressão P (Psi) para um furo de diâmetro d (polegadas) e a tensão da superfície de um líquido a específico (lbs /pol) é:
P = 4 a/d
A pressão requerida para superar a tensão superficial aumenta à medida que o diâmetro d se torna menor.
Acabamento da superfície
As condições das paredes internas do furo também afetam a taxa de vazão e a resistência a vazão. Se a superfície estiver lisa, ela resistirá menos ao fluxo do que uma parede rugosa. Os orifícios calibrados construídos são de superfície lisa e portanto proporcionam ótima r0epetibilidade para calibração.
Tipicamente, o furos encontrados nas peças são de superfície rugosa e irregulares, o que faz com que a área da superfície aumente e portanto as características adesivas do furo também. Somando isso à viscosidade de um fluido, é possível prevenir ou até restringir a vazão enquanto a menor viscosidade do ar, ainda assim, permitirá que ele flua.
Como estabelecer uma taxa de vazamento?
O primeiro princípio que deve ser analisado é que todo material permite algum tipo de vazamento em um certo período de tempo. Pode vazar tão pouco quanto algumas moléculas de hidrogênio por ano, como vários litros de um fluido por minuto.
O propósito do estabelecimento de uma especificação de taxa de vazão é definir o máximo vazamento tolerável para uma peça e, ainda assim, estar de acordo com as especificações do cliente.
Dessa maneira é necessário testar as peças com ar ou algum outro fluído de baixo custo, cuja viscosidade seja mais baixa que a do fluido designado para operá-la, de modo a qualificar os furos mais rapidamente e de maneira mais econômica.
Embora o desejo seja manufaturar peças que não apresentem vazamento do fluido especificado, uma especificação do tipo “vazamento zero” não estabelece uma tolerância para testar as peças e determinar suas funcionalidades. Para inspecionar as peças é preciso que haja um valor quantitativo que defina o que é ou não aceitável. Considere o exemplo de tolerâncias para medidas dimensionais. Medidas de vazamento também necessitam de uma tolerância mensurável.
Como estabelecer uma especificação quantitativa da taxa de vazamento?
Muitos produtos possuem tolerâncias de vazão reconhecidas que são usadas pela maioria dos fabricantes. Em alguns casos, o cliente realmente define o teste de estanqueidade/vazão para o fabricante. Na tabela 2 listamos algumas faixas típicas de especificações existentes.
Adicionalmente aos exemplos abaixo existem muitos casos de especificações fora das faixas indicadas. O propósito de sumarizar esses parâmetros de testes típicos é estreitar o escopo e considerações para uma taxa de vazamento e pressões de testes.
Usualmente se utiliza a menor pressão para a menor taxa de vazamento. Para se estabelecer novos padrões, as peças devem ser analisadas por suas funções. Deve-se considerar uma expectativa prática de como verificar um vazamento por um certo período de tempo.
Por exemplo, se uma determinada peça é pressurizada a 100 psig com água e nenhuma gota for detectada durante período de uma hora ou algum outro período considerado, então podemos pensar que a peça não vaza?
É preciso ter muito cuidado nesta afirmação. Especificar a taxa de vazamento de forma muito rígida pode resultar na necessidade de uma tecnologia de teste muito cara. Devemos determinar uma expectativa realista de especificação para considerar que uma peça não vaza.
O próximo passo é testar um lote grande de peças da linha de produção com um instrumento de teste de ar seco, na mesma pressão de operação da peça. Uma taxa de vazamento inicial de 1,0 cc/minuto é viável, de forma que todas as peças com vazamento maior que 1,0 cc/minuto sejam reprovadas. As peças fora do padrão devem ser marcadas com o resultado obtido nos testes e colocadas à parte para futuras análises e considerações.
Uma vez que uma variedade de peças com uma faixa considerável de vazamento forem identificadas - exemplo de 1,0 sccm a 100 sccm (menor ou maior, dependendo do caso) - selecione as peças por magnitude de taxas de vazamento medidas.
Agora, é necessário pressurizar as peças com água (ou outro fluiído, conforme o caso) à mesma pressão de operação. Compare o ciclo com a peça que “não vaza”. Se as peças tinham uma grande variação em taxas de vazamento com ar, as mesmas exibirão diferentes magnitudes de vazamento com líquido. Deverá haver também taxas de vazamento abaixo da média, que não mostrarão nenhum sinal de vazamento do fluido.
Considerações Finais
A partir desse experimento podemos identificar o tamanho aproximado do furo (medido por um instrumento de ar seco), que não permite que a substância flua através do mesmo. A resistência da peça à fluidez deve ser definida pelo diâmetro do furo, comprimento da parede do furo, acabamento da superfície, viscosidade do fluido e tensão superficial. Mas lembre-se que a taxa de vazamento deve ser estabelecida sempre associada a uma determinada pressão.
*Vicente Della Volpe é diretor da VDV Comércio e Representações.
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - Edição 31 - Dez/Jan/06/07
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