Junta de expansão é o elemento flexível que absorve dilatação térmica, vibração e desalinhamento da tubulação sem sobrecarregar suportes e equipamentos.
Os tipos principais são a junta metálica de fole, em inox ou ligas especiais, a junta para tubulação de cobre e a junta de borracha. A escolha depende do fluido, da pressão, da temperatura e dos movimentos calculados.
Sua especificação depende das condições de operação do sistema, como pressão, temperatura, tipo de fluido e movimentos que a peça precisa absorver.
Também é necessário considerar o material, o tipo de conexão e a amplitude dos deslocamentos previstos.
Esses fatores determinam se o componente será compatível com a instalação e suportará as solicitações durante a operação.
O que são juntas de expansão e onde usar?
Juntas de expansão são elementos instalados na tubulação para dar flexibilidade ao sistema, absorvendo os movimentos de dilatação e parte das cargas que chegariam a equipamentos sensíveis.
Elas se usam onde o traçado da linha não tem flexibilidade suficiente para absorver esses movimentos por conta própria.
A definição está no trabalho de diplomação de Maurício Peroni de Moraes na UFRGS, de 2012, que estudou a falha de uma junta numa refinaria.
O texto registra que as juntas variam de um projeto simples a montagens complexas, com várias partes e materiais de alto desempenho.
Por isso, o próprio trabalho as trata como equipamentos, e não como simples conexões. Quanto ao uso, o material da disciplina Tubulações Industriais da UFPR lista os casos em que a junta se justifica.
Entre eles estão o espaço insuficiente para um traçado flexível e as tubulações acima de 20 polegadas ou de material caro.
A lista inclui ainda linhas que precisam ser retas e trechos ligados a equipamentos que não podem receber esforços.
Fora desses casos, a flexibilidade costuma vir de curvas e mudanças de direção no próprio traçado.
Por que a tubulação se movimenta: dilatação, vibração e recalque
A causa mais frequente é a dilatação térmica. Um tubo aquecido aumenta de comprimento segundo a relação ΔL = α × L × ΔT. Nela, α é o coeficiente de dilatação linear do material, L é o comprimento do trecho e ΔT é a variação de temperatura.
O material de dilatação térmica da UFPR adota, para o aço carbono, dilatação de 1,083 mm por metro a cada 100 °C. Isso equivale a α ≈ 10,8 × 10⁻⁶ /°C.
Com esse valor, um trecho reto de 50 m de aço carbono aquecido de 20 °C a 180 °C cresce cerca de 87 mm. A conta é 0,0000108 × 50.000 mm × 160 °C.
O mesmo material da UFPR mostra o que acontece se o tubo não puder se mover. Um tubo de 10 polegadas preso nas duas pontas e aquecido em 100 °C desenvolve tensão de cerca de 216,6 MPa.
Com isso, empurra os pontos de fixação com aproximadamente 166 toneladas-força.
Além do calor, a linha recebe a vibração de bombas e compressores. A mesma apostila da UFPR inclui, entre os casos de uso, as tubulações sujeitas a vibrações de grande amplitude.
Outra origem de movimento é o recalque de fundações, isto é, o afundamento do apoio de suportes ou equipamentos.
A aula de esforços na tubulação da UFPR inclui esse desnivelamento entre as cargas a considerar. Já as sobrepressões bruscas do fluxo, tratadas no post sobre golpe de aríete em tubulações, são uma carga dinâmica que a junta também recebe.
Movimentos que a junta absorve e o papel de ancoragens, guias e tirantes
A junta trabalha com três movimentos básicos. O axial é a compressão ou o alongamento no eixo do tubo, típico da dilatação em trecho reto.
O lateral é o deslocamento paralelo entre as duas pontas, sem perder o alinhamento entre elas.
O angular é a rotação de uma ponta em relação à outra, como uma dobra. O trabalho da UFRGS registra que cada projeto de junta atende a uma combinação desses movimentos, do axial puro à rotação em qualquer plano.
Para que a junta receba só o movimento previsto, a linha precisa de pontos de controle.
A ancoragem é um ponto fixo, que prende o tubo e não deixa nenhuma parte se mover. A guia é um suporte que deixa o tubo deslizar apenas na direção do eixo.
Segundo o material da UFPR, a junta deve ficar sempre entre duas ancoragens, com guias que garantem somente o movimento axial.
Os tirantes são barras que ligam os dois lados da junta e limitam a abertura do fole. Eles existem por causa do empuxo de pressão: a pressão interna tende a esticar a junta e empurra as ancoragens.
O artigo técnico sobre flexibilidade de tubulações do Petroblog recomenda prever dispositivos que impeçam a abertura exagerada do fole e tratar esse empuxo como carga sobre ancoragens e bocais.
Junta metálica de fole: inox, onda simples e dupla onda
A junta de expansão metálica tem como elemento flexível o fole, um tubo de parede fina conformado em ondas, também chamadas de corrugações.
Segundo a apostila da UFPR, por não ter gaxetas, ela não tem o vazamento típico das juntas deslizantes e pede menos manutenção.
Pode ser usada em serviço severo e com fluidos inflamáveis ou tóxicos. O risco principal, segundo o mesmo material, é a ruptura súbita do fole.
A versão mais comum é a junta de expansão inox. A especificação de juntas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, pede foles de inox em várias camadas para condensado e água quente.
A classe exigida é de 125 psi (cerca de 8,6 bar) e 500 °F (260 °C). Em serviço mais severo, o fole pode ser de liga de níquel.
A junta do duto de gás de combustão estudada na UFRGS tinha fole de Inconel 625 em duas camadas, com manômetro entre elas para sinalizar furo na camada interna. O número de ondas define quanto o fole absorve.
O cálculo de fadiga do fole parte do deslocamento por onda, segundo nota técnica do observatório LIGO baseada nas regras de projeto de foles.
Assim, dividir o movimento entre mais ondas reduz o esforço em cada uma. A junta de expansão dupla onda é indicada quando o curso calculado supera o que uma onda simples suporta com a vida útil exigida.
Há ainda variações de montagem. A UFPR cita a junta com dobradiças, para movimento angular num plano, e a cardânica, para movimento angular em qualquer plano.
A mesma apostila cita a junta dupla, que combina dois foles na mesma peça. O limite comum a todas é a vida útil em ciclos: a junta da UFRGS, projetada para cerca de 20 anos, furou em menos de cinco.
Junta para tubulação de cobre
Em instalações prediais e de utilidades com tubos de cobre, a junta acompanha o material da linha.
A especificação da Universidade de Michigan pede, para água quente em tubulação de cobre, fole de bronze fosforoso em duas camadas e extremidades de latão.
Todas as peças internas devem ser de metal não ferroso. Para o aquecimento com tubos aletados, a mesma especificação prevê elementos de bronze e trabalho a 100 psi, cerca de 6,9 bar.
A junta de expansão de cobre costuma ter extremidades para solda branda, rosca ou flange.
O documento de Michigan indica rosca, solda ou solda branda até 2 polegadas e flange acima de 2½ polegadas. A vantagem é a compatibilidade com o tubo de cobre e a montagem simples.
Por outro lado, a pressão prevista na especificação de Michigan para esse uso, 100 psi, é inferior aos 125 psi exigidos das juntas de inox.
Junta de borracha para bombas e vibração
A junta de borracha tem o elemento flexível feito de elastômero reforçado com tecido e, quando preciso, com anéis metálicos.
De acordo com o artigo da Fluid Sealing Association, associação norte-americana de fabricantes de vedações, ela absorve movimentos axial, lateral, angular e de torção.
O mesmo texto diz que ela absorve a vibração do equipamento rotativo e o ruído transmitido pelo fluido.
Por isso, a junta de borracha é instalada na sucção e no recalque de bombas, onde também compensa pequenos desalinhamentos de montagem.
O artigo da associação recomenda ligá-la a flanges de face plana e inteira, porque flanges com furação incompleta dificultam a vedação.
Quando o objetivo é só isolar a vibração de um equipamento, outra opção é a junta flexível.
O limite da borracha está na temperatura, na pressão e no ataque químico ao elastômero. A associação mantém um guia de elastômeros para juntas não metálicas, porque cada composto tem propriedades próprias.
Na prática, a faixa de trabalho vem da ficha do fabricante para aquele composto e não deve ser estimada pelo nome da borracha.
Comparação entre os tipos de junta de expansão
As faixas de temperatura apresentadas são apenas referências qualitativas e não devem ser consideradas limites fixos de operação.
Isso acontece porque a resistência térmica varia conforme o material utilizado, a composição da junta e as características construtivas de cada modelo.
A tabela resume os tipos apresentados:
| Tipo | Material do elemento flexível | Movimentos | Temperatura (qualitativa) | Aplicação típica |
|---|---|---|---|---|
| Metálica de onda simples | Inox ou liga de níquel | Axial; lateral e angular pequenos | Alta | Vapor, condensado, linhas de processo |
| Metálica dupla onda ou dupla | Inox em uma ou mais camadas | Axial e lateral, com curso maior | Alta | Trechos longos e grandes deslocamentos |
| Metálica com dobradiça ou cardã | Inox com articulação | Angular num plano ou em qualquer plano | Alta | Dutos e linhas com mudança de direção |
| Para tubulação de cobre | Bronze ou cobre, extremidades de latão | Axial | Moderada | Água quente e aquecimento predial |
| De borracha | Elastômero reforçado com tecido | Axial, lateral, angular e torção | Baixa a moderada | Sucção e recalque de bombas, água |
A comparação mostra que o tipo de junta deve ser definido primeiro pela temperatura e pelo fluido conduzido e, depois, pelo movimento que precisa absorver.
Uma junta de borracha pode isolar bem a vibração de uma bomba de água e, ainda assim, ser inadequada para uma linha de vapor.
Esses critérios também ajudam a comparar fornecedores de junta de expansão na Soluções Industriais, considerando as características técnicas de cada opção.
Como escolher a junta e o que pedir no orçamento
A escolha começa no projeto de flexibilidade da linha, que calcula os movimentos em cada ponto.
Neste contexto, o artigo do Petroblog recomenda somar os movimentos da tubulação aos de vasos e equipamentos ligados a ela e aplicar margem de segurança.
O cálculo deve considerar também as temperaturas extremas, mesmo eventuais. Não foi localizada norma ABNT específica para juntas de expansão de tubulação.
Na falta de norma brasileira, a referência usual é estrangeira: as EJMA Standards, da Expansion Joint Manufacturers Association, dos Estados Unidos, hoje na 11ª edição.
A especificação de Michigan exige conformidade com esse padrão, e você pode pedir que a proposta informe a edição usada no cálculo do fole.
Os dados de encomenda listados pela UFPR dão a base do pedido de orçamento. Informe o fluido, com suas propriedades e as condições de corrosão, abrasão ou erosão.
Inclua o diâmetro nominal e o material da tubulação, além da pressão e da temperatura de operação e de projeto, com as variações máximas e mínimas.
Acrescente a pressão de teste hidrostático, os movimentos calculados (axial, lateral e angular) e o número de ciclos previsto.
Defina também as extremidades, flangeadas, soldadas ou roscadas, e a classe de pressão do flange.
Por fim, diga se a junta precisa de tirantes, articulações ou camisa interna, que protege o fole do fluxo.
As extremidades devem casar com o restante da linha, e a lógica de classe de pressão das válvulas industriais vale também para a junta flangeada.
Com esses dados, as propostas de fornecedores de junta de expansão passam a ser comparáveis. A seleção final e a instalação em linha pressurizada passam por profissional habilitado.
