BRPI0707582A2

BRPI0707582A2 - juntas de vedação multicamadas de grafite flexìvel/metal adaptadas a condições de funcionamento a alta temperatura

Info

Publication number: BRPI0707582A2
Application number: BRPI0707582-0A
Authority: BR
Inventors: Alexandre Potier
Original assignee: Carbone Lorraine Composants
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2011-05-03
Also published as: JP2009526185A; WO2007093688A1; US7989049B2; US9140362B2; CN101415511B; ATE430023T1; EP1989013B1; CA2641679A1; CN101415511A; EP1989013B2; DE602007001032D1; ES2326702T5; US20070187907A1; FR2897299B1; EP1989013A1; ES2326702T3; FR2897299A1; US20120068414A1; CA2641679C

Abstract

JUNTAS DE VEDAçAO MULTICAMADAS DE GRAFITE FLEXìVEL/METAL ADAPTADAS A CONDIçõES DE FUNCIONAMENTO A ALTA TEMPERATURA A invenção refere-se a uma placa compósita feita por empilhamento alternado de (n+1) folhas de grafiteflexível e de (n) folhas de reforço metálicas perfuradas a alfinete (onde n 2), caracterizada pelo fato de que as espessuras das folhas de grafite flexível utilizadas são tais que qualquer segmento de espessura de 2 mm da placa compósita comporte pelo menos 3 camadas de grafite flexível e apresente uma massa de grafite por unidade de superfície de no máximo 2,34 kg/m2, e pelo fato de que, para cada uma das referidas folhas de reforço metálicas perfuradas, os furos de alfinete presentes na referida folha possuem uma altura em relação à superfície da referida folha que não ultrapassa 1,3 vezes a espessura da mais fina das camadas de grafite flexível à qual ela está ligada. Esta placa compósita permite a fabricação de juntas de vedação queresistem a temperaturas de até 550<198>C em regime permanente.

Description

"JUNTAS DE VEDAÇÃO MULTICAMADAS DE GRAFITE FLEXÍVEL/METALADAPTADAS A CONDIÇÕES DE FUNCIONAMENTO A ALTA TEMPERATURA"

Campo técnico da invenção

A presente invenção refere-se ao campo dafabricação de juntas de vedação planas feitas porempilhamentos alternados de grafite flexível e de folhasmetálicas perfuradas, capazes de suportar condições detemperatura elevada, superior a 300°C, por exemplo, semsofrer degradação de sua qualidade e isto mesmo sob tensõesde fixação da junta muito elevadas.

Estado da técnica

O grafite flexível é elaborado por expansãotérmica de grafite (o mais freqüente sob a forma depalhetas), no qual átomos ou moléculas foram inseridos emseguida a um ataque em meio ácido; o material assim obtidopossui uma massa específica muito pequena e possui apropriedade de se auto-aglomerar sem nenhum ligante porsimples efeito mecânico. Assim, obtém-se, por laminagem oucompressão, um material flexível ou semi-rígido sob a formade rolos ou placas.

As folhas de grafite flexível são utilizadas hámuito tempo para a fabricação de juntas de vedação planas.

Tais juntas de vedação planas são utilizadas, por exemplo,em instalações da indústria química ou petroquímica para otransporte de fluidos quentes e corrosivos, assim como nascentrais de produção de energia térmica ou nuclear para otransporte de vapor d'água sob pressão. A utilização de umajunta de vedação plana é ilustrada de maneira esquemáticana figura 1. Dois flanges metálicos (1, 2) ligam entre sidois condutos tubulares (5, 6) formando, assim, umacanalização. A fixação dos dois flanges metálicos (1, 2)por meio dos parafusos (3) situados na periferia damontagem, permite o pinçamento da folha de grafite flexível(4) agindo como junta de vedação. As características deflexibilidade e a capacidade de deformação do grafiteflexível permite que ele se conforme às superfícies emfrente aos flanges metálicos e garante uma boa vedaçãoentre o interior da canalização (a) e o meio externo (b) .As qualidades de estabilidade térmica e de grande inérciaquímica do grafite flexível, particularmente em relação alíquidos orgânicos ou ácidos fizeram dele o material deescolha em numerosas situações.

Três características são, dessa forma,determinantes para a qualidade das juntas de vedaçãoplanas: a aptidão a vedar (expressa sob a forma de uma taxade fuga medida em condições normalizadas), a temperaturamáxima de degradação dos materiais constituindo a junta e,enfim, a manutenção das características mecânicas daestrutura da junta na gama de. temperatura de utilização dosmateriais que a constituem. As características da juntadevem sempre permitir, por um lado, sua adaptação àssuperfícies contra as quais ela é comprimida e, por outrolado, sua resistência à fluência ou deformação (fluage)para manter, no curso do tempo e dos ciclos térmicos, apressão de fixação dos flanges, isto para garantir avedação com o passar do tempo.

Apesar de uma resistência à temperatura sob araté 500 0C mesmo 550°C para certas qualidades de grafiteflexível, as folhas de grafite flexível sofrem váriosinconvenientes. Elas são difíceis de manipular, elas serasgam relativamente facilmente, e é difícil de produzi-lasem grandes espessuras. Os produtores de folhas de grafiteflexível desenvolveram, assim, empilhamentos

multimateriais, em geral empilhamentos alternados de folhasde metal e de grafite flexível, a fim de tornar o empregodas juntas de vedação mais prático e de torná-las maisresistentes mecanicamente. É muito comum, hoje em dia,utilizar uma junta constituída de um empilhamento, tal comoaquele descrito na figura 2, onde duas folhas de grafiteflexível (10, 11) são ligadas a uma folha (inserto)metálica central (12). Essas juntas são pressionadas ousolicitadas igualmente no sentido paralelo às camadas queas compõem, devido a grandes tensões de compressão maldistribuídas sobre toda a superfície da junta; chama-seesse fenômeno de "pinçamento do flange". Elas podem, assim,apresentar um problema de fluência, notadamente a altatemperatura de funcionamento, quando a dilatação térmicadeforma a geometria do flange. A fluência é, então,suscetível de limitar sua duração de vida e a vedação dosistema do qual elas fazem parte.

Segundo esse princípio e para, principalmente,melhorar ainda a resistência mecânica da junta, numerosassoluções foram propostas. Contribuem para essas soluçõesempilhamentos de 3, 5, 7 camadas ou mais freqüente asespessuras da junta, diferentes materiais para as folhas dereforço (diferentes metais, folhas inteiras ou folhasperfuradas, até mesmo grades), e diferentes soluções paragarantir a ligação mecânica entre o grafite flexível e afolha de reforço. Dentre essas soluções de ligação, podem-se citar as duas principais tecnologias utilizadas: sejauma colagem, seja uma ancoragem ou fixação de meiosmecânicos de retenção nas folhas de grafite. Esses meiosmecânicos de retenção podem ser cúpulas ou furos dealfinete (picots) resultando da perfuração de uma chapafina ou folha metálica com o auxílio de uma ponta (vide opedido de patente FR 2 625 281 (Dana Corporation)).

Nessa associação de materiais de tipo folhas degrafite flexível ligadas a uma estrutura metálica rígida,as folhas de grafite flexível garantem a função dedeformabilidade/conformação às superfícies de contato e devedação, enquanto que os reforços metálicos oferecem avantagem de solidez do conjunto, e permitem, assim, umamanipulação facilitada (inclusive para juntas de grandesdimensões) e conferem ao conjunto uma resistência àfluência bem melhor.

Para fixar uma folha de grafite flexível sobreuma chapa ou folha metálica, pode-se utilizar,tradicionalmente, colas ou adesivos, mas estes não podemgarantir uma resistência mecânica além de 300°C. Aspatentes EP 616 884, US 5,509,993 e US 6,962,349 (SigriGreat Lakes Carbon AG) descrevem a utilização desubstâncias que modificam a interface entre o metal e ografite, mas que não são colas, tais como certos compostosorgano-silício, compostos perfluorados ou sabões metálicos.Esses produtos são promotores de adesão; eles devem seraplicados em uma espessura de alguns nanômetros. Fixa-se,assim, uma camada de metal sobre uma camada de grafite semcola por uma técnica de prensagem a quente, tipicamente auma temperatura compreendida entre 1500C e 3000C (vide US6,258,457 (SGL Technik GmbH)). Esta técnica é, no entanto,muito cara para se implementar visto que é pouco produtivae não garante uma resistência mecânica suficiente doconjunto além de 400°C.

Uma outra abordagem técnica utiliza meios deretenção mecânica, que se pode obter criando-se, na folhametálica, numerosas perfurações em forma de cúpula (vide opedido de patente europeu EP 0 640 782 A2 (Tako PayenS.p.a.), o pedido de patente francês 2 625 281 (DanaCorporation), a patente US 4,723,783 (Dana Corporation), apatente US 6,258,457 (SGL Tecnik GmbH)). No entanto, comoensina a patente US 5,509,993 citada acima, a perfuraçãodas chapas em cúpula induz tensões locais na chapa, o quepode conduzir a rupturas sob carga. Os empilhamentos defolhas de grafite flexível ligadas a chapas metálicasapresentam, no entanto, ainda alguns pontos fracos. Emprimeiro lugar, os reforços metálicos perfurados emespessuras de bandas superiores ou iguais a 100 ym tornammais difícil o corte das juntas, operação que permite obteras geometrias desejadas partindo de folhas planas. Paralimitar esse inconveniente, a prática comum consiste emlimitar o número de reforços metálicos perfurados eigualmente limitar sua espessura. Utiliza-se, tipicamente,um único reforço metálico, algumas vezes dois para umaespessura total de 3 mm, raramente mais de dois, e istounicamente para espessuras de juntas superiores a 3 mm. Asespessuras de bandas são mais freqüentemente próximas de100 microns.

Em conclusão, as soluções de ligação entrecamadas por colagem, por um lado, introduzem um elemento (acola) cuja resistência à temperatura é limitada. Alémdisso, elas impõem processos de produção mais delicados deimplementar do que a simples co-laminagem utilizada paraligar uma folha perfurada e uma folha de grafite flexível.

Por outro lado, existem também processos de montagem semcola, mas esses processos são igualmente complexos, uma vezque eles recorrem a processos de prensagem a quente, assimcomo à aplicação em espessura muito pequena de produtosquímicos que modificam â superfície.

Enquanto que a co-laminagem pode se conceberfacilmente como uma operação produzindo em contínuo um"sanduíche" de materiais, a colagem exigirá um revestimentode superfície, uma secagem e, o mais freqüente, sobretudopara as colas capazes de funcionar a temperaturas da ordemde 300°C, um tratamento térmico para estabilizar as colas.Esta seqüência de operações é ou efetuada poretapas sucessivas, ou por meio de uma seqüência complexa deequipamentos funcionando em continuo.

Em todo caso, a co-laminagem com uma chapaperfurada parece ser o processo de montagem continuo maiseconômico, mas apresenta inconvenientes importantes como adificuldade de corte por meios clássicos.

De uma maneira geral, quando a temperatura deutilização ultrapassa 400°C e as pressões dos fluidos avedar são muito grandes, as juntas planas cortadas emplacas compósitas à base de grafite flexível devem sersubstituídas por soluções mais seguras, porém mais caras;essas soluções são, no entanto, menos flexíveis em termodimensional, como as juntas espiraladas, as juntasestriadas e outras juntas metálicas.

Problema colocado

O problema ao qual tenta responder a presenteinvenção consiste, dessa forma, em propor um novo processode fabricação de placas e/ou juntas compostas de umempilhamento alternado de camadas de grafite flexível e defolhas de metal permitindo um corte fácil e uma produção emcontínuo fácil e econômica, e que apresente uma resistênciamecânica muito boa até em temperaturas e pressõesinacessíveis até hoje às juntas de flange planas,garantindo uma vedação de acordo com os novos padrõesvisando a limitar as emissões fugitivas de gasesecologicamente perigosos para a atmosfera.

Objetos da invenção

O objeto da presente invenção é uma placacompósita feita por empilhamento alternado de (n + 1)folhas (10, 11) de grafite flexível e de (n) folhas dereforço metálicas perfuradas a alfinetes, de maneira que aprimeira e a última folha do referido empilhamentoalternado sejam folhas de grafite flexível,

a referida placa compósita sendo caracterizadapelo fato de que:

<formula>formula see original document page 8</formula>

b) as espessuras das folhas de grafite flexívelutilizadas podem ser iguais ou diferentes, e são tais quequalquer segmento de espessura de 2 mm da placa compósita:

(i) comporte pelo menos 3 camadas degrafite flexível,

(ii) apresente uma massa de grafite porunidade de superfície de no máximo 2,34 kg/m3;

c) para cada uma das referidas folhas de reforçometálicas perfuradas, os furos de alfinete presentes nareferida folha possuem uma altura em relação à superfícieda referida folha que não ultrapassa 1,3 vezes a espessurada mais fina das camadas de grafite flexível à qual elaestá ligada.

Um outro objeto é uma junta de vedação plana,produzida por corte de uma placa de acordo com a invenção.

Ainda um outro objeto é a utilização de uma taljunta a uma temperatura não ultrapassando 6000C e,preferencialmente, a uma temperatura compreendida entre35°C e 550°C e, ainda mais preferencialmente, a umatemperatura compreendida entre 400°C e 500°C.

Descrição das figuras

A figura 1 mostra o esquema de uma junta devedação plana. A letra (a) indica o interior dacanalização, a letra (b) indica o meio externo.

A figura 2 mostra o esquema de um empilhamento dotipo grafite flexível/inserto metálico flexível/insertometálico/grafite/grafite flexível.A figura 3 mostra, de maneira esquemática, umcorte transversal através de uma placa compósita de acordocom a invenção.

A figura 4 mostra a taxa de fuga observada quandode um ensaio normalizado a 3000C para juntas de umaespessura de 2 mm cortadas em placas compósitas deestruturas diferentes (número de folhas metálicas, trêsvalores diferentes para a densidade do grafite).

A figura 5 mostra a disposição das perfurações dachapa metálica para uma realização de acordo com ainvenção. As dimensões são dadas em milímetros.

Descrição detalhada da invenção

De acordo com a invenção, o problema é resolvidopor uma placa facilmente cortável em uma junta plana queapresenta, à temperatura ambiente, características deresistência à pressão de fixação similares, até superiores,às montagens multicamadas clássicas, mas que guardaexcelentes características mecânicas até temperaturaspróximas do limite de degradação dos materiais (grafiteflexível e metal). Enquanto que as montagens estruturaisconhecidas com ou sem cola não podem ultrapassarrazoavelmente uma temperatura de 400°C, o produto de acordocom a invenção permite manter essas propriedades mecânicasaté a temperatura de oxidação do grafite.

Uma folha de grafite flexível conhecida do tipoPapyex® 1600° convém para fabricar o produto de acordo coma invenção.

Utilizando uma folha do tipo Papyex® 1600°, estainvenção produz, de pelo menos 100°C a 150°C, apossibilidade de utilização de juntas planas de grafiteflexível para vedar sistemas a altas pressões de fluido.

A estrutura da montagem de acordo com a invençãopermite igualmente, por um depósito de pequena espessura deum agente funcionalizante sobre cada interface entre ometal e o grafite, funcionalizar cada interface entre ometal e o grafite sem prejudicar, por isso, a excelenteresistência mecânica da referida estrutura multicamada.

O principio da invenção consiste em ligar, porancoragem mecânica, folhas de grafite flexível e folhasmetálicas finas perfuradas a alfinete. A particularidade dasolução proposta utiliza a combinação dos seguintes meios:

(a) A placa compósita compreende (2n + 1) camadasalternadas das quais (n + 1) camadas de grafite flexível eη camadas de metal, com η > 2. As camadas externas sãocamadas de grafite flexível. Assim, uma realização com η =2 mostra o seguinte empilhamento:

grafite flexível/folha de reforço/grafiteflexível/folha de reforço/grafite flexível.

A espessura das folhas de grafite flexível podeser igual ou diferente; da mesma forma, sua densidade podeser igual ou diferente.

(b) As folhas de reforço metálico são folhas cujaespessura individual não ultrapassa 60 microns. A naturezae a espessura das folhas de reforço metálico podem seriguais ou diferentes. O material das referidas folhas dereforço metálicas é selecionado do grupo composto de: aço,aço inoxidável, níquel, ligas de níquel, alumínio, ligas dealumínio, cobre, ligas de cobre.

(c) As folhas metálicas são perfuradas de maneiraa produzir furos de alfinete de pequena altura, tipicamenteuma altura não ultrapassando 8 60 microns em relação aoplano da folha. Além disso, os furos de alfinete penetrammal em um grafite flexível de densidade lg/cm3 quando daetapa de montagem por co-laminagem. A fixação da folha degrafite flexível sobre o inserto perfurado a alfinete não éentão mais suficiente para garantir desempenhos mecânicosótimos. A figura 5 mostra um modo de realização para umafolha metálica perfurada que pode ser utilizada no campo dapresente invenção.

Esta perfuração da folha metálica pode serefetuada com uma agulha redonda apresentando quatro lados:quando ela penetra o metal, ela faz um furo quebrando achapa em quatro lados que são, em seguida, dobrados nosentido de avanço da agulha. Assim, obtém-se um furo dealfinete que apresenta tipicamente quatro pontas cujaaltura teórica é no máximo a metade do diâmetro do furo. Afigura 5 mostra a disposição dos furos em uma folha de açoinoxidável 316 de espessura 50 μπι de acordo com um modo derealização da presente invenção. Para obter, na seqüência,uma estrutura multicamada facilmente cortável esuficientemente resistente mecanicamente, utiliza-se umafolha metálica de aço inoxidável de espessura idealmentecompreendida entre 40 e 60 ym. O diâmetro do furo estávantajosamente compreendido entre 0,8 e 1,72 mm.

(d) As espessuras das folhas de grafite flexívelsão limitadas de tal sorte que o número de camadas degrafite não seja inferior a cerca de 1,5 por milímetro deespessura da estrutura total antes da compressão entreflanges.

A limitação das espessuras das folhas de reforçoa 60 microns ou menos permite conservar uma grandefacilidade de corte das. juntas a partir de superfíciessólidas, contrariamente ao que se pratica com reforçosmúltiplos de maiores espessuras. A solução proposta permitecortar formas com ferramentas simples tais como: saca-bocados, guilhotina, lâmina cortante. As soluçõestradicionais baseadas no emprego de folhas de 100 micronsde espessura ou mais requerem o emprego de técnicas maissofisticadas, tais como o corte a jato d'água, ou o emprego-de ferramentas rotativas em tais estruturas multicamadas.Esta facilidade de emprego é uma vantagem apreciável paraos cortadores de juntas" em termos de economia e deflexibilidade de operações.

Em um modo de realização particular, a placacompósita de acordo com a invenção é caracterizada pelofato de que as folhas de grafite flexível são todas de umaespessura inferior a 0,6 mm e apresentam, todas, umadensidade máxima de 1,3 g/cm3.

Em um outro modo de realização particular, quepode ser combinado com o precedente, a placa compósita deacordo com a invenção é caracterizada pelo fato de que asfolhas de grafite flexível situadas sobre as faces superiore inferior do empilhamento são feitas com grafite flexívelcuja densidade é inferior àquela da outra ou das outrasfolhas de grafite.

Em ainda um outro modo de realização particular,a placa compósita de acordo com a invenção é caracterizadapelo fato de que a densidade das folhas de grafite situadassobre as faces externas do empilhamento não ultrapassa 0,7g / cm3.

A invenção apresenta numerosas vantagens. Aprimeira vantagem diz respeito ao processo de fabricação daplaca compósita: não há necessidade de cola ou outroligante. A cola ou o ligante são elementos fracos para autilização prolongada a alta. temperatura: não existe colaque possa ser utilizada,, na prática industrial, de maneiraprolongada a temperaturas superiores a 300°C, enquanto quea montagem de acordo com o processo descrito pela patenteUS 6,258,457 não permite uma utilização prolongada além de400 °C.

A segunda vantagem diz respeito à qualidade dafixação mecânica entre as camadas: a fixação mecânica deacordo com a invenção reduz fortemente os riscos defluência das folhas de grafite flexível devido a umaestrutura de manutenção em três dimensões, mesmo em caso defixação excessiva dos flanges. Essa fluência no sentidoparalelo às camadas pode ocorrer entre duas camadas ou nointerior de uma camada de grafite. Ela conduz geralmente aum relaxamento das tensões de fixação da junta, até mesmo àdestruição total da junta.

Nas condições de um ensaio normalizado cujosdetalhes são descritos no exemplo 2, ocorre que uma juntacircular (n = 3) de espessura de 2 mm, de diâmetro externode 92 mm e de diâmetro interno de 4 9 mm apresenta umaresistência mecânica à fluência até uma pressão de basesobre a junta superior a 200 MPa, preferencialmentesuperior a 230 MPa e ainda mais preferencialmente superiora 250 MPa. Nas mesmas condições de ensaio normalizado,mede-se uma taxa de fuga inferior a IO"4 mb*s/s*m, epreferencialmente inferior a 5.IO"5 mb*l/s*m.

A terceira vantagem diz respeito à resistência àtemperatura do complexo compósito de acordo com a invenção.

A solução de fixação'por ancoragem de acordo com a invençãopermite realizar estruturas multicamadas com propriedadesmecânicas equivalentes, . até mesmo superiores àquelashabitualmente oferecidas no mercado a partir de insertosplanos colados de 50 microns de espessura (Sigraflex® HD ePapyex® HP). Ela acrescenta a essas estruturas existentes,além de uma tensão de fixação máxima admissívelequivalente, até mesmo superior à temperatura ambiente, umamanutenção bem melhor dessa característica mecânica aquente até 5500C em contínuo (6000C em pico) quando secorta com o tipo de grafite flexível Papyex® 1600° ou até5000C para o tipo padrão Papyex® 1980.. Uma junta compósitade acordo com a invenção pode ser utilizada a umatemperatura compreendida entre 450°C e 550°C por umaduração acumulada superior a 24 horas.

Enfim, o processo de ancoragem mecânica é bemmais simples de realizar do que os processos de montagemconhecidos, com ou sem cola ou ligante. Ele permite obtercustos de fabricação reduzidos.

A única restrição, imposta pela presença defolhas de grafite flexível de pequena espessura naestrutura, consiste em manter a altura dos furos dealfinete resultantes da perfuração do metal a alturaspequenas. A altura de um furo de alfinete abaixo da folhametálica deve ser inferior a 1,3 vezes a espessura dasfolhas de grafite flexível a agrafar. Além deste valor,observa-se, quando das operações de co-laminagem,rasgamentos de folhas e/ou a presença de zonas onde ascamadas são mal ou pouco ligadas entre si, comprometendo aintegridade mecânica das juntas cortadas "a cavalo" sobreesses defeitos.

Pode-se constatar que a combinação de todos essesmeios conduz a um resultado novo e vantajoso: placascompósitas que podem ser produzidas a baixo custo segundoprocessos contínuos simples, que podem ser cortadas com umagrande facilidade para obter as formas de juntas desejadas,que não contêm nenhuma cola ou elemento frágiltermicamente, e que, uma vez cortadas, darão juntas que sãoao mesmo tempo muito produtivas em termos de vedação emecanicamente insensíveis às temperaturas de utilização atéque essas não atinjam valores onde começa a oxidação dasfolhas de grafite flexível (aproximadamente 500°C, atémesmo 550°C).

Uma outra vantagem importante da presenteinvenção implica a possibilidade de modificar a interfaceentre o grafite flexível e o inserto de metal, sem paratanto degradar a resistência mecânica a quente da montagem.O inventor descobriu que um depósito de substâncias mesmosuscetíveis de se degradar em temperatura não prejudicariaa resistência mecânica da junta de acordo com a estruturamulticamada com furos de alfinete descrita desde que aespessura deste depósito sobre o inserto não ultrapasse 10μm. Vantajosamente, esta funcionalização pode serselecionada entre o grupo composto de:

(a) depósito de uma camada de borracha denitrila,

(b) depósito de uma camada ou folha depoliolefina,

(c) depósito de uma camada ou folha de polímerofluorado,

(d) depósito de uma camada ou folha de polímerofluorado elastomérico termoplástico.

A título de exemplo, o inventor aplicou umaligeira camada de adesivo (tipo 3M75) sobre a interfacegrafite-metal. Esta camada permite tornar ainda mais fácilo corte de juntas cuja largura de pista é inferior a 10 mmsem risco de delaminagem quando do puncionamento.

O inventor aplicou esse princípio a um inserto dealumínio perfurado a baixo custo. Para evitar qualquerrisco de corrosão galvânica do inserto em contato com ografite, o inserto foi protegido por cataforese de umacamada fina de tinta anti-corrosão. As propriedadesmecânicas da junta assim fabricada permanecem equivalentesàquela da estrutura virgem isentando dos problemas decorrosão galvânica ligada à utilização de inserto metálicoa baixo custo (aço macio, alumínio, ...).

No campo da presente invenção, o inventorrealizou outras modificações da interface grafite-metalpodendo melhorar a vedação das juntas sem para; tantodegradar-lhe a resistência mecânica graças à presença deuma ancoragem mecânica como descrito acima. Assim, amodificação da interface de acordo com a invenção podeenvolver outros agentes funcionalizantes, tais como ospolímeros termoplásticos (poliolefinas, PTFE, . ..), oselastômeros termoplásticos (borrachas de nitrilas, etc...).

O inventor constatou que, à espessura total iguale à pressão de fixação entre flanges iguais, uma juntapreparada a partir de uma placa compósita de acordo com ainvenção obtém níveis de vedação ainda mais elevados porqueo empilhamento compreende camadas e, por conseqüência,interfaces funcionalizadas. Esse resultado é ilustrado pelacurva fornecida na figura 4. Assim, para uma junta deespessura total de 2 mm, um empilhamento de 3 camadas degrafite flexível de densidade próxima de 1 g/cm3 e de 2camadas de metal com as espessuras:

0,65 mm/0,05 mm/0,6 mm/0,05 mm/0,65 mmobterá, à pressão de fixação igual, um grau devedação significativamente melhor do que um empilhamento detrês camadas do mesmo grafite flexível e de uma camada domesmo metal com as espessuras:

0,90 mm/0,05 mm/0,90 mm,

todas as coisas.iguais além disso (mesma naturezadas folhas de reforço, mesma técnica de fixação, mesmanatureza das folhas de grafite flexível e de metal, àespessura próxima).

A invenção permite realizar juntas apresentandouma tensão máxima admissível QSmax, determinada de acordocom a norma EM 13555. a 400°C, superior a 180 MPa, epreferencialmente superior a 190 MPa. Em. um modo particularde realização, pelo menos uma das faces externas da junta érevestida de um revestimento anti-adesivo.A invenção será melhor compreendida com o auxiliodos exemplos, que não têm, no entanto, caráter limitativo.

Exemplos

Exemplo 1:

Foi feita uma placa compósita empilhando-se, demaneira alternada, quatro folhas de grafite flexívelproduzido pela sociedade Carbone Lorraine, tipo Papyex®1600°, densidade 1 g/cm3, espessura 0,5 mm (folhasaprovisionadas em rolos de 1 m de largura e 300 m decomprimento) , e três folhas de aço inoxidável, tipo 316,espessura 50 microns, perfurações por furos de diâmetro 1,2mm distribuídos de forma homogênea com uma densidade de 4perfurações por cm2, e uma altura dos furos de alfineteresultantes das perfurações de 650 microns abaixo do planodas folhas (folhas de 1 m de largura e 300 m de comprimentoaprovisionadas em bobinas). A espessura final da junta tem2 mm.

Após uma manutenção a 5500C durante 4 8 horas dajunta sob uma pré-tensão de 20 MPa, a medida da tensãomáxima admissível QSmax a 550°Ç dá um valor próximo de 200MPa de acordo com a norma EM 13555.

Exemplo 2:

Foi feita uma placa compósita empilhando-se, demaneira alternada, quatro folhas de grafite flexívelproduzido pela sociedade Carbone Lorraine, tipo Papyex®1980, densidade 1 g/cm3, espessura 0,5 mm (folhasaprovisionadas em rolos de 1 m de largura e 300 m decomprimento) , e três folhas de aço inoxidável, tipo 316,espessura 50 microns, perfurações por furos de diâmetro 1,2mm distribuídos de forma homogênea com uma densidade de 4perfurações por cm2, e uma altura dos furos de alfineteresultantes das perfurações de 650 microns abaixo do planodas folhas (folhas de 1 m de largura e 300 m de comprimentoaprovisionadas em bobinas). Essas folhas de aço sãorevestidas dos dois lados de uma espessura de 5 μπι deborracha de nitrila.

Placas compósitas foram feitas por co-laminagemem continuo de sete camadas (4 camadas de grafite flexível,3 camadas metálicas perfuradas), com uma espessura total decerca de 2 mm. Na saída da co-laminagem, os produtos sãoconservados em planicidade e cortados em placas dedimensões 1 m χ 1 m.

Algumas dessas placas foram cortadas em juntascirculares com o auxílio de simples saca-bocados. Uma taljunta de diâmetro externo 92 mm e de diâmetro interno 49 mm(espessura total 2 mm) foi caracterizada nas condiçõesseguintes de acordo com o padrão VDI 2440:

- fixação entre flanges normalizados forma EDN4 0/PN4 0 de acordo com DIN 2635;

- pressão específica exercida sobre as faces dajunta: 30 MPa;

- ciclagem térmica do conjunto junta/flange: 1vez entre 25°C e 300°C;

- manutenção a 3000C durante 48 h;medida da taxa de fuga com o conjuntojunta/flange: pressão de hélio no interior dos flanges de 1 bar.

A taxa de fuga medida foi de 6.10"5 mb*l/s*m.

A título de comparação, foi fabricada uma placacompósita a partir de um empilhamento dos mesmos materiais,mas com 3 camadas somente cujas espessuras eram asseguintes: 1 mm/0,1 mm/l. mm.

A taxa de fuga, medida para uma junta de mesmasdimensões e nas mesmas condições operatórias, foi de 2.10 3mb*l/s*m.A forte resistência mecânica à fluência nosentido paralelo às camadas até 250 MPa em pressão de basesobre a junta para este tipo de junta com estruturamulticamada é conforme àquela que se mede sobre estruturasequivalentes fabricadas a partir de uma montagem sucessivade banda plana colada sobre folhas de grafite flexível.

No entanto, percebeu-se que a junta de acordo coma invenção guarda esta resistência à fluência até umatemperatura de 5000C em funcionamento contínuo e ao ar,enquanto que uma junta sem fixação mecânica de acordo com oestado da técnica mostra uma fluência significativa atemperaturas mais fracas.

A medida da tensão máxima admissível QSmax a 4000Cdá um valor próximo de 200 MPa de acordo com a norma 13555.

Esta medida ultrapassa as medidas habituais emmontagens de acordo com o estado da técnica. Os valores deQSmax a 400°C não ultrapassam, dessa forma, os 150 MPa.

Exemplo 3:

As estruturas multicamadas clássicas (tais como:Sigraflex Select e HD, ou Papyex® HP) não permitem, alémdisso, combinar uma vedação em conformidade com o padrãoVDI 24 4 0 (TA Luft) com uma tal resistência mecânica a altatemperatura e um alto desempenho mecânico sem adição de umanel metálico vedando o segmento interno da junta comodescrito na patente US 6,962,349.

0 corte na dimensão da junta na placa pelousuário não permite, dessa forma, garantir o nível de fugada junta cortada requerido pela regulamentação semconhecimento do processo de adição do referido anel.

Pode-se, no entanto, notar que a estrutura deacordo com a nossa invenção combinada com o referido anelmetálico permite obter resultados em conformidade com anorma VDI 2550 (TA Luft) mesmo sem a adição de agentesfuncionalizantes e isto apesar do fato de que todas ascamadas metálicas são perfuradas, contrariamente ao que édescrito em US 6,962,349.

A taxa de fuga medida foi de 8,9 · 10^5 mb*l/s*msobre uma estrutura multicamada de 2 mm de espessuracomportando 3 reforços metálicos perfurados do mesmo tipoque nos exemplos precedentes. 0 grafite das camadasexternas é de Papyex® 1980 de espessura 0,5 mm e densidade0,7 g/cm3 enquanto que as camadas internas têm umadensidade de 1,1 g/cm3 para uma espessura de 0,6 mm.

Exemplo 4:

É feita uma placa compósita de acordo com ainvenção empilhando-se, de maneira alternada, seis folhasde grafite flexível produzido pela sociedade CarboneLorraine, tipo Papyex® N998, densidade lg/cm3, espessura0,5 mm (folhas aprovisionadas em rolos de 1 m de largura e300 m de comprimento), e cinco folhas de aço inoxidável,tipo 316, espessura 50 microns (folhas de 1 m de largura e300 m de comprimento aprovisionadas em bobinas). As folhasde aço comportavam perfurações,por furos de diâmetro 1,2 mmdistribuídos de forma homogênea com uma densidade de 4perfurações por cm2; a altura dos furos de alfineteresultantes das perfurações era de 650 microns abaixo doplano das folhas.

Placas compósitas foram feitas por co-laminagemem contínuo de onze camadas (6 camadas de grafite flexível,5 camadas metálicas perfuradas), com uma espessura total decerca de 3 mm. Na saída da co-laminagem, os produtos foramconservados em planicidade e cortados em placas dedimensões 1 m χ 1 m.

3 juntas de grande diâmetro 54 0 mm para oexterior e 406,5 mm para o interior, cortadas a partirdessas placas compósitas, foram comprimidas sob uma pressãode base de 120 MPa. Submetem-se essas juntas a umamanutenção a temperatura de 3500C durante 2 h. Foi medida,após o retorno à temperatura ambiente, a variação relativade espessura Ae/e e a variação relativa de superfície As/s.

Isto permite avaliar sobre critérios geográficos a fluênciaa quente das juntas.

Os resultados são consignados no quadro a seguir:

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Nessas condições de fixação e de temperatura eapesar dos efeitos da dilatação diferencial entre asdiferentes camadas de grafite e de metal, essa junta degrande dimensão resiste perfeitamente ao fenômeno defluência.

Nenhuma junta plana à base de grafite flexívelatinge valores tão pequenos. A maior parte terá uma Ae/e >10% e uma As/s > 5%.

A ancoragem mecânica das diferentes camadasoferece, dessa forma, uma resistência mecânica superior aesse produto em relação, às outras soluções existentes eisto, sobretudo, a temperaturas superiores a 350°C.

Claims

1. Placa compósita feita por empilhamentoalternado de (n + 1) folhas (10, 11) de grafite flexível ede (n) folhas (20) de reforço metálicas perfuradas aalfinetes, de maneira que a primeira e a última folha doempilhamento alternado sejam folhas de grafite flexível,a placa compósita sendo caracterizada pelo fatode que:a) η > 2;b) as espessuras das folhas de grafite flexívelutilizadas podem ser iguais ou diferentes, e são tais quequalquer segmento de espessura de 2 mm da placa compósita:(i) comporte pelo menos 3 camadas degrafite flexível,(ii) apresente uma massa de grafite porunidade de superfície de no máximo 2,34 kg/m3;c) para cada uma das folhas de reforço metálicasperfuradas, os furos de alfinete presentes na folha possuemuma altura em relação à superfície da folha que nãoultrapassa 1,3 vezes a espessura da mais fina das camadasde grafite flexível à qual ela está ligada.

2. Placa compósita, de acordo com a reivindicação-1, caracterizada pelo fato de que as folhas de grafiteflexível são, todas, de uma espessura inferior a 0,6 mm eapresentam, todas, uma densidade máxima de 1,.3 g/cm3.

3. Placa compósita, de acordo com a reivindicação-1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as folhas de grafiteflexível situadas sobre as faces superior e inferior doempilhamento são feitas com grafite flexível cuja densidadeé inferior àquela da outra' ou das outras folhas de grafite.

4. Placa compósita, de acordo com a reivindicação-1 ou 3, caracterizada pelo fato de que a. densidade dasfolhas de grafite situadas sobre as faces externas doempilhamento não ultrapassa 0,7 g/cm3.

5. Placa compósita, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de quecomporta adicionalmente pelo menos uma interfacemetal/grafite funcionalizada de uma espessura inferior a 10pm.

6. Placa compósita, de acordo com a reivindicação-5, caracterizada pelo fato de que a funcionalização éselecionada dentre o grupo composto de:(a) depósito de uma camada de borracha denitrila,(b) depósito de uma camada ou folha depoliolefina,(c) depósito de uma . camada ou folha de polímerofluorado,(d) depósito de uma camada ou folha de polímerofluorado elastomérico termoplástico.

7. Placa compósita, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que omaterial das folhas de reforço metálicas é selecionado dogrupo composto de: aço, aço inoxidável, níquel, ligas deníquel, alumínio, ligas de alumínio, cobre, ligas de cobre.

8. Placa compósita, de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de quesua espessura é de cerca de 2 mm, e pelo fato de quepermite, por corte, produzir uma junta circular de diâmetroexterno de 92 mm, de diâmetro interno de 4 9 mm queapresenta uma resistência à fluência paralela às camadasaté uma pressão de base sobre a junta superior a 200 MPa,preferencialmente superior a 230 MPa e ainda maispreferencialmente superior a 250 MPa, determinada nasseguintes condições:fixação entre flanges normalizados forma EDN4 0/PN4 0 de acordo com DIN 2635;- pressão especifica exercida sobre as faces dajunta: 30 MPa;- ciclagem térmica do conjunto junta/flange: 1vez entre 25°C e 300°C;- manutenção a 3000C durante 48 h;- medida da resistência mecânica QSmax de acordocom a norma EM 13555.

9. Placa compósita, de acordo com a reivindicação-8, caracterizada pelo fato de que, nas condições indicadas,a junta apresenta uma taxa de fuga, medida com o conjuntojunta/flange a uma pressão de hélio no interior dos flangesde 1 bar, inferior a IO"4 mb*l/s*m, e preferencialmenteinferior a 5.IO"5 mb*l/s*m.

10. Junta de vedação plana, produzida por cortede uma placa como definida em qualquer uma dasreivindicações 1 a 9.

11. Junta circular de vedação cortada em umaplaca compósita como definida na reivindicação 9,caracterizada pelo fato de que sua resistência à fluênciaparalela às camadas é superior a 200 MPa, preferencialmentesuperior a 230 MPa e ainda mais preferencialmente superiora 250 MPa, determinada sobre uma junta de espessura de 2mm, de diâmetro externo de 92 mm, de diâmetro interno de 49mm em pressão de base sobre a junta nas seguintescondições:fixação entre flanges normalizados forma EDN40/PN40 de acordo com DIN 2635;- pressão especifica exercida sobre as faces dajunta: 30 MPa;- ciclagem térmica do conjunto junta/flange: 1vez entre 25°C e 300°C;- manutenção a 300°C durante 48 h;- medida da resistência mecânica QSmax de acordocom a norma EM 13555.

12. Junta de vedação, de acordo com uma dasreivindicações 10 ou 11, caracterizada pelo fato de quepelo menos uma de suas faces externas foi revestida de umrevestimento anti-adesivo.

13. Junta de vedação, de acordo com qualquer umadas reivindicações 10 a 12, caracterizada pelo fato de queapresenta uma tensão máxima admissível QSmax, determinada deacordo com a norma EM 13555 a 400°C, superior a 180 MPa, epreferencialmente superior a 190 MPa.

14. Utilização de uma junta como definida emqualquer uma das reivindicações 10 a 13 a uma temperaturanão ultrapassando 600°C, e preferencialmente a umatemperatura compreendida entre 3500C e 5500C, e ainda maispreferencialmente a uma temperatura compreendida entre-400 0C e 500 0C.

15. Utilização de uma junta como definida emqualquer uma das reivindicações 10 a 14 a uma temperaturacompreendida entre 4500C e 550°C por uma duração acumuladasuperior a 24 horas.