UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CAMPUS DE BLUMENAU - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
Fernando Tetsui Nascimento Arakaki
Avaliação do polidimetilsiloxano e graxa à base de silicone para selagem em motores elétricos à prova de explosão
Blumenau Dezembro, 2020
2 Fernando Tetsui Nascimento Arakaki
Avaliação do polidimetilsiloxano e graxa à base de silicone para selagem em motores elétricos à prova de explosão
Trabalho apresentado ao curso de graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina Campus Blumenau como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais.
Orientadora: Profa. Dra. Cláudia Merlini
Blumenau
4 Fernando Tetsui Nascimento Arakaki
Avaliação do Polidimetilsiloxano e graxa à base de silicone para selagem em motores elétricos à prova de explosão
Este trabalho de graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pela Comissão Examinadora e pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais na Universidade Federal de Santa Catarina.
Blumenau, 18/12/2020
Fernando Tetsui Nascimento Arakaki Acadêmico
Banca Examinadora:
Profª. Drª. Cláudia Merlini Presidente/Orientadora
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Dr. Leonardo Ulian Lopes Avaliador
Universidade Federal de Santa Catarina
Me. Carolina Croceta Bombazar Avaliadora
Este trabalho é dedicado aos meus queridos pais, colegas de trabalho e orientadores.
6 AGRADECIMENTOS
Aos meus queridos pais por todo esforço, amor e apoio que me deram durantes todos estes anos. Essa conquista também é deles.
À Universidade Federal de Santa Catarina Campus Blumenau pelo aprendizado imensurável que estes anos me trouxe, que são repassados não apenas para mim, mas para todos os graduandos e pós graduandos. Tenho um grande orgulho de ter iniciado a graduação neste campus, em que tive o prazer de ter aulas com professores incríveis e tenho a total certeza que o investimento depositado nestes professores são recompensados com graduandos para fomentar diversos campos do mercado de trabalho .
À minha professora orientadora Dra. Cláudia Merlini, esteve disposta em ajudar em todos os momentos, não apenas na colaboração com o trabalho, mas também com apoio durante toda a graduação, ajudando todos os graduandos de maneira excepcional com conhecimentos técnicos, conhecimentos industriais e instruções para realização deste trabalho.
À Deus por estar sempre comigo e me guiar em conhecer pessoas incríveis durante a minha trajetória profissional.
RESUMO
Cada vez mais exigências têm sido observadas no que diz respeito aos procedimentos e normas para uso de motores elétricos em atmosferas explosivas. Deste modo, são exigidos diversos ensaios aplicados às atmosferas explosivas, assim, o número de estudos reportando arranjos, flanges e invólucros de artefatos expostos a estas circunstâncias tem aumentado. Por conseguinte, os invólucros internos dos motores elétricos à prova de explosão são projetados com características de resfriamento das passagens de chama, o qual é um procedimento muito conhecido e especificado na norma IEC 60079-1. Porém, o estudo da pressão da explosão não é um assunto totalmente elucidado, em que grandes volumes internos e geometria diversas podem causar o aumento da pressão da explosão, causando o estrangulamento das passagens de chama. Buscando contornar essa situação, neste trabalho foi realizado um estudo para aprimorar os invólucros dos motores elétricos à prova de explosão com o preenchimento do polidimetilsiloxano vulcanizável em temperatura ambiente ou uma graxa à base de silicone para selagem da caixa de ligação. Foi avaliado os comportamentos dos materiais propostos, com o intuito de reduzir a pressão de explosão da substância inflamável. Dentro desse contexto, foram selecionados dois elastômeros diferentes (silicones de cura em temperatura ambiente com catalisadores diferentes) e uma graxa de silicone, de modo a avaliar os seus comportamentos em ensaios aplicáveis aos motores elétricos para uso em atmosferas explosivas. Inicialmente, foram realizados análises comparativas entre os materiais e posteriormente avaliados os desempenhos elétricos e térmicos (resistência de isolamento, índice de polarização, e ensaio de envelhecimento), mediante a ensaios aplicáveis aos motores elétricos à prova de explosão. De acordo com os resultados obtidos, a graxa à base de silicone apresentou melhores resultados elétricos, tornando-a aplicável para executar o preenchimento de regiões de invólucros com a função de selagem da passagem da chama, nos motores elétricos com risco de acúmulo de mistura de gás explosivo.
Palavras-chave: Atmosfera explosiva. Motores elétricos à prova de explosão.
8 ABSTRACT
More requirements have been observed regarding procedures and standards for the use of electric motors in explosive atmospheres. Thus, several tests applied to explosive atmospheres are required, thus, the number of studies reporting arrangements, flanges and casings of artifacts exposed to these circumstances has increased. Therefore, the internal casings of the explosion-proof electric motors are designed with cooling characteristics of the flame passages, which is a well-known procedure and specified in the IEC 60079-1 standard. However, the study of explosion pressure is not a fully elucidated subject, in which large internal volumes and diverse geometry can cause the explosion pressure to increase, causing strangulation of the flame passages. In order to get around this situation, a study was carried out in this work to improve the casings of explosion-proof electric motors with the filling of vulcanizable polydimethylsiloxane at room temperature or a silicone-based grease for sealing the connection box. The behavior of the proposed materials was evaluated in order to reduce the explosion pressure of the flammable substance. Within this context, two different elastomers (curing silicones at room temperature with different catalysts) and a silicone grease were selected in order to evaluate their behavior in tests applicable to electric motors for use in explosive atmospheres. Initially, comparative analyzes were performed between the materials and subsequently evaluated the electrical and thermal performances (insulation resistance, polarization index, and aging test), by means of tests applicable to explosion-proof electric motors. According to the results obtained, the silicone-based grease showed better electrical results, making it applicable to fill regions of envelopes with the function of sealing the flame passage, in electric motors with risk of accumulation of mixture of explosive gas.
Keywords: Explosive atmosphere. Explosion proof motors electric. Silicone RTV. Silicone Grease.
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Triângulo do Fogo ... 16
Figura 2. Passagem da chama no invólucro Ex db ... 22
Figura 3. Nomas e Sistemas Regionais para Atmosfera Explosiva... 24
Figura 4. Incremento de material isolante para reduzir a passagem da chama. ... 26
Figura 5. Exemplo de Pressão de Explosão ... 27
Figura 6. Ensaio de Propagação ... 36
Figura 7. Fluxograma dos Ensaios realizados ... 38
Figura 8. Plano de Amostragem 1 ... 39
Figura 9. Plano de Amostragem 2 ... 39
Figura 10. Plano de Amostragem 3 ... 40
Figura 11. Plano de Amostragem 4 ... 40
Figura 12. Sistema de medição para comparação entre as amostras. ... 40
Figura 13. Medição de Resistência de Isolamento ... 41
Figura 14. Ensaio de Elevação de Temperatura ... 43
Figura 15. Silicone depositado nos motores elétricos. ... 43
Figura 16. Ensaio de Mesa Vibratória. Motor elétrico 1: RTV 2a’; motor elétrico 2: RTV 2b”; Motor elétrico 3: Graxa de Silicone. ... 44
Figura 17. Método para Ensaio da Flamabilidade ... 45
Figura 18. Resistência de isolamento do Plano Amostral 3 para os dois silicones RTV ... 48
Figura 19. Curvas de Elevação de Temperatura. ... 50
Figura 20. Placa com deposição de Graxa de Silicone submetida ao aquecimento à 150°C em 7 dias. .... 51
Figura 21. Resultados do Ensaio de Envelhecimento dos três motores. a) RTV 2a’; b) RTV 2b”; ... 51
Figura 22. Curvas de decaímento de propriedade elétrica do RTV 2a’ ... 52
Figura 23. Curvas de decaímento de propriedade elétrica do RTV 2b” ... 53
Figura 24. Curvas de decaímento de propriedade elétrica da Graxa de Silicone. ... 53
10 ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1. Classificação do Tipo de Proteção ... 17
Tabela 2. Classificações dos equipamentos quanto a vibração ... 34
Tabela 3. Velocidade de vibração para Ensaio de Mesa vibratória... 34
Tabela 4. Resistência de Isolamento do Plano Amostral 1 ... 45
Tabela 5. Resistência de isolamento do Plano Amostral 2 ... 46
Tabela 6. Resistência de isolamento do Plano Amostral 3 ... 47
Tabela 7. Resistência de isolamento nos motores elétricos ... 49
Tabela 8. Valores de Elevação de Temperatura na superfície das regiões do Motor Elétrico ... 50
Tabela 9. Resistência de isolamento nos motores elétricos para o RTV 2a’ ... 52
Tabela 10. Resistência de Isolamento nos motores elétricos para o RTV 2b'' ... 52
Tabela 11. Resistência de isolmento da Graxa de silicone ... 54
Tabela 12. Limites de Inflamabilidade de diversas substâncias ... 61
Tabela 13. Classe de Temperatura de superfície do equipamento elétrico ... 61
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 12 2. OBJETIVOS ... 14 2.1 Objetivo Geral ... 14 2.2 Objetivos Específicos ... 14 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15 3.1 Atmosfera Explosiva ... 15
3.2 Equipamentos Elétricos para o uso em atmosferas explosivas ... 16
3.2.1 Equipamentos Elétricos à Prova de Explosão ... 20
3.2.2 Tipos Construtivos de Invólucros à prova de explosão. ... 23
3.3 Materiais Isolantes ... 27
3.3.1 Silicones Vulcanizados à Temperatura Ambiente ... 29
3.3.2 Graxa à base de silicone ... 31
3.4 Ensaios aplicáveis aos motores elétricos ... 32
3.4.1 Ensaio de Resistência de Isolamento dos enrolamentos do motor ... 32
3.4.2 Ensaio de Índice de Polarização ... 33
3.4.3 Ensaio de Mesa Vibratória ... 33
3.4.4 Ensaios de equipamentos elétricos à prova de explosão ... 35
3.4.5 Ensaio aplicável ao material de selagem: ensaio de flamabilidade (UL 94) ... 36
4. METODOLOGIA ... 38
4.1 Materiais ... 38
4.2 Metodologia ... 38
4.3 Caracterização e Avaliação quanto a aplicação do Silicone ... 38
4.3.1 Resistência de Isolamento ... 39
4.3.2 Índice de Polarização ... 42
4.3.3 Ensaio de envelhecimento para Altas e Baixas Temperaturas ... 42
4.3.4 Ensaio de Mesa Vibratória ... 44
4.3.5 Ensaio de Flamabilidade (UL 94) ... 44
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 45
5.1 Resistência de Isolamento ... 45
5.1.1 Ensaio de Envelhecimento para Altas e Baixas Temperaturas ... 49
5.1.2 Ensaio de Mesa Vibratória ... 54
5.1.3 Ensaio de Flamabilidade (UL 94) ... 54
6. CONCLUSÃO ... 56
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 58
8. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 60
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1. INTRODUÇÃO
Os equipamentos elétricos destinados a ambientes potencialmente explosivos, denominados como equipamentos Ex, estão sofrendo um crescente estímulo, desde 1960, para aperfeiçoar os requisitos para instalações. No Brasil, a primeira norma técnica sobre instalações elétricas em atmosferas explosivas foi publicada em 1969 baseada na norma norte americana National Electrical Code (NEC), a qual foi atualizada, em 1977, sendo publicada como a norma Associação Brasileira de
Normas Técnicas (ABNT) – Norma Brasileira (NBR) 5418. A partir disso, foi
constituído o Comitê Brasileiro de Eletricidade (COBEI) em 2003, o qual cancelou as normas anteriores e publicou a ABNT NBR International Electrotechnical
Commission (IEC) 60079-14. (BULGARELLI, 2016)
Portanto, os requisitos aplicáveis a atmosferas explosivas advém de normas e comitês internacionais, os quais são compostos por representantes de empresas e entidades envolvidas com instalações em atmosferas explosivas. Sendo assim, com o crescimento da tecnologia e estudos relacionados aos materiais, adquire-se o crescimento constante do setor para atmosferas explosivas, no qual viabiliza a produção de protótipos para estudos científicos e técnicos para prevenir quaisquer acidentes. (BULGARELLI, 2016)
Entretanto, um ambiente potencialmente explosivo é constituído por diversos fatores que ameaçam a segurança das plantas industriais, visto que há o risco de explosão, em que o conceito de atmosfera explosiva é definido pela ABNT como uma “mistura de ar atmosférico com substâncias inflamáveis ou combustíveis na forma de gás, vapor, poeira ou fibras, as quais, após a ignição, permitem a propagação auto- sustentada de toda a mistura (explosão)” (ABNT NBR IEC 60079-10-1, 2017).
Apesar disso, existem diversas substâncias inflamáveis, as quais devem ser compreendidas para classificar a substância inflamável quanto a energia, temperatura e a periodicidade em que está exposta no local, denominado classificação da área. A classificação da área deve ser realizada através de pessoas qualificadas e comprovadamente certificadas para realizar esta função. (IEC 60079- 0,2017) Além disso, as fontes de ignição são originadas por superfícies aquecidas; faíscas elétricas; faíscas mecânicas; energia eletrostática; e radiação eletromagnética. Devido aos diferentes tipos de fontes de ignição, ainda há a necessidade de denominar os equipamentos elétricos, os quais possuem métodos
protetivos diferentes, mas sempre com o intuito de eliminar a fonte de ignição. (FREITAS, 2010)
Para tal fim, são utilizados métodos para fabricação dos equipamentos elétricos através da elaboração dos invólucros com juntas que permitem o resfriamento da chama. Os equipamentos elétricos à prova de explosão têm o princípio de suportar a energia resultante da explosão internamente, a qual caso venha a acontecer, a explosão não se propaga para o meio externo. Por esse motivo, são depositados materiais nos arranjos do equipamento elétrico, com maiores volumes livres ou para selar os invólucros. No caso de motores elétricos são depositados nas bases intermediárias das caixas de ligação. Estes materiais devem ter excelentes propriedades isolantes térmicas e elétricas para a selagem e redução da energia resultante da explosão, limitando a capacidade do gás se propagar para o meio externo. (JORDÃO, 2002)
Sendo assim, para esta aplicação podem ser utilizadas diferentes classes de materiais, como elastômeros e cerâmicos, desde que atenda requisitos de isolação térmica e elétrica. Porém, não somente o material necessita atender as propriedades isolantes térmicas e elétricas, uma vez que as indústrias buscam a competitividade de fabricação assim como as questões comerciais, fabricação e pós-fabricação. A escolha e motivação dos materiais foram de acordo as questões comerciais para
atender a maior disponibilidade do material, menor custo e a logística acessível e
flexível. Quanto as questões de fabricação e pós fabricação, devem ser consideradas
a facilidade de aplicação deste material, garantia da vida útil quanto a aplicação e
manutenções descomplicadas, como por exemplo, facilidade para retirar o material e aplicar novamente.
Neste contexto, o foco deste trabalho é a avaliação do comportamento de dois silicones diferentes, sendo dois polidimetilsiloxano vulcanizável em temperatura ambiente, denominados room temperature vulcanization (RTV) e uma graxa à base de silicone. Realizou-se a análise de aprovação para empregar estes materiais nos motores elétricos à prova de explosão e por fim a comparação dos valores obtidos através dos ensaios de resistência de isolamento, índice de polarização, ensaio de envelhecimento e ensaio de mesa vibratória.
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2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral
Avaliar o desempenho e viabilidade de uso dos diferentes polímeros (polidimetilsiloxano e graxa à base de silicone), como selante em motres à prova de explosão.
2.2 Objetivos Específicos
Determinar quais materiais com propriedades isolantes térmicas e elétricas conseguem atender as questões comerciais, fabricação e pós- fabricação.
Investigar o comportamento dos materiais propostos, considerando a aplicabilidade em motores elétricos à prova de explosão.
Realizar análises comparativa das propriedades elétricas, com a finalidade de selecionar o material mais adequado para esta aplicação. Avaliar comportamento térmico e reológico dos materiais propostos
através de ensaios qualitativos aplicáveis aos motores elétricos à prova de explosão.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Atmosfera Explosiva
Define-se atmosfera explosiva, como uma mistura contendo ar atmosférico e substâncias inflamáveis (gás, poeira ou névoa), em proporções adequadas para gerar uma explosão com a presença de diversas fontes de ignição, tais como: superfícies aquecidas (“Flash Point”); arcos voltaicos (faíscas elétricas); faíscas mecânicas (atrito); energia eletrostática; e radiação eletromagnética. (IEC 60079-0)
Em geral, podemos encontrar atmosferas explosivas em refinarias de petróleo; plantas de processamento químico; indústria de impressão, papel e têxteis; áreas de combustíveis e hangares de aviões; minas subterrâneas; plantas de tratamento de esgotos; tubos de centro de distribuição de gás; manejo e armazenamento de grãos; áreas de carpintaria; postos de combustíveis; usinas de cana de açucar, entre outras. Os locais com presença de atmosferas explosivas são denominados como Área Classificada. (IEC 60079-0, 2017)
De acordo com as normas IEC 60079-0 e NEMA MG-1, uma local denominado como “Área Classificada” é quando uma atmosfera explosiva de gás ou poeira combustível está presente ou então pode estar presente em quantidade suficiente, razão pela qual são necessárias precauções especiais para o projeto, fabricação, instalação, utilização, inspeção e manutenção de equipamentos elétricos. (SILVA, 2017)
As instalações para equipamentos elétricos nestes locais são caracterizadas pela quantidade e frequência da substância inflamável. Há três condições mínimas para a formação da substância inflamável em mistura explosiva. Necessariamente deve haver simultaneamente oxigênio do ar ou de outra fonte comburente, material inflamável e uma fonte de ignição. Este ciclo simultâneo é fundamental para a ocorrência da explosão, denominado triângulo do fogo representado pela Figura 1. (FREITAS, 2010)
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Figura 1. Triângulo do Fogo
(Fonte: Autor, 2020)
Portanto, para que não ocorra a explosão, deve haver a eliminação de alguns destes três fatores. Por isso, o método mais comum é eliminar a fonte de ignição, por meio da utilização de materiais que não geram calor; eliminar materiais que possuem cargas eletrostáticas; eliminar quaisquer radiação eletromagnética etc. Além disso, são realizados projetos dos equipamentos elétricos com juntas roscadas e flangeadas em que não geram a iginição de modo a quebrar o ciclo do triângulo do fogo. (IEC 60079-0,2017)
3.2 Equipamentos Elétricos para o uso em atmosferas explosivas
Ambientes potencialmente explosivos podem ser encontrados nos mais diversos ramos da indústria, como o setor alimentício, agronegócio, petroquímico, têxtil, papel, usinas de açúcar, etc. No segmento de agronegócio, principalmente em unidades de grãos, há aplicações de motores elétricos para acionamentos mecânicos, abrangendo o sistema de aeração em silos e armazéns; esteiras transportadoras e elevadores de grãos; unidades hidráulicas em tombadores de caminhões. (JORDÃO, 2002)
Sendo assim, os equipamentos instalados em áreas classificadas, devem ser fabricados de maneira a impedir que a atmosfera explosiva possa interagir com a fonte de ignição. Existem três princípios de proteção da fonte de ignição destes equipamentos elétricos. Porém, são classificado com simbologias diferentes, de acordo com o método de proteção realizado, conforme a Tabela 1. (BUFFON, 2011)
Tabela 1. Classificação do Tipo de Proteção
Método de Proteção Simbologia Método protetivo
À prova de explosão Ex “db” Confinamento de Energia
evitando propagação
Imersão em areia Ex “q”
Proteção do invólucro Ex “tc” Isolamento da Fonte de
Ignição
Invólucro Pressurizado Ex “p”
Não Acendível Ex “ec” Garantir não surgimento da
fonte de ignição
Segurança Aumentada Ex “eb”
Fonte: (JORDÃO, 2018)
Os tipos de proteção são procedimentos específicos em que são construídos baseados em três soluções diferentes: confinamento da fonte de ignição; isolamento da fonte de ignição; garantir o não surgimento da fonte de ignição, dessa forma, é
atribuída simbologias específicas aplicadas aos equipamentos elétricos. (JORDÃO,
2018)
Os equipamentos elétricos com proteção à prova de explosão (Ex db) possuem invólucros capazes de suportar internamente a energia da explosão, não permitindo que a explosão se propague para o meio externo. Em geral, são utilizados para circuitos de acionamentos elétricos; motores elétricos. Enquanto os equipamentos elétricos com proteção de imersão em areia (Ex q) são completamente imersos por um material de preenchimento, normalmente o preenchimento é o quartzo ou partículas de vidro. Em geral, são comuns em aplicações de scanner de QR Code;
mouse; teclados; computadores. O método protetivo destes equipamentos é
solucionado pelo mesmo princípio: confinamento de energia evitando a propagação. (IEC 60079-0, 2017)
Os equipamentos elétricos com proteção do invólucro (Ex tc) possuem vedações capazes proteger contra poeiras, fibras inflamáveis e meios de limitar a temperatura de superfície do equipamento elétrico. Em geral, são utilizados para caixas de junções; luminárias; botoeiras de controle. Enquanto os equipamentos elétricos com invólucro pressurizado (Ex p), são capazes de manter a pressão positiva do ar superior à pressão atmosférica, no qual caso haja a presença de mistura inflamável ao redor do equipamento, não irá ocorrer o contato com suas partes internas. Em geral, são comuns em aplicações para painéis de automação; analisadores. O método protetivo destes equipamentos é solucionado pelo mesmo princípio: isolamento da fonte de ignição. (IEC 60079-1, 2017)
18 Os equipamentos elétricos com proteção não acendível (Ex ec) possuem medidas adicionais de segurança elétrica e mecânica introduzidas para não ocorrer centelhas, faíscas elétricas e temperaturas excessivas, aplicável para a zona 2 caracterizada pelo anexo 3. Enquanto, os equipamentos elétricos com proteção segurança aumentada (Ex eb), possuem as mesmas medidas adicionais, porém, sendo aplicável para a zona 1, denotada no anexo 3. Em geral, são comuns em aplicações de luminárias. O método protetivo destes equipamentos é solucionado pelo mesmo princípio de garantir o não surgimento da fonte de ignição. Em equipamentos elétricos com este tipo de proteção, deve-se atentar as cargas eletrostáticas que podem causar nos materiais. Normalmente, são realizados ensaios para determinar a espessuras da tintas nestes equipamentos, pois as tintas à base de polímero são constituídas de cargas eletrostáticas. Além disso, em ventiladores poliméricos de motores elétricos, deve-se realizar ensaios para determinar se estes materiais possuem cargas eletrostáticas, por isso nestes casos evita-se a utilização de ventiladores poliméricos e são realizados ventiladores com cargas condutivas. (FREITAS, 2010)
Os equipamentos e dispositivos elétricos à prova de explosão devem possuir características inerentes que os tornam capazes de operar em atmosferas potencialmente explosivas, com o mínimo risco de que causem a inflamação do ambiente onde estão instalados. Para isto, existem diversas técnicas construtivas que são aplicadas de forma a reduzir o risco de explosão ou incêndio provocado pela sua operação. (FREITAS, 2010)
Além disso, vale ressaltar que em um equipamento elétrico,
independentemente se é classificado para área classificada ou não, é necessário que ele possua uma proteção inerente, capaz de evitar, principalmente danos físicos às pessoas (choque elétrico; ferimentos causados por partes móveis, etc) como também pela proteção a danos ao próprio equipamento, possivelmente pela penetração de corpos estranhos ou passagens de água. Estas classificações são dadas pelo grau
de proteção (Degree of Protection – IP) os quais são aplicados a todos os
equipamentos elétricos, tendo classificação contra água, sólidos e corrosão. Sendo assim, todos os equipamentos elétricos são avaliados quanto ao grau de proteção, portanto é necessário um invólucro mais reforçado, protegendo contra danos físicos
do proprietário e equipamento. (MACIEL; FEIJÓ; SILVA, 2012)
propagar uma explosão, cuja temperatura superficial não provoque a ignição deuma atmosfera explosiva. Isto implica uma construção robusta, com tampas roscadas ou parafusadas. Esses invólucros são construídos de forma a, ocorrendo a ignição de uma mistura dentro dele, resistir mecanicamente à pressão, impedindo que a
explosão se propague para o meio externo. (JORDÃO, 2018)
Portanto, para garantir as seguranças necessárias para esta aplicação, a NBR 60079-0 especifica os interstícios máximos entre as peças dos invólucros blindados (entre a tampa e a caixa, ou entre o eixo e o furo da tampa do invólucro de um computador, por exemplo). Tais interstícios auxiliam no alívio da pressão interna ao invólucro, quando de uma explosão no interior deste. A largura e comprimento desses interstícios (limitados aos valores normalizados) devem ser suficientes para que o gás
se resfrie antes de alcançar o ambiente externo. (JORDÃO,2002) Por exemplo: pode-
se preencher o espaço vazio no interior de um invólucro com um meio inerte, como o óleo, areia ou resina, para que não haja ar suficiente (comburente) para a formação de uma mistura explosiva. (NETO, 2013)
Os equipamentos e dispositivos elétricos à prova de explosão devem possuir características inerentes que os tornam capazes de operar em atmosferas potencialmente explosivas, com o mínimo risco de que causem a inflamação do ambiente onde estão instalados. Para isto, existem diversas técnicas construtivas que são aplicadas de forma a reduzir o risco de explosão ou incêndio provocado pela sua operação. (BUFFON, 2011)
Quando se adquire um equipamento elétrico, independentemente se ele será aplicado em uma atmosfera explosiva ou não, é necessário que ele possua uma proteção inerente, visando à proteção de pessoas contra a partes energizadas sem isolamento; contra o contato a partes móveis no interior do invólucro e proteção contra a entrada de corpos sólidos estranhos; proteção do equipamento contra o ingresso
de água em seu interior. (IEC 60079-0,2017)
Além disso, é necessário ter o conhecimento das classes de temperatura, pois são constituídas, como item obrigatório para classificação dos equipamentos elétricos para áreas classificadas. As classificações são indicadas através de códigos e estas informações são gravadas nestes equipamentos, quantificadas na Tabela 13 do anexo. Essa marcação é uma informação para o usuário do equipamento a respeito das máximas temperaturas de superfície que os equipamentos podem atingir em
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operação normal, considerando a temperatura ambiente máxima igual a 40°C. (NETO, 2013) Ou seja, para determinar a temperatura de elevação (∆T) deste equipamento, devemos considerar dois fatores: a temperatura ambiente de operação do equipamento e a classificação da temperatura de superfície máxima daquele equipamento.
A temperatura ambiente deste equipamento está no escopo da norma deste equipamento, ou seja, um equipamento elétrico à prova de explosão, devemos consultar a norma IEC 60079-1, no qual está classificado por 40°C. Para analisar a temperatura de elevação deste equipamento, devemos realizar um cálculo matemático, pois caso o cliente necessite de um equipamento elétrico que a substância inflamável inicia uma ignição através de um sobreaquecimento, por exemplo, 180°C (Tcode de T3A, conforme a Tabela 13 em anexo), o cálculo é feito por uma somatória, no qual consideramos um fator de segurança de 10°C. Neste exemplo, temos 40°C de temperatura ambiente, 10°C de fator de segurança e 180°C como o total de temperatura que este equipamento pode alcançar, realizando o cálculo matemático, temos: 40°C + 10°C + ∆T = 180°C. Portanto, determinamos que a elevação de temperatura deste equipamento é de 150°C.
unindo a classificação de temperaturacaso um equipamento tenha classificação de temperatura de superfície de 130°C, no qual a temperatura ambiente destes equipamentos é igual a 40°C. Devemos realizar um equipamento no qual a máxima temperatura de elevação 80°C, pois sempre é realizado 10°C como fator de
segurança. (MACIEL; FEIJÓ; SILVA, 2012)
A maioria dos produtos inflamáveis possuem temperaturas de ignição bem elevadas, e a maioria dos equipamentos elétricos operam com temperaturas de superfície relativamente baixas, até mesmo para proteção de pessoas que poderiam eventualmente ter contato com essas superfícies. Mas existem certos equipamentos do que operam com temperaturas elevadas, como resistores de aquecimento e outros. Por isso, sempre será necessário compatibilizar as temperaturas de superfícies com as temperaturas de ignição dos gases presentes no local da
instalação. (BUFFON, 2011)
3.2.1 Equipamentos Elétricos à Prova de Explosão
O invólucro deve ser capaz de suportar uma pressão de explosão interna sem se romper e não deve permitir que a explosão se propague para o meio externo. O
invólucro à prova de explosão é a mais antiga solução para a construção de equipamento elétrico para atmosferas explosivas. Essa técnica de proteção surgiu no início do século passado, na atividade de mineração, principalmente na Inglaterra e Alemanha. Há uma controvérsia sobre quem inventou o invólucro à prova de explosão, se foram os ingleses ou os alemães. O termo alemão é “druckfeste
kapselung” (que suporta pressão interna) de onde se originou a letra “d”. O Dr. Ing.
Carl Beyling produziu um documento descrevendo a aplicação do que mais tarde se tornou conhecido como “flame proof” dos europeus e à prova de explosão dos americanos. Este documento se referia a motores elétricos em 1908, e em 1938 ele foi agraciado com uma medalha do United Kingdom Institution of Mining Engineers. (NETO, 2013)
Mais tarde o mesmo conceito foi aplicado às indústrias de superfície, tendo sido desenvolvido um projeto mais leve do que o que era aplicado em mineração subterrânea, pois nas indústrias de superfície os equipamentos não estavam tão sujeitos a esforços mecânicos e a impactos como os que ocorriam nas galerias
subterrâneas das minas de carvão. (NETO, 2013)
Pode-se observar que a definição de Equipamento à Prova de Explosão é composta basicamente de duas partes: a primeira diz que o invólucro tem que ser capaz de suportar uma pressão de explosão interna sem se romper, e a segunda parte diz que essa explosão interna não pode se propagar para o meio externo. Analisando a primeira parte da definição, vê-se que para que o invólucro seja capaz de suportar uma pressão de explosão interna sem se romper basta que o mesmo tenha paredes robustas. A segunda parte da definição exige que todas as partes que compõem o invólucro, tais como: junção corpo-tampa, entradas de eletrodutos e cabos; entradas de eixos para manoplas de operação, botões de comando e tudo o mais que possa ter uma comunicação com o meio externo sejam projetadas de modo que, mesmo que ocorra uma explosão interna, essa explosão não se propague para
o meio externo através desses canais de acesso ao meio externo. (NETO, 2013)
Para isto, foi desenvolvido o conceito de junta à prova de explosão, que compreende uma solução técnica comprovada através de ensaios em laboratório, que faz com que os gases quentes provenientes da explosão interna sejam resfriados ao passar através desses caminhos inevitáveis, denominados passagens da chama, na construção do invólucro. Essa solução técnica se refere basicamente ao controle de interstícios nos invólucros, no qual o resfriamento ocorre devido ao aumento da
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passagem da chama, permitindo o decaimento ao longo das passagens, como visto na Figura 2. (NETO, 2013)
Figura 2. Passagem da chama no invólucro Ex db
Fonte: (BARTEC, 2020)
Este método de resfriamento faz com que não tenha um resfriamento da substância e decaimento da energia, pois quando a substância explosiva for para o meio externo, a substância não tem capacidade de gerar a explosão. Porém, caso ocorra a explosão no interior do invólucro, não necessariamente o invólucro irá sofrer danos ou afastamento do corpo e tampa. Se houver uma explosão no interior do invólucro, há uma tendência de afastamento entre o corpo e a tampa do invólucro. Mesmo com estas proteções do invólucros que possuem a capacidade de suportar a energia da explosão, a atmosfera externa estará sujeita a uma fonte de ignição. (FREITAS, 2010)
Segundo Maciel; Feijó; Silva (2012), a superfície de junção corpo-tampa
quando submetida a esse esforço funciona como uma válvula de alívio de pressão, permitindo que os gases quentes provenientes da explosão escapem por esses espaços inevitáveis. Para que não haja uma propagação da explosão para o meio externo, é necessário que esses gases cheguem ao ambiente externo com uma temperatura inferior à temperatura de auto-ignição dos gases que porventura estejam nesse ambiente. Esse resfriamento pode ser conseguido quando o comprimento do flange for dimensionado para esse efeito. A distância perpendicular às duas superfícies, chamada de “i” MESG (interstício máximo experimental segura), também é um ponto crítico para o funcionamento do invólucro à prova de explosão. Se durante a explosão houver um afastamento muito significativo, os gases não serão resfriados, além de ser possível também o escape de partículas para o meio externo, fazendo
com que haja uma propagação da explosão. (MACIEL; FEIJÓ; SILVA, 2012)
No qual a largura da flange quanto o interstício “i” podem variar em alguns processos de fabricação ou em defeitos de qualidade da peça, como por exemplo, o processo de usinagem, no qual ao realizar ao realizar o procedimento de análise da rugosidade, em geral, é utilizado o parâmetro Ra (rugosidade average), porém, neste caso temos um valor falso, pois é um parâmetro que analisa apenas as médias da rugosidade, não sendo possível analisar os picos e vales da rugosidade em questão. Este tipo de análise pode afetar o interstício “i”, pois quaisquer aumento na largura da flange é uma possível entrada da substância inflamável onde não deveria. Ou seja, alguns defeitos internos, como batidas e risco em passagens de chama, pode causar
uma propagação de explosão. (MACIEL; FEIJÓ; SILVA, 2012)
3.2.2 Tipos Construtivos de Invólucros à prova de explosão.
Os tipos construtivos de invólucros à prova de explosão são caracterizadas e especificadas pelas normas técnicas, os quais não é permitido estar fora do especificado. Por isso, todos os fabricantes de equipamentos elétricos Ex db, são rigorosos para atender todos os requisitos com base nas política de compliance do
produto e qualidade assegurada. (MACIEL; FEIJÓ; SILVA, 2012)
Portanto, há um alto investimento nos países para proibir qualquer modificação no produto, chamado de barreiras técnicas. Muitos países implementam as barreiras técnicas com o intuito de dificultar a ação de exportar para este país, consequentemente, facilitar a entrada das empresas nestes países, possibilitando o desenvolvimento das indústrias locais. A importância das normas técnicas está para estes equipamentos elétricos, está muito além de apenas atender os requisitos, por exemplo, a saída do Reino Unido da União Europeia (Brexit), geraram conflito nas questões comerciais para determinar as barreiras técnicas que permitem a comercialização destes equipamentos, por isso, todos os estudos aplicados a estes equipamentos e produção de novos materiais e conteúdos devem se basear nas normas que são exigidas para todos os mercados. (FREITAS, 2010)
Por isso, há necessidade de criação e atualização das normas técnicas, no
qual são aprovadas por uma entidade reconhecida que visa à otimização de
benefícios para as empresas e sociedade. É um instrumento que torna possível a globalização entre os mercados e o estabelecimento de novas bases para a competitividade das empresas. No Brasil, a ABNT é o foro nacional de normalização
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por reconhecimento da sociedade brasileira e confirmado pelo Governo Federal por
meio de instrumentos legais. (JORDÃO,2002)
A normalização é um processo de difusão, desenvolvimento e aplicação de padrões técnicos para a solução ou prevenção de problemas, com a participação de de toda economia global. É um mecanismo que promove o desenvolvimento tecnológico, viabiliza a consolidação da tecnologia e a disseminação da inovação.
(NETO, 2013)
As normas técnicas estabelecem requisitos de qualidade, desempenho, segurança, sendo tanto no fornecimento, uso, destinação final quanto em estabelecer procedimentos, padronizações, dimensões tipos e classificações, terminologias e glossários. Além disso, pelas normas técnicas são definidas as maneiras de medir e determinar as características, como os métodos de ensaio. Vale salientar que estes requisitos são de suma importância para garantir a execução das atividades e os
resultados, consequentemente, a previsibilidade do processo. (MACIEL; FEIJÓ;
SILVA, 2012)
Existem diversas normas mundiais, as quais seguem e variam de acordo com o mercado e normalmente são referenciadas ao padrão internacional, em que os países seguem as normas internacionais mas criam suas próprias barreiras técnicas criando suas normas locais. Como por exemplo, a Europa segue a norma internacional IEC (International Electrotechnical Commission) tendo suas normas locais, assim como o Brasil adotando a norma IEC porém segue a norma local ABNT
NBR. A Figura 3 referencia as normas locais para equipamentos elétricos (NETO,
2013)
Fonte: (BARTEC, 2020)
Além disso, existem as normas voltadas ao projeto do produto, segurança do usuário, instalação e desempenho sendo classificadas como normas de produto (IEC
60079-0, ANSI – American National Standards Institute, NEMA National Electrical
Manufacturers Association MG-1) e as normas voltadas para o sistema de qualidade e se aplicam quando a empresa necessita demonstrar consistência no fornecimento de produtos ou serviços para atender os requisitos de clientes, regulamentos, etc (ISO 9001, ISO IEC 80079-34).
As normas obedecem aos níveis hierárquicos entre elas, sendo as normas internacionais menos exigente e mais genérica elaboradas por participação de vários países, por exemplo as normas IEC. Já as normas regionais são elaboradas por um número limitado de países de um mesmo continente, por exemplo, as normas da Eurásia, enquanto que as normas nacionais elaboradas por um grupo comandado por uma organização nacional reconhecida como autoridade no respectivo país. Já as normas empresariais, denominadas normas internas são mais exigentes e restritivas, para o uso interno de empresas ou organização com finalidade de reduzir custos, evitar acidentes, padronizar o processo dentro da organização empresarial,
etc. (JORDÃO,2002)
No Brasil temos NBR IEC 60079-1 para equipamentos elétricos para atmosferas explosivas (invólucros à prova de explosão), em que podemos encontrar os principais requisitos construtivos exigidos para invólucros à prova de explosão. Todas as normas técnicas, não importando o nível hierárquico, tem sofrido revisões constantes, as quais provocam o desenvolvimento de novos materiais e de novas tecnologias construtivas, enquanto a indústria de processo está tendo cada vez mais à sua disposição alternativas para uso em atmosferas potencialmente explosivas.
(MACIEL; FEIJÓ; SILVA, 2012)
Os usuários e fabricantes de invólucros à prova de explosão devem compreender que quaisquer interstício no invólucro, como por exemplo, parafusos, juntas roscadas e flangeadas, é tratado como abertura para a entrada com facilidade do invólucro e saída da substância inflamável, pois caso a subtância explosiva consiga sair para o meio externo, poderá causar a explosão. (IEC 60079-1,2014)
Por isso, os tipos construtivos que são fabricados nestes invólucros são os caminhos para a chama percorrer dentro do invólucro de modo que percam a energia
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de explosão, conforme a Figura 2, não permitindo a saída da substância inflamável para o meio externo. (IEC 60079-1,2014)
Por isso, em muitos lugares do mundo são estudados métodos por meios normalizações técnicas, quanto as passagens da chama. Entretanto, através do aumento das tecnologias, o mundo está caminhando para equipamentos mais
robustos, menores e leves. (FREITAS, 2010)
Tratando-se de equipamentos para atmosfera explosiva, torna-se aceitável introduzir materiais isolantes nestes locais de modo a evitar a passagem da substância nestes espaços, conforme Figura 4. Entretanto, o mais comum na Europa são as construções de invólucros à prova de explosão com a junção de uma junta roscada, ao invés de junta flangeada. A maior vantagem nesse tipo de junta é a não existência de um grande número de parafusos, o que na maioria das vezes se constitui em dificuldades para a montagem e manutenção, além de ser também um fator que contribui para o aumento de não-conformidades relativas à falta de
parafusos e parafusos frouxos. (FREITAS, 2010)
Figura 4. Incremento de material isolante para reduzir a passagem da chama.
Fonte: (O Autor, 2020)
Alguns invólucros à prova de explosão são limitados por várias questões, como por exemplo, invólucros de grande volume, invólucros pesados, dificultando bastante o transporte, instalação, manutenção e o preenchimento da substância neste volume vazio, provocando aumento da energia resultante da explosão. Além disso, é preferível, quando possível que o invólucro seja subdividido em invólucros menores e interligados por eletrodutos, unidades seladores ou prensa-cabos. Este método é aplicado para evitar o fenômeno de pré-compressão (pressure piling), os quais são causadados pelo aumento da energia resultante da substância explosiva dentro do invólucro, no qual provoca o aumento da pressão, consequentemente caracteriza na
curva de pressão, conforme Figura 8. (IEC 60079-1. 2017)
A evidência de tal fenômeno é a redução do tempo de crescimento da pressão a menos do que 5 ms, ou valores excêntricos de pressão que podem chegar a 3 vezes
a pressão quando é medida em separado. Por isso na construção do equipamento, o
arranjo dos componentes internos deve ser feito de modo a evitar este problema. (IEC
60079-1. 2017)
Figura 5. Exemplo de Pressão de Explosão.
(Fonte: IEC 60079-1. 2017)
Este fenômeno é comumente visto em volumes vazios superiores a 30 litros, os quais estão propícios a causarem a explosão, pois, como visto na Figura 7, há um aumento repentino da pressão em um baixo intervalo de tempo seguido de um
decaimento rápido aproximando-se da pressão inicial. (FREITAS, 2010)
Caso ocorra este fenômeno durante o desenvolvimento de um equipamento para atmosfera explosiva para ser instalado em zona 1 deve ser estudado este volume com intuito de reduzir a pressão da explosão e aumentar a probabilidade de
não ocorrência de explodir o equipamento. (IEC 60079-1, 2017)
Em geral, também é possível dividir o invólucro em partes para reduzir tal área, porém, uma ignição no interior de um invólucro destas partes pode levar a uma pré- compressão do gás no outro, uma vez que a onda de pressão viaja mais rápido que a chama. Além disso, a pressão de explosão é baseada na função da pressão inicial no instante da ignição e caso tenha aumento da pressão inicial, a pressão de explosão na segunda parte do invólucro assume valores muito maiores, causando a explosão.
(IEC 60079-1. 2017)
3.3 Materiais Isolantes
As propriedades elétricas podem ser descritas pela Teoria de bandas de
energia, na qual materiais com propriedades elétricas de 10−7S/m são considerados
28
considerados isolantes e materiais com propriedades intermediárias entre 10−6S/m e
104S/m são classificados como materiais semi-condutores, como visto na tabela 2.
Porém, para determinar as propriedades elétricas em relação ao isolamento e selagem, devemos utilizar materiais isolantes classificados para alta e média tensão,
os quais possuem propriedades elétricas entre 10−16S/m e 10−20S/m. (COLAS,
2005)
Desde o início do século 20, materiais isolantes têm sido utilizados em aplicações de alta tensão. Iluminação nas minas e nas linhas de bondes, porém, eram baseados em compostos naturais, como o látex com enchimento de amianto. À medida que a tecnologia avançou, iniciou-se a síntese do poliestireno, polímeros sintéticos, elastômeros, como por exemplo, a epóxi sintetizada por bisfenol A, sendo possível introduzir em materiais elétricos, como os capacitares. Esses novos materiais ofereciam uma resistência de isolamento do que os materiais anteriores. (MURAKAMI, 2002)
Na segunda metade do século 20, a introdução de compostos de epóxi ciclo- alifático utilizados para isoladores de distribuição proporcionou vários avanços na resistência ao envelhecimento. Em particular, na década de 1960, novas classes de polímeros foram introduzidas comercialmente. Um novo polímero, conhecido como borracha de etileno-propileno (EPR), pôde ser formulado em compostos isolantes com os quais foram realizados isoladores para extra alta tensão. Isoladores em dimetil silicone também foram desenvolvidos para a mesma finalidade. Estes novos isoladores ofereciam características de envelhecimento e propriedades elétricas avançadas, além de serem muito mais leves do que qualquer outro isolador disponível anteriormente. (COLAS, 2005)
No entanto, neste início do século 21, muitos avanços tecnológicos estão sendo realizados em materiais com intuito de isolamento elétrico, e os materiais poliméricos isolantes mais comuns são fabricados com a resina de epóxi,
polidimetilsiloxano ou com o etileno-propileno-dieno (EPDM), os quais
sãocaracterizados por condutividade elétrica na ordem de 10−10 S/m e 10−20S/m.
(BEZERRA, 2015)
Segundo Murakami (2002), embora a utilização dos materiais isolantes tradicionais de cerâmica seja ainda predominantemente, materiais poliméricos destacam-se com as suas importantes características, como:
Bom desempenho elétrico e mecânico, principalmente em relação à resistência a impactos de projétil de arma de fogo, o que representa uma melhor performance diante dos atos de vandalismos, responsáveis muitas vezes por falhas de isolação nos sistemas de distribuição;
o peso destes isoladores é menor, resultando em redução de custo com manutenção do sistema, instalação, etc;
tendência futura de custos mais baratos que os tradicionais com o aprimoramento de técnicas e desenvolvimento de pesquisas, devido à facilidade de obtenção e processamento da matéria-prima.
A substituição do isolador cerâmico elimina problemas comuns decorrentes de: defeitos no esmalte; defeitos na cimentação; rachaduras que ocorrem em função da propagação de microtrincas estruturais ou tensões internas; e deficiências na caracterização e na estabilidade de características físico-químicas da matéria-prima. (MURAKAMI, 2002)
3.3.1 Silicones Vulcanizados à Temperatura Ambiente
A vulcanização polimérica é um processo termodinâmico com fundamental importância, que ocorre quando as cadeias poliméricas lineares ou ramificadas são interligadas por ligações covalentes, um processo conhecido como ligação cruzada (crosslink), ou seja, são produzidas ligações entre cadeias em polímeros tridimensionais com alta massa molar. (ZHU et al., 2006).
A vulcanização ocorre por divesos fatores, através da aplicação de calor na borracha plastificada mecanicamente contendo a formulação necessária como aceleradores, ativadores, óleos e retardadores. Esta formulação é usada para
produzir as características de vulcanização desejadas. ZHU et al., 2006; MOMEN e
FARZANEH, 2011).
Podem ocorrer aspectos de reações radicalares, iônicas e organosulfurosas, catálise homogênea e química de coordenação. Para os elastômeros de polidimetil siloxano, a vulcanização pode ser obtida de duas formas: a vulcanização a alta
temperatura (high temperature vulcanizing – HTV) e a vulcanização a temperatura
ambiente (room temperature vulcanizing – RTV) (ZHU et al., 2006; MOMEN e
FARZANEH, 2011). O RTV diferencia-se em função do agente catalisador utilizado e as ligações cruzadas que realizam e são assim designados de RTV1 e RTV2.
30
(GORUR et al., 1999).
O RTV1 tem como característica ser monocomponente e utiliza como agentes catalisadores dilaurato de dibutilestanho, octoato de dibultilestanho promovendo a reação de certos carbonos dos dihidroxi polidimetil siloxanos e ésteres do ácido
silícico desencadeados pela exposição à umidade do ar. (GORUR et al., 1999).
Segundo Bezerra (2014), o RTV2 caracteriza-se por utilizar metais de platina, paládio ou ródio em moléculas como agentes catalisadores entre outros. O RTV2 pode sofrer cura por condensação ou por adição, na dependência do processo e pelo tipo de ligações que forma com radicais de carbono. A cura desses materiais acontece à temperatura ambiente, porém outros catalisadores do tipo piridina, benzonitrila, ou benzotriazol permitem que ela aconteça à quente. (GORUR et al., 1999).
No RTV2, a cura por condensação e a mistura entre os componentes podem ser variadas, dentro dos limites. Os agentes catalisadores dibutildilaurato e o dibutiltinoctoato de ligações cruzadas estão presentes nos dois componentes, catalisando a reação entre o dihidroxipolidimetilsiloxano e ésteres do ácido silícico. Tem a cura acelerada pela presença de água e a taxa de cura é independente da temperatura, até certos limites. Apresenta contração de cura pela liberação de álcool. Pode sofrer reversão a temperaturas superiores a 80ºC. (GORUR et al., 1999).
De acordo com Bezerra (2014) na cura por adição a mistura dos componentes é fixa, não devendo ser alterada. O agente de ligação cruzada (H- Siloxano) está presente no componente 1 e os compostos catalisadores encontram-se no componente 2. A cura pode ser prejudicada por compostos de enxofre, talco, etc. A
taxa de cura é fortemente dependente da temperatura, acelerando
consideravelmente o período de vulcanização e praticamente não sofrem contração depois de curados, sendo mais estável dimensionalmente. (GORUR et al., 1999).
As reações químicas do silicone ocorrem por vulcanização por adição, peróxido para aplicação em silicone HTV e cura por condensação. O processo por vulcanização de condensação é requirido um catalisador de estanho, como por exemplo, dilaurato de dibutilestanho e dioctoato de dibutilestanho. Eles catalisam a reação entre ꙍ-di-hidroxipoliidimetilsiloxanos e ésteres de ácido silícico. A água tem um forte efeito acelerador na taxa de reação. A taxa de reação também depende do agente de reticulação (sua funcionalidade, concentração e estrutura química) e do
tipo de catalisador. (GORUR et al., 1999).
Enquanto o processo de vulcanização por adição é requido grupos de Si-H a ligações duplas, com a utilização de catalisadores a base de platina, paládio ou ródio. Os elementos de platina deve conter nitrogênio utilizados para efetuar a cura por adição em temperaturas elevadas. (GORUR et al., 1999).
Geralmente, as formulações dos revestimentos RTV são compostas pelo polímero polidimetilsiloxano (PDMS), reforçadas com aditivos como a alumina trihidratada (ATH) e a sílica. As propriedades elétricas e físicas dos elastômeros RTV variam consideravelmente dependendo de sua formulação. Estas propriedades são, em grande parte, dependentes da quantidade ou do tipo de aditivo acrescentado e do grau de interligação entre o aditivo e a matriz polimérica. Três importantes propriedades necessárias para o bom desempenho dos elastômeros RTV são a adesão da cobertura aos isoladores, a repulsão de água e a resistência às descargas de banda seca. Entre as características que são importantes em um elastômero RTV está a capacidade de suprimir as correntes de fuga. A supressão de correntes de fuga é totalmente regida pela natureza hidrofóbica das borrachas de silicone (GORUR et al., 1999).
Os silicones RTV, em geral, são mais flexíveis e apresentam massa molar média, podendo ser empregados em aplicações de adesivos, selantes e encapsulantes. Possuem propriedades de resistência a temperaturas extremas (aplicáveis até para aviação); resistência a fluidos hidráulicos (aplicáveis até para transmissão automotiva); excelente isolante térmico, podendo atuar em grandes intervalos de temperaturas ao mesmo tempo, como por exemplo, parte interna e externa do refrigerador. São excelentes isolantes elétricos, possuem boa inércia biológica e química, permitindo ser utilizados em próteses, cateteres, moldes dentários. São elastômeros com proprieades intermediárias em resistência mecânica e podem ser moldados pelo processo de injeção (Reaction Injection Molding).
(GORUR et al., 1999).
3.3.2 Graxa à base de silicone
As graxas são definidas como um material sólido a semi-sólido constituído por um agente espessante, disperso num óleo denominado lubrificante líquido. (CARRETEIRO, 2008) Além disso, Hissa (1991, p. 7) considera que “a graxa lubrificante pode ser considerada como um produto resultante do espessamento de
32
um óleo lubrificante, levando-o para um estado sólido ou semi-sólido, por meio de um agente espessante ou espaçador”. De forma semelhante, Carreteiro e Belmiro (2008, p.109) indicam que “os lubrificantes sólidos devem possuir forte aderência a metais, pequena resistência ao cisalhamento, estabilidade em altas temperaturas, ser
quimicamente inertes e ter elevado coeficiente de transmissão de calor”.
As graxas de silicone possuem uma ampla faixa de temperatura de uso, os quais podem variar de -75°C até +290°C, com ótimas propriedades de inércia química, tendo excelente estabilidade a oxidação, resistência a produtos químicos, resistente a radiação. São comumente aplicáveis como lubrificação e vedação de válvulas em condições de extrema temperatura, corrosão química, vapores, repelente a maior quantidade de ácidos e soluções de sais mineirais.
3.4 Ensaios aplicáveis aos motores elétricos
3.4.1 Ensaio de Resistência de Isolamento dos enrolamentos do motor
A resistência de isolamento é uma medida calculada pela resistência da passagem de corrente pelos materiais isolantes, os quais são aplicadas tensões entre 500V e 10.000V em corrente contínua. Seus valores são afetados pela umidade, sujeira e podem alterar devido a capacitância do isolamento, da resistência total, das perdas superficiais e da temperatura do material. (IEEE Std 43, 2013)
O ensaio consiste em aplicar no isolamento uma tensão em corrente contínua, com valores entre 500 V e 10.000 V. Isso provocará a circulação de um fluxo pequeno de corrente, no qual é definido pelo quociente da tensão contínua aplicada, em função do tempo medido. Porém, para equipamentos elétricos à prova de explosão, a tensão é padronizada em 500V e o tempo de aplicação em 1 minuto ou 10 minutos, de acordo com a norma IEEE Std 43. (IEE Std 43, 2013)
Os fatores que podem afetar a resistência de isolamento são: efeito da sujeira e matérias estranhas no material; umidade; e tensão aplicada. A corrente de fuga superficial depende de materiais estranhos, como sujeiras nos enrolamentos do motor elétrico. A corrente de fuga superficial pode ser significativamente mais alta em grandes turbinas e rotores que possuem maiores superfícies de fuga expostas. Se a resistência de isolamento, o índice de resistência ou polarização é reduzido devido à contaminação, geralmente pode ser restaurado para um valor aceitável por limpeza e secagem. Em algumas tratativas nestes casos, são aplicados o material em estufa,
limpeza e secagem, com intuito de garantir a resistência de isolamento. (IEE Std 43, 2013)
Porém, independentemente da limpeza da superfície do enrolamento, se a temperatura do enrolamento estiver abaixo da temperatura ambiente, uma película de umidade pode se formar na superfície de isolamento, resultando na redução da resistência de isolamento ou índice de polarização. O efeito da umidade é o mais pronunciado para reduzir a aferição deste valor. (IEE Std 43, 2013)
O valor da resistência de isolamento pode diminuir um pouco com um aumento na tensão aplicada, devido a propriedade intrínseca do material relacionada a rigidez dielétrica. No entanto, para isolamento em boas condições e em um estado completamente seco, substancialmente a mesma resistência de isolamento será obtida para qualquer tensão de teste até o valor de pico da tensão nominal. Uma diminuição significativa na resistência de isolamento com um aumento na tensão aplicada pode ser uma indicação de problemas de isolamento. Esses problemas podem ser devido a imperfeições ou fraturas do isolamento, agravadas pela presença de sujeira ou umidade; ou resultados de outros fenômenos de deterioração (IEEE Std 43, 2013).
3.4.2 Ensaio de Índice de Polarização
O índice de polarização indica a qualidade do sistema de isolamento, no qual é definido como a relação entre a resistência de isolamento medida em 10 minutos e a resistência de isolamento medida em 1 minuto. O índice de polarização deve ser
maior que 2. Se a resistência de isolamento em 1 minuto for menor que 5 GΩ, é
obrigatório realizar o ensaio de índice de polarização. Caso tenha um resultado maior que 5GΩ, o índice de polarização será desconsiderado como medida da condição do enrolamento e o valor mínimo de aceitação de 2 não será aplicável. (IEEE Std. 43, 2013)
3.4.3 Ensaio de Mesa Vibratória
O ensaio de mesa vibratória é definido pela ISO 10816 o qual define as diretrizes gerais para a medição e avaliação da vibração mecânica de máquinas. Os critérios para avaliação são fornecidos e especificados pela Tabela 2, os quais são definidos pelos diferentes tipos de equipamentos elétricos. As classificações para cada equipamento elétrico se dividem em quatro. Os valores da Tabela são definidos
34
de acordo com os equipamentos em questão. As classificações da máquina são as seguintes:
Tabela 2. Classificações dos equipamentos quanto a vibração.
Classes Especificação do Equipamento
I Equipamentos elétricos com potência de até 15kW
II Equipamentos com potência de 15kW até 75kW
III Equipamentos com giratórias instaladas com potência até 300 kW
IV Equipamentos com maiores vibrações com potência superior a
10MW, como turbogeradores e turbinas a gás .
Fonte: (ISO 10816-1, 2008)
As máquinas recém acionadas, é considerado zona A, porém, maquinas com vibrações classificadas como aceitáveis para operação irrestrita a longo prazo é zona B, enquanto vibrações consideradas insatisfatórias para operação contínua de longo prazo, é denominado zona C. Geralmente, a máquina pode ser operada por um período limitado nesta condição até que ocorra uma oportunidade adequada para uma ação corretiva. Os valores de vibração da zona D são normalmente considerados de severidade suficiente para causar danos à máquina. (ISO 10816-1, 2008). Portanto, a Tabela 3, define a severidade da vibração para todos os tipos de máquinas elétricas, no qual é possível averiguar de acordo com a velocidade de vibração rms.
Tabela 3. Velocidade de vibração para Ensaio de Mesa vibratória
Velocidade de Classes
Vibração rms (mm/s) Classe I Classe II Classe III Classe IV
0,28 0,45 A A 0,71 A 1,12 1, B A B 2,8 4, C B C B Fonte: (ISO 10816-1, 2008)
Os valores numéricos atribuídos aos limites da zona D não destinam a servir como especificações de aceitação, que devem ser objeto de acordo entre o fabricante da máquina e o cliente. No entanto, esses valores fornecem as diretrizes para garantir que deficiências grosseiras. (ISO 10816-1, 2008)
7,1 C
11,2 C
18 D D D
28 D
3.4.4 Ensaios de equipamentos elétricos à prova de explosão
Para ocorrer a instalação do equipamento elétrico deve-se realizar três ensaios: Ensaio de determinação da pressão de referência; Ensaio de sobrepressão; e Ensaio de Propagação. Primeiramente, antes de realizar os ensaios para atmosferas explosivas, o equipamento é submetido a análises do projeto construtivo,
posteriormente análises dimensionais, tolerâncias, materiais e acabamento final. (IEC
60079-1. 2017)
No ensaio de determinação da pressão de referência, no qual é injetado no interior do invólucro a mistura de gás e ar normalizado. Por meio de sensores piezoelétricos e osciloscópio instalados previamente e adequadamente no corpo do invólucro, é detectada a curva de pressão de referência que foi desenvolvida para
aquele invólucro. (IEC 60079-1. 2017)
Após o ensaio de determinação da pressão de referência, é realizado o ensaio de sobrepressão, que pode ser realizado de duas formas: ensaio estático e ensaio dinâmico. O ensaio de sobrepressão consiste em avaliar a resistência mecânica do invólucro, no qual também é injetado a mistura de gás e ar normalizado, entretanto, com pressões superiores detectadas pelo ensaio de determinação da pressão de
referência. (IEC 60079-1. 2017)
O ensaio estático ocorre com aplicação de água no interior do invólucro com pressão de 1.5 ou 4.0 vezes o valor da crista da curva de pressão de referência. Desta maneira, consegue-se avaliar fatores de segurança para a resistência do invólucro.. Já o ensaio dinâmico ocorre através da pré-compressão da mistura explosiva utilizada para a determinação da pressão de referência, a uma pressão de 1.5 bar com posterior ignição dessa mistura. Nestes ensaios de sobrepressão, o invólucro não poderá sofrer qualquer alteração ou dano permanente, caso ocorra algum dano não
poderá ser instalado nessas áreas de atmosfera explosiva. (IEC 60079-1. 2017)
Por fim, é realizado o ensaio de propagação, no qual é colocado em uma câmara de ensaio, sendo que o invólucro é preenchido com a mistura explosiva, com uma concentração também normalizada e por meio de um sistema de ignição é provocada a explosão da mistura no interior do invólucro, conforme Figura 10. Para que o equipamento seja aprovado, o gás contido na câmara não deverá explodir. (IEC 60079-1. 2017)
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Figura 6. Ensaio de Propagação.
Fonte: (O Autor, 2020)
3.4.5 Ensaio aplicável ao material de selagem: ensaio de flamabilidade (UL 94) O ensaio de flamabilidade UL 94 é um padrão para segurança de inflamabilidade de materiais plásticos para peças em dispositivos e testes de aparelhos. Existem dois tipos de sistema de medição para teste de pré-seleção realizados em materiais plásticos para medir características de inflamabilidade. O primeiro determina a tendência do material de extinguir ou espalhar a chama depois que a amostra é inflamada. Enquanto o segundo sistema de teste mede a resistência de ignição do plástico às fontes de ignição elétrica. (UL 94, 2015)
A norma UL 94 é separada em 6 classificações de comportamento da chama no material polimérico ou elastômero. Essas classificações listadas em ordem decrescente para cada um dos três grupos a seguir são usadas para distinguir as características da queima de um material após as amostras de teste terem sido expostas a chama especificada em condições controladas de laboratório. As chassificações são: (UL 94, 2015)
a) UL 94-5VA Queimadura de superfície; A queima é interrompida em 60 segundos; as amostras em teste não podem ter uma queimadura (sem orifício). Essa é a classificação UL94 mais alta (mais retardante de chamas).
b) UL 94-5VB: Parada de gravação dentro de 60 segundos, as amostras de
teste podem ter uma queimadura (pode haver um orifício) Queimadura vertical
gotejamentos em chamas queimadura vertical
d) UL 94 V-1: A queima é interrompida em 60 segundos, não são permitidos gotejamentos em chamas queimadura vertical
e) UL 94 V-2: A queima é interrompida em 60 segundos, são permitidos gotejamentos em chamas.
f) UL 94 HB: É realizada em queima horizontal lenta, onde é considerado "auto-extinguível". A classificação UL94 mais baixa (menos retardante de chama). Se ela se apagar, a chama é recolocada por mais 10 segundos. Se houver auto sustentação da chama na amostra não será possível classificá-la segundo a UL 94. (UL 94, 2015)
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4. METODOLOGIA 4.1 Materiais
Neste tranalho foram utilizados dois silicones de cura ambiente (RTV), denominados RTV 2a’ e RTV 2b” e graxa de silicone. Devido a informações confidenciais, não serão fornecidos mais informações sobre os materiais utilizados.
4.2 Metodologia
Após a seleção dos materiais de acordo com as questões comerciais, de fabricação e pós fabricação, foram realizados testes nas amostras e métodos para simular um motor elétrico em situação real. A fim de reduzir a quantidade de amostras testadas, otimizando a rotina de ensaios. Aplicou-se ferramentas da qualidade como Lean SixSigma, conhecidas como: 5W2H; DMAIC; PokaYoke; Diagrama de Pareto; Diagrama de Ishikawa. A partir disso, desenvolveu-se um fluxograma de ensaios, conforme a Figura 7, para estudar as amostras recebidas pelo fornecedor e atender às normas internacionais (IEEE Std 43, IEC 60079-1).
Figura 7. Fluxograma dos Ensaios realizados
Fonte: (O Autor, 2020)
As análises para atender as normas internacionais foram feitas desta maneira sequencial, pois cada ensaio depende do anterior. O ensaio de flamabilidade via norma UL 94 não necessita ser de maneira sequencial, por isso não está descrito no fluxograma, pois o objetivo foi comparar as amostras em questão.
