Integridade estrutural do elemento filtrante: pressão de colapso, vedação das tampas e engenharia da válvula de bypass

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Pressão de colapso e de ruptura: ISO 2941

A ISO 2941 define o método de ensaio para verificar a resistência do elemento filtrante ao colapso (sentido de fluxo de fora para dentro) e à ruptura (sentido de fluxo de dentro para fora) induzidos pela pressão diferencial. O ensaio aplica uma pressão diferencial controlada ao elemento com taxa de rampa especificada e a mantém na pressão de ensaio máxima. A falha do elemento é definida como deformação permanente além dos limites especificados ou falha estrutural catastrófica. A ISO 2941 especifica as pressões de ensaio por tipo de elemento; os compradores normalmente especificam a pressão de ensaio de colapso/ruptura em 10× a pressão diferencial de trabalho nominal ou conforme a especificação de projeto do fabricante. Elementos hidráulicos de retorno (classificados em 0.5–1.0 MPa de Δp de trabalho) exigem resistência ao colapso de 5–10 MPa. Elementos da linha de pressão podem exigir resistência ao colapso até a pressão total do sistema (até 35 MPa em sistemas de alta pressão). Os elementos devem ser ensaiados no sentido de fluxo usado em serviço; os limites de colapso e de ruptura não são intercambiáveis.

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Integridade das tampas: ISO 2942

Uma falha na colagem das tampas deixa o fluido contornar totalmente o meio filtrante sem gerar sinal de pressão diferencial e sem acionar a válvula de bypass. O bypass é invisível para todo monitoramento baseado em pressão. A ISO 2942 define o ensaio de integridade do elemento com nitrogênio ou ar sob pressão: o elemento é vedado, imerso em fluido de ensaio e pressurizado até a pressão de ponto de bolha especificada. A emissão de bolhas indica rompimento do meio, da colagem das tampas ou da vedação do envoltório externo. O ensaio se aplica no controle de qualidade de fabricação e como ensaio de inspeção de recebimento dos elementos comprados para o campo. Mecanismos de falha da colagem das tampas: ciclos térmicos (ciclos repetidos de dilatação e contração causam fadiga na colagem adesiva); incompatibilidade química (dissolução do adesivo por lubrificantes sintéticos agressivos ou aditivos do combustível); dano mecânico (manuseio inadequado ou impacto de ferramentas na instalação). Os adesivos de silicone usados em alguns elementos não são compatíveis com fluidos hidráulicos de éster de fosfato.

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Compatibilidade de fluidos: ISO 2943

A ISO 2943 ensaia a compatibilidade dos componentes do elemento filtrante com o fluido de serviço. Protocolo de ensaio: imergir o elemento (ou amostras representativas de cada material: meio, tampas, O-rings, adesivos) no fluido de serviço em temperatura elevada por um período de exposição definido. Após a exposição, avaliar: a variação dimensional dos elastômeros (o inchamento em volume deve estar dentro da especificação); a retenção da resistência à tração do meio; a retenção da resistência da colagem adesiva. A ISO 2943 é especialmente relevante em aplicações com fluidos não padronizados: ésteres sintéticos, óleos básicos de polialfaolefina (PAO), fluidos hidráulicos de éster de fosfato, fluidos hidráulicos de água-glicol e misturas de biodiesel (B20–B100). Os O-rings de nitrila (NBR) são adequados para fluidos à base de petróleo; o fluorocarbono (FKM/Viton) é obrigatório para ésteres de fosfato e ésteres sintéticos de alta temperatura; o EPDM é obrigatório para água-glicol. A compatibilidade de materiais deve ser verificada para a formulação específica do fluido: os pacotes de aditivos do fluido podem afetar a compatibilidade de forma diferente do fluido básico sozinho.

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Engenharia da válvula de bypass

A válvula de bypass abre quando a Δp do filtro atinge a pressão de abertura e deixa o fluido não filtrado contornar o elemento. O funcionamento da válvula de bypass é essencial durante a partida a frio (alta viscosidade) e quando um elemento se aproxima da capacidade de retenção de sujeira. A pressão de abertura da válvula de bypass é escolhida para: (1) abrir antes de atingir a pressão de colapso do elemento em condições de partida a frio; (2) permanecer fechada em condições normais de operação com a vazão e o carregamento do elemento nominais; (3) adequar a pressão de bypass à classificação de pressão do sistema a jusante. Pressões de abertura típicas: válvulas de bypass de óleo lubrificante de motor 0.7–1.4 bar; válvulas de bypass de retorno hidráulico 2–4 bar; linha de pressão hidráulica (onde se usam válvulas de bypass) 7–10 bar. É preciso verificar a histerese da válvula de bypass (diferença entre a pressão de abertura e a de reassentamento): uma histerese excessiva faz a válvula continuar aberta após o transiente da partida a frio, sem filtração na temperatura normal de operação. A ISO 3968 define métodos de ensaio da característica pressão-vazão aplicáveis à verificação do desempenho da válvula de bypass.

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Avaliação do risco de falha estrutural na partida a frio

A partida a frio é o maior risco estrutural para os elementos filtrantes nos sistemas de óleo lubrificante e hidráulicos. A −20°C, a viscosidade do óleo de motor SAE 15W-40 é de aproximadamente 3,000–5,000 cSt. A demanda de vazão durante a partida do motor força esse óleo viscoso pelo elemento filtrante com pressão diferencial alta. Se a válvula de bypass tiver pressão de abertura inadequada ou não abrir a tempo, a Δp no elemento pode superar os limites estruturais em segundos. Modo de falha estrutural nesse cenário: as pregas do elemento colapsam para dentro, bloqueiam o fluxo, causam aumento catastrófico da Δp e depois uma ruptura estrutural que contamina o sistema com resíduos do meio filtrante. Protocolo de avaliação: verificar a temperatura mínima de partida em relação à especificação do grau de óleo (a SAE J300 define a temperatura mínima de partida de cada grau de viscosidade); verificar a pressão de abertura da válvula de bypass em relação à pressão de colapso do elemento; considerar o pré-aquecimento em aplicações árticas ou de grande altitude em que a temperatura do óleo na partida fica sempre abaixo do mínimo da SAE J300.

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Funcionamento da válvula antirretorno

Os elementos filtrantes rosqueados montados na vertical (o óleo escoa para baixo por gravidade quando o motor para) incorporam válvulas antirretorno (ADV) na base do filtro. A ADV impede que a coluna de óleo volte ao cárter entre a parada e a nova partida, garantindo que a carcaça do filtro esteja cheia de óleo na partida. Sem a ADV, o motor sofre falta momentânea de óleo (0.5–3 segundos, conforme a cilindrada e a capacidade de escorva da bomba) a cada partida: esse período se correlaciona com o desgaste elevado dos mancais detectado pela análise de óleo logo após a retífica do motor. A pressão de abertura da ADV deve ser baixa o bastante para abrir com a pressão da coluna de óleo com o motor parado (normalmente 0.02–0.05 bar no mínimo) e vedar contra o escoamento (verificado por ensaio de inversão ou segundo a ISO 3968). Compatibilidade da ADV com a viscosidade do óleo: óleos de alta viscosidade podem não escoar por uma ADV parcialmente aberta em baixas temperaturas, impedindo o escoamento da coluna de óleo mesmo com a ADV defeituosa.

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Especificação de integridade estrutural para compras

Uma especificação completa de integridade estrutural do elemento filtrante exige: (1) relação beta ISO 16889 na vazão e na pressão diferencial nominais; (2) pressão de colapso ISO 2941 ≥10× a Δp de trabalho nominal; (3) integridade do elemento ISO 2942 (ponto de bolha) ≥ a pressão de abertura nominal da válvula de bypass; (4) compatibilidade de fluidos ISO 2943 com a composição do fluido de serviço e na temperatura máxima de operação; (5) pressão de abertura da válvula de bypass dentro de ±10% da especificação na temperatura e na vazão nominais; (6) pressão de abertura da ADV segundo a ISO 3968 e ensaio de vedação por inversão. Especificar apenas a eficiência ISO 16889 deixa sem verificação as propriedades estruturais e de vedação e depende inteiramente do que o fabricante declara. A arquitetura de elementos DURATECH™ visa os seis pontos de especificação nas linhas de elementos para aplicações hidráulicas e de lubrificação.

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