Mangas de alumínio para cabos de aço: resistência à estampagem, dimensionamento e modos de falha

Uma luva de alumínio cria uma ligação mecânica soldada a frio, não apenas um ponto de aperto

A manga de alumínio para cabo de aço , propriamente conhecido como luva estampada ou ponteira, funciona como um acessório de terminação que fixa permanentemente a extremidade de um cabo de aço em um olhal ou emenda. Quando comprimido com a ferramenta de estampagem correta, o material de alumínio dúctil deforma-se plasticamente em torno dos fios de arame individuais, fluindo para os vales entre eles e criando uma intertravamento mecânico formado a frio que distribui a carga de tração uniformemente em cada fio da seção transversal do cabo . Uma luva estampada corretamente em um cabo de aço galvanizado ou inoxidável usando uma luva oval de alumínio atinge uma resistência de retenção de 85% a 90% da resistência mínima à ruptura do cabo de aço quando o comprimento da luva, o diâmetro interno antes da estampagem e as especificações de compressão pós-estampagem forem atendidos. A liga de alumínio usada - normalmente 5052 ou 6061 na forma forjada ou A380 na forma fundida - é selecionada por sua combinação de ductilidade durante a compressão, compatibilidade de corrosão com o material do cabo de aço e comportamento de endurecimento que aumenta a resistência pós-estampagem da luva para resistir à tensão do aro exercida pelos fios do cabo carregados que tentam se soltar.

Manga Oval e Manga Stop: Dois Componentes Diferentes para Funções Diferentes

O termo manga de alumínio para cabo de aço abrange dois tipos de hardware funcionalmente distintos que são frequentemente confundidos. Um a manga oval, também chamada de manga olho flamengo, tem um perfil oval alongado com dois furos internos paralelos que aceitam ambas as pernas de um laço de cabo de aço . Ele é estampado em toda a sua largura, comprimindo ambos os furos simultaneamente, e é a principal terminação de suporte de carga para criar um olhal permanente na extremidade de um cabo de aço. Uma luva de batente, por outro lado, é um tubo curto de alumínio cilíndrico com um único orifício passante, estampado diretamente em uma única perna do cabo de aço para criar um batente mecânico - como o retentor que evita que um cabo de aço passe por um bloco de polia ou o batente que prende a ponta de um cabo de aço depois de passar por uma luva oval. Confundir os dois e usar uma luva limitadora onde uma luva oval é necessária para terminação de suporte de carga resultará em uma conexão que falha no menos de 40% da resistência à ruptura da corda porque a luva limitadora engata apenas uma perna e não possui a distribuição de carga equilibrada do design oval de furo duplo.

Protocolo de dimensionamento e a consequência de uma incompatibilidade

Uma luva de alumínio é dimensionada para um diâmetro específico de cabo de aço com uma janela de tolerância extremamente estreita. O diâmetro interno antes da estampagem do furo da luva deve ser 0,2 a 0,5 milímetros maior que o diâmetro nominal do cabo para permitir que a corda passe sem emperrar, deixando ao mesmo tempo um espaço vazio mínimo que o alumínio deve preencher durante a compressão. Uma luva de tamanho muito grande não se comprimirá suficientemente nos fios do cabo; o alumínio atingirá seu limite de compressão antes de fluir completamente para os interstícios dos cordões, deixando vazios internos que atuam como pontos de concentração de tensão e reduzem a resistência de retenção em até 30%. Uma luva de tamanho muito pequeno não pode ser enfiada no cabo sem danificar o fio, e forçá-la faz com que os fios externos individuais se desloquem e torçam, criando uma seção transversal enfraquecida no ponto exato onde a terminação aplica sua tensão mais alta. As tabelas de dimensionamento de mangas publicadas pelos fabricantes correspondem a cada diâmetro de cabo com um número de peça de luva específico, e o dimensionamento é específico para a construção do cabo - um cabo com núcleo de fibra 6x19 e um cabo com núcleo de cabo de aço independente 7x19 do mesmo diâmetro nominal podem exigir especificações de luva diferentes porque os diâmetros externos reais diferem ligeiramente devido às diferentes geometrias de empacotamento dos fios.

Inspeção Antes da Estampagem e a Regra do Comprimento da Cauda

Antes da compressão, a ponta do cabo de aço que se projeta da luva deve ser longa o suficiente para permitir a verificação visual de que o cabo não escorregou durante a estampagem. A regra padrão é comprimento mínimo da cauda igual a um comprimento de manga para mangas ovais e dois diâmetros de corda para mangas stop . Após a estampagem, se a cauda tiver retraído para dentro da manga, o cabo escorregou durante a compressão e a terminação deve ser cortada e refeita. A cauda também fornece o material para uma medida de segurança secundária: em aplicações de elevação críticas, a cauda é frequentemente servida com arame ou equipada com uma luva de batente adicional como retentor de backup.

Requisitos da ferramenta de estampagem e ferramenta manual versus decisão hidráulica

A compressão de uma luva de alumínio de cabo de aço requer uma ferramenta de estampagem que aplique compressão controlada e de lados paralelos a uma dimensão especificada após a estampagem. Um cortador de parafusos de loja de ferragens ou um martelo e punção não podem produzir uma estampagem segura. A ferramenta mínima aceitável para luvas ovais em cabos de aço de até 5 milímetros de diâmetro é uma ferramenta de estampagem manual com mandíbulas de aço temperado usinadas no perfil pós-compressão correto . Essas ferramentas são projetos de alavancagem composta que multiplicam a força manual em várias toneladas de pressão de compressão nas faces da mandíbula. Para diâmetros de cabo acima de 5 milímetros, é necessária uma prensa hidráulica de estampagem com matrizes intercambiáveis ​​para gerar as consistentes 8 a 15 toneladas de força necessárias para comprimir totalmente a luva de alumínio na estrutura do cabo. O indicador de qualidade crítico para qualquer ferramenta de estampagem é sua capacidade de produzir uma dimensão pós-estampagem repetível - normalmente especificada como uma medição de calibre através da luva comprimida em seu ponto mais largo - e uma ferramenta cujas mandíbulas estão desgastadas, suspensas ou incompatíveis com o tamanho da luva produzirá uma luva subcomprimida que parece visualmente aceitável, mas falha abaixo da carga nominal.

O medidor Go/No-Go e verificação pós-swage

Após a compressão, a luva estampada deve ser verificada com um medidor de passagem/não passagem fornecido pelo fabricante da luva ou especificado na folha de dados do fabricante. O medidor verifica se o a largura comprimida da luva fica dentro da faixa aceitável - normalmente mais 0,2 milímetros e menos 0,1 milímetros da dimensão nominal pós-estampagem . Uma luva que mede tamanho excessivo no medidor foi subcomprimida e não desenvolverá força de retenção total. Uma luva que mede subdimensionamento foi supercomprimida, o que pode rachar o alumínio ou esmagar os fios internos do cabo de aço, criando um ponto de início de falha. A verificação do medidor não é opcional para qualquer aplicação de elevação, amarração ou de segurança crítica; é a única verificação objetiva de que a estampagem foi realizada corretamente.

O padrão de manga dupla para aplicações de elevação

Os padrões da indústria para lingas de cabos de aço e conjuntos de elevação, incluindo ASME B30.9 e EN 13411-3, exigem que uma emenda de olhal flamenga terminada com mangas ovais de alumínio use no mínimo uma luva para diâmetros de cabo de aço de até 6 milímetros, duas luvas para diâmetros de 6 a 12 milímetros e três luvas para diâmetros acima de 12 milímetros . As mangas são espaçadas uniformemente ao longo da cauda, ​​com a primeira manga posicionada o mais próximo possível da garganta do olho e as mangas subsequentes em intervalos de aproximadamente um comprimento de manga. O requisito de múltiplas mangas não é redundância por si só; ele aborda o fato de que uma única luva concentra toda a carga de tração em um ponto e, se essa luva for comprometida — por um defeito de fabricação, corrosão ou uma estampagem fora das especificações — toda a terminação falha sem aviso prévio. Múltiplas mangas distribuem a carga e fornecem indicação de falha progressiva: se a primeira manga começar a escorregar, a carga será transferida para a segunda manga e a saliência da cauda da primeira manga mudará visivelmente, alertando um inspetor sobre o desenvolvimento da falha durante um exame de rotina.

Considerações sobre corrosão e compatibilidade galvânica entre alumínio e aço

Uma luva de alumínio em contato com o cabo de aço cria um par galvânico na presença de um eletrólito, como água da chuva, névoa salina ou umidade atmosférica industrial. O alumínio é anódico ao aço na série galvânica, o que significa que o a luva de alumínio corroerá preferencialmente para proteger o cabo de aço . Em aplicações internas secas, esse efeito galvânico é insignificante e a luva durará mais que o cabo. Em ambientes marinhos, instalações costeiras externas ou instalações de processamento químico, a taxa de corrosão galvânica acelera dramaticamente. A mitigação para esses ambientes inclui a seleção de mangas de alumínio anodizado com um mínimo Camada anodizada de 15 mícrons que isola eletricamente o alumínio do aço , aplicando um primer rico em zinco ao conjunto estampado antes de colocá-lo em serviço e reduzindo o intervalo de inspeção para detectar o afinamento da parede da luva antes que comprometa a resistência da terminação. As luvas de aço inoxidável – disponíveis nos graus 304 ou 316 – eliminam totalmente o problema de corrosão galvânica quando usadas com cabos de aço inoxidável, ao custo de exigir forças de estampagem mais altas devido à maior resistência ao escoamento do aço inoxidável em comparação com o alumínio.

Modos de falha comuns e identificação de campo

As terminações das mangas de alumínio dos cabos de aço falham através de um número limitado de mecanismos previsíveis, cada um com indicadores visíveis. A falha mais comum é puxamento do cabo, onde o cabo de aço desliza através da manga comprimida sob carga, deixando a manga no lugar em uma cauda agora destacada . Isso indica subcompressão, manga mal dimensionada ou superfície contaminada do cabo que impediu o alumínio de prender os fios. O segundo modo é a fratura da manga, onde o alumínio racha longitudinalmente ao longo do eixo de compressão, geralmente devido à compressão excessiva que excedeu o limite de ductilidade do alumínio. A terceira é a falha por fadiga do cabo de aço no ponto de saída da manga, causada por uma transição brusca entre a seção rígida da manga e o cabo livre flexível, criando uma concentração de tensão de flexão. Este modo de falha é mitigado pelo uso de um dedal no olhal, que fornece um raio de curvatura controlado e reduz a tensão de flexão cíclica na interface manga-cabo. O quarto modo é o adelgaçamento da parede da manga induzido pela corrosão, onde a manga de alumínio perde área de seção transversal até que a parede restante não possa mais conter a expansão radial do cabo sob carga, levando à divisão da manga. Cada um desses modos de falha deixa evidências diagnósticas que uma inspeção competente pode identificar antes que ocorra uma falha catastrófica.

Cabo de aço inoxidável e caixa especial para mangas de alumínio

Quando luvas de alumínio são usadas em cabos de aço inoxidável, a combinação introduz considerações específicas além daquelas para cabos galvanizados. O cabo de aço inoxidável possui acabamento superficial mais liso e menor coeficiente de atrito do que corda galvanizada , o que significa que a luva de alumínio deve atingir um intertravamento mecânico mais profundo na geometria do fio para compensar o componente de atrito reduzido da força de retenção. Isto é conseguido especificando uma dimensão pós-estampagem ligeiramente menor para o cabo inoxidável do que para o cabo galvanizado de mesmo diâmetro, aumentando efetivamente a porcentagem de compressão para conduzir o alumínio mais profundamente nos vales dos cordões. Além disso, o potencial galvânico entre o alumínio e o aço inoxidável é aproximadamente 0,5 volts na água do mar, em comparação com 0,3 volts entre o alumínio e o aço carbono , o que significa que a manga de alumínio em corda inoxidável em um ambiente marinho irá corroer de forma mensurável mais rápido do que a mesma manga em corda galvanizada. A estratégia de luva anodizada com primer de zinco torna-se obrigatória, e não opcional, para combinações de alumínio-inox em serviços externos ou marítimos.

Materiais alternativos para mangas e opções de cobre e zinco

O alumínio não é o único material de luva disponível para terminação de cabos de aço, e certas aplicações se beneficiam de materiais alternativos. Mangas de cobre, especificadas como cobre desoxidado com fósforo C12200, são o padrão para cabos de aço usados em mineração e atmosferas explosivas porque o cobre não produz faíscas quando atingido ou desgastado . As mangas de cobre requerem aproximadamente 15% mais força de compressão do que as mangas de alumínio do mesmo tamanho devido à maior resistência ao escoamento do cobre, e produzem uma terminação com resistência de retenção comparável à do alumínio quando estampadas corretamente. As luvas de zinco, produzidas a partir de liga de zinco de alta pureza, são especificadas para aplicações submersíveis e subaquáticas, onde o zinco tem função dupla tanto como terminação mecânica quanto como ânodo de sacrifício que protege o cabo de aço contra corrosão. A luva de zinco é consumida intencionalmente ao longo do tempo e sua espessura de parede é especificada com uma tolerância à corrosão que garante que a terminação mecânica permaneça funcional durante a vida útil projetada da instalação. As luvas de aço inoxidável, conforme observado, são a escolha para conjuntos de cabos de aço inoxidável em ambientes corrosivos e para equipamentos de qualidade alimentar, farmacêutica e de salas limpas, onde o pó de óxido de alumínio proveniente da corrosão da luva é inaceitável.

O papel do dedal na proteção da manga e da corda

Um dedal é uma inserção de metal ou plástico ranhurada colocada dentro do olhal da terminação de um cabo de aço antes que a luva seja estampada. Sua função é manter um raio de curvatura controlado na curva interna do olhal e evitar que o cabo de aço seja esmagado pela superfície de apoio de qualquer coisa a que o olhal esteja preso . Para terminações de manga de alumínio, o dedal desempenha uma função crítica adicional: evita que os fios do cabo na garganta do olhal se dobrem sob carga, o que criaria uma concentração de tensão imediatamente adjacente à manga e levaria à falha prematura do fio por fadiga. O dedal padrão para um determinado diâmetro de cabo fornece uma raio de curvatura mínimo de 2,5 a 3 vezes o diâmetro do cabo na garganta do olho. Sem um dedal – uma configuração chamada soft eye – a corda dobra-se em torno de um raio muito mais apertado imposto pelo pino de fixação ou manilha, e os fios no interior da curva são comprimidos para além do seu limite elástico no primeiro ciclo de carga, danificando permanentemente a corda no seu ponto de maior tensão. Um soft eye com terminação em luva de alumínio é aceitável apenas para aplicações estáticas não críticas, onde o cabo nunca se aproximará de seu limite de carga de trabalho e onde a fadiga não é uma consideração de serviço.