Válvulas de segurança
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Miguel Malheiro Eng.o Eletrotécnico, Ramo de Automação, Controlo e Instrumentação – FEUP mcbmalheiro@gmail.com
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1.ª Parte
A válvula de segurança é um dispositivo para alívio da pressão, utilizada para proteger um vaso cuja pressão de operação seja superior à atmosférica. Deve ser utilizada quando essa pressão pode exceder o valor da pressão de ajuste. As consequências da sua falha podem ser a perda de vidas e do capital investido. Os riscos causados pelo excesso de pressão dentro de um vaso ou uma caldeira são eliminados automaticamente com a utilização dessa válvula, desde que esteja corretamente especificada, dimensionada, instalada e mantida.
Em muitas indústrias, são chamadas de PSV (Pressure Safety Valve), no caso das válvulas de segurança, ou PRV (Pressure Relief Valve), para as de alívio. Os termos “segurança”, “alívio” e “segurança e alívio” aplicam-se às válvulas que têm a finalidade de aliviar a pressão de um sistema. Nas indústrias de processo químico em geral, todas são chamadas de “válvulas de segurança”. As válvulas de alívio de pressão podem ser de “alívio” para fluidos líquidos; de “segurança” para fluidos gasosos e vapores, aliviando o excesso de forma rápida e instantânea (ação pop); ou de “segurança e alívio” dependendo se o fluido
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é compressível ou não compressível. Ela deve abrir numa pressão de ajuste prédeterminada, escoar a sua capacidade total dentro da sobrepressão especificada e fechar quando a pressão tiver retomado a um valor seguro, que esteja previamente estabelecido pelo projeto da válvula. São dispositivos auto-operados, em que a única fonte de energia para a sua operação é a própria pressão do fluído, que devem operar de forma confiável e precisa, a partir do momento em que outros instrumentos falham e uma resposta rápida é necessária. Por isso, a válvula de segurança, apesar da sua simplicidade de construção, é considerada o último
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recurso para a proteção de um sistema (Figura 1; Tabela 1).
1. O CÓDIGO ASME A ASME (American Society of Mechanical Engineers) é uma organização que ajusta os códigos nos EUA e determina como todos os vasos de pressão devem ser projetados e protegidos. Esses códigos são leis e devem ser rigorosamente seguidos e cumpridos.
2. TIPO CONTRAPESO A válvula de segurança existe desde 1682, quando foi inventada na Inglaterra pelo físico francês Denis Papin (1647-1712). Funcionava com um sistema de contrapeso que ao ser movimentado ao longo de uma alavanca, alterava a sua pressão de ajuste, pois exercia uma força constante sobre o disco de vedação da válvula (Figura 2). O peso constante do disco fazia com que as válvulas funcionassem de forma semelhante às atuais válvulas de alívio
Denominação Corpo Bocal Anel do Bocal Parafuso Trava do Anel do Bocal Disco Flexível Suporte do Disco Retentor do Suporte do Disco Eductor Anel Superior Parafuso Trava do Anel Superior Haste Pistão Porca da Haste Castelo Estojos do Castelo Porcas dos Estojos do Castelo Mola Suportes da Mola Rolamento * Parafuso de Ajuste Porca Trava do Parafuso de Ajuste Capuz Alavanca Pino da Alavanca Garfo da Alavanca Pino do Garfo da Alavanca
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Figura 1. Válvula de segurança para uma caldeira.
* Rolamento utilizado em válvulas de segurança com pressões de ajuste elevadas. A função deste rolamento é eliminar o atrito entre o parafuso de ajuste e o suporte superior da mola, reduzindo o torque daquele parafuso durante as calibrações da válvula.
Tabela 1. Denominação das peças de uma válvula de segurança.
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sicionamento correto multiplica a força exercida pela pressão do fluido na zona interna da vedação do bocal contra a força exercida pela mola após a pressão de ajuste ter sido alcançada (Figura 4). Esses anéis são encontrados nas válvulas de segurança com uma determinada especificação no diferencial de alívio. A sua função é alterar o desempenho da válvula, devido às diferentes atuações sob fluidos com pressões e densidades diferentes. O posicionamento correto desses anéis pode controlar as ações de abertura e encerramento da válvula de segurança dentro de certos limites, através de uma alteração na geometria interna da câmara de força, e consequentemente, nas forças que a mantêm aberta. As suas posições podem ser manipuladas para controlar precisamente os valores da sobrepressão e o diferencial de alívio de acordo com a pressão de ajuste da válvula e a densidade do fluido, assegurando que a capacidade de vazão da válvula seja limitada apenas pela área da garganta do bocal. As válvulas de segurança, construídas conforme a Norma DIN, normalmente não possuem os anéis de ajuste. Ao ajuste incorreto dos anéis acresce o diferencial de alívio e pode aumentar a sobrepressão da caldeira ou do processo para que o disco de vedação alcance o seu curso máximo. O uso de válvulas de segurança com dois anéis (modelo utilizado em caldeiras) com pressões elevadas faz com que as perdas dos fluidos durante a descarga sejam reduzidas, e o ciclo operacional da válvula seja mais rápido. Por serem mais caras do que os modelos para vasos de pressão, a relação custo/benefício deve ser devidamente analisada, principalmente quanto ao valor do fluido do processo que pode ser desperdiçado pela
Figura 4. Comportamento do fluxo através de uma válvula de segurança.
instalação de válvulas com diferencial de alívio maior. 4.1.1. Anel inferior É utilizado em praticamente todas as válvulas que operam com fluidos compressíveis, como gases e vapores, tanto em caldeiras quanto em processos. Este anel, em conjunto com os contornos da face do suporte do disco e área do bocal, forma a câmara de força. A posição do anel em relação à face do suporte do disco modifica o formato de escoamento e o volume do fluido dentro da câmara de força. Desta forma, a sua posição controla a força exercida pelo fluido na câmara, atuando contra a força da mola com o controle da expansão de um fluido compressível para alterar a força de elevação do disco, da taxa de fluxo e, assim, modificar o valor da pressão de encerramento. De acordo com a pressão do fluido, a sua densidade e a relação entre a capacidade de vazão requerida pelo processo para a capacidade de vazão efetiva da válvula, este anel tem uma posição que é definida por esses parâmetros. Nas válvulas de segurança e alívio com internos de projeto convencional, quando opera com líquidos, a posição deste anel praticamente não interfere com o seu ciclo operacional. Ele deve ser colocado na posição mais baixa possível. Quando o anel é posicionado muito próximo da face do suporte do disco, a área do orifício secundário fica pequena e a válvula trepida para abrir (chattering) pois a expansão do fluido ocorre de forma mais rápida, devido a uma maior restrição. Afastando o anel daquela face, o orifício secundário aumenta e a válvula trepida para fechar (simmering) devido às perdas de fluido, agora em função da menor restrição. A posição final desse anel, para as reais condições de processo, fica localizada entre esses dois extremos e depende da pressão, temperatura, densidade e tipo de fluido, além da capacidade de vazão requerida pelo processo em relação à capacidade de vazão efetiva, selecionada através da área da garganta do bocal. Durante o ciclo de encerramento, operando com fluidos compressíveis, e corretamente posicionado, este anel tem a função de amortecer a força da mola evitando o impacto do disco sobre a superfície de vedação do bocal,
aumentando a vida útil da válvula. Pequenas mudanças na posição deste anel podem fazer muita diferença no seu ciclo operacional. 4.1.2. Anel superior Controla o diferencial de alívio da válvula, fazendo com que, ao sair do bocal e alcançar a pressão de alívio, o fluido mude a sua direção. A sua posição correta, de acordo com a densidade do vapor, determina o início do ciclo de encerramento, que é o ponto no qual a força da mola supera a exercida pela pressão do fluido abaixo da face do suporte do disco, e este inicia a redução do seu curso de abertura até ao encerramento total. É através do anel superior que o disco de vedação alcança o seu curso máximo quando a pressão de alívio é atingida, proporcionando a mínima sobrepressão e o mínimo diferencial de alívio. O anel superior é utilizado em válvulas de segurança de caldeiras e a sua função é variar a força de reação exercida pela pressão do fluido na face inferior do suporte do disco, após o início da abertura da válvula e o disco ter alcançado o seu curso máximo. Deste modo altera o valor do diferencial de alívio. 4.2. Orifício secundário É a área formada pela abertura do diâmetro externo do anel inferior e o diâmetro interno da “saia” do suporte do disco, causando uma restrição variável ao escoamento do fluido, que é sempre maior na abertura da válvula do que no seu encerramento e, por esta razão, a pressão do encerramento é sempre menor do que o valor de abertura. 4.3. Ação pop A ação pop ou apenas pop ocorre com fluidos compressíveis e é produzida através do orifício secundário, dentro da câmara de força. Quando a pressão de operação aumenta e atinge a de ajuste, a força exercida pela pressão do fluido na área de vedação do disco combina com a força de reação causada e com aquela mudança na direção do fluxo, para superar a crescente força da mola. Desta forma, o curso de abertura do disco é elevado até que a vazão seja limitada pela área da garganta do bocal. Este ponto é alcançado antes que seja atingida a sobrepressão máxima permitida.