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técnico de perfuração e poços VÁLVULAS Material elaborado em parceria PrOMinP e Petrobras. Autor: Eduardo Gagliuffi Peralta técnico de perfuração e poços VÁLVULAS programa alta competência Este material é resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção, da Universidade Petrobras e representantes do PrOMinP (Programa de Mobilização da indústria nacional de Petróleo e gás natural). Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais da Companhia. É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. nesse contexto, o E&P através do Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação e reciclagem dos empregados. A concepção pedagógica dos cursos, além de contemplar os aspectos tecnológicos tem uma preocupação constante com os aspectos relacionados à preservação da Saúde, Meio Ambiente e Segurança de todos os envolvidos em seus processos produtivos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. sumáriosumário Capítulo 1. Apresentação 1.1. Definição 13 Capítulo 2. Classificação das válvulas 2. Classificação das válvulas 17 2.1. Componentes de uma válvula 17 2.2. Corpo da válvula 18 2.3. Castelo da válvula 19 2.4. Atuador da válvula 19 2.5. internos da válvula 20 2.6. Obturador 20 2.7. Anel de sede 21 Capítulo 3. Tipos de válvulas 3.1. introdução 25 3.2. Válvulas de deslocamento linear 25 3.2.1. Válvulas globo 25 3.2.2. Válvulas gaveta 26 3.2.3. Válvula tipo diafragma ou saunders 27 3.2.4. Válvula tipo guilhotina 28 3.3. Válvulas de deslocamento rotativo da haste 29 3.3.1. Válvula tipo borboleta 30 3.3.2. Válvula tipo esfera 31 3.4. Válvula de controle 33 3.4.1. Partes principais de uma válvula de controle 34 3.5. Válvula de retenção 36 3.5.1. Válvula de retenção tipo portinhola 36 3.5.2. Válvula de retenção tipo disco integral 37 3.5.3. Válvula de retenção tipo globo 37 3.5.4. Válvula de retenção tipo esfera 38 3.6. Válvula de segurança e alívio (PSV) 39 3.7. Classes de vazamentos 39 3.7.1. Manuseio, armazenamento e transporte de válvulas 41 Exercícios 51 Bibliografia 55 Gabarito 56 Figura 2.1 - Partes principais de uma válvula 17 Figura 2.2. - internos das válvulas 20 Figura 2.3. - (a) Anel sede da válvula globo, (b) Anel sede da válvula gaiola 21 Figura 3.1 - (a) Válvula globo sede simples, (b) Válvula globo sede dupla 26 Figura 3.2. - Válvula de gaveta 27 Figura 3.3 - Válvula tipo diafragma 28 Figura 3.4 - Válvula tipo guilhotina 29 Figura 3.5 - Válvulas borboleta 30 Figura 3.6 - instalação de uma válvula borboleta 31 Figura 3.7 - Válvula esfera 32 Figura 3.8 - Tipos de guia do obturador na válvula esfera 32 Figura 3.9 - instalação de uma válvula esfera 33 Figura 3.10 - Partes principais de uma válvula de controle 34 Figura 3.11 - Atuador tipo mola-diafragma de câmara bipartida 35 Figura 3.12 - Atuador de ação direta e ação inversa 35 Figura 3.13 - Válvula de retenção tipo portinhola 36 Figura 3.14 - Válvula de retenção tipo disco integral 37 Figura 3.15 - Válvula de retenção tipo globo 38 Figura 3.16 - Válvula de retenção tipo esfera 38 Figura 3.17 - Válvula de segurança e alívio 39 Figura 3.18 - Classes de vazamento 40 Figura 3.19 - Alinhamento da válvula na tubulação 42 Figura 3.20 - Posição de abertura e fechamento da válvula 43 Figura 3.21 - Válvulas bipartidas 44 Figura 3.22 - Volantes de válvulas 45 Figura 3.23 - Manobras seguras em válvulas 45 Figura 3.24 - Sentido de fluxo da válvula de retenção 46 Figura 3.25 - Válvula de retenção de pistão e esfera (para tubulação horizontal) 47 Figura 3.26 - Válvulas tamponadas com disco de papelão 47 Figura 3.27 - Válvula borboleta mantida em posição fechada 48 Figura 3.28 - Válvulas diafragmas 48 Figura 3.29 - Válvula com volante, haste e bucha 49 Figura 3.30 - Válvula de segurança 50 Lista de figuras C ap ít u lo 1 Apresentação 12 Alta Competência 13 Capítulo 1. Apresentação 1. Apresentação 1.1. Definição Válvulas são dispositivos destinados a estabelecer, controlar e interromper o fluxo em uma determinada tubulação. Além de tubulações, são também utilizadas em entradas e saídas de tanques, em aplicações distintas, tais como: serviços de liga-desliga, serviço de controle proporcional, prevenção de vazão reversa e controle e alívio de pressão. Os processos industriais exigem sistemas de controle na fabricação de seus produtos. Esses processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, os produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, entre outros. Em todos esses processos, é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos de medição e controle são os elementos que permitem manter controladas as variáveis do processo com os objetivos de melhorar a qualidade do produto, aumentar a quantidade produzida, manter a segurança e melhorar o meio ambiente. no princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através do controle manual dessas variáveis utilizando somente instrumentos simples, como manômetros, termômetros e válvulas manuais, o que já era suficiente, porque os processos eram simples. Com o passar do tempo, os processos foram se sofisticando e exigindo automação cada vez maior dos instrumentos de medição e controle. Os operadores foram liberados de sua atuação física direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorreu um movimento de centralização do monitoramento das variáveis em uma única sala. Devido à centralização das variáveis do processo, podem ser fabricados produtos cuja fabricação seria impossível através do controle manual. Para atingir os atuais níveis de produção, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas, passando do controle manual para o mecânico e hidráulico, o pneumático, o elétrico, o eletrônico e, atualmente, o digital. C ap ít u lo 2 Classificação das válvulas 16 Alta Competência Capítulo 2. Classificação das válvulas 17 2. Classificação das válvulas As válvulas se classificam conforme funções e características específicas, porém seus objetivos principais são controlar a pressão e regular a vazão. Podem operar nas posições aberta, semiaberta ou fechada. São utilizadas para controlar fluidos líquidos e gasosos, garantindo o controle dos processos, a integridade de equipamentos e a segurança dos operadores. 2.1. Componentes de uma válvula Os principais componentes de uma válvula são: Corpo; • Castelo;• Atuador;• internos.• Além dos componentes acima, outras partes compõem a válvula, como o obturador, a haste, os anéis, os selos etc. Figura 2.1 - Partes principais de uma válvula 18 Alta Competência 2.2. Corpo da válvula O corpoé a parte da válvula que se conecta fisicamente à tubulação e que contém o orifício para a passagem do fluido. O formato da válvula determina a forma de passagem dos fluidos por ela. As válvulas são peças sujeitas à manutenção e, por isso, devem ser, em princípio, desmontáveis. Tanto as válvulas rosqueadas quanto as flangeadas obedecem a esse conceito. no entanto, com o desenvolvimento dos processos de soldagem, passaram também a ser empregadas as válvulas com extremidade para solda de soquete e para solda de topo. A desmontagem dessas válvulas é bem mais difícil; em contrapartida, não há riscos de vazamentos nas instalações. Os principais tipos de extremidades utilizadas em válvulas são: Extremidades flangeadas: sistema utilizado em quase todas • as válvulas, em qualquer material e empregado em tubulações industriais de mais de 2” de diâmetro; Extremidades para solda de soquete: sistema utilizado • principalmente em válvulas de aço, menores que 2” de diâmetro; Extremidades rosqueadas: sistema usado em válvulas de até • 3” de diâmetro, em tubulações que não conduzem fluidos corrosivos ou venenosos; Extremidade para solda de topo: sistema utilizado em válvulas • de aço, com mais de 2” de diâmetro, em serviços com pressões muito altas ou com fluidos em que se exija eliminação absoluta do risco de vazamento. Capítulo 2. Classificação das válvulas 19 2.3. Castelo da válvula O castelo é a parte da válvula que suporta e contém as peças móveis de controle do fluxo. O castelo - geralmente uma parte separada do corpo da válvula, que pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas -, é definido como “um conjunto que inclui a parte através da qual a haste do obturador da válvula move-se, em um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste”. Ele proporciona também um meio para montagem do atuador. normalmente, o castelo é preso ao corpo por meio de conexões flangeadas e, no caso de válvulas globo de pequeno porte, por questão de economia, convenciona-se a utilização de castelo rosqueado em aplicações de utilidades gerais como ar, água etc., como é o caso das denominadas válvulas de controle globo miniaturas. Os principais tipos de castelo são: normal;• Aletado;• Alongado;• Com foles.• 2.4. Atuador da válvula Constitui o elemento responsável por proporcionar a força motriz necessária ao funcionamento da válvula. Como é parte integrante do sistema de controle (válvulas de controle), quando corretamente selecionado, deve proporcionar à válvula meios estáveis e suaves de operacionalidade contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na válvula, através da ação do fluido de processo. 20 Alta Competência Dependendo basicamente do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado em aplicações de controle classifica-se em manual, pneumático, elétrico e hidráulico. 2.5. Internos da válvula normalmente, costuma-se definir os internos da válvula de controle como o coração desta ou representá-los por ele. Se considerarmos a função a qual se destina essa válvula, realmente as partes denominadas de internos representam o papel principal dela, ou seja, produzir uma restrição variável à passagem do fluido conforme a necessidade imposta pela ação corretiva do controlador, produzindo, assim, uma relação entre a vazão que passa e a abertura da válvula. A Figura 2.2. apresenta os internos das válvulas. Volante Bucha de movimento Jugo Arruela do tirante Haste Castelo Prisioneiro do corpo Junta Cunha Bucha de movimento Trava da bucha de movimento Porca do tirante Preme gaxeta Tirante Gaxeta Bucha Porca do prisioneiro Corpo Figura 2.2. - internos das válvulas 2.6. Obturador Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo, obturando o orifício de passagem de modo a formar restrição variável ao fluxo. Capítulo 2. Classificação das válvulas 21 2.7. Anel de sede Anel circular montado no interior do corpo formando o orifício de passagem do fluxo, conforme mostrado nas Figuras 2.3 (a) e (b): (a) (b) Figura 2.3. - (a) Anel sede da válvula globo, (b) Anel sede da válvula gaiola C ap ít u lo 3 Tipos de válvulas 24 Alta Competência Capítulo 3. Tipos de válvulas 25 3.1. Introdução As válvulas classificam-se em função dos tipos de corpos, e, portanto, quando se fala em tipos de válvulas subentendem-se tipos de corpos. Os principais tipos de válvulas podem ser reunidos em dois grupos: • De deslocamento linear: Globo;• Gaveta;• Diafragma;• Bipartido;• Guilhotina.• De deslocamento rotativo: Borboleta;• Esfera;• Obturador excêntrico.• 3.2. Válvulas de deslocamento linear 3.2.1. Válvulas globo A válvula de deslocamento linear, com corpo de duas vias, formato globular de passagem reta, internos de sede simples ou de sede dupla (conforme a Figura 3.1) é a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica. 26 Alta Competência Funcionam pelo movimento de um disco ou de uma cunha redonda, fechando um orifício para bloquear o fluxo do fluido. O movimento do disco é feito no sentido vertical ao eixo da válvula. O fluxo muda de direção duas vezes por 90o, causando alta turbulência do fluido e perda de carga ou energia. São do tipo de deslocamento de haste, e a sua conexão com a linha pode ser feita através de flanges, rosca ou solda. Elas podem ser de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possuam para a passagem do fluido. (a) (b) Figura 3.1 - (a) Válvula globo sede simples, (b) Válvula globo sede dupla São empregadas para regulagem de fluxo e para melhor vedação com fluidos que contenham partículas sólidas em suspensão. 3.2.2. Válvulas gaveta Constitui um tipo de válvula amplamente utilizada na indústria, principalmente em serviços de bloqueio nas linhas de água, óleos e líquidos em geral (desde que não sejam muito corrosivos e voláteis), para quaisquer diâmetros, e também para bloqueio de vapor e ar em linhas de diâmetros acima de 8”. O fechamento dessas válvulas é feito pelo movimento de uma peça chamada gaveta ou cunha, que se desloca paralelamente ao orifício da válvula e perpendicularmente ao sentido de escoamento do fluido. Quando completamente abertas, a perda de carga causada é praticamente desprezível. Capítulo 3. Tipos de válvulas 27 Essas válvulas só devem trabalhar completamente abertas ou fechadas, isto é, são válvulas de bloqueio e não de controle de fluxo. Quando parcialmente abertas, causam laminagem da veia fluida acompanhadas de cavitação e violenta erosão. Observa-se que as válvulas de gaveta são sempre de fechamento lento, não sendo possível fechá-las instantaneamente: o tempo necessário para fechamento será tanto maior quanto maior for a válvula. Essa é uma das suas grandes vantagens, porque, dessa maneira, pode-se controlar o efeito dos golpes de aríete. As válvulas de gaveta dificilmente dão um fechamento absolutamente estanque. A Figura 3.2 apresenta uma válvula de gaveta. Volante Bucha de movimento Jugo Arruela do tirante Haste Castelo Prisioneiro do corpo Junta Cunha Bucha de movimento Trava da bucha de movimento Porça do tirante Preme gaxeta Tirante Gaxeta Bucha Porca do prisioneiro Corpo Figura 3.2. - Válvula de gaveta 3.2.3. Válvula tipo diafragma ou saunders É utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. Consiste em um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpoe o castelo, se desloca para provocar o fechamento (Figura 3.3). Possui como vantagens baixo custo, total estanqueidade quando fechada – já que o assento é composto por um diafragma de borracha – e facilidade de manutenção. 28 Alta Competência Como desvantagens, não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta e desuniforme força de atuação, o que faz com que praticamente esse tipo de válvula seja limitada a diâmetros de até 6” para efeito de aplicação em controle modelado. Outra desvantagem é que, devido ao material do seu obturador (diafragma de neoprene ou teflon), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluido em função do material do diafragma. As válvulas tipo diafragma têm sua maior aplicação na indústria química, devido aos fluidos que são manipulados nessas indústrias, tais como ácidos e hidróxidos muito corrosivos e fluidos passíveis de cristalização e que contém sólidos em suspensão. DIAFRAGMA (a) (b) Figura 3.3 - Válvula tipo diafragma 3.2.4. Válvula tipo guilhotina Trata-se de uma válvula originalmente projetada para a indústria de papel e celulose. Porém, hoje em dia, também tem sido utilizada em indústrias químicas, petroquímicas, açucareiras, de abastecimentos de água etc. Capítulo 3. Tipos de válvulas 29 Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluidos pastosos, como, por exemplo, massa de papel. É fabricada em diâmetros de 2” até 24” com conexões sem flanges para ser instalada entre o par de flanges da tubulação, conforme mostra a Figura 3.4. Figura 3.4 - Válvula tipo guilhotina 3.3. Válvulas de deslocamento rotativo da haste nos últimos anos, tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulas denominadas de rotativas. Basicamente, esses tipos de válvulas apresentam vantagens e desvantagens. Dentre as vantagens, podemos considerar: baixo peso em relação aos outros tipos de válvula, desenho simples, maior capacidade relativa de fluxo, custo inicial mais baixo etc. Dentre as desvantagens, constatam-se: limitações em diâmetros inferiores a 1” ou 2” e quedas de pressão limitadas, principalmente em grandes diâmetros. 30 Alta Competência 3.3.1. Válvula tipo borboleta É uma válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem retas, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial. A válvula borboleta é constituída de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente ao eixo do cilindro. O corpo cilíndrico pode ser flangeado em ambas as extremidades ou fabricado na forma de um anel sólido, conforme mostra a Figura 3.5. Este último tipo é instalado em uma tubulação entre dois flanges. Quando as válvulas borboletas são acionadas por atuadores convencionais pneumáticos, o movimento alternativo da haste é usualmente transformado em movimento rotativo através de um simples jogo de alavancas. A Figura 3.6 apresenta a instalação de uma válvula borboleta. Válvulas borboletas têm grande capacidade, pois o diâmetro do furo do cilindro é usualmente o diâmetro interno da tubulação na qual estão instaladas, e a única obstrução é o disco. Em tamanhos grandes, são mais econômicas do que as válvulas globo. Sua aplicação, entretanto, é limitada pelo fato de requerer força considerável para sua operação em altas pressões diferenciais. Sua característica de vazão não é adequada para algumas aplicações. As forças de torção no eixo de uma válvula borboleta aumentam com a abertura da válvula, atingindo um valor máximo em um ponto entre 70 a 75 graus, a partir de uma perpendicular à linha de centro do corpo, após a qual tende a diminuir. Figura 3.5 - Válvulas borboleta Capítulo 3. Tipos de válvulas 31 Figura 3.6 - instalação de uma válvula borboleta 3.3.2. Válvula tipo esfera inicialmente, a válvula de controle tipo esfera foi aplicada principalmente na indústria de papel e celulose, face às características fibrosas de determinados fluidos nesse tipo de processo industrial. Porém, constata-se sua utilização crescente em outros tipos de processos. Tanto é assim que é recomendada para trabalhar com líquidos viscosos, corrosivos e abrasivos, além de gases e vapores. Devido ao seu sistema de assentamento, proporciona uma vedação estanque, constituindo uma das poucas válvulas que, além de apresentar ótimas condições de desempenho de sua principal função (isto é, prover uma adequada ação de controle modulado), permite, ainda, uma total estanqueidade quando totalmente fechada. A Figura 3.7 apresenta a válvula esfera. 32 Alta Competência Body Stem Ball Seal Figura 3.7 - Válvula esfera O corpo da válvula é do tipo bipartido (para possibilitar a montagem dos internos), e a esfera gira em torno de dois anéis de teflon (construção padrão), alojados no corpo e que fazem a função de sede, conforme ilustra a Figura 3.8. Possibilita a passagem do fluido em qualquer direção sem problemas dinâmicos e possui um curso total de 90 graus. Figura 3.8 - Tipos de guia do obturador na válvula esfera Esse tipo de válvula apresenta (assim como a válvula borboleta), em função da característica geométrica dos seus internos, uma alta tendência a cavitar e a atingir condições de fluxo crítico a diferenças de pressão relativamente menores do que os outros tipos de válvulas. Capítulo 3. Tipos de válvulas 33 Observação: Cavitação é a transformação de parte do líquido em vapor durante uma rápida aceleração desse líquido através do orifício da válvula e o subsequente retorno das bolhas de vapor à condição líquida. Dinamicamente, as forças provenientes do fluido tendem sempre a fechar a válvula e, portanto, é uma válvula não balanceada, da mesma forma que acontece com a válvula borboleta. A Figura 3.9 apresenta a instalação de uma válvula esfera. Figura 3.9 - instalação de uma válvula esfera 3.4. Válvula de controle A válvula de controle desempenha um papel muito importante no controle automático de modernas indústrias, que dependem da correta distribuição e do controle de fluidos líquidos e gasosos. Tais controles, sejam para trocas de energia, redução de pressão ou simplesmente para encher um reservatório, dependem de algum tipo de elemento final de controle para fazer esse serviço. Os elementos finais de controle podem ser considerados como o “músculo” do controle automático. Eles fornecem a necessária amplificação de forças entre os baixos níveis de energia, fornecidos pelos controladores, e os maiores níveis de energia necessários para desempenho de suas funções de fluidos. 34 Alta Competência A válvula de controle é o elemento final de controle mais utilizado. Outros tipos de elementos finais de controle podem ser bombas dosadoras, dampers e louvers (variação de válvula borboleta), hélice de passo variável, motores elétricos para posicionamento de equipamentos que não sejam válvulas etc. Apesar de largamente utilizada, provavelmente não existe outro elemento qualquer no sistema de controle que receba menor parcela de atenção. Em muitos sistemas, a válvula de controle é mais sujeita a severas condições de pressão, temperatura, corrosão e contaminação do que qualquer outro componente e, ainda assim, deve trabalhar satisfatoriamente com um mínimo de atenção. Uma válvula de controle funciona como uma resistência variável na tubulação e é definida por alguns autores como sendo um orifício de dimensões variáveis. 3.4.1. Partes principais de uma válvula de controle Atuador Corpo Figura 3.10 - Partes principais de uma válvula O atuador mais utilizado no acionamento de válvulas de controle é o do tipo mola-diafragma de câmara bipartida. numa das partes dessa câmara,o atuador recebe o sinal de controle e, na outra parte, o diafragma é fixado a um prato no qual se apóiam uma haste e uma mola. O atuador geralmente recebe seu sinal de um posicionador eletropneumático, que converte o sinal de corrente enviado pelo controlador em um sinal pneumático. Capítulo 3. Tipos de válvulas 35 Figura 3.11 - Atuador tipo mola-diafragma de câmara bipartida Os atuadores, quanto à ação, podem ser do tipo ação direta ou inversa. AR AR Figura 3.12 - Atuador de ação direta e ação inversa Os demais componentes da válvula de controle (corpo, castelo e internos) são os mesmos que os das válvulas comuns. 36 Alta Competência 3.5. Válvula de retenção Essas válvulas permitem a passagem de fluido apenas em um sentido, fechando-se automaticamente, por diferença de pressões exercidas pelo próprio fluido, se houver tendência à inversão no sentido de escoamento. São, por isso, definidas como válvulas de operação automática. Um caso típico do uso de válvulas de retenção se dá na linha de recalque das bombas em paralelo para evitar o retorno do fluido através das bombas paradas. Outro caso de aplicação dessas válvulas ocorre nas linhas de carregamento de um tanque para evitar um possível esvaziamento. Os principais tipos de válvulas de retenção são: portinhola, disco, globo e esfera. 3.5.1. Válvula de retenção tipo portinhola Consiste em um corpo e um disco ou portinhola na entrada para obstruir o fluxo. A portinhola é fixada ao corpo por um pino, em volta da qual pode pivotar para cima, saindo do fluxo do fluido. na ausência de fluxo ou no retorno deste, a portinhola desce para fechar a válvula. O corpo da válvula é fechado na parte superior por uma tampa que pode ser flangeada, roscada ou do tipo união. É excelente para líquidos, gases e vapores que não possuam alta velocidade de fluxo. Junta Eixo Anel do corpo Portinhola Tampa Porca do prisioneiro Alavanca Porca da portinhola Corpo Figura 3.13 - Válvula de retenção tipo portinhola Capítulo 3. Tipos de válvulas 37 3.5.2. Válvula de retenção tipo disco integral O corpo é um anel do mesmo diâmetro da linha. Dentro desse anel, fica um disco que é pressionado por mola contra um assento. Esse disco tem o mesmo diâmetro da parte interna do anel e, quando o fluxo tenta retornar, o disco obstrui a passagem do fluxo. A mola mantém o disco fechado na ausência de fluxo e permite que a válvula seja utilizada tanto na posição horizontal quanto na vertical. não é recomendada para serviços de fluxo pulsante. DN D 7 Figura 3.14 - Válvula de retenção tipo disco integral 3.5.3. Válvula de retenção tipo globo Possui construção similar à de uma válvula tipo globo, porém sem castelo, haste e volante. O disco da válvula que serve como obturador tem um pino ou uma pequena haste que, quando a válvula abre, sobe na tampa entre guias. A força da gravidade ou o contrafluxo do fluido provoca a descida do disco, fechando a válvula. Tem aplicação somente na posição horizontal, com fluidos que não contém alto índice de sólidos em suspensão. 38 Alta Competência Disco Junta Pistão Anel do corpo Corpo Porca do prisioneiro Figura 3.15 - Válvula de retenção tipo globo 3.5.4. Válvula de retenção tipo esfera É o tipo de retenção cujo fechamento é mais rápido. Essas válvulas, utilizadas em fluidos de alta viscosidade, são fabricadas e usadas apenas para pequenos diâmetros. L 1,6 Ǿ K Ǿ G Ǿ D B D N U X P Figura 3.16 - Válvula de retenção tipo esfera Capítulo 3. Tipos de válvulas 39 3.6. Válvula de segurança e alívio (PSV) São válvulas que controlam a pressão a montante, abrindo-se automaticamente quando essa pressão ultrapassa um determinado valor para o qual aquela foi ajustada (set point). A construção dessas válvulas é semelhante à das válvulas globo angulares. O tampão é mantido fechado contra a sede pela ação de uma mola, com parafuso de regulagem, ou de um contrapeso externo de posição ajustável. regula-se a tensão ou a posição do contrapeso, de maneira a se ter a desejada pressão de abertura da válvula. A Figura 3.17 mostra uma PSV típica. Castelo deve ser aberto para o vent Figura 3.17 - Válvula de segurança e alívio 3.7. Classes de vazamentos Existem normas internacionais que determinam qual o máximo vazamento permitido quando a válvula estiver totalmente fechada. A tabela a seguir apresenta essas classes. 40 Alta Competência Classe de vazamento Definição da classe Tipos de válvulas Classe I Qualquer válvula pertencente as classes II, III ou VI, porém mediante acerto entre fabricante e usuário não há necessidade de teste Válvulas listadas nas classes II, III, e IV Classe II Vazamento de até 0,5% da capacidade máxima de vazão Válvulas Globo Sede Dupla, Válvula Globo Gaiola balanceadas. Superfície de assentamento metal-metal Classe III Vazamento de até 0,1% da capacidade máxima de vazão Válvulas listadas como pertencentes a classe II, porém possuindo uma maior força de assentamento Classe IV Vazamento de até 0,01% da capacidade máxima de vazão Válvulas Globo Sede Simples com assentamento metal - metal. Válvulas de Obturador Rotativo Excêntrico Classe V Vazamento de até 5 x 10-4 cm3 por minuto de água, por polegada de diâmetro de orifício, por psi de pressão diferencial ou 5 x 10-12 m3 por segundo de água, por mm de diâmetro do orifício por bar de pressão diferencial Válvulas instaladas na classe IV, porém utilizadas com atuadores superdimensionado para aumentar a força de assentamento Classe VI Diâmetro nominal do orifício de passagem em " Vazamento máximo permissível Válvulas Globo com assentamento composto (soft seat). Válvulas borboletas revestidas com sedes de elastômeros ou com anéis de vedação. Válvulas esferas com anéis de TFE. Válvulas diafragmas. Válvulas de obturador rotativo excêntrico com assentamento composto cm3 / min Bolhas / min 1 0,15 1 1 ½ 0,30 2 2 0,45 3 2 ½ 0,50 4 3 0,90 5 4 1,70 11 6 4,00 27 8 6,75 45 Figura 3.18 - Classes de vazamento Capítulo 3. Tipos de válvulas 41 3.7.1. Manuseio, armazenamento e transporte de válvulas Gaveta Esfera Macho retenção Globo Para o sucesso na execução das instalações de válvulas em tubulações e evitar ocorrência de problemas durante a instalação, operação e transporte, é necessário observar as seguintes instruções: No manuseio• Usar corretamente o padrão das extremidades da válvula. Desta forma, uma válvula com extremidades com flanges de 2” somente pode ser acoplada a um elemento de tubulação com flange de 2”, pois, caso contrário, pode representar muitas vezes danos à integridade da mesma, tais como deformações nas sedes e consequente vazamento de passagem de fluido pela válvula. Também é valido para roscas, ou seja, utilizar com mesmo padrão de rosca, caso não, poderá danificá-la. Deve ser evitada a montagem de uma válvula de bronze a um elemento de tubulação com flanges dotados de ressalto, pois este, após o aperto nos parafusos, poderá ocasionar esforços suficientes para deformar permanentemente os flanges e, em consequência, também as sedes de uma válvula de gaveta, de forma que a cunha nunca mais irá se alojar às mesmas. 42 Alta Competência Manter a limpeza da tubulação, para eliminar respingos de solda, ferrugem e outros sedimentos; deve ser feita antes de instalar a válvula. Verifique se a válvula é adequada às condições de pressão e temperatura do fluido. A válvula deve ser instalada com a seta indicadora no corpo apontando na direção do fluxo. Verifique se o obturador está livre e desimpedido. Verificar ocorreto alinhamento da tubulação e da furação dos flanges. não corrija o alinhamento da tubulação usando a instalação da válvula, vide Figura 3.19 – Alinhamento da válvula na tubulação. 2.1/2’PP CI. 150 WCB Figura 3.19 - Alinhamento da válvula na tubulação O paralelismo e o desalinhamento axial da superfície do flange devem estar dentro de faixas pré-determinadas, com intuito de se evitar danos à válvula. Apertar os parafusos da válvula ou estojos alternadamente (cruzado), em lados diametralmente opostos, evitando o aperto excessivo. Se for necessário abrir a válvula para trocar os componentes internos (veja na Figura 3.20 – Posição de abertura e fechamento da válvula), certifique-se que a mesma esteja sem pressão. Capítulo 3. Tipos de válvulas 43 Fechada Aberta Figura 3.20 - Posição de abertura e fechamento da válvula não pise na válvula, nem aplique força excessiva sobre ela (pode danificá-la). não exerça força excessiva ao fechar as válvulas. Encoste o volante até o fim de curso (quando o elemento de vedação encostar-se à sede da válvula) e retorne 1/4 de volta do volante, pois é o suficiente para manter a vedação do conjunto. Deixe espaço suficiente para manutenção e inspeção. Mantenha a válvula protegida de incidência de luz solar direta, água e pó. Use uma capa para proteger a válvula (a válvula não poderá funcionar corretamente). Mantenha a válvula longe de calor excessivo ou fogo (ela pode deformar ou ser destruída. Além de causar dilatação na parte metálica e danificar os elementos internos (vai destruir a junta de vedação, pois é de material frágil como borracha, teflon etc.). Em caso de troca de uma peça funcional ou substituição de peças, drene completamente o fluido da tubulação/válvula (a haste será empurrada para fora pela pressão do fluido ou pode ocorrer vazamento do fluido). não golpeie a válvula nem a deixe cair (pode danificá-la). Evite arranhar a válvula com qualquer objeto cortante (principalmente na região de vedação). 44 Alta Competência As válvulas tripartidas com encaixe para solda deverão ser desmontadas para a soldagem na tubulação, pois o calor gerado pela solda poderá danificar sua vedação. As válvulas bipartidas (esferas) devem ter um cuidado maior no manuseio, pois durante a desmontagem, se o colaborador não tiver ciência da sua construção poderá retirar os parafusos de fixação da esfera (interna) e provocar um risco significante ao indivíduo, vide Figura 3.21 – Válvula bipartida. Esse tipo de válvula tem um acionamento realizado através de adaptador e tubo alavanca por apenas 1/4 de volta (90º), reduzindo o tempo de abertura e fechamento. Verificar, também, que na montagem deste tipo de válvula deve-se instalar na posição de menor diâmetro (na redução), a jusante da direção do fluido, caso não, poderá com o esforço que o fluido faz na esfera, empurrá-la e deslocá-la da sede e vedar o trecho. Figura 3.21 - Válvulas bipartidas Durante a operação das válvulas bloqueio “on/off”, isto é, trabalham somente em duas posições - ou totalmente abertas ou totalmente fechadas - não utilizar para regular a vazão do fluido, pois irá danificar a “haste”. Opere sempre a válvula com acionador adequado. não exerça força excessiva ao fechar ou abrir a válvula. não improvise ferramentas de torque. Uma vez emperrada, faça a substituição. Pode estar ocorrendo o desassentamento de uma parte interna e, a depender do torque dado, inutilizará este componente. Também pode assentar na sede um corpo estranho e com este esforço excessivo pode danificar a sede da válvula, inutilizando-a. Capítulo 3. Tipos de válvulas 45 Mantenha sempre a válvula lubrificada nas partes onde contém roscas. Para abrir a válvula, gire o volante no sentido anti-horário e, para fechar, gire o volante no sentido horário. Veja a figura a seguir: Figura 3.22 - Volantes de válvulas Ao manipular uma válvula sempre se mantenha na posição segura, nunca fique exposto a um futuro projétil de partes internas da válvula (veja Figura 3.23 – Manobras seguras em válvulas). a) válvula acima do operador Volante para corrente Volante Piso de operação Haste de extensão b) válvula abaixo do operador Figura 3.23 - Manobras seguras em válvulas Esteja certo que o material da válvula, principalmente os internos, seja compatível com o índice de corrosão do fluido utilizado. não instale a válvula no final da linha, principalmente em tubulações em declive, para evitar o aumento brusco da pressão ou choques (golpe de aríete). 46 Alta Competência Verifique se há uma junta entre flanges da válvula e da tubulação, para não provocar vazamento indesejado e danificar a região de vedação entre eles, pois haverá contato metal / metal. recomenda-se o uso de filtros na tubulação antes da válvula, para evitar que sujeiras se acumulem na vedação e a danifiquem. É proibido o jateamento sem as devidas proteções nos internos. Quando a válvula for descartada, contate um especialista em SMS (a válvula poderá gerar gás tóxico). Ao retirar uma válvula de pé, retenção em trecho vertical, é preciso drenar a coluna antes da retirada da mesma, para não tomar um banho ao desconectar a válvula. As válvulas de retenção têm que ser montadas com sua tampa para cima, senão deixará seu dispositivo de retenção deslocado à sede. Siga o sentido de fluxo, Figura 3.24 – Sentido de fluxo da válvula de retenção. Pode ser instalada na posição vertical ou horizontal (vide Figura 3.25 – Válvula de retenção de pistão e esfera – para tubulação horizontal. Figura 3.24 - Sentido de fluxo da válvula de retenção Capítulo 3. Tipos de válvulas 47 Entrada Esfera Saída Figura 3.25 - Válvula de retenção de pistão e esfera (para tubulação horizontal) No armazenamento• Durante o recebimento (qualitativo) garantir que as válvulas vieram conforme os especificados e comprados, e iniciar a rotina de preservação, cuja atividade é garantir a integridade e funcionabilidade dos mesmos. Consiste em armazená-lo adequadamente, proteção contra danos mecânicos no local de montagem, proteção contra maresia e oxidação, engraxamento e lubrificação, enfim, tudo necessário para garantir a sua integridade. Mantenha a válvula em sua embalagem original até a instalação. Manter as válvulas tamponadas (protetores das extremidades – batotes em local limpo e seco (para evitar que sujeiras possam entrar na válvula, danificando a vedação), enquanto não forem instaladas, além de manter livre de esforços adicionais, tais como: impactos e sobrecargas que possam danificar a válvula. Vide Figura 3.26 - Válvulas tamponadas com disco de papelão. Figura 3.26 - Válvulas tamponadas com disco de papelão 48 Alta Competência Exceto as válvulas macho e esfera, que devem ser mantidas abertas para preservação da graxa e das sedes de teflon, respectivamente, todos os demais tipos de válvulas em estoque devem ser mantidas na posição fechada para proteger os componentes internos de sujidades. Veja a Figura .3.27 - Válvula borboleta mantida em posição fechada. Figura 3.27 - Válvula borboleta mantida em posição fechada As válvulas devem estar dispostas em locais de forma a evitar amassaduras, principalmente nas roscas das extremidades ou nas faces dos flanges. Evite armazenar peças de inox com peças em aço carbono, pois poderá haver contaminação. Os diafragmas destas válvulas (Figura 3.28 – Válvulas diafragmas) podem se soltar após longo tempo de armazenamento ou período sem uso, ou pela mudança de temperatura durante a operação, logo, é importante verificar e reapertar o parafuso diagonalmente. Essas válvulas devem ser instaladas somente no plano horizontal. Figura 3.28 - Válvulas diafragmas Capítulo 3. Tipos de válvulas 49 O piso do armazémdeverá ser constituído de material não escorregadio, sem aspereza, e mantido em perfeito estado de conservação. As válvulas devem ser armazenadas e dispostas de forma a evitar a obstrução de portas, equipamentos contra incêndio, saídas de emergência etc. No transporte• Cuidado ao levantar peso. Para transportar as válvulas acima de 2”, faça-o sem levantar pela alavanca ou atuador. Levante as válvulas mais pesadas somente com equipamento apropriado. retenção dupla portinhola, a partir de 8”, possui olhal específico para levantamento. não carregue a válvula pelo volante, pois poderá danificar a rosca da haste e bucha de movimento, veja válvula com volante na Figura 3.29 – Válvula com volante, haste e bucha. Figura 3.29 - Válvula com volante, haste e bucha 50 Alta Competência no transporte de válvulas, que também deve ser feito em caixas container de papelão apropriado, devem igualmente ser observadas as condições previstas para umidade, posicionamento da caixa e empilhamento máximo, conforme impresso nas caixas. As válvulas deverão sempre ser protegidas, nunca as deixe soltas no transporte para não causar danos tanto na vedação quanto no mecanismo. Durante o transporte (manuseio e armazenamento) das válvulas de segurança e alívio, conhecidos como PSV, deverá ser realizado na posição vertical, senão poderá poderá deslocar a vedação/mola do sistema interno, conforme Figura 3.30 – Válvula de segurança, inutilizando a mesma. Porca de regulagem Mola Bocal de saída Bocal de entrada Tampão Sede Figura 3.30 - Válvula de segurança Os carros manuais para transporte de válvulas devem possuir protetores das mãos. 51 exercícios Exercícios 1) Localize na figura os principais componentes de uma válvula: 2) Com relação ao corpo da válvula, é correta a afirmativa: ( ) É a parte da válvula que suporta e contém as peças móveis de controle do fluxo. ( ) É o elemento responsável por proporcionar a força motriz necessária ao funcionamento da válvula. ( ) Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com contorno caracterizado, que se move linearmente no inte- rior do corpo. ( ) É a parte da válvula que se conecta fisicamente à tubulação e que contém o orifício para a passagem do fluido. 52 Alta Competência 3) Os principais tipos de válvulas podem ser reunidos em dois grupos: de deslocamento linear e de deslocamento rotativo. Agrupe os tipos de válvulas no quadro a seguir: Válvula de deslocamento linear Válvula de deslocamento positivo Borboleta - Globo - Esfera - Guilhotina - Bipartido - Obturador excêntrico - Gaveta - Diafragma 4) Cite uma das vantagens da válvula de gaveta: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 53 5) Coloque (V) verdadeiro ou (F) falso para as afirmativas a seguir: ( ) As válvulas do tipo diafragama ou saunders são utilizadas no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente visco- sos e líquidos com sólidos em suspensão. ( ) As válvulas tipo guilhotina têm sua maior aplicação na in- dústria química, devido aos fluidos que são manipulados nessas indústrias, tais como ácidos e hidróxidos muito cor- rosivos e fluidos passíveis de cristalização e que contém só- lidos em suspensão. ( ) A principal utilização das válvulas tipo guilhotina continua sendo em controle biestável com fluidos pastosos, como, por exemplo, massa de papel. ( ) A válvula de deslocamento linear do tipo gaveta é a que tem maior uso na indústria. 6) Houve um aumento substancial no uso das válvulas rotativas. Cite vantagens e desvantagens da utilização desse tipo de válvula. Vantagens: _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ Desvantagens: _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 7) É uma válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem retas, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial: ( ) Válvula tipo esfera ( ) Válvula tipo borboleta ( ) Válvula tipo globo ( ) Válvula tipo guilhotina Exercícios 54 Alta Competência 8) Com relação à válvula de segurança e alívio (PSV), marque a única opção incorreta: ( ) O tampão da PSV é mantido fechado contra a sede pela ação de uma mola, com parafuso de regulagem, ou de um contrapeso externo de posição ajustável. ( ) São válvulas que controlam a pressão a montante, abrin- do-se automaticamente quando essa pressão ultrapassa um determinado valor para o qual aquela foi ajustada (set point). ( ) São válvulas utilizadas em fluidos de alta viscosidade, fabri- cadas e usadas apenas para pequenos diâmetros ( ) A construção dessas válvulas é semelhante à das válvulas globo angulares. 9) Explique o que é cavitação: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 10) O que é o castelo? Explique e cite quais os seus principais tipos: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ Bibliografia ASSOCiAÇÃO BrASiLEirA DE nOrMAS TÉCniCAS. NBR 8190 - Simbologia de instrumentação. rio de Janeiro, 1983. BEGA, Egidio A. Instrumentação aplicada a controle de caldeiras. rio de Janeiro: interciência, 2003. BEGA, Egidio A. Instrumentação Industrial. rio de Janeiro: interciência, 2003. COOLEY, David Charles. Válvulas industriais. rio de Janeiro: interciência, 1986. FiALHO, Arivelto Bustamante. Instrumentação Industrial. São Paulo: Érica, 2002. inMETrO. Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia. 1995. Manuais de fabricantes de válvulas: niAGArA, COnESTEEL, WALWOrTH, CrOSBY, ASAHi AV, MGA. riBEirO, Marcos A. Instrumentação e medição. TEK Consultoria ,2003. riBEirO, Marcos A. Válvula de controle. TEK Consultoria, 2003. SErViÇO nACiOnAL DE APrEnDiZAGEM inDUSTriAL (SEnAi). Lauro de Freitas, 1999. Apostila. TELLES, Pedro C. da Silva. Tubulações industriais. 7. ed. rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1987. 55 Bibliografia 56 Alta Competência Gabarito 1) Localize na figura os principais componentes de uma válvula: Atuador Haste da válvula Castelo Flange Selo Corpo da válvula Obturador 2) Com relação ao corpo da válvula, é correta a afirmativa: ( ) É a parte da válvula que suporta e contém as peças móveis de controle do fluxo. ( ) É o elemento responsável por proporcionar a força motriz necessária ao funcionamento da válvula. ( ) Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo. ( X ) É a parte da válvula que se conecta fisicamente à tubulação e que con- tém o orifício para a passagem do fluido. 57 Gabarito 3) Os principais tipos de válvulas podem ser reunidos em dois grupos: de deslocamento linear e de deslocamento rotativo. Agrupe os tipos de válvulas no quadro a seguir: Válvula de deslocamento linear Válvula de deslocamento positivo • Globo • Gaveta • Diafragma • Bipartido• Guilhotina • Borboleta • Esfera • Obturador excêntrico 4) Cite uma das vantagens da válvula de gaveta: As válvulas de gaveta são sempre de fechamento lento, não sendo possível fechá- las instantaneamente: o tempo necessário para fechamento será tanto maior quanto maior for a válvula. 5) Coloque (V) verdadeiro ou (F) falso para as afirmativas a seguir: ( V ) As válvulas do tipo diafragama ou saunders são utilizadas no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. ( F ) As válvulas tipo guilhotina têm sua maior aplicação na indústria quími- ca, devido aos fluidos que são manipulados nessas indústrias, tais como ácidos e hidróxidos muito corrosivos e fluidos passíveis de cristalização e que contém sólidos em suspensão. Justificativa: essa é uma característica das válvulas do tipo diafragma ou saunders. ( V ) A principal utilização das válvulas tipo guilhotina continua sendo em controle biestável com fluidos pastosos, como, por exemplo, massa de papel. ( F ) A válvula de deslocamento linear do tipo gaveta é a que tem maior uso na indústria. Justificativa: A válvula de deslocamento do tipo globo é a que tem maior uso na indústria. 6) Houve um aumento substancial no uso das válvulas rotativas. Cite vantagens e desvantagens da utilização desse tipo de válvula. Vantagens: Baixo peso em relação aos outros tipos de válvula, desenho simples, maior capacidade relativa de fluxo e custo inicial mais baixo. Desvantagens: Limitações em diâmetros inferiores a 1” ou 2” e quedas de pressão limitadas, principalmente em grandes diâmetros. 58 Alta Competência 7) É uma válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem retas, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial: ( ) Válvula tipo esfera ( X ) Válvula tipo borboleta ( ) Válvula tipo globo ( ) Válvula tipo guilhotina 8) Com relação à válvula de segurança e alívio (PSV), marque a única opção incorreta: ( ) O tampão da PSV é mantido fechado contra a sede pela ação de uma mola, com parafuso de regulagem, ou de um contrapeso externo de posição ajustável. ( ) São válvulas que controlam a pressão a montante, abrindo-se automaticamente quando essa pressão ultrapassa um determinado valor para o qual aquela foi ajustada (set point). ( X ) São válvulas utilizadas em fluidos de alta viscosidade, fabricadas e usadas apenas para pequenos diâmetros ( ) A construção dessas válvulas é semelhante à das válvulas globo angulares. 9) Explique o que é cavitação: Cavitação é a transformação de parte do líquido em vapor durante uma rápida aceleração desse líquido através do orifício da válvula e o subsequente retorno das bolhas de vapor à condição líquida. 10) O que é o castelo? Explique e cite quais os seus principais tipos: O castelo é a parte da válvula que suporta e contém as peças móveis de controle do fluxo. Os principais tipos de castelo são: • Normal; • Aletado; • Alongado; • Com foles.
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