Queda de Pressão nas Tubulações, Transcrições de Engenharia de Processos

Baixe Queda de Pressão nas Tubulações e outras Transcrições em PDF para Engenharia de Processos, somente na Docsity! 1 Queda de Pressão nas Tubulações de Entrada e de Saída de Válvulas de Segurança e/ou Alívio. Por: Artur Cardozo Mathias INTRODUÇÃO: Por que os usuários (ou seus projetistas de tubulações) devem limitar a queda de pressão nas tubulações de entrada e de saída das válvulas de segurança e/ou alívio, instaladas em seus processos industriais e operando com fluidos compressíveis? A resposta é simples: não interferir de forma negativa com o ciclo operacional correto (abertura, sobrepressão e fechamento) de suas válvulas de segurança e/ou alívio, além de permitir a correta capacidade de vazão requerida pelo processo e ainda permitir que estas possam garantir a segurança do pessoal envolvido (ou próximo) e do capital que foi investido na aquisição dos equipamentos por elas protegidos. Este texto é um estudo bastante detalhado sobre o comportamento operacional de uma válvula de segurança quando operando com uma queda de pressão, tanto na conexão de entrada quanto na de saída, maior que o limite recomendado pelos códigos e padrões de construção de caldeiras, vasos de pressão, além de instalação de válvulas de segurança e/ou alívio. Ele trata da queda de pressão que pode ocorrer no espaço de tubo entre a saída do equipamento protegido e a entrada da válvula de segurança e/ou alívio, e também da queda de pressão que pode ocorrer entre a válvula e a tubulação de descarga, podendo provocar a contrapressão desenvolvida. A queda de pressão causada em ambas as tubulações, interfere diretamente sobre as forças de abertura e fechamento que atuam enquanto a válvula está completamente aberta e aliviando. Aqui são abordadas as principais causas e as consequências quando as tubulações de entrada e de saída de uma válvula de segurança e/ou alívio não são corretamente projetadas e instaladas, sendo, portanto, direcionado aos projetistas de tubulações e demais usuários envolvidos com a instalação de válvulas de segurança e/ou alívio. Através da leitura desse texto, o leitor e/ou usuário poderá verificar o que deve ser feito para garantir a segurança de um processo quando uma válvula de segurança e/ou alívio é corretamente instalada. Este artigo fornece algumas recomendações úteis para o projeto de uma instalação segura e confiável de válvulas de segurança e/ou alívio. O projetista poderá ser auxiliado por aqui a configurar da forma mais correta possível, as tubulações de entrada e de saída para que uma válvula de segurança e/ou alívio possa operar corretamente, quando solicitada pelo processo. Ele poderá compreender que sob quaisquer circunstâncias não é permitido a um processo sujeito à sobrepressão, operar sem a devida proteção de um dispositivo de alívio de pressão, seja ele uma válvula de segurança e/ou alívio, um disco de ruptura, entre outros. A figura ao lado mostra um desenho da instalação de uma válvula de segurança protegendo um vaso de pressão: A função primária de uma válvula de segurança é aliviar uma determinada taxa de fluxo, suficiente para prevenir que a pressão dentro do equipamento sendo protegido seja elevada acima de sua PMTA. A influência que a queda de pressão, na tubulação de entrada, tem sobre o desempenho operacional da válvula e sobre sua capacidade de vazão efetiva, e também, como a contrapressão desenvolvida na tubulação de descarga, durante o alívio pela válvula, influencia em sua capacidade de vazão e em seu desempenho operacional, serão tratados aqui. A principal consequência de uma instalação incorreta é a redução na capacidade de vazão da válvula, além da autodestruição de seus componentes internos durante sua operação. Aproximadamente 75% dos problemas encontrados na operação de uma válvula de segurança e/ou alívio estão diretamente associados com a instalação incorreta. Sendo que uma válvula de segurança e/ou alívio é extremamente sensível aos efeitos causados em sua operação por uma instalação incorreta, em relação à tubulação de entrada e/ou de saída. 2 Estas tubulações compreendem o trecho de tubo existente entre a saída do equipamento protegido (vaso de pressão, caldeira, etc) e o flange de entrada da válvula de segurança. Enquanto a tubulação de descarga compreende o trecho de tubulação entre o flange de saída e o ponto final de descarga, incluindo a curva (cotovelo) existente para que o fluxo de um fluido compressível, sendo descarregado em sentido horizontal no momento do alívio, possa ser direcionado na vertical, diretamente para a atmosfera e de forma segura às pessoas que trabalhem ou transitem próximos à válvula. A instalação de uma válvula de segurança e/ou alívio deve ser cuidadosamente projetada para assegurar uma operação segura e confiável às pessoas próximas quando ela precisar atuar, além de prevenir danos ao meio ambiente, devido ao tipo de fluido que poderá ser descarregado. Um fluido sob alta pressão e temperatura contém energia acumulada e que pode chegar a valores extremamente altos, e se o valor desta energia não for limitado, ele poderá causar acidentes com consequências catastróficas. Por exemplo, o vapor d’água saturado ou o superaquecido são fluidos muito comuns de uso nas indústrias, sendo utilizados para transportar esta energia através da pressão e temperatura neles contidas. A figura ao lado mostra o desenho em corte de uma válvula de segurança do tipo convencional, com castelo e capuz abertos, alavanca de acionamento manual, tendo a denominação de seus principais componentes: As válvulas de segurança e/ou alívio são dispositivos mecânicos de alívio de pressão auto atuados e projetados para abrir quando a pressão de operação de uma caldeira, vaso de pressão, trocador de calor, tubulação, etc, excede os limites de pressão e temperatura desses equipamentos. Elas atuam para remover parte daquela energia contida nos fluidos, consequentemente, reduzindo a pressão a um nível seguro novamente. São consideradas como a última linha (ou o último estágio) de defesa para a proteção de um equipamento que possa ser exposto a uma pressão superior a atmosférica, quando outros instrumentos destinados a esta proteção falharam ou foram insuficientes para fornecer esta proteção. Sendo que as válvulas de segurança e/ou alívio utilizam a própria energia contida num fluido pressurizado para sua operação, então, as perdas de energia causadas, tanto na tubulação de entrada quanto na de saída, podem afetar adversamente seu correto desempenho operacional. A operação correta de uma válvula de segurança e/ou alívio está baseada em aliviar até a máxima capacidade de vazão nominal que foi prevista em seu dimensionamento, e considerando a pior condição operacional esperada, impedindo que a pressão dentro do equipamento protegido ultrapasse os valores permitidos, além de ter que fechar num valor acima da pressão normal de operação daquele equipamento. Portanto, uma válvula de segurança e/ou alívio deve operar corretamente e de forma estável sempre que for solicitada pelo processo, e assim, garantir a segurança de pessoas, equipamentos e do meio ambiente. Afinal, é isso que esperamos delas! Queda de Pressão na Tubulação de Entrada – Em muitas instalações as válvulas de segurança e/ou alívio estão localizadas nos pontos “mais convenientes” e com pouca, ou nenhuma, preocupação em relação às consequentes perdas de pressão, sua correta operação ou à redução em sua capacidade de vazão, 5 Observação: O diâmetro do tubo de entrada não deve ser determinado pelo tamanho das conexões de saída da caldeira ou do vaso de pressão, mas sim pela capacidade de vazão requerida pelo processo, e de acordo com as combinações de entrada x orifício x saída da válvula a ser selecionada e de acordo com o API Std. 526, por exemplo, para as válvulas de segurança e/ou alívio construídas conforme ASME Seção VIII. A válvula de segurança abre com o aumento da pressão estática sob o disco de vedação. A perda de vazão ocorre em função da restrição causada pela configuração errada do tubo de entrada, e que causa, simultaneamente, uma redução na pressão e, consequentemente, nas forças que atuam embaixo da face do suporte do disco, e que provocam o fechamento prematuro da válvula. Essa tubulação deve permitir que a válvula de segurança seja “alimentada” pelo fluxo vindo do equipamento protegido de forma constante, e somente quando a queda de pressão naquela tubulação é a mínima possível. A tubulação de entrada deve, sempre que possível, ser a mais curta e direta para minimizar as perdas de pressão nessa região. Deve ser evitado ao máximo que curvas, outros acessórios e mudanças de direção sejam impostas nesta tubulação. Mudanças na direção do fluxo ocasionam altas perdas de pressão nesse tubo, produzindo o chattering. Ela deve ser projetada de tal maneira que a queda de pressão seja minimizada. Quanto maior for o comprimento desta tubulação maior também será a queda de pressão. É recomendado que esta queda de pressão seja mantida abaixo de 3% da pressão de ajuste enquanto a válvula estiver aberta e aliviando. O projetista da instalação pode calcular essas perdas utilizando a capacidade de vazão nominal (estampada na plaqueta da válvula). Um valor máximo de 3% de perdas de pressão não recuperáveis na conexão de entrada da válvula de segurança, entre esta e o equipamento protegido, também é recomendado pelo API RP 520 Parte 2. Para o correto funcionamento da válvula, essas perdas de pressão não recuperáveis devem ser menores que o diferencial de alívio da válvula. Com isto o curso de elevação do disco ficará estável e a válvula irá abrir, descarregar e fechar num único ciclo. Observação: Um curso de elevação do disco num valor constante somente é alcançado quando a taxa de fluxo através da válvula não é alterada por perdas de pressão na tubulação de entrada. A figura ao lado mostra o desenho da instalação de uma válvula de segurança protegendo um vaso de pressão e descarregando diretamente para a atmosfera. Pode ser visto também os pontos de dreno recomendados e a região onde a queda de pressão deve ser limitada a 3% da pressão de ajuste da válvula: Estas perdas de pressão são a soma das perdas totais devido à configuração da penetração do tubo ao vaso, perdas por todo o comprimento do tubo de entrada entre o vaso e a válvula, e quando uma válvula de bloqueio é instalada, as perdas através desta. 6 As perdas de pressão não recuperáveis na tubulação de entrada, quando duas ou mais válvulas de segurança possuem ajustes em valores escalonados, devem permitir um limite máximo de 3% para cada válvula na soma total de vazão quando todas estiverem abertas e aliviando a capacidade máxima requerida pelo processo. As perdas de pressão não recuperáveis são causadas primariamente pelo atrito do fluido em escoamento com a parede da tubulação. Dependendo do tamanho, geometria e condições das superfícies internas (rugosidade) da tubulação de entrada, além de acessórios instalados (válvula de bloqueio, disco de ruptura, etc), as perdas de pressão podem ser maiores do que 3% durante a operação da válvula de segurança. Somente as perdas de pressão não recuperáveis (perdas de pressão dinâmica) na tubulação de entrada necessitam ser incluídas nos cálculos de queda de pressão na tubulação de entrada. As perdas de energia cinética (velocidade de escoamento do fluido), incluindo as perdas de pressão, como um resultado da pressão do fluido atuando sob o disco e suporte do disco, enquanto a válvula de segurança está aberta e aliviando, são consideradas recuperáveis, e não necessitam ser incluídas nos cálculos de queda de pressão na tubulação de entrada. Porém, mesmo quando as perdas de energia cinética são não recuperáveis, elas são pequenas em comparação com outras perdas e, portanto, podem ser negligenciadas. O valor de 3% de máxima queda de pressão na tubulação de entrada vinda do vaso para a entrada da válvula é recomendável, porém, algumas vezes é um valor difícil de ser alcançado na instalação. Este valor não é mandatório pelo Código ASME Seção VIII, Divisão 1, sendo também por este, apenas recomendado. Quando este valor não pode ser alcançado, devem ser conhecidos os efeitos que uma queda de pressão maior nesta tubulação podem provocar na operação e na capacidade de vazão da válvula, além do que pode acontecer com a pressão dentro do vaso. Esses efeitos serão:  A operação da válvula de segurança sob chattering danificando as superfícies de vedação e demais componentes internos. Uma instalação incorreta pode causar chattering independente do estado físico do fluido;  Redução na capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança;  Aumento na pressão dentro do vaso. Normalmente o diâmetro interno deste tubo deve ser igual ou maior que o diâmetro interno do flange de entrada da válvula. O comprimento máximo deste trecho de tubo deve ser de 200 milímetros ou 5 vezes seu diâmetro nominal, o que for menor. Essa limitação máxima deve ser respeitada, principalmente, quando o diâmetro interno da passagem do bocal de saída do vaso possui o mesmo diâmetro interno do flange de entrada da válvula, ou seja, ambos possuem a mesma área interna. É recomendado que a área interna da tubulação de entrada seja maior que a área interna do flange de entrada da válvula de segurança para minimizar as perdas de pressão dinâmica nessa região. É possível essa redução na queda de pressão, pois a maior área interna reduz a velocidade de escoamento do fluido, consequentemente, reduzindo a queda de pressão. Quando a área interna desse tubo é maior que a área interna do flange de entrada da válvula, um comprimento maior é tolerável. Porém, um comprimento maior nesse tubo aumenta o momento fletor nessa tubulação quando a válvula abre, devido à força de reação. Reduzindo-se a distância entre a válvula de segurança e/ou alívio e o vaso de pressão, diminui-se tanto a queda de pressão quanto o momento fletor na tubulação de entrada. O mínimo comprimento recomendado para a tubulação de entrada é independente do estado físico do fluido seja ele compressível (gases e vapores) ou incompressível (líquidos). Há um momento fletor no tubo entre a saída do vaso e a entrada da válvula, sempre que a tubulação de descarga é vertical ascendente e paralela ao eixo da válvula. Este momento fletor pode ser minimizado na base daquele tubo de entrada sempre que a tubulação de descarga for no sentido horizontal ou até inclinada a 45° em relação ao eixo vertical da válvula. Este momento fletor é causado pela força de reação sempre que a válvula atua com fluidos compressíveis. 7 Observação: Vasos de pressão ou balões de caldeiras, cujo comprimento seja excessivamente longo e a válvula esteja montada fora da linha de centro, é recomendado que o diâmetro interno do tubo de entrada seja, no mínimo, ½” acima da bitola do flange de entrada da válvula. As perdas de pressão devem ser verificadas para evitar qualquer excesso que possa restringir a capacidade de alívio abaixo dos requerimentos. O diâmetro interno da tubulação de entrada deve ser maior que o da conexão de entrada da válvula de segurança para minimizar as perdas de pressão dinâmica nessa região. Observação: A pressão dinâmica é a soma da pressão estática com a velocidade de escoamento do fluido. A pressão dinâmica não sofre alterações, pois a pressão e a velocidade de escoamento são formas de energia inversamente reversíveis, isto é, quando a pressão (energia potencial) é reduzida, a velocidade de escoamento (energia cinética) é elevada, e vice-versa. Portanto, a queda de pressão que ocorre ao longo de uma tubulação é a conversão da energia potencial em energia cinética. Desta forma, o ganho em energia cinética vem da perda de energia potencial. Quando a válvula de segurança está aberta e aliviando, a pressão dinâmica é reduzida devido às perdas de energia por atrito na conexão de entrada, garganta do bocal e face inferior do disco e suporte do disco. A pressão dinâmica existirá até que o volume do fluido escoando pelo bocal seja reduzido o suficiente para fechar a válvula. Se a queda de pressão na tubulação de entrada da válvula, vinda de um vaso de pressão, for maior que 3%, um novo valor de capacidade de vazão da válvula deve ser verificado, e levado em consideração ambos os efeitos, tanto da queda de pressão na tubulação de entrada quanto à redução no curso de elevação do disco, e que pode resultar em chattering. Sob condições de uma queda de pressão maior que 3%, a capacidade de vazão efetiva da válvula será menor do que o valor estampado na plaqueta (nominal ou certificada), desde que a pressão de ajuste da válvula instalada seja também do mesmo valor da plaqueta. As válvulas ajustadas abaixo de 50 psig (3,5 kgf/cm²) podem ter essa queda de pressão na entrada limitada a 5% da pressão de ajuste. Normalmente a região do “pescoço” do corpo da válvula de segurança e/ou alívio próxima ao flange de entrada, possui maior espessura de parede para resistir à força de reação causada pela abertura da válvula quando o fluido é compressível, além das tensões e peso impostos pela tubulação de descarga quando esta é mal projetada e mal suportada. Assim, a tubulação de descarga deve ser projetada e instalada para impor a mínima carga sobre o corpo, componentes internos e tubulação de entrada da válvula, considerando-se a mais severa operação desta. Assim, a tubulação de descarga deve ser independentemente suportada; livre de desalinhamentos; além de estar livre para expandir e contrair devido às cargas térmicas. Quando esta tubulação de descarga está mal suportada ou tem todo seu peso suportado pelo corpo da válvula, o resultado poderá ser desalinhamento e travamento dos componentes internos (componentes móveis) com consequente vazamento pelas superfícies de vedação, além de trincas no corpo dependendo de seu material de construção. Observação: Numa caldeira, na qual a queda de pressão entre o tubulão de vapor e a válvula, e também entre o superaquecedor e a válvula, onde já foi mencionado que a queda de pressão deve ser limitada a 2% ou 2 psi (o que for maior), o próprio código ASME Seção I exige que essa distância não pode ser maior do que o comprimento (face a face) de uma conexão tipo “T” na mesma bitola e classe de pressão do flange de entrada da válvula de segurança. Esse tubo de entrada deve ser projetado para, além de oferecer a mínima resistência ao escoamento do fluxo e assim permitir a mínima queda de pressão e suportar o peso da tubulação de descarga, deve também resistir à máxima força de reação imposta neste tubo no momento da abertura da válvula, ou seja, quando a válvula de segurança abre, a compressibilidade e a expansão do vapor ou gás, e o escoamento do fluxo, “empurram” o corpo e o tubo de entrada para traz e que tende a “levantar” a parede do vaso onde aquele tubo está conectado, além de impor um movimento de rotação sobre a solda de fixação do tubo ao vaso, principalmente quando o tubo de descarga é direcionado na horizontal. 10 Portanto, em condições normais de processo, a pressão normal de operação do vaso deveria ser ajustada em 10% abaixo da pressão de ajuste e não em 10% abaixo da PMTA do vaso, e que normalmente seria recomendado, justamente para que sejam evitadas indesejáveis e constantes aberturas da válvula, devido àquela queda de pressão de 40 psi. Desta forma, quando uma válvula de segurança está localizada numa tubulação acima ou longe de um vaso de pressão, sua pressão de ajuste deverá ser menor que o valor da PMTA do vaso, baseada na queda de pressão no trecho de tubulação desde o vaso até a entrada da válvula de segurança. Essa menor pressão de ajuste em relação à PMTA é para assegurar que a válvula de segurança abrirá antes que qualquer região do vaso seja exposta a uma pressão maior que aquela permitida pelos códigos de construção, se a válvula estivesse ajustada para abrir no mesmo valor da PMTA. Porém, esta situação não deve ser aceita, pois não se pode alcançar o máximo rendimento para o qual o equipamento foi projetado, ou seja, a causa da pressão diferencial (queda de pressão) deve ser analisada e, assim que possível, corrigida. Observação: Se uma única válvula de segurança e/ou alívio for especificada, dimensionada e instalada para proteger dois ou mais vasos de pressão, a queda de pressão limitada em 3% da pressão de ajuste, deve ser considerada e calculada em relação ao vaso mais distante da válvula. Quando a válvula de segurança e/ou alívio é instalada numa tubulação horizontal de vapor d’água saturado, sua tubulação de entrada é auto-drenante quanto ao condensado que possa ser formado, porém, a coleta deste condensado deve ser prevista ainda na fase de projeto da instalação. O condensado se forma, pois nesta região não há fluxo enquanto a válvula estiver na posição fechada. Localização da Válvula de Segurança Numa Tubulação Longe do Vaso Às vezes a válvula de segurança precisa ser montada longe do vaso de pressão para estar mais acessível durante a realização de ajustes, inspeção e/ou manutenção. Sempre que a válvula tiver que ser instalada numa tubulação para proteger um vaso de pressão, esta distância também deverá ser a menor possível, ou essa tubulação deverá ser dimensionada para limitar a queda de pressão nessa região no máximo em 3% da pressão de ajuste. Esse valor não pode ser excedido (incluindo qualquer acessório instalado entre o vaso e a válvula) com ela completamente aberta e aliviando sua máxima capacidade de vazão. A instalação e localização da válvula de segurança diretamente sobre o equipamento a ser protegido é a mais sugerida pelos fabricantes. A figura ao lado mostra uma válvula de segurança instalada numa tubulação longe do equipamento a ser protegido. Na região de tubulação entre a saída do vaso e a entrada da válvula de segurança é recomendado que a queda de pressão seja limitada em 3% da pressão de ajuste quando ela estiver completamente aberta e aliviando a capacidade de vazão estampada em sua plaqueta: Quando a válvula de segurança deve ser instalada numa tubulação horizontal para proteger um vaso de pressão, ela não deve estar localizada numa região de fluxo instável. O local onde a tubulação de entrada da válvula é conectada à tubulação principal (ou mesmo a um vaso de pressão), deverá existir um canto arredondado internamente (25% do diâmetro do tubo) e suave para minimizar a turbulência e a resistência ao escoamento do fluxo, além de permitir uma vazão uniforme deste, com isso minimizando a queda de pressão nessa região. O canto a jusante do bocal de saída do vaso (próximo à válvula) deverá ter um raio maior do que do lado à montante (próximo ao vaso). Se não for possível arredondar o tubo de entrada na região mencionada, é recomendado que o diâmetro interno deste seja maior que o diâmetro interno da conexão de entrada da válvula. O que ocorre é que no ponto da penetração do tubo no vaso fica um ângulo de 90° causando uma alta queda de pressão, além de intensa turbulência e vórtices no fluxo, impedindo que a válvula opere corretamente e de forma estável quando solicitada pelo processo. 11 Independente de qual seja o estado físico do fluido, as válvulas de segurança e/ou alívio devem ser localizadas sempre o mais próximo possível do equipamento a ser protegido, com isto minimizando (ou limitando-a aos valores máximos recomendados) a queda de pressão naquela região, entre a saída do vaso, ou caldeira, e a entrada da válvula. Isto impede um fluxo instável através da conexão de entrada da válvula até a saída pelo bocal, minimizando a turbulência durante o escoamento do fluxo nas condições de alívio. Por exemplo, em instalações sujeitas a flutuações na pressão dentro da fonte, tais como descargas de compressores, ou quando a pressão de operação alcança picos próximos da pressão de ajuste da válvula, esta deverá estar localizada mais distante da fonte, numa região onde a pressão de operação esteja num valor mais estável. Quando uma localização longe da fonte de pressão não for permitida, a válvula deve ser ajustada para abrir no valor mais alto possível, mas dentro dos limites seguros permitidos pelo processo. Se a área interna da tubulação de entrada for menor que a área interna da garganta do bocal, aquela taxa de fluxo requerida pelo processo fica restringida, alta gerando queda de pressão devido à turbulência. A turbulência na conexão de entrada deve ser minimizada. Válvulas de bloqueio, válvulas de controle automáticas, discos de ruptura, placas de orifício, curvas, etc. e outros acessórios, tendem a gerar turbulência no fluxo. Nem sempre essa turbulência pode ser avaliada, porém, um fluxo variável na conexão de entrada da válvula de segurança tende a causar instabilidade no curso de elevação do disco, podendo afetar adversamente seu desempenho operacional, além de reduzir sua capacidade de vazão nominal. Assim, as válvulas de segurança devem ser instaladas a uma distância mínima de 8 a 10 diâmetros nominais de tubo longe de uma fonte de pressão capaz de gerar variações significativas na pressão normal de operação do equipamento protegido. Portanto, o tubo de entrada da válvula, vindo do equipamento protegido, não deve ser conectado numa região onde possa existir um fluxo instável, turbulento ou com altas velocidades de escoamento. A tubulação de entrada de uma válvula de segurança e/ou alívio jamais deve estar localizada no final de um trecho de tubulação onde normalmente não há fluxo. Esta região pode coletar líquidos e/ou materiais estranhos contendo ou formando particulados sólidos e que podem ser carregados pelo fluxo quando a válvula atuar, interferindo com a vedação e o correto funcionamento, pois podem ficar presos entre as superfícies de vedação do disco e bocal, e entre os componentes do sistema de guia (guia e eixo do suporte do disco). Isso pode aumentar as possibilidades de parada do processo para a manutenção da válvula, além de prejudicar seu desempenho operacional. As válvulas de segurança que operam sujeitas a altas quedas de pressão na conexão de entrada estarão mais propícias a menores prazos de manutenção (nas superfícies de vedação do disco e bocal e na calibração da mola) e à substituição dos componentes de guia, de molas e foles, devido à desgaste e fadiga desses componentes. A fadiga da mola pode reduzir o valor da pressão de ajuste e/ou elevar demasiadamente o valor do diferencial de alívio, impedindo o fechamento definitivo da válvula, quando ele se equaliza com o valor da pressão de operação do equipamento protegido, provocando outro fenômeno operacional, denominado simmering. A fadiga do fole, quando a válvula é exposta a altas quedas de pressão na conexão de entrada, pode causar sua implosão ou colapso quando exposto à contrapressão desenvolvida. A pressão de ajuste pode ser elevada caso ele seja aplicado sob condições de contrapressão superimposta variável. A máxima contrapressão desenvolvida não pode exceder o limite mecânico do fole, em aplicações com pressões de ajuste em valores elevados. Esta consideração pode limitar a máxima contrapressão desenvolvida que pode ser permitida para uma determinada aplicação. Válvula de Segurança Instalada em Conjunto com Válvula de Controle Automática – A válvula de segurança deve estar localizada na entrada da válvula de controle automática, quando o modo de falha desta é normal fechada (sistemas de aquecimento, por exemplo). Neste caso, a queda de pressão imposta pela válvula de controle não influencia na operação da válvula de segurança, porém, uma válvula de segurança também deve ser instalada na saída da válvula de controle para proteger os equipamentos instalados a jusante desta, se a PMTA destes for menor que a pressão de entrada da válvula de controle. É comum que o valor da PMTA dos equipamentos instalados a jusante da válvula de controle automática seja menor que a pressão a montante desta, reduzindo assim os custos para aquisição, instalação, manutenção e operação daqueles equipamentos. A queda de pressão imposta pela presença da válvula de controle poderá influenciar na operação correta da válvula de segurança, dependendo da distância entre ambas. 12 Quando protegendo o lado de baixa pressão de uma válvula redutora de pressão, a válvula de segurança deve ser instalada numa região estável de fluxo. Um valor mínimo de região estável também é de 8 a 10 diâmetros nominais de distância entre o flange de saída da válvula de controle (redutora) e o flange de entrada da válvula de segurança. A queda de pressão imposta pela válvula redutora pode ser maior que 3% da pressão de ajuste da válvula de segurança, caso as duas válvulas estejam instaladas muito próximas uma da outra. Essa proximidade deve ser evitada. Normalmente as válvulas de controle são instaladas com uma ou duas bitolas menor que a tubulação à qual estão acopladas, porém, entre a válvula de controle e a tubulação haverá duas conexões, sendo uma de redução para o lado de entrada da válvula de controle e outra de expansão para o lado de saída. A própria geometria do corpo da válvula de controle, quando esta for do tipo globo, inerentemente já proporciona uma alta queda de pressão mesmo estando completamente aberta, antes mesmo que o fluxo alcance seu flange de saída. A conexão de expansão instalada na saída da válvula de controle irá impor uma queda de pressão adicional na região entre a jusante desta válvula e a conexão de entrada da válvula de segurança. Queda de Pressão Imposta por Válvula de Bloqueio na Entrada – O Código ASME Seção VIII permite (através do Apêndice M 5.6) o uso de válvulas de bloqueio na entrada e na saída de válvulas de segurança e/ou alívio protegendo somente vasos de pressão. Nesses casos as válvulas de bloqueio podem ser instaladas, para efeito de manutenção das válvulas de segurança, sem precisar interromper o processo. Desta forma, se uma válvula de segurança e/ou alivio falha para reassentar após sua abertura, a segunda válvula pode ser colocada em operação antes mesmo que a primeira seja removida para manutenção e sem a necessidade de interromper ou até mesmo colocar o processo em risco. A NR 13 permite o uso de válvulas de bloqueio somente na entrada, não fazendo nenhum comentário, exigência, permissão ou proibição para a instalação na tubulação de saída. O ideal quando for previsto a manutenção dessas válvulas de segurança devido ao tipo de fluido, por exemplo, com sólidos em suspensão, é que o vaso seja protegido por duas válvulas de segurança, onde a máxima capacidade de vazão individual é igual ou maior que a capacidade de vazão requerida pelo processo. Nesses casos, uma válvula de bloqueio permanece fechada e isolando o vaso de pressão da válvula de segurança, enquanto a outra permanece aberta e protegendo o vaso. É recomendada a instalação com duas válvulas de segurança, no mesmo valor de pressão de ajuste (limitados na PMTA do vaso) e mesma capacidade individual de 100% de capacidade de vazão requerida pelo processo e com duas válvulas de bloqueio, quando o processo tem um histórico de vazamentos, entupimentos ou outras causas que possam exigir manutenções mais frequentes das válvulas de segurança. Em muitas instalações, as duas válvulas de bloqueio são mecanicamente articuladas de modo que enquanto uma está completamente aberta a outra permanece completamente fechada. Isto impede o fechamento acidental das válvulas de bloqueio, e, consequentemente, o isolamento simultâneo de ambas as válvulas de segurança. A pressão de ajuste de cada válvula deve ser limitada ao mesmo valor da PMTA do vaso. Se ambas as válvulas de bloqueio permanecerem na posição de 100% aberta, portanto, expondo as válvulas de segurança à pressão do processo, pode ocorrer chattering se ambas tiverem que abrir ao mesmo tempo, pois estarão “superdimensionadas” para aquele momento, pois foram dimensionadas individualmente para a capacidade de vazão requerida pelo processo e calibradas para atuar na mesma pressão de ajuste. As duas válvulas de bloqueio só devem ser mantidas na posição de abertura total quando cada válvula de segurança foi dimensionada para um mínimo de 50% da capacidade de vazão requerida pelo processo, além de serem calibradas para abrir em diferentes valores de pressão de ajuste, evitando assim desperdício de fluido. Observação: Sendo que o uso incorreto de uma válvula de bloqueio na entrada e/ou na saída pode tornar uma válvula de segurança e/ou alívio inoperante, tanto o projeto quanto a instalação e gerenciamento destas válvulas de bloqueio deve ser avaliado cuidadosamente para garantir que a segurança das pessoas e do processo não sejam comprometidas. Estas válvulas de bloqueio devem ser do tipo passagem plena, por exemplo, válvula do tipo gaveta, para que imponham a mínima perda de carga (perda de pressão), tanto na entrada quanto na saída da válvula 15 ruptura na entrada e/ou na saída de válvulas de segurança e/ou alívio. Quando instalado na conexão de entrada da válvula, ele fornece proteção contra corrosão, além de reduzir a manutenção da válvula e aumentar sua vida útil. Esse tipo de instalação evita a perda total de fluido, além da parada do processo, após o rompimento do disco, como poderia ocorrer caso ele fosse instalado sozinho. Quando instalado na tubulação de saída (logo após o flange da válvula), ele protege os componentes internos do fluido do coletor ou de uma atmosfera corrosiva, quando a descarga ocorre num sistema aberto, evitando o travamento daqueles componentes e que poderiam tornar a válvula inoperante. Para esta aplicação, a válvula de segurança e/ou alívio deverá ter o castelo e o capuz, fechados e vedados. O valor da queda de pressão causada pela presença do disco de ruptura, deve ser adicionado ao cálculo da queda de pressão na tubulação de entrada da válvula de segurança e/ou alívio. A área resultante, após o rompimento do disco, deve ser capaz de permitir que a capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança não seja reduzida sem que a contrapressão desenvolvida seja excedida além do valor da sobrepressão alcançado durante as condições de alívio. Válvula de bloqueio instalada na saída da válvula de segurança também é recomendada para propósitos de substituição do disco de ruptura e/ou da válvula. Observação: Um desenvolvimento de pressão entre o disco de ruptura e a entrada da válvula de segurança pode alterar a pressão de rompimento do disco quando ele é instalado a montante da válvula. Da mesma forma, qualquer desenvolvimento de pressão no espaço entre o flange de saída da válvula e o disco de ruptura (quando ele é instalado a jusante), pode alterar a pressão de ajuste da válvula. O uso de um disco de ruptura do tipo “sem fragmentação” é o mais recomendado para aplicações em conjunto com as válvulas de segurança e/ou alívio quando operando com fluidos limpos, porém, altamente corrosivos. Isto é devido ao fato de que a vedação da válvula não será afetada por fragmentos do disco após seu rompimento. O uso de válvulas de segurança e/ou alívio, além de discos de ruptura, são os métodos mais utilizados nas indústrias para a proteção contra a sobrepressão. O disco de ruptura previne o contato de um fluido corrosivo e/ou com particulados sólidos em suspensão, com os componentes internos de uma válvula de segurança e/ou alívio. Observação: Em instalações combinadas de disco de ruptura + válvula de segurança e/ou alívio, é recomendado que a pressão de ruptura do disco seja limitada ao mesmo valor da PMTA do vaso, enquanto a válvula terá sua pressão de ajuste num valor de 2 a 3% menor que a pressão de ruptura do disco. Isto permite a abertura da válvula imediatamente após ocorrer o rompimento do disco. Chattering (Batimento) Causado por Queda de Pressão na Entrada – As perdas de energia (também conhecidas por perda de carga, queda de pressão ou perda de pressão) na tubulação de entrada, entre o equipamento protegido (caldeira ou vaso de pressão) para a entrada da válvula de segurança e/ou alívio, pode levar a uma condição operacional denominada chattering, quando ela tiver que atuar para aliviar algum excesso de pressão. Sob essas condições operacionais, a válvula cicla repetidamente entre as posições aberta e fechada. Mais de 90% do efeito chattering em válvulas de segurança ocorre devido à alta queda de pressão no tubo de entrada. Esta queda de pressão na entrada é causada por turbulência (perdas de pressão não recuperáveis) e pode estar associada com o diâmetro interno e o comprimento do tubo de saída, entre o equipamento protegido e a entrada da válvula de segurança e/ou alívio, acessórios instalados entre este tubo e a válvula, ou a combinação de uma tubulação de entrada mal configurada com acessórios instalados. Este bocal de saída deve permitir um escoamento suave e laminar do fluxo, se possível, sem provocar turbulências nessa região. Portanto, uma das principais razões para o chattering em válvulas de segurança operando com fluidos compressíveis, é o incorreto dimensionamento e a configuração da tubulação de saída do vaso de pressão para a conexão de entrada da válvula. Isto porque se houver um evento de sobrepressão no sistema, por exemplo, a válvula de segurança abre totalmente, permanecendo aberta enquanto taxa de fluxo sendo aliviada for superior a 90% de sua capacidade de vazão nominal. Se a configuração e/ou o dimensionamento daquele tubo entre o vaso e a válvula restringir a taxa de fluxo sendo aliviada, ela irá 16 fechar, a pressão se desenvolverá novamente e a válvula abrirá outra vez, outra vez, outra vez ........... O processo é cíclico e a rápida abertura e fechamento da válvula causam desgastes no disco, bocal, suporte do disco, guia, além de fadiga e/ou quebra da mola. Em outras palavras, a válvula abre com o aumento da pressão estática sob o disco (pressão suficiente apenas para ela abrir), a perda de vazão, devido à restrição causada pelo tubo de entrada e/ou acessórios entre o vaso e a válvula de segurança causa o reassentamento do disco sobre o bocal antes mesmo que a pressão no sistema (na fonte) seja reduzida e o ciclo se repete. Quando uma válvula de segurança e/ou alívio ainda está na posição fechada, sob condições normais de operação, a pressão atuando embaixo do disco, na tubulação de entrada e no vaso, é a mesma. Por algum descontrole no processo, a pressão de operação pode ser elevada até abrir a válvula de segurança. Porém, logo que a máxima vazão requerida pelo processo é estabelecida, através da área da garganta do bocal, a queda de pressão causada pelo atrito do fluido em escoamento é desenvolvida naquela tubulação de entrada se ela estiver subdimensionada, além de outras possibilidades, podendo ser grande o suficiente para causar o fechamento da válvula. Esta queda de pressão reduz a força ascendente sob o disco, enquanto é superada pela força descendente exercida pela mola. Com isto, vários ciclos de abertura e fechamento em intervalos muito pequenos (questão de segundos), podem se desenvolver contra o sentido de escoamento do fluxo, de forma muito rápida, “martelando” a superfície de vedação do disco contra a superfície de vedação do bocal. Na maioria das vezes esse martelamento pode danificar as superfícies de vedação além das possibilidades de reparos. Assim, o chattering ocorre quando, a pressão na entrada da válvula de segurança é reduzida no início do fluxo, logo após sua abertura, devido à excessiva queda de pressão na tubulação de entrada, podendo ser causada por diversos motivos. Isto ocorre porque, uma válvula de segurança operando com gases e vapores, tem somente duas posições, aberta ou fechada. O conjunto do disco e bocal da válvula contém uma “câmara de força” para assegurar esta ação rápida sobre seu ciclo operacional completo. Observação: Uma tubulação de entrada subdimensionada causa variações na pressão de um fluido compressível que atua dentro da câmara de força quando a válvula está aberta e aliviando. O chattering é, portanto, um fenômeno operacional no qual sucessivos movimentos de abertura e fechamento dos componentes móveis superiores ao bocal, (disco, suporte do disco, haste e mola) da válvula, ocorrem contra o sentido de escoamento do fluxo, e numa frequência muito alta (igual ou superior a 1 Hz). Estes movimentos podem resultar na autodestruição daqueles componentes móveis, além de destruir as superfícies de vedação (devido ao contato físico entre disco e bocal), sistema de guia e ainda causar fadiga e/ou quebra da mola. Assim, aqueles componentes móveis e alguns componentes fixos, mas que estão em contato constante com os móveis, estarão sujeitos a possíveis desgastes e aumento das folgas devido ao atrito entre elas, provocados pelo efeito chattering. A alta queda de pressão na tubulação de entrada, pode ter um efeito ainda pior quanto a danos nas superfícies de vedação, quando a válvula de segurança possui disco flexível, devido à fina espessura de seu lábio térmico (superfície de vedação). Esse fenômeno operacional ocorre, principalmente, devido às perdas de pressão durante o escoamento do fluxo através do bocal e demais internos da válvula de segurança, mais precisamente na região entre a saída do vaso e a face inferior do suporte do disco. Sua ocorrência se deve ao fato de que quando há um evento de sobrepressão no processo, de início a válvula de segurança abre totalmente e independentemente do volume de fluido (desde que este seja compressível) dentro do vaso. Quando um projetista consegue perceber e eliminar essas possíveis causas antes da instalação da válvula de segurança, o efeito chattering não é esperado para ocorrer, portanto, não necessitando de posteriores modificações na instalação para garantir a operação correta da válvula e, consequentemente, a segurança de operadores e demais funcionários e do próprio processo. Se as perdas de pressão na tubulação de entrada, durante o processo de alívio pela válvula, forem muito maiores do que 3% da pressão de ajuste (por exemplo, 10%, 15%, 20%....), elas irão reduzir a pressão embaixo da face do suporte do disco, disco e dentro da garganta do bocal, para o valor da pressão de fechamento ou até menos. Quando isto acontece, a válvula de segurança fecha, a pressão se desenvolve novamente, pois os efeitos da energia cinética foram eliminados, a pressão estática (energia potencial) na garganta do bocal se desenvolve novamente, a válvula abre e o ciclo se repete, persistindo o problema de 17 chattering. Em outras palavras, o chattering ocorre, pois após o fechamento da válvula de segurança, a queda de pressão na conexão de entrada deixa de existir, a pressão no equipamento protegido é elevada novamente até abrir a válvula e, assim, o ciclo se repete. O que ocorre é que quando a válvula abre, a pressão que antes era estática torna-se dinâmica, a pressão embaixo do disco, suporte do disco e garganta do bocal é reduzida de acordo com o valor da queda de pressão causada, ou seja, se for 3% ela irá ficar 3% menor do que os 7% do diferencial de alívio normalmente encontrados. Portanto, a válvula é ajustada para fechar antes que o processo tenha sido despressurizado. A pressão se desenvolve novamente, pois quando a válvula fecha, a pressão torna-se estática novamente e o ciclo se repete. Se após o fechamento da válvula, a pressão dentro do vaso estiver num valor igual ou maior que o de sua pressão de ajuste, ela irá abrir para fechar logo em seguida, sem despressurizar o vaso. A válvula terá as sedes e o sistema de guia danificados em poucos minutos, além de fadiga e/ou até quebra da mola, devido ao chattering causado e o processo não ter sido despressurizado. Dependendo do valor da pressão de ajuste (ou da queda de pressão entre a pressão de ajuste e a pressão de operação), tipo de válvula, tipo de fluido, o processo deverá ser interrompido, de forma não programada, para manutenção ou substituição da válvula. A alta queda de pressão na tubulação de entrada pode ser causada por outros motivos, além de subdimensionamento desta tubulação. A sobrepressão, ou seja, o aumento de pressão acima da pressão de ajuste ocorrerá quando a capacidade de vazão requerida pelo processo, no momento em que a pressão de ajuste for alcançada, for no mínimo de 60% de sua capacidade de vazão efetiva. Mas, quando a capacidade de vazão requerida pelo processo for inferior a 30% da capacidade de vazão efetiva da válvula, não haverá sobrepressão e o alívio de pressão do sistema ocorre sob múltiplos ciclos de abertura e fechamento, causando os danos já comentados. Observação: A sobrepressão existe para permitir que a pressão dentro do bocal e câmara de força vença a crescente força exercida no sentido descendente pela mola. O chattering que ocorre por superdimensionamento é devido a não haver a sobrepressão, durante o processo de alívio da válvula, dentro da câmara de força. Quanto maior a turbulência, maior também será a queda de pressão naquela região, consequentemente, reduzindo a máxima capacidade de vazão da válvula de segurança. Pode ocorrer também por golpe de aríete na tubulação protegida (tubulação principal) pela válvula de segurança, ou em alguns casos, por mau posicionamento do (s) anel (eis) de ajuste, principalmente o anel inferior. Manter a queda de pressão limitada em 3% da pressão de ajuste vai se tornando cada vez mais difícil, conforme a área do orifício do bocal da válvula de segurança e a pressão de ajuste vão aumentando. A redução na máxima capacidade de vazão da válvula, pode ocorrer mesmo que as perdas de pressão na entrada não sejam suficientes para ocorrer o efeito chattering, porém, mesmo assim, a taxa de fluxo possível pela válvula pode ser reduzida, já que esta é proporcional à pressão de alívio (P1) em sua conexão de entrada. Isto reduz o rendimento do vaso. Para evitar essa redução, a válvula de segurança deve ser instalada o mais próximo possível da fonte de pressão. Quando o comprimento da tubulação de entrada é maior do que 5 vezes seu diâmetro nominal ou 200 mm, o que for menor, uma aproximação da válvula ao equipamento a ser protegido, tende a anular ou minimizar a queda de pressão naquela região. Um aumento no diâmetro da tubulação de entrada ou a aproximação da válvula ao equipamento a ser protegido, se faz necessário quando a soma da queda de pressão entre aquele equipamento e a válvula possa ser igual ou maior que o valor do diferencial de alívio da válvula de segurança, principalmente quando esta não possui recursos para ajustar esse diferencial, anel do bocal (anel inferior), por exemplo. Se a válvula de segurança tem um diferencial de alívio típico de 7% e a queda de pressão na conexão de entrada é limitada em 3%, o diferencial de alívio real será de apenas 4%. Assim, esse fenômeno operacional ocorre, principalmente, devido às perdas de pressão durante o escoamento do fluxo através do bocal e demais internos da válvula de segurança, mais precisamente na região entre a saída do vaso e a face inferior do suporte do disco. Uma possível solução para o efeito chattering causado por alta queda de pressão no tubo de entrada é elevar o valor da pressão de ajuste, se a PMTA do vaso e a faixa de ajuste da mola, assim permitirem. Por 20 Na prática real, a válvula pode “quebrar” antes mesmo que uma parada desse efeito possa ocorrer, por causa da grande magnitude da força de impacto envolvida. Esse tipo de chattering também pode ser evitado quando as perdas de pressão na tubulação de entrada são limitadas a 3% da pressão de ajuste. As tubulações de entrada que são excessivamente longas causam perdas de pressão maiores que o limite recomendado. Quando a válvula abre é formado um vácuo no espaço físico embaixo do disco. Se a onda de pressão não se movimenta da sede do disco para a fonte de pressão e é refletida de volta ao disco antes que a válvula de segurança comece a fechar, o disco pode não ser suportado pela onda de pressão retornando, e fechar. Uma vez fechada, a pressão embaixo do disco pode se desenvolver novamente e gerar um ciclo de abertura e fechamento, contra o sentido de escoamento do fluxo, e que é a causa para um chattering destrutivo de alta frequência. O tempo que a válvula de segurança demora para abrir é maior do que o tempo que a onda de pressão leva para se movimentar até a fonte de pressão, refletir e retornar. Assim que o disco inicia seu movimento no sentido do fechamento, aquela onda de pressão retornando pode não fornecer força o bastante para mudar a direção daquele movimento e levantar o disco novamente. Se o valor do diferencial de alívio é maior (mais longo) que o valor da queda de pressão, então mais pressão pode ser aliviada, antes que o disco retorne para a posição fechada. Por outro lado, se o valor do diferencial de alívio é menor (mais curto) que a queda de pressão na entrada da válvula, o disco reassenta (retorna para a posição fechada) num valor bem próximo da pressão de ajuste da válvula e para ela abrir logo em seguida, ocasionando o efeito chattering. Observação: A queda de pressão não deve ser maior que 75% do diferencial de alívio da válvula para o volume de fluido sendo descarregado. O diferencial de pressão, entre a pressão de fechamento e a pressão normal de operação do vaso, deve ser absorvido rapidamente pelo processo para evitar que aquela pressão de operação possa se desenvolver e abrir a válvula novamente. A frequência natural relacionada a este fenômeno é a dos componentes móveis, tais como: conjunto do disco nas válvulas de segurança e alívio piloto operadas, e disco, suporte do disco, haste e suporte inferior da mola, nas válvulas de segurança e alívio com mola sob carga. As principais causas conhecidas de chattering em alta frequência, portanto, que podem destruir os componentes móveis de uma válvula de segurança, sendo consequentes de flutuações de pressão embaixo do disco e suporte do disco, além de suas possíveis soluções, estão listadas abaixo:  Tubulação de entrada excessivamente longa (maior que 200 milímetros ou 5 vezes o diâmetro nominal do tubo, o que for menor);  Solução possível: Redimensionar a tubulação de entrada.  Excessivas perdas de pressão na tubulação de entrada, causadas por uma tubulação de entrada subdimensionada no diâmetro interno ou com curvas e acessórios instalados;  Solução possível: Redimensionar a tubulação de entrada.  Válvula com a área do bocal superdimensionada para a aplicação, por exemplo, quando a capacidade de vazão requerida pelo processo é menor que 3 a 4 vezes a capacidade de vazão efetiva pela válvula selecionada;  Solução possível: Especificar a instalação com múltiplas válvulas.  Posicionamento do anel inferior muito próximo da face do suporte do disco;  Solução possível: Ajustar o anel conforme recomendado pelo fabricante. 21  Devido à baixa taxa de fluxo fornecida pelo processo no momento em que a pressão de ajuste é alcançada mesmo que a válvula esteja corretamente dimensionada e instalada;  Solução possível: Especificar a instalação com múltiplas válvulas.  Válvula estilo convencional, cuja contrapressão desenvolvida é maior que a sobrepressão da válvula naquele momento. Variações na contrapressão desenvolvida, excedendo o valor da sobrepressão no momento em que a válvula está completamente aberta e aliviando, pode também produzir uma força instável e não balanceada sobre o suporte do disco, ocasionando o efeito chattering;  Solução possível: Redimensionar a tubulação de descarga. Portanto, todas essas causas terão o mesmo efeito negativo sobre a operação da válvula. Na maioria dessas causas, o efeito chattering ocorre por não haver volume de fluxo suficiente para manter a força de reação dentro da câmara de força, necessária para superar a crescente força no sentido descendente exercida pela mola, enquanto a válvula está aberta e aliviando. A queda de pressão e o efeito chattering devem ser analisados, principalmente, quando o fluido é compressível, tais como gases e vapores, incluindo vapor d’água saturado ou superaquecido. Ocorrência de Chattering Durante o Alívio de Líquidos – Esse efeito também pode ocorrer durante o alívio de líquidos, quando a tubulação de entrada é demasiadamente longa devido a aceleração deste quando descarregando pela válvula, ou quando a capacidade de vazão requerida pelo processo é de apenas 10% da capacidade de vazão efetiva pela válvula de alívio. As válvulas de alívio projetadas e instaladas para operar com líquido na conexão de saída (por exemplo, quando instaladas no recalque de bombas), podem causar chattering altamente destrutivo quando o líquido sendo bombeado pode ser aquecido a uma temperatura próxima de sua temperatura de saturação de acordo com sua pressão, ou seja, uma pressão próxima de sua pressão de vapor. O chattering pode ocorrer devido à fase gasosa do fluido vaporizado. A ocorrência de chattering, devido às perdas de pressão, quando uma válvula está aliviando fluidos no estado líquido, o critério é mais simples, devido a esse tipo de fluido ser considerado incompressível, ou seja, ele não se expande ao ser aliviado pela válvula. Assim, tão logo suficiente material for descarregado, será criado um espaço vazio (vácuo) dentro do bocal e embaixo do suporte do disco, com isto, a pressão que gera a força para manter a válvula completamente aberta é removida. Neste caso, se não existe líquido sob pressão suficiente na região embaixo do suporte do disco para sustentar a válvula completamente aberta no início do processo de fechamento, então a ocorrência de chattering será devido às oscilações na pressão naquela região. O chattering resultante será de alta frequência e destrutivo devido à elevada velocidade do som no líquido em escoamento. Observação: O acionamento manual da alavanca durante a abertura da válvula de segurança pode eliminar, apenas momentaneamente, as consequências do chattering, mas não elimina definitivamente nenhuma das causas mencionadas acima. Influência do Diferencial de Alívio na Queda de Pressão – A limitação das perdas de pressão em 3% na entrada de uma válvula de segurança e/ou alívio foi discutida pela primeira vez em 1948, quando um relatório patrocinado pelo API foi publicado pela Universidade de Michigan nos EUA. Neste relatório, adotou-se um diferencial de alívio para as válvulas de segurança no valor de 4%. Um trabalho adicional, em 1963, indicou que a regra de 3% estava baseada num valor de 5% para o diferencial de alívio. Recentemente, em abril de 2010, um texto da OSHA (Ocupational Safety Health Administration) ao API dizia que as perdas de pressão maiores que 3% podem ser consideradas aceitáveis, se a estabilidade operacional da válvula de segurança for assegurada com uma completa análise de engenharia. Algumas empresas permitem limitar essas perdas de pressão na entrada da válvula de segurança a valores de 5% a 7% antes de requerer mudanças na instalação para reduzir aquelas porcentagens. Esta 22 permissão é baseada em alguns argumentos de que as válvulas podem operar conforme foram projetadas, e sem chattering, e com aquelas perdas na entrada em valores menores do que os valores do diferencial de alívio de cada válvula de segurança. Observação: Quedas de pressão maiores que 3% na tubulação de entrada são rejeitadas por outros órgãos, OSHA, por exemplo. O limite de 3% de queda de pressão na tubulação de entrada da válvula de segurança e/ou alívio é recomendado, tanto pelo Código ASME Seção VIII quanto pelo API RP 520 Parte 2 (instalação), para evitar que uma perda de pressão maior na tubulação de entrada provoque o fechamento prematuro da válvula, antes que a pressão dentro do vaso seja reduzida a um valor seguro e a válvula feche definitivamente e num único ciclo, evitando assim o efeito chattering. Portanto, aqui o leitor e/ou usuário de válvulas de segurança e/ou alívio deve saber que este valor máximo de 3% é apenas uma recomendação do API e não uma obrigatoriedade, sendo considerada apenas uma “boa prática de engenharia”. Esta boa prática direciona o projetista da instalação a calcular uma queda de pressão limitada naquela região, tendo assim apenas um valor de referência. O Código ASME na Seção VIII Divisão 1, no Apêndice M 6 (a) (Não-mandatório), também publica este valor, também como recomendação apenas. Aquele valor de 3% de queda de pressão também é recomendado por outras normas e padrões, tais como a europeia DIN-EN-ISO 4126 - 9. Essa norma diz, por exemplo, que as perdas de pressão na entrada de uma válvula de segurança e/ou alívio não devem exceder 3% da pressão de ajuste ou 1/3 do valor do diferencial de alívio. A outra norma, também europeia, AD 2000 – MERKBLATT - A2 – diz que “As perdas de pressão na linha de fornecimento não devem exceder 3% da pressão diferencial entre a resposta da pressão de ajuste e a contrapressão, no caso da máxima massa de fluxo descarregada pela válvula de segurança”. O código ASME nas seções I e VIII requer que a área interna da conexão de entrada (tubulação vinda do vaso) seja igual ou maior que a área interna da conexão de entrada da válvula de segurança. Para as válvulas já instaladas, as ações corretivas na tubulação de entrada para minimizar os efeitos das perdas de pressão, podem ficar limitadas. Em situações assim, a única alternativa é aumentar o valor do diferencial de alívio (quando a válvula possuir este recurso) para que ele seja maior que as perdas na conexão de entrada, apesar de não ser economicamente e nem tecnicamente viável para se testar e ajustar em processo, o diferencial de alívio da válvula. Se o diferencial de alívio tiver que ser aumentado para anular os efeitos da queda de pressão, a pressão de operação normal do equipamento protegido deve ser reduzida para aumentar a margem em relação à pressão de ajuste da válvula e permitir o fechamento após o processo de alívio ter ocorrido. Essa margem deverá permitir à válvula de segurança fechar num valor acima da pressão de operação. Portanto, se o processo permitir um diferencial de pressão maior entre a pressão de operação e a pressão de ajuste da válvula, uma queda de pressão maior que 3% não terá qualquer efeito negativo sobre seu desempenho operacional, desde que com aquela margem maior, o diferencial de alívio também possa ser maior que a queda de pressão esperada na conexão de entrada, e permitindo que a válvula feche num valor acima da pressão de operação normal do vaso. Após a abertura, a válvula de segurança e/ou alívio deve fechar antes que a pressão dentro do vaso retorne à pressão de operação normal. Portanto, a pressão de operação normal de um vaso de pressão deve ser limitada sempre a um valor menor do que o valor da pressão de fechamento da válvula. É recomendado que aquela pressão de operação permaneça de 3% a 5% abaixo da pressão de fechamento. Esta faixa de porcentagem permitirá o correto reassentamento da válvula de segurança, além de alcançar uma vedação estanque novamente após seu ciclo operacional ter se completado. Observação: A condição de operação normal pode ser considerada qualquer situação de descontrole no processo no qual a pressão normal de operação pode ser elevada a picos de pressão momentâneos causados por diferentes motivos. Os valores mínimos e máximos de diferencial de alívio para que uma válvula protegendo um vaso de pressão, construído conforme ASME Seção VIII e operando com fluidos compressíveis opere corretamente, 25 ζ tubo = ζ int + ζ comp = 0,25 + 0,03 = 0,28 Entre a válvula de segurança e a união há uma válvula de bloqueio instalada com conexões flangeadas. As principais características desta válvula (tipo gaveta) são: Dint = 38 mm Aint = 1134 mm² (área interna) Classe de pressão = Classe 300 Coeficiente Kv = 138 m³/h Os coeficientes de perdas de pressão ζr da válvula de bloqueio são: 3,2 10 38 1134 592,2 10 int int 592,2 3 2 3 2                  r r D A r    O coeficiente de perdas de pressão total é de: ζt + ζr = 0,28 + 2,3 = 2,58 As principais características da válvula de segurança são: A = 324,51mm² K = Kd* x 0,9 = 0,975 x 0,9 = 0,878 C = 2,626 conforme equação 2 (k = 1,28871, para pressão de ajuste de 25 barg) Observação: O valor de 0,975 para o coeficiente de descarga “Kd” é sugerido pelo API RP 520 Parte 1, quando o fabricante não possui este valor comprovado através de testes de certificação de capacidade de vazão. Este também é o maior valor aceito pelo ASME. As perdas de pressão na tubulação de entrada da válvula de segurança são: 0268,058,2878,0626,2 4,1313 51,324 032,0 1 2         P Pent Portanto, o resultado é 0,0268 bar de perdas de pressão entre a saída do vaso até o bocal da válvula de segurança. Os cálculos de queda de pressão na tubulação de entrada, incluem a queda de pressão em todo o comprimento desta e até a garganta do bocal, incluindo os acessórios quando aplicados. Cantos vivos no tubo de entrada devem, sempre que possível, serem evitados, para isso um raio de 25% do diâmetro da 26 tubulação de saída do vaso é recomendado. Essa recomendação permite um fluxo suave e laminar através do bocal da válvula de segurança, quando ela abre, minimizando a queda de pressão nessa região. A tabela 1 abaixo mostra diversos valores do coeficiente de resistência (λ) para diversos diâmetros de tubos, válvulas gaveta, válvulas esfera, válvulas globo* e cotovelos: Bitola Tubo Gaveta Esfera Cotovelo - 90° Globo* ½” 0,027 0,22 0,08 0,81 9,2 ¾” 0,025 0,20 0,08 0,75 8,5 1” 0,023 0,18 0,07 0,69 7,8 1 ¼” 0,022 0,18 0,07 0,66 7,5 1½” 0,021 0,15 0,06 0,63 7,1 2” 0,019 0,15 0,06 0,57 6,5 2½” 0,018 0,14 0,05 0,54 6,1 3” 0,018 0,14 0,05 0,54 6,1 4” 0,017 0,14 0,05 0,51 5,8 5” 0,016 0,13 0,05 0,48 5,4 6” 0,015 0,12 0,05 0,45 5,1 8” e 10” 0,014 0,11 0,04 0,42 4,8 12” até 16” 0,013 0,10 0,04 0,39 4,4 18” até 24” 0,012 0,10 0,04 0,36 4,1 *As válvulas globo foram incluídas nesta tabela apenas para que seja feita uma comparação de seu coeficiente de perdas de pressão com aqueles dos tubos, cotovelos e válvulas gaveta e esfera. Pelos valores podemos notar que as válvulas globo são aquelas que proporcionam a maior queda de pressão ao sistema. Enquanto a válvula esfera de passagem plena é a que proporciona a menor queda de pressão. Quando a tubulação de saída do vaso para a válvula tem cantos arredondados, a queda de pressão nesta região é mínima, enquanto aquelas com cantos agudos e cuja tubulação se estende para dentro do vaso, tem quedas de pressão em valores maiores. Algumas combinações de entrada x orifício x saída tais como os orifícios P; Q; R e T, tem muito pouca tolerância à queda de pressão no tubo de entrada, e se este não for instalado com cantos arredondados, é bem provável que a queda de pressão seja excessiva. Contrapressão Desenvolvida – Esta é produzida na tubulação de descarga pelo próprio fluxo sendo descarregado através da válvula de segurança, durante todo o período no qual ela está aberta e aliviando, isto inclui também as fases de sobrepressão e diferencial de alívio. Durante a fase de fechamento (fase do diferencial de alívio), o valor da contrapressão desenvolvida é menor do que durante a fase de sobrepressão. Esse tipo de contrapressão ocorre devido à queda de pressão entre a saída da válvula de segurança e o ponto final da tubulação de descarga. Portanto, ela é a soma das perdas de pressão que ocorrem somente enquanto a válvula de segurança estiver aberta e aliviando. Esse tipo de contrapressão também tem seu valor inerentemente variável. O projetista da instalação, entendendo as consequências ao identificar a contrapressão desenvolvida sobre um sistema de alívio, sabe que é absolutamente crítico para o correto projeto desse sistema, incluindo a operação da válvula de segurança. Quando a contrapressão desenvolvida não é identificada, ela pode afetar adversamente o desempenho operacional de uma válvula de segurança convencional, incluindo redução na capacidade de 27 vazão nominal, instabilidade dinâmica (chattering) e mudanças no valor da pressão de fechamento. Nessas situações é recomendada a especificação, seleção e instalação de uma válvula balanceada com fole ou uma válvula de segurança e/ou alívio piloto operada. O efeito que a contrapressão (qualquer tipo), tem sobre todo o desempenho operacional de uma válvula de segurança e/ou alívio depende de seu projeto construtivo, isto é, se ela é convencional, balanceada ou piloto operada. Observação: Quando várias válvulas, com diferentes valores de pressão de ajuste e tamanhos de orifícios, descarregam para dentro de um coletor, portanto, todas as válvulas conectadas a ele estarão sujeitas à contrapressão superimposta variável. O projetista da instalação deve examinar os efeitos desse tipo de contrapressão sobre o desempenho operacional daquelas válvulas. Ele pode também aumentar a área onde entra cada tubulação de descarga, ao invés de aumentar a área total do coletor, permitindo assim um escoamento mais suave do fluxo. Ela não afeta o valor da pressão de ajuste, pois somente ocorre após a válvula estar completamente aberta e aliviando, porém, pode comprometer a capacidade de vazão efetiva de uma válvula de segurança estilo convencional, devido à redução que ocorre em seu curso de abertura, além de causar instabilidade dinâmica. Ela reduz a capacidade de vazão da válvula, pois altera a área do orifício secundário através de uma redução no curso de elevação do disco, quando ela está completamente aberta e aliviando. Essa redução no curso de elevação do disco tem início a partir de aproximadamente 8% de contrapressão desenvolvida. Nesse tipo de contrapressão, a pressão atua sobre o suporte do disco e sendo somada à força descendente sendo exercida pela mola. Desta forma, com o valor da contrapressão desenvolvida coincidindo ou sendo menor que o valor da sobrepressão alcançado nas condições de alívio, e de acordo com a capacidade de vazão requerida pelo processo, problemas de instabilidade e redução na capacidade de vazão efetiva da válvula são anulados. Portanto, o limite de contrapressão desenvolvida está diretamente relacionado com a máxima sobrepressão alcançada nas condições de alívio, ou com a máxima acumulação alcançada quando o valor da pressão de ajuste coincide com o valor da PMTA do equipamento sendo protegido pela válvula. Uma contrapressão desenvolvida num valor igual ao da sobrepressão alcançada nas condições de alívio, garante que as forças resultantes na saída da válvula não serão maiores do que as forças resultantes na entrada, com isto, a válvula poderá permanecer aberta e aliviando, e ainda sem afetar sua capacidade de vazão efetiva. Em 10% de contrapressão desenvolvida, uma válvula de segurança estilo convencional pode ter uma pequena queda na capacidade de vazão nominal, conforme estampado em sua plaqueta, porém, ainda assim seu ciclo operacional é estável. Mas, com uma contrapressão desenvolvida superior a 15%, a estabilidade no curso de elevação do disco e na capacidade de vazão efetiva, começa a ser alterada. Ao menos que a válvula seja do tipo balanceada com fole ou piloto operada, não é recomendado dimensionar a tubulação de descarga ou o sistema de alívio (coletor de descarga) para uma contrapressão desenvolvida maior do que a porcentagem de sobrepressão ou de acumulação alcançado nas condições de alívio, sempre que a válvula de segurança a ser instalada for do tipo convencional. A figura ao lado mostra um gráfico da contrapressão desenvolvida numa válvula de segurança estilo convencional: A redução no curso de elevação do disco, causada por excessiva contrapressão desenvolvida, irá aumentar o valor do diferencial de alívio e reduzirá a capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança. Em valores de contrapressão desenvolvida mais elevados (maior porcentagem em relação à pressão de ajuste), podem causar o fechamento da válvula. Após esse fechamento, a contrapressão é eliminada e a 30 pode causar o efeito chattering. Essa sobrepressão menor ocorre quando a válvula de segurança tem uma capacidade de vazão efetiva muito maior que a capacidade de vazão requerida pelo processo (válvula superdimensionada). Observação: Quando uma válvula de segurança está superdimensionada, ela não tem estabilidade suficiente para permitir descarregar sua capacidade de vazão nominal e dentro da sobrepressão especificada. Uma válvula de segurança balanceada com fole anula os efeitos da contrapressão desenvolvida nos casos mais severos, nos quais o valor dessa contrapressão pode ser maior que o valor da sobrepressão. Os sistemas que operam sob condições de contrapressão superimposta (constante ou variável), devem ter o valor da máxima contrapressão desenvolvida (conhecida) incluída, para que seja calculada a contrapressão total durante a fase de dimensionamento da área do bocal, para a capacidade de vazão requerida pelo processo. A contrapressão desenvolvida pode ocorrer com maior probabilidade nas válvulas de segurança que possuam castelo e capuz fechados e vedados, mesmo que a descarga ocorra diretamente para a atmosfera, através de uma tubulação de descarga demasiadamente longa e/ou com várias curvas. Em sistemas de descargas fechados, a contrapressão desenvolvida pode ocorrer quando o coletor não está pressurizado no momento da abertura da válvula de segurança. Uma tubulação de descarga demasiadamente longa também deve ser evitada devido à redução na capacidade de vazão efetiva da válvula que ocorre em função da contrapressão desenvolvida, resultando em aumento de pressão dentro do vaso. Observação: Na região da tubulação de descarga, logo após o flange de saída da válvula, pode estar sujeita a pressões e temperaturas tão altas quanto na tubulação de entrada, devido à contrapressão desenvolvida que pode ser gerada por uma tubulação de descarga demasiadamente longa e/ou com muitas curvas, Esse tipo de contrapressão é gerado pela configuração errada da tubulação de descarga, variando em valores que vão desde zero, quando a válvula de segurança ainda está na posição fechada (nenhuma contrapressão existente na tubulação de descarga), até um valor máximo com ela na posição de abertura total (na máxima capacidade de vazão requerida pelo processo naquele momento). Este valor máximo poderá ser menor que 10% da pressão de ajuste, caso a capacidade de vazão requerida pelo processo seja muito menor que a máxima capacidade de vazão pela válvula de segurança e/ou alívio, além da relação de áreas entre a área interna da tubulação de saída para a área do orifício do bocal. Nas válvulas de segurança e/ou alívio balanceadas com fole, a contrapressão (qualquer tipo) começa a afetar o seu desempenho operacional em valores acima de 35% da pressão de ajuste (dependendo do tamanho do orifício e da pressão de ajuste), principalmente em bitolas maiores (acima de 4” x 6”), devido à redução que começa a ocorrer no curso de elevação do disco. Essa redução é devida, principalmente, ao alongamento do fole no sentido descendente, ocasionando uma redução na capacidade de vazão efetiva da válvula, além de expor o fole a maiores valores de contrapressão, se aqueles 35% forem ultrapassados. Válvulas balanceadas em orifícios menores permitem uma contrapressão de 50% da pressão de ajuste sem que seu desempenho operacional seja afetado, durante o processo de alívio. Observação: Uma válvula de segurança balanceada com fole não anula os efeitos do chattering causados por superdimensionamento da área do bocal, além de erros de projeto ou por subdimensionamento da conexão de entrada. As válvulas de segurança convencionais com castelo e capuz fechados e vedados, toleram até 10% de contrapressão desenvolvida para uma condição de 10% de sobrepressão, enquanto uma válvula de segurança balanceada com fole pode tolerar de 35% até 50% de contrapressão para uma condição de 10% de sobrepressão, dependendo da área do orifício do bocal selecionado, dos valores da pressão de ajuste e da contrapressão desenvolvida, pois conseguem manter de forma estável, o curso de elevação do disco. 31 Observação: Isto torna-se um problema ainda maior quando a capacidade de vazão requerida pelo processo é igual ou está muito próxima da capacidade de vazão efetiva de uma válvula balanceada com fole. Ainda nas válvulas de segurança estilo convencional e que possuem castelo do tipo aberto, ou seja, aqueles em que a mola fica exposta à atmosfera, toleram um valor de contrapressão desenvolvida de até 20% da pressão de ajuste sem influenciar em seu desempenho operacional (podendo chegar a 25% ou até 27,5% em alguns modelos para caldeiras), depende do projeto do fabricante. Neste caso, parte daquela contrapressão é dissipada pelos furos da guia e pelo projeto do castelo. Observação: O projeto com castelo aberto (mola exposta), permite que a temperatura na mola seja mantida a mais próxima possível da temperatura ambiente, ou seja, esse tipo de castelo proporciona maior troca térmica entre a mola e o ambiente. A contrapressão desenvolvida também pode ocorrer na descarga de líquidos, quando em altitudes próximas do nível do mar a temperatura é superior a 100 °C. Em líquidos acima desse valor de temperatura, vaporizam imediatamente ao saírem pelo bocal da válvula, sendo que a tubulação de descarga está exposta à pressão atmosférica, e com isto, a compressibilidade do vapor gerado durante o alívio produz a contrapressão desenvolvida. Esse tipo de contrapressão só ocorre durante o alívio de fluidos compressíveis, tais como gases e vapores, além dos fluidos bifásicos na entrada quando a descarga ocorre diretamente para a atmosfera, devido à fase gasosa desses. As válvulas de segurança balanceadas com fole são projetadas de tal maneira que o fole exclui a área não balanceada do suporte do disco dos efeitos da contrapressão (seja ela variável ou desenvolvida), enquanto a área interna do fole é exposta à pressão atmosférica devido ao furo de alívio existente no castelo (castelo ventado). A inclusão do fole permite a repetibilidade da pressão de ajuste, independentemente do valor e tipo de contrapressão. O fole também exclui a parte superior do suporte do disco e da guia, de algum fluido corrosivo, tóxico ou extremamente viscoso, e que poderiam travar o sistema de guia e comprometer o funcionamento correto da válvula de segurança. No projeto das válvulas de segurança e/ou alívio balanceadas com fole, variações na contrapressão não se sobrepõem ao valor da pressão de ajuste. Esse projeto de válvula fica portanto, exposto à pressão diferencial entre a pressão de ajuste (dentro do bocal) e a pressão atmosférica (dentro do fole). Observação: O fole tem boa resistência química, e o material mais simples requerido pelo API Std. 526 é o AISI 316 L, além de ter boa capacidade de operar sob altas temperaturas. Isto porque o espaço entre o fole e o sistema de guia, além do fato que o fole está internamente exposto á pressão atmosférica constantemente, dissipa o calor e refrigera o sistema de guia, evitando possíveis travamentos que poderiam ser causados por dilatação térmica entre o eixo do suporte do disco e a guia. A figura ao lado mostra um esquema das forças envolvidas quando uma válvula de segurança estilo convencional com castelo e capuz fechados e vedados é exposta à contrapressão desenvolvida. As forças que atuam sobre o suporte do disco podem provocar o fechamento da válvula, se a porcentagem de sobrepressão (após a abertura total da válvula) for menor que a porcentagem de contrapressão desenvolvida: Onde: An = força exercida pela pressão do fluido na área do bocal, no sentido ascendente; P1= pressão dentro do vaso e do bocal da válvula; Fm = força exercida pela mola no sentido descendente; P2 = contrapressão desenvolvida atuando sob e sobre o suporte do disco. 32 Queda de Pressão na Tubulação de Descarga – Se a descarga de uma válvula de segurança ocorresse diretamente para a atmosfera (sem a tubulação de descarga), a contrapressão desenvolvida atuando sobre seus componentes internos seria desprezível. Assim, esse tipo de contrapressão só começa a acontecer a partir da tubulação de descarga, e quanto maior for seu comprimento, seguindo na mesma bitola do flange de saída da válvula, maior também será a porcentagem de contrapressão gerada nessa tubulação. Partindo desse ponto, a tubulação de descarga de uma válvula de segurança deve ser dimensionada para limitar a contrapressão desenvolvida, quando ela estiver completamente aberta e aliviando a máxima capacidade de vazão requerida pelo processo naquele momento. O comprimento, diâmetro, quantidade de curvas, acabamento superficial interno (rugosidade), acúmulo de água ou condensado, acessórios (incluindo silenciadores e válvulas de bloqueio, quando permitidos), etc. determinam o nível de contrapressão desenvolvida, e se esta afetará ou não a operação correta da válvula de segurança. O dimensionamento dessa tubulação não deve impedir a operação esperada pela válvula, em sua máxima capacidade de vazão, num evento de sobrepressão do processo. A tubulação de descarga de uma válvula de segurança e/ou alívio também deve sempre ser a mais curta e direta possível, apenas para direcionar o fluxo, principalmente, quando a descarga ocorre diretamente para a atmosfera, ou seja, o sistema de descarga é denominado aberto. Uma regra é limitar o comprimento desta tubulação a 12 diâmetros nominais da bitola do flange de saída da válvula. Sempre que esta regra não puder ser aplicada, o projetista deverá aumentar o diâmetro da tubulação de descarga para a próxima bitola acima. Quando a descarga da válvula ocorre para dentro de um coletor, portanto, sujeito à contrapressão superimposta, esse sistema é agora denominado de sistema de descarga fechado. Observação: O valor (custo) do fluido que será descarregado pela válvula de segurança e/ou alívio, além de sua periculosidade, isto é, se ele é tóxico e/ou inflamável, é quem vai determinar o tipo de sistema de descarga a ser selecionado na fase de projeto da instalação, se aberto ou fechado. A direção da tubulação de descarga depende do tipo e estado físico do fluido. Se este for vapor d’água saturado ou superaquecido, além de ar comprimido e algum outro gás não tóxico, como por exemplo, gás natural, a tubulação de descarga deve ser direcionada (de preferência verticalmente) para cima, e no mínimo, a três metros de altura acima de pisos ou passarelas. Se precisar ser instalada na horizontal, esta tubulação deverá ter uma inclinação de 1 mm para cada metro de comprimento para facilitar a drenagem de algum condensado que possa se formar. Essa tubulação também poderá ser direcionada para um coletor fechado, caso o usuário queira reaproveitar o fluido sendo descarregado pela válvula. Se o fluido for algum líquido, a descarga pode ocorrer verticalmente para baixo e terminando numa canaleta. Fluidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos devem ser descartados num local seguro e jamais na atmosfera. Observação: Em válvulas com conexões roscadas, deve ser evitada a instalação da tubulação de descarga no sentido horizontal, podendo causar o desrosqueamento da válvula do vaso quando ela tiver que operar. Isso pode ser ainda mais provável de ocorrer caso seja instalado um cotovelo voltado para o sentido oposto em relação ao sentido da rosca que fixa a válvula ao vaso. Para uma válvula de segurança e/ou alívio protegendo um vaso de pressão construído conforme o código ASME Seção VIII, e ajustada para abrir na PMTA desta, a máxima sobrepressão deverá ser limitada a 10% acima da pressão de ajuste com a válvula em sua capacidade máxima de descarga. Esta sobrepressão é um aumento de pressão necessário para que o curso de elevação do disco alcance seu curso máximo. Com esta pressão sendo elevada durante a fase de abertura, o curso de elevação do disco consegue vencer a crescente força descendente exercida pela mola. A área formada por esse curso de abertura do disco é equivalente a 25% da área de passagem da garganta do bocal. Quando ocorre essa equalização de áreas, dizemos que o curso de elevação do disco alcançou 100% de abertura e, neste ponto, a capacidade de vazão da válvula está sendo limitada pela área da garganta do bocal e não pelo curso de abertura do disco. Porém, para que esse curso de abertura não seja influenciado pela contrapressão, que pode ser desenvolvida por uma tubulação de descarga mal projetada, a queda de pressão não pode ser superior a 10% da pressão de ajuste, para uma condição de 10% de sobrepressão, quando a válvula descarrega diretamente para a atmosfera, sendo que na vazão máxima a velocidade de 35 de pressão causada naquela tubulação não reduzirá a capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança para um valor menor que o valor da capacidade de vazão requerida pelo processo. Isto é possível quando a capacidade de vazão requerida pelo processo é de 30 a 40% da capacidade de vazão estampada na plaqueta da válvula. Essa tubulação também deverá impor a mínima queda de pressão entre a válvula e o ponto de descarga. Quanto maior for o comprimento desta tubulação, maior também será a queda de pressão que irá impor uma contrapressão desenvolvida sobre os componentes internos da válvula. A força de alavanca que esta tubulação impõe sobre o corpo da válvula e aquele tubo de entrada é proporcional à sua altura, podendo ter um efeito ainda pior quando esta tubulação não está corretamente suportada numa estrutura independente da válvula. A força aplicada ao corpo, componentes internos e tubulação de entrada, será determinada pela força de reação resultante da abertura da válvula, além da geometria da tubulação de descarga. Devem ser evitadas tubulações que seguem verticalmente e depois se projetam num ângulo de aproximadamente 45° e descarregando diretamente para a atmosfera. Esse tipo de instalação causa um esforço ainda maior (devido ao peso e forças de alavanca) sobre o tubo de entrada, quando comparada com uma tubulação apenas direcionada verticalmente para cima, paralela com o tubo de entrada e corretamente suportada. A tubulação de descarga deve ser cuidadosamente alinhada e ser projetada para ser suportada independentemente e jamais no corpo da válvula. Se por algum motivo o comprimento dessa tubulação tiver que ser demasiadamente longo, ela deverá ser devidamente apoiada numa estrutura independente da válvula. Quando essa tubulação está instalada na horizontal ela também poderá impor um peso excessivo sobre o corpo, componentes internos e tubulação de entrada. Uma altura excessiva também pode elevar a força de alavanca devido a ação dos ventos. Uma tubulação de descarga demasiadamente alta, pesada e mal suportada, pode ainda causar o travamento dos componentes móveis devido à menor espessura de parede do corpo da válvula na região do flange de saída. A espessura de parede nesta região é baseada na classe de pressão do flange de saída e que tendo na maioria das vezes classe 150. Ela não suporta as forças geradas pelo peso, altura, abertura (força de reação) da válvula e forças dos ventos. Quando o peso dessa tubulação é suportado somente pela própria válvula, ele pode provocar tensões sobre o corpo, seus componentes internos e sua tubulação de entrada. Essa tubulação também não pode ser “forçada” para alinhar os furos de seu flange com os furos do flange de saída da válvula. Ela também não pode ser rigidamente conectada à válvula de segurança. As mudanças na direção da tubulação de descarga devem ser minimizadas. Cotovelos de raio longo e transições graduais são recomendados sempre que for necessário. Se o ponto de descarga for cortado a 45°, pode reduzir essas forças no momento em que a válvula abre, desde que seu sentido de descarga esteja voltado para o mesmo sentido do fluxo na tubulação à qual a entrada da válvula de segurança está instalada, por exemplo, quando protegendo uma tubulação de vapor ou gás não tóxico, (a tubulação está no sentido horizontal). A figura ao lado mostra a instalação da tubulação de descarga sendo apenas a curva entrando na tubulação vertical para direcionar o fluxo para a atmosfera. As folgas mostradas são devido aos movimentos horizontais e verticais causados na válvula durante o processo de alívio, devido à força de reação e que tende sempre a empurrar o corpo da válvula para traz: Se a tubulação de descarga tiver que ser longa, o projetista deve utilizar uma bitola maior que aquela do 36 flange de saída da válvula de segurança, ou cotovelos de raio longo, juntas de expansão e boa suportação quanto ao seu peso para evitar que vibrações sejam transmitidas ao corpo, componentes internos e tubulação de entrada da válvula quando esta operar. Excessivas vibrações nos componentes móveis podem ocorrer quando as válvulas de segurança e/ou alívio, sejam convencionais ou balanceadas, estão operando sob condições de alta contrapressão desenvolvida, além de uma tubulação de entrada demasiadamente longa (acima dos valores mínimos recomendados). Quando o valor da contrapressão desenvolvida na tubulação de descarga é inferior ou se equaliza com o valor da sobrepressão, o efeito chattering, já citado anteriormente para o tubo de entrada, na tubulação de descarga não ocorre. Esta queda de pressão causada pela contrapressão desenvolvida é mais problemática quando a válvula é do tipo convencional, na qual a contrapressão desenvolvida, e num valor maior que a sobrepressão, atua sobre o suporte do disco, provocando o fechamento da válvula. O que ocorre nesse tipo de válvula é que o equilíbrio de forças é crítico para a correta operação da válvula, e piora quando ela atua sob condições de contrapressão. Assim, quaisquer variações na pressão a jusante das superfícies de vedação, suporte do disco e câmara de força podem influenciar nas forças de levantamento. Nos casos mais graves de contrapressão desenvolvida, uma válvula balanceada com fole ou uma válvula de segurança piloto operada, podem ser as soluções. Uma válvula balanceada com fole deve ser utilizada quando a relação entre a contrapressão desenvolvida para a pressão de ajuste excede o valor da acumulação permissível para uma válvula de segurança convencional. Uma válvula de segurança e/ou alívio balanceada com fole operando, num nível de contrapressão variável ou desenvolvida de aproximadamente 35% a 50% da pressão de ajuste da válvula, as perdas de capacidade de vazão são limitadas e a área de passagem mínima requerida é devidamente corrigida através de fatores de correção (fatores Kb e Kw, para gases e líquidos, respectivamente) para que seja obtida a área final selecionada. O uso desses fatores de correção eleva o valor da área mínima requerida, para compensar a influência da contrapressão superimposta, sobre a capacidade de vazão nominal da válvula de segurança. Quando por algum motivo na instalação, a tubulação de descarga não puder ser a mais curta e direta possível, e assim fornecer menor resistência ao escoamento do fluxo, então o valor desta deverá ser de uma bitola acima daquela do flange de saída da válvula. Uma boa prática é calcular a tubulação de descarga para a velocidade sônica (331,46 m/s) no ponto de saída e utilizar a próxima bitola maior. A velocidade de escoamento do fluido na saída desta tubulação deve, portanto, ser limitada a Mach 0,7 (232 m/s), isto é, 70% da velocidade sônica. Quando essa tubulação necessita de várias curvas para direcionar o fluxo até um coletor, por exemplo, tais curvas devem sempre ser de raio longo. Isto permite ao fluxo escoar de forma mais suave e minimiza a queda de pressão e erosão causada pelo fluxo de um gás ou vapor. Numa caldeira a tubulação de saída de uma válvula de segurança deve sempre ser a mais curta e direta possível, sendo obrigatoriamente que seu ponto de descarga deve ocorrer diretamente para a atmosfera. O ASME Seção I (caldeiras) também não permite nenhuma válvula de bloqueio, ou qualquer outro acessório, entre o flange de saída da válvula de segurança e o ponto final da tubulação de descarga. Tensões Provenientes da Tubulação de Descarga – As tensões impostas ao corpo, componentes internos e tubulação de entrada de uma válvula de segurança e/ou alívio por uma tubulação de descarga rigidamente instalada, podem ser térmicas, dinâmicas ou estáticas. Suportando corretamente a tubulação de descarga, são evitados os seguintes problemas relacionados às tensões mencionadas:  Efeitos térmicos causados pela temperatura de alívio, denominados de tensões térmicas. Mudanças na temperatura de uma tubulação de descarga rigidamente fixada podem aumentar seu comprimento devido à dilatação térmica e causar tensões sobre o corpo, componentes internos e tubulação de entrada da válvula;  Tensões dinâmicas são aquelas que ocorrem quando há variações de pressão e consumo na entrada ou na saída da válvula de segurança; 37  Cargas estáticas sobre o corpo da válvula, componentes internos e tubulação de entrada, devido ao peso desta tubulação ou devido à instalação forçada e também devido à força de reação produzida no momento da abertura da válvula. Drenos na Tubulação de Descarga – Uma drenagem adequada da tubulação de descarga deve ser prevista ainda na fase de projeto e instalação. Esta drenagem impede que fluidos líquidos e/ou corrosivos sejam coletados e fiquem acumulados na região do flange de saída e tubulação de descarga da válvula, podendo causar travamento de seus componentes móveis, tornando-a inoperante. Os corpos das válvulas de segurança, obrigatoriamente, já possuem conexões para drenos, porém, a boa prática recomenda que drenos sejam instalados também nos pontos baixos da tubulação de descarga. Isso evita o acúmulo de líquidos na região de saída do corpo da válvula e na região da curva da tubulação de descarga, quando esta é direcionada verticalmente para cima, impedindo a erosão que possa ser causada se a válvula viesse a abrir com algum fluido compressível, em função da alta velocidade de escoamento imposta ao líquido acumulado neste momento. O chattering pode ocorrer quando o líquido preenche uma tubulação de descarga vertical e o fluxo vindo pelo bocal da válvula tenta acelerar o líquido parado naquela tubulação. A coluna de líquido atua como contrapressão superimposta constante, elevando o valor da pressão de ajuste da válvula (quando esta for do tipo convencional), na mesma proporção, sempre que o castelo e capuz forem fechados e vedados. O valor desta contrapressão pode ser ainda maior caso a densidade do fluido seja maior que a da água para a mesma altura de coluna. A figura ao lado mostra uma típica instalação de válvula de segurança com as devidas tubulações de drenos no corpo e na tubulação de descarga: O condensado ou a água da chuva, acumulados na tubulação de descarga, também podem causar a contrapressão desenvolvida, ou nos casos mais severos, uma contrapressão superimposta constante, devido à barreira física imposta ao escoamento do fluxo sendo descarregado no momento da abertura da válvula, podendo causar uma redução em sua capacidade de vazão efetiva ou chattering. Condensado e/ou água de chuva acumulados dentro do corpo da válvula e tubulação de descarga também podem causar corrosão e travamento dos componentes móveis, tornando uma válvula de segurança e/ou alívio inoperante. Esses drenos devem ser direcionados para um local seguro, por exemplo, para o lado oposto de passarelas e pisos para evitar queimaduras às pessoas próximas, devido à descarga pela válvula. Relação de Áreas – O API Std. 526 padroniza 14 orifícios diferentes em várias combinações de diâmetros entre entrada e saída. Comercialmente esses diâmetros vão desde 1” x 2” até 8” x 10” (nos orifícios “D” a ”T”, respectivamente), apesar de existirem válvulas menores e maiores que essas. Esses orifícios com os valores de áreas determinados pelo API são utilizados somente nos cálculos preliminares. A área real, conforme projeto do fabricante a ser selecionado, deve ser utilizada nos cálculos finais. Por exemplo, uma válvula de 1” x 2” possui um orifício denominado pela letra “E” e com área de passagem efetiva de 0,196 pol² (12,7 mm de diâmetro). Com a saída de 2” e 0,196 pol² de orifício de vazão, a relação de áreas é de 17,12, ou seja, a área interna da tubulação de saída é de 17,12 vezes maior que a área do orifício da válvula. Quanto menor for a bitola da válvula menor também será a contrapressão desenvolvida, devido a essa maior relação de áreas. Enquanto isso, numa válvula com bitola 6” x 8”, o orifício do bocal é agora denominado pelo API Std. 526 como sendo “Q” e cuja área de passagem é de 11,05 pol² (95,3 mm de diâmetro). Aqui a relação de áreas agora é muito menor, sendo de apenas 3,127, ou seja, a área interna da tubulação de saída é de apenas 3,127 vezes maior que a área do orifício do bocal. Essa menor relação de áreas nos orifícios maiores, permite que a contrapressão desenvolvida seja mais propícia a 40 interno de uma tubulação varia com o valor do schedule, enquanto o diâmetro externo tem sempre um valor fixo, de acordo com cada bitola e independente do valor do schedule. Válvula de Bloqueio na Tubulação de Descarga – Uma válvula de bloqueio instalada na tubulação de descarga de uma válvula de segurança e/ou alívio, mantida parcialmente aberta, pode gerar uma alta contrapressão desenvolvida, devido à queda de pressão causada no momento em que a válvula de segurança é solicitada pelo processo a aliviar o excesso de pressão. A contrapressão desenvolvida será cada vez maior quanto mais próxima do fechamento total estiver a válvula de bloqueio. As válvulas de bloqueio na entrada e/ou saída de válvulas de segurança e/ou alívio podem ser dos tipos gaveta, esfera ou três vias, esta última quando duas válvulas protegem um único equipamento. Os Apêndices M5 e M6 (Não-mandatórios) do código ASME Seção VIII recomendam o uso de válvulas de bloqueio na entrada e na saída de válvulas de segurança e/ou alívio, desde que sejam de passagem plena, justamente para minimizar a queda de pressão naquelas regiões durante a operação da válvula. Uma válvula de bloqueio para dreno deve ser instalada entre a válvula de bloqueio na saída do vaso e a entrada da válvula de segurança e/ou alívio. Uma válvula de bloqueio para dreno também deve ser instalada entre o flange de saída da válvula de segurança e/ou alívio e o coletor de descarga. Ambas as aplicações são para propósitos de manutenção na válvula de segurança e/ou alívio. Sendo que o uso incorreto dessas válvulas de bloqueio podem causar problemas operacionais (alta queda de pressão resultando em chattering quando parcialmente abertas) ou ainda tornar a válvula de segurança e/ou alívio inoperante, tanto o projeto, quanto a instalação e o gerenciamento operacional devem ser cuidadosamente avaliados para garantir que a segurança, tanto do pessoal envolvido quanto do processo, não será comprometida. O uso de válvulas de bloqueio na entrada e/ou saída de válvulas de segurança e/ou alívio só é recomendado se forem travadas com corrente e cadeado na posição de 100% abertas. O uso de corrente e cadeado permite uma sequência correta e segura para o gerenciamento do isolamento das válvulas de segurança e/ou alívio. A figura abaixo mostra uma típica instalação de válvulas de bloqueio a montante e a jusante de válvulas de segurança e alívio piloto operadas: 41 Quando uma válvula de bloqueio é instalada na tubulação de descarga de uma válvula de segurança e/ou alívio (e houver uma válvula de bloqueio também na conexão de entrada), deverá existir um sistema de intertravamento entre ambas as válvulas de bloqueio para garantir que ambas estejam abertas ou fechadas simultaneamente, tanto para efeito de operação segura do vaso, quanto para efeito de manutenção da válvula de segurança, respectivamente. Queda de Pressão nas Tubulações de Entrada e de Descarga em Relação à Sobrepressão – O projeto da tubulação de descarga pode ser crítico para a seleção e operação correta da válvula de segurança, devido à contrapressão desenvolvida que pode ser gerada durante o processo de alívio. Portanto, para evitar o efeito chattering durante a operação da válvula de segurança, além do limite de queda de pressão permissível para a tubulação de entrada, existe também um limite de queda de pressão para a tubulação de descarga. Na tubulação de entrada o valor limite recomendado (já mencionado) é de 3% da pressão de ajuste, sendo este valor independente do valor da sobrepressão alcançada no momento que a válvula de segurança está totalmente aberta e descarregando. Portanto, o limite de queda de pressão recomendado pelo API RP 520 Parte 2 em 3% da pressão de ajuste, é independente dos valores limites de sobrepressão ou acumulação determinados pelo Código ASME Seção VIII. Enquanto na tubulação de descarga, o valor limite de queda de pressão recomendado é sempre dependente do valor da sobrepressão. Somente para uma válvula de segurança estilo convencional, quando o valor da queda de pressão na tubulação de descarga é igual ou menor ao valor da sobrepressão, o valor desta anula o valor da queda de pressão, e o efeito chattering não ocorre devido à contrapressão desenvolvida. Então, o valor da contrapressão desenvolvida deve sempre ser igual ou menor do que o valor da sobrepressão na tubulação de descarga, com isto a contrapressão desenvolvida é anulada ou minimizada, não influenciando negativamente na operação correta da válvula. A contrapressão desenvolvida deve ser limitada a 10% da pressão de ajuste ou da sobrepressão permissível, o que for maior. Por exemplo, para os casos onde o vaso de pressão é exposto a um incêndio, onde a acumulação permitida é de 21% da PMTA, a contrapressão desenvolvida também poderá ser limitada a este mesmo valor. Observação: Não se devem confundir os limites de contrapressão, por razões de resistência mecânica (contenção de pressão) sobre o lado a jusante da válvula, com os limites de contrapressão para avaliar e dimensionar sua capacidade de vazão nominal. A limitação em 10% para a contrapressão desenvolvida, somente se aplica quando a válvula de segurança é ajustada para abrir no mesmo valor da PMTA, e o vaso de pressão é protegido por uma única válvula. Quando esta é a válvula de segurança suplementar, para aplicações sujeitas a incêndio, portanto, ajustada para abrir em 10% acima da PMTA do vaso, a contrapressão desenvolvida também deverá ser limitada em 10% da pressão de ajuste. Caso a válvula seja ajustada para abrir abaixo do valor da PMTA, a sobrepressão poderá ser alcançada a valores maiores do que 10% e o valor da contrapressão desenvolvida poderá ter o mesmo valor da sobrepressão alcançada nas condições de alívio e sem afetar o desempenho operacional da válvula de segurança. A máxima acumulação permitida não pode ser ultrapassada de acordo com a quantidade de válvulas de segurança instaladas e as causas da sobrepressão. Portanto, só há limites para a acumulação, mas não para a sobrepressão. Por exemplo, um valor de sobrepressão de 10% só é alcançado quando a capacidade de vazão requerida pelo processo se equaliza com a capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança e/ou alívio, desde que também tenha sido utilizado 10% de sobrepressão durante os cálculos de dimensionamento da área do bocal. Como a capacidade de vazão requerida pelo processo é geralmente menor que a capacidade de vazão efetiva pela válvula, a sobrepressão resultante também será menor. Enquanto que se a capacidade de vazão requerida pelo processo for maior que a capacidade de vazão efetiva pela válvula (válvula subdimensionada), a sobrepressão resultante também será maior. Este último exemplo é ainda mais crítico quando uma válvula de segurança e/ou alívio é ajustada no mesmo valor da PMTA do vaso, com isto a acumulação permitida pode ultrapassar o limite determinado pelo código de construção do vaso de pressão, além de aumentar o valor do diferencial de alívio. O subdimensionamento jamais deve ser aceito, pois pode expor o vaso a uma condição operacional perigosa. 42 A acumulação é relativa à PMTA do vaso de pressão e à quantidade de válvulas de segurança instaladas nele, enquanto que a sobrepressão está relacionada com a pressão de ajuste, capacidade de vazão requerida pelo processo em relação à capacidade de vazão máxima pela área do bocal selecionado. Cálculo da Queda de Pressão na Tubulação de Descarga – Os dois valores que devem ser conhecidos para os cálculos da contrapressão na tubulação de descarga são: a taxa de fluxo efetiva na qual é controlada através do orifício do bocal, e a pressão na extremidade de saída da tubulação de descarga, que é a pressão atmosférica (14,7 psia se a válvula estiver instalada ao nível do mar), enquanto a válvula de segurança estiver fechada. Os cálculos da tubulação de descarga devem sempre começar pelo ponto de saída e seguir para a válvula de segurança para se determinar qual pressão é necessária para “empurrar” o fluido para fora da válvula, ou seja, o cálculo deve ocorrer contra o sentido de escoamento do fluxo por aquela tubulação. Assim, todo o fluido que sair pelo orifício do bocal deverá também sair pela extremidade de saída da tubulação de descarga. É errado acreditar que mesmo após a válvula estar aberta e aliviando, a pressão dentro daquela tubulação continuará num valor atmosférico. A pressão na tubulação de descarga é equivalente à pressão atmosférica somente enquanto a válvula de segurança permanecer fechada. Portanto, o valor atmosférico só existe enquanto a válvula estiver sob condições normais de operação do vaso, isto é, ainda fechada. O que ocorre é que o atrito do fluxo com a parede da tubulação, devido ao estado físico do fluido (compressível), gera a contrapressão desenvolvida após a abertura da válvula. A pressão na extremidade final desta tubulação é atmosférica (ou muito próxima a esta), devido à redução que ocorre em função da queda de pressão ao longo do comprimento da tubulação, e assim, a maior pressão na saída do bocal permite ao fluxo sair pela tubulação de descarga, em função da pressão diferencial. Para a válvula de segurança operar corretamente na capacidade de vazão efetiva, ela deverá (se possível) estar operando sob condições de fluxo crítico, ou seja, a contrapressão desenvolvida deverá ser a mínima possível ou estar limitada, por exemplo, em 54,75 % da pressão de alívio absoluta na entrada da válvula, caso ela esteja ajustada em 243 psig sempre que o fluido for vapor d’água saturado. Para este exemplo (e somente para esta pressão), o valor do coeficiente de expansão isentrópico (coeficiente “k”) do vapor d’água saturado é de 1,29. Observação: No Vapor D’água Saturado, para cada valor de pressão haverá sempre um valor definido de temperatura. Portanto, o valor do coeficiente “k”, além de outras propriedades físicas do vapor, varia com alterações na pressão e temperatura. Não confundir este coeficiente “k” (minúsculo) com o coeficiente “K” (maiúsculo) do ASME/NBBI para cálculos de capacidade de vazão. O objetivo do cálculo é encontrar uma bitola para a tubulação de descarga que não restrinja a capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança, além de impor excessiva contrapressão desenvolvida sobre o alívio do fluxo. A equação 3 abaixo mostra como calcular a queda de pressão na tubulação de descarga: Exemplo de Cálculo de Queda de Pressão na Tubulação de Descarga: 1 1064,0 1 2 P PKC Asai A P Psai                   Equação 3 45 Esta equação mostra que o diâmetro mínimo da tubulação de descarga para uma válvula de segurança descarregar 4400 kg/h de vapor d’água saturado requerido pelo processo é de 75,43 milímetros. Com um tubo schedule 40, a tubulação selecionada deverá ser a mais próxima acima, ou seja, 3”, cujo diâmetro interno é de 77,9 mm. A capacidade de vazão preliminar pelo orifício selecionado (orifício “G” de acordo com a tabela 2) será de 4738 kg/h (10445,35 lbs/h). Portanto, a capacidade de vazão requerida pelo processo, neste exemplo, é de 92,8% da capacidade de vazão nominal da válvula de acordo com a área preliminar selecionada. Observação: Este valor de 4738 kg/h foi obtido através da equação 5: Equação 5 Onde: W = capacidade de vazão requerida pelo processo, em libras/hora; P1 = pressão de alívio absoluta na entrada da válvula de segurança, em psia (pressão de ajuste x 1,1 + 14,7); A = área do orifício do bocal, em pol² (conforme tabela 2); Kd = coeficiente de descarga, (0,975 sugerido pelo API RP 520 Parte 1); Ksh = fator de correção pra vapor superaquecido de acordo com a temperatura de superaquecimento acima da temperatura de saturação para aquela pressão. Para vapor saturado seu valor é sempre 1, independente do valor da pressão; 2,2046 = constante para conversão de libras/hora para kilograma/hora. Condições de Escoamento Crítico e Subcrítico – Dentre as diversas causas de contrapressão desenvolvida e que podem afetar o desempenho operacional de uma válvula de segurança convencional, além de reduzir sua capacidade de vazão efetiva, é quando a condição de escoamento na tubulação de descarga, devido à contrapressão desenvolvida, muda de fluxo crítico para subcrítico. A taxa de fluxo efetiva através de uma válvula de segurança estilo convencional operando com fluidos compressíveis depende da relação de pressão entre a montante e a jusante da válvula, isto é, entre as pressões em sua conexão de entrada e tubulação de descarga, respectivamente. A máxima capacidade de vazão permitida por uma válvula de segurança convencional é dependente apenas da pressão de alívio absoluta (P1) em sua conexão de entrada, enquanto o valor da contrapressão (P2) for inferior a aproximadamente 54% daquela pressão de alívio, depende do coeficiente “k”(coeficiente de expansão isentrópico) do gás ou vapor. Esta condição de escoamento é denominada de fluxo crítico ou vazão bloqueada. Aqui a capacidade de vazão da válvula de segurança é limitada pela área da garganta do bocal, sendo que neste momento, a velocidade de escoamento alcançada na saída do bocal é equivalente a 331,46 m/s (Mach 1). Qualquer redução no valor da contrapressão não aumenta a capacidade de vazão da válvula. Quando o valor da contrapressão (constante ou desenvolvida) é superior àquele de 54% de P1, a taxa de fluxo através do bocal da válvula é materialmente reduzida. A condição de escoamento é agora denominada de fluxo subcrítico e a velocidade de escoamento é menor que a sônica na saída do bocal. Qualquer redução no valor da contrapressão permite aumentar a velocidade de escoamento do fluxo e a capacidade de vazão efetiva através do bocal da válvula. Portanto, a condição de fluxo crítico é aquela na qual a menor pressão possível ocorre na saída do bocal da válvula de segurança, sem que nem ela e nem sua capacidade de vazão efetiva, tenham seus valores influenciados pela contrapressão. Observação: Na condição de fluxo crítico a pressão de alívio na entrada da válvula de segurança é utilizada para calcular o diferencial de energias, isto é, a pressão na entrada coincidindo com a máxima   2046,2 15,51 KshKdAP W   46 capacidade de vazão através da garganta do bocal e a velocidade sônica do fluido naquele ponto. A capacidade de vazão e a velocidade sônica na garganta do bocal podem ou não ser influenciadas pelo valor da contrapressão, seja ela constante ou desenvolvida. Forças Envolvidas na Abertura – Uma válvula de segurança e/ou alívio é um projeto simples, no qual um disco de vedação é mantido fechado contra um bocal, somente pela força exercida por uma mola de compressão helicoidal. O disco é mantido fechado somente enquanto a força no sentido ascendente, exercida pela pressão do fluido de processo na área de vedação efetiva deste disco com o bocal, for inferior à força descendente exercida pela mola. Quando uma sobrepressão ocorre dentro de uma caldeira ou de um vaso de pressão, aquela força sob o disco, e dentro da garganta do bocal, pode se tornar alta o bastante em comparação com a força elástica exercida pela mola, provocando a abertura da válvula e, consequentemente, reduzindo a pressão (dentro do equipamento sendo protegido) a um nível seguro e aceitável. A válvula de segurança e/ou alívio é, portanto, um dispositivo de alívio de pressão de forças balanceadas, ou seja, a força ascendente atuando embaixo do disco, enquanto ela ainda está fechada, é balanceada, ou anulada, pela força no sentido descendente exercida pela mola. Observação: As forças sendo exercidas pela pressão do fluido embaixo do disco e dentro da garganta do bocal podem ser variáveis, pois são dependentes das variações da pressão consumida pelo processo, enquanto a força descendente sendo exercida pela mola tem seu valor fixo em função do aperto do parafuso de ajuste. Somente variações no aperto deste parafuso causam variações na força da mola, quando a descarga da válvula ocorre diretamente para a atmosfera e não há contrapressão desenvolvida. Quando ela está operando sob condições de chattering, a pressão combinada (acústica e dinâmica) é reduzida rapidamente abaixo da pressão de fechamento normal da válvula. Como a taxa de fluxo aliviada não foi suficiente para reduzir a pressão dentro do vaso a um nível seguro para o fechamento definitivo da válvula, a pressão é elevada novamente até sua abertura. Quando isto ocorre na tubulação entre a saída do vaso e a entrada da válvula de segurança, o projeto desta tubulação deve ser revisto quanto às perdas de pressão causadas por sua configuração, além de restrições que possam existir ou mesmo superdimensionamento da área do bocal da válvula. Se o anel inferior estiver posicionado muito próximo da face do suporte do disco, há uma restrição na vazão do fluido, com isto, desenvolvendo uma força elevada no sentido ascendente quando a pressão de ajuste é alcançada, resultando em chattering, devido ao elevado curso atingido inicialmente, além da grande força de reação devido à súbita mudança de área de atuação da pressão. A figura ao lado mostra um desenho dos componentes internos de uma válvula de segurança e/ou alívio convencional e as respectivas forças envolvidas: Exemplificando para uma válvula de segurança convencional, quando a pressão dentro do vaso ainda está num valor abaixo do valor da pressão de ajuste, a mola mantém a válvula na posição fechada. Quando algum descontrole no processo ocorre e a pressão de operação é elevada até alcançar o valor da pressão de ajuste, neste momento a força sendo exercida pela pressão do fluido embaixo do disco se equaliza com a força da mola, a válvula de segurança e/ou alívio abre. Porém, quando a pressão (após a abertura da válvula) na tubulação de entrada e garganta do bocal, cai abaixo de seu diferencial de alívio (que pode ter seu valor alterado pela contrapressão desenvolvida e/ou posicionamento do anel inferior) a válvula fecha. Se a válvula foi dimensionada e instalada corretamente, ela deverá abrir em 47 sua pressão de ajuste especificada, permitindo aliviar o excesso de pressão do sistema, evitando que a pressão seja elevada e ultrapasse os valores de acumulação limitados previamente no projeto daquele sistema. A válvula de segurança e/ou alívio irá fechar novamente, e acima da pressão normal de operação, quando o evento que causou a sobrepressão for controlado, corrigido e finalizado. Na pressão de ajuste, na qual a válvula de segurança deve iniciar a abertura, o curso de elevação do disco ainda é zero, e a força exercida pela mola é igual à pressão de ajuste multiplicada pela área efetiva de vedação entre disco e bocal. Observação: Contanto que a pressão dentro do vaso ou sistema (pressão na entrada da válvula) permaneça no ponto de ajuste, a válvula se manterá totalmente aberta. A vazão nominal para a válvula é medida na pressão de ajuste + 10% de sobrepressão (pressão de alívio). Uma vez que a pressão de operação seja reduzida para um valor abaixo da pressão de ajuste, a válvula não será mais mantida aberta pela pressão de entrada e seguirá até a posição fechada. Somente para os fluidos compressíveis, esse curso de elevação ocorre em duas etapas na maioria doa projetos das válvulas de segurança existentes, sendo que na primeira etapa ele se afasta do bocal em aproximadamente 60 a 70% do curso máximo, ainda na pressão de ajuste (desde que seu anel inferior esteja corretamente posicionado em relação à face inferior do suporte do disco e à capacidade de vazão requerida pelo processo). Os 30% a 40% restantes serão alcançados quando o valor de sobrepressão, e de acordo com a taxa de fluxo descarregada em relação à máxima capacidade de vazão, conforme estampada na plaqueta da válvula, for alcançada naquele momento. Portanto, a capacidade de vazão da válvula de segurança na pressão de ajuste é significativamente menor do que sua capacidade de vazão nominal, conforme marcada em sua plaqueta (na pressão de alívio), consequentemente, isto tenderá a aumentar o tempo necessário para despressurizar o sistema. Em certo curso de elevação do disco, é limitada a força ascendente exercida pela pressão do fluido embaixo da face do suporte do disco e se equalizando com a força descendente exercida pela mola, neste momento a capacidade de vazão da válvula é limitada somente pela área da garganta do bocal. A força descendente exercida pela mola só voltará a ser maior que a força ascendente exercida pela pressão do fluido embaixo do suporte do disco, quando ela for reduzida para a pressão de fechamento. A força da mola, tanto no sentido descendente quanto no sentido ascendente, é linear. Observação: O curso de elevação do disco é definido como a distância entre a superfície de vedação do bocal e a abertura máxima nas condições de alívio. Para os fluidos compressíveis essa distância é equivalente a ¼ do diâmetro da garganta do bocal. Para o alívio de líquidos, essa distância também será alcançada na abertura máxima, porém, de forma gradual ao aumento de pressão e acima da pressão de ajuste. Para ocorrer esta abertura máxima, a capacidade de vazão requerida pelo processo deverá ser igual à máxima capacidade de vazão efetiva pela válvula de alívio. Com o fluido escoando através do bocal da válvula e a força exercida pela mola, as principais forças restantes listadas abaixo interagem com o anel do bocal e face inferior do suporte do disco (câmara de força) da válvula de segurança:  A força de aceleração está presente quando a válvula de segurança começa a abrir, (início da elevação do curso do disco), com a massa dos componentes móveis retardando sua rápida abertura;  As folgas entre o eixo do suporte do disco com o furo da guia, apesar de mínimas, são grandes o suficiente para anular as perdas de forças de levantamento que podem ser causadas por atrito mecânico entre esses dois componentes, principalmente, naquelas válvulas de segurança e alívio que operam com pressões de ajuste acima de 300 psig (21,09 kgf/cm²);  A força da gravidade puxa constantemente para baixo o disco e demais componentes superiores da válvula, orientados verticalmente. Embora essa força seja desprezível quando comparada com a força exercida pelo escoamento do fluxo dentro da câmara de força e pela força da mola; 50 Quando o transiente de sobrepressão estiver sendo aliviado pela válvula, a pressão de entrada começa a ser reduzida. Isto permite que a força no sentido descendente exercida pela mola supere as forças no sentido ascendente exercidas pela pressão do vaso dentro da área interna da câmara de força, resultando no fechamento da válvula. Sendo assim, a válvula de segurança só irá fechar definitivamente quando a pressão atuando embaixo do suporte do disco gerar uma força no sentido ascendente contra a força no sentido descendente exercida pela mola, que seja igual àquela gerada no momento da abertura. Desta forma, como a área embaixo do suporte do disco e dentro da câmara de força, é maior do que a área de vedação efetiva entre disco e bocal (onde a pressão do processo estava atuando antes da abertura), a válvula fechará numa pressão menor que a pressão de ajuste. Contudo, tanto na pressão de ajuste quanto na pressão de fechamento, a força sendo gerada pelo fluido deve ser a mesma, pois as áreas onde essa pressão atua são diferentes e para gerar a mesma força que foi gerada (dentro da superfície de vedação efetiva do disco e bocal) no momento da abertura (dentro da câmara de força, onde a área é maior no momento do fechamento), a pressão nesta área agora deverá ser menor. Ou seja, em áreas de diferentes valores, para que a mesma força seja gerada naquela de área maior a pressão deverá ser menor e vice-versa. Portanto, sempre que a pressão atuando embaixo do disco, suporte do disco, e dentro da garganta do bocal (após a abertura total da válvula de segurança), é reduzida a um valor igual ou menor que o diferencial de alívio da válvula, o curso de elevação do disco é rapidamente reduzido, movendo-o para a posição fechada. Isto quer dizer que para a válvula de segurança fechar novamente, a mesma força que está sendo exercida embaixo do suporte do disco deverá ser a mesma que estava sendo exercida dentro da garganta do bocal no momento da abertura. Sendo que a área do suporte do disco é maior que a área da garganta do bocal, para que a mesma força exercida no momento da abertura ocorra no momento do fechamento, a pressão nesse momento deverá agora ser menor. Observação: A força exercida pela pressão do fluido dentro da garganta do bocal e embaixo do suporte do disco é diretamente proporcional à área para uma pressão constante, enquanto a pressão é inversamente proporcional a área para uma força constante. A geometria inferior da face do suporte do disco, formada em conjunto com o posicionamento do anel do bocal, onde a pressão dinâmica do fluido em escoamento atua quando a válvula está aberta e aliviando, aumenta as forças de abertura em conjunto com o posicionamento (de acordo com o volume do fluxo) correto daquele anel. O posicionamento correto deste anel evita o “martelamento” do disco sobre o bocal, após ocorrer o alívio do excesso de pressão, já na fase de fechamento da válvula. Observação: O anel inferior funciona como um multiplicador de forças no momento da abertura da válvula, devido à maior área de atuação da pressão. Esta área do anel pode chegar a ser de 60% a 70% maior que a área de vedação efetiva da válvula (depende do projeto de cada fabricante). No momento do fechamento ele tem a função de “amortecer” a força da mola e evitar danos às superfícies de vedação do disco e bocal, permitindo uma vida de serviço mais longa à válvula. Os ajustes neste anel modificam o formato da câmara de força e o volume e pressão do fluido dentro desta câmara, e sua posição interfere nas características de abertura, sobrepressão e fechamento da válvula de segurança e alívio operando com fluidos compressíveis. Quando (a válvula estando instalada no processo), este anel é posicionado muito próximo da face inferior do suporte do disco (minimizando a área do orifício secundário), ocorre a máxima restrição da câmara de força. Esta posição minimiza também a ocorrência de simmering, porém, aumenta o valor do diferencial de alívio e da força de reação resultante durante a abertura da válvula. Quando ele fica posicionado muito afastado da face inferior do suporte do disco, o simmering fica elevado, enquanto o diferencial de alívio e a força de reação ficam reduzidos, pois minimiza sua restrição na câmara de força. Nesta posição ocorre grande instabilidade operacional da válvula sempre que o fluido for compressível. Quando o fluido for líquido, nesta posição ele não participa das ações de abertura e fechamento da válvula, mas apenas quando esta possui suporte do disco convencional. A posição definitiva, e também a mais ideal para a operação correta da válvula, fica em algum ponto entre aquelas duas posições (de acordo com o volume de fluido a ser descarregado), para um desempenho operacional bastante satisfatório da válvula de segurança. 51 O orifício secundário é a área formada pela face superior do anel do bocal e a face inferior do suporte do disco. Nas válvulas de segurança que possuem dois aneis para controle do diferencial de alívio, tais como aquelas de caldeiras, o orifício secundário é o espaço formado entre o diâmetro externo do anel inferior e o diâmetro interno do anel superior. A manipulação desse (s) anel (eis) altera (m) a área do orifício secundário, consequentemente, alterando a restrição e as forças exercidas pela pressão do fluido atuando nesta região. O orifício secundário é sempre maior na fase de abertura do que na fase de fechamento da válvula. Na figura abaixo pode ser visualizado o orifício secundário: Observação: O posicionamento do anel inferior, próximo da face do suporte do disco, altera a área do orifício secundário, alterando a geometria da câmara de força e as forças de abertura, consequentemente, alterando todas as ações da válvula (abertura, sobrepressão e fechamento). A área da garganta do bocal é denominada de orifício primário. A figura ao lado mostra uma válvula de segurança e alívio balanceada com fole com castelo e capuz fechados. Pode ser visto também o furo de alívio no castelo para manter o fole sob condições de pressão atmosférica e também para monitorar, em operação, sua integridade: Assim, a região interna do fole e do castelo fica exposta à pressão atmosférica, na qual atua como uma contrapressão superimposta constante e sem alterar os valores de pressão de ajuste, pressão de fechamento e capacidade de vazão nominal na sobrepressão especificada. Desta forma, é sempre crítico o equilíbrio de forças numa válvula de segurança convencional, quando totalmente aberta e aliviando. Qualquer mudança na pressão dentro do corpo da válvula, e a jusante da câmara de força e suporte do disco, podem causar distúrbios nas forças de levantamento exercidas pela pressão do fluido sendo descarregado. Qualquer perturbação no diferencial de pressão, através do disco e face inferior do suporte do disco pode descontrolar essas forças, permitindo ao curso de elevação do disco ser reduzido ou anulado. O equilíbrio de forças numa válvula de segurança e/ou alívio balanceada com fole é 52 diferente, pois neste projeto de válvula, a contrapressão de referência é a pressão atmosférica, pois a região interna do fole fica exposta a essa pressão através do furo de alívio no castelo. Desta forma, uma válvula de segurança com mola sob carga necessita (no mínimo) de aproximadamente 25 a 30% de sua capacidade de vazão máxima, para estabelecer uma força estável embaixo da face do suporte do disco e, assim, sustentar (satisfatoriamente) a válvula completamente aberta durante todo o seu ciclo operacional (abertura, sobrepressão e fechamento). Assim, o chattering causado por uma válvula de segurança superdimensionada ocorre devido à falta de volume de fluxo e, consequentemente, de pressão, para manter o equilíbrio de forças embaixo do suporte do disco. Quando uma válvula de segurança convencional está aberta e aliviando, a maior área da câmara de força exposta ao fluido de processo faz o equilíbrio de forças trabalhar de forma que a contrapressão desenvolvida pode ser tão alta quanto a porcentagem de sobrepressão máxima permitida pelos códigos de construção de vasos de pressão, e sem que seu desempenho operacional seja afetado, mas jamais maior do que esta. Observação: A câmara de força ou “câmara de aprisionamento” tem o propósito de auxiliar o disco a alcançar o curso total nas condições de alívio. Ela é formada pelo perfil entre o posicionamento do anel inferior (que é rosqueado externamente no bocal) e os contornos existentes na face inferior do suporte do disco. Alterando-se a posição do anel inferior, é alterada toda a geometria da câmara de força, o ângulo de saída do fluxo por esta, consequentemente, alterando a força exercida pela pressão do fluido durante os ciclos de abertura e fechamento da válvula. A geometria desta câmara é muito importante para controlar as pressões de abertura e de fechamento, além de permitir a estabilidade operacional da válvula. Com uma capacidade vazão mínima requerida pelo processo superior a 30% da máxima capacidade de vazão da válvula de segurança, a força ascendente atuando dentro da câmara de força estará em constante equilíbrio com a força descendente exercida pela mola, até que a pressão do processo comece a ser reduzida. A partir deste momento, aquela força exercida pela mola começa a superar a força ascendente exercida pela pressão do fluido dentro da câmara de força, tendo assim o início do ciclo de fechamento. Observação: A força exercida pela mola sobre o disco de vedação é fixada num valor constante através do parafuso de ajuste situado no castelo da válvula. Enquanto a força ascendente atuando dentro da câmara de força pode variar de acordo com a pressão, temperatura e volume gerados pelo processo, densidade do fluido e posicionamento do anel inferior. A força exercida pela pressão do fluido (em barg) dentro da câmara de força é obtida através da soma dos produtos entre a pressão de ajuste (em barg) multiplicada pela área efetiva de vedação entre disco e bocal (em mm²); somada com o “k” da mola, multiplicado pelo curso de elevação do disco (em mm). O “k” da mola pode ser obtido através da equação 7: NDm dG k    3 4 8 Equação 7 Onde: G = módulo de torção do material de construção da mola. Este valor é tabelado de acordo com cada material, por exemplo, para aço carbono ligado (5160) este valor é de 7785 kgf/mm²; d = diâmetro do arame de construção da mola, em milímetros; Dm = diâmetro médio da mola, em milímetros; N = número de espiras ativas da mola, ou seja, são descontadas as espiras retificadas da face da mola (espiras inativas) e utilizadas somente as demais. Portanto, o número de espiras ativas de uma mola é a diferença entre o número total de espiras menos as duas espiras retificadas. 55 Observação: Embora a abertura de uma válvula de segurança seja rápida, ela não abre completamente na pressão de ajuste, (com exceção de alguns projetos). A pressão de operação deve ser elevada um pouco mais para que o disco alcance o curso total e a máxima capacidade de vazão. Esta elevação de pressão, acima da pressão de ajuste, é denominada de sobrepressão. O curso total do disco e a capacidade máxima de vazão devem ser alcançados simultaneamente dentro dos valores de sobrepressão permitidos pelos códigos de construção de caldeiras e vasos de pressão. A todas as válvulas de segurança e/ou alívio são permitidos algum valor de sobrepressão de acordo com o código de construção e as causas da sobrepressão para que sua máxima capacidade de vazão seja alcançada nas condições de alívio. 4º Estágio – Reassentamento da Válvula – Assim que a válvula de segurança tenha controlado e limitado o aumento de pressão do processo, essa pressão começa a ser reduzida. Sendo que a câmara de força está agora controlando a saída da vazão do fluido, a pressão do processo deverá ser reduzida abaixo da pressão de ajuste antes que a força exercida pela mola seja capaz de fechar a válvula. Quando ela é reduzida suficientemente abaixo da pressão de ajuste, a força exercida pela mola fecha a válvula definitivamente. Essa pressão na qual a válvula reassenta é denominada “pressão de fechamento”. A diferença entre a pressão de ajuste e a pressão de fechamento é denominada de “diferencial de alívio” ou BLOWDOWN. A pressão de fechamento pode ficar entre 7 e 10% abaixo da pressão de ajuste, quando a válvula está protegendo um vaso de pressão. Devido a estas porcentagens, a pressão normal de operação deve ser limitada em até 10% abaixo da pressão de ajuste da válvula para garantir seu ciclo operacional completo. Observação: O diferencial de alívio deve existir dentro dos valores mencionados acima para evitar o efeito chattering, ou seja, qualquer transiente ou oscilação na pressão de operação próximo da pressão de ajuste pode ocasionar a abertura da válvula de segurança logo após o fechamento. Estágios do Ciclo de Abertura – (Líquidos) – O ciclo operacional (abertura, sobrepressão e fechamento) das válvulas de segurança e/ou alívio, operando com líquidos, é semelhante ao das válvulas de segurança operando com gases e vapores, como podemos verificar a seguir. As principais diferenças ocorrem devido à incompressibilidade do fluido (líquidos), principalmente, no 2° e 3° estágios, pois a válvula já estará aberta e aliviando. Portanto, na operação com fluidos incompressíveis uma dinâmica operacional diferente existe. Os líquidos não se expandem através de orifícios (desde que estejam em temperaturas inferiores a 100°C ao nível do mar, independente do valor da pressão): 1º Estágio – (Válvula Fechada) – A força da mola é pré-ajustada para ser igual a força exercida pela pressão do fluido embaixo do disco, quando a pressão dentro do equipamento protegido pela válvula for igual a sua pressão de ajuste. 2º Estágio – (Válvula Começa a Vazar) – No início da abertura, o líquido escapando das sedes do disco e bocal, forma uma fina camada expandindo-se radialmente. O líquido gera uma força embaixo do suporte do disco, sendo defletido para baixo, e gerando uma força no sentido ascendente, tendendo a movimentar o disco para cima. Estas forças tipicamente são desenvolvidas lentamente até os primeiros 5% de sobrepressão. Nesse estágio só ocorre simmering (como nos gases e vapores), se o líquido estiver numa temperatura maior que 100°C e ao nível do mar. Observação: Em válvulas de segurança e/ou alívio operando com líquidos, uma pequena abertura destas com o vazamento do líquido para dentro da câmara de força pode rapidamente drena-lo por gravidade e prevenir que a pressão e, consequentemente, força sejam desenvolvidas na região desta câmara. Isto aumenta a probabilidade de chattering, quando o volume de líquido a ser descarregado é muito menor que a capacidade de vazão da válvula. Isto significa que uma pequena quantidade de líquido que flui através do bocal, irá produzir uma grande queda de pressão local dentro do orifício do bocal. Esta queda de pressão local causa o fechamento momentâneo da válvula de alívio (pela força da mola) se o volume de líquido for mínimo (válvula superdimensionada). 56 3º Estágio – Abertura Total da Válvula – Quando o fluxo, gradualmente, vai aumentando com a elevação do curso do disco, o pico de velocidade que é elevado dentro do bocal também aumenta, estas forças de momento, combinadas com as forças reativas do líquido descarregando radialmente quando este é defletido para baixo, a partir da superfície de vedação, são bastante superficiais para permitir ao disco da válvula, alcançar o curso máximo de abertura. 4º Estágio – Ressentamento da Válvula – Da mesma forma que ocorre com as válvulas operando com fluidos compressíveis, quando a pressão do processo é reduzida suficientemente abaixo da pressão de ajuste, a força exercida pela mola fecha a válvula. Essa pressão na qual a válvula reassenta é denominada “pressão de fechamento”. Esta pressão de reassentamento pode ficar entre 12 e 20% abaixo da pressão de ajuste da válvula. Devido a estas porcentagens, a pressão normal de operação deve ser limitada em até 20% abaixo da pressão de ajuste, para garantir seu ciclo operacional completo. Devido à diferença nas características de líquidos e gases, algumas válvulas de segurança e alívio possuem um projeto especial de suporte do disco quando operando com líquidos para atender ao critério de desempenho do código ASME Seção VIII Divisão 1 quando protegendo vasos de pressão construídos conforme este código, no qual exige que na capacidade de vazão certificada a sobrepressão seja limitada a 10% da pressão de ajuste. Tipicamente, as válvulas de alívio alcançam o curso máximo com apenas 6% de sobrepressão. Aquelas válvulas que possuem capacidades de vazão certificadas, alcançam a vazão máxima a 10% de sobrepressão. Instalação com Múltiplas Válvulas de Segurança – Deve ser adotada a instalação com múltiplas válvulas de segurança e/ou alívio, sempre que for desejado que a capacidade de vazão combinada de duas ou mais válvulas possam aliviar a sobrepressão de um processo, minimizando o desperdício de fluido a cada abertura da válvula de segurança e/ou alívio. Um processo químico pode ter uma ou mais causas de sobrepressão ou até mesmo a combinação delas, simultaneamente. Cada causa de sobrepressão pode produzir também uma massa ou volume de fluxo em valores diferentes para ser descarregado pela válvula de segurança a cada vez que ela tiver que atuar. Por exemplo, descarga bloqueada ou uma reação química gerando calor e pressão (reação exotérmica) para uma taxa de fluxo menor e sob condições normais de operação; ou exposição do vaso a um incêndio para uma taxa de fluxo muito maior. Assim, quando num processo químico grandes variações podem ser encontradas na taxa de fluxo produzida, mesmo em condições normais de operação, o uso de duas ou mais válvulas de segurança em tamanhos menores (com orifícios também menores) e com pressões de ajuste em valores escalonados, é uma alternativa quanto à instalação e manutenção para a aplicação de uma única válvula de segurança com orifício maior. Se elas tiverem orifícios com áreas dos bocais em valores diferentes, aquela válvula que tiver o orifício com a menor área deverá também ser ajustada para abrir na pressão de valor mais baixo, e assim, aumentando gradualmente com as demais. Com isto, o volume de fluido a ser descarregado num possível evento de sobrepressão do processo também será menor, ou seja, menor desperdício de fluido. As demais válvulas de segurança só irão atuar devido à maior demanda de fluxo produzida pelo processo. Quando uma instalação possui múltiplas válvulas instaladas com ajustes de pressão em valores escalonados e orifícios dos bocais iguais ou diferentes para proteger um único vaso de pressão, a(s) válvula (s) de ajuste (s) mais alto (s) só atua (m) por insuficiência da (s) anterior (es), de orifícios e/ou pressões de ajuste em valores menores. Mesmo que todos os orifícios sejam de valores iguais, mas com pressões de ajuste diferentes, a capacidade de vazão por cada orifício e pressão de ajuste também terá um valor diferente. Com este arranjo de mesmo orifício e pressão de ajuste em valores escalonados, desde que as válvulas sejam do mesmo modelo e mesmo fabricante, o estoque de peças sobressalentes pode ser minimizado, reduzindo os custos com a instalação de uma única válvula de segurança para atender a mesma capacidade de vazão efetiva de várias válvulas com orifícios menores e em diferentes momentos operacionais do processo. 57 Os custos com a instalação e manutenção de uma válvula de segurança e/ou alívio superdimensionada, incluindo o desperdício de fluido, são maiores do que os custos com duas ou mais válvulas corretamente dimensionadas, especificadas e instaladas. Quando várias válvulas de segurança são instaladas para proteger um único vaso, cada uma deverá ter sua própria conexão vinda do vaso. Nenhuma ramificação de várias válvulas de segurança vinda do vaso ou da tubulação principal poderá ser usada. Até uma ramificação para a instalação de duas válvulas de segurança e/ou alívio é permitido, conforme mostra a figura ao lado: Nas instalações com múltiplas válvulas de segurança e/ou alívio, aquela (s) que estiver (em) ajustada (s) para abrir acima da PMTA do vaso, terá (ão) o valor da sobrepressão alcançada abaixo da máxima acumulação permitida. A instalação com múltiplas válvulas de segurança elimina o efeito chattering, que poderia ocorrer caso fosse instalada uma única válvula superdimensionada, para aliviar diferentes taxas de fluxo a cada atuação. Porém, esse efeito pode ocorrer com as múltiplas válvulas instaladas caso agora a tubulação de entrada esteja mal configurada, por exemplo, área interna menor que a área interna do flange de entrada da válvula de segurança, válvulas de bloqueio instaladas a montante e/ou a jusante parcialmente abertas, ou se a tubulação de descarga for mal projetada e gerando a contrapressão desenvolvida e as válvulas de segurança não possuírem castelo aberto. Múltiplas válvulas de segurança e/ou alívio podem ser aplicadas também quando o processo exige que a pressão de ajuste e a capacidade de vazão não possam ser atendidas pela área selecionada (orifício maior que “T”, por exemplo), ou se for necessário que a vedação seja resiliente (macia) e a área e a pressão de ajuste não atenderem para este tipo de sede. Observação: Sempre que “vazamento zero” for um requerimento obrigatório para o processo, o usuário deve especificar uma válvula de segurança e/ou alívio com sede resiliente. Válvulas de segurança e/ou alívio com sede resiliente não podem ser ajustadas para abrir em valores menores do que 15 psig (1,05 kgf/cm²), apenas aquelas com sedes metálicas. Abaixo estão listadas as principais situações onde são recomendadas as instalações com múltiplas válvulas de segurança e/ou alívio para a segurança de todo um processo:  A máxima capacidade de vazão requerida pelo processo é inferior a 50% da máxima capacidade de vazão pela válvula a ser selecionada;  A máxima capacidade de vazão requerida pelo processo exige um orifício maior que “P” (6,38 pol²);  Apenas uma pequena porcentagem da capacidade total do processo precisa ser aliviada;  A instalação de duas válvulas de segurança e/ou alívio com orifícios menores pode ser um investimento mais econômico do que a instalação de uma válvula com orifício maior;  A máxima capacidade de vazão requerida pelo processo é inferior a 30% da máxima capacidade de vazão, se apenas uma válvula fosse dimensionada e instalada;  Variações ocorrem na densidade e viscosidade do fluido, causadas por variações na pressão e temperatura, liberando diferentes volumes a cada atuação da válvula. 60 Enquanto, a contrapressão superimposta constante ou a variável tendem a atenuar a força de reação de forma diretamente proporcional ao seu valor no momento da abertura da válvula. O projeto das tubulações de entrada e de saída, incluindo o material e o schedule desta, deve considerar as pressões às quais aquelas tubulações estarão sujeitas, e também as forças de reação exercidas pela pressão e vazão do fluido. A tubulação de descarga poderá estar sujeita a valores de pressão e temperatura próximos dos valores de entrada da válvula. Observação: Excluindo-se as considerações de resistência mecânica estrutural, a variável determinante para o projeto correto da tubulação de descarga é a contrapressão desenvolvida resultante sobre o corpo e componentes internos da válvula. Se esta contrapressão resultante está dentro dos limites de projeto da válvula (10% de contrapressão desenvolvida para 10% de sobrepressão), o projeto da tubulação de descarga está correto. Com isto, os custos de projeto da instalação são minimizados, enquanto o fluido sendo descarregado for vapor d’água, gases não-tóxicos e ar comprimido, a taxa de dispersão na atmosfera é maximizada. As válvulas de segurança que possuem saídas duplas e opostas, tais como alguns modelos de válvulas de segurança piloto operadas, anulam ou minimizam a força de reação e o momento fletor no tubo de entrada, além de anular ou minimizar tensões sobre o corpo e internos da válvula. A equação 8 mostra como calcular a força de reação de uma válvula de segurança instalada num sistema de descarga aberto, considerando-se que uma condição de escoamento crítico de um gás ou vapor esteja ocorrendo na saída válvula. A equação 9 é necessária para calcular a pressão atuando no ponto de descarga, após a abertura da válvula. O resultado da equação 9 deve ser inserido na equação 8, conforme exemplo abaixo: Exemplo do Cálculo da Força de Reação na Saída de uma Válvula de Segurança: Exemplo: Calcular a força de reação numa válvula de segurança descarregando vapor d’água saturado diretamente para a atmosfera. A capacidade de vazão requerida pelo processo é de 4400 kg/h: Dados: Pressão de ajuste: 25 barg Bitola: 1 ½” x 3” Fluido: Vapor d’água Saturado Peso molecular do vapor: 18 Temperatura do vapor = 226°C (439°F = 899 °R) Área do orifício selecionada: 0,503 pol² (conforme tabela 2) W = Capacidade de vazão máxima pela área final selecionada = 10445,24 libras/hora = (4738 Kg/h) As = Área interna do tubo de descarga = 7,393 pol²: (conforme tabela 2) d = diâmetro interno do tubo de descarga = 3,067”; k = Razão dos calores específicos (Cp/Cv) do vapor: 1,29 (adimensional) Pressão atmosférica = 14,7 psia 61 Equação 8 Equação 9         8,167 41,1638,151 41,16 366 3,524,10445 41,16 366 22,41 71,1159 24,10445 22,2393,7 366 18129,1 89929,1 24,10445 2 366 1                   Ft Ft Ft Ft Ft FvFhPAs Mk Tk W Ft       22,22 7,149,162 7,1422,672,22 7,1471,38 4,9 59,25 2 7,14 1829,1 899 067,3 242,1044500245,0 2 7,14 00245,0 2 2 2                               P P P P P Mk T d W P Ft = força de reação total no ponto de descarga da válvula de segurança para a atmosfera, em libras/força; W = capacidade de vazão máxima (nominal), conforme estampada na plaqueta da válvula de segurança ou publicada no catálogo de seu fabricante, em libras/hora; k = razão dos calores específicos do gás ou vapor (cP/cV); cP = razão dos calores específicos do gás ou vapor a uma pressão constante; cV = razão dos calores específicos do gás ou vapor a um volume constante; T = temperatura absoluta na entrada da válvula de segurança, em °R (°F + 460); M = peso molecular do gás ou vapor; As* = área interna do tubo de descarga, (schedule 40) em pol² (conforme tabela 2); d = diâmetro interno do tubo (schedule 40), em polegadas; P2 = pressão estática na área interna do tubo de descarga, em psig. Observação: Foi utilizado um tubo schedule 40 devido ao valor da pressão de ajuste da válvula ser de 25 barg (362,6 psig). Caso o valor desta seja superior a 70 kgf/cm² (1000 psig), deverão ser utilizadas as dimensões de um tubo schedule 80. Normas e Padrões de Construção de Válvulas de Segurança e/ou Alívio que Foram Abordadas Neste Texto: As principais normas e padrões de construção abordadas neste artigo estão descritas abaixo: API – Órgão voluntário desenvolvido pelas indústrias de petróleo e petroquímicas é adotado pelo código ASME e que define um padrão para testes de vedação, dimensões de centro a face, dimensões da área do bocal, materiais de construção, limites de pressão de ajuste, temperatura e contrapressão para 62 válvulas convencionais e balanceadas, além de inspeção, dimensionamento e instalação. Este padrão só deve ser aplicado na especificação de válvulas de segurança e/ou alívio que serão instaladas em vasos de pressão construídos conforme ASME Seção VIII e tubulações. API RP 520 – Dimensionamento, Seleção e Instalação de Dispositivos de Alívio de Pressão em Refinarias – Parte 1 (Seleção e Dimensionamento). Para valores de PMTA iguais ou maiores que 15 psig. O API RP 520 recomenda fórmulas para o dimensionamento de dispositivos de alívio de pressão para líquidos, gases e vapores (além de fluidos bifásicos). Este API também recomenda como determinar a capacidade de vazão combinada de válvula de segurança e/ou alívio e disco de ruptura, incluindo a aplicação de fatores de correção. API RP 520 – Dimensionamento, Seleção e Instalação de Dispositivos de Alívio de Pressão em Refinarias – Parte 2 (Instalação). Para vasos de pressão com valores de PMTA iguais ou maiores que 15 psig. Também utilizado como “boa prática recomendada” para instalação de dispositivos de alívio de pressão em tubulações. API RP 521 – Guia para sistemas de despressurização e alívio de pressão. Ele abrange diretrizes para avaliar as causas da sobrepressão. API Std. 526 – Este é um padrão (não um código) de construção somente para as válvulas de segurança e/ou alívio de aço flangeadas e aplicadas em vasos de pressão construídos conforme o Código ASME Seção VIII – Divisão 1, ou em tubulações. Ele padroniza as dimensões de centro a face; limites de pressão e temperatura de acordo com o material de construção do corpo e castelo e classe de pressão do flange de entrada; dimensões de área efetiva do bocal; limites de contrapressão para as válvulas convencionais, balanceadas e piloto operadas; além de materiais de construção para corpo, castelo e mola, de acordo com a pressão de ajuste e temperatura de operação. Ele também padroniza as combinações de bitolas de conexão de entrada, orifício do bocal e conexão de saída para as válvulas com mola sob carga, além das válvulas de segurança e/ou alívio piloto operadas. As válvulas de segurança e/ou alívio construídas conforme este padrão são intercambiáveis entre si, independente de fabricante. Porém, mesmo assim, aquelas relações de áreas de acordo com cada flange de saída e área do bocal mencionadas no texto (e mostradas na tabela 2), não serão as mesmas, devido às diferenças de áreas nominais dos bocais (conforme este API) em relação às áreas reais de acordo com o projeto de cada fabricante. A área nominal poderá ser a mesma, conforme mencionada nos catálogos, porém, a área física (área real), o coeficiente “K” e, consequentemente, a capacidade de vazão nominal publicada nos catálogos e estampada na plaqueta da válvula, não será a mesma. Este padrão não deve ser utilizado para a especificação de válvulas de segurança a serem aplicadas em caldeiras. Para estas não há intercambiabilidade dimensional entre fabricantes. API Std. 527 – Padrão comercial de testes de vedação para válvulas de segurança e/ou alívio com sedes metálicas e resilientes. ASME – É o órgão que ajusta os códigos nos EUA e que determina como todos os vasos de pressão, incluindo caldeiras, devem ser projetados e protegidos. Esses códigos são leis, nos EUA, Canadá e outros países que o adotem, e devem ser rigorosamente seguidos e cumpridos. Ele é utilizado também no Brasil como norma de construção de Caldeiras e Vasos de Pressão. ANSI x ASME – O ASME representa a Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos que é uma organização profissional, promovendo a engenharia mecânica. Esta organização desenvolveu muitas normas, incluindo o ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão. O ANSI é o Instituto Nacional Americano de Normas. É uma organização que promove normas uniformes de todos os tipos. Não é uma sociedade técnica, mas promove uma criação uniforme de normas que reúne os requerimentos de serem balanceados por categorias de interesse e aberta ao público. Algumas normas ASME também são certificadas pela ANSI, o que significa que elas foram desenvolvidas sob os requerimentos da ANSI. 65 capacidade de vazão requerida pelo processo apenas para situações de descontrole operacional, também pode ser dividida por duas ou mais válvulas de segurança e/ou alívio. Se for protegido por duas válvulas, uma apenas para atender um descontrole operacional, deve ser ajustada na PMTA ou abaixo desta, e a segunda (válvula suplementar), para atender uma condição de incêndio externo ao vaso, ajustada em 10% acima da PMTA. Esta válvula deverá impedir, mesmo sob condições de incêndio, que a pressão dentro do vaso seja desenvolvida a um valor superior a 21 % da PMTA. Observação: Uma válvula de segurança suplementar é um dispositivo de alívio de pressão que fornece uma capacidade de vazão muito maior do que aquele que foi dimensionado e instalado somente para atender a capacidade de vazão requerida pelo processo. Ele sempre deve ser aplicado quando um perigo adicional pode ser gerado a um vaso de pressão por exposição deste ao fogo ou outra fonte inesperada de calor externo. Assim, o dispositivo de alívio de pressão suplementar somente é aplicado aos dispositivos dimensionados e instalados para situações de descontrole operacional, tais como reação química, descarga bloqueada, etc. O valor de sua pressão de ajuste não pode ultrapassar 110% da PMTA do vaso. Esse dispositivo de alívio de pressão pode ser tanto uma válvula de segurança e/ou alívio ou um disco de ruptura. O principal resultado da exposição de um vaso de pressão ao fogo é a expansão térmica ou até mesmo a vaporização do fluido nele contido (aumento de calor latente), além de decomposição termicamente induzida, resultando em aumento de pressão. Há também o superaquecimento da parede do vaso no espaço vapor, onde não é resfriada pelo líquido. O valor de acumulação permitido dentro de um vaso de pressão é uma referência para a quantidade mínima de válvulas de segurança e/ou alívio que podem ser instaladas e de acordo com as causas da sobrepressão. Em caldeiras construídas conforme o código ASME Seção I, a acumulação máxima permitida é de 6% acima da PMTA, independente da quantidade de válvulas de segurança instaladas. Isto é, não mais do que 6% acima da maior pressão na qual qualquer válvula de segurança é ajustada para abrir, ou não mais do que 6% acima da PMTA da caldeira. Os valores de acumulação, para todas as situações mencionadas, significam que com todas as válvulas de segurança abertas e aliviando, a pressão dentro do equipamento protegido não poderá ultrapassar aquelas porcentagens. A PMTA é o parâmetro primário quando dimensionando um vaso de pressão e é expressada como uma porcentagem da PMTA do vaso ou caldeira. A porcentagem de acumulação é um valor dependente apenas do valor da PMTA do vaso, das causas da sobrepressão e da quantidade de válvulas instaladas e independente do valor da pressão de ajuste da (s) válvula (s) de segurança e/ou alívio que o (s) protege (m). Observação: Cada seção do código ASME (I, IV e VIII) fornece suas próprias regras quanto à porcentagem de pressão permitida, para ser elevada acima da PMTA do equipamento a ser protegido pela válvula de segurança e/ou alívio, durante um evento de sobrepressão do processo. Área do Bocal – Menor área seccional transversal da garganta do bocal. A capacidade de vazão da válvula é limitada por esta área. Área de Descarga Efetiva – É a área nominal ou computada usada com um coeficiente efetivo de descarga para calcular a mínima capacidade de alívio requerida pelo processo para uma válvula de segurança e/ou alívio, através de uma equação de dimensionamento preliminar. Caldeira – Esta é um trocador de calor (sujeito à chama) que gera e acumula vapor numa pressão superior à pressão atmosférica. O vapor produzido é gerado a partir da energia térmica fornecida á água por uma fonte de calor. Calor Latente – O calor total contido num volume qualquer de vapor d’água saturado é composto por duas parcelas, o calor sensível e o calor latente. O calor sensível é o responsável pelo aumento de temperatura da água até que seja alcançado seu ponto de ebulição. Não há mudança de fase (estado 66 físico). Ele representa 25% do calor total presente no vapor. O calor latente é calor “oculto” dentro do vapor, sendo o responsável pela mudança de fase da água para vapor, mas sem mudança de temperatura. Isto significa que quando a água está mudando de líquido para vapor (mudança de fase) sua temperatura é constante. Ele representa 75% do calor total contido no vapor. Capacidade de Vazão – Esta é a taxa de fluxo, em massa por unidade de tempo (lbs/h ou kg/h) ou volume por unidade de tempo (m³/h, SCFM, SCFH, GPM ou Lts/min), que passa por uma válvula de segurança e/ou alívio quando operando em sua máxima sobrepressão especificada. A capacidade de vazão de uma válvula de segurança e/ou alívio deve ser suficiente para prevenir um aumento de pressão dentro do equipamento protegido, acima do valor de acumulação máxima permitida pelo código de construção daquele equipamento e de acordo com o evento da sobrepressão. Ela é o principal parâmetro para o dimensionamento de uma válvula de segurança e/ou alívio. Seu valor é baseado na pressão de alívio manométrica (soma da pressão de ajuste com a sobrepressão), permitida pelo código de construção do equipamento a ser protegido pela válvula para os fluidos compressíveis, ou a pressão diferencial (pressão de ajuste + sobrepressão, menos a contrapressão constante) quando o fluido for incompressível (líquidos), sempre de acordo com a área final do bocal selecionada. Quando operando com fluidos compressíveis, assim que a válvula de segurança abre para aliviar o excesso de pressão (desde que esteja corretamente dimensionada e instalada), a vazão pela válvula é dependente apenas da posição do disco (na qual geralmente é determinada pela área de passagem da garganta do bocal) e as pressões na entrada e saída. Embora a taxa de alívio requerida pelo processo determina se a pressão dentro do vaso irá aumentar ou diminuir (quando a válvula está subdimensionada ou dimensionada corretamente, respectivamente), assim que a válvula abrir. Se a capacidade de vazão requerida pelo processo for maior que a capacidade de vazão estampada na plaqueta da válvula de segurança, a pressão dentro do equipamento protegido irá aumentar. Somente quando a capacidade de vazão requerida pelo processo fica entre 30% e 100% da capacidade de vazão nominal estampada na plaqueta da válvula é que a pressão dentro do equipamento protegido é reduzida. A pressão dentro do vaso pode ser elevada até haver um equilíbrio entre a taxa de fluxo gerada pelo processo e a máxima capacidade de vazão possível pela válvula de segurança e/ou alívio. Teoricamente, este equilíbrio ocorre quando o valor da sobrepressão alcançado é o mesmo que foi utilizado para o dimensionamento da área do bocal. Se a pressão dentro do vaso continuar a ser elevada, após o valor da sobrepressão ter sido alcançado, significa que a área do bocal selecionada está subdimensionada para a aplicação, e com isto, a integridade do equipamento protegido pela válvula começa a ficar comprometida. Capacidade de Vazão Nominal – É aquela porção da capacidade de alívio medida e permitida pelos códigos aplicáveis para ser usada como base para a aplicação de uma válvula de segurança e/ou alívio. É aquela na qual é utilizado o coeficiente “K” (conforme o código ASME), isto é, o valor do coeficiente Kd (conforme sugerido pelo API RP 520 Parte 1 ou recomendado pelo próprio fabricante) e multiplicado por 0,9. Ela é o valor que vem estampado na plaqueta da válvula. Este é o valor máximo garantido pelo fabricante quando sua válvula de segurança e/ou alívio foi submetida e aprovada nos testes de certificação. A capacidade de vazão estampada deve ser sempre igual ou maior que a capacidade de vazão requerida pelo processo. Isto é, a energia que é possível ser “colocada” num vaso de pressão, por exemplo, deve ser menor que a energia que pode ser aliviada pela válvula de segurança e/ou alívio. Ela (a capacidade de vazão nominal) é também utilizada como base para o dimensionamento da tubulação de entrada e do coletor de descarga, este último quando a válvula alivia para um sistema fechado. Ao dimensionar a área de um coletor de descarga, o projetista deve se atentar para a capacidade de vazão estampada na plaqueta da válvula de segurança e/ou alívio que é de 90% de sua capacidade de vazão máxima (considerando somente aquelas válvulas que tem capacidades de vazão certificadas e aprovadas pelo NBBI, portanto, possuem o selo “UV” do Código ASME Seção VIII – Divisão 1 – em sua plaqueta). Apenas as válvulas de segurança e/ou alívio, com pressões de ajuste a partir de 15 psig (1,05 kgf/cm²), podem ter suas capacidades de vazão testadas, aprovadas e certificadas pelo ASME e NBBI, tanto para líquidos quanto para gases e vapores. Observação: A capacidade de vazão nominal de uma válvula de segurança e/ou alívio, publicada no catálogo do fabricante ou estampada em sua plaqueta, será sempre a mesma de outra válvula, desde que elas 67 sejam do mesmo fabricante, mesmo projeto, orifício, fluido de processo e pressão de ajuste, porém, a capacidade de vazão efetiva será levemente diferente, portanto, individual no valor para cada válvula e de acordo com a capacidade de vazão requerida pelo processo. Cavitação – Este é um fenômeno de duplo estágio que ocorre durante o escoamento de líquidos. No primeiro estágio há a formação de bolhas de vapor quando a pressão do fluido é reduzida abaixo de sua pressão de vaporização. O segundo estágio ocorre quando a pressão é recuperada parcialmente acima daquela pressão de vapor, causando a implosão das bolhas de vapor. A energia liberada nesta implosão é extremamente alta, causando danos à parede do corpo, componentes internos e tubulação de saída da válvula. A cavitação ocorre quando um líquido sob pressão é submetido a uma pressão diferencial de aproximadamente 50% da pressão de entrada absoluta, ou seja, a pressão diferencial é maior do que 50% daquela pressão de entrada. Classe de Pressão – Esta é um número apenas orientativo e adimensional para definir os valores de pressão e temperatura aos quais uma válvula, de qualquer tipo (gaveta, globo, esfera, segurança, retenção, controle automático, etc), com sedes metálicas pode operar, e de acordo com seu material de construção. Os valores de pressão e temperatura devem ser inversamente proporcionais a partir do valor coincidente com a classe de pressão. Portanto, se a pressão tiver que ser elevada, a temperatura deverá ser reduzida, e vice-versa. Para uma determinada pressão, a resistência mecânica do material vai sendo reduzida conforme a temperatura vai sendo elevada. As classes de pressão mais comuns são encontradas nos seguintes valores: 125; 150; 300; 600; 800; 900; 1500; 2500 e 4500. Sendo que a classe 125 é somente para válvulas construídas em ferro fundido. As demais são para aço carbono, ligas e inoxidáveis. A classe 800 é somente para válvulas globo, gaveta e retenção de aços (carbono, ligas e inoxidáveis) forjados. A classe 4500 é somente para válvulas construídas em aço carbono, ligas e inoxidáveis, mas com entrada para solda de topo. Da classe 150 até a 4500 são encontradas na norma ASME B 16.34. Na prática, o usuário deve utilizar a classe de pressão até 70% do valor tabelado na norma ASME B 16.34. Se esta porcentagem tiver que ser ultrapassada para aquela classe de pressão e condição operacional de pressão e temperatura, e de acordo com o material de construção da válvula, o usuário deverá especificar a próxima classe acima. Esta porcentagem também deve ser o limite da pressão de ajuste da válvula a ser especificada e dimensionada. Coeficiente de Descarga – Também conhecido como coeficiente Kd, pelo API, ou apenas coeficiente K, pelo ASME. Ele é um valor adimensional definido como a relação entre a capacidade de vazão real por uma válvula de segurança e/ou alívio (conseguida através de testes realizados pelos fabricantes) dividida pela capacidade de vazão teórica (conseguida apenas através de cálculos). Seu valor sugerido pelo API RP 520 Parte 1é de 0,975 para gases e vapores, sendo de 0,65 para líquidos e 0,85 para fluidos bifásicos. Esse coeficiente de descarga, e nesses valores mencionados, é sempre requerido nos cálculos preliminares de dimensionamento da área do bocal, conforme API 520 Parte 1. O coeficiente “K” do ASME é o coeficiente de descarga (Kd individual de cada fabricante) obtido sob testes reais e multiplicado por 0,9, sendo denominado de “Kd reduzido” ou apenas “Kdr”. É por esta razão que a capacidade de vazão estampada na plaqueta de uma válvula que foi testada e aprovada nos laboratórios do NBBI, equivale a 90% da capacidade de vazão máxima daquele projeto, além de não ser a mesma publicada nos catálogos de diferentes fabricantes. O coeficiente Kd (e o coeficiente “K”) podem variar entre fabricantes, pois depende do projeto construtivo da válvula de segurança e/ou alívio. O coeficiente Kd leva em conta a diferença entre a taxa de fluxo permitida por um “bocal ideal” (bocal teórico), onde o valor de Kd é igual a 1,0 para a taxa de fluxo prognosticada através de um “bocal real” (bocal da válvula), no qual o valor do coeficiente Kd é sempre inferior a 1,0. Coeficiente Kv – Este é o equivalente métrico do coeficiente CV. O valor do Kv é dado em m³/h sob uma queda de pressão de 1 bar e sob temperatura de 5 a 40°C, estando a válvula completamente aberta. O CV é a quantidade de Galões por Minuto (GPM) de água a 60°F (15,56°C) que fluem por uma válvula completamente aberta e tendo uma queda de pressão de 1 psi através dela. O Kv e o CV são utilizados nos cálculos de dimensionamento de válvulas de bloqueio e válvulas de controle, sendo tabelados por seus fabricantes. O CV é igual ao KV x 1,167. 70 direcionamento do fluxo pela válvula. Não é utilizada aqui as unidades de pressão “absoluta” ou “relativa”. Por exemplo, se as pressões de entrada e de saída são dadas em psia (ou bara) ou psig (ou barg), a pressão diferencial resultante é dada apenas em psi (ou bar), respectivamente. Pressão de Fechamento – Esta é a pressão medida na entrada da válvula de segurança e/ou alívio quando ela fecha novamente. A vazão é substancialmente interrompida e não há um curso de elevação mensurável do disco. Pressão de Operação – Esta é a pressão manométrica normal à qual um vaso de pressão ou caldeira está sujeito constantemente. Um vaso de pressão ou caldeira é normalmente projetado para ter uma PMTA que forneça uma margem acima da pressão de operação para evitar qualquer operação indesejável do Dispositivo de Alívio de Pressão, causada pelas mínimas flutuações na pressão de operação normal. Eles são projetados para operar com a máxima eficiência possível e numa pressão operacional muito próxima de sua PMTA. Uma margem de 10% entre a pressão de operação normal e a PMTA é recomendada pelo ASME Seção VIII – Divisão 1 – no Apêndice M 11 (Não-Mandatório). Esta recomendação é para as válvulas de segurança cuja pressão de ajuste é igual ou superior a 70 psig (4,9 kgf/cm²) e até 1000 psig (70,3 kgf/cm²). Em valores maiores que 1000 psig, aquela porcentagem deverá ser reduzida para 7%. Quaisquer valores menores que 70 psig de pressão de ajuste, deverá existir um diferencial de pressão fixo de 5 psi (0,350 kgf/cm²). Observação: Para as válvulas de alívio operando com líquidos é recomendado um mínimo de 20% de diferencial de pressão entre a pressão de operação e a pressão de ajuste. Esta recomendação é devido ao fato que as válvulas de alívio, na qual a pressão de operação é superior a 80% da pressão de ajuste, estão sujeitas a não fechar corretamente após sua abertura. Aumentando-se o diferencial de pressão entre a pressão de operação e a pressão de ajuste da válvula, evita-se a possibilidade de ocorrer vazamentos e/ou abertura prematura. A própria atuação da válvula, mesmo que sua pressão de ajuste esteja bem acima da pressão normal de operação do equipamento protegido, pode causar vazamentos devido às possíveis impurezas que possam estar contidas no fluido, danificando as superfícies de vedação do disco e bocal. A cada vez que a válvula de segurança e/ou alívio atua, o processo estará perdendo fluido, caso este não possa ser reaproveitado. Houve um custo no processo para produzir este fluido que foi desperdiçado, mesmo que não seja viável reaproveita-lo. Observação: As válvulas de segurança e alívio que operam em caldeiras de água de alta temperatura ou em serviços com fluidos orgânicos, são mais susceptíveis a vazamentos do que aquelas que operam com vapor d’água saturado ou superaquecido. Para essas aplicações, é sempre recomendada a maior pressão diferencial possível entre a de ajuste da válvula e a de operação da caldeira ou vaso, ou um maior valor de PMTA do equipamento protegido e da pressão de ajuste da válvula, desde que seus valores sejam compatíveis com a segurança e com o custo daqueles equipamentos. Pressão de Projeto – Esta é a mínima pressão que um vaso deve resistir. A mínima espessura de parede de um vaso de pressão é determinada a partir da pressão de projeto e temperatura de projeto. Ela é determinada a certa temperatura de projeto, pois sua resistência mecânica varia inversamente com a temperatura. A pressão de projeto pode ser utilizada no lugar da PMTA sempre que o valor desta não for conhecido ou não foi calculado. Seu valor é selecionado pelo próprio usuário, para que seja obtida uma margem apropriada acima da pressão mais severa esperada durante a operação normal de operação do vaso e num valor de temperatura coincidente. Esta é a pressão especificada pelo usuário na ordem de compra do vaso. A determinação segura do valor desta pressão é a base principal para o projeto de uma caldeira ou vaso de pressão. PMTA (Pressão Máxima de Trabalho Admissível) – Esta é a máxima pressão permitida para operação contínua. Seu valor pode ser igual ou maior que a pressão de projeto para o mesmo valor de temperatura de projeto. O valor da PMTA de um vaso depende de seu material de construção, de sua 71 espessura de parede, além das condições operacionais. Um vaso de pressão não pode operar acima desta pressão ou sua equivalente em qualquer outra temperatura do metal do que aquela utilizada em seu projeto. Esta pressão é determinada empregando os valores de tensão admissíveis dos materiais usados na construção do vaso. Ela é o valor mínimo de pressão permitido, encontrado para qualquer componente de uma peça do vaso para uma determinada temperatura. O vaso não pode operar acima desta pressão, consequentemente, esta é também a maior pressão na qual a válvula de segurança e/ou alívio primária é ajustada para abrir. Ela é a máxima pressão manométrica permissível no topo de um vaso em sua posição normal de operação na temperatura coincidente, projetada e especificada para aquela pressão. O valor da PMTA é calculado a partir de chapas de espessuras nominais (1/4”; 3/8”; 1/2”, etc ) e que serão utilizadas na construção da parede do vaso. Esta espessura é a próxima acima da mínima espessura requerida para o cálculo da pressão de projeto. O valor da PMTA de um vaso é a base para o ajuste de pressão dos dispositivos de alívio que o protegem. PMTA e o Fator de Segurança – O “Fator de Segurança” é incluído indiretamente nos cálculos da PMTA de um vaso de pressão ou de uma caldeira. Ele vem da diferença entre o valor da tensão permissível para um determinado material (usado para os cálculos de projeto de caldeiras e vasos de pressão), comparado à resistência à tração e a resistência ao rendimento do material. O Código ASME na Seção II, Parte D, Apêndice 1 (Mandatório), descreve como os valores de tensão na Seção II Parte D são determinados. Portanto, o valor do Fator de Segurança básico poderia ser considerado como sendo 3,5, embora existam múltiplas limitações sobre o valor de tensão que pode ser usado. Existem regras adicionais a serem analisadas quando a fluência do material a ser empregado é também uma consideração. Esse fator de segurança também vem de outras áreas, tais como regras de projeto, requerimentos de exames não- destrutivos, corrosão permitida e valor de eficiência usado para determinar a espessura mínima do material, onde soldas estão incluídas. As Seções I e VIII do código ASME também têm regras para determinar o valor da PMTA a partir de testes físicos (testes de rompimento ou de deformação) que tem diferentes fatores de segurança dependendo de seus materiais de construção. PSIA – (Pounds per Square Inch Absolute) – Libras por polegada quadrada absoluta. Esta é a pressão absoluta utilizada, principalmente, em cálculos de dimensionamento de válvulas para fluidos compressíveis. Ela é a soma da pressão manométrica com a pressão atmosférica, ao nível do mar. A pressão atmosférica ao nível do mar equivale a 14,7 psia; 1,013 bar a; 1,033 kgf/cm²; 101,325 kPa a. PSIG – (Pounds per Square Inch Gauge) – Libras por polegada quadrada manométrica. Esta é o valor lido nos manômetros, sendo a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica, ao nível do mar. Por exemplo, PSIA – Pressão atmosférica. Portanto, zero psig no manômetro, significa 14,7 psia. Queda de Pressão ou Perda de Carga – O atrito que ocorre entre o fluido escoando por uma tubulação e as paredes internas desta, somado com a turbulência causada, reduz de forma gradual a pressão, com o comprimento da tubulação. Numa válvula de qualquer tipo, parcialmente aberta, a queda de pressão aumenta gradualmente quanto mais próxima da posição fechada estiver seu obturador (seu membro móvel de fechamento). Essa queda de pressão reduz proporcionalmente a quantidade de volume de fluxo através da tubulação ou válvula. Rating (Classificação) – Este termo é dado para a relação direta entre pressão, temperatura e material de construção do corpo de uma válvula, indicando o quanto de pressão ela pode suportar de acordo com a temperatura do fluido e o material de construção do corpo e castelo, incluindo a espessura de parede dessas peças. Sendo assim, a pressão de operação deve ser reduzida com o aumento da temperatura de operação. Da mesma forma, a temperatura de operação deve ser reduzida se a pressão de operação for elevada. Quando a pressão e a temperatura aumentam proporcionalmente, a resistência mecânica do material diminui proporcionalmente. Portanto, é através do rating que se define a classe de pressão de uma válvula. Os valores de rating de acordo com cada classe de pressão, temperatura e pressão de trabalho, além do material de construção do corpo e castelo da válvula, são tabelados pela norma ASME B 16.34. A válvula a ser selecionada deverá ter um valor de rating cujos limites permitidos estejam acima 72 das pressões e temperaturas de projeto e de operação do equipamento em que ela será aplicada. As válvulas que possuem sedes e outros componentes em materiais não metálicos (por exemplo, termoplásticos e elastômeros) irão ter valores de rating bem menores do que aqueles listados na norma ASME B 16.34 para corpos e castelos em aço carbono, aços liga e aços inoxidáveis. A pressão a ser considerada para seleção da classe de pressão da válvula deverá ser limitada a 70% do valor encontrado nas tabelas da B 16.34 e de acordo com o material de construção do corpo e castelo, e com a temperatura. A temperatura a ser considerada é sempre a temperatura do fluido de processo. Portanto, é a temperatura de um fluido, tal como o vapor d’água superaquecido, quem eleva o valor da classe de pressão de uma válvula ou flange para uma determinada aplicação. Por exemplo, para duas aplicações diferentes com pressões iguais, sendo uma de vapor saturado e outra de vapor superaquecido, aquela que tiver operando com vapor d’água saturado terá uma classe de pressão menor do que aquela para vapor d’água superaquecido. Simmering – Ocorre quando a pressão de operação se aproxima e estabiliza em aproximadamente 2% abaixo da pressão de ajuste. Ele é o estágio que antecede a abertura da válvula de segurança (2º estágio do ciclo). É um vazamento de fluido compressível audível ou visível. A válvula apenas “sopra”, mas sem haver abertura. Está situado na zona de pressão que fica entre a pressão de ajuste e a pressão de “popping” (ação pop). Podendo ser um aviso aos operadores do processo que a válvula irá atuar em poucos instantes. Ocorre, principalmente, nas válvulas que possuem sedes metálicas e operando com fluidos compressíveis. Pode ocorrer também quando o anel do bocal está muito afastado da face do suporte do disco ou quando a pressão de fechamento colide com a pressão de operação, neste último, mesmo naquelas que possuem sedes resilientes, porém, que possuem um diferencial de alívio mais longo. Sobrepressão – É o aumento de pressão acima da pressão de ajuste, até que a válvula alcance seu curso máximo nas condições de alívio. A sobrepressão é a diferença entre a acumulação existente dentro do vaso de pressão e a pressão de ajuste da válvula. Caso o valor da pressão de ajuste da válvula seja menor que o valor da PMTA do vaso, a sobrepressão poderá ser maior do que 10%. O valor da sobrepressão depende do código de construção do equipamento a ser protegido pela válvula de segurança e/ou alívio e do valor de sua pressão de ajuste. Por exemplo, numa caldeira construída conforme o código ASME Seção I, o valor da sobrepressão é de 2 psig ou 3% acima da pressão de ajuste, o que for maior. Assim, o valor de 2 psig (0,14 kgf/cm²) é utilizado sempre que o valor da pressão de ajuste for igual ou menor do que 66 psig (4,64 kgf/cm²) e com uma pressão de ajuste mínima de 15 psig. Para vasos de pressão construídos conforme o código ASME Seção VIII, o valor da sobrepressão deve ser 3 psig ou 10% acima da pressão de ajuste (o que for maior). Quando o valor da pressão de ajuste for superior a 30 psig (2,11 psig) a sobrepressão deve ser de 10%. Para valores iguais ou menores que 30 psig, o valor da sobrepressão deve ser limitado a 3 psig sempre. Quando um vaso é protegido por duas ou mais válvulas de segurança e/ou alívio, o aumento de pressão acima da pressão de ajuste da válvula primária é a sobrepressão, estando ela ajustada abaixo da PMTA do vaso. É o mesmo que acumulação somente quando a válvula está ajustada para abrir num valor igual ao da PMTA do vaso e não há perdas de pressão na tubulação de entrada para o dispositivo de alívio de pressão. A porcentagem de sobrepressão é um valor dependente apenas do valor da pressão de ajuste da válvula de segurança e/ou alívio, enquanto a acumulação é um termo referente às causas da sobrepressão e quantidade de válvulas de segurança e/ou alívio instaladas, atuando acima da PMTA do equipamento sendo protegido (vaso de pressão ou sistema). Válvula de Alívio – Esta é um dispositivo de alívio de pressão atuado pela pressão estática na conexão de entrada, tendo um curso de elevação do disco geralmente gradual e proporcional ao aumento na pressão dentro do equipamento protegido, acima da pressão de ajuste. Oposto ao projeto das válvulas de segurança operando com gases e vapores, as válvulas de alívio abrem somente em proporção à quantidade de sobrepressão presente no momento que a pressão interna do vaso se equaliza com a pressão de ajuste da válvula, evitando assim que descargas excessivamente elevadas ocorram devido a rápidos distúrbios no processo. Portanto, ela alivia a sobrepressão do vaso ou do sistema modulando e abrindo somente o suficiente para vencer gradualmente a força da mola, sendo que o curso máximo de elevação do disco é proporcional à sobrepressão alcançada pelo processo naquele momento, porém, limitado a 25% do diâmetro da garganta do bocal. Ela pode ser fornecida com castelo e capuz fechados e vedados, sendo apropriada para 75 Vasos de Pressão – Estes são equipamentos hermeticamente fechados (não sujeitos à chama) e que processam ou contêm fluidos sob pressão interna superior à pressão atmosférica, ou externa quando operarem com vácuo, e utilizados para armazenar água, vapor d’água, condensado, ar comprimido e outros gases, tais como: amônia, cloro, gás sulfídrico, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, entre outros. Eles estão presentes em praticamente todas as indústrias de processo químico tais como, celulose e papel, refinarias de petróleo, indústrias farmacêuticas e de alimentos, entre outras. O que diferencia um vaso de pressão de um tanque atmosférico é o valor da PMTA em relação à pressão atmosférica (15 psig). Os vasos de pressão possuem valores de PMTA’s a partir de 15 psig, enquanto os tanques são aqueles expostos a valores de pressão iguais ou inferiores à pressão atmosférica (14,7 psia). Todo vaso de pressão construído conforme o código ASME Seção VIII – Divisão 1 – além de outras normas, obrigatoriamente requer proteção contra a sobrepressão através de um Dispositivo de Alívio de Pressão, seja ele uma válvula de segurança e/ou alívio ou um disco de ruptura, ajustados para atuar num valor igual ou menor que sua PMTA. CONCLUSÃO Uma válvula de segurança e/ou alívio é considerada a última linha de defesa para a proteção de um equipamento submetido à pressão interna superior à pressão atmosférica, cuja operação independe da ação humana, pois precisa utilizar somente a energia (pressão) do fluido de processo para seu ciclo operacional ocorrer. Para que seja considerada um dispositivo de alívio de pressão com total confiabilidade, ela deverá estar corretamente especificada, dimensionada, instalada, inspecionada e mantida. Mesmo um bom projeto de válvula de segurança e/ou alívio, como muitas existentes no mercado, não são capazes de operar corretamente quando instaladas de forma incorreta ou não são inspecionadas e mantidas periodicamente. Uma excessiva queda de pressão na tubulação de entrada e/ou de saída pode resultar em falta de proteção e o não cumprimento com as exigências dos códigos. A falha operacional e a redução na capacidade de vazão efetiva de uma válvula de segurança e/ou alívio também podem ser atribuídas à conexão de entrada ou a de saída, incorretamente projetadas, causando transtornos ao processo e expondo-o a uma condição operacional perigosa. As configurações das tubulações às quais essas válvulas são instaladas, tanto a de entrada quanto a de saída, são de total responsabilidade do projetista da instalação. Portanto, de nada adiantaria uma válvula de segurança e/ou alívio ter sido corretamente especificada e dimensionada pelo fabricante quanto a sua capacidade de vazão, materiais de construção, projeto construtivo, etc, e, posteriormente, ser incorretamente instalada pelo usuário. REFERÊNCIAS – MATHIAS, A. C. – “Válvulas Industriais, Segurança e Controle – Tipos, Seleção e Dimensionamento” – 2ª Edição – 2014 – ARTLIBER Editora – 552 pág. API RP 520 Parte 2 – Instalação de Válvulas de Segurança em Vasos de Pressão – Edição 2000 ASME B 31.1 – Regras para o Projeto de Instalação de Válvulas de Segurança em Tubulações de Vapor – Apêndice II – Não-Mandatório – Edição 2014 ASME Seção VIII – Divisão 1 – Vasos de Pressão Não-Submetidos a Fogo – Edição 2010 Imagens – INTERNET 76 Sobre o autor: Atuando desde 1985 com manutenção, inspeção, especificação, dimensionamento e consultoria em válvulas, Artur Cardozo Mathias é Técnico Mecânico Industrial e Técnico em Química, tendo ministrado treinamentos e palestras sobre válvulas em indústrias químicas, fabricantes de válvulas e universidades. Dúvidas e comentários podem ser encaminhados ao e-mail do autor: [email protected]