Válvulas de Isolamento - Movimento Linear

As válvulas de isolamento são usadas para desviar mídias de processo, facilitar manutenção, remoção de equipamento e desligamento. A operação, aplicação e construção de válvulas de gaveta, globo, pistão e diafragma são estudadas neste tutorial.

Válvulas de Isolamento - Movimento Linear

As válvulas de isolamento são um componente fundamental em qualquer sistema de fluido, pois são usadas para interromper o fluxo de fluido em uma área particular do sistema. Elas também são às vezes usadas para controlar manualmente o fluxo do fluido. A norma europeia EN 736-1:1995 distingue entre válvulas de isolamento, reguladoras e de controle da seguinte forma:

• Válvula de isolamento - Uma válvula destinada a uso apenas na posição fechada ou totalmente aberta.
• Válvula reguladora - Uma válvula destinada a uso em qualquer posição entre fechada e totalmente aberta.
• Válvula de controle - Um dispositivo operado por energia que altera a vazão do fluido em um sistema de controle de processo. As válvulas de isolamento são usadas em uma ampla variedade de diferentes aplicações onde o controle do tipo liga/desliga é necessário; estas incluem:
• Desvio de mídias de processo.
• Isolamento de fluxo para:
• Facilitar a manutenção
• Permitir a remoção de equipamento
• Permitir o desligamento da planta

Uma infinidade de diferentes tipos e projetos de válvulas de isolamento foram desenvolvidos para atender a essa gama de aplicações e as diversas condições operacionais nas quais são utilizadas. As válvulas são comumente classificadas em dois grupos (veja Tabela 12.1.1), de acordo com o movimento operacional do dispositivo de fechamento (ou obturador):

• Válvulas de movimento linear - O obturador se move em linha reta. Nesta categoria estão incluídas válvulas de gaveta, válvulas de globo, válvulas de diafragma e válvulas de pinça. Essas válvulas são abordadas em maior profundidade neste módulo.
• Válvulas de movimento rotativo - O obturador gira em torno de um eixo perpendicular à direção do fluxo. Válvulas de esfera e válvulas de borboleta são as duas válvulas rotativas mais importantes associadas a aplicações de vapor e são abordadas em maior profundidade no Módulo 12.2, Válvulas de Isolamento - Movimento Rotativo.

Válvulas de movimento linear

As válvulas de movimento linear foram desenvolvidas a partir das primeiras formas de comportas usadas para controlar o fluxo de água em canais de irrigação. Desde então, um grande número de diferentes projetos e tipos foram desenvolvidos para uso em quase todos os tipos de aplicação de fluxo. Embora as válvulas de movimento linear sejam caracterizadas pelo movimento reto do obturador, o fluxo do fluido pode ser perpendicular a este movimento (como no caso das válvulas de gaveta), ou na mesma direção, como nas válvulas de globo. A principal característica da válvula de movimento linear é que o fechamento estanque pode ser conseguido apertando o obturador em uma haste roscada.

Válvulas de gaveta

As válvulas de gaveta são provavelmente as válvulas mais comuns em uso hoje devido ao seu uso generalizado em sistemas hidráulicos residenciais, mas deve-se notar que sua popularidade na indústria diminuiu nos últimos anos. No entanto, elas ainda são usadas onde um fluxo ininterrupto é necessário, porque a gaveta se retrai completamente para dentro do corpo, criando uma queda de pressão mínima, quando a válvula está em posição aberta. As válvulas de gaveta são especificamente destinadas ao uso em aplicações de isolamento. Uma válvula de gaveta consiste em quatro componentes principais: o corpo, o corpo superior (ou tampa), a gaveta e a haste. Uma válvula de gaveta típica é mostrada na Figura 12.1.1.

A gaveta, que desliza entre os assentos, é levantada em uma direção perpendicular ao fluxo até sair do caminho do fluxo. O fato de que a gaveta se retrai completamente para dentro do corpo superior garante que a queda de pressão através da válvula seja baixa.

As válvulas de gaveta são divididas em um número de classes diferentes, dependendo do projeto da gaveta e de suas superfícies de assento.

Válvula de gaveta de cunha sólida

A gaveta tem formato de cunha e se apoia nas faces correspondentes no corpo da válvula. A vantagem mecânica da rosca de atuação, juntamente com o ângulo da cunha, permite que forças de assentamento adequadas sejam aplicadas contra a pressão do fluido sem esforço excessivo do volante. O assento pode às vezes ser revestido com PTFE para auxiliar em um fechamento de alta integridade. Uma válvula de gaveta de cunha sólida típica é mostrada na Figura 12.1.1.

Válvula de gaveta de cunha flexível

Embora existam vários tipos de válvulas de gaveta de cunha flexível, todas utilizam um disco flexível de duas partes, que tem o formato de duas rodas em um eixo muito curto. A flexibilidade do disco garante o assentamento estanque em uma ampla faixa de temperaturas e pressões. O tipo mais comum de válvula de gaveta de cunha flexível usada em aplicações de vapor é a válvula de paralelo deslizante. As duas placas que constituem a gaveta são mantidas contra o assento por uma mola, encerrada entre elas. A pressão do fluido move o disco a montante de seu assento, e a força é transferida para o disco a jusante, garantindo assim um fechamento estanque. O alto grau de flexibilidade na gaveta permite expansão e contração quando submetida a variações de temperatura, tornando-a adequada para uso em sistemas de vapor.

Válvulas de globo

As válvulas de globo constituem uma classe principal de válvulas de movimento linear; elas se tornaram mais populares do que as válvulas de gaveta, pois há uma ampla variedade de configurações disponíveis para atender a maioria das aplicações. O movimento do fluido através do assento da válvula é longitudinal ao movimento operacional do obturador; isso significa que para uma válvula na qual a entrada e a saída são horizontalmente opostas, o fluido deve seguir um curso variável. A principal vantagem desse arranjo é que uma válvula de globo abre mais rapidamente do que uma válvula de gaveta, pois o disco precisa se mover apenas uma pequena distância de seu assento para permitir o fluxo total. Isso é uma vantagem quando há operação frequente da válvula. A desvantagem é que o fluido tem que mudar de curso, aumentando a resistência ao fluxo e gerando turbulência. Isso resulta em uma queda de pressão maior através de uma válvula de globo do que de uma válvula de gaveta.

As válvulas de globo são menos propensas a vazamentos do que as válvulas de gaveta, o que significa que podem ser usadas para aplicações de pressão mais alta ou de maior volume, por exemplo, em sistemas de vapor, ou onde a perda de fluido pode ser perigosa ou cara. O custo adicional das válvulas de globo em relação às válvulas de gaveta é, portanto, compensado pela segurança adicional que elas proporcionam e pela chance reduzida de perda de fluido.

A pressão do fluido atuando sobre a área do disco gera uma carga axial na haste. Isso torna o fechamento da válvula difícil, a tal ponto que limita o tamanho de uma válvula de globo padrão a DN250. Em sistemas fechados de alta pressão diferencial, cones de equilíbrio podem ser usados para superar esse efeito, permitindo que válvulas com diâmetro nominal de até 500 mm sejam usadas (Figura 12.1.3(a)). O cone de equilíbrio contém um cone de pré-elevação que atua como uma válvula piloto. Quando a válvula é aberta, o cone de pré-elevação abre primeiro, permitindo que o meio passe através dele a uma taxa controlada (Figura 12.1.3(b)). Isso reduz a pressão diferencial através da válvula, permitindo que o disco seja facilmente levantado de seu assento (Figura 12.1.3(c)). Para auxiliar o fechamento da válvula, as válvulas de isolamento equipadas com cone de equilíbrio devem ser instaladas invertidas, de modo que a parte superior do cone seja pressionada pela pressão a montante.

Válvulas de pistão

Uma das principais desvantagens das válvulas de movimento linear é o fato de que seus assentos são propensos a danos por sujeira e desenho de fio e, portanto, dependendo da aplicação, podem necessitar de manutenção regular. Embora esses assentos sejam substituíveis em teoria, isso geralmente envolve tempo e custo significativos, e é frequentemente mais vantajoso substituir a válvula inteira. Para superar esse problema, as válvulas de pistão foram desenvolvidas. A válvula de pistão é uma variante da válvula de globo convencional, com o assento e cone tradicionais substituídos por um pistão e bucha lanterna. O pistão é conectado à haste da válvula e ao volante, e passa por dois anéis de vedação que são separados por uma bucha lanterna. Quando montados, os dois conjuntos de anéis de vedação são comprimidos ao redor do pistão pela carga exercida ao longo da haste. O conjunto superior de anéis de vedação atua como guarnição convencional, e o conjunto inferior atua como o assento. Além disso, a grande área de vedação entre o pistão e os anéis garante um alto nível de estanqueidade do fechamento. A válvula de pistão não é projetada para serviços de estrangulamento e deve ser usada nas posições totalmente aberta ou fechada. Quando a válvula é totalmente aberta, apenas a face inferior do pistão está exposta ao fluido, pois o restante do corpo é protegido pelos anéis de vedação superiores. Isso significa que as superfícies de vedação (os lados do pistão) são protegidas da erosão pelo fluxo do fluido.

Se a válvula necessitar de manutenção, todos os componentes internos podem ser facilmente removidos soltando as porcas da tampa e retirando o pistão. Os anéis e a bucha lanterna podem então ser removidos usando uma ferramenta extratora. Esta operação é simples e pode ser realizada sem ter que remover a válvula da tubulação. Em geral, o pistão nunca precisará ser substituído, mas os anéis de vedação podem desgastar-se ao longo de um longo período com operação frequente.

Válvulas de diafragma

As válvulas de diafragma constituem o terceiro tipo principal de válvulas de movimento linear. A haste da válvula é usada para pressionar um diafragma flexível, que por sua vez bloqueia o caminho do fluido. Existem duas classificações diferentes de válvula de diafragma baseadas na geometria do corpo da válvula:

• Tipo soleira - Uma soleira é moldada no corpo, e quando fechada, o diafragma repousa sobre a soleira, restringindo o fluxo (veja Figura 12.1.5 (a)).
• Tipo passagem direta - O furo corre lateralmente através do corpo e um diafragma em forma de cunha é usado para fazer o fechamento (veja Figura 12.1.5 (b)).

A principal vantagem de uma válvula de diafragma é o fato de que o diafragma isola as partes móveis da válvula do fluido de processo. Elas são, portanto, adequadas para manusear fluidos agressivos e para aqueles contendo sólidos em suspensão. Além disso, como o conjunto do corpo superior não está exposto ao fluido, ele pode ser feito de materiais baratos como ferro fundido, reduzindo assim o custo geral. O desenvolvimento de novos materiais de diafragma permite que diafragramas sejam usados na maioria dos fluidos. Sua aplicação é, no entanto, limitada pela temperatura que o diafragma pode suportar - tipicamente menos de 175°C. As válvulas de diafragma são geralmente usadas em aplicações com fluidos de processo.

Opções de haste para válvulas de movimento linear

As válvulas de movimento linear estão disponíveis com uma série de diferentes arranjos de haste:

• Hastas ascendentes/não ascendentes - Se a haste for ascendente, ela se moverá verticalmente para cima quando a válvula for aberta, em oposição a apenas girar, como com uma haste não ascendente. A haste ascendente indica o grau de abertura da válvula, que por sua vez reflete aproximadamente a quantidade de fluxo através da válvula. Válvulas com hastas ascendentes, no entanto, requerem mais espaço acima do corpo superior para acomodar a haste na posição totalmente aberta. O uso de hastas não ascendentes é recomendado em válvulas com guarnição, pois reduz o desgaste da guarnição.

• Roscas internas/externas da haste - Em uma haste com rosca externa, as roscas de atuação na haste estão localizadas fora do corpo da válvula e não estão expostas ao fluido de processo. Como as roscas são particularmente suscetíveis à corrosão, roscas externas devem sempre ser usadas em fluidos com propriedades corrosivas ou erosivas. Elas também são benéficas onde a válvula é frequentemente exposta a grandes variações de temperatura, pois a expansão e contração da haste podem causar travamento das roscas dentro do corpo.

Vedação da haste

Para evitar o vazamento da mídia de processo ao redor da haste de uma válvula, uma barreira deve ser colocada entre o fluido e o ambiente. A vedação da haste é geralmente conseguida por um de dois métodos, nomeadamente guarnição e vedação por fole. A guarnição consiste em um material polimérico, tipicamente PTFE, compactado firmemente entre a haste e o corpo superior da válvula, impedindo assim qualquer escape de mídia de processo.

Nas válvulas seladas por fole, um fole metálico flexível é usado. Ele é conectado em uma extremidade à haste e a outra extremidade é conectada ao corpo superior, produzindo efetivamente uma barreira entre o fluido e o ambiente. Este fole se estende e contrai à medida que a haste se move para cima e para baixo. O fole é tão eficaz que produz uma vedação de ‘zero emissões’. Acoplado ao fole há um dispositivo anti-torção, que impede o fole de girar com a haste. Tal dispositivo é essencial, caso contrário, a torção repetida do fole levaria à falha da vedação.

Embora menos caras do que as válvulas seladas por fole, as válvulas com guarnição não produzem uma vedação tão apertada quanto o fole. Se uma válvula com guarnição não for usada por um período significativo, a guarnição pode enrijecer, e o vazamento ocorrerá na próxima vez que a válvula for usada. A válvula selada por fole não sofre desse problema. Além disso, as válvulas com guarnição requerem reembalagem regular da guarnição, enquanto um fole típico não requer manutenção por mais de 10.000 ciclos.