Válvulas de Isolamento - Movimento Rotativo

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 movimento rotativo (quarto de volta), incluindo válvulas de esfera e borboleta, são abordadas neste tutorial.

As válvulas de movimento rotativo, frequentemente chamadas de válvulas de quarto de volta, incluem válvulas de esfera e borboleta. Independentemente do tipo de válvula de movimento rotativo, o obturador gira em torno de um eixo perpendicular à direção do fluxo. O fluido pode fluir através do obturador, como no caso das válvulas de esfera, ou ao redor dele, como nas válvulas de borboleta. As válvulas de movimento rotativo tendem a ter um mecanismo de operação simples e, portanto, são fáceis de automatizar e manter.

Válvulas de esfera

As válvulas de esfera foram desenvolvidas durante a Segunda Guerra Mundial e foram inicialmente destinadas ao uso em sistemas de combustível de aeronaves, onde peso e espaço são primordiais. Elas consistem em um corpo que abriga uma esfera rotativa que tem um orifício ou furo usinado diretamente através dela. A esfera é localizada no corpo por dois anéis de vedação. A rotação da esfera em 90° abre e fecha a válvula e permite que o fluido flua diretamente através do orifício. Na posição fechada, os lados cegos da esfera bloqueiam a entrada e a saída, impedindo qualquer fluxo. Existem dois projetos básicos de válvulas de esfera - o projeto de esfera flutuante, que depende dos assentos da válvula para suportar a esfera, e a esfera montada em pino, que usa um pino para suportar a esfera. A montagem em pino é usada em válvulas maiores, pois pode reduzir o torque operacional para cerca de dois terços do fornecido por uma esfera flutuante. Convencionalmente, a alavanca que está conectada à esfera está alinhada com o eixo do tubo quando a válvula está aberta; inversamente, se estiver perpendicular ao eixo do tubo, isso indica que a válvula está fechada.

As válvulas de esfera estão disponíveis como furo reduzido ou furo pleno. As válvulas de furo pleno têm um orifício do mesmo tamanho que o diâmetro do tubo, enquanto nas válvulas de furo reduzido, o diâmetro do orifício é menor que o do tubo. As válvulas de furo pleno custam mais do que as válvulas de furo reduzido, e devem ser usadas onde a queda de pressão através da válvula é crítica ou onde válvulas de esfera são usadas a montante de medidores de fluxo.

As válvulas de furo pleno podem ser usadas em aplicações com medidores de fluxo para minimizar a turbulência do fluido a montante do dispositivo de medição. Para inserir a esfera no corpo, existem três tipos diferentes de montagem. O tipo não afeta apenas a facilidade de montagem, mas também influencia a manutenibilidade da válvula.

• Válvulas de duas e três peças - O corpo da válvula é dividido em um ou dois lugares no mesmo plano da flange da válvula, e essas peças são parafusadas juntas. Isso tem a vantagem de manutenção simplificada, em linha.
• Válvulas de entrada superior - A esfera é inserida através de um corpo superior no topo da válvula. Isso facilita a manutenção em linha.
• Válvulas de peça única - A esfera é encerrada no corpo por uma inserção montada ao longo do eixo da válvula. Isso elimina a possibilidade de vazamento na junção do corpo e qualquer chance de desconexão durante o serviço, mas quando a manutenção é necessária, a válvula inteira deve ser removida da tubulação.

A escolha do material do assento determina as condições para as quais uma determinada válvula de esfera é mais adequada. Embora novos materiais de assento estejam sendo continuamente desenvolvidos, a Tabela 12.2.1 lista alguns dos materiais mais comuns em uso hoje.

Table 12.2.1 Common ball valve seat materials

Opções de válvulas de esfera

As válvulas de esfera podem ser produzidas com uma série de opções para atender às demandas de uma ampla variedade de aplicações:

• Atuadores- As válvulas de esfera, e na verdade todas as válvulas rotativas, são adequadas para automação. Isso é geralmente realizado usando um atuador operado elétrica ou pneumaticamente. O atuador é conectado à válvula através de um kit de articulação. Embora não seja essencial, uma placa de montagem padrão ISO permite que o kit de articulação seja instalado sem desmontar a válvula, o que mantém a integridade da válvula. Consulte o Módulo 6.6 para mais informações sobre atuadores.
• À prova de fogo- Como as válvulas de esfera são comumente usadas em dutos de gás e óleo, é essencial que as válvulas usadas em tais aplicações sejam à prova de fogo. Uma válvula é considerada à prova de fogo se, quando exposta a condições de incêndio, continuar a fornecer vazamento mínimo através do assento e da haste, e fornecer fechamento eficaz durante ou após um incêndio ou exposição a temperaturas excessivas. As normas relacionadas à segurança contra incêndio são estabelecidas na BS 6755 e API RP 6FA. A principal preocupação é que as temperaturas de queima destruirão assentos e selos macios; vários métodos foram desenvolvidos para superar isso. Uma abordagem é incluir superfícies de vedação metálicas secundárias atrás dos assentos poliméricos como parte integrante do corpo. Quando expostas a temperaturas de queima, o assento começa a se deformar e a pressão da mídia de processo desloca a esfera de modo que extrude o assento polimérico (Figura 12.2.3(b)). Quando o assento foi completamente destruído, a esfera se assentará contra a superfície de vedação metálica do corpo, fornecendo um fechamento estanque (Figura 12.2.3(c)).

Além da segurança inerente do mecanismo de assento, a vedação da haste também deve ser capaz de impedir o vazamento para a atmosfera em condições de ‘incêndio’. Isso pode ser conseguido usando selos de alta temperatura feitos de grafite flexível ou Grafoil®; alternativamente, um arranjo selado por fole pode ser usado (veja Figura 12.2.4).

• Válvulas de vapor limpo - Existem diversas aplicações que requerem que a válvula tenha um projeto ‘limpo’; estas incluem aplicações de vapor onde há injeção direta de vapor no produto e linhas de fluido de processo nas indústrias de biotecnologia, alimentos e eletrônica. A principal área de preocupação em tais aplicações é o espaço entre o corpo e a esfera; o fluido de processo pode se acumular nesses espaços levando à contaminação e corrosão. Isso pode ser superado inserindo preenchedores de cavidade nesses espaços. O preenchedor de cavidade pode ser uma parte integrante do assento ou um componente separado no conjunto da válvula. Além disso, as válvulas de esfera usadas em aplicações de vapor limpo devem ser feitas de aço inoxidável com um bom acabamento superficial (menos de 81 microns Ra é recomendado).
• Aplicações de estrangulamento- Quando as válvulas de esfera são usadas em aplicações de estrangulamento, o fluxo de alta velocidade pode atingir uma área localizada da esfera e dos selos, causando deterioração prematura do material do assento. Modificações no projeto padrão são necessárias para que as válvulas de esfera sejam usadas para estrangulamento; estas incluem o uso de assentos metálicos, revestimentos duros e, às vezes, modificações na esfera, para fornecer um padrão de fluxo caracterizado.

Válvulas de borboleta

Embora existam muitos projetos diferentes de válvula de borboleta, todas consistem em um disco que gira em um eixo perpendicular ao fluxo do fluido. Quando aberta, o disco está de borda para o fluxo e o fluido passa ao redor dele, oferecendo resistência limitada. Na posição fechada, o disco é girado contra um assento no corpo da válvula. As válvulas de borboleta geralmente ocupam pouco mais espaço do que um par de flanges de tubo e, portanto, são uma alternativa atraente à válvula de esfera onde o espaço é limitado. Na verdade, algumas válvulas de borboleta são projetadas especificamente para inserção entre flanges de tubo; estas são conhecidas como válvulas de borboleta wafer.

A principal desvantagem das válvulas de borboleta é que o fechamento não é tão apertado quanto o alcançado por outros tipos de válvulas. Isso pode ser aliviado até certo ponto deslocando o eixo de rotação do disco e usando assentos assistidos por pressão. Ao usar um eixo de rotação deslocado, uma ação de ‘came’ é gerada, o que significa que o disco cria uma vedação apertada com o assento durante os últimos graus de fechamento. Essas válvulas de borboleta de alto desempenho ou excêntricas têm capacidades de fechamento aprimoradas e seu projeto permite que sejam usadas para estrangulamento.

Para aplicações de vapor, as válvulas de borboleta foram amplamente substituídas por válvulas de esfera. As válvulas de borboleta são mais comumente usadas em sistemas líquidos ou onde o espaço é limitado. A compacidade das válvulas de borboleta significa que menos material é necessário e, portanto, são ideais onde a aplicação especifica o uso de materiais caros, por exemplo, em aplicações de água do mar onde o níquel é especificado.

Seleção e dimensionamento de válvulas de isolamento

Um fluido de processo deve ser totalmente contido em um sistema de tubulação projetado adequadamente para evitar colocar em risco o pessoal e o ambiente, e a contaminação do próprio fluido. O sistema de tubulação pode ter muitos caminhos de vazamento potenciais, como juntas de tubo, costuras, conexões de equipamento e, o mais importante, válvulas. As válvulas podem ser uma das maiores contribuintes para problemas de planta se forem selecionadas incorretamente ou forem mal projetadas ou fabricadas. Além disso, uma válvula, quando selecionada corretamente para a aplicação, deve durar pelo menos a vida útil da planta, se mantida adequadamente. Ao selecionar uma válvula de isolamento para uma aplicação particular, uma série de fatores precisam ser considerados; estes são mostrados na Tabela 12.2.2, juntamente com o parâmetro de seleção de válvula que é afetado.

Table 12.2.2 Factors affecting the selection of an isolation valve

A Tabela 12.2.3 resume as principais características dos diferentes tipos de válvulas de isolamento.

Table 12.2.3 Typical sizes and operating ranges of isolation valves

1 Nota: Valores típicos para uma válvula de furo DN150 passando vapor saturado a 24 bar, fluindo a 40 m/s. A Tabela 12.2.4 resume as aplicações dos tipos mais comuns de válvulas isolantes em uso hoje.

Table 12.2.4 Applications of isolating valve types

A Tabela 12.2.5 é um guia generalizado para a seleção de válvulas de isolamento para aplicações específicas de vapor e condensado. Deve-se notar que a escolha da válvula de isolamento é subjetiva e diferentes indústrias e aquelas em diferentes regiões geográficas têm suas próprias preferências únicas.

Table 12.2.5 Selection of valves for steam/condensate isolation purposes Nota: nesta tabela, selada por fole refere-se a uma válvula de globo selada por fole e globo refere-se a uma válvula de globo padrão com guarnição.

Uma vez escolhido o tipo mais adequado de válvula, é necessário escolher o tamanho correto. As válvulas são tipicamente dimensionadas de acordo com o tamanho da tubulação. No entanto, é aconselhável verificar se a queda de pressão através da válvula (quando totalmente aberta) está dentro de limites aceitáveis. A queda de pressão é uma função do coeficiente de fluxo da válvula (ou valor Kvs), da vazão e da pressão de entrada. As folhas de especificação geralmente contêm dados sobre o valor Kvs quando a válvula é totalmente aberta.

Com o conhecimento da pressão operacional típica e da vazão mássica, é possível determinar a queda de pressão através de uma válvula escolhida. Alternativamente, se a queda de pressão máxima aceitável for conhecida, é possível selecionar um tamanho de válvula adequado. Embora existam muitas fórmulas e gráficos disponíveis para prever a relação entre vazão e queda de pressão, a seguinte fórmula empírica simplificada (Equação 3.21.1) produz resultados confiáveis para vapor e, portanto, é comumente usada:

Esta fórmula forma a base do gráfico mostrado na Figura 12.2.7, que foi apresentado pela primeira vez no Bloco 3, Módulo 21.

Se a válvula de isolamento for usada em um sistema líquido, a queda de pressão através da válvula é determinada usando a seguinte equação: