Seleção de Válvula de Segurança

Escolha e comissionamento da válvula de segurança correta, incluindo considerações de seleção, ajuste, vedação, posicionamento e efeitos da contrapressão.

Como existe uma gama tão ampla de válvulas de segurança, não há dificuldade em selecionar uma válvula de segurança que atenda aos requisitos específicos de uma determinada aplicação. Uma vez que um tipo adequado tenha sido selecionado, é imperativo que a pressão de alívio e a capacidade de descarga corretas sejam estabelecidas, e uma válvula de tamanho adequado e pressão de ajuste sejam especificadas.

A seleção de um tipo específico de válvula de segurança é governada por vários fatores:

• Custo - Esta é a consideração mais óbvia ao selecionar uma válvula de segurança para uma aplicação não crítica. Ao fazer comparações de custo, é imperativo considerar a capacidade da válvula, bem como o tamanho nominal. Como mencionado no módulo anterior, pode haver grandes variações entre modelos com a mesma conexão de entrada, mas com características de elevação variáveis.
• Tipo de sistema de descarga - Válvulas com corpo superior aberto podem ser usadas em vapor, ar ou gás não tóxico, se a descarga para a atmosfera, além do sistema de descarga, for aceitável. Uma alavanca de elevação é frequentemente especificada nessas aplicações. Para aplicações com gás ou líquido, onde a escape para a atmosfera não é permitido, um corpo superior fechado deve ser especificado. Em tais aplicações, também é necessário usar uma tampa fechada/estanque a gás ou uma alavanca com guarnição. Para aplicações com contrapressão sobreposta significativa (comum em manifolds, tipicamente visto na indústria de processos), uma construção com fole balanceado ou pistão é necessária.
• Construção da válvula - Uma construção do tipo semi-bico deve ser usada para mídias não tóxicas e não corrosivas a pressões moderadas, enquanto válvulas com construção do tipo bico completo são tipicamente usadas na indústria de processos para mídias corrosivas ou para pressões extremamente altas. Para fluidos corrosivos ou altas temperaturas, materiais especiais de construção também podem ser necessários.
• Características operacionais - Os requisitos de desempenho variam de acordo com a aplicação e a válvula deve ser selecionada de acordo. Para caldeiras de vapor, uma sobrepresão pequena é necessária, geralmente 3% ou 5%. Para a maioria das outras aplicações, 10% de sobrepresão é necessário, mas de acordo com a API 520, para aplicações especiais como proteção contra incêndio, válvulas maiores com sobrepresões de 20% são permitidas. Para líquidos, sobrepresões de 10% ou 25% são comuns, e os valores de blowdown tendem a ser de até 20%.
• Aprovação- Para muitas aplicações de válvulas, o usuário final declarará o código ou norma necessária para a construção e desempenho da válvula. Isso é geralmente acompanhado por um requisito de aprovação por uma autoridade independente, para garantir a conformidade com a norma necessária.

Ajuste e vedação

Para estabelecer a pressão de ajuste corretamente, os seguintes termos requerem consideração cuidadosa:

• Pressão de trabalho normal (NWP) - A pressão de operação do sistema sob condições de carga total.
• Pressão máxima de trabalho admissível (MAWP) - Às vezes chamada de pressão de trabalho segura (SWP) ou pressão de projeto do sistema. Esta é a pressão máxima existente em condições normais de operação (relativa à temperatura máxima de operação) do sistema.
• Pressão máxima de acumulação admissível (MAAP) - A pressão máxima que o sistema pode atingir de acordo com a especificação das normas de projeto do sistema. A MAAP é frequentemente expressa como uma porcentagem da MAWP. Para aparelhos que utilizam vapor, a MAAP será frequentemente 10% maior que a MAWP, mas isso nem sempre é o caso. Se a MAWP não estiver prontamente disponível, a autoridade responsável pelo seguro do aparelho deve ser contactada. Se a MAAP não puder ser estabelecida, não deve ser considerada superior à MAWP.
• Pressão de Ajuste (P ) - A pressão na qual a válvula de segurança começa a se levantar.
• Pressão de alívio (PR) - Esta é a pressão na qual a capacidade total da válvula de segurança é alcançada. É a soma da pressão de ajuste (PS) e da sobrepresão (PO).
• Sobrepresão (PO) - A sobrepresão é a porcentagem da pressão de ajuste na qual a válvula de segurança é projetada para operar. Existem duas restrições fundamentais que devem ser levadas em consideração ao estabelecer a pressão de ajuste de uma válvula de segurança:

1. A pressão de ajuste deve ser baixa o suficiente para garantir que a pressão de alívio nunca exceda a pressão máxima de acumulação admissível (MAAP) do sistema.
2. A pressão de ajuste deve ser alta o suficiente para garantir que haja margem suficiente acima da pressão de trabalho normal (NWP) para permitir que a válvula de segurança feche. No entanto, a pressão de ajuste nunca deve ser superior à pressão máxima de trabalho admissível (MAWP). Para atender à primeira restrição, é necessário considerar as magnitudes relativas da porcentagem de sobrepresão e da porcentagem de MAAP (expressa como porcentagem da MAWP). Existem dois casos possíveis:

• A porcentagem de sobrepresão da válvula de segurança é menor ou igual à porcentagem de MAAP do sistema - Isso significa que a pressão de ajuste pode ser feita igual à MAWP, pois a pressão de alívio será sempre menor que a MAAP real. Por exemplo, se a sobrepresão da válvula de segurança fosse 5%, e a MAAP fosse 10% da MAWP, a pressão de ajuste seria escolhida para ser igual à MAWP. Neste caso, a pressão de alívio (igual à pressão de ajuste + 5% de sobrepresão) seria menor que a MAAP, o que é aceitável. Nota: que se a porcentagem de MAAP fosse maior que a porcentagem de sobrepresão, a pressão de ajuste ainda será feita igual à MAWP, pois aumentá-la acima da MAWP violaria a segunda restrição.
• A porcentagem de sobrepresão da válvula de segurança é maior que a porcentagem de MAAP do sistema - Neste caso, fazer a pressão de ajuste igual à MAWP significará que a pressão de alívio seria maior que a MAAP, então a pressão de ajuste deve ser menor que a MAWP. Por exemplo, se a sobrepresão da válvula de segurança fosse 25% e a porcentagem de MAAP fosse apenas 10%, fazer a pressão de ajuste igual à MAWP significa que a pressão de alívio seria 15% maior que a MAAP. Neste caso, a pressão de ajuste correta deveria ser 15% abaixo da MAWP. A tabela a seguir resume a determinação do ponto de ajuste com base na primeira restrição. Tabela 9.3.1 Determinação da pressão de ajuste usando sobrepresão da válvula de segurança e MAAP do aparelho

A menos que considerações operacionais ditem o contrário, para atender à segunda restrição, a pressão de ajuste da válvula de segurança deve estar sempre um pouco acima da pressão de trabalho normal com uma margem permitida para o blowdown. Uma válvula de segurança ajustada logo acima da pressão de trabalho normal pode levar a um pobre fechamento após qualquer descarga.

Quando a pressão de operação do sistema e a pressão de ajuste da válvula de segurança devem estar o mais próximas possível uma da outra, uma margem mínima de 0,1 bar entre a pressão de recolocamento e a pressão normal de operação é recomendada para garantir um fechamento estanque. Isso é chamado de ‘margem de fechamento’. Neste caso, é importante levar em consideração quaisquer variações na pressão de operação do sistema antes de adicionar a margem de 0,1 bar. Tais variações podem ocorrer onde uma válvula de segurança é instalada após válvulas redutoras de pressão (PRVs) e outras válvulas de controle, com bandas proporcionais relativamente grandes. Em praticamente todos os sistemas de controle, há uma certa quantidade de deslocamento proporcional associado à banda proporcional (veja Bloco 5, Teoria de Controle, para mais informações sobre deslocamento proporcional). Se uma PRV auto-atuante é ajustada sob condições de carga total, a pressão de controle em condições sem carga pode ser significativamente maior que sua pressão de ajuste. Inversamente, se a válvula é ajustada em condições sem carga, a pressão em carga total será menor que sua pressão de ajuste. Por exemplo, considere uma PRV operada por piloto com uma banda proporcional máxima de apenas 0,2 bar. Com uma pressão de controle de 5,0 bar ajustada em condições de carga total, ela forneceria 5,2 bar em condições sem carga. Alternativamente, se a pressão de controle de 5,0 bar é ajustada em condições sem carga, a mesma válvula exibiria uma pressão de controle de 4,8 bar em condições de carga total. Ao determinar a pressão de ajuste da válvula de segurança, se a pressão de controle da PRV é ajustada em condições sem carga, então o deslocamento proporcional não precisa ser levado em consideração. No entanto, se a pressão de controle da PRV é ajustada em condições de carga total, é necessário considerar o aumento na pressão a jusante como resultado do deslocamento proporcional da PRV (veja Exemplo 9.3.1). A quantidade de deslocamento de controle de pressão depende do tipo de válvula de controle e do controlador de pressão sendo usado. É, portanto, importante determinar a banda proporcional da válvula de controle a montante, bem como como esta válvula foi comissionada. Exemplo 9.3.1 Uma válvula de segurança, que deve ser instalada após uma PRV, é necessária para ser ajustada o mais próximo possível da pressão de trabalho da PRV. Dados os parâmetros abaixo, determine a pressão de ajuste mais adequada da válvula de segurança: Pressão de ajuste da PRV: 6,0 bar (ajustada em condições de carga total) Banda proporcional da PRV: 0,3 bar operando acima da pressão de trabalho da PRV Blowdown da válvula de segurança: 10% Resposta: Uma vez que é necessário garantir que a pressão de ajuste da válvula de segurança esteja o mais próxima possível da pressão de trabalho da PRV, a válvula de segurança é escolhida de modo que seu blowdown seja maior que a pressão de trabalho da PRV (levando em consideração o deslocamento proporcional), e uma margem de fechamento de 0,1 bar. Primeiramente, o efeito do deslocamento proporcional da PRV precisa ser considerado como a PRV está sendo ajustada em condições de carga; a pressão máxima normal de trabalho encontrada será: 6,0 bar + 0,3 bar = 6,3 bar (NWP) Adicionando a margem de fechamento de 0,1 bar, a pressão de ajuste da válvula de segurança deve ser 10% maior que 6,4 bar. Para este exemplo, isso significa que a pressão de ajuste da válvula de segurança deve ser:

A pressão de ajuste seria, portanto, escolhida como 7,11 bar, desde que isso não exceda a MAWP do sistema protegido. Note que se a PRV fosse ajustada a 6,0 bar em condições sem carga, e com um blowdown de 10% da válvula de segurança, a pressão de ajuste da válvula de segurança seria:

Efeitos da contrapressão na pressão de ajuste

Para uma válvula de segurança convencional sujeita a uma contrapressão sobreposta constante, a pressão de ajuste é efetivamente reduzida por uma quantidade igual à contrapressão. Para compensar isso, a pressão de ajuste necessária deve ser aumentada por uma quantidade igual à contrapressão. A pressão de ajuste diferencial fria (a pressão ajustada na bancada de teste) será, portanto:

Para contrapressão sobreposta variável, a pressão de ajuste efetiva poderia mudar à medida que a contrapressão varia, e uma válvula convencional não poderia ser usada se a variação fosse superior a 10% a 15% da pressão de ajuste. Em vez disso, uma válvula balanceada teria que ser usada.

As relações de nível de pressão para válvulas de alívio de pressão conforme mostrado na API Recommended Practice 520 é ilustrada na Figura 9.3.1.

Ajuste de uma válvula de segurança

Para a maioria dos tipos de válvula de segurança, o ajuste em ar ou gás é permitido. Uma bancada de teste especialmente construída é geralmente empregada, permitindo montagem fácil e rápida da válvula de segurança, para ajuste, e subsequente travamento e selagem da válvula na pressão de ajuste necessária. O requisito mais importante, além das considerações habituais de segurança, é que manômetros de qualidade de instrumentação sejam usados e um sistema regular de calibração esteja em vigor. Todas as normas de válvulas de segurança especificarão uma tolerância particular para a pressão de ajuste (que é tipicamente em torno de 3%) e isso deve ser observado. Também é importante que o ambiente seja limpo, livre de poeira e relativamente silencioso. A fonte do fluido de ajuste pode variar de um cilindro de ar comprimido a um intensificador e vaso acumulador operando a partir de uma rede industrial de ar comprimido. Neste último caso, o ar deve ser limpo, livre de óleo e água. Vale notar que não há requisito para nenhum tipo de teste de capacidade. A bancada de teste simplesmente permite que a pressão de ajuste necessária seja determinada. Geralmente este ponto é determinado ouvindo-se um ‘chiado’ audível quando o ponto de ajuste é alcançado. Ao fazer ajustes, é imperativo tanto para válvulas com assento metálico quanto macio que o disco não seja permitido girar no assento ou bico, pois isso pode facilmente causar danos e impedir um bom fechamento. A haste deve, portanto, ser segurada enquanto o ajustador é girado. Existe uma diferença fundamental nos procedimentos de ajuste permitidos para válvulas ASME I de caldeiras a vapor. Para manter a aprovação do National Board e aplicar o carimbo ‘V’ no corpo da válvula, essas válvulas devem ser ajustadas usando vapor em uma bancada capaz não apenas de alcançar a pressão de ajuste desejada, mas também com capacidade suficiente para demonstrar o ponto de abertura e o ponto de recolocamento. Isso deve ser feito de acordo com um procedimento de qualidade aprovado e controlado. Para válvulas ASME VIII (estampadas no corpo com ‘UV’), se o ajustador tiver uma instalação de ajuste a vapor, então essas válvulas também devem ser ajustadas a vapor. Se não, então o ajuste em gás ou ar é permitido. Para aplicações com líquido com válvulas ASME VIII, o líquido apropriado, geralmente água, deve ser usado para fins de ajuste. No caso de válvulas equipadas com anéis de blowdown, as posições de ajuste precisarão ser estabelecidas e os pinos de travamento selados de acordo com as recomendações relevantes do fabricante.

Vedação

Para válvulas que não reivindicam nenhuma norma particular e sem referência a uma norma na placa de identificação ou literatura de suporte, não há restrição sobre quem pode ajustar a válvula. Tais válvulas são normalmente usadas para indicar que uma certa pressão foi atingida, e não atuam como um dispositivo de segurança. Para válvulas que são independentemente aprovadas por um organismo notificado, para uma norma específica, o ajuste e a selagem da válvula fazem parte da aprovação. Neste caso, a válvula deve ser ajustada pelo fabricante ou um agente aprovado do fabricante trabalhando de acordo com procedimentos de qualidade acordados e usando equipamento aprovado pelo fabricante ou pelo organismo notificado. Para impedir alteração ou adulteração não autorizada, a maioria das normas exige que sejam feitas provisões para selar a válvula após o ajuste. O método mais comum é usar arame de selagem para fixar a tampa ao corpo da mola e o corpo ao corpo da válvula. Também pode ser usado para travar quaisquer pinos de ajuste de anel de blowdown em posição. O arame é subsequentemente selado com um selo de chumbo, que pode ter a impressão da marca registrada do ajustador.

Posicionamento da válvula de segurança

Para garantir que a pressão máxima de acumulação admissível de qualquer sistema ou aparelho protegido por uma válvula de segurança nunca seja excedida, uma consideração cuidadosa da posição da válvula de segurança no sistema deve ser feita. Como há uma gama tão ampla de aplicações, não há regra absoluta sobre onde a válvula deve ser posicionada e, portanto, cada aplicação precisa ser tratada separadamente. Uma aplicação comum de vapor para uma válvula de segurança é proteger equipamentos de processo alimentados por uma estação redutora de pressão. Dois arranjos possíveis são mostrados na Figura 9.3.3. A válvula de segurança pode ser instalada dentro da estação redutora de pressão em si, ou seja, antes da válvula de bloqueio a jusante, como na Figura 9.3.3 (a), ou mais a jusante, mais perto do aparelho como na Figura 9.3.3 (b). Instalar a válvula de segurança antes da válvula de bloqueio a jusante tem as seguintes vantagens: • A válvula de segurança pode ser testada em linha fechando a válvula de bloqueio a jusante sem chance de o aparelho a jusante ser sobrepresurizado, caso a válvula de segurança falhe durante o teste. • Quando o teste é realizado em linha, a válvula de segurança não precisa ser removida e testada em bancada, o que é mais caro e demorado. • Ao ajustar a PRV em condições sem carga, a operação da válvula de segurança pode ser observada, pois esta condição é mais provável de causar ‘simmer’. Se isso ocorrer, a pressão da PRV pode ser ajustada para abaixo da pressão de recolocamento da válvula de segurança. • Quaisquer tomadas adicionais a jusante são inerentemente protegidas. Somente aparelhos com MAWP menor requerem proteção adicional. Isso pode ter benefícios significativos de custo. É, no entanto, por vezes prático instalar a válvula de segurança mais perto da entrada de vapor de qualquer aparelho. Na verdade, uma válvula de segurança separada pode ter que ser instalada na entrada de cada peça de equipamento a jusante, quando a PRV alimenta várias peças de equipamento. Os seguintes pontos podem ser usados como guia: • Se abastecendo uma peça de equipamento, que tem uma pressão MAWP menor que a pressão de fornecimento da PRV, o equipamento deve ser equipado com uma válvula de segurança, preferencialmente acoplada diretamente à sua conexão de entrada de vapor. • Se uma PRV estiver abastecendo mais de um equipamento e a MAWP de qualquer item for menor que a pressão de fornecimento da PRV, ou a estação da PRV deve ser equipada com uma válvula de segurança ajustada na MAWP mais baixa possível dos equipamentos conectados, ou cada item de equipamento afetado deve ser equipado com uma válvula de segurança. • A válvula de segurança deve ser localizada de modo que a pressão não possa se acumular no equipamento através de outra rota, por exemplo, de uma linha de vapor separada ou uma linha de bypass. Pode-se argumentar que toda instalação merece consideração especial quando se trata de segurança, mas as seguintes aplicações e situações são um pouco incomuns e vale a pena considerar: • Incêndio - Qualquer vaso de pressão deve ser protegido contra sobrepresão em caso de incêndio. Embora uma válvula de segurança montada para proteção operacional também possa oferecer proteção em condições de incêndio, tais casos requerem consideração especial, que está além do escopo deste texto. • Aplicações exotérmicas - Estas devem ser equipadas com uma válvula de segurança acoplada diretamente à entrada de vapor do equipamento ou diretamente no corpo. Nenhuma alternativa se aplica. • Válvulas de segurança usadas como dispositivos de alerta - Às vezes, válvulas de segurança são instaladas em sistemas como dispositivos de alerta. Elas não são necessárias para aliviar cargas de falha, mas para alertar sobre pressões aumentando acima das pressões normais de trabalho apenas por razões operacionais. Nestes casos, as válvulas de segurança são ajustadas na pressão de alerta e só precisam ser de tamanho mínimo. Se houver qualquer perigo de sistemas equipados com tal válvula de segurança excederem sua pressão máxima de trabalho admissível, devem ser protegidos por válvulas de segurança adicionais da maneira usual. Exemplo 9.3.2 Para ilustrar a importância do posicionamento de uma válvula de segurança, considere uma bomba-armadilha automática (veja Bloco 14) usada para remover condensado de um vaso de aquecimento. A bomba-armadilha automática (APT), incorpora uma bomba do tipo mecânico, que usa a força motriz do vapor para bombear o condensado através do sistema de retorno. A posição da válvula de segurança dependerá da MAWP da APT e de sua pressão de entrada motriz necessária. Se a MAWP da APT for maior ou igual à do vaso, o arranjo mostrado na Figura 9.3.4 poderia ser usado. Este arranjo é adequado se a pressão motriz da bomba-armadilha for inferior a 1,6 bar g (pressão de ajuste da válvula de segurança de 2 bar g menos 0,3 bar de blowdown e uma margem de fechamento de 0,1 bar). Como a MAWP de ambos os APT e o vaso são maiores que a pressão de ajuste da válvula de segurança, uma única válvula de segurança forneceria proteção adequada para o sistema. No entanto, se a pressão motriz da bomba-armadilha tivesse que ser superior a 1,6 bar g, o fornecimento do APT teria que ser tomado do lado de alta pressão da PRV e reduzido a uma pressão mais apropriada, mas ainda inferior à MAWP de 4,5 bar g do APT. O arranjo mostrado na Figura 9.3.5 seria adequado nesta situação. Aqui, duas estações de PRV separadas são usadas, cada uma com sua própria válvula de segurança. Se os componentes internos do APT falhassem e o vapor a 4 bar g passasse pelo APT e para dentro do vaso, a válvula de segurança ‘A’ aliviaria esta pressão e protegeria o vaso. A válvula de segurança ‘B’ não se levantaria, pois a pressão no APT ainda é aceitável e abaixo de sua pressão de ajuste. Deve-se notar que a válvula de segurança ‘A’ está posicionada no lado a jusante da válvula de controle de temperatura; isso é feito por razões de segurança e operação:

• Segurança - Se os componentes internos do APT falhassem, a válvula de segurança ainda aliviaria a pressão no vaso mesmo que a válvula de controle estivesse fechada.
• Operação - Há menos chance de a válvula de segurança ‘A’ fazer simmers durante a operação nesta posição, pois a pressão é tipicamente menor após a válvula de controle do que antes dela. Além disso, note que se a MAWP da bomba-armadilha fosse maior que a pressão a montante da PRV ‘A’, seria permitido omitir a válvula de segurança ‘B’ do sistema, mas a válvula de segurança ‘A’ deve ser dimensionada para levar em consideração o fluxo de falha total através da PRV ‘B’ bem como através da PRV ‘A’. Exemplo 9.3.3 Uma fábrica farmacêutica tem doze panelas camisadas no mesmo andar de produção, todas classificadas com a mesma MAWP. Onde a válvula de segurança seria posicionada? Uma solução seria instalar uma válvula de segurança na entrada de cada panela (Figura 9.3.6). Neste caso, cada válvula de segurança teria que ser dimensionada para passar toda a carga, caso a PRV falhasse aberta enquanto as outras onze panelas estivessem desligadas. Como todas as panelas são classificadas com a mesma MAWP, é possível instalar uma única válvula de segurança após a PRV. Se equipamento adicional com MAWP menor que as panelas (por exemplo, um trocador de calor casco e tubo) fosse incluído no sistema, seria necessário instalar uma válvula de segurança adicional. Esta válvula de segurança seria ajustada para uma pressão de ajuste inferior adequada e dimensionada para passar o fluxo de falha através da válvula de controle de temperatura (veja Figura 9.3.8).