Tipos de Válvula de Segurança

Uma explicação completa dos muitos tipos diferentes de válvulas de segurança disponíveis, incluindo operação, materiais de construção e acessórios.

Tipos de válvulas de segurança

Existe uma ampla gama de válvulas de segurança disponíveis para atender às muitas aplicações e critérios de desempenho exigidos por diferentes indústrias. Além disso, as normas nacionais definem muitos tipos diferentes de válvulas de segurança. A norma ASME I e a norma ASME VIII para aplicações em caldeiras e vasos de pressão e a norma ASME/ANSI PTC 25.3 para válvulas de segurança e válvulas de alívio fornecem a seguinte definição. Essas normas estabelecem características de desempenho, bem como definem os diferentes tipos de válvulas de segurança utilizados: Válvula ASME I - Uma válvula de segurança e alívio em conformidade com os requisitos da Seção I do código de vasos de pressão ASME para aplicações em caldeiras, que abrirá dentro de 3% de sobrepresão e fechará dentro de 4%. Geralmente apresenta dois anéis de blowdown e é identificada por um carimbo ‘V’ do National Board. Válvula ASME VIII - Uma válvula de segurança e alívio em conformidade com os requisitos da Seção VIII do código de vasos de pressão ASME para aplicações em vasos de pressão, que abrirá dentro de 10% de sobrepresão e fechará dentro de 7%. Identificada por um carimbo ‘UV’ do National Board.

• **Válvula de segurança de levante baixo -**A posição real do disco determina a área de descarga da válvula.
• **Válvula de segurança de levante total -**A área de descarga não é determinada pela posição do disco.
• Válvula de segurança de passagem total - Uma válvula de segurança sem projeções no furo, e cuja válvula se eleva em extensão suficiente para que a área mínima em qualquer seção, no ou abaixo do sede, se torne o orifício de controle.
• **Válvula de segurança e alívio convencional -**A câmara da mola é ventilada para o lado de descarga; portanto, as características operacionais são diretamente afetadas pelas mudanças na contrapressão da válvula.
• **Válvula de segurança e alívio balanceada -**Uma válvula balanceada incorpora um meio de minimizar o efeito da contrapressão nas características operacionais da válvula.
• **Válvula de alívio de pressão operada por piloto -**O principal dispositivo de alívio é combinado com, e controlado por, um dispositivo auxiliar de alívio de pressão auto-atuado.
• Válvula de segurança e alívio operada por força motriz - Uma válvula de alívio de pressão em que o principal dispositivo de alívio de pressão é combinado com, e controlado por, um dispositivo que requer uma fonte externa de energia. Os seguintes tipos de válvula de segurança são definidos na norma DIN 3320, que se relaciona com válvulas de segurança vendidas na Alemanha e em outras partes da Europa:
• Válvula de segurança padrão - Uma válvula que, após a abertura, atinge o grau de elevação necessário para a vazão mássica ser descarga dentro de um aumento de pressão de não mais que 10%. (A válvula é caracterizada por uma ação do tipo pop e é às vezes conhecida como de alto levante).
• **Válvula de segurança de levante total (Vollhub) -**Uma válvula de segurança que, após o início da elevação, abre rapidamente dentro de um aumento de pressão de 5% até o levante total conforme limitado pelo projeto. A quantidade de elevação até a abertura rápida (faixa proporcional) não deve ser superior a 20%.
• Vál**vula de segurança de ação direta -**Uma válvula de segurança em que a força de abertura sob o disco da válvula é oposta por uma força de fechamento, como uma mola ou um peso.
• Válvula de segurança proporcional - Uma válvula de segurança que abre de forma mais ou menos estável em relação ao aumento da pressão. Uma abertura repentina dentro de uma faixa de elevação de 10% não ocorrerá sem aumento de pressão. Após a abertura dentro de uma pressão de não mais que 10%, essas válvulas de segurança atingem a elevação necessária para a vazão mássica ser descarga.
• **Válvula de segurança com diafragma -**Uma válvula de segurança de ação direta em que elementos lineares e rotativos e molas são protegidos contra os efeitos do fluido por um diafragma.
• Válvula de segurança com fole - Uma válvula de segurança de ação direta em que elementos deslizantes e (parcial ou totalmente) rotativos e molas são protegidos contra os efeitos dos fluidos por um fole. O fole pode ser de tal projeto que compense as influências da contrapressão.
• Válvula de segurança controlada - Consiste em uma válvula principal e um dispositivo de controle. Também inclui válvulas de segurança de ação direta com carga suplementar em que, até que a pressão de regulagem seja atingida, uma força adicional aumenta a força de fechamento. A EN ISO 4126 lista as seguintes definições de tipos de válvula de segurança:
• Válvula de segurança - Uma válvula de segurança que automaticamente, sem a assistência de qualquer energia além da do fluido em questão, descarga uma quantidade do fluido de modo a impedir que uma pressão segura predeterminada seja excedida, e que é projetada para fechar novamente e impedir o fluxo adicional de fluido após as condições normais de pressão de serviço terem sido restauradas. Nota; a válvula pode ser caracterizada por ação pop (abertura rápida) ou por abertura proporcional (não necessariamente linear) ao aumento da pressão acima da pressão de regulagem.
• **Válvula de segurança de ação direta -**Uma válvula de segurança em que a carga devida à pressão do fluido sob o disco da válvula é oposta apenas por um dispositivo de carga mecânica direta, como um peso, alavanca e peso, ou uma mola.
• **Válvula de segurança assistida -**Uma válvula de segurança que, por meio de um mecanismo de assistência motorizada, pode ser adicionalmente elevada a uma pressão inferior à pressão de regulagem e que, mesmo em caso de falha do mecanismo de assistência, cumprirá todos os requisitos para válvulas de segurança indicados na norma.
• Válvula de segurança com carga suplementar - Uma válvula de segurança que tem, até que a pressão na entrada da válvula de segurança atinja a pressão de regulagem, uma força adicional que aumenta a força de vedação. Nota; esta força adicional (carga suplementar), que pode ser fornecida por meio de uma fonte de energia externa, é liberada de forma confiável quando a pressão na entrada da válvula de segurança atinge a pressão de regulagem. A quantidade de carga suplementar é disposta de tal forma que, se tal carga suplementar não for liberada, a válvula de segurança atingirá sua capacidade de descarga certificada em uma pressão não superior a 1,1 vezes a pressão máxima admissível do equipamento a ser protegido.
• **Válvula de segurança operada por piloto -**Uma válvula de segurança cuja operação é iniciada e controlada pelo fluido descarregado de uma válvula piloto, que é, em si, uma válvula de segurança de ação direta sujeita aos requisitos da norma. A tabela a seguir resume o desempenho dos diferentes tipos de válvula de segurança estabelecidos pelas diversas normas.

Válvulas de segurança convencionais

A característica comum compartilhada entre as definições de válvulas de segurança convencionais nas diferentes normas é que suas características operacionais são afetadas por qualquer contrapressão no sistema de descarga. É importante notar que a contrapressão total é gerada a partir de dois componentes; contrapressão sobreposta e contrapressão acumulada:

• Contrapressão sobreposta - A pressão estática que existe no lado de saída de uma válvula fechada.
• Contrapressão acumulada - A pressão adicional gerada no lado de saída quando a válvula está descarregando. Subsequentemente, em uma válvula de segurança convencional, apenas a contrapressão sobreposta afetará a característica de abertura e o valor de regulagem, mas a contrapressão combinada alterará a característica de blowdown e o valor de reasseio. A norma ASME/ANSI faz a classificação adicional de que válvulas convencionais têm uma câmara da mola ventilada para o lado de descarga da válvula. Se a câmara da mola for ventilada para a atmosfera, qualquer contrapressão sobreposta ainda afetará as características operacionais. Isso pode ser visto na Figura 9.2.1, que mostra diagramas esquemáticos de válvulas cujas câmaras da mola são ventiladas para o lado de descarga da válvula e para a atmosfera.

Ao considerar as forças atuando no disco (com área AD), pode-se ver que a força de abertura necessária (equivalente ao produto da pressão de entrada (PV) e da área do bocal (AN)) é a soma da força da mola (FS) e da força devida à contrapressão (PB) atuando no topo e na base do disco. No caso de uma câmara da mola ventilada para o lado de descarga da válvula (uma válvula de segurança e alívio convencional ASME, veja Figura 9.2.1 (a)), a força de abertura necessária é:

PV AN = FS + PB AD - PB (AD - AN ) which simplies to Equation 9.2.1

Portanto, qualquer contrapressão sobreposta tenderá a aumentar a força de fechamento e a pressão de entrada necessária para levantar o disco será maior.

No caso de uma válvula cuja câmara da mola é ventilada para a atmosfera (Figura 9.2.1b), a força de abertura necessária é:

Assim, a contrapressão sobreposta atua com a pressão do vaso para superar a força da mola, e a pressão de abertura será menor do que o esperado.

Em ambos os casos, se existir uma contrapressão sobreposta significativa, seus efeitos na pressão de regulagem precisam ser considerados ao projetar um sistema de válvula de segurança. Uma vez que a válvula começa a abrir, os efeitos da contrapressão acumulada também devem ser considerados. Para uma válvula de segurança convencional com a câmara da mola ventilada para o lado de descarga da válvula, veja Figura 9.2.1 (a), o efeito da contrapressão acumulada pode ser determinado considerando a Equação 9.2.1 e observando que, uma vez que a válvula começa a abrir, a pressão de entrada é a soma da pressão de regulagem, PS, e da sobrepresão, PO. (PS + PO) AN = FS + PB AN que se simplifica na Equação 9.2.3

Assim, a contrapressão sobreposta atua com a pressão do vaso para superar a força da mola, e a pressão de abertura será menor do que o esperado.

Em ambos os casos, se existir uma contrapressão sobreposta significativa, seus efeitos na pressão de regulagem precisam ser considerados ao projetar um sistema de válvula de segurança. Uma vez que a válvula começa a abrir, os efeitos da contrapressão acumulada também devem ser considerados. Para uma válvula de segurança convencional com a câmara da mola ventilada para o lado de descarga da válvula, veja Figura 9.2.1 (a), o efeito da contrapressão acumulada pode ser determinado considerando a Equação 9.2.1 e observando que, uma vez que a válvula começa a abrir, a pressão de entrada é a soma da pressão de regulagem, PS, e da sobrepresão, PO. (PS + PO) AN = FS + PB AN que se simplifica na Equação 9.2.3

Válvulas de segurança balanceadas

As válvulas de segurança balanceadas são aquelas que incorporam um meio de eliminar os efeitos da contrapressão. Existem dois projetos básicos que podem ser usados para alcançar isso: Válvula de segurança balanceada tipo pistão. Embora existam várias variações da válvula de pistão, elas geralmente consistem em um disco tipo pistão cujo movimento é restringido por um guia ventilado. A área da face superior do pistão, AP, e a área do sede do bocal, AN, são projetadas para serem iguais. Isso significa que a efetiva área das superfícies superior e inferior do disco expostas à contrapressão são iguais e, portanto, quaisquer forças adicionais são balanceadas. Além disso, a tampa da mola é ventilada de modo que a face superior do pistão está sujeita à pressão atmosférica, como mostrado na Figura 9.2.2.

Ao considerar as forças atuando no pistão, é evidente que este tipo de válvula não é mais afetado por nenhuma contrapressão:

Válvula de segurança balanceada tipo fole. Um fole com uma área efetiva (AB) equivalente à área do sede do bocal (AN) é fixado à superfície superior do disco e ao guia do eixo. O arranjo do fole impede que a contrapressão atue no lado superior do disco dentro da área do fole. A área do disco que se estende além do fole e a área oposta do disco são iguais, e assim as forças atuando no disco são balanceadas, e a contrapressão tem pouco efeito na pressão de abertura da válvula. A ventilação do fole permite que o ar flua livremente para dentro e para fora do fole conforme ele se expande ou contrai. A falha do fole é uma preocupação importante ao usar uma válvula de segurança balanceada por fole, pois isso pode afetar a pressão de regulagem e a capacidade da válvula. É importante, portanto, que haja algum mecanismo para detectar qualquer fluxo de fluido anormal através das ventilações do fole. Além disso, algumas válvulas de segurança balanceadas por fole incluem um pistão auxiliar que é usado para superar os efeitos da contrapressão em caso de falha do fole. Este tipo de válvula de segurança é geralmente usado apenas em aplicações críticas nas indústrias de petróleo e petroquímica. Além de reduzir os efeitos da contrapressão, os foles também servem para isolar o guia do eixo e a mola do fluido de processo, isso é importante quando o fluido é corrosivo. Uma vez que as válvulas de alívio de pressão balanceadas são tipicamente mais caras do que suas equivalentes não balanceadas, elas são comumente usadas apenas onde coletores de alta pressão são inevitáveis, ou em aplicações críticas onde uma pressão de regulagem ou blowdown muito preciso é necessário.

Válvula de segurança operada por piloto

Este tipo de válvula de segurança usa o próprio meio fluido, através de uma válvula piloto, para aplicar a força de fechamento no disco da válvula de segurança. A válvula piloto é em si uma pequena válvula de segurança. Existem dois tipos básicos de válvula de segurança operada por piloto, nomeadamente, o tipo diafragma e o tipo pistão. O tipo diafragma é normalmente disponível apenas para aplicações de baixa pressão e produz uma ação proporcional, característica de válvulas de alívio usadas em sistemas de líquidos. Portanto, elas são de pouca utilidade em sistemas de vapor, consequentemente, não serão consideradas neste texto. A válvula tipo pistão consiste em uma válvula principal, que usa um dispositivo de fechamento em forma de pistão (ou obturador), e uma válvula piloto externa. A Figura 9.2.4 mostra um diagrama de uma típica válvula de segurança operada por piloto tipo pistão.

O pistão e o arranjo do sede incorporados na válvula principal são projetados de modo que a área inferior do pistão, exposta ao fluido de entrada, seja menor que a área do topo do pistão. Como ambas as extremidades do pistão estão expostas ao fluido na mesma pressão, isso significa que, em condições normais de operação do sistema, a força de fechamento, resultante da maior área superior, é maior que a força de entrada. A força resultante para baixo, portanto, mantém o pistão firmemente em seu sede.

Se a pressão de entrada aumentasse, a força de fechamento líquida no pistão também aumentaria, garantindo que uma vedação hermética seja continuamente mantida. No entanto, quando a pressão de entrada atinge a pressão de regulagem, a válvula piloto abrirá abruptamente para liberar a pressão do fluido acima do pistão. Com muito menos pressão do fluido atuando na superfície superior do pistão, a pressão de entrada gera uma força líquida para cima e o pistão deixará seu sede. Isso faz com que a válvula principal abra abruptamente, permitindo que o fluido de processo seja descarregado. Quando a pressão de entrada foi suficientemente reduzida, a válvula piloto se fechará novamente, impedindo a liberação adicional de fluido do topo do pistão, restabelecendo assim a força líquida para baixo e fazendo com que o pistão reassente. Válvulas de segurança operadas por piloto oferecem bom desempenho de sobrepresão e blowdown (um blowdown de 2% é atingível). Por esta razão, elas são usadas onde uma margem estreita é necessária entre a pressão de regulagem e a pressão de operação do sistema. Válvulas operadas por piloto também estão disponíveis em tamanhos muito maiores, tornando-as o tipo preferido de válvula de segurança para maiores capacidades. Uma das principais preocupações com válvulas de segurança operadas por piloto é que os tubos de conexão piloto de pequeno diâmetro são suscetíveis ao entupimento por matéria estranha, ou devido ao acúmulo de condensado nesses tubos. Isso pode levar à falha da válvula, seja na posição aberta ou fechada, dependendo de onde o entupimento ocorre.

Válvulas de segurança de levante total, alto levante e levante baixo

Os termos levante total, alto levante e levante baixo referem-se à quantidade de curso que o disco sofre ao se mover de sua posição fechada até a posição necessária para produzir a capacidade de descarga certificada, e como isso afeta a capacidade de descarga da válvula. Uma válvula de segurança de levante total é aquela em que o disco se eleva o suficiente para que a área da cortina não influencie mais a área de descarga. A área de descarga e, portanto, a capacidade da válvula, são subsequentemente determinadas pela área do furo. Isso ocorre quando o disco se eleva uma distância de pelo menos um quarto do diâmetro do furo. Uma válvula de segurança convencional de levante total é frequentemente a melhor escolha para aplicações gerais de vapor. O disco de uma válvula de segurança de alto levante se eleva uma distância de pelo menos 1/12 do diâmetro do furo. Isso significa que a área da cortina e, em última análise, a posição do disco, determina a área de descarga. As capacidades de descarga de válvulas de alto levante tendem a ser significativamente menores do que as de válvulas de levante total, e para uma dada capacidade de descarga, geralmente é possível selecionar uma válvula de levante total que tem um tamanho nominal várias vezes menor do que uma válvula de alto levante correspondente, o que geralmente acarreta vantagens de custo. Além disso, válvulas de alto levante tendem a ser usadas em fluidos compressíveis onde sua ação é mais proporcional. Em válvulas de levante baixo, o disco se eleva apenas uma distância de 1/24 do diâmetro do furo. A área de descarga é determinada inteiramente pela posição do disco, e como o disco se eleva apenas uma pequena quantidade, as capacidades tendem a ser muito menores do que as de válvulas de levante total ou alto levante.

Materiais de construção

Exceto quando as válvulas de segurança estão descarregando, as únicas partes que são molhadas pelo fluido de processo são o trato de entrada (bocal) e o disco. Uma vez que as válvulas de segurança operam infrequentemente em condições normais, todos os outros componentes podem ser fabricados a partir de materiais padrão para a maioria das aplicações. Existem, no entanto, várias exceções, e nesses casos, materiais especiais devem ser usados, incluindo:

• Aplicações criogênicas.
• Fluidos corrosivos.
• Quando a contaminação do fluido descarregado não é permitida.
• Quando a válvula descarga em um coletor que contém meios corrosivos descarregados por outra válvula. Os principais componentes de contenção de pressão das válvulas de segurança são normalmente construídos com um dos seguintes materiais:
• **Bronze -**Comumente usado para pequenas válvulas rosqueadas para serviço geral em aplicações de vapor, ar e água quente (até 15 bar).
• **Ferro fundido -**Extensamente usado para válvulas tipo ASME. Seu uso é tipicamente limitado a 17 bar g.
• **Ferro SG -**Comumente usado em válvulas europeias e para substituir o ferro fundido em válvulas de pressão mais alta (até 25 bar g).
• **Aço fundido -**Comumente usado em válvulas de pressão mais alta (até 40 bar g). Válvulas de processo são geralmente feitas com corpo de aço fundido com construção austenítica de bocal completo.
• **Aço inoxidável austenítico -**Usado em aplicações alimentícias, farmacêuticas ou de vapor limpo. Para aplicações de pressão extremamente alta, componentes de contenção de pressão podem ser forjados ou usinados a partir de sólido. Para todas as válvulas de segurança, é importante que as partes móveis, particularmente o eixo e os guias, sejam feitos de materiais que não se degradem ou corroam facilmente. Como os sedes e discos estão constantemente em contato com o fluido de processo, eles devem ser capazes de resistir aos efeitos de erosão e corrosão. Para aplicações de processo, aço inoxidável austenítico é comumente usado para sedes e discos; às vezes eles são ‘revestidos com stellite’ para maior durabilidade. Para fluidos extremamente corrosivos, bocais, discos e sedes são feitos de ligas especiais como ‘monel’ ou ‘hastelloy’. A mola é um elemento crítico da válvula de segurança e deve fornecer desempenho confiável dentro dos parâmetros necessários. Válvulas de segurança padrão normalmente usam aço carbono para temperaturas moderadas. Aço de tungstênio é usado para aplicações de temperatura mais alta e não corrosivas, e aço inoxidável é usado para serviço corrosivo ou de vapor limpo. Para gás ácido e aplicações de alta temperatura, frequentemente materiais especiais como monel, hastelloy e ‘inconel’ são usados.

Opções e acessórios de válvulas de segurança

Devido à ampla gama de aplicações em que as válvulas de segurança são usadas, existem várias opções diferentes disponíveis: Material do sede Uma opção chave é o tipo de material de sede usado. Sedes metal-metal, comumente feitos de aço inoxidável, são normalmente usados para aplicações de alta temperatura, como vapor. Alternativamente, discos resilientes podem ser fixados em uma ou ambas as superfícies de sede onde uma vedação mais hermética é necessária, tipicamente para aplicações de gás ou líquido. Esses inserts podem ser feitos de vários materiais diferentes, mas Viton, nitrílica ou EPDM são os mais comuns. Inserts de vedação macia geralmente não são recomendados para uso com vapor. Tabela 9.2.2 Materiais de sede usados em válvulas de segurança

Alavancas As válvulas de segurança padrão são geralmente equipadas com uma alavanca de alívio, que permite que a válvula seja levantada manualmente para garantir que esteja operacional em pressões acima de 75% da pressão de regulagem. Isso é geralmente feito como parte de verificações de segurança de rotina, ou durante manutenção para evitar travamento. A instalação de uma alavanca é geralmente um requisito das normas nacionais e seguradoras para aplicações de vapor e água quente. Por exemplo, o Código de Caldeiras e Vasos de Pressão ASME afirma que as válvulas de alívio de pressão devem ser equipadas com uma alavanca se forem usadas em ar, água acima de 60°C e vapor. Uma alavanca padrão ou aberta é o tipo mais simples de alavanca disponível. É tipicamente usada em aplicações onde uma pequena quantidade de vazamento do fluido para a atmosfera é aceitável, como em sistemas de vapor e ar (veja Figura 9.2.5 (a)). Quando não é aceitável que o meio escape, uma alavanca com prensa-estopa deve ser usada. Isso usa uma vedação de prensa-estopa para garantir que o fluido seja contido dentro da tampa (veja Figura 9.2.5 (b)).

Para serviços onde uma alavanca não é necessária, uma tampa pode ser usada para simplesmente proteger o parafuso de ajuste. Se usada em conjunto com uma junta, pode ser usada para evitar emissões para a atmosfera (veja Figura 9.2.6).

Um parafuso de teste (Figura 9.2.7) pode ser usado para impedir que a válvula abra na pressão de regulagem durante testes hidráulicos ao comissionar um sistema. Uma vez testado, o parafuso de teste é removido e substituído por um curto plugue cego antes que a válvula seja colocada em serviço.

Tampas superiores abertas e fechadas A menos que foles ou vedação por diafragma sejam usados, o fluido de processo entrará na câmara da mola (ou tampa superior). A quantidade de fluido depende do projeto específico da válvula de segurança. Se a emissão deste fluido para a atmosfera for aceitável, a câmara da mola pode ser ventilada para a atmosfera – uma tampa superior aberta. Isso é geralmente vantajoso quando a válvula de segurança é usada em fluidos de alta temperatura ou para aplicações em caldeiras, pois, caso contrário, altas temperaturas podem relaxar a mola, alterando a pressão de regulagem da válvula. No entanto, usar uma tampa superior aberta expõe a mola e os componentes internos da válvula a condições ambientais, o que pode levar a danos e corrosão da mola. Quando o fluido deve ser completamente contido pela válvula de segurança (e o sistema de descarga), é necessário usar uma tampa superior fechada, que não é ventilada para a atmosfera. Este tipo de invólucro da mola é quase universalmente usado para pequenas válvulas rosqueadas e está se tornando cada vez mais comum em muitas faixas de válvulas, uma vez que, particularmente no vapor, a descarga do fluido pode ser perigosa para o pessoal.

Vedação por foles e diafragma Algumas válvulas de segurança, mais comumente aquelas usadas para aplicações com água, incorporam um diafragma flexível ou fole para isolar a mola e a câmara superior da válvula de segurança do fluido de processo (veja Figura 9.2.9).

Um fole ou diafragma de elastômero é comumente usado em aplicações de água quente ou aquecimento, enquanto um de aço inoxidável seria usado em aplicações de processo empregando fluidos perigosos.