Diâmetro nominal Vazamento
1. Dados do Processo
1.1. Coleta de dados
Depois da analisar a aplicação, definir a função da válvula e estabelecer os fatores de segurança, o próximo passo é coletar os dados confiáveis a serem usados na
seleção e dimensionamento da válvula. Estes dados devem ser documentados adequadamente para uso e referência futuros.
Porém, às vezes, a coleta de dados completos e confiáveis é a parte mais difícil do trabalho. Em plantas novas, durante o projeto, muita informação ainda não é disponível, muitos números são
aproximados e todos os dados podem sofrer revisão. Isto significa que o primeiro projeto é baseado em muitas hipóteses e
aproximações. Quando o equipamento é comprado e o layout da planta fica pronto,
os dados se tornam definitivos, mas diferentes dos originais. Os dados
definitivos seriam aqueles dos fabricantes das bombas e de outros equipamentos, depois de recebidos e analisados. Mas, geralmente isto é muito tarde. Muitas vezes, depois que a válvula foi comprada, os dados são alterados, resultando em não cumprimento de orçamentos e cronogramas.
Em plantas existentes, os dados podem ser também não confiáveis, pois os
desenhos desaparecem, as modificações não são documentadas, as tubulações são modificadas, as plaquetas de identificação de instrumentos e equipamentos
desaparecem ou ficam ilegíveis, as espessuras das paredes de tubulações se alteram ou são desconhecidas.
Cada firma de engenharia e cada planta tem métodos de operação diferentes, fontes diferentes e pessoas diferentes, de modo que não existe uma única regra para a coleta dos dados confiáveis. Esta coleta de dados é mais um problema de gente do que de qualquer outra coisa. Quando se tem uma informação, é necessário julgar sua autenticidade e confiabilidade, que
dependem da fonte. Às vezes, se necessita de uma informação que ainda não é
disponível, pois os cronogramas se baseiam no que é desejável e não no que é possível. Incertezas de números resultam sempre em superdimensionamento. O
conservadorismo natural dos projetistas sempre resulta em válvula maior que a necessária, pois em caso de dúvida, sempre se toma a maior vazão ou a menor queda de pressão através da válvula. Todos os excessos se acumulam e no final se tem uma válvula maior que a correta e, no final, ela vai trabalhar em 40% de sua capacidade em vez de 80%. Projeto superdimensionado resulta em custos adicionais devidos a retrabalhos, multas de fornecedores,
manutenção mais freqüente, desperdício de energia e pior qualidade de controle.
1.2. Condições de Operação
O fluido que passa dentro da válvula deve ser completamente identificado em sua entrada, ou seja, deve se saber se
1. o fluido é puro ou é uma mistura 2. o fluido é limpo ou possui
contaminantes
Por exemplo, uma pequena quantidade de umidade no cloro faz uma grande diferença em seu poder de corrosão e portanto nos materiais de construção das partes molhadas da válvula. A água desmineralizada é corrosiva para alguns metais e a água potável pode não ser. Se fluido é uma mistura, sua composição deve ser conhecida. Se o líquido possui sólidos em suspensão formando uma lama (slurry), o conteúdo dos sólidos deve ser
determinado. O conhecimento do tamanho das partículas maiores e sua dureza é necessário para a seleção da válvula. Composições multifásicas devem ser precisamente conhecidas para prever a vazão razoável dentro da válvula. Deve-se informar se há gases dissolvidos no líquido ou se o gás é condensável. Mesmo que as equações de dimensionamento independem destes fatores, eles ajudam no julgamento.
Deve se saber se o fluido: 1. é venenoso ou tóxico
2. tem alguma propriedade química atípica
3. é quimicamente estável, flamável ou pirofórico
4. é polimerizável e em que condições ocorre a polimerização
5. é corrosivo e os registros e experiências destas propriedades 6. necessita de limpeza inicial da
tubulação e qual a influência do líquido de limpeza na válvula. 7. necessita de tratamento após a
operação e como isso afeta a válvula.
Deve-se estabelecer as propriedades físicas do fluido e as condições referidas.
As condições padrão, definidas pela ISO 5024 (1976) são:
Temperatura: 15,0 oC (288 K ou 59,0 oF)
Pressão: 101,325 kPa (14,696 psi abs) Umidade relativa: 0%
As condições de operação, de trabalho ou reais são aquelas efetivamente
presentes no processo.
Por exemplo, a vazão volumétrica de ar igual a 100 m3/h, nas condições reais de 30 o
C e 200 kPa equivalem a
1. 100 m3/h real (30 oC e 100 kPa) 2. 180 m3/h normal (0 oC e 101 kPa) 3. 190 m3/h padrão (15 oC e 101 kPa) Em inglês, as unidades e abreviaturas comuns são:
ACFM – actual cubic feet/minute – real ou pés cúbicos por minuto real
SCFM – standard cubic feet/minute – ou pés cúbicos por minuto padrão
Algumas propriedades das substâncias puras (como viscosidade, densidade, relação de calores específicos, pressão de vapor) variam com a temperatura e por isso deve se conhecer estas propriedades em toda a faixa de temperatura do processo. A pressão de vapor se aplica a líquidos e está relacionada com a sua evaporação e
portanto com os fenômenos indesejáveis de cavitação e flacheamento, que podem ocorrer no interior da válvula. A viscosidade do gás está relacionada com a perda de carga na tubulação. A viscosidade raramente entra nos cálculos de
dimensionamento de válvulas. A relação dos calores específicos (fator isentrópico) é necessária para todos os gases e vapores, pois está relacionada com o fator de compressibilidade e o afastamento do gás ideal ou perfeito.
Devem ser conhecidos três valores de regime estável da vazão na válvula:
1. vazão mínima controlada 2. vazão máxima controlada
3. vazão máxima requerida para se recuperar depois de um distúrbio. Estes dados permitem o cálculo da rangeabilidade, da margem de excesso da capacidade e da previsão de ruído da válvula. Também devem ser conhecidas as temperaturas em cada condição de
operação, mínima, normal e máxima. Se houver alguma temperatura anormal que possa afetar os materiais da válvula, o valor e a duração desta temperatura devem ser
A pressão absoluta a montante (antes ou na entrada) da válvula deve ser computada para quatro condições:
1. vazão mínima controlada 2. vazão máxima controlada
3. vazão máxima requerida para se recuperar depois de um distúrbio 4. fechamento da válvula
Para se obter a pressão a montante da válvula, deve se ter todos os dados na pressão da fonte (bomba ou compressor) e as curvas de desempenho de todos os equipamentos na fonte e entre a fonte e a válvula. Para se obter a pressão a jusante (depois ou na saída) da válvula, deve se ter todos os dados na pressão do receptor e de todos os equipamentos entre a válvula e o receptor que afetem a pressão. Se um líquido cavita ou flacheia devido à grande queda de pressão através da válvula, a massa e volume do vapor na saída devem ser determinados para uso nos cálculos da queda de pressão e velocidade.
Além dos dados coletados para as condições normais de operação, deve-se também registrar os dados relacionados com outras condições que sejam
importantes para o fabricante ou para a seleção e especificação da válvula.
Exemplos deste tipo de informação incluem: 1. Possibilidade de a válvula operar tanto
em pressão positivo e sob vácuo, pois isto afeta o projeto do engaxetamento e o revestimento interno (quando
aplicável).
2. Pressão pulsante que requer
equipamento auxiliar de amortecimento. 3. Operação freqüente de liga-desliga em
alta temperatura ou alta pressão. 4. Precauções de segurança necessárias
para eliminar os perigos potenciais que podem envolver acessórios como chaves limite, relés ou batente de parada.
5. Máximo vazamento permissível quando a válvula estiver totalmente fechada.
1.3. Distúrbios
Distúrbio é qualquer alteração indesejável que ocorre no processo que tende a afetar o valor da variável
controlada. Distúrbio é aquilo que torna
necessário o controle automático do processo. Na seleção e dimensionamento da válvula de controle, quer se obter o desempenho adequado de controle com o mínimo custo. Um fator que afeta o desempenho do controle é a natureza do distúrbio que ocorre no processo.
O distúrbio mais evidente que afeta a válvula é uma alteração na queda de
pressão através da válvula. Se uma válvula está sujeita a perturbações de pressão a montante ou a jusante, deve-se conhecer a magnitude, duração e velocidade de variação deste distúrbio. Todos os distúrbios devem ser investigados para se coletar dados que possam ser usados para avaliar seus efeitos no sistema de controle e na válvula. Além desta investigação, deve- se conhecer a tolerância do processo, ou seja, quanto, por quanto tempo e quão freqüente a variável controlada pode ficar fora do ponto de ajuste sem prejuízo para o controle do processo. A partir da análise deste dados, pode-se determinar o tempo de resposta da válvula e as mudanças do processo que devem ser feitas para se ter um controle aceitável. As mudanças podem incluir: maior pressão na saída da bomba, controle cascata, controle da fonte do distúrbio.
A seleção e dimensionamento da válvula de controle não pode ser separada do projeto dos outros equipamentos do sistema de controle. Se uma válvula não tem
operação crítica ou se não há distúrbios grandes, a válvula, tubulação e bomba podem ser selecionadas de acordo com a economia global. Geralmente a válvula tem maior queda de pressão disponível do que a calculada. Como ponto de partida e quando a tubulação já foi dimensionada
corretamente, assume-se uma válvula com o diâmetro menor que a tubulação. Para se escolher a bomba, atribui-se um valor de resistência para a válvula, que é um fator associado com a velocidade na válvula e é usado para calcular a queda de pressão através da válvula, redutores e conexões. O fator K depende do tipo da válvula e é mostrado na Tab. 1.
Tab. 1. Fator K e tipo de válvula
Tipo de válvula Fator K
Globo 6
Borboleta 3
Esfera especial .2 Esfera padrão 11
Na seleção da bomba, tubulação e válvula, deve-se considerar os tamanhos diferentes da válvula e da tubulação e, como resultado, do uso de redutores e alargadores, que também possuem seu fator K. Por exemplo, se na tubulação de 8" vai ser usada uma válvula borboleta de 6", as resistências no cálculo da bomba incluem:
1. fator K da válvula borboleta de 6" (3) 2. fator K do redutor de 8" para 6" 3. fator K do alargador de 6" para 8" Pelos dados da tabela de conexões, obtém-se 0,29 para as conexões e a resistência total fica K = 3,29, que é um número baseado na velocidade na entrada da válvula e não no tamanho da tubulação principal. Para colocar o coeficiente da resistência em termos do tamanho da tubulação principal, deve-se multiplicar o fator K por (D/d)4, onde
D é o diâmetro interno da tubulação principal,
d é o diâmetro interno da entrada da válvula.
No exemplo acima, tem-se
87
,
9
065
,
6
981
,
7
29
,
3
4=
×
Para qualquer tipo e tamanho de válvula e tamanho da tubulação, o coeficiente de resistência para a válvula e redutores, em termos da velocidade da tubulação principal é 2 v 2 p 4
C
F
D
890
K
=
ondeFp é o fator de geometria da tubulação, adimensional
Cv é o coeficiente de vazão da válvula ou coeficiente de dimensionamento da válvula
D é o diâmetro interno da tubulação Quando o fluido é um líquido com viscosidade muito elevada, a queda de pressão através da válvula é importante para o dimensionamento da bomba. Os líquidos de alta viscosidade geralmente são não newtonianos e exigem cálculos
experimentais especiais e os dados reológicos completos na temperatura de operação.
1.4. Tempo de resposta
O tempo de resposta da válvula depende da dinâmica do processo e dos tipos dos distúrbios que o afetam. Por exemplo, qual deve ser a resposta da válvula de controle de nível na saída de um tanque. Se o maior distúrbio é a interrupção repentina da vazão de entrada do tanque, a válvula deve ser capaz de se fechar antes que o tanque se esvazie. Isto significa que, quanto maior o tanque, mais lenta pode ser a válvula de controle. Em determinados casos, pode ser necessário colocar equipamentos auxiliares para apressar a velocidade da válvula, como posicionador ou solenóide.
1.5. Tubulação
A válvula de controle deve estar de conformidade com as normas aplicáveis à tubulação. A tubulação é especificada de conformidade com as normas para que haja uniformidade de tubulação, válvulas e conexões. Exemplos de discrepâncias que podem ocorrer:
1. válvula de controle de ferro fundido possui face da flange diferente da existente em tubulação de aço. 2. válvula de controle flangeada
especificada para tubulação rosqueada. 3. a pressão estática da linha pode
danificar o diafragma de uma válvula, embora o corpo da válvula possa suportar esta pressão.
4. válvula com revestimento interno instalada em tubulação sem revestimento.
A configuração da tubulação é
1. cálculo das pressões na entrada e na saída da válvula, que dependem das conexões, comprimento e elevações da tubulação.
2. conexões (cotovelos, tês,
bifurcações) e descargas de bomba ou ventiladores próximas da entrada da válvula que perturbam o perfil de velocidade da vazão, de modo que a vazão dentro da válvula fica instável e imprevisível.
3. válvula com grande capacidade é mais afetada que a de pequena capacidade
4. válvula borboleta é mais afetada pela distorção do perfil de velocidade do que as válvulas globo.
Manter grandes trechos retos, mínimo de seis diâmetros de tubulação, antes da válvula diminui ou elimina as perturbações. Conexão como cotovelo, que provocar redemoinho, requer maior trecho reto para eliminar os distúrbios.
Quando um líquido entra em
flacheamento (flashing) depois de passar pela válvula, a descarga contem um grande volume de vapor. A configuração da
tubulação se torna importante, tanto para o desempenho de controle da válvula quanto para a integridade da tubulação.
1.6. Fatores ambientais
O ambiente pode ter uma grande
influência na seleção e dimensionamento da válvula de controle. Por isso, devem ser conhecidos:
1. condições climáticas de extremos de temperatura e umidade relativa 2. zona sísmica
3. elevação acima do nível do mar ou faixa de pressões atmosféricas
4. condições locais de radiação e alta temperatura
5. procedimentos atípicos da planta, como lavagem e descontaminação.
6. classificação elétrica da área e a composição de qualquer gás, pó ou fibra flamável.
7. tolerância ao ruído do local da válvula. Os fatores não técnicos que entram na seleção da válvula geralmente são
econômicos e incluem:
1. Restrições de orçamento 2. Prazo de entrega
3. Vida esperada da planta 4. Oficina para manutenção e
calibração
É útil conhecer as opiniões, preconceitos e habilidades das pessoas que devem conviver com a válvula. Se elas não acreditam que a válvula irá operar, ela certamente não irá!
1.7. Documentação
Há vários motivos justos para se registrar todos os dados, fontes de dados e cálculos desde o começo do projeto:
1. um registro legível, facilmente encontrado, pode ser útil, quando procurado
2. as modificações devem ser sempre documentadas
3. as razões das modificações também devem ser escritas
4. as modernizações, ampliações e revisões futuras ficam mais fáceis quando já existe documentação confiável da planta em operação
1.8. Normas e Especificações
Sociedades técnicas, associações de comercio e agências de governo que possuem normas e especificações de válvulas mais conhecidas e importantes: ASTM (American Society for Testing Materiais)
Estabelece e escreve as exigências físicas e químicas de todos os materiais usados na fabricação das válvulas e conexões.
API (American Petroleum lnstitute) Estabelece as normas de compra de válvulas e conexões para a indústria petroquímica.
UL (Underwriters Laboratories) e FM (Factory Mutual)
Laboratórios de certificação que estabelecem normas de projeto e desempenho de válvulas e conexões usadas no serviço de proteção contra
incêndio e manipulação de líquidos perigosos.
ASME (American Society of Mechanical Engineers)
Estabelece códigos cobrindo
especificações de pressão e temperatura, espessuras mínimas de paredes,
especificações de roscas para válvulas feitas de materiais que estão de
conformidade com as especificações ASME. As principais normas editadas pela ISA (Instrument Society of America) relativas a Válvulas de Controle são as seguintes: 1. ISA S75.01-1985, Flow Equations for
Sizing Control Valves
2. ANSI/ISA S75.02-1982, Control Valve Capacíty Test Procedure
3. ANSI/ISA S75.03-1985, Face-to-Face Dímensíons for Fianged Globe-Style Control Valve Bodíes.
4. ANSI/ISA S75.04-1985, Face-to-Face Dimensions for Flangeless Control Valves.
5. ISA S75.05-1983, Control Valve Terminology
6. ISA S75.06-1981, Control Valve Manifold Designs
7. ANSI/ISA S75.11-1985, Inherent Flow Characteristíc and Rangeabilíty of Control Valves.
8. ISA S75.14-1985, Face-to-Face Dímensions for Butterweld-End Globe Style Control Valves.