Válvulas de Controle
e Segurança
5
a
. edição (Revista)
Válvulas de Controle e
Segurança
5
a. edição
Marco Antônio Ribeiro
Dedicado a Elvira Barbosa, a doutora
Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão, ou então, que tem razão para evitar falar claramente. (Rosa Luxemburg)
Tek, 1991, 1993, 1995, 1999 Salvador, BA, Primavera 1999
Prefácio
Os fabricantes de válvulas geralmente fornecem literatura técnica suficiente acerca
das válvulas de controle, porém, sem um conhecimento dos conceitos básicos de
vazão, controle, rangeabilidade, característica, é difícil interpretar ou utilizar
corretamente tais informações.
Este trabalho é apresentado de um modo muito conciso para rápida referência. Os
detalhes dos equipamentos, os circuitos, as equações matemáticas, os cálculos
teóricos não são mostrados e são disponíveis na literatura dos fabricantes.
Procurou-se enfatizar os aspectos de controle da válvula e seu comportamento na
malha de controle. O autor vê uma grande semelhança entre um sistema de áudio e
um de controle. No Brasil, hoje há um grande desenvolvimento de instrumentação
eletrônica digital para uso na sala de controle, com o uso intensivo e extensivo de
microprocessadores, dando-se pouca importância ao elemento final de controle. É
algo parecido com os sistemas de áudio, onde são disponíveis amplificadores de
potência cada vez mais potentes, tocadores de disco a laser, sintonizadores digitais,
mas pouca coisa é feita em relação às caixas acústicas. As válvulas de controle,
como as caixas acústicas, parecem que não fazem parte do sistema; nem são
consideradas instrumentos.
O ponto colocado é: não adianta estratégia de controle avançada, algoritmos
digitais, otimização do controle se a prosaica válvula de controle não foi escolhida,
dimensionada, instalada e mantida adequadamente.
O objetivo deste trabalho é o de fornecer os conceitos básicos e mais importantes
para o engenheiro ou técnico envolvido na aplicação, seleção, especificação,
dimensionamento, instalação e manutenção de qualquer tipo de válvula de controle.
As sugestões, as criticas destrutivas e as correções são bem-vindas, desde que
tenham o objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto. Escrever para o autor
no endereço: Rua Carmem Miranda 52, A 903, CEP 41 820-230, Salvador, BA, pelo
telefone (0xx71) 452-3195, pelo Fax (0xx71) 452.4286 ou pelo e-mail
[email protected]
Marco Antonio Ribeiro
Salvador, Outono 2003
Autor
Marco Antônio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia de
Eletrônica blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá,
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Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA,
período da implantação do pólo petroquímico de Camaçari blablablá, blablablá,
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Fez vários cursos nos Estados Unidos e na Argentina e possui dezenas de
artigos publicados nas áreas de Instrumentação, Controle de Processo,
Automação, Segurança, Vazão e Metrologia e Incerteza na Medição blablablá,
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Desde 1987, é diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. blablablá,
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Válvulas de Controle
Conteúdo
1. CONSTRUÇÃO
1
Objetivos de Ensino 1
1. Introdução 1
1.1. Válvula no Processo Industrial 1 1.2. Definição de Válvula de Controle 1 1.3. Elemento Final de Controle 2 1.4. Funções da Válvula de Controle 3
2. Corpo 4 2.1. Conceito 4 2.2. Elemento de controle 4 2.3. Sede 5 2.4. Plug 5 2.5. Materiais 5 2.6. Conexões Terminais 7 2.7. Entradas e Saída 9 3. Castelo 10 3.1. Conceito 10 3.2. Tipos de castelos 10 3.3. Aplicações especiais 11 4. Métodos de Selagem 11 4.1. Vazamentos 12
4.2. Vazamento entre entrada e saída 12
5. Atuador 13
5.1. Operação Manual ou Automática 13 5.2. Atuador Pneumático 14 5.3. Ação do Atuador 14 5.4. Escolha da Ação 15 5.5. Forças atuantes 16 5.6. Mudança da Ação 16 5.7. Dimensionamento do Atuador 16 5.8. Atuador e Outro Elemento Final 17
2. DESEMPENHO
19
Objetivos de Ensino 19 1. Aplicação da Válvula 19 1.1. Introdução 19 1.2. Dados do Processo 19 1.3. Desempenho da Válvula 20 2. Característica da Válvula 20 2.1. Conceito 202.2. Características da Válvula e do Processo20 2.3. Relações Matemáticas 21 2.4. Característica de Igual Percentagem 21 2.5. Característica Linear 22 2.6. Característica de Abertura Rápida 23 2.7. Característica Instalada 23 2.8. Escolha da Característica 24 2.9. Linearização da Característica 25 2.10. Vazão do Corpo 26 2.11. Coeficiente de Resistência K 26 2.12. Coeficiente de Descarga 28 2.13. Resistência Hidráulica 28 3. Rangeabilidade 28 4. Controle da Válvula 29 4.1. Ganho 29 4.2. Dinâmica 30 4.3. Controlabilidade da Válvula 31 5. Vedação e Estanqueidade 32 5.1. Classificação 32 Vazamento 33 5.2. Vazamento 33 5.3. Válvulas de Bloqueio 33
3. APLICAÇÕES
34
Objetivos 34 1. Dados do Processo 34 1.1. Coleta de dados 34 1.2. Condições de Operação 35 1.3. Distúrbios 36 1.4. Tempo de resposta 37 1.5. Tubulação 37 1.6. Fatores ambientais 38 1.7. Documentação 38 1.8. Normas e Especificações 382. Válvula para Líquidos 39
2.1. Vazão ideal através de uma restrição
ideal 39
2.2. Vazão através da válvula 40 2.3. Tubulação não padrão 41
3. Válvula para Gases 44
3.1. Fluidos Compressíveis 44 3.2. Fator de expansão 45 3.3. Relação dos calores específicos 45 3.4. Fator de compressibilidade 45
4. DIMENSIONAMENTO
47
Objetivos de Ensino 47 1. Introdução 47 2. Coeficiente de vazão 48 2.1. Introdução 482.2. Dados para o cálculo 48 2.3. Uso das equações ISA 48
3. Queda de Pressão na Válvula 49
3.1. Introdução 49
3.2. Recomendações 50
3.3. Queda de pressão e vazão 50 3.4. Queda de pressão 51
4. Roteiro de dimensionamento 53
4.1. Vazão através da válvula 53
5. Válvula para líquidos 53
5.1. Líquido 53
5.2. Fatores de correção 53
5.3. Exemplo 1 56
Dados do processo 56
Solução 56
6. Válvulas para gases e vapores 57
6.1. Gases e líquidos 57 6.2. Equações de dimensionamento 57 6.3. Vazão crítica ou chocada 57
6.4. Fator da relação dos calores específicos58 6.5. Fator de expansão Y 58 6.6. Fator de compressibilidade Z 58 6.7 Ruído na válvula 58 6.8. Exemplo 2 59 Dados do processo 59 Solução 59 6. Curso da válvula 60 7. Considerações Adicionais 60
ISA S75.01-1985 (1995):
EQUAÇÕES DE VAZÃO PARA
DIMENSIONAR VÁLVULAS DE
CONTROLE
61
1. Escopo 61
2. Introdução 61
3. Nomenclatura 62
4. Fluido incompressível – vazão de líquido
não volátil 64
4.1. Equações para vazão turbulenta 64 4.2. Constantes numéricas 64 4.3. Fator de geometria da tubulação 64 4.4. Equações para vazão não turbulenta 65
5. Fluido incompressível – vazão chocada de
líquido volátil 66
5.1. Equações para vazão chocada de líquido66 5.2. Fator de recuperação de pressão do
líquido, FL 67
5.3. Fator de recuperação de pressão
combinado do líquido, FLP 67
6. Fluido compressível – vazão de gás e
vapor 67
6.1. Equações para vazão turbulenta 68 6.2. Constantes numéricas 68 6.3. Fator de expansão Y 69
6.4. Vazão chocada 69
6.5. Fator de relação de queda de pressão, xT69
6.5. Fator de relação de queda de pressão com redutores ou outras conexões, xT P 69
6.7. Fator de relação dos calores específicos,
Fk 70
Apêndice A – uso das equações de
vazão para dimensionamento de
válvulas
71
Apêndice B - derivação dos fatores
F
pe F
lp72
Apêndice C - variações de pressão
no sistema válvula de controle e
tubulação
74
Apêndice D: valores
representativos dos fatores de
capacidade da válvula
76
Apêndice E: fator do número de
Reynolds
77
Determinação do coeficiente de vazão requerido (Seleção do tamanho da válvula) 77
Previsão da vazão 78
Previsão da queda de pressão 78
Apêndice F: equações para vazão
de líquido não turbulenta
80
Problema 1. 81
Problema 2 81
Problema 3 82
Apêndice G: fator de relação de
pressão crítica do líquido, F
F83
Apêndice H: derivação de x
t84
Apêndice I: equações da vazão da
válvula de controle - Notação SI 85
Equações para líquido 85 Equações para gás e vapor 86
Apêndice J: referências
87
International Electrotechnical Commmission (IEC) 87 ISA 875. RUÍDO E CAVITAÇÃO
88
Objetivos de Ensino 88 1. Ouvido humano 88 2. Som e ruído 89 3. Ruído da Válvula 89 Vibração mecânica 90 Ruído hidrodinâmico 90 Ruído aerodinâmico 91 4. Controle do Ruído 92 Tratamento do caminho 92 Tratamento da fonte 935. Previsão do ruído da válvula 94
Cálculo da ruído na válvula 94 Exemplos de cálculo de ruído 95
6. Cavitação 99
6.1. Geral 99
1.2. Cavitação na válvula 100
4. Velocidade do fluido na válvula 102
4.1. Introdução 102
4.2. Projeto do trim 103 4.3. Erosão por cavitação 103 4.4. Erosão por abrasão 103
4.5. Ruído 103 4.6. Vibração 104 3. Golpe de Aríete 104
6. INSTALAÇÃO
106
Objetivos de Ensino 106 1. Instalação da Válvula 106 1.1. Introdução 106 1.2. Localização da Válvula 106 1.3. Cuidados Antes da Instalação 106 1.4. Alívio das Tensões da Tubulação 1071.5. Redutores 107 1.6. Instalação da Válvula 107 1.7. Válvula Rosqueada 107 1.8. Válvula Flangeada 108 2. Acessórios e Miscelânea 108 2.1. Operador Manual 108 2.2. Posicionador 109 2.3. Booster 110
2.4. Chaves fim de curso 111 2.5. Conjunto Filtro Regulador 111 2.6. Transdutor Corrente para Ar 112 2.7. Relés de Inversão e de Relação 112
3. Tubulação 113
3.1. Classificação dos Tubos 113 3.2. Diâmetros dos Tubos 114 3.3. Espessuras Comerciais 114 3.4. Aplicações dos Tubos 114
3.5. Conexões 115
3.6. Velocidade dos Fluidos 115 3.7. Dimensionamento da Tubulação 116 3.8. Válvula com Redução e Expansão 116
7. CALIBRAÇÃO, AJUSTE E
MANUTENÇÃO
118
1. Calibração e Ajuste 118
1.1. Ajuste de Bancada 118 1.2. Ajuste do Curso da Válvula 119 1.3. Calibração do Posicionador 120 1.4. Montagem e Desmontagem 122
2. Manutenção 123
2.1. Conceitos gerais 123 2.2. Procedimento típico de manutenção 123
3. Pesquisa de Defeitos (Troubleshooting) 124
3.1. Erosão do corpo e dos internos 124 3.2. Vazamento entre sede e obturador 124 3.3. Vazamento entre anel da sede e o corpo124 3.4. Vazamento na caixa de gaxetas 124 3.5. Desgaste da haste 125 3.6. Vazamento entre castelo e corpo 125 3.7. Haste quebrada ou conexão da haste
quebrada 125
3.8. Vazamento excessivo através do selo do
pistão 125
3.9. Válvula não responde ao sinal 125 3.10. Válvula não atende o curso total 126 3.11. Curso da válvula lento e atrasado 126
8. TIPOS DE VÁLVULAS
130
Objetivos de Ensino 130 1. Parâmetros de Seleção 130 1.1. Aplicação da Válvula 130 1.2. Função da Válvula 131 1.3. Fluido do Processo 131 1.4. Perdas de Carga 131 1.5. Condições de Operação 131 1.6. Vedação 131 1.7. Materiais de Construção 132 1.8. Elemento de Controle da Vazão 1322. Tipos de Válvulas 133 3. Válvula Gaveta 135 3.1. Válvula Gaveta 136 3.2. Custo 136 3.3. Característica de vazão 136 3.4. Descrição 136 3.5. Vantagens 137 3.6. Desvantagens 137 3.7. Aplicações 138 4. Válvula Esfera 139 4.1. Válvula Esfera 140 4.2. Custo 140 4.3. Característica 140 4.4. Descrição 141 4.5. Vantagens 142 4.6. Desvantagens 143 4.7. Aplicações 143 5. Válvula Borboleta 144 5.1. Válvula Borboleta 145 5.2. Custo 145 5.3. Característica 145 5.4. Descrição 146 5.5. Vantagens 147 5.6. Desvantagens 147 5.7. Aplicações 147 5.8. Supressão do ruído 147 5.9. Válvula Swing 148 6. Válvula Globo 149 6.1. Válvula Globo 150 6.2. Custo 150 6.3. Característica 151 6.4. Descrição 151 6.4. Trim 152 6.5. Haste 153 6.6. Castelo 153 6.7. Corpo 155 6.8. Conexões 158 6.9. Materiais de construção 158 6.10. Vantagens 159 6.11. Desvantagens 159 6.12. Aplicações 159 7. Válvula Diafragma 160 7.1. Introdução 161 7.2. Custo 161 7.3. Característica 161 7.1. Descrição 161 7.4. Vantagens 162 7.5. Desvantagens 162 7.6. Aplicações 162 7.7. Válvula Pinch 162
8. Válvula Macho (Plug Furado) 163
8.1. Válvula Macho (Plug) 164
8.2. Custo 164 8.3. Característica 164 8.4. Descrição 165 8.5. Vantagens 165 8.6. Desvantagens 165 8.7. Aplicação 165
9. VÁLVULAS ESPECIAIS
166
Objetivos de Ensino 166 1. Introdução 166 2. Válvula de Retenção 166 2.1. Conceito 1662.2. Válvula de Retenção a Portinhola 166 2.3. Válvula a Levantamento 167 2.4. Válvula de Retenção Tipo Esfera 168 2.6. Válvula de Retenção e Bloqueio 168
2.7. Aplicações 168
3. Válvula de retenção de excesso de vazão169
4. Válvula Auto-Regulada 171 4.1. Conceito 171 4.2. Vantagens do Regulador 172 4.3. Desvantagens do Regulador 172 4.4. Regulador de Pressão 172 4.5. Regulador de Temperatura 174 4.6. Regulador de Nível 174 4.7. Regulador de Vazão 176
5. Válvula Redutora de Pressão 176
5.1. Conceito 176
5.2. Precisão da Regulação 177 5.3. Sensibilidade 177 5.4. Seleção da Válvula Redutora de Pressão177
5.5. Instalação 177 5.6. Operação 178 5.7. Manutenção 178 6. Válvula Solenóide 179 6.1. Solenóide 179 6.2. Válvula Solenóide 179 6.3. Operação e Ação 179 6.4. Invólucros da Solenóide 180
10. VÁLVULA DE ALÍVIO E
SEGURANÇA
182
1. Princípios básicos 182 1.1. Introdução 182 1.2. Objetivo 182 1.3. Terminologia 183 1.4. Normas 185 2. Projeto e Construção 187 2.1. Princípio de Operação 187 2.2. Válvula com mola 187 2.4. Válvulas com piloto 190 2.5. Operação prática 191 3. Dimensionamento 196 3.1. Introdução 196 4. Sobrepressão e Alívio 198 4.1. Introdução 198 4.2. Condições de Fogo 199 4.3. Fatores ambientais 201 4.4. Condições de processo 202 5. Instalação 205 5.1. Introdução 205 5.2. Metodologia 206 5.3. Aplicação no Reator 209 5.4. Práticas de instalação 210 5.5. ASME Unfired Pressure Vessel Code 21311. TERMINOLOGIA
216
1.Escopo 216
2. Classificação 216
Ação 219
Acessório 219
Altura de velocidade (velocity head) 220 Amortecedor (Snubber) 220 AOV 220 ARC 220 Atuador 220 Automática 221 Av 221 Backlash 221
Back Pressurre (contrapressão) 221
Banda morta 221
Bench Set 221
Blowdown 221
Bomba 221
Booster, Relé booster de sinal 222
Bucha (Gaxeta) 222
Bypass 222
Calor específico 222
Característica da vazão 223 Carga viva 223 Castelo 223 Cavidade do corpo 224 Cavitação 224 Chave 225 Ciclos da vida 225 Cilindro 225
Classe ANSI (American National Standards
Institute) 226 Coeficiente de Bernoulli 226 Coeficiente de descarga 226 Coeficiente de resistência 226 Coeficiente de vazão (CV ) 226 Compressível e lncompressível 226 Compressor 226 Conexão terminal 226 Corpo 227
Curso (travel, stroke) 227 Desbalanceada, Dinâmica 228 Desbalanceada, Estática 228 Diafragma 228 Disco 228 Disco de Ruptura 229 Distúrbio 229 Drift (desvio) 229 Eixo 229 Elemento de Fechamento 229 Elemento final de controle 230 Emperramento (stiction) 230 Entrada 230 Equipamento Adjacente 230 Equipamento Auxiliar 230 Estados correspondentes 230 Exatidão (accuracy) 231 Falha 231 Fator de compressibilidade 231 Fator de Recuperação da Pressão (FL) 231 Fechamento na extremidade morta 231 Fim de curso mecânico 231 Flacheamento (Flashing) 231
Flange 232
Gaiola 232
Ganho da válvula de controle 232
Gás ideal 232 Gaxeta 232 Golpe de Aríete 232 Guia 232 Haste 233 Histerese 233 Indicador do curso 233 Kv 233 Lift 233 Linearidade 233 Manual 233 Modulação 234 MOV 234 Número de Reynolds 234 Obturador 234
Orifício de Controle da Vazão 234
OSHA 234 Override do sinal 234 Pedestal (yoke) 234 Pistão 234 Plaqueta de dados 235 Posicionador 235 Precisão (precision) 235 Pressão 236 Queda de pressão 236 Rangeabilidade da válvula 237 Recuperação 237 Redutor e Expansão 237 Resistência Hidráulica 238 Resolução 238 Rosca 238 Rotatória 238 Ruído 238 Schedule da Tubulação 238 Sede 238 Selos da Haste 239 Sensitividade 239 Sobrepressão 239 Suprimento 239 Temperatura crítica 240 Tempo de curso 240 Transdutor 240 Trim 240 Troubleshooting 241 3. Tubulação 241 Válvula 241
Válvula de pé (Foot valve) 245
Vazão 246 Vazamento (leakage) 247 Via (port) 247 Vedação 247 Vena contracta 248 Volante (handwheel) 248
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
249
1. Construção
Objetivos de Ensino
1. Mostrar as principais funções da válvula na indústria de processo. 2. Listar as principais sociedades
técnicas e associações que
elaboram e distribuem normas sobre válvulas.
3. Apresentar as funções da válvula de controle na malha de controle do processo.
4. Descrever fisicamente as partes constituintes da válvula de controle típica.
5. Mostrar todos os tipos disponíveis de castelo da válvula.
6. Apresentar as características e aplicações dos principais atuadores de válvula.
1. Introdução
1.1. Válvula no Processo Industrial
Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de processo químico se referem à compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação. É um mercado estável de aproximadamente US$ 2 bilhões por ano.As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais são as seguintes:
1. serviço de liga-desliga
2. serviço de controle proporcional 3. prevenção de vazão reversa 4. controle e alivio de pressão 5. especiais:
a) controle de vazão direcional b) serviço de amostragem c) limitação de vazão
d) selagem de saídas de vasos De todas estas aplicações, a mais comum e importante se relaciona com o controle automático e contínuo do processo.
1.2. Definição de Válvula de Controle
Várias entidades e comitês de normas já tentaram definir válvula de controle, mas nenhuma definição é aceita universalmente. Algumas definições exigem que a válvula de controle tenha um atuador acionado
externamente. Por esta definição, a válvula reguladora auto-atuada pela própria energia do fluido manipulado não é considerada válvula de controle mas inclui válvula solenóide e outras válvulas liga-desliga.
É polêmico considerar uma válvula liga-desliga como de controle, pois algumas definições determinam que a válvula de controle seja capaz de abrir, fechar e modular (ficar em qualquer posição intermediária), mas nem toda válvula de controle é capaz de prover vedação completa. Não há consenso do valor do vazamento que desqualifica uma válvula de controle.
Outra definição de válvula de controle estabelece que o sinal para o atuador da válvula venha de um controlador
automático. Porém, é aceito que o sinal de atuação da válvula pode vir de controlador, estação manual, solenóide piloto ou que a válvula seja também atuada manualmente.
Certamente, não há um limite claro entre uma válvula de controle e uma válvula de bloqueio com um atuador. Embora a válvula de bloqueio não seja usada para trabalhar em posição intermediária e a válvula de controle não seja apropriada para dar vedação total, algumas válvulas de bloqueio
podem modular e algumas válvulas de controle podem vedar. Mesmo assim, há um enfoque diferente para as duas válvulas, de bloqueio e de controle. A válvula de controle é projetada e construída para operar
modulando de modo contínuo e confiável com um mínimo de histerese e atrito no engaxetamento da haste. A vedação total é apenas uma opção extra. A válvula de bloqueio é projetada e construída para operar ocasional ou periodicamente. O selo da haste não precisa ser tão elaborado como o da válvula de controle. Atrito, histerese e guia da haste são de pouca importância para a válvula de bloqueio e muito importantes para a de controle.
As equações de vazão de uma válvula de controle se aplicam igualmente a uma válvula manual, porém há também enfoques diferentes no projeto das duas válvulas. A válvula solenóide não é considerada válvula de controle contínuo, mas um acessório.
Fig. 1.1. Válvula de controle (Fisher)
1.3. Elemento Final de Controle
A malha de controle a realimentação negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medição para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de saída para atuar no elemento final de controle. O elemento final decontrole manipula uma variável, que influi na variável controlada, levando-a para valor igual ou próximo do ponto de ajuste.
Por analogia ao corpo humano, pode-se dizer que o elemento sensor da malha de controle é o nervo, o controlador funciona como o cérebro e a válvula constitui o músculo.
O controle pode ser automático ou manual. O controle manual pode ser remoto ou local. A válvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de
conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador, tem-se o controle
automático da válvula. Quando o sinal de controle é gerado manualmente pelo operador de processo, através de uma estação manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da válvula.
Há vários modos de manipular as vazões de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade variável, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porém, o modo mais simples é por meio da válvula de controle.
O controle pode ser feito de modo continuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica, a válvula pode assumir, de modo estável, as infinitas posições entre totalmente fechada e
totalmente aberta. Na filosofia digital ou liga-desliga, a válvula só fica em duas posições discretas: ou totalmente fechada ou
totalmente aberta. O resultado do controle é menos satisfatório que o obtido com o controle proporcional, porém, tal controle pode ser realizado através de chaves manuais, chaves comandadas por pressão (pressostato), temperatura (termostato),
nível, vazão ou controladores mais simples. Neste caso, a válvula mais usada é a solenóide, atuada por uma bobina elétrica.
O sinal de controle que chega ao atuador da válvula pode ser pneumático ou
eletrônico. A válvula de controle com atuador pneumático é o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentação eletrônica, analógica ou digital, a válvula com atuador pneumático ainda é o elemento final mais aplicado. Ainda não se projetou e construiu algo mais simples, confiável, econômico e eficiente que a válvula com atuador pneumático. Ela é mais usada que as bombas dosadoras, alavancas, hélices, basculantes, motores de passo e atuadores eletromecânicos.
Há quem considere o elemento final de controle o gargalo ou o elo mais fraco do sistema de controle. Porém, as exigências do processo químico são plenamente satisfeitas com o desempenho da válvula com atuador pneumático.
Fig. 1.2. Malha de controle com válvula
1.4. Funções da Válvula de Controle
Uma válvula de controle deve:1. Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e
contaminantes do fluido.
2. Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte
em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula. 3. Variar a área de passagem do fluido
manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura, para atender as necessidades do processo. 4. Absorver a queda variável da pressão
da linha, para compensar as variações de pressão a montante ou a jusante dela. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver uma queda de pressão controlável.
Fig. 1.3. Símbolos de uma malha de controle
A válvula de controle age como uma restrição variável na tubulação do processo. Alterando a sua abertura, ela varia a
resistência à vazão e como conseqüência, a própria vazão. A válvula de controle está ajustando a vazão, continuamente, (throttling).
Depois de instalada na tubulação e para poder desempenhar todas as funções requeridas à válvula de controle deve ter corpo, atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter acessórios opcionais que facilitam e otimizam o seu desempenho, como posicionador, booster, chaves, volantes, transdutores e relé de inversão.
Atualmente já são comercialmente disponíveis válvulas inteligentes de
controle, baseadas em microprocessadores. XIC
XT
XV
XE
O projeto incorpora em um único
instrumento a válvula, atuador, controlador, alarmes e as portas de comunicação digital. As interfaces de comunicação incluem duas portas serial, RS-422, para ligação com computador digital; Várias (até 16) válvulas podem ser ligadas ao computador.
Fig.1.4. Válvula com corpo, castelo e atuador
2. Corpo
2.1. Conceito
O corpo ou carcaça é a parte da válvula que é ligada à tubulação e que contem o orifício variável da passagem do fluido. O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador pneumático. A posição relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazão do fluido que passa pelo corpo da válvula, variando a queda de pressão através da válvula.
No corpo estão incluídos a sede, obturador, haste, guia da haste,
engaxetamento e selagem de vedação. Chama-se trim todas as partes da válvula que estão em contato com o fluido do processo ou partes molhadas, exceto o corpo, castelo, flanges e gaxetas. Em uma válvula tipo globo, o trim inclui haste, obturador, assento, guias, gaiola e buchas.
Em válvulas rotatórias, o trim inclui o membro de fechamento, assento, haste, suportes e gaxetas. Assim, o trim da válvula está relacionado com:
1. abertura, fechamento e modulação da vazão
2. característica da válvula (relação entre a abertura e a vazão que passa através da válvula)
3. capacidade de vazão (Cv) da válvula 4. diminuição das forças indesejáveis na
válvula, como as que se opõem ao atuador, as que tendem a girar ou vibrar as peças ou as que impõem pesadas cargas nos guias e suportes
5. fatores para minimizar os efeitos da erosão, cavitação, flacheamento (flashing) e corrosão.
2.2. Elemento de controle
As válvulas podem ser classificadas em dois tipos gerais, baseados no movimento do dispositivo de fechamento e abertura da válvula:
1. deslocamento linear 2. rotação angular
Fig. 1.5. Válvula globo com movimento linear do elemento de controle (haste)
A válvula com elemento linear possui um obturador (plug) preso a uma haste que se desloca linearmente em uma cavidade variando a área de passagem da válvula.
Esta cavidade se chama sede da válvula. A válvula globo é um exemplo clássico de válvula com deslocamento linear.
A válvula com elemento rotativo possui uma haste ou disco que gira em torno de um eixo, variando a passagem da válvula. A válvula borboleta e a esfera são exemplos de válvulas com elemento rotativo.
Fig. 1.6. Válvula borboleta com movimento rotativo do elemento de controle (haste)
2.3. Sede
A sede da válvula é onde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede é que estabelece a abertura da válvula. A válvula de duas vias pode ter sede simples ou dupla.
Na válvula de sede simples há apenas um caminho para o fluido passar no interior da válvula. A válvula de sede simples é excelente para a vedação, porém requer maior força de fechamento/abertura. A válvula de sede dupla, no interior da qual há dois caminhos para o fluxo, geralmente apresenta grande vazamento, quando totalmente fechada. Porém, sua vantagem é na exigência de menor força para o
fechamento/abertura e como conseqüência, utilização de menor atuador.
Há válvula especial, com o corpo divido (split body), usada em linhas de processo onde se necessita trocar freqüentemente o plug e a sede da válvula, por causa da corrosão.
(a) Sede simples (b) Sede dupla Fig. 1.7. Número de sedes da válvula
2.4. Plug
O plug (obturador) da válvula pode assumir diferentes formatos e tamanhos, para prover vazamentos diferentes em função da abertura. Cada figura geométrica do obturador corresponde a uma
quantidade de vazão em função da posição da haste (abertura da válvula). Os formatos típicos fornecem características linear, parabólica, exponencial, abertura rápida.
(a) (b) (c) Fig. 1.8. Obturadores da válvula:
(a) Igual percentagem (b) Linear
(c) Abertura rápida
2.5. Materiais
As diversas peças da válvula necessitam de diferentes materiais compatíveis com sua função. Devem ser considerados os
materiais do
3. revestimentos 4. engaxetamento 5. selo
Corpo
Como a válvula está em contato direto com o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido.
A parte externa do corpo da válvula (em contato com a atmosfera do ambiente) é metálica, geralmente ferro fundido, aço carbono cadmiado, aço inoxidável AISI 316, ANSI 304, bronze, ligas especiais para altas temperatura e pressão e resistentes à corrosão química. O material do corpo de válvula que opera em baixa pressão pode ser não metálico: polímero, porcelana ou grafite.
As partes internas, (aquelas que estão em contato com o fluido e são o interior do corpo, sede, obturador, anéis de
engaxetamento e vedação) também devem ser de material adequado.
Uma válvula de controle desempenha serviço mais severo que uma válvula manual, mas os materiais para suportar a corrosão podem ser os mesmos. Se o material é satisfatório para a válvula manual, também o é para a válvula de controle. A experiência anterior em uma dada aplicação é o melhor parâmetro para a escolha do material. A corrosão é um
processo químico complexo, que é afetada pela concentração, temperatura, velocidade, aeração e presença de íons de outras substâncias. Há tabelas guia de
compatibilidade de materiais e produtos típicos. Como exemplos
1. o aço inoxidável tipo 17 4pH é resistente à corrosão de água comum mas é corroído pela água desmineralizada pura.
2. O titânio é excelente para uso com cloro molhado mas é atacada pelo cloro seco. 3. O aço carbono é satisfatório para o
cloro seco mas é atacada rapidamente pelo cloro molhado.
Fig. 1.9. Partes internas ou molhadas da válvula
Por isso, não há substituto para a experiência real de processos menos
comuns. O pior da corrosão é que o material corrosivo pode ser também perigoso e não deve ser vazado para o ambiente exterior. O sulfeto de hidrogênio (H2S) pode causar quebras em materiais comuns da válvula, resultando em vazamentos. Porém o H2S é também letal.
Além da corrosão, fenômeno químico, deve ser considerada a erosão, que é um fenômeno físico associado com a alta velocidade de fluidos abrasivos. Um material pode ser resistente à corrosão de um fluido com processo, mas pode sofrer desgaste físico pela passagem do fluido em alta velocidade e com partículas abrasivas. Internos
As partes do trim (sede, plug, haste) estão em contato direto com o fluido do processo. Pelo seu formato, elas devem ser de material torneável e o aço inoxidável é o material padrão para válvulas globo e gaveta. Para aplicações com alta temperatura e fluidos corrosivos, são usadas ligas especiais como aço 17-4pH, ANSI 410 ou ANSI 440C e ligas
proprietárias como stellite, hastelloy, monel e inconel.
Revestimento
Às vezes, o material que suporta alta pressão é incompatível com a resistência à corrosão e por isso devem ser usados materiais diferentes de revestimento, como elastômeros, teflon (não é elastômero),
vidro, tântalo e borracha. Estes materiais são usados para encapsulamento ou como membros flexíveis de vedação.
A válvula deve ser revestida quando o material molhado é muito caro, como os metais nobres e o tântalo. Para ser possível o revestimento, o corpo da válvula deve ter um formato simples. Sempre está surgindo material sintético diferente para suportar temperaturas e pressões cada vez maiores.
A vida útil de um material de
revestimento depende de vários fatores: concentração, temperatura, composição e velocidade do fluido, composição do elastômero, seu uso na válvula e qualidade da mão de obra em sua instalação.
O teflon é usado como material de selo para válvulas rotatórias e globo e para revestimento e encapsulamento de válvula esfera e borboleta. O teflon é atacado somente por metais alcalinos derretidos, como cloro ou flúor sob condições especiais. Praticamente, ele não tem problema de corrosão. As características notáveis do teflon são:
1. O teflon é um plástico e não é um elastômero.
2. Quando deformado, ele se recupera muito lentamente.
3. Ele também não é resiliente como um elastômero.
4. Ele é pouco resistente à erosão. 5. A sua faixa nominal de aplicação é de –
100 a 200 oC.
Há alguns problemas com o revestimento de válvulas. O vácuo é especialmente ruim para o revestimento e raramente se usam revestimentos com pressão abaixo da atmosférica. Os revestimentos devem ser finos e quando sujeitos a abusos, eles são destruídos rapidamente. Como o diâmetro da válvulas é tipicamente menor que o diâmetro da tubulação, as velocidades no interior da válvula são maiores que a velocidade na tubulação. Qualquer falha de revestimento deixa o metal base exposto à corrosão do fluido da linha, resultando em falha repentina da linha.
Fig. 1.10. Válvula com revestimento interno
2.6. Conexões Terminais
A válvula é instalada na tubulação através de suas conexões. O tipo de conexões terminais a ser especificado para uma válvula é normalmente determinado pela natureza do sistema da tubulação em que a válvula vai ser inserida. Uma válvula de 4” (100 mm) é a que tem conexões para ser montada em uma tubulação com diâmetro de 4” (100 mm). Geralmente o diâmetro das conexões da válvula é menor que o diâmetro da tubulação onde a válvula vai ser montada e por isso é comum o uso de redutores.
As conexões mais comuns são: flangeadas, rosqueadas, soldadas. Há ainda conexões especiais e proprietárias de determinados fabricantes. Os fatores
determinantes das conexões terminais são: tamanho da válvula, tipo do fluido, valores da pressão e temperatura e segurança do processo.
Conexão rosqueada
As conexões rosqueadas são usadas para válvulas pequenas, com diâmetros menores que 2" ou 4". A linha possui a rosca macho e o corpo da válvula a rosca fêmea. É econômico e simples e muito adequado para pequenos tamanhos.
As conexões rosqueadas podem se afrouxar quando se tem temperatura elevada com grande faixa de variação ou quando a instalação está sujeita à vibração mecânica. As roscas em aço inoxidável tendem a se espanar, quando conectadas a outros materiais e isso pode ser evitado com o uso de graxas especiais.
Fig. 1.11. Válvula com conexões rosqueadas Conexão por solda
O corpo da válvula pode ser soldado diretamente à linha. Este método é pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido. Os dois tipos principais de solda são: de topo e soquete (mais eficiente). Os materiais e procedimentos de solda devem ser cuidadosamente controlados e devem ser usados alívios de tensão mecânica.
Fig. 1.12. Válvula com conexões soldadas Conexão por flange
Conectar o corpo da válvula à
tubulação através do conjunto de flanges, parafusos e porcas é o método mais utilizado para válvulas maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI deve ser compatível com a pressão do processo. Alguns usuários especificam um mínimo de 1” para o diâmetro mínimo da válvula para ela ter conexão flangeada.
As dimensões do flange são
padronizadas para diferentes materiais e
classes. Se o corpo da válvula e da
tubulação são de materiais diferentes ou se um ou ambos são revestidos, o problema de adequação deve ser cuidadosamente examinado. Por exemplo, o corpo de uma válvula em ferro fundido pode ter um flange de classe 125 e a tubulação de aço pode ter um flange de classe 150. Os furos dos parafusos se encaixam, mas os flanges de ferro possuem faces planas e os de aço possuem faces ressaltadas. Os flanges de aço são feitos de face ressaltada para dar alta força na gaxeta. Os flanges de ferro não podem ter faces ressaltadas porque o ferro é quebradiço quando submetido a alta força imposta pela face ressaltada. A solução é tirar a face ressaltada do flange de aço, tornando-o também de face plana.
A classe ANSI 150 (chamada de 150 libras) não significa que a conexão é
limitada à pressão de 1000 kPa (150 psi). O limite de pressão é determinado pela
temperatura de operação e pelo material ASTM do flange. Por exemplo, um aço especificado para 285 psig e 50 oC só pode ser usado em 140 psi quando exposto a 300 o
C.
A especificação de flanges e gaxetas está além do presente trabalho. Apenas, os flanges de aço com fase ressaltada vem com gaxetas e canaletas, que podem ser concêntricas ou fonográficas. Acima de 600 psi, os flanges são usados com anéis de junção (RTJ – ring type joint).
Há ainda conexões especiais
proprietárias, como Graylock, que podem manipular pressão de até 10 000 psi e são muito mais leves que o flange ANSI
equivalente.
Fig. 1.14. Classes de flange versus temperatura e pressão para aço carbono
Fig. 1.15. Válvula de 4 vias flangeada Conexão wafer
Algumas válvulas possuem faces lisas, em flange e são instaladas sanduíchadas entre dois flanges da tubulação. São chamadas de wafer e foram usadas inicialmente em válvula borboleta estreita. Atualmente, há válvula com corpo longo e conexões wafer.
Devem ser tomados cuidados com os parafusos, gaxetas, compressão, expansão e contração dos materiais envolvidos. Recomenda-se o uso de torquímetro para apertar os parafusos e não se deve usar este tipo de conexão em processos com temperatura muito alta, muito baixa ou grande variação.
A vantagem da conexão tipo wafer é a ausência de flange na válvula, reduzindo peso e custo. Também não há problema de
compatibilidade e ela pode ser inserida entre dois flanges de qualquer tipo.
A desvantagem inclui os problemas potenciais de vazamento e por isso
equipamentos com conexões tipo wafer são considerados politicamente incorretos.
Fig. 1.16. Válvula borboleta com tomada tipo wafer
2.7. Entradas e Saída
A válvula de duas vias é a que tem duas conexões: uma de entrada e outra de saída. A válvula de duas vias é a mais usada. Há aplicações de mistura ou divisão, que requerem válvulas com três vias: 1. duas entradas e uma saída (mistura ou
convergente)
2. uma entrada e duas saídas (divisão ou divergente)
A diferença na construção é que a força do fluido é feita para agir em uma direção tendendo a abrir ambos os obturadores em cada caso, dando uma estabilidade
Fig. 1.17. Válvula liga-desliga de 2 vias
Fig. 1.18. Válvula de controle de 2 vias
Fig. 1.19. Diferentes configurações de válvula de três vias
Fig. 1.20. Esquema de válvula de 4 vias
Fig. 1.21. Vista de uma válvula de 4 vias
3. Castelo
3.1. Conceito
O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula ao atuador e completa o fechamento do corpo. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. O castelo também pode fornecer a principal abertura para a cavidade do corpo para o conjuntos das partes internas ou ele pode ser parte integrante do corpo da válvula. É fundamental que a conexão do castelo forneça um bom alinhamento da haste, obturador e sede e que ela seja robusto suficientemente para suportar as tensões impostas pelo atuador. Porém, há válvulas que não possuem castelo.
Normalmente, é necessário remover o castelo para ter acesso ao assento da válvula e ao elemento de controle da vazão, para fins de manutenção.
3.2. Tipos de castelos
Os três tipos básicos de castelo são: 1. aparafusado
2. união 3. flangeado.
O castelo e corpo rosqueados
constituem o sistema mais barato e é usado apenas em pequenas válvulas de baixa pressão.
O castelo preso ao corpo por uma união é usado em válvulas maiores ou para válvulas pequenas com alta pressão, permitindo uma vedação melhor que a do castelo rosqueado.
O sistema com castelo flangeado é o mais robusto e permite a melhor vedação, sendo usado em válvulas grandes e em qualquer pressão.
O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo que não haja vazamento do interior da válvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificação do movimento da haste e prover vedação, usam-se caixas de engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificação periódica. Os materiais típicos de engaxetamento incluem:
teflon, asbesto, grafite e a combinação deles (asbesto impregnado de teflon, asbesto grafitado).
Fig.1.22. Castelo com flange aparafusado e engaxetamento padrão
O comprimento do castelo padrão é suficiente apenas para conter a caixa de engaxetamento.
3.3. Aplicações especiais
Quando a aplicação envolvetemperatura muito baixa (criogênica), para evitar a formação de gelo da umidade condensada da atmosfera em torno da haste e da caixa de engaxetamento, o castelo estendido deve
1. ter um comprimento muito maior que o normal, para ser mais aquecido pelo ambiente
2. ter engaxetamento com materiais especiais (semimetálicos) e 3. possuir aletas horizontais, que
aumentem a área de troca de calor, facilitando a transferência de energia entre o processo e a atmosfera externa
Fig. 1.23. Castelo alongado para baixas temperaturas
Quando a aplicação envolver
temperatura muito alta, usa-se também um castelo especial, com comprimento maior que o normal e com aletas, para baixar a temperatura da caixa de engaxetamento. Atualmente, os castelos aletados estão em desuso, pois é comprovado que o castelo plano estendido é tão eficiente quanto o aletado, para aplicações com líquidos e gases. Para um vapor condensante, a temperatura não é afetada, a não ser que válvula seja equipada com um selo baixo ou esteja montada de cabeça para baixo, o que não é recomendado.
Em aplicações onde se quer vedação total ao longo da haste, pois o fluido do processo é tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole.
Fig. 1.24. Castelo para aplicações de alta temperatura
4. Métodos de Selagem
Há dois locais onde a válvula deve ter selos para prover vedação:
1. de sua entrada e para a saída ou vice-versa, quando ela estiver na posição fechada
2. de seu interior para o exterior, quando ela estiver com pressão estática maior que a atmosférica ou do exterior para seu interior, quando se tem vácuo no corpo da válvula.
Fig. 1.25. Castelo selado com fole usado em aplicações com fluidos tóxicos e flamáveis
4.1. Vazamentos
Para não haver vazamento de dentro da válvula para fora, deve haver selagem entre
1. o plug da válvula e a sede,
2. entre a haste e o engaxetamento do castelo,
3. nas conexões da válvula com a tubulação e
4. onde o castelo se junta ao corpo da válvula.
Por causa do movimento envolvido, a selagem na haste é a mais difícil de ser conseguida. O método mais comum de selagem da haste é o uso de uma caixa de enchimento, contendo um material flexível de engaxetamento, como grafite e asbesto, teflon e asbesto, teflon . O engaxetamento pode ser sólido, com teflon granulado, fibras de asbesto.
Fig. 1.26. Caixa de engaxetamento com lubrificador e válvula de isolação
De modo a reter a pressão do fluido dentro da válvula, é necessário comprimir o engaxetamento, por meio de uma porca ou plug. Este tipo de selo requer inspeções periódicas e manutenção. Invariavelmente, se uma válvula fica sem operar durante longo período de tempo, a porca da caixa deve ser apertada, quando a válvula é operada, senão ocorrerá vazamento.
Quando se quer uma válvula sem possibilidade de vazamento para o exterior, deve-se usar válvula sem engaxetamento, como a válvula com diafragma entre o castelo e o corpo da válvula. O diafragma é acionado por um componente compressor, fixado na extremidade da haste e que também age como elemento de controle da vazão.
Outro tipo de válvula sem
engaxetamento emprega um fole metálico, no lugar do diafragma flexível. Estas
válvulas são apropriadas para operação sob alto vácuo. Uma caixa de enchimento é normalmente usada acima do fole, para evitar vazamento no caso da falha do fole.
4.2. Vazamento entre entrada e saída
Para que uma válvula não dê passagem de sua entrada para a saída, deve haver uma vedação entre o obturador e sua sede. Para prover um selo adequado contra a vazão do fluido do processo, quando a válvula estiver na posição
fechada, deve haver um fechamento firme e seguro entre o elemento de controle de vazão e o assento da válvula. Estes componentes devem ser projetados de modo que as variações de pressão e de temperatura e as tensões mecânicas provocadas pela tubulação não distorçam ou desalinhem as superfícies de selagem.
Em geral se empregam três tipos de selos:
1. contato metal-metal,
2. contato metal-material elástico, 3. contato metal-metal com revestimento
de material elástico
Com o advento dos plásticos, as válvulas se tornam disponíveis em uma variedade de plásticos. Os três tipos de selos continuam válidos, bastando substituir metal por plástico. A mesma analogia se aplica em
válvulas tendo interiores revestidos de vidro, teflon, borrachas.
A maior resistência é obtida de um selo metal-metal, mas pode haver desgaste e erosão do metal. O selo resiliente (elástico) é obtido pela pressão de uma superfície metálica contra uma superfície plástica ou de borracha. Este tipo de selo fornece um bloqueio total e é altamente recomendado para fluidos contendo sujeira, embora seja limitado a processos pouco rigorosos e com baixa pressão. As partículas sólidas, que podem ficar presas entre as superfícies de selagem, são forçadas e entram na
superfície macia e não interferem no fechamento da válvula. Quando se tem alta pressão, é conveniente o uso do selo metal-metal com revestimento resiliente.
5. Atuador
Atuador é o componente da válvula que recebe o sinal de controle e o converte em abertura modulada da válvula.
Os modos de operação da válvula dependem do seu tipo, localização no processo, função no sistema, tamanho, freqüência de operação e grau de controle desejado.
A atuação da válvula pode ser 1. manual
2. automática
Fig. 1.27. Atuador pneumático e mola
O atuador pode ser classificado, dependendo do tipo do dispositivo móvel, como
1. linear 2. rotativo.
Outra classificação útil do atuador é quanto à fonte de potência, que pode ser
1. pneumática, 2. elétrica 3. hidráulica.
5.1. Operação Manual ou Automática
A atuação manual pelo operador pode ser local ou remota. A atuação local pode ser feita diretamente por volante,engrenagem, corrente mecânica ou alavanca. A atuação manual remota pode ser feita pela geração de um sinal elétrico ou pneumático, que acione o atuador da válvula. Para ser atuada automaticamente a válvula pode estar acoplada a mola, motor elétrico, solenóide, servomecanismo, atuador pneumático ou hidráulico.
Freqüentemente, é necessário ou desejável operar automaticamente a válvula, de modo continuo ou através de liga-desliga. Atuação automática significa sem a intervenção direta do operador. Isto pode ser
conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios:
1. atuador pneumático ou hidráulico para operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de
liga-desliga,
3. motor elétrico para operação continua ou de liga-desliga.
Geralmente, um determinado tipo de válvula é limitado a um ou poucos tipos de
atuadores; quais sejam:
1. Válvulas de alivio e de segurança são atuadas por mola.
2. Válvulas de retenção são atuadas por mola ou por gravidade.
3. Válvulas globo de tamanho grande e com alta pressão de processo são atuadas por motores elétricos ou correntes mecânicas.
4. Válvulas de controle continuo são geralmente atuadas pneumaticamente. 5. Válvulas de controle liga-desliga são
atuadas através de solenóides. Geralmente estes mecanismos de operação da válvula são considerados acessórios da válvula.
5.2. Atuador Pneumático
Este tipo de operador, disponível com um diafragma ou pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de operação é o mesmo. O atuador pneumático, com diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal
pneumático padrão do controlador em força-movimento-abertura da válvula. O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte numa força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente a válvula de controle.
A função do diafragma é a de converter o sinal de pressão em uma força e a função da mola é a de retornar o sistema à posição original. Na ausência do sinal de controle, a mola leva a válvula para uma posição extrema, ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Operacionalmente, a força da mola se opõe à força do diafragma; a força do diafragma deve vencer a força da mola e as forças do processo.
Erradamente, se pensa que o atuador da válvula requer a alimentação de ar pneumático para sua operação; o atuador funciona apenas com o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi).
O atuador pneumático consiste simplesmente de um diafragma flexível colocado entre dois espaços. Uma das
câmaras deve ser vedada à pressão e na outra câmara ha uma mola, que exerce uma força contrária. O sinal de ar da saída do controlador vai para a câmara vedada à pressão e sua variação produz uma força variável que é usada para superar a força exercida pela mola de faixa do atuador e as forças internas dentro do corpo da válvula e as exercidas pelo próprio processo.
O atuador pneumático deve satisfazer basicamente as seguintes exigências: 1. operar com o sinal de 20 a 100 kPa (3 a
15 psig),
2. operar sem posicionador,
3. ter uma ação de falha segura quando houver problema no sinal de atuação, 4. ter um mínimo de histerese,
5. ter potência suficiente para agir contra as forças desbalanceadas,
6. ser reversível.
5.3. Ação do Atuador
Basicamente, há duas lógicas de operação do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola:
1. ar para abrir - mola para fechar, 2. ar para fechar - mola para abrir, Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja lógica de operação é: ar para abrir - ar para fechar.
Outra nomenclatura para a ação da válvula é falha-aberta (fail open), que equivale a ar-para- fechar e falha-fechada, que equivale a ar-para-abrir.
A operação de uma válvula com atuador pneumático com lógica de ar para abrir é a seguinte: quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula está desligada e na posição fechada. Quando a pressão de controle (típica de 20 a 100 kPa) começa a crescer, a válvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando não houver sinal de controle, a válvula vai imediatamente para a posição fechada, independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. Assim, o sinal de controle deve superar
1. a força da mola,
2. a força apresentada pelo fluido do processo,
3. os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento.
O atuador ar-para-abrir necessita de pressão para abrir a válvula. Para pressões menores que 20 kPa (3 psi) a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 20 kPa (3 psi), a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 100 kPa (15 psig). Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos (20 kPa x 0%) e (100 kPa x 100%) de abertura. A falha do sistema, ou seja, a ausência de pressão, deve levar a válvula para o fechamento total.
Uma válvula com atuação ar-para-fechar opera de modo contrario. Na ausência de ar e com pressões menores que 20 kPa (3 psig), a válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de pressões acima de 20 kPa (3 psig) e seu aumento, a válvula diminuirá sua abertura. Com a máxima pressão do controlador, de 100 kPa (15 psig), a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair para 0 kPa (0 psig), a válvula deve estar na posição totalmente aberta.
Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma especial, modo que a falta o ar de suprimento ao atuador faca a válvula se manter na última posição de abertura; tem-se a falha-última-posição.
5.4. Escolha da Ação
A primeira questão que o projetista deve responder, quando escolhendo uma válvula de controle é: o que a válvula deve fazer, quando faltar o suprimento da alimentação? A questão esta relacionada com a posição de falha da válvula.
A segurança do processo determina o tipo de ação da válvula:
1. falha-fechada (FC - fail close), 2. falha-aberta (FC - fail open), 3. falha-indeterminada (FI - fail
indetermined),
4. falha-última-posição (FL - fail last position).
Fig. 1.30. Forças atuantes na válvula ar para abrir compressão da mola sinal pneumático pressão da linha ar para fechar compressão da mola sinal pneumático pressão da linha pressão da linha pressão da linha
A segurança também implica no conhecimento antecipado das
conseqüências das falha de alimentação na mola, diafragma, pistão, controlador e transmissor. Quando ocorrer falha no atuador da válvula, a posição da válvula não é mais função do projeto do atuador, mas das forças do fluido do processo atuando no interior da válvula e da construção da válvula. As escolhas são 1. vazão-para-abrir (FTO - flow to open), 2. vazão-para-fechar (FTC - flow to close), 3. ficar na última posição (FB - friction
bound).
A ação vazão-para-fechar é fornecida pela válvula globo; a ação vazão-para-abrir é fornecida pela válvula borboleta, globo e esfera convencional. As válvulas com plug rotatório e esfera flutuante são típicas para ficar na última posição.
5.5. Forças atuantes
Os diagramas vetoriais mostram a representação esquemática das forças, quando a válvula é desligada, para os dois casos possíveis, de ar para abrir e ar para fechar, quando a vazão entra debaixo do obturador.
Quando a válvula abre, a força devida à pressão da linha diminui. Quando a válvula está fechada, esta força é máxima. Quando a válvula está totalmente aberta, a força devida à pressão da linha é muito dissipada e a força contra o obturador é desprezível. Em posições intermediárias, a força é também intermediária.
5.6. Mudança da Ação
Há vários modos de se inverter a ação de controle do sistema constituído de controlador, atuador e válvula de controle: 1. troca da posição do atuador, alternando
a posição relativa diafragma + mola. 2. alguns atuadores possuem uma
alimentação alternativa: o sinal pode ser aplicado em dois pontos possíveis, cada um correspondendo a uma ação de controle.
3. alteração do obturador + sede da válvula.
4. alteração do modo de controle, no próprio controlador. A maioria dos controladores possui uma chave seletora para a ação de controle: direta (aumenta medição, aumenta sinal de saída) e inversa (aumenta medição, diminui sinal de saída).
Fig. 1.31. Atuador reversível diafragma - mola
Na aplicação prática, deve se consultar a literatura técnica disponível e referente a todos os equipamentos: controlador, atuador e válvula, para se definir qual a solução mais simples, segura e flexível.
5.7. Dimensionamento do Atuador
O atuador pneumático deve ter um diafragma com área efetiva suficiente para permitir o fechamento contra a pressão da linha e uma mola com elasticidade suficiente para posicionar o obturador da válvula em resposta ao sinal contínuo da saída do controlador.
Há atuadores de diferentes tamanhos que dependem dos seguintes parâmetros:
1. pressão estática do processo, 2. curso da haste da válvula,
3. deslocamento da mola do atuador e 4. sede da válvula.
A força gerada para operar a válvula é função da área do diafragma, da pressão pneumática e da pressão do processo. Quanto maior a pressão do sinal
pneumático, menor pode ser a área do diafragma. Como normalmente o sinal de atuação é padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), geralmente o tamanho do diafragma depende da pressão do processo; quando maior a pressão do fluido do processo, maior deve ser a área do diafragma. O atuador pneumático da válvula funciona apenas com o sinal do controlador, padrão de 20 a 100 kPa. Ele não necessita do suprimento de ar de 120 a 140 kPa (20-22 psig).
O tamanho físico do atuador depende da pressão estática do processo e da pressão do sinal pneumático. A faixa de pressão mais comum é o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig); outra também usada é a de 40 a 200 kPa (6 a 30 psig). Os
fabricantes apresentam equações para dimensionar e escolher o atuador pneumático.
Os atuadores industriais, para o sinal de 100 kPa (15 psi), fornecem forças de atuação de 400 a 2000 N.
É importante saber que embora a saída linear de um controlador seja nominalmente 20 a 100 kPa (ou 60 200 kPa), a largura de faixa da saída disponível real é muito mais larga. A mínima saída é 7 kPa (0,5 psi) devida a algum vazamento do relé e a máxima saída é escolhida de 120 kPa (18 psi) para refletir as perdas da linha do controlador para a válvula. Assim, com uma alimentação de 140 kPa, a saída real varia de 7 a 120 kPa.
As duas regras para dimensionar um atuador, baseando-se na faixa real do sinal do controlador em 7 a 120 kPa (mais larga que a padrão de 20 a 100 kPa) são: 1. Se a ação é ar para abrir, a força
compressiva inicial da mola deve ser suficiente para superar o efeito da pressão da linha mais 30 kPa ou 25% da pressão inicial da mola teórica, a que for maior, para garantir um fechamento completo.
2. Se a ação é ar para fechar, a força inicial da mola tende a manter o obturador fora do assento. Por esta razão, deve-se ter uma pressão de 4 kPa aplicada no diafragma. Depois que a válvula estiver totalmente
sinal do controlador é usado para como força de assento.
5.8. Atuador e Outro Elemento Final
O atuador de válvula pode,excepcionalmente, ser acoplado a outro equipamento que não seja a válvula de controle. Assim, é comum o uso do atuador pneumático associado a cilindro, basculante e bóia. Mesmo nas combinações que não envolvem a válvula, o atuador é ainda acionado pelo sinal pneumático padrão do controlador. A função do atuador continua a de converter o sinal de 20 a 100 kPa em força que pode provocar um movimento.
Fig. 1.32. Posicionador e transdutor i/p integral
Mesmo em sistema com instrumentação eletrônica, com controladores eletrônicos que geral 4 a 20 mA cc, a norma é se usar o atuador pneumático com diafragma e mola. Para compatibilizar seu uso, insere-se na malha de controle o transdutor corrente – para – pneumático (i/p). O conjunto
transdutor I/P + atuador pneumático é ainda mais simples, eficiente, rápido e econômico que o atuador eletromecânico disponível comercialmente.
Atuador a Pistão
O atuador a pistão é usado
normalmente quando se quer a máxima saída da passagem, com resposta rápida, tipicamente em aplicações com altas pressões do processo. Este atuador opera usando um suprimento de pressão
psig). Os melhores projetos possuem dupla ação para dar a máxima abertura, nas duas direções.
Atuador Eletromecânico
Com o uso cada vez mais freqüente da instrumentação eletrônica, o sinal padrão para acionamento da válvula é o de 4 a 20 mA cc. Assim, deve-se desenvolver um mecanismo que converta este sinal de corrente elétrica em um movimento e abertura da válvula. A solução mais freqüente e econômica é a de usar um transdutor corrente – para - ar pneumático e continuar usando a válvula com atuador pneumático.
São disponíveis atuadores
eletromecânicos que convertem o sinal da saída do controlador eletrônico em
movimento e abertura da válvula, através de um motor. Esta conversão corrente para movimento é direta, sem passar pelo sinal pneumático. Pretendia-se ter um atuador rápido, porém, na prática, os atuadores eletromecânicos são poucos usados, por causa do custo elevado e complexidade. Ainda é mais conveniente usar o conjunto transdutor I/P e atuador pneumático.
2. Desempenho
Objetivos de Ensino
1. Apresentar os principais parâmetros relacionados com o desempenho da válvula de controle.
2. Descrever os conceitos, relações matemáticas e significado físico das características inerente e instalada da válvula.
3. Apresentar as principais características de válvula de
controle: linear, igual percentagem e de abertura rápida. 4. Conceituar rangeabilidade e controlabilidade da válvula de controle. 5. Apresentar as exigências de estanqueidade da válvula de controle.
1. Aplicação da Válvula
1.1. Introdução
Antes de especificar e dimensionar uma válvula de controle, deve-se avaliar se a válvula é realmente necessária ou se existe um meio mais simples e mais econômico de executar o que se deseja. Por exemplo, pode-se usar uma válvula autocontrolada em vez da válvula de controle, quando se aceita um controle menos rigoroso, se quer um sistema econômico ou não se tem energia de alimentação disponível. Em outra aplicação, é possível e conveniente
substituir toda a malha de controle de vazão por uma bomba de medição a deslocamento positivo ou por uma bomba centrífuga com velocidade variável. A relação custo - beneficio destas alternativas é usualmente obtida pelo custo muito menor do
bombeamento, pois não se irá produzir energia para ser queimada na queda de pressão através da válvula de controle.
1.2. Dados do Processo
Quando se decide usar a válvula de controle, deve-se selecionar o tipo correto e dimensiona-se adequadamente. Para a seleção da válvula certa deve-se entender completamente o processo que a válvula controla. Conhecer completamente significa conhecer as condições normais de
operação e as exigências que a válvula deve satisfazer durante as condições de partida, desligamento do processo e emergência.
Todas os dados do processo devem ser conhecidos antecipadamente, como os valores da vazões (mínima, normal e máxima), pressão estática do processo, pressão de vapor do líquido, densidade, temperatura, viscosidade. É desejável identificar as fontes e naturezas dos distúrbios potenciais e variações de carga do processo.
Deve-se determinar ou conhecer as exigências de qualidade do processo, de modo a identificar as tolerâncias e erros aceitáveis no controle. Os dados do processo devem também estabelecer se a válvula necessita fornecer vedação total, quando fechada, qual deve ser o nível aceitável de ruído, se há possibilidade de martelo d'água, se a vazão é pulsante.
