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DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALIVÍO
Bruno do Nascimento Arcanjo^1 , João Paulo de Abreu Dias^1 , Willian Cardoso Oackis^1 Roger da Silva Rodrigues^2 (^1) Acadêmico do Curso de Engenharia Mecânica (^2) Mestre em Engenharia Mecânica – Professor Multivix – Serra RESUMO A presente pesquisa tem como objetivo realizar uma análise do que é uma valvula de segurança e/ou alivio, quais são suas caracteristicas e a importancia do seu dimensionamento para um funcionamento adquedo, com o intuito deprevenção de acidentes provenientes do mau funcionamento delas, sabendo que elas são o ultimo recurso de proteção quando há uma grande falha de operação, seu dimensionamento tem que ser o mais preciso possivel, pois só assim pode se garantir que toda taxa de fluxo que está em excesso, seja retirado pela valvula, normalizando a pressão e assegurar a proteção das pessoas que estão presentes e da linha de produção. Com o intuito de alcançar os objetivos pretendidos nessa pesquisa foram realizados estudos bibliográficos a partir de livros, artigos e apostilas contendo as informações de procedimentos, itens que são necessários ser considerados, possíveis causas de sobrepressão em um sistema, e os tipos de válvulas existentes. Palavras chaves: Dimensionamento, Válvulas, Segurança e Pressão. INTRODUÇÃO Em 1682, na Inglaterra foi inventado um dispositivo para alivio de pressão chamado de válvula de segurança, por um físico francês chamado Denis Papim. O sistema inventado por Papim funcionava por meio de um contra peso, onde um peso ao ser movimentado ao longo de uma alavanca alterava sua pressão de ajuste, que tinha o limite máximo de pressão que poderia ser alcançada por esse dispositivo, que era de 8,0atm (8,3 kgf\cm²). Devido à falta de precisão a válvula de contra peso foi responsável por diversas
explosões de caldeiras e vasos de pressão que levaram a perdas de vidas (Mathias, 2008). A partir de 1869, foi inventada a válvula de segurança tipo mola sob carga (mola helicoidal) a partir do projeto de dois americanos, George Richardson e Edward H. AShcroft que foi muito utilizado para a proteção de locomotivas a vapor. Segundo Goulart (2012) a Válvula de segurança é um dispositivo que opera automaticamente evitando que um sistema seja exposto a uma pressão acima da máxima pressão de trabalho admissível (MaximumAllowableWorkingPressure – MAWP) do equipamento em que se deseja proteger. O objetivo da instalação de uma válvula de segurança e a proteção de vidas e do capital investido nas grandes indústrias, pois as conseqüências de uma falha em um equipamento desses como, por exemplo, uma ruptura grave em um vaso de pressão pode ser catastrófica e irreversível. Essa proteção é feita quando a válvula tem a capacidade de descarregar uma determinada taxa de fluxo de fluido do sistema que é suficiente para reduzir a pressão até um nível seguro que é pré-estabelecido no projeto de dimensionamento da válvula, que é feito considerando a pior condição esperada da elevação de pressão no equipamento onde ela está instalada. A válvula de segurança é um dispositivo de alívio de pressão auto- operado cuja sua única fonte de energia para a operação é a própria pressão do fluido, e essa característica faz dela o dispositivo mais importante de alivio de pressão presente dentro do processo. É de suma importância que nas indústrias tenham pessoas com o domínio do conhecimento sobre o dimensionamento das válvulas de segurança e/ou alívio, para que continuamente possa ser feita inspeções, as calibrações ou até mesmo manutenção nos dispositivos para a proteção de uma linha de produção pressurizada onde contém em sua planta industrial tubulações e vasos de pressão que operam com pressões acima da pressão atmosférica. Uma válvula de segurança quando dimensionada incorretamente, está exposta a riscos muito grande de não efetuar a vazão do fluido suficiente para
Com o aumento da preocupação das industriais com a segurança nas suas linhas industriais de pressão, lugar que se encontra a presença de vasos de pressão que podem expor os funcionários e os próprios equipamentos ao risco de uma sobrepressão não planejada causando graves resultados. Para garantir a integridade e a proteção dos vasos é muito importante que o dimensionamento do orifício de vazão da válvula seja calculado e dimensionado corretamente, para que tenha a capacidade suficiente de vazão, quando houver uma elevação na pressão da válvula, e seja capaz de reduzir a pressão do equipamento ate que a situação seja normalizada e o equipamento não esteja mais apresentando risco nenhum. VÁLVULAS DE SEGURANÇA E/OU ALÍVIO Dispositivo auto operado, acionado pela pressão estática ao vencer certa carga ajustada na mola, utilizado em fluidos compressíveis (gases e vapores), que proteja um vazo, linha ou caldeira de sobre- pressão, atendendo norma NR 13. Possui ação instantânea, ou seja, abertura total imediata. ( pop ). (Sampaio, p. 1) Segundo Mathias (2008, p. 213) a válvula de segurança é um dispositivo para alívio de pressão, que tem como sua finalidade proteger um vaso que está submetido à pressão de operação superior a atmosférica, e necessita de ser utilizada quando essa pressão ultrapassar o valor de sua pressão de ajuste. Os efeitos de uma falha como essa podem ser de perda de vidas ou capital investido. Os riscos causados pelo excesso de pressão dentro de um vaso ou uma caldeira são eliminados automaticamente com a utilização dessa válvula, desde que esteja corretamente especificada, dimensionada, instalada e mantida. O propósito para a existência de uma válvula de segurança e ou alivio é para garantir a proteção de vidas e do bem material. Essa proteção é efetuada quando há um aumento da pressão de operação no sistema, que ultrapassa o limite estabelecido no projeto, assim acionando a válvula que descarrega uma taxa de fluxo suficiente para reduzir a pressão interna do equipamento até um
nível seguro. Esse aumento da pressão de operação deve ser considerado no dimensionamento da válvula, levando em conta o pior caso previsto de operação, isso pode significar a diferença entre um equipamento bem controlado ou uma catástrofe. Segundo Mathias (2008, p. 213) as válvulas de alivio de pressão podem se podem ser tanto de alivio para serviços com líquido, de segurança para serviços com ar, gases e vapores, incluindo vapor d’água, aliviando o excesso de forma rápida e instantânea (ação pop), ou de segurança e alivio, para outros com líquidos ou ar, gases e vapores, dependendo da aplicação. De Acordo com Mathias (2008, p. 214) as válvulas de segurança e alivio podem ser do tipo mola sob carga (figura 1), convencional e balanceada de acordo com a (figura 2), ou tipo piloto operada, nos estilos de ação instantânea ou ação modulante. Figura 1 - Válvula de segurança piloto operada Fonte: (Lima, 2017, p. 48) Nos casos em que se atua com fluidos compressíveis, a abertura ocorre no ponto exato devido à pressão estática do fluido na área interna do disco de vedação, já nos líquidos a pressão de abertura ocorre de forma homogenia ao aumento de pressão do sistema.
Segundo Bonan (2016, p. 19) as válvulas balanceadas são aquelas que contêm um fole de balanceamento para cobrir a parte superior do suporte do disco e a guia da válvula. Essa característica física é responsável pela diferença entre uma válvula de segurança balanceada e uma convencional. Com o objetivo de compensar os efeitos da contrapressão, deve se dimensionar a área efetiva do fole igual à área do disco, fazendo isso é possível prevenir que a contrapressão atue na área superior ao disco, onde não possui uma pressão balanceada, assim cancelando os efeitos da contrapressão no disco. Com isso a pressão de ajuste se torna estável, mesmo com a presença da contrapressão. Assim o fole de balanceamento isola as partes internas superiores da válvula de segurança, como a guia, haste e mola, protegendo suas superfícies de qualquer fluidos corrosivos. A abertura da válvula de alivio ocorre gradativamente na medida em que a aumento de pressão no sistema em que ela se encontra e depois de ter atingido a pressão de ajuste, nessas válvulas o curso de abertura do disco é proporcional a sobrepressão do sistema. Este tipo não pode ser confundido as automáticas, que operam como alivio para controlar a pressão de um montante. Já as válvulas de segurança operam como dispositivos de alivio de pressão auto operadas, utilizando como fonte de energia para sua operação a pressão do fluido, devido a essa característica, ela é o dispositivo para alivio de pressão mais importante dentro do processo. Por esse motivo quando houver um aumento na pressão a válvula deve abrir em uma pressão pré-determinada conforme a figura 3, eliminar toda taxa de sobrecarga e fecha quando estiver retornado a um valor seguro que deve ser estabelecido no seu dimensionamento, como mostrado na figura abaixo.
Figura 3 - Comportamento do fluxo através de uma válvula de segurança Fonte: (Mathias, 2008) Nas industriais que atuam com vasos de pressão ou caldeiras tem em sua planta válvulas de segurança e/ou alivio com intuito de realiza a proteção de seus equipamentos. Logo são dispositivos auto-operados e auto-suficientes que operam de forma confiável, pois quando outros equipamentos falham, elas acabam sendo uma resposta rápida e segura. Por mais simples que seja a construção de uma válvula, ela é considerada o ultimo recurso para proteção de um sistema. A figura 4 demonstra como e o comportamento do aumento da pressão com o tempo, incluindo o curso total da válvula de segurança e a diferença entre as pressões de abertura e fechamento durante o processo. Figura 4 – Curva de funcionamento de uma válvula de segurança Fonte: (Goulart, 2012)
DIMENSIONAMENTO
O dimensionamento deve ser feito baseado no tipo de equipamento que está protegerá, nas causas da sobre pressão e do volume de fluido que será alcançado nesta condição. Deverá ter uma PMTA e uma pressão de operação, pré-determinadas, de acordo com o processo e com o tipo de fluido. A área efetiva do bocal só pode se calculada após a capacidade de vazão requerida pelo processo, e a pressão de ajuste permitida para o equipamento a ser protegido, serem previamente determinadas (Mathias, 2008, p. 319) O correto dimensionamento da válvula de segurança deve levar em conta todos os aspectos necessários de uma suposta falha de operação que eleve a pressão do sistema, assim levando a uma válvula de segurança eficiente. Algumas dessas causas que podem ocasionar uma sobre pressão em um sistema são:
- Falha nos equipamentos elétricos ou mecânicos,
- Falha no sistema de utilidades como um corte inesperado de energia elétrica, vapores ou ar comprimido que levam a parada de motores, turbinas ou outros instrumentos operacionais
- Abertura de válvula de admissão no sistema de alta pressão para um processo de baixa (falha operacional).
- Um fechamento indevido da válvula de bloqueio na saída do vaso que pode causa uma elevação de sua pressão (falha operacional).
- Acontecimento de reações químicas inadequadas. Para pode realizar o dimensionamento das válvulas, deve-se levar em consideração alguns aspectos como a sua pressão de ajuste, a capacidade de alivio solicitada e a área do orifício. Com isso a capacidade de alivio tem de ser igual ou superior ao volume do fluxo esperado mediante ao equipamento projetado, portanto os cálculos de dimensionamento da área do orifício devem sempre ser igual ou superior ao valor da taxa de fluxo solicitada. Normalmente os equipamentos de pressão são projetados para suportar pressões maiores do que se e utilizado em operação diária. Por esse motivo
quando ocorre alguma elevação inesperada na pressão de operação não venha causa o acionamento desnecessário da válvula. Devido à pressão ajuste da válvula ser limitada ao valor para qual o equipamento foi projetado, assim não causando nenhum dano ao equipamento devido à energia contida no fluido. Quando a o superdimensionamento a área de passagem do bocal de uma válvula de segurança e/ou alivio o desempenho e afetado drasticamente, podendo ocasionar falhas quando ela for acionada. Porem uma válvula de segurança subdimensionada que está operando com fluidos compressíveis e a pressão do processo e elevada por qualquer distúrbio, a taxa que e liberada também aumenta, assim a pressão dentro do equipamento protegido pode ultrapassar o valor da acumulação permitida. A pressão pode ser elevada até que exista um equilíbrio entre a capacidade de vazão efetiva da válvula de segurança e a taxa de fluxo que está sendo gerada durante a presente operação. Portanto uma válvula que é bem dimensionada no projeto permite a abertura total quando a pressão de ajuste é alcançada, essa pressão só irá diminui quando a causa da elevação da pressão ser corrigida e toda excesso de fluido gerado for descarregado, e diminuir definitivamente dentro da faixa de alivio projetada e o tipo de fluido, com isso ocorre o fechamento completo da válvula de segurança e/ou alivio. As equações a seguir são utilizadas para o dimensionamento de válvulas para atuarem com vapor d’água saturado ou superaquecido, em caldeiras. As equações 1 e a 3 são utilizadas quando se deseja encontrar a área requerida em relação a máxima capacidade de vazão exigida pelo processo. Já a 2 e a 4 são utilizadas quando se deseja encontrar a máxima capacidade de vazão nominal através da área do bocal selecionada: AL: mínima área de passagem requerida do orifício do bocal, em pol^2.
cujo fluido de processo esteja sempre no estado líquido (água, óleo entre outros). A: área de descarga efetiva pelo bocal da válvula de alívio, em pol^2 GPM 1: capacidade de vazão nominal pela área final selecionada, em galões por minuto americanos. Sempre que for necessário dimensionar uma válvula de alívio (ou de segurança e alívio) para trabalhar com líquidos viscosos (óleos lubrificantes, etc.) devemos usar a equação a seguir: R: número de Reynolds. Onde: A: área do bocal, em pol^2 ; Ar: área preliminar requerida, pol^2 (corrigida); Kv: fator de correção da viscosidade. METODOLOGIA Para a realização e alcance dos objetivos pretendidos nessa pesquisa serão realizados estudos bibliográficos a partir de livros, artigos e periódicos que abordam o tema, com a finalidade de identificar todos os procedimentos necessários para o dimensionamento das válvulas de segurança e/ou alivio.
O resultado obtido se deu através do mecanismo de pesquisa bibliográfica, segundo Gil (2002, p. 43) a pesquisa bibliográfica é desenvolvida com base em material já elaborado, constituído principalmente de livros e artigos científicos. Embora em quase todos os estudos seja exigido algum tipo de trabalho dessa natureza, há pesquisas desenvolvidas exclusivamente a partir de fontes bibliográficas. Esse método e utilizado para alcançar os dados sobre o assunto da pesquisa, pois oferece uma base de fundamentação teórica através de materiais como artigos científicos, livros e apostilas que estão vinculados em publicações de veículos confiáveis. Segundo Gil (2002, p. 45) a principal vantagem da pesquisa bibliográfica reside no fato de permitir ao investigador a cobertura de uma gama de fenômenos muito mais ampla do que aquela que poderia pesquisar diretamente. Ao se aprofundar no assunto é identificada a importância do dimensionamento das válvulas de segurança e/ou alivio dentro das industriais, a fim de prevenir ou expor pessoas ou equipamentos a risco de catástrofes. Conforme Matias (Brasil, 2019), o código ASME secção I, referente à construção de caldeiras, apresenta uma mínima capacidade de alivio requerida da válvula de segurança para todos os tipos de caldeiras, não devendo ser menor do que a máxima capacidade de geração de vapor projetada para a caldeira, como determinada pelo fabricante. Também podendo consultar a API RP 520 parte 1 para ter mais informações sobre o dimensionamento de válvulas de segurança ou alívio para vasos de pressão que foram construídos de acordo com o código ASME Seção VIII. Dessa forma, a proteção de vasos de pressão para o código ASME secção Vlll, referente às regras para a construção de vasos de pressão, determina que a mínima capacidade de vazão requerida para a válvula de segurança e segurança e alivio deve ser suficiente para descarregar a máxima quantidade de fluido que pode ser gerada ou fornecida ao equipamento a ser protegido, sem permitir um aumento na pressão dentro do vaso, com uma condição de acumulação apropriada, acima da PMTA.
resulta em 158, 46 GPM); Temperatura do óleo: 40˚c; e Viscosidade do óleo = 150 centistokes (cst) Primeiramente devemos converter a taxa de fluxo requerida que está em m^3 /h para GPM. A pressão de ajuste que está em kfg/cm^2 deve ser convertida para psig multiplicando por 14,223; a viscosidade que está em centistokes deve ser multiplicada por 0,891, que é a densidade do óleo, para convertê-la para centipoise e então aplicarmos na equação abaixo; Observação: para esse cálculo ser efetuado, vamos admitir que o fluido fosse água, isto é, o valor do fator Kv será 1,0. A área final encontrada neste cálculo será apenas a área mínima requerida preliminar. Solução para esse calculo: Q = 158, 46 GPM ∆P = 1595,44 psi G = 0, g/cm^3 Kd = 0, Kp = 0,6 Kv = 1,0 (a princípio assumindo que Kv = 1,0, pois estamos considerando que o fluido seja água). Porém, para finalizarmos o cálculo, deve se corrigir a viscosidade do fluido. Para isso, devemos utilizar na fórmula seguinte o próximo orifício maior que a área encontrada, isso é, 0,307 pol^2 de 0,307 pol^2 , devemos utilizá-lo para encontrarmos o número de Reynolds. O Valor do Fator de correção Kv (fator de correção da viscosidade para líquidos) pode ser encontrado através da equação: 𝐾𝑉 = { 0 , 9935 + ( 2 , 878 𝑅 0 , 5
342 , 75 ) 𝑅 1 , 5
158 , 46 ∙√ 0 , 891 38 ∙ 0 , 65 ∙ 0 , 6 ∙ 1 ∙√ 1595 , 44
158 , 46 ∙ 0 , 944 14 , 82 ∙ 39 , 94
149 , 58 591 , 91 => A = 0 , 25 pol² 𝑅 = 𝑄∙( 2800 ∙𝐺) 𝜇√𝐴
150 , 5 ∙ 2800 ∙ 0 , 891 133 , 65 ∙√ 0 , 307
375467 , 4 74
𝐾𝑉 = [ 0 , 9935 + (
2 , 878 5073 , 9 𝑂, 5
342 , 75 5073 , 91 , 5
)] − 1 , 0 => 𝐾𝑉 = [ 0 , 9935 + (
2 , 878 71 , 23
342 , 75 361420 , 56
)]-1,
KV= [ 0,9935+ (0,040404324) + (0,000948) ]-1,0^ => Kv= [1,0348]-1,0^ => Kv=0, A partir deste resultado, e possível obter um valor para o fator kv de 0,97. Assim, corrigindo a área do bocal para um fluido com essa viscosidade, teremos a equação 11. 𝐴 =
Portanto, a área final requerida para a aplicação é de 0,24 25 pol^2. Por meio desse estudo, pode-se concluir que o dimensionamento correto de uma válvula se faz necessário para ter uma total proteção de um vaso de pressão e de toda equipe envolvida em sua operação.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS A presente pesquisa teve o objetivo de realizar uma analise do que é uma válvula de segurança e/ou alivio, suas caracteristicas e a importancia do seu dimensionamento para um funcionamento adequedo com intuito de prevenção de acidentes provenientes do mal funcionamento delas. Sabendo que são o último recurso de proteção quando há uma grande falha de operação, seu dimensionamento tem que ser o mais preciso possível, pois só assim pode se garantir que toda taxa de fluxo que está em excesso, seja retirado pela válvula, normalizando a pressão e assegura a proteção das pessoas que estão presente e da linha de produção. Foi constatado que são várias as causas que podem levar a sobrepressão de um equipamento, por isso a seleção e o dimensionamento devem ser feita por pessoas que são qualificadas para esse tipo de serviços levando em conta alguns fatores como obter noções básicas dos dispositivos
https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/110101/000951720.pdf?sequ ence=1&isAllowed=y Lima, R. (2017). Guia de Inspeção - Válvulas de Segurança e Alívio. Acesso em 10 de 2020, disponível em ibp.org.br: https://www.ibp.org.br/personalizado/uploads/2017/05/Guia10_reduzido.pdf Mathias, A. C. (2008). Válvulas: Industriais, segurança, Controle: tipos, seleção, dimensionamento. São Paulo: Artliber. Petroblog-Santini. (s.d.). Acesso em 2020, disponível em Petro Blog: http://www.petroblog.com.br/wp-content/uploads/Sele%C3%A7%C3%A3o- PSV-func%C3%A3o-contrapress%C3%A3o.pdf Sampaio, F. S. (s.d.). Acesso em 10 de 2020, disponível em DHM AUTOMAÇÃO: http://www.dhmautomacao.com.br/artigos/1.pdf
