Válvulas de Alívio de Pressão (PRVs) e Válvulas de Segurança de Pressão (PSVs) são tipos especiais de válvulas projetadas para abrir para eliminar o excesso de pressão de dentro de um vaso de processo ou sistema de tubulação.
São válvula normalmente fabricada para se manterem fechada quando as condições de processo estão normais, por essa razão são chamadas de válvula normal fechada(NF). Na ocorrência de uma variação de pressão para cima ou para baixo das condições permissíveis para o vaso as válvula abrem expulsando a pressão. No caso das válvulas de Alivio(PRVs) essas apenas alivia a pressão para condição segura de operação do vaso. Já nos casos das válvula de seguranças ( PSVs) essas devem proteger o vaso permitindo que a pressão seja totalmente eliminada do interior do vaso (tubulações ou equipamentos sobre pressão) instalados a montante da válvula.
As válvula PRVs e PSVs não necessitam de comando externos como as válvulas de controle comuns (por exemplo, pressão de sinal pneumático, motor elétrico ou bobina solenoide). As PRVs e PSVs são um tipos especiais de válvula que são acionadas pela própria pressão do fluido do processo, e não por alguma pressão ou força externa.
Incorporando…
Muitas vezes os temos PRV(Válvula de Alívio) e PSV(Válvula de Segurança) às vezes sejam trocados, porém cautela há uma diferença na operação entre eles o que distingue uma da outra.
Uma PRV (válvula de alívio) abre proporcionalmente à quantidade de sobre pressão sofrida na tubulação do processo. Desta forma a PRV abrirá ligeiramente para as pressões pouco acima da pressão de ajuste e abrirá muito para pressões muito maiores que a pressão de ajuste.As Válvulas de Alívio de Pressão são comumente usadas em serviços com líquidos.
Já as PSV (válvula de segurança) abre totalmente com uma “ação instantânea” sempre que ocorrer uma elevação de pressão da pressão de ajuste da válvula , uma vez a válvula aberta a pressão cai significativamente abaixo do valor de ajuste.
Em outras palavras, a ação de um PSV é histerética . Válvulas de Segurança de Pressão são comumente usadas em serviços de gás e vapor, como sistemas de ar comprimido e sistemas de vapor.
As válvulas de segurança normalmente têm duas classificações de pressão: o valor de pressão necessário para abrir inicialmente (“levantar”) a válvula e o valor de pressão necessário para recolocar (fechar) a válvula. A diferença entre essas duas pressões é chamada de pressão de descarga. A pressão de elevação de uma válvula de segurança sempre excederá sua pressão de reassentamento, dando à válvula um comportamento histerético.
Esta fotografia mostra uma válvula de alívio de pressão Varec em um sistema de água quente industrial, projetada para liberar pressão para a atmosfera, se necessário, para evitar danos aos tubos e vasos de processo no sistema:
O tubo vertical é a linha de ventilação atmosférica, enquanto o flange inferior desta PRV se conecta à linha de água quente pressurizada. Uma grande mola dentro da válvula de alívio estabelece a pressão de elevação.
Na figura abaixo apresenta uma válvula em miniatura de fabricação da Nupro em corte onde é possível mostrar seus componentes internos. As conexões de tubulação nesta válvula são de polegada, para dar um sensação de escala:
Uma fotografia em close mostra o plugue e o assento dentro desta PRV, apontados pela ponta de uma caneta esferográfica:
Um mecanismo simples de ajuste de tensão em uma mola estabelece a pressão de elevação desta válvula. A mola exerce uma força sobre a haste para a direita, pressionando o plugue contra a face do assento.
Um botão permite o ajuste manual da tensão da mola, relacionada diretamente à pressão de elevação:
O funcionamento desta válvula de alívio é bastante simples: a pressão do fluido do processo que entra na conexão do lado direito exerce força contra o plugue, que normalmente bloqueia a passagem do fluido através da conexão lateral.
A área do plugue serve como um pistão para a pressão do fluido empurrar, a quantidade de força prevista pela conhecida fórmula força-pressão-área F = PA.
Se a pressão do fluido exercer força suficiente na extremidade do bujão para levantá-lo do assento contra a força de restrição da mola (no lado esquerdo do mecanismo da válvula), o bujão levanta e libera a pressão do fluido através da porta lateral.
Vale a pena notar que a maioria dos mecanismos de válvula de alívio funciona exatamente no mesmo princípio de atuação: o plugue da válvula serve como seu próprio atuador.
A diferença de pressão através deste bujão fornece toda a força motriz necessária para acionar a válvula. Essa simplicidade se traduz em um alto grau de confiabilidade, uma qualidade desejável em qualquer componente do sistema relacionado à segurança.
Outro estilo de válvula de sobrepressão aparece nesta próxima fotografia.
Fabricado pela Groth Corporation, este é um conjunto de válvula de segurança de pressão/vácuo combinado para um tanque subterrâneo, projetado para liberar o excesso de pressão para a atmosfera ou introduzir ar no tanque no caso de formação de excesso de vácuo no interior:
Mesmo quando enterrado, a ameaça de danos ao tanque por sobrepressão é bastante real. A área de superfície extremamente grande das paredes internas do tanque representa uma quantidade incrível de potencial de força mesmo com baixas pressões de gás.
Ao limitar a quantidade de pressão diferencial de gás que pode existir entre o interior e o exterior do tanque, a quantidade de tensão aplicada às paredes do tanque pela pressão do gás ou vácuo é correspondentemente limitada.
Grandes tanques de armazenamento – sejam acima do solo ou subterrâneos – são normalmente de paredes finas por razões econômicas e não podem suportar pressões ou vácuos significativos.
Um tanque de armazenamento com ventilação inadequada pode estourar com apenas uma leve pressão interna ou colapsar internamente com apenas um leve vácuo interno. Válvulas de segurança combinadas de pressão/vácuo, como esta unidade modelo 1208 da Groth, reduzem as chances de qualquer falha acontecer.
Obviamente, uma solução alternativa para este problema é ventilar continuamente o tanque com um tubo de ventilação aberto na parte superior. Se o tanque for sempre ventilado para a atmosfera, ele não pode acumular pressão ou vácuo em seu interior.
No entanto, a ventilação contínua significa que os vapores podem escapar do tanque se o líquido armazenado no interior for volátil. A fuga de vapores pode constituir perda de produto e/ou impacto ambiental negativo, sendo uma forma de emissão fugitiva.
Nesses casos, é prudente ventilar o tanque com uma válvula automática como esta somente quando necessário para evitar o estresse induzido pela pressão nas paredes do tanque.
Uma ilustração mostra a construção interior desta válvula de segurança :
Como a válvula de alívio em miniatura mostrada anteriormente, a guarnição desta válvula de segurança Groth atua como seu próprio atuador : a pressão do gás de processo força diretamente o bujão de ventilação para fora de sua sede, enquanto o vácuo do gás de processo força o bujão de vácuo para fora de sua sede.
A pressão de elevação e as classificações de vácuo da válvula Groth são bastante baixas e, portanto, nenhuma mola é usada para fornecer força de restrição aos plugues. Em vez disso, o peso dos próprios plugues os mantém em seus assentos contra a força do gás de processo.
Este conjunto de ilustrações mostra uma válvula de segurança de pressão/vácuo em ambos os modos de operação:
Em cada modo, o respectivo disco levanta contra a força de seu próprio peso para permitir que os gases fluam através da válvula. Se uma classificação de pressão de elevação maior (ou vácuo de elevação) for desejada, pesos precisos podem ser fixados na parte superior de qualquer disco.
Incorporando…
Maiores pesos equivalem a maiores pressões, seguindo a conhecida equação P = F/A, onde F é a força da gravidade agindo sobre o disco e peso(s) e A é a área do disco.
Por exemplo, suponha que o disco em uma dessas válvulas de segurança pese 8 libras e tenha um diâmetro de 9 polegadas. A área da superfície de um disco circular de nove polegadas de diâmetro é de 63,62 polegadas quadradas (A = πr 2 ), tornando a pressão de sustentação igual a 0,126 PSI (P = F/A).
Essas baixas pressões são frequentemente expressas em outras unidades além do PSI para tornar os números mais amigáveis. A pressão de subida de 0,126 PSI para esta válvula de segurança pode alternativamente ser descrita como coluna de água de 3,48 polegadas ou 0,867 kPa.
Uma inspeção minuciosa deste projeto de válvula também fornece informações sobre por que ela é tecnicamente uma válvula de segurança em vez de uma válvula de alívio.
Lembre-se de que a distinção entre esses dois tipos de válvulas de proteção contra sobrepressão era que uma válvula de alívio abre proporcionalmente à sobrepressão experimentada, enquanto uma válvula de segurança se comporta de maneira “snap”, abrindo na pressão de elevação e não fechando novamente até que uma pressão de reassentamento (menor) seja alcançada.
O “segredo” para alcançar esse comportamento de ação rápida característico das válvulas de segurança é projetar o plugue da válvula de tal forma que apresente uma área de superfície maior para o fluido de processo que escapa uma vez aberta do que quando fechada. Desta forma, é necessária menos pressão para manter a válvula aberta do que inicialmente para levantá-la de uma condição fechada.
Examinando mais de perto o mecanismo de alívio de pressão do projeto da válvula Groth, vemos como o diâmetro do obturador excede o da área de assentamento, com um “aba” se estendendo para baixo. Este bujão largo, combinado com o lábio, forma uma área de superfície efetiva quando o bujão é levantado que é maior do que aquela exposta à pressão do processo quando o bujão está assentado. Assim, o fluido de processo acha “mais fácil” manter o bujão aberto do que levantá-lo inicialmente da sede. Isso se traduz em uma pressão de reassentamento menor que a pressão de elevação e uma “ação de encaixe” correspondente quando a válvula inicialmente levanta da sede.
A área extra na superfície inferior do plugue delimitada pelo rebordo (ou seja, a área de retenção menos a área de elevação) às vezes é chamada de câmara de huddling. O tamanho desta “câmara amontoada” e o comprimento do lábio estabelecem o grau de histerese (blowdown) no comportamento da válvula de segurança.
Uma determinada classe de válvula de sobrepressão chamada válvula de alívio de segurança é projetada com um “anel de purga” ajustável para permitir variações na geometria da câmara de amontoamento.
Essencialmente, o anel de purga atua como um “aba” interna na sede da válvula para complementar a “aba” externo no obturador. Ajustar essa “aba” interna mais longe do plugue permite que mais fluido do processo escape lateralmente sem tocar no plugue, minimizando assim o efeito da câmara de amontoamento e fazendo com que a válvula se comporte como uma válvula de alívio simples sem ação de pressão.
Ajustar o anel de purga mais perto do plugue força o fluido de escape a viajar em direção à face do plugue antes de reverter a direção além do lábio externo, tornando a câmara de amontoamento mais eficaz e, portanto, proporcionando um comportamento de ação rápida.
Esta ajustabilidade permite que a válvula de alívio de segurança atue como uma válvula de alívio simples (ou seja, abertura proporcional à sobrepressão) ou como uma válvula de segurança (ação de encaixe) com quantidades variáveis de purga (P purga = P elevação − P reassentamento ) conforme determinado pelo usuário .
A posição desse anel de purga é normalmente travada no lugar com uma vedação para desencorajar a violação quando a válvula é instalada no processo.
Esta próxima fotografia mostra um corte de uma válvula de alívio de segurança :
O parafuso de ajuste marcado pela letra “A” na parte superior da válvula determina o ajuste da pressão de elevação, ajustando a quantidade de pré-carga na mola. Como as válvulas Nupro e Groth mostradas anteriormente, o obturador da válvula Crosby serve como seu próprio atuador, sendo a força de atuação uma função da pressão diferencial através da válvula e da área do obturador/sede (F = PA).
O componente semelhante a uma engrenagem dentada diretamente à esquerda da letra “J” é chamado de anel guia e funciona como um ajuste de purga. Este anel forma um “lábio” ao redor da borda da sede da válvula, muito parecido com o lábio mostrado nos diagramas de válvulas da Groth.
Se o anel guia for girado para colocá-lo em uma posição mais baixa (se estendendo além da sede), o volume da câmara de amontoamento aumenta, aumentando assim o valor de purga (ou seja, mantendo a válvula aberta por mais tempo do que seria de outra forma à medida que a pressão cai ).
Uma combinação interessante de tecnologias de proteção contra sobrepressão às vezes vistas na indústria são os discos de ruptura combinados com válvulas de segurança.
Colocar um disco de ruptura antes de uma válvula de segurança oferece os benefícios de garantir vazamento zero durante a operação normal, bem como isolar a válvula de segurança de efeitos potencialmente corrosivos do fluido do processo:
Problemas potenciais com esta estratégia incluem a possibilidade de acumulação de pressão de vapor entre o disco de ruptura e a válvula de segurança (aumentando assim a pressão de ruptura efetiva do disco), e também a possibilidade de fragmentos do disco de ruptura ficarem alojados no mecanismo da válvula de segurança, restringindo o fluxo e/ou impedindo o re-fechamento.