Cada vez mais as industrias buscam melhores resultados exigindo o aprimoramento das instlações para isso os controles devem ser cada vez mais rígidos. Com isso um elemento é fundamental para garantir o sistema estável respondendo as necessidade de controles evitando os desvios assegurando a garantia do processo final.
Nestes post estaremos falando de um dos elementos que desempenham um papel fundamental que são as válvulas de controle, sendo esses os elementos finais de uma malha de controle devem desempenhar excelentes performance porque elas são as responsáveis em aumentar a lucratividade da planta de processo e conservar energia.
A correta seleção da válvula desempenha um papel crucial na eficácia e eficiência de um projeto, exercendo influência direta sobre os custos globais do empreendimento e, consequentemente, no seu desempenho financeiro. O controle preciso do processo é intrinsecamente ligado à escolha apropriada da válvula, pois essa decisão afeta diretamente a operação e a economia do sistema em questão.
Portanto, é imperativo que se dedique a devida atenção à etapa de seleção da válvula. Esta não é apenas uma escolha técnica, mas também uma decisão estratégica que pode repercutir significativamente nos resultados financeiros do projeto.
“Para restringir as opções, o engenheiro deve compreender como as características gerais de cada tipo de válvula correspondem aos requisitos de projeto das válvulas.”
Entendo funcionamento em uma malha de controle
Conforme previamente mencionado, nos processos industriais, nosso principal objetivo consiste na medição e controle das variáveis que estão inerentes ao sistema. Para atingir essa finalidade, é necessário empregar instrumentos e dispositivos capazes de captar informações relacionadas às variáveis físicas ou químicas, que são conhecidos como “sensores” (elementos primários que mantêm contato direto com a variável, acompanhando suas variações).
Dado que, na maioria das situações, nosso interesse recai sobre o controle preciso dessas variáveis, torna-se essencial a utilização de dispositivos que possam monitorar continuamente os dados percebidos pelos sensores e, em seguida, compará-los com os valores desejados para manter um controle adequado. Para executar essa tarefa de controle, é imprescindível o gerenciamento das energias envolvidas no sistema. Nesse contexto, introduzimos um componente fundamental do sistema de controle, conhecido como “elemento final de controle”. Este elemento é responsável por realizar modificações nas condições do processo após receber um sinal do segundo componente da malha de controle, o “controlador”.
O controlador, considerendo o segundo elemento da malha de controle, esse por sua vez, compara o valor pré-definido (ajustado) com o valor recebido do sensor. Sempre que esses valores divergem, o controlador calcula a diferença e envia um sinal que ajusta a posição da válvula, permitindo que a variável medida retorne ao valor desejado.
De forma resimida podemos dizer que uma malha de controle se resume basicamente em 3 partes sendo o sensor o elemento primário da malhar captando os as variação das condições da variável de controle isto é a variável que reremos manter em um determinado valor, um segundo elemento que executa basicamente de realizar a comparação dos valores da variável de processo comparando com valor previamente ajustado que é o valor de referencia para o controle e , caso existe diferença entre os valores esse elemento o controlador envia o valor para o 3º terceiro elemento a válvula de controle que por sua vez manipula a variálvel que diretamente impacta em manter a condição da variável de processo. Após o ajuste ser realizado no elemento final, o sinal é retroalimentado pelo sensor, completando o ciclo. Essa conjunto de elementos trabalhando em harmonia é conhecido como “Malha de Controle Fechada”.
Na ilustração abaixo, o transdutor I/P converte um sinal eletrônico em um sinal pneumático, sendo fundamental que a válvula de controle responda de forma instantânea a qualquer alteração no sinal.
CONDIÇÃO BASICAS PARA UMA VÁLVULA DE ALTA PERFORMANCE
- TER BOA RENGEABILIADE PERMITINDO TRABALHAR COM VAZÕES VARIÁVEIS
- RESPONDER COM PRECISÃO E REPETIBILIDADE EM VÁRIA FAIXAS DE OPERAÇÃO;
- RESPONDER MAIS RAPIDAMENTE AO PROCESSO ( MENOR TEMPO MORTO POSSÍVEL)
- ATENDER AS RESOLUÇÕES DOS VALORES ENVIADOS PELO CONTROLADOR.
- TER RESPOSTA ADEQUADA AO PROCESSO CONFORME ATENDENDO AS CARACTERÍSTICAS DO CONTROLE.
Obs: Uma resposta que não atenda ao processo pode trazer danos significativos ao processo podendo gerar riscos de acidantes.
Por exemplo, uma redução rápida ou repentina no diâmetro de uma válvula em uma tubulação pode ser prejudicial, causando uma onda de choque(golpes de ariete, martelo hidráulico) , como em uma linha de injeção de água em um posso de petróleo. Devemos então quando especificamos válvula que a capacidade de uma válvula de controlar o fluxo depende não apenas das características dos internos da válvula mais também de seus periféricos como atuadores e posicionadores e todos acessórios que forem utilizados na válvula.
Entre os acessórios mais comuns em válvula de controle podemos destacar o posicionador, esse componente permite o posicionamento correto na posição de válvula permitindo assim o controle mais rígido, melhorando consideravelmente o desempenho da válvula na malha da controle assegurando o posicionamento perfeito da válvula de forma a obter respostas mais precisas. Com uso do posicionador é possível evitar que efeitos como atrito existentes ao abrir e fechar a válvula possa prejudicar o funcionamento da válvula (abertura e fechamento), atualmente como desenvolvimento da tecnologia cada vez mais podemos obter informação produtivas do funcionamento da válvula com o uso de posicionadores inteligentes.
O que de defini a qualidade em uma válvula de controle?
Sobre algumas circunstancias identificamos alguns fatores que podem influenciar no resultado do funcionamento da válvula. Nos dispositivos de controle é de fundamental importância avaliar a qualidade do dispositivo porque influencia diretamente no controle do processo os desvios apresentando em malhas podem ser identificados e quantificada em termos de ganho, constante de tempo e intervalo de tempo morto.
Em válvulas e controle dentre esses o fator de maior importância é o ganho . O ganho é a proporção da mudança percentual em uma variável de processo para a mudança percentual do curso da válvula.
IMPORTANTE A O GANHO NÃO DEPENDE APENAS DAS CARACTERÍSTICAS DA VÁLVULA DEPENDE TAMBÉM DAS CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO.
DADOS PARA PROJETOS DA VÁLVULA
- Antes de iniciarmos o processo de especificação de uma válvula precisamos conhecer as propriedades do processo somente assim será capas de selecionar adequadamente uma válvula de controle.
- Então quais são os dados básicos para especificação adequada de uma válvula? Vejamos :
- Características (químicas e físicas do processo);
- Corrosividade do fluido;
- Estado do fluido (vapor, líquido ou bifásico);
- Pressão de vapor;
- A Vazão(mínima, normal, máxima) a montante(entrada) e jusante(saída) ;
- As pressões(mínima, normal, máxima) a montante(entrada) e jusante(saída);
- As Temperaturas(mínima, normal, máxima) montante(entrada) e jusante(saida);
- Curva característica inerente do processo;
- Densidade;
- Peso molecular(gás);
- Viscosidade;
- Calor específico;
- Temperatura critica;
- Pressão critica;
- Projeto de instalação(Como será instalada no sistema);
- Dimensionamento das linhas;
- Características de materias(tipo de ligas ou plasticos) de construção adequado para aplicação;
- Posição de segurança em caso de falha da válvula;
- Ambiente que será instado (se tem risco de inscendio);
- Pressão máxima para fechamento;
- Fatores de ruido na válvula ( Flash, cavitação)
A válvula para ser operada precisa de um tipo de energia ( elétrica, pneumática, Hidráulica) , deve-se então saber que a resposta da válvula em caso de perda de sinal e ou energia de acionamento (posição segura de falha). Em cerca de 80% das aplicações, as válvulas de controle são especificadas para fecharem em caso de falha. No entanto, às vezes, a válvula deve abrir, travar (posição de travamento de falha) ou desviar (lentamente, para fechar ou abrir).
Embora a maioria dos processos a condição de falhas seja para o fechamento das válvula existem condição que para garantir a segurança a condição da válvula seja aberta como é o caso das válvula de sistema de dilúvio , válvulas de alimentação de água em caldeias válvulas BDV(blow dow valve). Nestes tipod e de válvulas as molas instaladas no atuador e ou no castelo conforme o tipo de válvula direcionam a válvula para condição de falha segura para processo. Existem casos que em que para evitar falhas em posição desfavorável como travamento ou desvio de falha, uma fonte de alimentação auxiliar (por exemplo, um cilindro de ar) pode ser necessária.
Códigos e preocupações de segurança e requisitos de processo determinarão a posição da falha.
Coeficiente de Vazão (Fluxo)
De forma muito simplem o que se espera de uma válvula e fazer o controle fluxo que por ela passa o que nos leva a pensar que o parâmetro de válvula mais importante a ser calculado em uma válvula é o ” Coeficiente de vazão” pois através desse parâmetro definimos o tamanho e características dos componestes internos de uma válvula “CV” .
Um dos parâmetros mais importantes para definirmos o CV é a característica do fluido isto é se fluxo é incompressível, compressível ou de fase mista. Para cada tipo de fluido existem equações próprias para definir Cv.
Guarnição e Internos
Interno: refere-se às partes internas removíveis da válvula que estão em contato com o fluido, Alem dos intenos existem as peças que são consideradas como acabamento que incluem: a gaxeta, castelo, flange inferior e gaxetas.
O conjunto de internos definem a relação entre a capacidade de vazão da válvula e o deslocamento do plugue obturador da válvula, garantindo a controlabiliade adequada da válvula.
A sede da válvula associada ao obturador são os principal responsáveis pela vedação da válvula. O posivionamento correto e o fechamento podemo ser afetados tambem por outras partes da válvula, como o formato do corpo, o projeto do atuador e o tipo de gaxeta da haste da válvula. O que define o tipo de vedação da válvula está relacionado ao tipo de serviço para aplicação da válvula. A classe de vedação da válvula e definido pela quantidade de fluido que passa através da válvula quando essa está totalmente fechada. A classe de vedação da válvula é definido por padrões e normas específicas por tipo de serviço da válvula.
Uma das normas mais comuns que definem as classes de vazamento é “Vazamento da sede da válvula de controle”, ANSI / FCI 70-2-1998 (3). As classes variam de um fechamento fraco (Classe II) a quase zero vazamento (Classe VI). (Classe I não tem nenhum padrão ou taxa de vazamento associado a ela.) Dependendo dos requisitos, o usuário então define o requisito de fechamento hermético (TSO) como uma das classes de fechamento (normalmente IV, V ou VI) .
A definição dos internos de uma válvula está diretamente relacionado as condições operacionais do fluido no processo, em particular considerando as caracteristicas dos internos da válvula deve ser uma reção entre a caracteristica inenrente da válvula em relação ao sua fabricação e as caracteristicas do fluido em operação mas condições normais de operação. A relação entre esses parâmetros permitem a prevê a característica de vazão instalada para cada interno, que é usada como base para a seleção do interno.
O interno de capacidade reduzida ajuda a obter controle preciso em fluxos baixos, enquanto abre espaço para fluxos maiores no futuro. Tal guarnição é projetada de forma que o fluxo através da porta seja diminuído, mas a precisão do controle de fluxo é aumentada por causa de uma distância de levantamento reduzido do obturador
Não existe uma regra geral que determina a redução dos internos, essa carcteristica deve ser utilizada abaixa de uma certa abertura . No entanto, o interno reduzido pode ser uma solução quando um controle preciso é necessário em 20–25% da capacidade da válvula.
As gaiolas são comuns em acabamento e servem a vários propósitos:
- Uma gaiola serve de guia para o plugue, garantindo que ele esteja corretamente posicionado e faça o contato correto com a sede.
Uma gaiola caracterizada pode ser usada para alterar as características de fluxo instaladas da válvula. A forma dos orifícios cortados na gaiola determina se uma válvula é de porcentagem igual, linear ou de ação rápida. - A gaiola pode ser projetada para garantir uma distribuição equilibrada das forças do líquido no obturador e na haste, resultando no que é conhecido como interno balanceado guiado pela gaiola.
O obturador e a haste em uma válvula de haste deslizante sofrem forças que afetam o controle do obturador do atuador e resultam em movimentos espasmódicos e imprecisos da haste e altas bandas mortas.
O fluido ao redor da haste pode empurrá-la para cima, para baixo ou para os lados e até mesmo transmitir forças de torção sobre ela. Existem designs de guarnição que neutralizam e equilibram essas forças. Um interno balanceado usa modificações mecânicas no plugue ou um interno de gaiola para espalhar e uniformizar as forças.
Castelo
Uma consideração especial também deve ser dada ao castelo, que envolve o atuador e a gaxeta da válvula . Os castelos costumam ser projetadas para atender a certas faixas de temperatura.
Para serviço com temperatura alta (por exemplo, 400ºC) e abaixo de zero, um castelo de extensão é usado. Este topo de tampa especial isola a gaxeta de temperaturas extremas.
No serviço criogênico, a extensão separa o engaxetamento da haste da válvula do fluido sub-zero, evitando que o engaxetamento se torne quebradiço. Um castelo com aletas externas às vezes é usado para altas temperaturas. As aletas promovem a perda de calor para o ar ambiente.
Ruído :
As válvulas de controle geram ruído devido a vibrações mecânicas, cavitação ou efeitos aerodinâmicos. Altas velocidades, oscilações de pressão e fluxo instável criam vibrações que geralmente são abaixo de 100 decibéis (dB), a intensidade do som no nível máximo dos fones de ouvido de um rádio portátil. (A conversa normal é de cerca de 60 dB, e o limiar de dor do tímpano é de cerca de 130 dB).
O ruído gerado pela cavitação depende de seu grau. Aumentar a queda de pressão em uma válvula aumentará o ruído. Durante a cavitação total, uma válvula de controle faz um barulho estridente.
No entanto, o ruído costuma ser inferior a 100 db. O ruído gerado pela aerodinâmica resulta da mistura de fluidos turbulentos com fluidos laminares. Esta é a pior e mais comum fonte de ruído – os níveis podem chegar a mais de 100 db. As limitações de ruído para o processo precisam ser especificadas para o fornecedor da válvula
Selecionando o tipo de válvula
Os fabricantes de válvulas fornecerão a capacidade real de fluxo da válvula , expressa em termos de Cv, para seus vários tamanhos e tipos de válvula. Uma vez que um tipo de válvula e característica de fluxo são estabelecidos, um tamanho preliminar pode ser determinado computando o curso da válvula para cada caso de fluxo de projeto.
O curso é a relação entre o Cv calculado e o Cv real de uma válvula específica. Escolha uma válvula que possa operar entre 10–80% do curso da válvula em toda a faixa de operação esperada, ou seja, as taxas de fluxo mínima, normal e máxima.
Regras básicas para dimensionamento e seleção
O seguinte deve ser usado como um guia, mas não como um critério de design:
- Em um circuito bombeado, a queda de pressão alocada à válvula de controle deve ser igual a 33% das perdas dinâmicas no sistema na vazão nominal, ou 15 psi, o que for maior.
- A queda de pressão alocada a uma válvula de controle na linha de sucção ou descarga de um compressor centrífugo deve ser de 5% da pressão de sucção absoluta, ou 50% das perdas dinâmicas do sistema, o que for maior.
- Em um sistema onde a pressão estática move o líquido de um vaso de pressão para outro, a queda de pressão alocada à válvula deve ser de 10% da pressão do vaso terminal inferior ou 50% das perdas dinâmicas do sistema, o que for maior.
- As quedas de pressão nas válvulas nas linhas de vapor para turbinas, reboilers e vasos de processo devem ser de 10% da pressão absoluta do projeto do sistema de vapor, ou 5 psi, o que for maior.
- O ganho em uma válvula de controle nunca deve ser inferior a 0,5.
- Evite usar os 10% inferiores e os 20% superiores do curso da válvula. A válvula é muito mais fácil de controlar na faixa de 10–80%.
- Geralmente, os corpos das válvulas de controle têm um tamanho menor que o tamanho da linha. Se isso fizer com que o corpo da válvula seja significativamente menor do que o tamanho da linha, o que reduziria o Cv efetivo da válvula. então não aplique esta generalização.
Seleção de característica de fluxo
Aqui estão algumas diretrizes que são úteis para decidir qual tipo de característica de fluxo é mais adequada para uma aplicação específica.
Estas são apenas diretrizes e não devem ser tomadas como recomendações absolutas:
Porcentagem igual:
- quando a maior parte da queda de pressão do sistema de controle não é através da válvula
- para loops de controle de temperatura e pressão Linear:
- em nível de líquido ou serviço de controle de fluxo
- onde a queda de pressão através da válvula deve permanecer razoavelmente constante
- onde a maior parte da queda de pressão do sistema de controle é através da válvula.
Abertura rápida:
- para serviço liga / desliga frequente, como em lote ou processos semicontínuos, ou onde um grande fluxo “instantâneo” é necessário, ou seja, para sistemas de segurança ou dilúvio.
Materiais de Construção
A seleção de materiais inclui a especificação do corpo rígido, acabamento tipo de de gaxetas de vedação e materiais de proteção.
Como requisito mínimo, o corpo e os materias de acabamento devem corresponder ao material da tubulação reforçando que essa é uma condição mínima em uma especificação a qual não tenamos os dados reais do processo, uma vez que devemos sempre que possível buscar os dados mais reais e preciso de nosso processo.
Dizendo a bem da verdade muitos outros fatores ifluenciam na escolha e ou aceitação de uma válvula proposta para utilização esses fatores muitas das vezes estam realcionados a condição de custo da válvula, natureza do fluido e aceitação do cliente, porem sempre apresentar ao cliente as reais condições de necessidade em relação a condição de aplicação porque precisamos nesse momento da especificação nao nos levamos por fabricantes ou custo, principalemente quando estivermos lidando com fluidos corrosimos e erosimos porque podem vir a afetar a segurança de pessoas no processo.
Em caso onde o fluido for muito erosivo podemos buscar revestimentos e ou materiais que sejam compativeis a condição do fluido de forma a evitar o desgaste dos internos e ou retardar. Muitos são os produtos que podemos utilizar para serem utilizados em processos que possuam fluidos erosivos como exemplo temos: ligas de níquel ou cobalto-cromo, stellite 6, cerâmica ( Zircônia) e muitas outras ligas que podemos ser desenvolvida por encomenta conforma a necessidade.
Em fluios erosivos precisamos nos atentar a condição do processo como já comentado ao longo do texto porem precisamos dar atenção especial a variável temperatuta elevadas ( acima de 400ºC e ou temperaturas abaixo de 0(Zero))
Vejamos algumas aplicações que a temperatura pode influenciar na controlabilidade de válvula:
1 – Em temperaturas muito baixas como é o caso de linha de hidocarbonitos em forma gasosa a temperatura pode ser muito baixa chegando a valores abaixo de zero graus, nesse caso pode ocorre o estragulaneto(redução) nos insternos da válvula e vir acausar o travamanto da válvula ou não ocorrer a vedação em funçaõ da descaracterização dos internos.
2- Em temperaturas muito elevadas , os internos da válvulas estão sujeitos a expandirem de forma a não acontecer o encaixe adequado entre o obturador( plug) e a sede da válvula, reduzindo assim a vedação da válvula.
Quando da especifcação da válvula é recomendado realizar o calcula de válvula considerando as piores condições de operações e ou simular uma situaçãod e de flash para verificar a temperatura de saída na pressão mais baixa. Essa mesma prática deve ser observada quando tiver uma aplicação em condições de baixa temperatura, como com líquidos criogênicos(temperatura abaixo de zero), a umidade atmosférica pode fazer com que os componentes móveis da válvula, como a haste, congelem, travando a válvula em uma posição, vindo a trazer grandes problemas em nosso sistema de controle.
Quando nos depararmos com situações como aprecentada acima é preciso avaliar condições para evitar que essas assumam uma das condições apresentada para segurnaça de nosso processo, porque os efeitos dependendo da aplicação podem ser catastroficos por isso muita atenção ao especificar uma válvula para condições severas. Os princimais elementos a serem considerados são o corpo da valvula em caso de aplicações criogênicas e mante-los aquecidos , assim como as gaxetas de vedação devem ficar afastadas do fuido evitand que venham a se congelar. Atensão redobrada a pessão de trabalho em relação ao corpo da válvula e a gaxeta devendo essas suportas as pressões altas ( pressoes de projeto).
Em aplicações de alta pressão (> 1.000 psi), o grafite é usado para reforçar as vedações macias para evitar a extrusão através de pequenos orifícios.
Em muitos casos precismos reduzir a passagem interna da válvula em relação ao tamanho normal , porque a primeira cria uma queda de pressão para atingir o Cv correto. Além disso, a reduçãod a passagem reduz o valor da válvula porqeu pode ser usada em vária aplicações. Porém sempre bom especificar valores e tamanhos padrões sempre que possível considerando os padrões , por exemplo, 1,25, 2,5, 3,5, 5 e 22 pol. Esses tamanhos menos comuns são difíceis de encontrar e custam mais do que os tamanhos padrão.
As válvulas podem ser equipadas com diferentes conexões de extremidade. O RF (face ranhurada(elevada)) é comumente usado; a RTJ (junta tipo anel(pressões acima da classe 600#) é encontrada em algumas das classes de alta pressão. As válvulas podem ser soldadas no lugar, fornecendo uma conexão sem vazamentos. Isso elimina o custo e o peso dos flanges, mas pode ser problemático se a válvula tiver que ser removida para manutenção.
Manutenção
Todo e qualquer equipamento em algum momento precisará passar por um processo de manutenção porém cuidados quando realizamos o projeto de uma válvula e essencial para que possamos evitar manutenções precosse no caso das válvulas em perticular precisamos dar uma atenção maior esse instrumento quando mal dimensionado pode afetar diretamente no tempo de manutenção acarretando em parada de processo. devendo neste caso a especificaçãos e mais adequadamente nas condições de serviço.
Os problemas comuns são o desgaste do corpo da válvula, diafragma do atuador, sede e vedação. Cada um deles pode ser reduzido selecionando o estilo adequado de válvula e seus materiais de construção.
Por exemplo, uma válvula que manipula sólidos arrastados deve ser limpa com mais frequência para remover detritos. Neste caso, selecionar uma válvula globo pode não ser aconselhável, pois os detritos podem ser puxados através da vedação da haste, danificando-a e restringindo o controle. Uma válvula rotativa pode ser uma escolha melhor.
O desgaste da gaxeta é causado pelo atrito entre a gaxeta e a haste da válvula. Uma válvula de haste deslizante muitas vezes pode resultar em mais desgaste do que uma com haste rotativa, uma vez que a haste deslizante pode acumular depósitos e pode arrastá-los através da gaxeta. O desgaste da gaxeta é amplificado em válvulas com acabamento superficial da haste pobre, devido ao alto atrito entre a haste áspera e a gaxeta.
A seleção de uma válvula com uma superfície de haste mais lisa pode ajudar. A sede da válvula pode sofrer danos de duas fontes: passagem demasiada de fluido por desgaste prematuro do obturador e o próprio plugue. Uma sede macia, às vezes necessária para um fechamento hermético, pode sofrer erosão se for exposta a um fluido com sólidos em suspensão.
Uma sede de metal é recomendada para esse serviço, caso contrário, a vedação suave deve ser colocada de forma que fique protegida do caminho do fluxo principal. Se o obturador e a sede não estiverem em bom contato, polir a sede pode ser uma boa opção. Polimento, que se aplica apenas a sedes de metal, um processo em que o obturador e a sede são retificados manualmente juntos para que tenham um acabamento de superfície correspondente e, portanto, um encaixe mais apertado. Selecionar válvulas com alguns recursos de diagnóstico pode ajudar a reduzir a manutenção.
Válvulas e posicionadores inteligentes transmitem os parâmetros de assinatura da válvula (pressão do atuador, deslocamento da haste etc.) para o software, que os usa para calcular indicadores de desempenho, como fricção e torque da haste de gaxeta.
O monitoramento da assinatura pode ajudar a prever os requisitos de manutenção. Para estar no lado seguro, consulte o pessoal de manutenção e operações durante a seleção e o projeto da válvula.
Um cuidado final: dimensionar a válvula corretamente é importante para a eficiência econômica e do processo. Um problema generalizado da indústria é o superdimensionamento das válvulas de controle, o que leva a um controle deficiente e redução da vida útil.