Regras para projeto de medição de nível

Os seguintes pontos são considerados para projeto de medidores de nível para processos industriais.

Regras para projeto de medição de nível

Abaixo relacionamos alguns aspectos a serem considerado quando a necessidade de escolha de medidor de nível podendo esse ser manual ou automático.

1. Conexão do vaso de pressão
2. Conexão inferior do vaso
3. Seleção de faixa de medição
4. Seleção de material do instrumento 
5. Adequação ambiente
6. Tubos de suporte vs. proteções de sensores
7. Projeto de sensores de nível
8.  Dados
9. Emulsão
10. Calibração
11. Perfuração de poços
12. Disco de centralização
13. Controle e segurança
14. Rastreamento de calor
15. Acesso de manutenção
16. Capacidades de serviço

1. Conexão do vaso de pressão

A recomendação para conexão dos medidores de nível é que esses sejam instalados em flange de preferência em tomadas de processo superiores a 1″ permitindo melhor equilíbrio entre as colunas. As conexões rosqueadas diretamente a tubulação não são recomendadas.

A API RP 551 (reafirmada em 2007, seção 3.2.4) fornece orientação com relação a uma conexão de fluxo dinâmico.

As instalações dos instrumentos e medição de nível devem permitir que esses sejam isolado do processo de forma simples e segura permitindo assim a desmontagem para manutenções e calibrações sem afetar o processo a menos que seja possível a parada de processo de forma planejada e programada.

Os fabricantes de uma maneira geral apresentam medidores que podem ser montados tanto internamente como externamente ao vaso. Neste contexto deve-se considerar nos projetos a possibilidade de isolamento individuais, permitindo a remoção do sensor e a limpeza da gaiola / câmara (consulte a Figura 1).

Na medida do possível, a medição do sensor em câmara / “stand-pipe” deve ser representativa em relação ao nível real do vaso. Para exibir um nível representativo, isso pode exigir conexão adicionais na embarcação.

A flange do instrumento de nível deve ser projetado de acordo com o código e o material da tubulação /vaso. A face do flange deve estar livre de qualquer revestimento / isolamento e adequada para receber as juntas da tubulação / vaso.

Nota: Independentemente da localização dos bocais do instrumento, o requisito de distâncias da borda de solda do Código ‘Tubulação’, como os vasos ASME VIII e / ou PD 5500, deve ter acesso / distância adequados para construtibilidade e inspeção.

2. Conexão Inferior do Vaso

As conexões com as tomada inferiores do vaso devem ser evitadas de serem instaladas no fundo do vaso de forma a evitar obstrução da tomada. Buscando sempre que possível que os projetos sejam previstas tomadas nas laterais do vaso.

3. Seleção de Faixa

As configurações normais de operação / alarme / disparo devem ser definidas por uma combinação de limites operacionais de processo / vasos / instrumento.

As faixas de medição usadas para o sistema de controle de processo (LT para CLP e LG) e sistemas instrumentados de segurança (LT para SIS) devem ter as mesmos valores de faixa e de derivação do processo para permitir o monitoramento contínuo de qualquer discrepância entre várias medições.

No entanto, se por razões de precisão ou sensibilidade isso não puder ser alcançado, a faixa de medição do sistema de controle de processo deve cobrir a faixa de medição dos sistemas instrumentados de segurança.

A definição dos níveis de alarme e disparo deve ser revisada entre os especialistas em processo, tubulação e instrumentação para garantir a viabilidade. O diferencial (mínimo) apropriado entre o alarme e o disparo deve ser considerado.

4. Especificação de Material

Todos os materiais utilizados para a medição de nível devem ser selecionados de acordo com o equipamento (por exemplo, tubulação, vaso, tanque. etc) e os fluidos do processo.

Salvo indicação em contrário, as partes úmidas dos dispositivos de instrumentação (corpo imerso, flutuador, diafragma, etc) devem ser no mínimo AISI 316 ou 316 L SS.

Cuidados especiais devem ser tomados para a seleção do material (por exemplo, membrana banhada a ouro) em contato com fluido de baixa massa molecular ou se for esperada permeação de hidrogênio.

O material da caixa deve ser AISI 316 ou 316 L SS para offshore. Como alternativa, também podem ser utilizados outros materiais, como alumínio da classe A365 (pintado com epóxi) ou GRP.

5. Cuidados com Meio Ambiente

Todos os dispositivos usados ​​para medição de nível devem ser adequados às suas condições ambientais. Isso se aplica à temperatura, umidade, compatibilidade eletromagnética, proteção contra entrada, bem como à área de risco. A certificação relevante deve ser fornecida.

As restrições de peso e espaço disponível, particularmente para permitir a remoção do instrumento, devem ser levadas em consideração ao selecionar uma tecnologia de medição de nível.

Os Instrumentos de Nível devem ser avaliados quanto aos extremos de proteção contra intempéries, incluindo guarda-sóis e caixas de proteção, conforme necessário.

6. Tubos de suporte vs. gaiolas do sensor

Os termos tubo vertical (stand pipe) e câmeras de medição para sensores são frequentemente confusos. Para esclarecer, são utilizadas as seguintes definições:

6.1 – Tubo de externo vertical (stand pipe)

Este é um tubo vertical interligado externamente ao vaso permitindo comunicação com o nível interno ao vaso pelo princípio de vasos comunicantes, Permitindo que vários instrumentos sejam conectados. Esse tubo vertical (stand pipe) deve seguir as mesmas características e padrões de montagem que forma utilizados no vaso. Válvulas de isolamento podem ser usadas entre o vaso e o tubo vertical (conforme API RP 551 reafirmado em 2007, Figura 12).

Embora em alguns caso sejam encontrados instrumentos instalados diretamente ao standpipe essa prática não é recomendada.

Conexões longas podem causar gradientes de temperatura, formação de hidrato, acumulo de sedimentação e redução no nível de acoplamento entre o tubo vertical e o vaso (consulte a API RP 551 reafirmada em 2007, Figura 12). Figura acima

6.2 – Câmara / gaiola de medição do sensor

Esta é uma câmara/compartimento individual na qual o sensor de nível está instalado, parte de um instrumento de nível único. A câmara do sensor pode ser conectada diretamente ao vaso de pressão ou a um tubo vertical. O compartimento/câmara do sensor deve ter válvulas de isolamento, ventilação e drenagem de processo dedicadas.

As válvulas de drenagem devem ser instaladas na conexão inferior da gaiola do sensor e devem ser tomadas providências para o descarte apropriado do material drenado. Válvulas de ventilação são fornecidas para permitir a despressurização do instrumento antes da drenagem. Em serviços tóxicos, drenos e respiradouros devem ser canalizados para longe do instrumento para uma área ou sistema de descarte seguro.

Deve-se tomar cuidado para reduzir o gradiente de temperatura entre o vaso e o tubo vertical(stand pipe) / tubos de calma / compartimentos / câmara do sensor.

Os tubos de calma e câmaras de sensores podem ser revisado e avaliados quanto a requisitos de isolamento térmico e aquecimento de rastreamento, assim como devem fazer parte das inspeções e testes de pressão NR-13

7. Esboços de Nível

Os projetos de nível devem ser preparados logo na primeira fase do projeto de engenharia. Devendo incluir detalhes relacionados aos tamanhos e alturas das tomada , suportes interno e externo do vaso, material, localização do sensor / fonte, etc. de acordo com a recomendação do fabricante do produto.

Os projetos de nível devem indicar todos os instrumentos relacionados ao nível (transmissores, medidores, interruptores) para todas as aplicações (por exemplo, CLP´s e / ou SIS) com conexões de derivação e configurações normais de operação / alarme / disparo.

Os esboços de nível devem descrever o limite de nível na faixa medida de ‘comprimento’ e ‘%’.

Nota: Deve ser previsto espaço suficiente para facilitar a drenagem nivelada do instrumento e da câmara para um local seguro, se necessário sistema de drenagem fechado deve ser incorporado ao projeto.

8. Dados

Os dados do processo devem ser cuidadosamente tratados com todos os recursos detalhados do fluido, bem como as diferentes camadas a serem medidas.

Nas perspectivas do projeto, a incerteza de medição no nível CLP´s deve ser melhor que +/− 5% da leitura e a incerteza de medição no nível SIS deve ser melhor que +/− 2% da leitura.

Para instalações flutuantes (por exemplo, FPSO), o design deve levar em consideração o movimento da embarcação (por exemplo, inclinação, rotação) que pode influenciar a faixa de medição e a seleção da tecnologia. Os esboços de nível devem integrar as margens do alcance e dos limites devido ao movimento da embarcação.

Os requisitos locais de segurança contra radiação, os requisitos locais de radiofrequência e os requisitos operacionais (radiografia) e como esses eventos são gerenciados juntamente com os dados ambientais devem ser levados em consideração.

Dados do processo

• Para cada instrumento de nível, deve ser definido conforme os dados de processo (por exemplo Ranges, min, max, faixas de operação de temperatura e pressão operação e projeto de instalação):

• Dados do processo (por exemplo, densidade / SG, temperatura, pressão, dielétrico, viscosidade, etc.);

• Serviço específico (por exemplo, corrosivo, criogênico, etc.);

• Requisitos de medição de nível (por exemplo, aplicação de segurança ou controle, alarmes e valores de disparo, etc.);

• Presença de outros isótopos radioativos no fluido;

• Presença de sal (salinidade);

• Presença de filme / acúmulo de óleo;

• Presença de areia / água / emulsão / óleo / espuma;

• O tipo e nome da substância / fluido do processo a ser medido;

Dados de nível

Para cada medição de nível, os seguintes dados devem ser definidos no mínimo:

• Diâmetro disponível da tomada e conexão do flange;

• Disposições e layouts internos e externos do vaso;

• Composição do material do vaso e espessura da parede;

• Conexão, localização no vaso e instalação;

• Nota (s) de cálculo de fontes e detectores radioativos;

• Intensidade da fonte radioativa;

• Geometria, distância e localização de fontes e detectores radioativos;

• Manuais de operação e manutenção, bem como instruções específicas (por exemplo, intervenções de ajuste e calibração);

• Procedimento de calibração (na fábrica e em operação);

• Triagem adicional em torno do local final da instalação do contêiner de fonte radioativa;

• Características do tubo de imersão (material, espessura, diâmetro do flange ,etc.);

• Procedimentos para manuseio e armazenamento;

• Certificados de licenciamento e requisitos regulamentares, etc.;

9. Emulsão

Emulsão é uma mistura de dois ou mais líquidos que são normalmente imiscíveis. As emulsões fazem parte de uma classe mais geral de sistemas de matéria em duas fases, chamados coloides.

Embora os termos coloide e emulsão às vezes sejam usados ​​de forma intercambiável, a emulsão deve ser usada quando as fases dispersa e contínua são líquidas.

Como exemplo, óleo e água podem formar, em primeiro lugar, uma emulsão de óleo em água, em que o óleo é a fase dispersa e a água é o meio de dispersão.

Segundo, eles podem formar uma emulsão de água em óleo, em que a água é a fase dispersa e o óleo é a fase externa. Também são possíveis emulsões múltiplas, incluindo uma emulsão ‘água em óleo em água’ e uma emulsão ‘óleo em água em óleo’.

Atenção especial deve ser dada a qualquer medição de interface na presença de emulsão. A densidade da água na emulsão de óleo mudará dependendo da fração da água. Com alto teor de água (aproximadamente 80% de água em óleo), a densidade é comparável à da água.

Então considerando um fluido óleo no interior do vaso sabendo que a sua densidade e inferior da água quando na existência de uma emulsão com teor de água de 80% a densidade se eleva, não é necessário linearmente, com diminuição da fração volumétrica. Com um baixo teor de água (aproximadamente 20% de água em óleo), a densidade cai acentuadamente para o valor do óleo. Isso significa que a densidade da emulsão não é constante.

No entanto, a densidade da emulsão pode ser vista como a média do óleo e a densidade da água. Os valores dielétricos ou de condutividade da emulsão seguem o mesmo princípio de dispersão não linear. Isso implica que a emulsão não pode ser ‘vista’ facilmente como uma única interface de dois fluidos.

Nota: A espuma também é um fluido não uniforme; parâmetros de densidade, dielétrico e condutividade variam de maneira não linear.

Uma camada de emulsão na interface de dois fluidos pode ou não ser vista pelo instrumento, dependendo do arranjo de conexão. Ao usar uma câmera de sensor / tubo stand pipe, o seguinte pode ser considerado:

Figura 4 (Direita): Nível da interface com representatividade da emulsão

Figura 3: o dispositivo de nível de interface na câmera / compartimento do sensor / tubo vertical (standpipe) não ‘vê’ a emulsão no vaso, portanto, o valor medido representa apenas o nível médio da interface

Figura 4: o dispositivo de nível de interface na câmera do sensor / tubo vertical(standepipe) ‘vê’ a camada de emulsão para que o valor medido represente com precisão o nível de interface

Nota: a precisão da medição do nível da interface na presença da emulsão dependerá do número de tomadas conforme fornecidos, da tecnologia de sensor de nível selecionada, da especificação correta dos dados técnicos, por exemplo, SG e comissionamento e calibração completos do instrumento. Porém em caso de emulsão representativa sugere-se um maior número de tomadas na região em que se espera controlar a camada de emulsão.

10. Calibração

Teste e calibração devem ser realizada sempre que possível antes de serem montados no processo para garantir a operacionalidade durante a fase de comissionamento do processo. Um certificado de calibração deve ser fornecido, detalhando a rastreabilidade do equipamento de teste usado.

A calibração no local deve ser realizada para garantir que a calibração de fábrica não se deteriorou durante o transporte e que quaisquer requisitos específicos deixem de ser atendidos. Quaisquer componentes utilizados para garantir o transporte seguro com: vedações, acessórios de plástico, vedações temporárias ou guias de transporte devem ser removidos antes da montagem e conclusão mecânica.

Atenção especial deve ser dada à calibração dos instrumentos Radar, GWR, Capacitância, magnetorestrictivos e Radioativos.

Considerações para calibração / teste de funcionamento;

• O valor mais baixo da faixa deve ser calibrado sem fluidos do processo, mas sempre que possível com todas os componentes do vaso presentes se possíveis operando como por exemplo motores misturadores, etc . Devendo levar em consideração qualquer ruído / perturbação do sinal.

• O valor mais alto da faixa deve ser calibrado com o nível máximo de fluido a ser medido.

• Ferramentas especiais devem ser fornecidas. Qualquer revestimento especial de sensor ou sonda não deve influenciar a calibração.

• Recomenda-se um arranjo para calibração e lavagem em linha do instrumento.

• A verificação no local deve ser concluída para os instrumentos designados como parte de um LOP, por exemplo, SIS e alarmes críticos.

11. Tubo de Perfuração / Tubo de calma

Um tubo de calma é um tubo perfurado para permitir a livre circulação de fluido. Este tubo está equipado com uma flange montada na parte superior, que é suportada na parte inferior da embarcação. Por um longo período ainda bem, o suporte deve ser fornecido ao longo de seu comprimento; no entanto, esses suportes não devem afetar a medição.

As perfuração do tubo fornecem um ponto de referência de bitola estável (limitam o movimento vertical) e fornecem uma superfície do produto relativamente ‘estabilidade’ durante o enchimento e o esvaziamento da embarcação, especialmente se existir ‘turbilhão’.

A perfuração de tubos pode atuar como um ‘guia de ondas’ para a energia do radar. O tubo ajuda a concentrar o sinal emitido e a minimizar a perda de sinal. A perda de sinal é geralmente devida a uma baixa refletividade do produto (causada por uma baixa constante dielétrica) ou a fenômenos de superfície como ‘ebulição’ e ‘névoa de vapor’.

Os tubos de perfuração não devem ser usados ​​com fluido viscoso, fluido sujo ou acúmulo de filme de fluido.

• Mínimo AISI 316 SS com rugosidade suave ≤ 6,3 μm (sem peças de solda

• Uma peça do flange do bico com diâmetro constante.

• A largura da fenda dos poços de perfuração / diâmetro dos furos geralmente deve ser 1/10 do diâmetro do poço de imersão com um mínimo de 0,635 cm.

• O espaçamento entre fendas / furos deve ser de no mínimo 15 cm.

• Rasgos / furos devem ser rebarbados e sua quantidade minimizada.

• A forma dos furos pode ser com fenda ou circular.

• Os furos devem estar em ambos os lados do poço de calma, a fim de minimizar o risco de entupimento, especialmente para serviços de depilação.

• O diâmetro do poço de perfuração deve ter no mínimo 20 cm (conforme API MPMS § 3.1A e 3.1B).

• O projeto e a construção do poço de furação devem ser aprovados pelo fabricante do produto.

12. Disco de centralização

O disco de centralização usado nos tubos calmantes deve ser compatível com as propriedades do fluido (acúmulo, viscosidade …) e montado fora da faixa de medição.

A consideração deve ser levada em consideração ao usar um fundo ponderado montado na haste em vez de usar discos de centralização. Os discos de centralização devem ser fornecidos de acordo com a recomendação do fabricante do produto.

13. Controle e segurança

As medições de nível devem ser projetadas para garantir que a probabilidade de causa comum, modo comum e falhas dependentes entre as camadas de monitoramento, controle ou proteção de segurança sejam abordadas.

• independência entre as camadas de proteção

• diversidade entre as camadas de proteção

• separação física entre diferentes camadas de proteção

• falhas de causa comuns entre as camadas de proteção.

Como tal, diferentes princípios de medição são recomendados para funções de controle e segurança.

Com referência à ISO 10418 edição 2003, § 6.2.9.

“Os dois níveis de proteção devem ser independentes e, além dos dispositivos de controle usados ​​na operação normal do processo”, sugere-se alterar a recomendação para um requisito para bicos separados. “

A função de segurança deve fornecer uma detecção confiável e suficientemente rápida das perturbações do processo. Como a função de controle pode funcionar como backup, bem como a comparação da função de segurança, recomenda-se desempenho igual para o controle (a precisão e o ponto de disparo devem ser considerados).

Se as medições de shutdown(parada de processo) exigirem entrada de outras variáveis ​​(por exemplo, temperatura e pressão) para calcular o valor correto, essas entradas devem ser separadas para as funções de controle e desligamento.

Não deve ser possível isolar inadvertidamente a instrumentação das funções de desligamento do processo.

A instrumentação de nível usada em vasos e tanks de processo deve ser projetada de forma que um dos instrumentos de nível usados ​​para controle e segurança não seja afetado por distúrbios radioativos, raios-x e interferência eletromagnéticas.

O medidor de nível é recomendado para toda a faixa de medição. Os medidores de nível são usados ​​para operação local e como referência à instrumentação de nível.

Se forem necessários dispositivos de vários níveis (por exemplo, um dispositivo para controle e um segundo dispositivo para alarme, ou potencialmente vários dispositivos como parte de um SIS), o uso de diversas tecnologias de nível deve ser avaliado.

Deve-se considerar a comparação de diferentes dispositivos usados ​​no mesmo serviço, com função de comparação cruzada e alarmes a partir de uma porcentagem desviada, ou seja, 5%.

14. Rastreamento de calor

Todos as tomadas do instrumento devem estar localizados de forma a minimizar o risco de obstrução e solidificação no bico. Se houver risco de formação de hidrato ou congelamento nos bicos ou nas linhas de impulso do instrumento, deve-se considerar a aplicação do traçado de calor.

Observe, no entanto, que pode haver requisitos de segurança conectados ao rastreamento de calor, ou seja, requisitos de equipamentos para áreas classificadas ou proteção contra temperatura excessiva.

15. Acesso de manutenção

Todos os instrumentos de nível devem ser projetados para estabilidade e operação a longo prazo. Os intervalos para paradas de produção planejadas são normalmente de dois anos ou mais.

A tubulação ou tubo de alívio / drenagem deve ser direcionado para um local seguro de acordo com os requisitos da área, ou seja, para um local seguro / sistema de drenagem fechado.

A operação de manutenção deve levar em consideração o tipo de certificação para área de risco, por exemplo, Ex ia / ib, Ex d…

Medidores de nível ou indicadores devem ser legíveis no convés ou na plataforma permanente.

Válvulas de bloqueio devem estar disponíveis para operação.

16. Recursos de serviço

Durante a fase de projeto, recomenda-se incluir o fabricante do produto no projeto, construção e instalação adequados das instalações (por exemplo, esboço de nível, conexão, poços calmantes).

• O fabricante do produto deve ter a capacidade de auxiliar nas atividades de comissionamento e partida no local, fornecendo treinamento específico, realizando calibração no local e emitindo procedimentos de manutenção detalhados específicos para limpeza e substituição de equipamentos.

• O fabricante do produto deve fornecer uma lista abrangente de peças de reposição, números de peças e o tempo necessário para acelerar os itens consumíveis básicos.

• O fabricante do produto deve fornecer um plano de obsolescência para indicar a disponibilidade de peças de reposição para cada modelo, para que os usuários planejem a atualização ou o plano de estoque, conforme apropriado.

• O custo do ciclo de vida (ou seja, o custo total de propriedade) pode ser avaliado para a seleção da tecnologia de medição.

• Essas peças sobressalentes devem ser adicionadas aos sistemas de gerenciamento de manutenção que registram e detalham o dispositivo instalado no site e na instalação específicos.

Abreviações:

BPCS: Sistema Básico de Controle de Processo

CLP: Controlador Lógico Programável

LT: Transmissor de Nível

LG : Medidor de nível

DP: Pressão diferencial

DI: Diâmetro interno com identificação

SIS: Sistema Instrumentado de Segurança

SS: Aço Inoxidável

FPSO: Embarcação Flutuante de produção, armazenamento e descarregamento de Petróleo.

Fonte: Associação Internacional de Produtores de Petróleo e Gás

Agradecimentos: Subcomitê IOGP de Instrumentação e Padrões de Autômatos (IASSC), Grupo BG, BP, Endress + Hauser, Emerson, Honeywell, Krohne, Petrobras, PETRONAS Carigali Sdn Bhd, Repsol, Siemens, Statoil, Total, Vega, Yokogawa.

Conceitos de medição de nive utilizando radar de onda livre (webnar)

What is a Level Sensor?

Conceitos de instalação e manutenção transmissor nivel radar (aula-vale a pena) (emerson)

Capacitivo

https://www.us.endress.com/en/Endress-Hauser-group/capabilities-efficient-safe-operations/process-safety-field-instrumentation