O emprego de atuadores em válvulas industriais, especialmente no setor de petróleo e gás, tem experimentado um crescimento exponencial nos últimos anos. De acordo com um estudos cerca de 80% das válvulas nesse setor já são automatizadas. Essa tendência é impulsionada pela busca por maior eficiência operacional, segurança e controle preciso, especialmente em operações remotas e em condições extremas.
Os avanços tecnológicos, como a integração de sensores inteligentes e a comunicação sem fio, têm permitido que os sistemas de válvulas automatizadas se tornem mais robustos e adaptáveis. Essa evolução facilita a manutenção preditiva, reduzindo o tempo de inatividade e aumentando a confiabilidade dos sistemas. Adicionalmente, a demanda por soluções mais eficientes e sustentáveis, impulsionada pela exploração de novos campos em locais remotos e desafiadores, tem intensificado a busca por atuadores capazes de operar em condições adversas.
Os atuadores podem ser classificados em diferentes tipos, como pneumáticos, elétricos e hidráulicos, cada um com suas vantagens e desvantagens em termos de custo, desempenho e aplicabilidade. A escolha do atuador ideal depende de diversos fatores, incluindo a pressão do fluido, a temperatura ambiente, a corrosividade do meio e os requisitos de segurança.
Apesar dos avanços significativos, o setor ainda enfrenta desafios, como a necessidade de maior confiabilidade em ambientes hostis e a integração com sistemas de controle mais complexos. No futuro, espera-se que os atuadores se tornem ainda mais inteligentes, com capacidades de autodiagnóstico e autocorreção, além de serem integrados a sistemas de IoT para permitir um monitoramento e controle mais eficientes.
Considerações Técnicas na Seleção de Atuadores para Válvulas Industriais
Ao selecionar um atuador para válvulas industriais, engenheiros e técnicos devem considerar vários fatores críticos para garantir a eficiência e a segurança do sistema. Os principais fatores a serem considerados incluem:
Frequência de Operação da Válvula: Este fator se refere à rapidez com que a válvula precisa ser operada, especialmente em situações emergenciais ou de falha no processo. Em aplicações onde uma resposta rápida é crucial, como em sistemas de segurança ou controle de fluxo em processos críticos, a escolha de um atuador que possa operar a válvula com rapidez e precisão é essencial.
Ergonomia e Dificuldade de Acesso: A localização da válvula é um aspecto importante na seleção do atuador. Ergonomia também inclui a consideração do esforço necessário para operar manualmente o atuador, se necessário.
Requisitos Funcionais Críticos: Envolve a avaliação das necessidades específicas da aplicação, como a precisão do controle de abertura e fechamento, as condições ambientais (como temperatura extrema, umidade, e presença de substâncias corrosivas), e outras características técnicas que podem influenciar o desempenho do atuador.
A automação de válvulas é especialmente importante em áreas de difícil acesso ou em situações onde a presença humana é arriscada, como na contenção de materiais perigosos. Em tais casos, a automação permite operações seguras, confiáveis e rápidas, minimizando o risco para os operadores e garantindo que as válvulas possam ser acionadas rapidamente em caso de emergência. Atuadores que oferecem alto torque ou funcionalidades específicas de emergência são fundamentais para garantir a eficácia do sistema de controle em situações críticas.
Atuadores de Válvulas: A Força Motriz da Automação Industrial
Os atuadores de válvulas são dispositivos mecânicos fundamentais em sistemas industriais, convertendo energia (pneumática, hidráulica ou elétrica) em movimento para acionar válvulas e controlar o fluxo de fluidos. Sua importância é destacada pela capacidade de automatizar processos, otimizar a produção e garantir a segurança operacional.
Funções Principais dos Atuadores de Válvulas
- Posicionamento: Os atuadores movem com precisão a haste da válvula para a posição desejada, permitindo um controle exato do fluxo de fluidos. Essa função é essencial em processos que exigem dosagem precisa ou respostas rápidas na abertura/fechamento da válvula.
- Manutenção da Posição: Com mecanismos de feedback e controle, os atuadores mantêm a válvula na posição estabelecida, mesmo diante de variações de pressão ou temperatura. Isso assegura a estabilidade do processo e previne oscilações indesejadas.
- Vedação: Os atuadores aplicam a força necessária para assegurar uma vedação hermética entre as partes móveis da válvula, evitando vazamentos que poderiam resultar em perdas de produto, contaminação e riscos à segurança.
- Modos de Operação:
- Manual: Acionamento direto pelo operador.
- Automático: Controle por sistemas automatizados (PLC, DCS).
- Emergência: Posição predefinida para situações de falha ou emergência.
- Local/Remoto: Operação da válvula pode ser feita localmente ou à distância.
- Velocidade de Operação: A velocidade de abertura e fechamento pode ser ajustada para otimizar o tempo de ciclo e evitar choques hidráulicos, protegendo os componentes do sistema.
- Torque: Os atuadores fornecem o torque necessário para superar a resistência da válvula, garantindo sua operação mesmo em condições adversas.
Tipos de Atuadores e Suas Aplicações
- Pneumáticos: Utilizam ar comprimido como fonte de energia. São frequentemente usados em indústrias químicas e petroquímicas devido à sua capacidade de fornecer alta força a um custo relativamente baixo.
- Hidráulicos: Operam com óleo hidráulico, oferecendo alta força e precisão. São ideais para aplicações que requerem o manuseio de grandes cargas e movimentos rápidos, como em prensas e sistemas de moldagem.
- Elétricos: Utilizam motores elétricos para o movimento. São versáteis, precisos e de fácil controle, sendo amplamente aplicados em processos automatizados e ambientes com restrições de espaço.
Fatores a Considerar na Seleção do Atuador
- Características do Fluido: Pressão, temperatura, corrosividade e viscosidade.
- Condições Ambientais: Temperatura ambiente, umidade, presença de poeira ou gases corrosivos.
- Frequência de Operação: Número de ciclos por hora ou minuto.
- Torque Requerido: Força necessária para abrir ou fechar a válvula.
- Precisão: Tolerância de posicionamento.
- Velocidade: Tempo de resposta.
- Material de Construção: Compatibilidade com o fluido e o ambiente.
- Padrões de Segurança: Certificações e normas aplicáveis
2 Tipos de Atuadores
Existem, em geral, três tipos principais de atuadores: hidráulicos, pneumáticos e elétricos
2.1 Atuadores Hidráulicos
Os atuadores hidráulicos são dispositivos que utilizam potência hidráulica para realizar trabalho mecânico, convertendo energia hidráulica em movimento mecânico. Esses atuadores são essenciais em diversos sistemas industriais, especialmente em aplicações que exigem grande força e precisão. Existem dois tipos principais de atuadores hidráulicos: os atuadores de quarto de volta e os atuadores lineares.
Atuadores de Quarto de Volta
Os atuadores de quarto de volta (Fig. 1) são frequentemente utilizados em válvulas esféricas. Nestes sistemas, óleo de alta pressão, geralmente variando entre 160 e 200 barg, é introduzido no cilindro do atuador. Este óleo de alta pressão empurra a mola para trás, convertendo o movimento linear em um movimento rotacional de 90°, através de um mecanismo denominado scotch yoke (mecanismo de manivela e haste). Este tipo de atuador é ideal para aplicações onde é necessário um movimento rotacional limitado e controlado, como na abertura e fechamento de válvulas esféricas.
Atuadores Lineares
Os atuadores lineares são escolhidos para válvulas que requerem movimento linear, como as válvulas gaveta . Nestes atuadores, o óleo de alta pressão também é utilizado para gerar movimento linear. O cilindro do atuador empurra diretamente o mecanismo de fechamento da válvula, proporcionando um controle preciso do fluxo de fluidos através da válvula. A força gerada pelo óleo pressurizado permite que esses atuadores movam válvulas de grande porte ou que operam sob condições de alta pressão.
Funcionamento dos Atuadores Hidráulicos
O funcionamento dos atuadores hidráulicos baseia-se no princípio de Pascal, que afirma que a pressão aplicada a um fluido confinado é transmitida uniformemente em todas as direções. Nos atuadores hidráulicos, a pressão do óleo é utilizada para mover um pistão dentro de um cilindro. Dependendo do design do atuador, este movimento do pistão pode ser convertido em movimento linear ou rotacional.
- Entrada de Óleo de Alta Pressão: O óleo de alta pressão é introduzido no cilindro do atuador.
- Movimento do Pistão: A pressão do óleo move o pistão, que pode ser acoplado diretamente a um mecanismo de válvula ou a um mecanismo de conversão de movimento, como o scotch yoke.
- Conversão de Movimento: Nos atuadores de quarto de volta, o movimento linear do pistão é convertido em movimento rotacional. Nos atuadores lineares, o movimento permanece linear e é transferido diretamente para o mecanismo de válvula.
Aplicações
Os atuadores hidráulicos são amplamente utilizados em indústrias onde é necessário um controle preciso e força significativa, como na indústria de petróleo e gás, petroquímica, energia e de aviação. Eles são particularmente úteis em ambientes onde as válvulas precisam ser operadas de forma remota ou automatizada, garantindo segurança e eficiência operacional.
Ao entender os diferentes tipos e funcionamentos dos atuadores hidráulicos, engenheiros e técnicos podem selecionar os dispositivos mais adequados para suas aplicações específicas, garantindo o desempenho ideal dos sistemas de controle de válvulas.
A Figura 2 ilustra um atuador linear de retorno por mola, no qual o pistão é empurrado de volta pelo lado do pistão através da força do fluido hidráulico que entra pelo lado do cilindro. Esse tipo de atuador não utiliza came e alavanca, resultando em um movimento linear da haste do pistão que se conecta à haste da válvula. A ausência de came e alavanca simplifica o mecanismo, proporcionando um movimento direto e preciso.
Em contraste, atuadores hidráulicos de dupla ação, como mostrado na Figura 3, utilizam óleo pressurizado em ambos os lados do pistão para abrir e fechar a válvula. Nesse tipo de atuador, não há uma mola para mover a válvula para as posições aberta ou fechada. Em vez disso, o controle bidirecional é inteiramente realizado pela pressão hidráulica. Esse design é especialmente útil em aplicações que exigem um controle mais preciso e rápido, onde o retorno por mola pode não fornecer a força ou a velocidade necessária para operações eficientes e seguras.
Esses atuadores são amplamente utilizados em ambientes industriais que requerem alta precisão e confiabilidade, como sistemas de controle de processos e automação de válvulas em ambientes críticos. A escolha entre um atuador de retorno por mola e um atuador de dupla ação depende das exigências específicas da aplicação, incluindo fatores como a frequência de operação, o ambiente de trabalho e os requisitos de segurança.
As vantagens dos atuadores hidráulicos estão listadas abaixo :
Força Superior : Os atuadores hidráulicos são menores que os pneumáticos, pois a pressão do óleo é maior que a do ar, portanto, é necessário menos óleo para mover a mola em comparação com o ar. No entanto, o atuador hidráulico é mais espesso que o pneumático devido à maior pressão do óleo. Por exemplo, a pressão do ar em atuadores pneumáticos é de 5,5 a 9 barg, o que é muito inferior à pressão do óleo. Deve-se notar que barg é usado para indicar a pressão manométrica.
Os atuadores hidráulicos podem gerar forças substanciais, muitas vezes superando as dos cilindros pneumáticos. Eles operam em pressões de até 4000 psi (libras por polegada quadrada)/ 275 bar
Versatilidade / Flexibilidade: Os atuadores hidráulicos são uma boa escolha para válvulas de grande porte e classe de alta pressão, com altos requisitos de força ou torque para operação em alta velocidade.
Incompressibilidade: Os fluidos hidráulicos permitem que a força e o torque permaneçam constantes sem a necessidade de fluido ou pressão adicionais, graças à incompressibilidade.
Maior precisão: Os atuadores hidráulicos são mais precisos que os pneumáticos, pois o óleo hidráulico não é compressível, desta forma permite maior precisão.
Sofrem menor corrosão: Os atuadores pneumáticos, estão mais propensos a sofrerem corrosão nas para internas por receberem o ar atmosférico em uma se suas câmaras, em ambientes offshore esse ar é carregado de salinidade com isso fica mais propenso a corrosão quando comparado ao atuador pneumático que recebe sempre um óleo.
Os atuadores hidráulicos podem atingir a posição segura predefinida (aberto/fechado) após perderem a fonte de energia do óleo através da força da mola.
As desvantagens dos atuadores hidráulicos estão listadas abaixo [:
A alta pressão do fluido hidráulico é complexa de gerenciar, exigindo muitas precauções ambientais e de segurança.
O sistema de controle dos atuadores hidráulicos é maior e mais caro comparado ao pneumático.
2.2 Atuadores Penumáticos
Atuadores pneumáticos são dispositivos mecânicos simples que convertem a pressão do ar em trabalho mecânico. O princípio de funcionamento é o mesmo dos atuadores hidráulicos, mas funcionam com ar em vez de óleo. Este tipo de atuador pode ser linear ou de quarto de volta (Fig. 4). Por exemplo, a pressão do ar que entra na parte do cilindro do atuador está entre 5,5 e 9 barg.
As vantagens dos atuadores pneumáticos estão listadas abaixo:
Os atuadores pneumáticos funcionam com ar comprimido, que é um fluido seguro, prontamente disponível e ecologicamente correto, diferentemente do óleo , portanto, podem ser a melhor opção em áreas perigosas
Os sistemas de controle de atuadores pneumáticos são relativamente baratos e mais compactos em comparação aos atuadores hidráulicos.
Este atuador proporciona operação em alta velocidade e retorno a uma posição segura caso a fonte de energia aérea seja perdida, ao contrário dos atuadores elétricos.
As desvantagens dos atuadores pneumáticos estão listadas abaixo [2]:
Os atuadores pneumáticos são mais caros em comparação aos atuadores elétricos.
O ar é um fluido compressível, que pode comprometer a precisão dos atuadores pneumáticos.
2.3 Atuadores elétricos
Atuadores elétricos (Fig. 5) utilizam energia elétrica para acionamento das válvulas [2]. Na verdade, os atuadores elétricos são motores redutores com diversos acessórios elétricos, como chaves fim de curso e placas de circuito . O motor funciona com tensão 12, 24, 115 ou 220 AC ou DC.
As vantagens dos atuadores elétricos estão listadas abaixo:
A energia elétrica é relativamente barata.
Atuadores elétricos proporcionam boa precisão no movimento e funcionamento da válvula e é possível monitorar a porcentagem de abertura da válvula.
Todos os componentes de controle são integrados ao atuador, diferentemente dos atuadores pneumáticos e hidráulicos.
Os atuadores elétricos são mais baratos, mais compactos e mais leves que os atuadores pneumáticos e hidráulicos.
As desvantagens dos atuadores elétricos estão listadas abaixo [2]:
Não podem manter posições de segurança contra falhas, a menos que sejam combinados com energia hidráulica (atuadores eletro-hidráulicos).
Contêm componentes mais complexos e sensíveis em comparação com os atuadores pneumáticos e hidráulicos.
Não são tão econômicos quanto os atuadores pneumáticos ou hidráulicos acima de determinados tamanhos.
Os atuadores elétricos exigem mais certificações em áreas perigosas com fluidos explosivos, como ATEX. ATEX significa atmosferas explosivas e é uma diretiva da União Europeia que abrange equipamentos e sistemas de proteção para uso em atmosferas potencialmente explosivas.
3 Parâmetros que afetam a seleção do atuador
Os seguintes parâmetros podem afetar o tipo de atuador que deve ser selecionado para uma válvula [2, 3]:
1.Disponibilidade de fonte de energia:
Um atuador hidráulico não pode ser usado em uma planta se nenhuma fonte de óleo de alta pressão estiver disponível.
2.Torque e tamanho da válvula:
Válvulas de grande porte e classe de alta pressão (como uma válvula esfera de 30″ Classe 1500) requerem alto torque para operação. A seleção de um atuador pneumático muito grande para uma válvula tão grande não é econômica. Um atuador hidráulico é recomendado neste caso.
3.Modo de falha:
Os atuadores pneumáticos e hidráulicos ficam nas posições aberta ou fechada durante uma perda de energia, ao contrário dos atuadores elétricos. Esses tipos de válvulas são de retorno por mola, o que significa que em caso de falha de energia ou sinal, a mola retorna a válvula para uma posição segura predefinida [1]. Portanto, por exemplo, os atuadores elétricos não são adequados para válvulas de desligamento de emergência que devem ser totalmente fechadas em caso de queda de energia.
4.Velocidade de operação:
Os atuadores elétricos operam as válvulas mais lentamente do que os atuadores pneumáticos e hidráulicos, portanto, um atuador elétrico pode não ser uma escolha apropriada se for esperada uma velocidade de operação de 1 pol./s ou mais rápida da válvula.
5.Frequência e facilidade de operação:
É comum o uso de atuadores elétricos para certas válvulas de grande porte que são operadas com frequência em vez de operação manual, para facilitar a operação. Por exemplo, propõe-se que uma válvula de esfera manual classe 300 de 20″ com operação frequente seja equipada com um atuador elétrico apenas para facilitar a operação.
6.Acessórios de controle:
Os acessórios de controle em atuadores elétricos são integrados ao atuador, diferentemente dos atuadores pneumáticos e hidráulicos. Na verdade, os atuadores elétricos não necessitam de espaço para acessórios de controle, o que é uma vantagem. Os atuadores hidráulicos possuem painéis de controle maiores em comparação aos atuadores pneumáticos.
7.Áreas perigosas:
O uso de atuadores elétricos em ambientes perigosos pode ser limitado em alguns casos. Diferentes zonas e classes de perigo são definidas com base na presença de gases ou vapores inflamáveis que podem restringir o uso dos atuadores elétricos.
8.Custo:
Os atuadores elétricos são o tipo mais barato de atuadores, os atuadores hidráulicos são os mais caros e os pneumáticos estão entre os dois.
Antes de iniciarmos nosso estudo, é de grande importâcia conhecer as características da válvula esfera em função disso estaremos apresentando um resumo de suas partes e seu princípio de funcionamento.
Válvula de Esfera: Resumo das Partes e Princípio de Funcionamento
Partes Principais da Válvula de Esfera:
- Corpo da Válvula: O invólucro externo que mantém todas as partes internas da válvula unidas. Ele protege os componentes internos e permite a conexão com a tubulação.
- Esfera: Um componente esférico perfurado (com um orifício central) que controla o fluxo de fluido. Quando a esfera está alinhada com a tubulação, o fluxo é permitido. Quando a esfera é girada 90 graus, o fluxo é bloqueado.
- Sede: Anéis de vedação (normalmente de PTFE, PEEK ou outros materiais resistentes a desgaste e corrosão) que fazem contato com a esfera para garantir a vedação.
- Haste (ou Eixo): Conecta a esfera ao mecanismo de acionamento (manual ou automatizado) e permite a rotação da esfera.
- Atuador: Pode ser uma alavanca manual ou um dispositivo motorizado que gira a haste e, consequentemente, a esfera.
- Vedações da Haste: Anéis de vedação localizados onde a haste passa pelo corpo da válvula para prevenir vazamentos.
Princípio de Funcionamento:
O princípio de funcionamento da válvula de esfera é bastante simples:
- Quando a válvula está na posição “aberta”, o orifício da esfera está alinhado com a direção do fluxo, permitindo que o fluido passe através da válvula com mínima resistência.
- Quando a válvula está na posição “fechada”, a esfera é girada 90 graus, bloqueando completamente o fluxo.
Vedação entre a Sede e a Esfera:
A vedação é crítica para o funcionamento eficaz da válvula de esfera. A vedação é alcançada pelo contato estreito entre a esfera e a sede. Quando a válvula está na posição “fechada”, a esfera faz pressão contra a sede, garantindo que não haja passagem de fluido.
Sistema de Mola:
Entre a sede e o corpo da válvula, muitas válvulas de esfera possuem um sistema de mola. Este sistema funciona da seguinte forma:
- Mola: A mola aplica uma força constante sobre a sede, empurrando-a contra a esfera. Isso ajuda a manter a vedação eficaz, mesmo em condições de alta pressão ou variações de temperatura.
- Pressão: A pressão do fluido também ajuda a empurrar a sede contra a esfera, melhorando ainda mais a vedação. Em válvulas de esfera de dupla vedação, a pressão do fluido pode atuar em ambos os lados da esfera para manter a vedação.
Vantagens do Sistema de Mola:
- Vedação Melhorada: A força adicional da mola assegura uma vedação mais confiável e consistente.
- Compensação de Desgaste: À medida que a sede se desgasta ao longo do tempo, a mola mantém a pressão necessária para vedar contra a esfera, prolongando a vida útil da válvula.
- Adaptação a Variações: A mola ajuda a acomodar variações de temperatura e pressão, mantendo a integridade da vedação.
4 – Cálculos de Torque em uma Válvula
Para o correto funcionamento de uma válvula de bloqueio, um dos elementos essenciais é o atuador. O atuador é responsável pelo movimento de abertura ou fechamento da válvula, tornando crucial o cálculo do torque necessário para realizar essa operação de forma eficiente. Este cálculo deve atender às necessidades específicas de cada tipo de válvula e aplicação.
Neste estudo, apresentaremos um método prático para calcular o torque necessário para uma válvula esférica. Vamos examinar um caso específico envolvendo uma válvula esférica de passagem total de 10″ feita de material duplex 22Cr, classificada como Classe 300, operando a 30 °C, conforme o padrão API 6D. Esta válvula apresenta falha no fechamento e requer uma função de chamada de emergência.
Análise dos Tipos de Atuadores para Válvulas de Emergência
A escolha do atuador adequado é crucial para garantir o desempenho ideal da válvula, especialmente em situações de emergência. Aqui está uma análise dos tipos de atuadores disponíveis:
- Atuadores Elétricos: São eficazes em muitas aplicações, mas não possuem a capacidade de abertura e fechamento rápidos, o que é crítico em situações de emergência. Portanto, atuadores elétricos podem não ser a melhor escolha para esta aplicação específica.
- Atuadores Pneumáticos: Oferecem uma resposta rápida e são ideais para situações que exigem abertura e fechamento rápidos. São também mais simples e menos caros de manter em comparação com os atuadores hidráulicos. Dado que a válvula em questão não é grande e a classe de pressão é baixa, um atuador pneumático é altamente recomendável. Especificamente, um atuador pneumático do tipo “Scotch and Yoke” é adequado devido à funcionalidade de um quarto de volta, que é característica da válvula esférica.
- Atuadores Hidráulicos: São poderosos e capazes de gerar um torque elevado, sendo adequados para válvulas grandes ou aplicações de alta pressão. No entanto, são mais complexos e caros de manter, o que pode não ser necessário para uma válvula de emergência de tamanho e classe de pressão moderada como a do nosso estudo.
Após a análise dos tipos de atuadores, concluímos que o atuador pneumático “Scotch and Yoke” é a melhor opção para a válvula esférica de emergência descrita. Este tipo de atuador oferece a velocidade de resposta necessária e é adequado para o tamanho e a classe de pressão da válvula, garantindo uma operação eficiente e confiável. A seguir, detalharemos os cálculos necessários para determinar o torque adequado para esta configuração específica.
A segunda etapa envolve o cálculo do torque máximo necessário para abrir a válvula no diferencial de pressão máximo (ou seja, o torque de ruptura) . Uma maneira prática de calcular essa quantidade de torque é multiplicar a força aplicada pelo braço da alavanca. A força gerada na haste da válvula pelo ar pneumático é perpendicular ao braço da alavanca (haste). Portanto, o torque pode ser calculado usando a Equação 1:
Torque = Força×Braço da Alavanca
Agora, vamos considerar os parâmetros relevantes:
- τ (Torque de Ruptura): A magnitude do torque necessário para abrir a válvula (medido em Newton-metro, Nm).
- F (Força aplicada na haste da válvula): A força que atua na haste da válvula (medida em Newton, N).
- r (Braço de Alavanca): A distância entre o ponto onde a força é aplicada no topo da haste nua e o centro do membro de fechamento da válvula. Isso inclui a rotação da haste mais o comprimento de extensão da haste (medido em metros, m).
A força aplicada na haste da válvula deve superar as forças desequilibradas resultantes da queda de pressão. Além disso, ela deve transmitir força suficiente à sede da válvula para evitar vazamentos e superar o atrito da gaxeta . A força em uma válvula de haste descoberta pode ser calculada usando a Equação 2:
Observação: As forças de atrito do rolamento foram consideradas como parte das forças de atrito do empacotamento.
Embora existam forças atuando na sede devido à pressão do fluido, bem como cargas de mola atrás das sedes, neste caso, a força da sede foi assumida como zero para simplificar os cálculos. A Figura 6 mostra uma válvula esférica e seus componentes, incluindo sede, esfera, haste e vedação da haste (gaxeta).
A queda de pressão através da válvula cria uma força desequilibrada, que é calculada usando a Eq.3:
O assento é colocado ao redor da esfera da válvula de esfera, como mostrado na Fig.
A válvula esfera tem passagem total de 10″ e classe 300, portanto o furo mínimo desta válvula é 252 mm. Supondo que 3 mm de rádios extras em cada lado resultem em 6 mm de diâmetro extra, o diâmetro externo do assento é 252 + 6 = 258 mm. Colocando os valores na Eq. 4:
A queda de pressão máxima através de uma válvula é igual à classe de pressão máxima da válvula. Este valor para uma válvula classe 300 em corpo duplex 22Cr a 30 °C é 51,7 barg. Deve-se observar que 1 bar = 100.000 (N/m2). Portanto, a queda de pressão na válvula é de 5.170.000 (N/m2). Agora é possível calcular a força da queda de pressão usando a Eq. 3:
Supondo que o diâmetro da haste de ½″ seja igual a 12,5 mm e gaxeta dupla de PTFE reforçada, é possível obter o atrito (força) da gaxeta na Tabela 1:
Portanto, F (gaxeta) = 428 e agora é possível calcular a força total na válvula de haste descoberta usando a Eq. 2:
O comprimento da haste incluindo a extensão da haste é de 217 mm, e o torque pode ser calculado usando a Eq. 1:
Existem seis valores de torque associados a válvulas, incluindo válvulas de esfera:
1. Break to open (BTO): Este torque é medido quando a válvula está fechada e a esfera abre contra apenas uma sede sob pressão. Este torque, também chamado de torque de ruptura, foi calculado anteriormente.
2.Torque de funcionamento (RT): O torque da válvula quando a esfera abre aproximadamente 35°–45°.
3.Fim para abrir (ETO): O torque da válvula quando a esfera abre na posição fechada de 80° para abrir totalmente a válvula.
4.Quebra para fechar (BTC): Quando a válvula está na posição totalmente aberta, o torque necessário para quebrar a posição aberta da válvula para fechá-la.
5.Fim para fechar (ETC): O torque necessário para fechar totalmente a válvula quando ela está prestes a fechar.
6.BTO com bloco duplo: Este torque é medido quando a válvula está fechada e a esfera abre contra ambas as sedes sob pressão.
A Figura 8 mostra a posição da esfera em diferentes condições de torque.
Os outros valores de torque para a válvula esfera foram medidos pelo fornecedor da válvula esfera:
Conforme mostrado na Figura 4, um atuador Scotch and Yoke foi selecionado para a válvula neste estudo de caso. A Figura 9 mostra o funcionamento deste atuador conforme a força do ar move o pistão e a haste:
Dimensionamento do Cilindro Pneumático e Seleção da Mola para Torque Adequado
O próximo passo é dimensionar corretamente o cilindro pneumático e a mola do pistão, além de selecionar a mola apropriada para gerar os valores corretos de torque. A seguir, detalharemos o processo:
Pressão do Ar: A pressão do ar que entra no cilindro pneumático é de 7 barg.
Fator de Segurança: Para garantir a confiabilidade do atuador em uma situação de emergência, utilizamos um fator de segurança de 2. Isso significa que o atuador deve produzir valores de torque pelo menos duas vezes maiores que os valores de torque exigidos pela válvula.
Eficiência do Sistema: Assumimos que a eficiência do sistema é de 90%, ou seja, há uma perda de 10% da pressão do ar ao longo do sistema. Isso deve ser considerado no cálculo para garantir que o atuador tenha potência suficiente mesmo com essa perda.
Força de Impulso Necessária: A força de impulso necessária para abrir a válvula foi calculada previamente como 12.852,544 N (Newton).
onde F = força produzida na haste da válvula (N) para abertura da válvula; P = pressão do ar (N/m2); A = área da força aplicada (m2); µ = Eficiência = 90%
A área da relação da força aplicada com o diâmetro do cilindro é calculada usando a Eq. 6:
onde A = área da força aplicada (m2); D = diâmetro do cilindro (m2); P = pressão do ar = 7 Bar = 700.000 N/m2; e F = 12.852,544 N (usando a Eq. 5) → 12.852,544 = 700.000 × A × 0,9 → A = (12.852,544/700.000 × 0,9) = 0,020 m2;
Usando a Eq. (6)
O próximo passo é calcular a quantidade de movimento da haste dentro do cilindro. O fator de segurança para dimensionamento do atuador é 2, o que significa que o torque do atuador deve ser no mínimo o dobro do torque da válvula, teoricamente falando (Eq. 7):
Consulte a Eq. 1, τ = F × r, que pode ser usado para o torque BTO criado pelo atuador. r é a distância de movimento da haste devido à pressão do ar.
Portanto:
Assumindo 16 mm de espessura da extremidade da haste, o comprimento do cilindro pneumático é de 450 mm.
O próximo passo para dimensionar o atuador é calcular o tamanho do pistão da mola, bem como a seleção correta da mola para fechar a válvula. A mola inicia o fechamento da válvula através do torque BTC calculado usando a Eq. 8.
A Equação 9 mostra a relação entre o torque e a força para fechamento da válvula.
Supondo que a constante da mola (K) seja igual a 25.000 N/M, é possível calcular o deslocamento da mola usando a lei de Hooke (Eq. 10):
onde F: força (N); K: constante de mola (N/M); X: extensão da mola (m)
Supondo que o comprimento preliminar da mola (mola comprimida) seja 100 mm, então o pistão da mola é 513 + 100 = 613 mm.
Supõe-se que o diâmetro do pistão seja igual ao diâmetro do cilindro, que é 160 mm.
6. Conclusão
Este artigo examinou um estudo de caso de cálculo do torque de ruptura (Break to Open) e dimensionamento do atuador para uma válvula esfera de passagem total com haste nua em classe de pressão 300 e material de corpo duplex 22Cr. A válvula não fecha com uma função de desligamento de emergência e um atuador pneumático foi selecionado para a válvula. A força para abrir a válvula deve superar o atrito da gaxeta, bem como a força desequilibrada devido ao diferencial de pressão. Quatro outros valores de torque foram fornecidos pelo fornecedor da válvula. O fator de segurança para o dimensionamento do atuador é considerado igual a 2. A força e o torque calculados da válvula de ruptura foram usados como base para o dimensionamento do cilindro pneumático do atuador, assumindo uma pressão de ar de 7 barg e uma eficiência do sistema de 90%. Além disso, a força e o torque para fechamento da válvula foram utilizados para calcular o movimento da mola, bem como o comprimento do pistão da mola através da lei de Hook. O diâmetro do alojamento da mola foi considerado igual ao diâmetro do cilindro de ar.
Referências :
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