Então o que é uma válvula Choke ?
A válvula Choke, também conhecida como válvula de estrangulamento, é um tipo de válvula comum em serviços severos, especialmente em poços de produção de petróleo e gás. A sua principal função é controlar o fluxo de fluido do poço, regulando a quantidade de líquido ou gás que flui através dela. Além disso, a válvula Choke é utilizada para quebrar a pressão do reservatório e regular as pressões da linha de fluxo a jusante.
Essa válvula é composta por um plugue ou hastes que se movem para cima e para baixo dentro de um cilindro com fenda para controlar o fluxo. Quando o plugue é levantado, o fluxo de fluido é permitido e, quando abaixado, o fluxo é interrompido. Essa movimentação do plugue é realizada por um sistema hidráulico ou pneumático, dependendo da aplicação.
A válvula Choke é um componente essencial em poços de produção de petróleo e gás, desempenhando funções críticas como o controle do fluxo de fluidos provenientes do reservatório, a regulação da pressão tanto no reservatório quanto nas linhas de fluxo a jusante, além de contribuir para a segurança geral do ambiente de produção.
Seu funcionamento baseia-se na restrição controlada do fluxo: ao ser parcialmente fechada, a válvula provoca um aumento na velocidade do fluido na área de maior restrição, o que resulta em uma queda de pressão. Essa queda é geralmente desejada para ajustar o fluxo e manter o sistema operando dentro de parâmetros controlados.
No entanto, se a válvula for excessivamente restritiva, pode ocorrer o fenômeno conhecido como fluxo bloqueado (choked flow). Nesse cenário, o fluido atinge sua velocidade máxima permitida na área restrita da válvula, causando uma queda de pressão tão acentuada que o fluxo se torna limitado, independentemente do aumento da pressão a montante. Isso pode levar a instabilidades no sistema, danos à válvula e até falhas em equipamentos adjacentes devido ao desgaste erosivo ou ao impacto de forças excessivas.
O fluxo bloqueado é especialmente preocupante em sistemas de alta pressão ou alta vazão, onde pequenas variações no dimensionamento ou operação podem gerar condições críticas. Para mitigar esse risco, é fundamental que as válvulas Choke sejam projetadas e dimensionadas de forma precisa para a aplicação específica. Além disso, o monitoramento contínuo durante o uso é indispensável para identificar sinais de problemas, como quedas de pressão anormais ou desgaste acelerado, garantindo assim a confiabilidade e a segurança do sistema.
Resumidamente podemos dizer que , “fluxo bloqueado” é uma condição em que a taxa de fluxo através de uma válvula não muda substancialmente à medida que a pressão a jusante é reduzida.
Idealmente, a vazão turbulenta do fluido através de uma válvula de controle é uma função simples da capacidade de vazão da válvula (Cv) e queda de pressão diferencial (P1 – P2), conforme descrito pela equação básica do fluxo da válvula:
Q = Cv√((P2-P1)/Gf)
Onde,
Q = vazão volumétrica do líquido (galões por minuto, GPM)
Cv = Coeficiente de vazão da válvula
P1 = Pressão a montante do líquido (PSI)
P2 = Pressão a jusante do líquido (PSI)
Gf = Gravidade específica do líquido (relação do líquido densidade à densidade padrão da água)
Esta equação simplesmente não se aplica a condições de fluxo obstruído.
Em uma válvula de controle de gás, a regulação ocorre quando a velocidade do gás atinge a velocidade do som para esse gás. Isso geralmente é chamado de fluxo “crítico” ou sônico. Em uma válvula de controle de líquido, a regulação ocorre com o início do flashing .
A razão pela qual a velocidade sônica é relevante para a capacidade de fluxo de uma válvula de controle tem a ver com a propagação de mudanças de pressão nos fluidos.
O princípio de Pascal nos diz que mudanças na pressão dentro de um sistema de fluido fechado se manifestarão em todos os pontos do sistema, mas isso nunca acontece instantaneamente. Em vez disso, as mudanças de pressão se propagam através de qualquer fluido na velocidade do som dentro desse fluido.
Se um fluxo de fluido se move na velocidade ou acima da velocidade do som, as mudanças de pressão a jusante simplesmente não conseguem superar a velocidade do fluxo para afetar qualquer coisa a montante, o que explica por que a taxa de fluxo através de uma válvula de controle experimentando velocidades de fluxo sônicas (críticas) não muda com as mudanças na pressão a jusante: essas mudanças de pressão a jusante não podem se propagar a montante contra o fluxo em movimento rápido e, portanto, não terão efeito no fluxo, pois acelera a velocidade sônica no (s) ponto (s) de constrição.
As condições de fluxo bloqueadas tornam-se prontamente aparentes se a função de fluxo versus pressão de uma válvula de controle em qualquer valor fixo de abertura for representada graficamente.
A equação básica do fluxo da válvula prediz uma linha perfeitamente reta em declive constante, com vazão (Q) como variável vertical e a raiz quadrada da queda de pressão (√ (P1 – P2)) como variável horizontal.
No entanto, se realmente testarmos uma válvula de controle, mantendo constante a pressão líquida a montante (P1) e variando a pressão a jusante (P2), mantendo uma posição fixa da haste, notamos um ponto em que o fluxo atinge um valor limite máximo:
Em uma condição de fluxo obstruído, reduções adicionais na pressão a jusante não alcançam maior fluxo de líquido através da válvula.
Isso não quer dizer que a válvula tenha atingido um fluxo máximo – ainda podemos aumentar a taxa de fluxo através de uma válvula bloqueada aumentando sua pressão a montante. Simplesmente não podemos obter mais fluxo através de uma válvula bloqueada, diminuindo sua pressão a jusante.
Um preditor aproximado de condições de fluxo bloqueadas para o serviço de válvula de gás é a taxa de pressão absoluta de montante até o mínimo.
Quando a pressão da veia-contracta é inferior a metade da pressão a montante, ambas medidas em unidades de pressão absoluta, o fluxo bloqueado é praticamente garantido.
Deve-se ter em mente que isso é apenas uma aproximação e não uma previsão precisa para o fluxo bloqueado = choked flow (nota 01). São necessárias muito mais informações sobre o projeto da válvula, o gás de processo específico e outros fatores para prever com segurança a presença de asfixia.
Nota 01
- O fluxo bloqueado (também conhecido como fluxo crítico) ocorre em uma válvula quando um aumento na queda de pressão através da válvula não afeta mais a taxa de fluxo através da válvula. Ocorre quando a velocidade do gás ou vapor atinge o som (Mach 1) na veia contracta.
- O fluxo bloqueado não é necessariamente um problema nas válvulas, mas precisa ser levado em consideração nos cálculos de Cv. Para líquidos, o fluxo obstruído indica o início da cavitação completa, o que geralmente requer que sejam tomadas medidas especiais para reduzir os danos.
- Com gases limpos, não há problema com o fluxo obstruído. Use a queda de pressão sufocada em qualquer equação para calcular as taxas de fluxo ou Cv. Níveis altos de ruído podem ser gerados.
- Partículas sólidas no fluxo de gás causarão erosão devido às altas velocidades envolvidas. Com líquidos, ocorrerá uma cavitação completa quando o fluxo for bloqueado.
- Válvulas de alta recuperação, como bola e borboleta, serão engasgadas com quedas de pressão mais baixas do que as válvulas de baixa recuperação, como a Globo, que oferecem um caminho de fluxo mais restrito quando totalmente abertas.
O fluxo bloqueado nos serviços líquidos é previsto quando a pressão da veia contracta é igual à pressão do vapor do líquido, uma vez que o bloqueio é uma função do flash para fluxos de fluxo de líquidos.
Nenhuma tentativa será feita neste texto para explicar os procedimentos de dimensionamento para válvulas de controle no serviço de fluxo obstruído, devido à complexidade do assunto.
Uma aplicação interessante e útil do fluxo obstruído de gases é um dispositivo chamado bico de velocidade crítica. Este é um bico projetado para permitir uma vazão fixa de gás através dele, dada uma pressão a montante conhecida e uma pressão a jusante que é suficientemente baixa para garantir velocidades sônicas na garganta do bico.
Um uso prático para bocais de velocidade crítica é no teste de fluxo de sistemas de ar comprimido. Um ou mais desses bicos são conectados à linha principal do cabeçalho de um sistema de compressor de ar e autorizados a ventilar para a atmosfera.
Desde que o (s) compressor (es) consiga manter a pressão constante do cabeçalho, é garantido que a vazão de ar através dos bicos injetores seja fixa, permitindo que um técnico monitore os parâmetros do compressor sob condições de carga conhecidas com precisão.
Excelente artigo.