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Válvula de segurança de um sistema pressurizado

Válvula de segurança ou válvula de segurança e alívio (VSA) (SRV, do inglês safety relief valve) é um dispositivo automático de alívio de pressão, utilizado em sistemas hidráulicos e pneumáticos, para proteger pessoas e equipamentos, impedindo a elevação excessiva de pressão. Os sistemas possuem uma pressão máxima de trabalho admissível, acima da qual ocorre a ruptura de algum de seus componentes. Para evitar que isso ocorra por uma eventual falha na operação, uma VSA é instalada no circuito.[1]

HistóriaEditar

 
Digestor de Papin, criado em 1679 e que utilizou a primeira VSA
 
Válvula de segurança Ramsbottom com braço pivotante

A primeira e mais rudimentar válvula de segurança foi usada em um digestor a vapor, inventado pelo físico francês Denis Papin em 1679. O equipamento era um aquecedor de água, criado para extrair a gordura de ossos em um ambiente de vapor a alta pressão, que também os tornava frágeis o suficiente para serem facilmente triturados e transformados em farinha de osso. É considerado o precursor da autoclave.[2] Depois de várias explosões dos primeiros modelos, Papin criou uma válvula de alívio de vapor, que utilizava um peso para reter a pressão, projeto que até os dias atuais é normalmente usado em panelas de pressão. No entanto, esse sistema mostrou-se instável quando utilizado em equipamentos em movimento, como locomotivas a vapor, pois a válvula tendia a disparar quando submetida a algum impacto. Uma válvula menos sensível a acelerações súbitas usava uma mola para conter a pressão do vapor, que podia ser comprimida por um sistema de rosca, para ajustar a pressão, como a inventada pelo engenheiro Timothy Hackworth (en) em 1830.[3] Mas esta funcionalidade podia ser perigosa, pois era usada às vezes para aumentar o desempenho de uma máquina a vapor, para além das especificações de projeto.

Em 1856, o engenheiro John Ramsbottom (en) inventou uma válvula de segurança à prova de violação que se tornou universal nas ferrovias. A válvula Ramsbottom consistia de duas válvulas do tipo plug conectadas uma à outra por um braço pivotante carregado por molas, com um elemento de válvula em cada lado do pivô. Qualquer ajuste efetuado em uma das válvulas na tentativa de aumentar sua pressão de operação faria com que a outra válvula fosse levantada de sua sede, independentemente de como o ajuste fosse tentado. O ponto de articulação do braço não estava simetricamente colocado entre as válvulas, portanto, qualquer aperto da mola faria com que uma das válvulas se levantasse. Somente removendo e desmontando todo o conjunto da válvula, sua pressão de operação poderia ser ajustada.[4]

A desvantagem das válvulas do tipo Ramsbottom era a sua complexidade. A manutenção deficiente da ligação entre a mola e as válvulas podia fazer com que a válvula não operasse corretamente no alívio da pressão. As válvulas ficavam presas aos seus assentos e não conseguiam abrir ou abriam insuficientemente, e isso às vezes era imperceptível. Uma falha de manutenção nesse tipo de válvula de segurança levou a um acidente fatal com a explosão uma caldeira em 1909 em Cardiff, embora o sistema estivesse a apenas oito meses em operação.[5]

As válvulas de segurança evoluíram, passando a proteger outros tipos de sistemas pressurizados industriais como trocadores de calor, reservatórios de armazenamento de gás e outros.

Tipos de válvulasEditar

 
Vista interna de uma tampa de panela de pressão. A válvula de segurança (3) alivia a pressão interna se houver um entupimento ou falha da válvula reguladora de pressão (2)

Os termos "alívio", "segurança", e "alívio e segurança" se aplicam a válvulas que têm a finalidade de aliviar a pressão de um sistema. Nos processos industriais, costuma-se chamar todas essas de válvulas de segurança, porém existem diferenças, principalmente no tipo de fluido e, consequentemente, no processo construtivo de cada uma.

As válvulas de segurança são aplicadas em serviços com fluidos compressíveis, como gases e vapores, aliviando o excesso de pressão de forma rápida e instantânea. Um exemplo muito comum de uso, é na panela de pressão, em que a válvula de segurança previne uma eventual explosão por aumento excessivo da pressão interna, aliviando a pressão, no caso de entupimento ou falha da válvula reguladora de pressão[6]

Válvulas de alívio têm abertura proporcional ao aumento de pressão ao qual ela está instalada e após ser atingida a pressão de ajuste. São aplicadas principalmente em serviços com fluidos incompressíveis, ou seja, fluidos no estado líquido. Nessas válvulas o curso de abertura é sempre proporcional à sobrepressão do sistema.

Já as válvulas de alívio e segurança podem operar tanto com gases e vapores como com líquidos, dependendo da aplicação.

Terminologia de VálvulaEditar

 
Esquema de uma válvula de segurança e alívio carregada por mola.
Pressão de Operação

Pressão em libras por polegada quadrada (psi) à qual o vaso está normalmente submetido em serviço. Deve ser prevista uma margem adequada entre a pressão de operação e a máxima pressão de trabalho admissível (PMTA).

Pressão Máxima de Trabalho Admissível

É a pressão máxima de trabalho calibrada admissível em um vaso, à temperatura designada. Um vaso não pode ser operado acima desta pressão ou seu equivalente a qualquer temperatura do metal, que não seja a utilizada em seu projeto; logo, para aquela temperatura do metal, é a pressão mais elevada na qual a válvula de segurança da pressão primária é ajustada para abrir.

Pressão de Abertura

Expressa em libras por polegada quadrada no manômetro, a pressão de abertura é a pressão de entrada na qual a válvula foi ajustada para abrir sob condições de serviço. Em serviço com líquido, a pressão de abertura é determinada pela pressão de entrada na qual a válvula começa a descarregar um fluxo contínuo de líquido. Em serviço com gás ou vapor, a pressão de abertura é determinada pela pressão de entrada na qual a válvula irá "subir" sob condições de serviço.

Vazamento (Simmer)

Caracterizado pela passagem audível ou visual de um fluido através das superfícies de assentamento imediatamente antes da abertura. A diferença entre este início de abertura e a pressão de abertura é o vazamento. Para gás ou vapor, "simmer" é o vazamento imediatamente antes da abertura (pop). Para válvulas de serviço de líquido, o vazamento é o fluxo não-contínuo (descargas)imediatamente antes de se tornar contínuo.

Levantamento

Levantamento é a elevação do disco nas válvulas de alívio de pressão.

Capacidade Nominal

Porcentagem do fluxo medido em uma porcentagem autorizada de sobrepressão permitida pelo código aplicável. A capacidade nominal geralmente é expressa em libras por hora (libras/hora) ou pé cúbico padrão por minuto (SCFM) para vapores e gases e em galões por minuto (GPM) para líquidos.

Blowdown

O diferencial entre a pressão de abertura e a pressão de fechamento de uma válvula de alívio de pressão, expresso como porcentagem da pressão de abertura, ou libras por polegada quadrada manométrica.

Acúmulo

Aumento de pressão sobre a máxima pressão de trabalho admissível do vaso durante a descarga através da válvula de alíviode pressão, expressa como uma porcentagem daquela pressão, ou libras por polegada quadrada.

Sobrepressão

Aumento de pressão sobre a pressão de abertura no dispositivo de alívio primário. A sobrepressão é similar à acumulação quando o dispositivo de alívio é ajustado na máxima pressão de trabalho admissível do vaso. Normalmente, a sobrepressão é expressa como uma porcentagem da pressão de abertura.

Contrapressão

Pressão na saída de uma válvula de segurança, especificada como a seguir: a. Constante - Especifica contrapressão constante única (por exemplo, 10 psig). b. Variável - Especifica um intervalo de contrapressão variável usando os limites mínimo e máximo (por exemplo, 0 a 10 psig). c. Se ambas ocorrem, especificar se são adicionais.

Contrapressão Superimposta

A pressão no coletor de descarga antes da abertura da válvula de segurança.

Contrapressão Desenvolvida

Pressão que se desenvolve na saída da válvula como resultado do fluxo, após a abertura da válvula de segurança.

Diferencial entre a Pressão de Operação e a Pressão de Abertura

As válvulas em serviço de processo geralmente dão melhores resultados se a pressão de operação não excede 90% da pressão de abertura. Um diferencial mínimo de 25 psig é recomendado.

Nas linhas de descarga de bombas e compressores, contudo, o diferencial exigido entre as pressões de operação e de abertura pode ser maior em razão das pulsações de pressão vindas de um pistão alternativo. É recomendado que a válvula seja ajustada o mais acima da pressão de operação possível.

Internos da Válvula

Inclui o bocal, haste, guia, disco e fole.

Pressão de Teste Diferencial a Frio (CDS - Cold Differential Set)

Esta é a pressão na qual a válvula é ajustada para abrir na bancada de teste, indicada em libras por polegada quadrada. Esta pressão inclui as correções para contrapressão e/ou temperatura das condições de serviço.

As válvulas para altas temperaturas são normalmente ajustadas e testadas em temperaturas das condições atmosféricas. É costume serem feitos alguns ajustes na pressão de abertura sob condições atmosféricas para compensar o efeito das altas temperaturas de operação. As válvulas são então, testadas na Pressão de Teste de Diferencial a Frio.

Quando a pressão de abertura é aumentada para compensar a maior temperatura de operação, a seleção da mola é baseada na pressão de abertura real sem considerar a correção do diferencial a frio.

Cálculo (dimensionamento)Editar

Para o cálculo de uma PSV deve-se prever:

  • 1. A pressão de início de abertura da válvula, ie, a pressão em que a PSV começa a abrir (não necessariamente a PMTP. Consulte a norma correspondente ao serviço), bem como a pressão de abertura total.
  • 2. A vazão prevista de produto.

O Cálculo de uma vazão de PSV deve levar em conta todos os cenários possíveis, como por exemplo:

  • 1. Fogo externo
  • 2. Rompimento de serpentina
  • 3. Insolação
  • 4. Saída obstruída
  • 5. Falha de válvula

Deve-se calcular a vazão requerida de produto em cada um dos cenários. Aquele que tiver maior vazão torna-se o cenário.

Por exemplo, um tanque de gás liquefeito pressurizado recebe bombeamento de um compressor. A máxima pressão do compressor é capaz de romper o tanque, mas sua vazão máxima é 2 t/h de produto. Em caso de fogo externo, a expansão de gás dentro do vaso é de 10 t/h, conseqüêntemente a PSV deve estar projetada para permitir a passagem de 10 t/h, o pior cenário. Em caso do cenário do compressor, a PSV será suficiente para proteger o tanque.

Dimensionamento da área do OrifícioEditar

Calcule a área (Ac) requerida do orifício apropriado da válvula, utilizando as seguintes informações:

• Pressão de operação

• Pressão de abertura

• Temperatura de operação

• Temperatura de alívio

• Temperatura de projeto

• Tipo de fluido

• Capacidade de alívio requerida

• Sobrepressão permissível (escolha uma)

- ASME Seção VIII, Uma Válvula (10% de Sobrepressão)

- ASME Seção VIII, Múltiplas Válvulas (16% de Sobrepressão)

- ASME Seção VIII, Dimensionamento contra Incêndio (21% de Sobrepressão)

• Contrapressão

- Constante

- Variável (desenvolvida ou superimposta)

• Gases e vapores

Compressibilidade

Peso Molecular

Densidade

Razão de Calor Específico

• Líquidos

Peso Específico

Viscosidade

NormasEditar

Para dimensionamento e seleção de PSV são utilizadas as normas americanas ASME I, ASME VIII, API-520 ou ainda Europeias como a AD 2000 , PED dependendo da condição e localidade.

Ver tambémEditar

Referências

  1. Marc Hellemans (2009). The Safety Relief Valve Handbook: Design and Use of Process Safety Valves to ASME and International Codes and Standards (em inglês). [S.l.]: Elsevier. 326 páginas. ISBN 9780080961187 
  2. John Farey (1827). A Treatise on the Steam Engine: Historical, Practical, and Descriptive (em inglês). [S.l.]: Longman, Rees, Orme, Brown, and Green. 728 páginas 
  3. «Spring safety valve, c 1830» (em inglês). Science & Society 
  4. «John Ramsbottom: locomotive engineer» (em inglês). steamindex.com 
  5. Hewison, Christian H. (1983). Locomotive Boiler Explosions (em inglês). [S.l.: s.n.] ISBN 0715383051 
  6. «Portaria INMETRO n.º 328/08» (PDF). INMETRO. Cópia arquivada (PDF) em 21 de março de 2019