Válvulas Acessórios

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA Válvulas e Acessórios Maceió-AL 2010 1. VÁLVULAS 1.1. Introdução: Válvula é um acessório que raramente percebemos o seu funcionamento e, normalmente, ignoramos a sua importância. Sem os sistemas modernos de válvulas, não haveria água pura e fresca em abundância nos grandes centros, o refino e distribuição de produtos petrolíferos seriam muito lentos e não existiria aquecimento automático nas casas. Por definição, uma válvula é um acessório destinado a bloquear, restabelecer, controlar ou interromper o fluxo de uma tubulação. As válvulas de hoje podem, além de controlar o fluxo, controlar o nível, o volume, a pressão, a temperatura e a direção dos líquidos e gases nas tubulações. Essas válvulas, por meio da automação, podem ligar e desligar, regular, modular ou isolar. Seu diâmetro pode variar de menos de uma polegada até maiores que 72 polegadas. Podem ser fabricadas em linhas de produção, em bronze fundido, muito simples e disponível em qualquer loja de ferramentas ou até ser o produto de um projeto de precisão, com um sistema de controle altamente sofisticado, fabricada de uma liga exótica de metal para serviço em um reator nuclear. As válvulas podem controlar fluidos de todos os tipos, do gás mais fino a produtos químicos altamente corrosivos, vapores superaquecidos, abrasivos, gases tóxicos e materiais radioativos. Podem suportar temperaturas criogênicas à de moldagem de metais, e pressões desde altos vácuos até pressões altíssimas. Em qualquer instalação deve haver sempre o menor número possível de válvulas, compatível com o funcionamento da mesma, porque as válvulas são peças caras, onde sempre há possibilidade de vazamentos (em juntas, gaxetas etc.) e que introduzem perdas de carga, às vezes de grande valor. As válvulas são entretanto peças indispensáveis, sem as quais as tubulações seriam inteiramente inúteis. As válvulas representam, em média, cerca de 8% do custo total de uma instalação de processamento. A localização das válvulas deve ser estudada com cuidado, para que a manobra e a manutenção das mesmas sejam fáceis, e para que as válvulas possam ser realmente úteis. 1.2. Tipos de Válvulas Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos, cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também das propriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a que se achará submetido, e da forma de acionamento pretendida. Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos subtipos, cuja escolha depende não apenas da natureza da operação a realizar, mas também das propriedades físicas e químicas do fluido considerado, da pressão e da temperatura a que se achará submetido, e da forma de acionamento pretendida. 2 Existe uma grande variedade de tipos de válvulas, algumas parauso geral, e outras para finalidades específicas. São os seguintes os tipos mais importantes de válvulas: 1.2.1. Válvulas de Bloqueio (block-valves) a) Válvulas de gaveta (gate valves). Esse é o tipo de válvula mais importante e de uso mais generalizado. Os principais empregos das válvulas de gaveta são os seguintes: i) Em quaisquer diâmetros, para todos os serviços de bloqueio em linhas de água, óleos e líquidos em geral, desde que não sejam muito corrosivos, nem deixem muitos sedimentos ou tenham grande quantidade de sólidos em suspensão. ii) Em diâmetros acima de 8” para bloqueio em linhas de vapor. iii) Em diâmetros acima de 2” para bloqueio em linhas de ar. São usadas para quaisquer pressões e temperaturas. Não são adequadas para velocidades de escoamento muito altas. O fechamento nessas válvulas é feito pelo movimento de uma peça chamada de gaveta, que se desloca paralelamente ao orifício da válvula, e perpendicularmente ao sentido geral de escoamento do fluido (Fig. 1). Quanto totalmente aberta a perda de carga causada é muito pequena. Só devem trabalhar completamente abertas ou completamente fechadas. Quando parcialmente abertas, causam perdas de carga elevadas e também laminagem da veia fluida, acompanhada muitas vezes de cavitação e violenta corrosão e erosão. São sempre de fechamento lento, sendo impossível fechá-las instantaneamente: o tempo necessário para o fechamento será tanto maior quanto maior for a válvula. Essa é uma grande vantagem das válvulas de gaveta, porque assim controla-se o efeito dos golpes de aríete. As válvulas de gaveta dificilmente dão uma vedação absolutamente estanque (bubble-tight closing); entretanto, na maioria das aplicações práticas, tal vedação não é necessária. As válvulas de gaveta, como têm o fechamento de metal contra metal, são consideradas de segurança em caso de incêndio, desde que os metais empregados sejam de alto ponto de fusão 3 Figura 1 - Válvula de gaveta. b) Válvulas macho (plug, cock valves). É o tipo de válvula cujo obturador é um macho paralelo ou cônico que gira em torno da sua haste de modo a alinhar a sua abertura com as aberturas do corpo (Fig. 2). Com apenas um quarto de volta se faz a abertura ou o fechamento da válvula e o fluxo é sempre suave e ininterrupto. A passagem pode ser integral ou reduzida e os machos podem ser lubrificados ou não e quando não lubrificados os machos podem incorporar dispositivos destinados a reduzir o atrito entre as partes móveis, com o macho revestido com teflon e pode ainda ser do tipo fire-safe. Nas válvulas com machos lubrificados o lubrificante deve ser não solúvel no fluido circulante e este tipo de válvula, com macho lubrificado, tem seu emprego destinado ao manuseio de óleos, produtos graxos muito densos, refino de petróleo sob altíssimas pressões, até 6000 psi e temperaturas entre -30 e 300 °C. Existem válvulas de macho com duas, três ou até quatro vias. As Válvulas macho representam em média cerca de 10% de todas as válvulas usadas em tubulações industriais. Existem dois tipos gerais de Válvulas macho: válvulas com e sem lubrificação. Nas válvulas com lubrificação há um sistema de injeção de graxa lubrificante sob pressão através do macho para melhorar a vedação e evitar que o macho possa ficar preso; são as válvulas geralmente empregadas em serviços com gases. O lubrificante usado deve ser tal que não se dissolva nem contamine o fluido conduzido. O macho tem sempre rasgos para a distribuição do lubrificante por toda superfície de contato com as sedes. 4 Figura 2 – Válvula Macho c) Válvulas de esfera (ball valves). É a válvula de bloqueio que até pouco tempo representava a minoria das válvulas instaladas mas que à partir do final da década de 80 passou a ganhar o espaço perdido pelas válvulas de gaveta, por serem mais eficientes e de menor custo (Figura 3). Sua principal característica é a mínima perda de carga para os modelos de passagem plena e a baixa perda de carga para os outros modelos devido à pequena obstrução do fluxo quando totalmente abertas. Podemos dizer que a válvula de esfera representa uma evolução da válvula de macho. As vantagens das válvulas de esfera sobre as de gaveta são o menor tamanho, peso e custo, melhor vedação, maior facilidade de operação e menor perda de carga. Essas válvulas são também melhores para fluidos que tendem a deixar depósitos sólidos, por arraste, polimerização, coagulação etc.: A superfície interna lisa da válvula dificulta a formação desses depósitos, enquanto que, para a válvula de gaveta, o depósito pode impedir o fechamento completo ou a própria movimentação da gaveta. Algumas válvulas de esfera são “à prova de fogo”, com dispositivos especiais de dupla sede garantindo perfeita vedação, mesmo no caso de destruição dos anéis retentores, estando a válvula envolvida por um incêndio. Figua 3 – Válvula Esfera 5 1.2.2. Válvulas de Regulagem (throttling valves) a) Válvulas globo (globe valves). Válvulas globo têm esse nome universalizado devido à forma globular concebida inicialmente no projeto de seu corpo. Também conhecida como registro de pressão, assim como a de agulha, presta-se a regular vazão e bloquear o fluxo de fluidos em uma tubulação (Figura 4). Existem desde as válvulas domésticas (a maioria das válvulas de lavatórios, chuveiros e pias são válvulas de globo, com a vedação sendo chamada de “carrapeta”), até válvulas com cerca de DN 300 (12”) ou até mesmo DN 400 (16”). Seu funcionamento para abrir ou fechar é feito manualmente por um volante fixo à extremidade da haste e quando girada, promoverá um movimento de translação em sentido ascendente ou descendente do obturador acoplado à outra extremidade da haste que atuará na sede localizada no corpo da válvula, abrindo, fechando ou regulando a passagem do fluxo. Existem quatro versões deste tipo de válvula, todas elas com características comuns quanto ao funcionamento, mas com projetos de disposição do corpo de forma tal que as diferenciam, proporcionando assim melhores opções aos projetistas e instaladores em montagens de tubulações. Como regra geral, as Válvulas globo devem ser instaladas de forma que o fluido entre pela face inferior do tampão. As Válvulas globo são usadas principalmente para serviços de regulagem e de fechamento estanque em linhas de água, óleos, líquidos em geral (não muito corrosivos), e para o bloqueio e regulagem em linhas de vapor e de gases. Para todos esses serviços as Válvulas globo são empregadas para quaisquer pressões e temperaturas, em diâmetros até 8”. Não é usual o emprego de Válvulas globo em diâmetros maiores porque seriam muito caras e dificilmente dariam uma boa vedação. Figura 4 – Válvula Globo 6 b) Válvulas de agulha (needle valves). Também conhecida simplesmente por “válvula de agulha”, ou ainda como “globo ponta de agulha” são as válvulas destinadas à regulagem precisa de vazão. A válvula de agulha é uma variação das válvulas globo e portanto de funcionamento idêntico. Ela difere basicamente no seu elemento de vedação (obturador) que se caracteriza pelo seu formato cônico extremamente agudo, normalmente constituído na própria extremidade da haste que promove os movimentos de abertura, fechamento e principalmente regulagens. Este tipo de válvula tem o orifício de passagem bastante reduzido em relação à bitola da válvula para que se possa obter uma maior precisão nas regulagens de vazão (Figura 5). As válvulas de agulha são indicadas para serem utilizadas em aparelhos de instrumentação de ar comprimido, gases e líquidos homogêneos em geral com baixa viscosidade. Figua 5 –Válvula Agulha c) Válvulas borboleta (butterfly valves). A válvula borboleta, uma das mais antigas, recebe esse nome em função da aparência se seu oburador, tem por função a regulagem e o bloqueio do fluxo em uma tubulação e pode trabalhar em várias posições de fechamento parcial. O fechamento da válvula é feito pela rotação de uma peça circular, chamada disco, em torno de um eixo perpendicular à direção de escoamento do fluido. Quase todas as válvulas de borboleta têm anéis de sede em elastômeros, com quais se consegue uma excelente vedação. As válvulas de borboleta foram originalmente concebidas como válvulas de regulagem, mas devido ao aprimoramento da sede pode também trabalhar como válvulas de bloqueio. É utilizada principalmente em sistemas de adução e de distribuição de água bruta ou tratada, e em estações de tratamento de água e de esgotos e ainda é utilizada na indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia. Podem ser usadas em serviços de alta corrosão pois existem válvulas com revestimento 7 anticorrosivo tanto no corpo como na haste e no disco de fechamento. São utilizadas em tubulações contendo líquidos, gases, inclusive líquidos sujos ou contendo sólidos em suspensão, bem como para serviços corrosivos. As vantagens de uma válvula borboleta são muitas, como a facilidade de montagem, construção compacta, robusta e leve ocupando pequeno espaço, excelentes características de escoamento com alta capacidade de vazão, baixo custo e boa performance como válvula de regulagem e de controle. Figura 6- Válvula Borboleta d) Válvulas de diafragma (diaphragm valves). Este tipo de válvula tem origem de seu nome ligada a um componente que realiza a sua vedação: o diafragma. Trata-se de uma peça moldada e prensada feita de borracha ou plástico. De construção bastante simples estas válvulas se compõem de três unidades: corpo, diafragma e tampa. Dispensam qualquer tipo de engaxetamento da haste. São de fácil manutenção e normalmente dimensionadas para trabalho contínuo por longos períodos, com uma condição mínima de manutenção. A geometria de seu corpo representa um perfil angular permitindo receber vários tipos de revestimentos, tais como: borracha, ebonite, vidro, teflon, etc. Além disso, o mecanismo de acionamento é completamente isolado do fluido que passa em seu corpo, evitando assim elementos como juntas e gaxetas. As válvulas de diafragma são quase sempre válvulas pequenas (até 6”), geralmente de materiais não metálicos ou de metais com revestimentos internos especiais contra a corrosão (ebonite, borracha, plásticos, vidro, porcelana etc.). A temperatura limite de trabalho da válvula está em geral na dependência do material empregado no diafragma, que varia conforme o fluido conduzido (borracha natural, borrachas sintéticas, neoprene, teflon etc.). 8 Figura 7 –Válvula Diafragma 1.2.3. Válvulas que Permitem o Fluxo em Um só Sentido a) Válvulas de retenção (check valves). As válvulas de retenção caracterizam-se pela auto-operação proporcionada pelas diferenças de pressão entre montante e jusante exercidas pelo fluido em conseqüência do próprio fluxo, não havendo necessidade da atuação do operador. As válvulas de retenção são denominadas de “válvulas unidirecionais” e são instaladas com a finalidade de evitar a inversão no sentido do fluxo, o refluxo. Quando ocorre a interrupção no fornecimento de energia das bombas e, conseqüentemente ocorre a parada do escoamento, as válvulas de retenção se fecham impedindo o refluxo e retendo a coluna do fluido na tubulação. Como função secundária, são importantes para a manutenção da coluna de líquido durante a paralisação e fundamentais também para se evitar que a sobre-pressão causada por golpes de aríete resultantes da parada brusca do escoamento chegue às bombas. Figura 8 –Válvula de retenção 9 b) Válvulas de pé (foot valves). São válvulas de retenção especiais para manter a escorva (linha com líquido) nas linhas de sucção de bombas; devem ser instaladas na extremidade livre da linha, ficando mergulhadas dentro do líquido no reservatório de sucção. Essas válvulas são semelhantes à válvulas de retenção de levantamento, tendo geralmente no tampão um disco de material resiliente (plásticos, borracha etc.), para melhorar a vedação. Possuem também uma grade externa de proteção (Fig. 9). Figura 9 –Válvula de Pé 1.2.4. Válvulas que Controlam a Pressão de Montante a) Válvulas de segurança e de alívio (safety, relif valves). São válvulas que têm por finalidade a proteção pessoal e a proteção de linhas e equipamentos. É uma válvula de auto-operação, usando a energia do próprio fluido para a sua operação, abertura ou fechamento. Devem ser instaladas diretamente ligadas aos pontos a serem protegidos e entre a tubulação e a entrada válvula de segurança/ alívio não pode nada que possa impedir o fluxo, não pode haver uma válvula de bloqueio para manutenção e nem mesmo uma figura oito. A passagem deve estar completamente livre entre a tubulação a ser protegida e a válvula de segurança /alívio. O tubo de saída da válvula, o alívio, deverá descarregar em uma área segura e completamente livre. Para ar comprimido, vapor e gases inertes o ponto de descarga pode ser a atmosfera, em um ponto acima do local mais alto da edificação, seguro para a presença de pessoas. Para líquidos esse ponto poderá ser o próprio tanque que contém o fluido ou ainda um tanque destinado especialmente para esse fim. 10 Figura 10 – Válvula de Alívio 2. Acessórios Podemos dar a seguinte classificação de acordo com as finalidades e tipos dos principais acessórios de tubulação. Não existe uma distinção muito rígida entre as denominações “curva” e “joelho”, chamados às vezes de “cotovelos”; de um modo geral, os acessórios de raio grande são chamados de “curvas”, e os de raio pequeno são chamados de “joelhos”. Os acessórios de tubulação podem também ser classificados de acordo com o sistema de ligação empregado; teremos, então. Os acessórios rosqueados são usados normalmente em tubulações prediais e em tubulações industriais secundárias (água, ar, condensado de baixa pressão etc.), todas até 4”. Utilizam-se também esse acessórios nas tubulações que, devido ao tipo de material ou ao serviço, sejam permitidas as ligações rosqueadas, tais como boa parte das tubulações de ferro fundido, ferro forjado, materiais plásticos, cobre etc., geralmente até o limite de 4”. O emprego desses acessórios está sujeito às mesmas exigências e limitações impostas às ligações rosqueadas para tubos. Os acessórios de ferro fundido são empregados em tubulações de grande diâmetro (adutoras, linhas de água e de gás) e baixa pressão, onde seja necessário grande facilidade de desmontagem. Essas peças são fabricadas com flanges de face plana, em duas classes de pressão (125# e 250#), abrangendo diâmetros nominais de 1” até 24”. Os acessórios flangeados de ferro fundido estão padronizados na norma P-PB-15 e ABNT e ANSI.B.16.1, que especificam dimensões e pressões de trabalho. Os acessórios flangeados de aço fundido, de uso bastante raro na prática, podem ser usados em tubulações industriais, para uma grande faixa de pressões e temperaturas de trabalho, mas o seu emprego deve ser restringido apenas aos casos em que seja indispensável uma grande facilidade de desmontagem ou a algumas tubulações com revestimentos internos, devido ao custo elevado, grande peso e volume, necessidade de manutenção e risco de vazamentos. As dimensões, pressões, e temperaturas de trabalho são as estabelecidas na norma ANSI.B.16.5. Existem ainda acessórios flangeados de muitos outros materiais, tais como latões, alumínio, plásticos reforçados com fibras de vidro (para tubos “FRP” - Fiberglass Reinforced Plastic), e também ferro com alguns tipos de revestimentos internos anticorrosivos. Nos acessórios com revestimentos internos, o revestimento deve abranger 11 obrigatoriamente também as faces dos flanges, para garantir a continuidade da proteção anti-corrosiva. Os acesórios podem se classificados quanto à sua função. 2.1.Fazer mudanças de direção em tubulações      Curvas de raio longo Curvas de raio curto Curvas de redução Joelhos (elbows) Joelhos de redução de 22 ½º 45º, 90º e 180º. Figura 11 – Acessórios Flangeados 2.2.Fazer derivações em tubulações          Tês normais (de 90º) Tês de 45º Tês de redução Peças em “Y” Cruzetas (crosses) Cruzetas de redução Selas (saddles) Colares (sockolets, Weldolets etc.) Anéis de reforço 2.3. Fazer mudanças de diâmetro em tubulações    Reduções concêntricas Reduções excêntricas Reduções bucha 12 2.4.Fazer ligações de tubos entre si      Luvas (couplings) Uniões Flanges Niples Virolas (para uso com flanges soltos) Figura 12 – Exemplo de Nipes 2.5.Fazer fechamento da extremidade de um tubo    Tampões (caps) Bujões (plugs) Flanges cegos Figura 13 – Acessórios de Conexão 13 3. Referência Bibliográficas FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. MACINTYRE, Archibald Joseph. Manual de Instalações Hidráulicas e Sanitárias. Rio de Janeiro: LTC, 1990. 267 - 309 p. http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml 14