INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULAS INSTRUMENTAÇÃO - VÁLVULAS

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1 TIC B Sp E G Sc Spv TIPOS DE VÁLVULAS Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas deve-se subentender tipos de corpos. Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais: Corpo Atuador 1

2 FUNCIONAMENTO DA VÁLVULA Sinal de saída do regulador (3 psi) Sinal de saída do regulador (15 psi) Motor ou Atuador Mola Haste Castelo Diafragma Escape Indicador Obturador Corpo Sede Válvula Aberta Válvula Fechada POSIÇÃO DE FALHA DA VÁLVULA ABERTA (AFA) FECHADA (FFA) ATUADOR DIRETO INVERSO INVERSO DIRETO OBTURADOR (tipo de montagem) POR CIMA POR BAIXO POR CIMA POR BAIXO POSIÇÃO DE SEGURANÇA POR FALHA ESQUEMA 2

3 ATUADOR Constitui-se no elemento responsável em proporcionar a necessária força motriz ao funcionamento da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de controle, deve proporcionar à válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na válvula através da ação do fluído de processo. Instrumentação Dependendo basicamente do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado emaplicações de controle modulado, classifica-se em cinco tipos principais: Pneumático à mola e diafragma; Pneumático a pistão; Elétrico; Elétrico-hidráulico e Hidráulico. CABEÇOTE MEMBRANA PRATO MOLA CORPO VANTAGENS Baixo custo Simplicidade Posição de segurança por falha é inerente Necessidade de baixa pressão de ar de suprimento Ajustabilidade Facilidade de manutenção Capacidade de operação sem a necessidade do uso de posicionador Resposta rápida Seguro em aplicações eletricamente perigosas ATUADOR TIPO PNEUMÁTICO MOLA E DIAFRAGMA DESVANTAGENS Torques limitados Limitação quanto à temperatura Inflexibilidade para alterações das condições de serviço 3

4 VANTAGENS Compacticidade Aptidão para aplicações remotas DESVANTAGENS Alto custo Falta de posição de segurança por falha Habilidade limitada para sistemas de controle modulado Resposta lenta Falta de ajustabilidade ATUADOR TIPO ELÉTRICO VANTAGENS Capacidade de torque elevado Compacticidade Menor peso Adaptabilidade às altas temperaturas do meio ambiente Adaptabilidade às variações dos requisitos de torque da válvula Resposta rápida Seguro em aplicações eletricamente perigosas DESVANTAGENS Posição de segurança por falha, requer acessórios opcionais Necessidade do uso do posicionador para aplicações em controle modulado Maior custo que o atuador tipo mola e diafragma Necessidade de alta pressão de ar de suprimento ATUADOR TIPO PNEUMÁTICO PISTÃO 4

5 VÁLVULA DE DESLOCAMENTO LINEAR Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante descreve, um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante. Para cada tipo de processo ou fluído sempre temos pelo menos um tipo de válvula que satisfaça os requisitos técnicos de processo, independente da consideração econômica. Cada um desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens, desvantagens e limitações que dependem do tipo de processo. VÁLVULA DE DESLOCAMENTO ROTATIVO Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de corpos. Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais: Corpo Atuador 5

6 Classe de Vazamento CLASSE I CLASSE II CLASSE III CLASSE IV CLASSE V CLASSE VI Definição da Classe Qualquer válvula pertencente as classes II, III ou IV, porém mediante acerto entre fabricante e usuário não há necessidade de teste Tipos de Válvulas Válvulas listadas nas classes II, III e IV Vazamento de até 0,5 % da capacidade máxima de Válvulas Globo Sede Dupla, Válvulas Globo Gaiola vazão balanceadas. Superfície de assentamento metal metal Vazamento de até 0,1 % da capacidade máxima de Válvulas listadas como pertencentes a classe II, porém vazão possuindo uma maior força de assentamento Vazamento de até 0,01 % da capacidade máxima Válvulas Globo Sede Simples com assentamento metal de vazão metal. Válvulas de Obturador Rotativo Excêntrico Vazamento de até 5 x 10-4 cm 3 por minuto de água, Válvulas instaladas na classe IV, porém utilizadas com por polegada de diâmetro de orifício, por psi de atuadores superdimensionado para aumentar a força de pressão diferencial ou 5 x m 3 por segundo de assentamento. água, por mm de diâmetro do orifício por bar de pressão diferencial Diâmetro Vazamento Máximo Permissível Nominal do orifício de cm 3 / min Bolhas / min passagem em 1 O, ½ 0, , ½ 0, , , , ,75 45 Válvulas Globo com assentamento composto ( soft seat ). Válvulas borboletas revestidas com sedes de elastômeros ou com anéis de vedação. Válvulas esferas com anéis de TFE. Válvulas diafragmas. Válvulas de obturador rotativo excêntrico com assentamento composto a) 1) Globo Convencional; 2) Globo Tres ˆ vias; 3) Globo Gaiola; Dedeslocamento linear 4) Globo Angular; 5) Diafragma; 6) Bi partido; 7) Guilhotina. 1) Borboleta; 2) Esfera; b) Dedeslocamento rotativo 3) Obturador Excêntrico; 4) Segmento de Esfera. 6

7 VÁLVULAS GLOBO Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, internos de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica. Sua conexão com a linha pode ser através de flanges rosca ou solda. Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do fluído. VÁLVULAS GLOBO SEDE SIMPLES Uma válvula globo sede simples reversível o obturador é guiado na base, no topo e/ou em sua saia e sua montagem faz com que a válvula fecha ao descer a haste. A fig., mostra os mesmos componentes montados de tal forma que a válvula abra ao descer a haste. Este tipo de corpo é fabricado em tamanhos de 1/2 até 12 e em valores de pressão ASA de 600 PSI. Valores de pressão de 900 a PSI são fabricados em tamanhos menores. 7

8 VÁLVULAS GLOBO SEDE DUPLA Se as 2 sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão equilibradas na posição fechada e teoricamente pouca força será requerida para abrir e fechar a válvula. Na realidade, os orifícios são construídos com 1/16 a 1/8 um maior que o outro, no diâmetro. Esta construção é chamada semi-balanceada e é usada para possibilitar que o obturador menor passe através do orifício maior na montagem. É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4 a 14. Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão, conforme norma ANSI B a válvula tipo standard, possui um índice de vazamento Classe II. VÁLVULAS GLOBO TIPO GAIOLA Válvula de concepção antiga onde possui seus internos substancialmente diferente da globo convencional. Seu sucesso está fundamentado nos seguintes aspectos: -facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a operação na própria instalação; --capacidade vazão da ordem de 20 a 30% maior que a globo convencional; -menor peso das partes internas, resultando assim um menor vibração horizontal consequentemente menor ruído de origem mecânica do que as válvulas globo duplamente guiadas; -não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as globo convencionais. 8

9 VÁLVULAS GLOBO TIPO GAIOLA SEDE SIMPLES Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. A drenagem do fluído quando necessária, pode ser realizada através da parte inferior do corpo, por meio de um tampão rosqueado. Neste tipo de válvula o fluído entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola, onde a força do fluído tende a abrir a válvula, não é balanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de precisar de uma grande força de atuação. VÁLVULAS GLOBO TIPO GAIOLA ANGULAR SEDE SIMPLES Este tipo de válvula apresenta uma configuração especial, para determinadas aplicações nas quais haja necessidade de uma auto-drenagem do fluído, ou em aplicações com fluídos lamacentos ( slurries ), já que possibilita uma passagem menos obstruída que os outros tipos de válvula globo convencional ou gaiola. Recentemente tem-se recomendado a utilização deste tipo de válvula em aplicações erosivas, já que neste tipo de válvula o choque das partículas sólidas sobre as partes internas é muito diminuído, e em aplicações sob efeito de flashing (vaporização do líquido na válvula). 9

10 VÁLVULAS TIPO DIAFRAGMA Este tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas de controle, é utilizada no controle de fluídos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. A válvula de controle tipo diafragma consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento. Possui como vantagem um baixo custo, total estanqueidade quando fechada, já que o assento é composto, e facilidade de manutenção. Como desvantagem não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente este tipo de válvula seja limitado em diâmetros de até 6 para efeito de aplicação em controle modelado. Outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma de neoprene ou Teflon ), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluído em função do material do diafragma. VÁLVULAS TIPO BI-PARTIDA Trata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações altamente corrosivas, principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-se necessária uma freqüente inspeção ou substituição dos internos da válvula. Devido a ser uma válvula utilizada em fluídos altamente corrosivos, o material do corpo é bastante especial e portanto caro, padronizando-se a utilização de flanges tipo encaixe, soldados ao corpo. Estes flanges, podem ser em aço carbono comum mesmo que o corpo seja de material superior. Uma desvantagem deste tipo de válvula é a não possibilidade de uma fixação na linha por meio de solda (pois neste caso as metades do corpo não poderiam ser separadas para a remoção do anel da sede). 10

11 VÁLVULAS TIPO GUILHOTINA Trate-se de uma válvula originalmente projetada para a indústria de papel e celulose, porém, hoje em dia a sua aplicação tem atingindo algumas outras aplicações em indústrias químicas, petroquímicas, açúcareiras, abastecimentos de água, etc. Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluídos pastosos, tais como massa de papel. Fabricada em diâmetros de 2 até 24 com conexões sem flanges para ser instalada entre par de flanges da tubulação. VÁLVULAS TIPO BORBOLETA Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem reta, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial. São muito usadas em tamanhos maiores que 3 e são fabricadas em tamanhos tão pequenos quanto 1. A válvula borboleta consiste de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente ao eixo do cilindro. O corpo cilíndrico pode ser flangeado em ambas as extremidades, ou fabricado na forma de um anel sólido. 11

12 VÁLVULAS TIPO ESFERA Devido ao seu sistema de assentamento, proporciona uma vedação estanque, constituindo-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimas condições de desempenho de sua principal função, (isto é, prover uma adequada ação de controle modulado) permite, ainda uma total estanqueidade quando totalmente fechada. O corpo da válvula e do tipo bipartido (para possibilitar a montagem dos internos), sendo que a esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção padrão) alojados no corpo e que fazem a função de sede. Possibilita a passagem do fluído em qualquer direção sem problemas dinâmicos, e possui um curso total de 90º. VÁLVULAS TIPO EXCENTRICO ROTATIVO Possui corpo, com extremidade sem flanges, classe 600 lbs, sendo fabricada em diâmetros de 1 até 12. O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do obturador. possibilitando uma redução do torque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluído entrando na válvula em qualquer sentido. Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de fluxo, sendo uma válvula de nível de vazamento Classe IV conforme a ANSI B

13 Globo sede Simples a) Fabricadas geralmente como padrões em tamanhos de 1 e menores b) Geralmente usada onde se deseja uma vedação mais estanque c) Em tamanhos de 1 1/2 e maiores, deveremos considerar o desbalanceamento de forças no obturador em relação ao atuador normalmente fornecido. Globo sede dupla: a) Tamanho de 1 a 16 b) Não deve ser especificado se um vazamento mínimo de 1% da capacidade máxima não for tolerável c) Para serviços severos deve-se escolher guias na base e no topo d) Guia na saia é menos custoso para serviços tudo ou nada Borboletas: a) Usada geralmente para pequenas quedas de pressão b) Econômica em grandes tamanhos c) Adequada para operar misturas sólidos-líquidos Diafragma ou Saunders: a) Adequada para substância corrosivas e pastosas b) Inadequada para altas pressões c) Produz fechamento estanque d) Usada geralmente em controle tudo ou nada Válvula de três vias: a) Usar sede simples para serviços de mistura b) Usar sede dupla para serviços de divisão ou proporção 13

14 CASTELO Geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso as partes internas das válvulas, é definido como sendo "um conjunto que inclue, a parte através da qual uma haste do obturador de válvula movese, e um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste". Ele proporciona também um meio para montagem CASTELO NORMAL É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura está entre 18ºC à 232ºC. Esta limitação é devido ao material da gaxeta, já que sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima ao fluido. CASTELO ALETADO É utilizado quando a temperatura do fluido controlado é superior a 200ºC. Deve ser suficiente para reduzir a temperatura ao valor indicado ou no máximo 250ºC de resfriamento. Caso a válvula opere com vapores condensáveis oaletamentonão reduziráa temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido, pois uma vez atingida esta temperatura haverá condensação de vapor e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituída por uma outra porção de vapor com temperatura mais elevada. CASTELO ALONGADO São utilizados para impedir o congelamento das gaxetas em aplicações de baixas temperaturas. Devem ser utilizadas para temperatura inferiores a 5ºC e devem ser suficientemente longos para que a temperatura das gaxetas sejam mantidas a 25ºC ou acima. 14

15 Material da Serviço Pressões Lubrificação Tipo de Castelo Gaxeta Norm. Longo Extralongo Teflon Amianto com Teflon Amianto grafitado com fios de Inconel Limitado àqueles fluidos não atacam o teflon e aço inox tipo 3/6 (material da mola da gaxeta). Todo excepto Alcalis quentes e Ácido hidrofluorídric o quente. Vapor ou Petróleo Líquidos e Gases secos psi Vapor psi Líquidos e Gases secos 6500 psi Vapor 250 psi Qualquer fluido 6500 psi Não -18 à 232ºC opcional, porém recomendada -18 à 232ºC Sim -18 à 232ºC -45 à 430ºC -45 à 430ºC -45 à 540ºC -268 à 430ºC -268 à 430ºC -45 à 540ºC CONEXÕES As válvulas são presas à tubulação por meio do tipo de conexões localizadas nas extremidades do corpo das válvulas. Tais tipos podem ser: Rosqueadas; Flangeadas; Sem flanges; Soldadas. 15

16 CONEXÕES As conexões das extremidades do corpo, tipo rosqueadas são limitadas à utilização, em apenas válvulas de pequeno porte (no máximo até 2 de diâmetro) e para serviços auxiliares não corrosivos em pressões de até 600 PSI. O tipo de conexão rosqueada mais comumente utilizada é o normalizado pela ANSI B.2.1 também denominada de rosca N.P.T. O tipo de conexão mais amplamente utilizado é sem dúvida alguma a flangeada, que pode ser executada conforme as normas ANSI, DIN ou ISO, embora prevaleça, aqui no Brasil, uma predominância quase que total dos flanges conforme norma ANSI. Em função dos limites combinados de pressão e temperatura, doravante aqui denominados por apenas classe, as conexões flangeadas das extremidades da válvula podem ser classe 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500 lbs. Entende-se por classe a pressão nominal admissível de trabalho (em PSI), sem choques a uma determinada temperatura. A distância do face a face entre os flanges das válvulas com conexões flangeadas até classe 600 lbs inclusive é normalizada pela ISA RP 4.1., exceção feita às válvulas tipo Diafragma e Angular. Na tabela são dadas as medidas dessa distância do face a face conforme Norma ISA RP 4.1. Diâmetro da Válvula (poleg.) 1/2 3/ / / Classes 125 lbs (Ferro) 150 lbs (Aço) Distância do Face a Face (mm) Classes 250 lbs (Ferro) 300 lbs (Aço) Classe 600 lbs (Aço)

17 VARIÁVEL DO PROCESSO A SER CONTROLADA GUIA PRÁTICO PARA A SELEÇÃO DA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO CONDIÇÕES DO PROCESSO Queda de pressão constante CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A SER UTILIZADA Linear Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima Linear Nível Líquido Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 200% da queda de pressão à vazão mínima Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Linear Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 200% da queda de pressão à vazão mínima Abertura Rápida VARIÁVEL DO PROCESSO A SER CONTROLADA Pressão GUIA PRÁTICO PARA A SELEÇÃO DA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO CONDIÇÕES DO PROCESSO Líquido Gases. Sistemas rápidos: volume pequeno, trecho de menos de 3 metros de tubulação à jusante da válvula de controle Gases. Sistemas lentos: volume grande ( o processo possue um receptor, sistema de distribuição ou linha de transmissão excedendo à 30 metros de tubulação à jusante). Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A SER UTILIZADA Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Linear Gases. Sistemas lentos: volume grande Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada 17

18 VARIÁVEL DO PROCESSO A SER CONTROLADA CONDIÇÕES DO PROCESSO Sinal do elemento primário de medição proporcional ao fluxo. Grandes variações de fluxo a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A SER UTILIZADA Linear Linear Vazão Pequenas variações ao fluxo, porém grandes variações da queda de pressão com o aumento da vazão. a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Sinal do elemento primário de medição proporcional ao quadrado do fluxo. Grandes variações de fluxo a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Pequenas variações de fluxo, porém grandes variações de queda de pressão com o aumento da vazão a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Linear Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada O posicionador é um dispositivo que transmite a pressão de carga ao atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no valor exato determinado pelo sinal de controle. Ele compara o sinal que recebe do controlador com a posição da haste da válvula através do seu braço de realimentação. Se a haste não está corretamente posicionada, então ele manda para o atuador mais ar (ou retira mais ar) até que acuse a correta posição da haste. 18

19 Posicionador Relé Alimentação 20 psi Bocal Fole Sinal do Regulador 3 a 15 psi Alavanca de realimentação mecânica (ao mesmo tempo, palheta) 19

20 input signal stem feedback 4-20 ma HART pressure feedback µ based P W B I/P output pressure relay Chaves indicadoras de posição São utilizadas para indicação remota da posição da haste da válvula. Essa indicação fornecida pela chave indicadora é do tipo duas posições, ou seja, possibilita a indicação, por exemplo, da válvula fechada e válvula aberta. São montadas diretamente na torre do atuador (caso seja atuador do tipo deslocamento linear) ou no adaptador (caso seja atuador tipo rotativo). 20

21 Conversores eletropneumáticos. Estes dispositivos convertem o sinal elétrico da saída de um controlador eletrônico, em sinal pneumático compatível com o atuador pneumático da válvula de controle. Esses transdutores tanto podem ser corrente para pressão (I/ P), ou voltagem para pressão (E/P). O sinal de entrada de corrente é aplicado a um eletroímã. O campo magnético criado e a corrente produzem uma força que desloca a palheta, alterando a posição relativa entre a palheta e o bocal, aumentando ou diminuindo o sinal de pressão para a válvula de controle. 21