DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO

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1 DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO Thales Corrêa Bonan Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Reinaldo De Falco RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL ABRIL DE 2016 i

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO Thales Corrêa Bonan PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Prof. Reinaldo De Falco, M.Sc Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL MARÇO DE 2016 ii

3 Bonan, Thales Corrêa Dimensionamento e Seleção de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão / Thales Corrêa Bonan. Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, X, 80 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Reinaldo de Falco. Projeto de Graduação UFRJ / POLI / Curso de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Válvulas de Segurança. 2. Dimensionamento. 3. Seleção 4. Normas. 5. Pressão de Abertura. I. De Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Dimensionamento e Seleção de Válvulas de Segurança e Alívio de Pressão. If you can t fly, than run, if you can t run, than walk, if you can t walk, than crawl, but whatever you do, you have to keep moving forward Martin Luther King Jr iii

4 AGRADECIMENTOS Primeiramente, gostaria de agradecer a Deus, por sempre iluminar o meu caminho e me proporcionar a força necessária para superar os obstáculos da vida. Posteriormente, aos meus pais: Edemar Domingos Bonan e Benta Corrêa Bonan por me fazer acreditar, a cada dia, em mim mesmo. Por me dar o exemplo e educação necessários para encarar o mundo de forma saudável e amigável. Por fazer de mim o que sou hoje, uma pessoa de caráter, buscando ser sempre um homem de bem e continuar melhorando a cada dia. Ensinamentos, estes, que pretendo levar adiante aos meus filhos, netos, bisnetos, etc. A toda a minha família pelo apoio e suporte em todos os momentos da minha vida. Sem seu carinho, com certeza não chegaria onde estou hoje. Ao querido Professor Reinaldo De Falco, por ter tido a paciência e o conhecimento necessário para me orientar neste trabalho, sempre disposto a me ajudar quando precisei. Aos meus colegas de trabalho da empresa LESER, por toda a ajuda prestada durante este projeto, em especial a Tatiana Camargo, Claudio Zana e Mateus Reis que se mostraram sempre solícitos às minhas necessidades e dificuldades, me dando o suporte necessário com os cálculos e conhecimento teórico. Sem essa ajuda, grande parte do que foi feito neste trabalho não seria possível. Ao grupo de amigos que se formou desde os primeiros períodos da faculdade, o MecBros (MecMiguxos ou MeCats). Foram tempos de companheirismo e que tornaram a minha jornada da graduação um momento mais tranquilo e proveitoso. Amigos, estes, que continuarão fazendo parte da minha vida e que, com certeza, levarei para sempre comigo. iv

5 Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO Thales Corrêa Bonan Março/2016 Orientador: Reinaldo De Falco Curso: Engenharia Mecânica O presente trabalho apresenta um estudo comparativo entre os diferentes métodos existentes de cálculo para o dimensionamento e seleção de Válvulas de Segurança. Normalmente instaladas em vasos de pressão e caldeiras, seu objetivo é proporcionar proteção aos funcionários e aos equipamentos da planta de produção, salvando-os de possíveis catástrofes, como, por exemplo, uma violenta ruptura do vaso de pressão, podendo causar ferimentos graves, danos materiais e até mortes. Por se caracterizar como um item de segurança da planta de produção decidiu-se padronizar a sua forma de dimensionamento e seleção, com a finalidade de evitar que mais acidentes graves aconteçam. Desta forma surgiram os Códigos e Normas, criadas por diferentes associações comerciais do mundo, que padronizam o dimensionamento e a seleção de válvulas de segurança, tais como a API RP 520, a ASME Seção VIII, a AD MERKBLAT 2000-A2 e a ISO Será mostrado, neste trabalho, o cálculo do dimensionamento de algumas PSVs através da abordagem destes Códigos e Normas. Além disso, a seleção das válvulas para este trabalho foi feito com o objetivo de estudar os mais diversos cenários de atuação de válvulas de segurança e, portanto, utilizando diferentes critérios de dimensionamento e seleção. Palavras-chave: Válvulas de Segurança, Dimensionamento, Seleção, Normas, Pressão de abertura. v

6 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. SIZING AND SELECTION OF PRESSURE SAFETY AND RELIEF VALVES Thales Corrêa Bonan Março/2016 Advisor: Reinaldo De Falco Course: Mechanical Engineering This work presents a comparative study between the different existing methods for sizing and Selection of Pressure Safety Valves (PSVs). Usually installed in pressure vessels and boilers, its goal is to provide protection to the personnel and the production plant equipment, saving them from possible disasters, for example, a violent rupture of a pressure vessel, which might cause serious injury, material damage and even death. For the fact it is characterized as a safety item of the production plant, it was decided to standardize the sizing procedure and selection, in order to prevent more serious accidents from happening. In this manner emerged the Codes and Standards, created by different trade associations in the world, that standardize the sizing and selection of safety valves, such as API RP 520, ASME Section VIII, AD MERKBLAT 2000-A2 and ISO It will be shown in this paper the sizing procedure of some PSVs by approaching these different Codes and Standards. Furthermore, the selection of the valves for this present work was done with the aim of studying a wide range of scenarios using Pressure Safety Valves, and thus using different sizing criteria and selection. Keywords: Pressure Safety Valves, Sizing, Selection, Standards, Set Pressure. vi

7 Sumário 1 Objetivo Introdução História das Válvulas de Segurança História dos Códigos e Normas Definição, Função e Aplicações Básicas Razões para o excesso de pressão em um Vaso Conceitos Básicos Terminologia Componentes de Válvulas de Segurança Características do Sistema Características Operacionais Tipos de Válvulas de Segurança e Alívio Válvulas Convencionais Válvulas Balanceadas Funcionamento das Válvulas de Segurança atuadas por mola Válvula Fechada (P < PSET) Abertura da Válvula (P PSET) Válvula Aberta (P > PSET) Válvula Fechando/Reassentando (P < PSET) Metodologia do Dimensionamento e Seleção das Válvulas de Segurança Introdução e Metodologia Propriedades dos gases Propriedades dos líquidos e escoamentos viscosos Dimensionamento de válvulas de segurança Pressão de Alívio e critérios de sobrepressão conforme API RP Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP Dimensionando de acordo com a ISO e ISO Dimensionando de acordo com a AD 2000-Merkblatt A Resumo das Fórmulas de dimensionamento Casos reais de dimensionamento e seleção de válvulas de segurança Cenário de contrapressão Dimensionamento e seleção conforme API RP 520 / ASME VIII Dimensionamento e seleção conforme ISO Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A Cenário com exposição ao Fogo externo Dimensionamento e seleção conforme API RP 520 / ASME VIII Dimensionamento e seleção conforme ISO Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A vii

8 4.3 Cenário de alta viscosidade Dimensionamento e seleção conforme API RP 520 / ASME VIII Dimensionamento e seleção conforme ISO Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A Cenário com múltiplas válvulas instaladas Dimensionamento e seleção conforme API RP 520 / ASME VIII Dimensionamento e seleção conforme ISO e a AD Merkblatt A Conclusão e recomendações viii

9 Lista de Figuras FIGURA 1: PRIMEIRA VÁLVULA DE SEGURANÇA DE DENIS PAPIN FIGURA 2: VÁLVULA DE SEGURANÇA ATUADA POR PESO. (FONTE: ARQUIVO LESER)... 2 FIGURA 3: VÁLVULA DE SEGURANÇA ATUADA POR MOLA. (FONTE: ARQUIVO LESER)... 3 FIGURA 4: VÁLVULA DE SEGURANÇA PILOTO OPERADA. (FONTE: ARQUIVO LESER)... 3 FIGURA 5: VÁLVULA DE SEGURANÇA PARA SERVIÇOS CRÍTICOS. (FONTE: ARQUIVO LESER)... 3 FIGURA 6: VÁLVULA DE SEGURANÇA PARA SERVIÇOS DE LIMPEZA. (FONTE: ARQUIVO LESER)... 4 FIGURA 7: VÁLVULA DE SEGURANÇA ALIVIANDO FIGURA 8: DESENHO EM CORTE DAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA CONVENCIONAL (À ESQUERDA) E BALANCEADA (À DIREITA) E SEUS PRINCIPAIS COMPONENTES. (FONTE: ARQUIVO LESER) FIGURA 9: FORÇAS ATUANDO NA ÁREA DA SEDE, COM A VÁLVULA FECHADA. (FONTE: ARQUIVO LESER) FIGURA 10: VÁLVULA NA IMINÊNCIA DE ABRIR. PODE-SE PERCEBER A PRESENÇA DO CHIADO DE ABERTURA. FORÇAS DE PRESSÃO E DA MOLA BALANCEADAS. (FONTE: ARQUIVO LESER) FIGURA 11: POSIÇÃO DO ANEL DE AJUSTE INFLUENCIANDO OS EFEITOS DO ALÍVIO. (FONTE: HELLEMANS, 2009) FIGURA 12: ESQUERDA: CÂMARA DE CONTROLE. DIREITA: FORÇA DE PRESSÃO ATUANDO NA ÁREA DO DISCO AUMENTADA. VÁLVULA ALIVIANDO. (FONTE: ARQUIVO LESER) FIGURA 13: FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (FONTE: DIN EN ISO , P. 26) FIGURA 14: FATOR DE CORREÇÃO PARA A VISCOSIDADE Kv EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE REYNOLDS (FONTE: API RP 520, P.72) FIGURA 15: FATOR DE CORREÇÃO PARA A CONTRAPRESSÃO Kb, PARA VÁLVULAS BALANCEADAS E OPERANDO COM GASES E VAPORES (FONTE: API RP 520, P.47) FIGURA 16: COEFICIENTE C (FONTE: API RP 520, P.58) FIGURA 17: VALORES PARA O COEFICIENTE DE ESCOAMENTO SUBCRÍTICO F FIGURA 18: FATOR DE CORREÇÃO PARA CONTRAPRESSÃO EM VÁLVULAS DE SEGURANÇA BALANCEADAS E OPERANDO COM LÍQUIDOS (FONTE: API RP 520, P.48) FIGURA 19: FUNÇÃO DE ESCOAMENTO. (FONTE: AD 2000-MERKBLATT A2, P.19) FIGURA 20: COEFICIENTE MÉDIO DE PRESSÃO X PARA VAPOR D'ÁGUA EM ESCOAMENTO CRÍTICO. (FONTE: AD 2000-MERKBLATT A2, P.20) FIGURA 21: MODELO DE FOLHA DE DADOS. (FONTE: API RP 520, P.62) ix

10 Lista de Tabelas TABELA 1: VANTAGENS E DESVANTAGENS DA VÁLVULA CONVENCIONAL TABELA 2: VANTAGENS E DESVANTAGENS DA VÁLVULA BALANCEADA TABELA 3: SELEÇÃO DO CÓDIGO/NORMA PARA O DIMENSIONAMENTO TABELA 4: RELAÇÃO ENTRE CONTRAPRESSÃO E PRESSÃO CRÍTICA TABELA 5: EXEMPLO DE DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE ALÍVIO PARA INSTALAÇÕES COM APENAS UMA VÁLVULA (FONTE: API RP 520, P.50) TABELA 6: EXEMPLO DE DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE ALÍVIO PARA INSTALAÇÕES COM MÚLTIPLAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA (FONTE: API RP 520, P.51) TABELA 7: EXEMPLO DE DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE ALÍVIO PARA INSTALAÇÕES COM APENAS UMA VÁLVULA OPERANDO EM CASO FOGO (FONTE: API RP 520, P.51) TABELA 8: EXEMPLO DE DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE ALÍVIO PARA INSTALAÇÕES COM MÚLTIPLAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA OPERANDO EM CASO FOGO (FONTE: API RP 520, P.52) TABELA 9: LIMITES DE PRESSÃO DE AJUSTE E ACUMULADA PARA VÁLVULAS DE SEGURANÇA (FONTE: API RP 520, P. 49) TABELA 10: COEFICIENTE EFETIVO DE DESCARGA, CONFORME API RP TABELA 11: ÁREA EFETIVA DE DESCARGA, CONFORME API RP TABELA 12: FATOR DE CORREÇÃO PARA VAPOR SUPERAQUECIDO (FONTE: API RP 520, P.70) TABELA 13: FUNÇÃO DE ESCOAMENTO Ψ PARA OS DIFERENTES TIPOS DE ESCOAMENTO. (FONTE: ARQUIVO LESER) TABELA 14: RESUMO DAS PRINCIPAIS FÓRMULAS UTILIZADAS PARA DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA. (FONTE: ARQUIVO LESER) x

11 1 Objetivo Este projeto final de graduação tem como objetivo a apresentação da metodologia de dimensionamento e seleção de válvulas de segurança (PSVs) atuando em diferentes cenários críticos para a linha de produção de diferentes indústrias. Os cálculos dos orifícios requeridos para as PSVs em cada situação se basearão nas Normas e Códigos criados por diferentes associações comerciais mundiais, como a API RP 520, a ASME Seção VIII, a AD 2000-Merkblatt A2 e a ISO A comparação e a diferenciação dos métodos de dimensionamento serão feitas para que se possa escolher o mais adequado a resistir às condições de operação limites, evitando o superdimensionamento ou o subdimensionamento das válvulas. A análise e a escolha do melhor método de cálculo são imprescindíveis para um dimensionamento correto. Para cada caso, se utilizarão diferentes critérios para o dimensionamento das válvulas. Estes critérios serão escolhidos a partir dos dados fornecidos através de Folhas de Dados utilizadas em alguns projetos de válvulas de segurança para as indústrias de atuação dos consumidores finais. A seleção final destas válvulas se dará pelo tamanho do orifício requerido, sendo escolhida a primeira válvula com o orifício verdadeiro imediatamente superior ao orifício calculado, evitando, assim, o seu subdimensionamento ou superdimensionamento. Além disso, o que pode influenciar muito na seleção é o tipo de indústria do usuário final e os diferentes produtos específicos, para cada tipo de aplicação, que os fabricantes de válvulas de segurança possuem. 1

12 2 Introdução 2.1 História das Válvulas de Segurança No final do século XVII, mais precisamente no ano de 1679, a primeira panela de pressão usando vapor pressurizado estava sendo inventada pelo ilustre físico e inventor Denis Papin. Durante a primeira demonstração de sua utilidade, em frente a toda a Sociedade Real francesa, sua mais nova invenção explodiu. Foi preciso, portanto, pensar em algo que conseguisse aliviar a pressão do vapor de dentro da panela. Foi aí que Papin inventou a primeira Válvula de Segurança e, apenas após isso, que sua panela de pressão operou corretamente e sem acidentes. Em 1681 ele conseguiu criar uma patente para a sua invenção. Figura 1: Primeira Válvula de Segurança de Denis Papin. A invenção do motor a vapor e o crescente uso de caldeiras para fornecimento de vapor durante a fase de industrialização levou a necessidade de proteção à vida e a propriedade material contra explosões. As primeiras e simples válvulas de segurança usavam um peso para segurar a pressão do vapor, contudo elas eram facilmente violadas ou acidentalmente abertas. Em 1856, John Ramsbottom inventou a primeira válvula de segurança atuada por mola que era à prova de violações e aberturas acidentais. Logo ela se tornou essencial para o mercado ferroviário e, depois, em instalações fixas. Figura 2: Válvula de Segurança atuada por peso. (Fonte: Arquivo LESER) 2

13 Figura 3: Válvula de Segurança atuada por mola. (Fonte: Arquivo LESER) As válvulas de segurança atuadas por mola continuam sendo o tipo mais utilizado até os dias de hoje. Mais recentemente, na segunda metade do século passado, foram inventadas as válvulas de segurança piloto-operadas e as controladas manualmente, principalmente para aumentar a pressão de operação nas linhas de produção e melhorar a eficiência do equipamento protegido. Por último, foram inventadas as válvulas de segurança projetadas para aplicações específicas, como para a indústria farmacêutica (Clean Service Safety Valves) e para indústria química, que possui um revestimento interno próprio para trabalhar com fluídos quimicamente agressivos (Critical Service Safety Valves). Figura 4: Válvula de Segurança Piloto Operada. (Fonte: Arquivo LESER) Figura 5: Válvula de Segurança para serviços críticos. (Fonte: Arquivo LESER) 3

14 Figura 6: Válvula de Segurança para serviços de limpeza. (Fonte: Arquivo LESER) 2.2 História dos Códigos e Normas Em 1880, foi fundada a Sociedade Americana dos Engenheiros Mecânicos (ASME) para combater as numerosas falhas e explosões de caldeiras e vasos de pressão. Atualmente, o Código da ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão (BPVC) regula a certificação de todos os dispositivos de alívio de pressão e é, provavelmente, o código para válvulas de segurança mais utilizado no mundo. No Código ASME Seção I, os parágrafos PG. 67 a PG. 73 abordam os requerimentos para as válvulas de segurança obrigatórias quando uma caldeira é construída conforme o código ASME. No Código ASME Seção VIII Divisão 1, as válvulas de segurança e/ou alívio são abordadas nos parágrafos UG-125 a UG-137, que tornam obrigatórias seu uso em vasos de pressão construídos conforme o código ASME. Além disso, os discos de ruptura e dispositivos de pino para rompimento também são abordados na Seção VIII Divisão 1. Com o crescimento das indústrias de petróleo e petroquímica, o Instituto Americano de Petróleo (API) buscou a uniformidade das características dimensionais e físicas dos dispositivos de alívio de pressão. Foram criadas, então, as diversas Práticas Recomendadas (RP) e Padrões de Construção (Std). Enquanto o código da ASME se tornou uma lei, mandatória ainda nos Estados Unidos e Canadá, as práticas recomendadas pelo API se tornaram internacionalmente reconhecidas, ainda sendo usadas atualmente. Na Alemanha, a Sociedade de Inspeção a Caldeiras (Dampfkessel-Revisions- Verein), posteriormente chamada de TÜV, foi fundada em 1866 com o mesmo propósito: evitar acidentes através de regras para a construção e inspeção de vasos de pressão. Posteriormente, a AD 2000-Merkblatter foi preparada por sete associações distintas que formam a Associação de Vasos de Pressão (AD), contendo requisitos obrigatórios de segurança a serem seguidos em condições de operação normais e especiais. 4

15 Para permitir a livre circulação de mercadorias na Comunidade Europeia, os países-membros foram proibidos de criar novas regras técnicas e de atualizar as já existentes. Portanto, eles concordaram em criar uma diretiva que harmonizasse todas essas Normas Europeias (EN) para vasos de pressão. Com este intuito, em 1997, foi publicada a Diretiva de Equipamentos de Pressão (PED). Atualmente na Europa, as válvulas de segurança estão incluídas como Acessórios de Segurança, na PED, e estão na categoria de riscos IV (a maior). Pelo fato de estas diretivas possuírem um escopo extremamente abrangente, elas não podem ser muito específicas nos detalhes dos bens abordados. Desta forma, o Comitê Europeu de Padronizações (CEN) foi designado pelo Conselho Europeu para criar os Padrões Europeus. Após quase 20 anos de esforço por parte de cliente finais e fabricantes, membros do Comitê, o CEN publicou em 2004 as Normas próprias para válvulas de segurança, a EN 4126 Partes 1 até 7. Estas Normas substituem qualquer Norma equivalente que existiu antes da sua criação, em cada País da União Europeia. 2.3 Definição, Função e Aplicações Básicas O principal propósito de uma válvula de segurança, como dito anteriormente, é a proteção à vida, à propriedade material e ao meio ambiente. As válvulas de segurança protegem equipamentos utilizados em refinarias e indústrias relacionadas, que trabalham com uma Pressão Máxima de Trabalho Admitida (PMTA) de 15 psi-g (ou 103 kpa-g) ou maior. São dispositivos automáticos de alívio de pressão e devem ser projetadas para que sua capacidade de vazão seja igual ou superior a vazão do fluido fornecido a elas. As válvulas de segurança são instaladas em processos industriais que utilizam vasos de pressão, caldeiras ou tubulações fechadas e sua função é aliviar o excesso de pressão causado por um aumento da pressão de operação acima de um limite préestabelecido pelo projeto do equipamento protegido por ela. Após o alívio do excesso de pressão da linha e o reestabelecimento das condições normais de operação, a válvula de segurança deve fechar, novamente, evitando que fluido demais seja aliviado e haja uma queda de pressão além do normal na linha. Consideradas, como o nome já menciona, dispositivos de segurança, em muitos casos são a última linha de defesa dos equipamentos. Por isso, é de extrema importância assegurar que a válvula de segurança projetada será capaz de operar todas as vezes e sobre todas as circunstâncias. Vale ressaltar que uma válvula de segurança não é uma válvula de processo, muito menos um regulador de pressão e, portanto, não deve ser utilizada como tal. Elas devem operar com o propósito de proteger o equipamento contra a sobrepressão. 5

16 Figura 7: Válvula de Segurança aliviando. Dentre as aplicações básicas das Válvulas de Segurança, as que, principalmente, se destacam no mercado brasileiro são: 1) Indústria de Óleo e Gás São usadas tanto na área de Upstream quanto na área de Downstream. Dependendo das circunstâncias, diferentes requisitos são colocados nas válvulas. Por exemplo, em equipamentos de perfuração e FPSOs não apenas alta capacidade e baixos pesos devem ser alcançados, mas também deve se levar em consideração as condições adversas causadas pelo ambiente de água salinizada. Além disso, altas pressões e contrapressões existem em todas as plantas. Para esta indústria, a exigência por documentação e inspeção é grande. 2) Indústria Petroquímica As aplicações de válvulas de segurança para a Indústria Petroquímica é bastante diversificada, assim como os produtos que elas produzem. Existem plantas de etileno, metanol ou de produção de fertilizantes e, cada uma delas, necessita de válvulas de segurança para proteção em diferentes cenários, tais como: proteção contra expansão térmica, altas pressões e contrapressões, grandes ou pequenas capacidades de vazão. Para todas estas aplicações, os níveis de exigências de documentação e inspeção também são bem altos. 3) Indústria Química Existem muitos tipos de plantas na Indústria Química, como por exemplo plantas para produção de substâncias orgânicas e inorgânicas e químicos, fertilizantes, sabonetes, produtos de limpeza, tintas e vernizes. Desta forma, existe uma extensa gama de aplicações para esta indústria, tais como: proteção de meios tóxicos e corrosivos para processamento de vapor ou expansão térmica em dutos. Geralmente, há requisitos especiais de estanqueidade, como a PAS 1085, ou devemse minimizar as perdas dos fluidos tóxicos e corrosivos. 6

17 4) Indústria de Comidas e Bebidas A Indústria de Comidas e Bebidas exige, excepcionalmente, padrões de higiene altíssimos, o que reflete nos requisitos de estanqueidade e limpeza das válvulas de segurança. Por exemplo, a qualidade da superfície delas de estar de acordo com os requisitos da DIN ou da ASME BPE. Em muitos casos, para simplificar o processo de limpeza, as válvulas de segurança devem ser fáceis de abrir pneumaticamente e seu status de abertura mostrado. 5) Indústria Farmacêutica A Indústria Farmacêutica tem requisitos especiais para limpeza, materiais, documentação e inspeção de válvulas de segurança. Por exemplo, uma válvula de segurança deve poder ser aberta pneumaticamente e o seu status de abertura mostrado para simplificar o processo de limpeza para esterilização. Além de processos de esterilização, a Indústria Farmacêutica também tem requisitos similares àqueles da Indústria Química para produção de substâncias básicas. 6) Indústria de Energia Na Indústria de Energia, as válvulas de segurança são utilizadas em todas as plantas que produzem energia termicamente, como a de carvão, gás, nuclear e usinas solares. Caldeiras, superaquecedores e turbinas são, por exemplo, protegidos por válvulas de segurança. As usinas devem operar o mais perto possível da Pressão de Abertura das válvulas de segurança para operarem da melhor forma possível. 7) Indústria de Gases técnicos Nesta indústria, as válvulas de segurança são necessárias para o transporte, armazenamento e processamento de gases técnicos. Especialmente para usinas de liquefação e separação do ar e abastecimento de gás, muitas exigências são feitas nas válvulas. Além de altas contrapressões e expansão térmica, elas também devem proteger para aplicações com baixas temperaturas. Requisitos rigorosos também são feitos para estanqueidade, especialmente para aplicações com oxigênio, óleo e gordura. 2.4 Razões para o excesso de pressão em um Vaso Existem algumas razões que levam a pressão em um vaso de pressão, ou sistema, a exceder um determinado limite. As Normas de padronização: API 521 e ISO 7

18 23251 Seção 4, fornecem um guia detalhado de casos de sobrepressão nos equipamentos. Os casos mais comuns são: Descarga Bloqueada Ocorre quando o fluxo de entrada no sistema continua a alimentar o vaso, enquanto a saída está parcialmente ou totalmente bloqueada. Isto pode ocorrer devido a um erro humano, falha na válvula, falha no atuador, entre outros. Expansão Térmica ou Hidráulica Este cenário ocorre, tipicamente, com líquidos que ficam presos dentro de vasos ou tubulações. Verifica-se uma expansão lenta do líquido dentro do vaso devido a um aumento na temperatura, causada pela exposição ao sol ou a um sistema de aquecimento descontrolado. Isto resultará em grandes forças hidráulicas internas dentro do vaso ou tubulação, já que o líquido é incompressível e necessita ser evacuado. Este equipamento precisa, portanto, de um alívio térmico. A vazão requerida para o caso de alívio térmico é bem pequena, o que pode levar a um superdimensionamento da válvula. Normalmente, os fabricantes possuem uma linha de produtos específica para este tipo de aplicação. Exposição ao fogo externo, na maioria das vezes chamado de Caso Fogo Neste cenário, o vaso de pressão é exposto ao fogo externo, podendo levar o sistema a se aquecer rapidamente. Se uma válvula de segurança for utilizada para este caso, deve-se utilizar um fator de sobrepressão de 21%. Reação Química Se existir a possibilidade de reação química dentro dos vasos de pressão ou tubulações, engenheiros químicos devem determinar os diferentes cenários e fornecer modelos que levam em consideração a quantidade de vapor que pode ser produzido pela reação química. Ruptura da tubulação de um trocador de calor Este cenário de ruptura da tubulação de um trocador de calor cria uma grande sobrepressão, pois os fluidos evaporam rapidamente quando estão pressurizados e são expostos a atmosfera. A capacidade de vazão do trocador de calor deve ser tomada como a vazão requerida da válvula de segurança, em uma análise conservativa. Falha no sistema de resfriamento 8

19 Cada um dos casos listados acima pode ocorrer individual e separadamente dos outros, ou podem, também, ocorrer simultaneamente. Cada caso de sobrepressão criará uma necessidade de descarga volumétrica ou mássica diferente, por exemplo, uma pequena vazão mássica para o caso de expansão térmica e uma grande vazão mássica para o caso de reação química. Avaliar e determinar o pior cenário possível para o dimensionamento e seleção das válvulas de segurança é, portanto, de grande importância e deve ficar a cargo do usuário final. 3 Conceitos Básicos 3.1 Terminologia Esta seção contém a terminologia básica e normatizada de válvulas de segurança e alívio: Componentes de Válvulas de Segurança Anel de Ajuste (Ajusting Ring) Um anel montado junto ao bocal e/ou a guia para controlar as características de abertura e/ou a pressão de fechamento. Parafuso de Regulagem (Adjustment Screw) Um parafuso utilizado para regular a pressão de ajuste de uma válvula de segurança. Porca de Travamento (Lock Nut) Tem a função de travar o Parafuso de Regulagem na posição em que foi regulada a pressão de ajuste. Bocal (Corpo de Entrada - Nozzle) O bocal é o principal componente de contenção de pressão em uma válvula de segurança, que forma uma parte ou toda a passagem de fluxo na entrada desta. Corpo (Corpo de Saída - Body) Um membro de contenção ou retenção de pressão da válvula de segurança, que une e dá suporte a montagem. Possui orifícios de entrada e saída que podem ser conectados nas fontes de pressão primária e/ou secundária. 9

20 Fole (Bellows) Um componente de balanceamento utilizado para prevenir mudanças na pressão de ajuste quando a válvula é submetida à contrapressão superimposta. Além disso, também pode ser usado para vedação dos internos da válvula e evitar sua corrosão. Castelo (Bonnet) O componente da válvula de segurança que protege a mola. Ele pode ser aberto ou fechado. Capuz (Cap) Um componente usado para restringir o acesso e/ou proteger o parafuso de regulagem. Assim como o Castelo, pode ser aberto ou fechado. Disco (Disk) Um componente móvel de uma válvula de segurança que contém a fonte de pressão primária que entra pelo bocal. Saia (Disk Holder ou Skirt) Um componente móvel que dá suporte ao disco, na montagem. Guia (Guide) Um componente utilizado para controlar o movimento lateral do disco e da saia. Alavanca (Lift Lever) Um componente que permite a aplicação de uma força externa para manualmente controlar a pressão de abertura. Sede (Seat) A sede é a superfície de vedação de pressão dos componentes fixos e móveis da válvula. Haste (Spindle) Um componente que possui sua orientação axial paralela a movimentação do disco. Pode ser utilizada para uma ou mais das seguintes funções: a) Assistência no alinhamento; b) Guiar a movimentação do disco; c) Transferir as forças externas e internas para a sede. 10

21 Mola (Spring) O elemento da válvula de segurança e alívio que aplica a força para manter o disco unido ao bocal. Pratos Superior e Inferior da Mola (Spring Plates) Dão suporte à mola, na montagem. Juntas de Vedação ou Gaxetas (Gaskets) Colocadas na a união entre o corpo e o castelo para conferir estanqueidade a válvula de segurança Características do Sistema Acumulação (Accumulation) O aumento de pressão acima da Pressão Máxima de Trabalho Admitida (MAWP ou PMTA) do vaso de pressão. Pode ser expressa em unidade de pressão ou como uma porcentagem da Pressão Máxima de Trabalho. A acumulação máxima permitida dependerá do tipo de operação e cenário. Pressão de Projeto (Design Pressure) A pressão do vaso, que junto da temperatura de projeto, é utilizada para determinar a menor espessura possível ou características físicas de cada componente do vaso, como determinado pelas regras de projeto de vasos. A pressão de projeto é selecionada pelo usuário para oferecer uma margem de segurança adequada, acima da pressão de operação mais crítica esperada. Ela pode ser usada no lugar da Pressão máxima de Trabalho Permitida nos casos em que esta não foi estabelecida previamente, porém o valor da Pressão de Projeto deve ser igual ou menor do que a Pressão Máxima de Trabalho Permitida. Pressão Máxima de Trabalho permitida PMTA (Maximum Allowable Working Pressure - MAWP) Pressão manométrica máxima permitida para o vaso ou um tanque de armazenamento, na temperatura coincidente especificada para aquela pressão. Essa é a pressão compatível com o código do projeto, a resistência dos materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. A Pressão Máxima de Trabalho Permitida é a base para o ajuste da pressão das válvulas de segurança que 11

22 protegem o vaso. Ela é normalmente maior do que a Pressão de Projeto, mas deve ser igual quando os cálculos do projeto do vaso são feitos para chegar aos valores mínimos de espessura para cada componente. Pressão Máxima de Operação (Maximum Operating Pressure - MOP) Pressão máxima esperada durante a operação normal do sistema Características Dimensionais Área real do orifício (Actual Orifice Area) A área mínima de uma válvula de segurança que determina sua vazão. Área real de descarga (Actual Discharge Area) A área mínima mensurada que determina o fluxo através de uma válvula. Área de descarga efetiva (Effective Discharge Area) Uma área nominal ou calculada de fluxo através de uma válvula de segurança utilizando um Coeficiente de Descarga efetivo para calcular a capacidade mínima de alívio requerida. Área Interna (Bore Area) A área de passagem do fluxo pelo bocal. Diâmeto Interno (Bore Diameter) O diâmetro mínimo do bocal. Diâmetro da Sede (Bore Diameter) O menos diâmetro de contato entre as partes fixas e móveis do elemento contenção de pressão da válvula. Tamanho da entrada (Inlet Size) O tamanho nominal da tubulação de entrada de uma válvula de segurança. Tamanho da saída (Outlet Size) O tamanho nominal da tubulação de saída de uma válvula de segurança. Abertura (Lift) 12

23 A movimentação efetiva do disco quando a válvula está aliviando a pressão Características Operacionais Contrapressão A pressão que existe na saída de um dispositivo de alívio de pressão, que é resultado da pressão de descarga do sistema. A contrapressão é a soma das contrapressões superimpostas e a desenvolvida. Contrapressão Superimposta Este tipo de contrapressão existe na conexão de saída antes da válvula se abrir e provém de um sistema de descarga fechado (coletor, etc.). Deve-se somar o valor da contrapressão superimposta com o valor da pressão atmosférica, aumentando assim a pressão de ajuste da válvula. Podem ser de dois tipos: 1) Constante; 2) Variável. a) Constante A contrapressão é dita superimposta constante, como o nome já diz, pois não varia com o tempo. Desta forma, o seu valor deve ser descontado do valor da pressão de ajuste da mola. Ela ocorre em sistemas que possuem, por exemplo, diversas válvulas conectadas a vasos de pressão que descarregam em um coletor comum. Quando a pressão de operação nestes vasos se elevar simultaneamente, a pressão de ajuste destas válvulas será alcançada e elas abrirão ao mesmo tempo, aumentando a pressão dentro do coletor e reduzindo a capacidade de vazão das válvulas. Para contrapressões superimpostas constantes de 50% a 90% da pressão de ajuste, utilizam-se válvulas de segurança e alívio piloto-operadas. b) Variável A contrapressão superimposta variável ocorre quando diversas válvulas com pressões de ajuste e/ou com capacidades de alívio diferentes descarregam dentro de um mesmo coletor, fazendo com que o valor da pressão do coletor varie com o tempo. Recomenda-se que válvulas operando com contrapressão superimposta variável sejam balanceadas com fole, pois este tipo de contrapressão altera todas as características operacionais da válvula, como pressão de abertura, curso do disco, capacidade de descarga e pressão de fechamento. No entanto, se seu valor for inferior a 10% da pressão de ajuste das válvulas conectadas ao coletor e essa variação foi aceita pelo processo, essas válvulas poderão ser convencionais. 13

24 Contrapressão Desenvolvida A contrapressão desenvolvida é a pressão existente na descarga de um dispositivo de alívio de pressão, causada pelo fluxo através deste dispositivo em um sistema de descarga (tubulação, por exemplo). Ocorre somente após a válvula ter aberto e alcançado a capacidade máxima de descarga, portanto, não altera a pressão de ajuste e nem mesmo as características de abertura da válvula. Porém, pode vir a alterar as características do diferencial de alívio, capacidade de vazão e o valor de sua pressão de fechamento. Por este motivo, recomenda-se que o valor desta contrapressão não seja maior do que 10% da pressão de ajuste, para uma sobrepressão também de 10%. Caso ultrapasse estes valores, as alterações no funcionamento da válvula de segurança podem ser minimizados através do uso do fole de balanceamento. Além disso, por ser dependente da vazão de alívio requerida pelo processo em um dado momento, a contrapressão desenvolvida é diferente para cada válvula de segurança e alívio, em todos os cenários de instalação e tipos de fluido. Um fato curioso e muito importante é que para ocorrer uma redução de pressão de forma rápida e ainda manter a contrapressão desenvolvida em seu valor mínimo, tanto o flange de descarga quanto a tubulação de saída devem ser sempre maiores do que o flange e a tubulação de entrada. Isso pode ser visto em todas as válvulas de segurança e alívio, pois são projetadas para trabalhar com fluidos compressíveis e, quando aliviam a pressão deste fluido, surgem altos valores de volume específico e velocidade de escoamento, devido à redução de sua densidade. Consequentemente, ocorre uma diminuição rápida da pressão na descarga, minimizando também a turbulência gerada dentro da válvula. Diferencial de Alívio (Blowdown) A diferença entre a pressão de ajuste e a pressão de fechamento da válvula de segurança. Um diferencial de alívio grande pode fazer com que a válvula tenha problemas para fechar corretamente, causando danos excessivos para a sede e a superfície do bocal. O Diferencial de Alívio foi definido pela Norma ASME Seção VIII como 5 7% da pressão de ajuste para gases e vapores, e 20% da pressão de ajuste para líquidos. Batimento (Chatter) 14

25 Movimento de abertura e fechamento anormal, rápido e sucessivo das partes móveis da válvula de segurança. Neste caso, há o contato entre o disco e a sede. As superfícies de vedação dessas peças são danificadas. Trepidação (Flutter) Movimento de abertura e fechamento anormal, rápido e sucessivo das partes móveis da válvula de segurança. Neste caso, não há o contato entre o disco e a sede. A superfície da guia é danificada. Chiado (Simmer) O escape, visível ou audível, de um fluido compressível por entre a sede e o disco, de capacidade não mensurável. Normalmente ocorre a 98% da pressão de ajuste da válvula. Causa o desgaste das superfícies de vedação devido à erosão causada pela alta velocidade do fluido escoando nesse momento, além da fadiga da mola e desgaste das superfícies de guia. Coeficiente de Descarga (Coefficient of Discharge) A relação entre a capacidade de alívio mensurada e a teórica. n Capacidade real ( ( Capacidade teórica ) K d = n 1 ) Sendo K d o Coeficiente de Descarga e n o número de testes realizados. Segundo o código da ASME Seção VIII ou ISO , existe um procedimento onde os fabricantes são obrigados a testar três válvulas com três tamanhos diferentes, totalizando nove testes. O K d para cada teste é calculado e depois faz-se uma média. Para certificar o fabricante, o requerimento é que nenhum valor destes K d calculados varie mais ou menos 5% da média encontrada. (1) Pressão de Abertura (Opening Pressure) O valor da crescente pressão estática de uma válvula de segurança na qual há um curso de elevação mensurável, ou quando a descarga se torna contínua, determinada pelo que se vê, se sente ou se escuta. Pressão de Fechamento ou de Reassentamento (Closing Pressure) O valor da decrescente pressão estática de uma válvula de segurança na qual o disco reestabelece contato com a sede ou quando o curso de elevação se torna nulo. 15

26 Pressão Diferencial de Teste a frio (Cold Differential Test Pressure - CDTP) A pressão estática, na entrada, na qual uma válvula de segurança é ajustada para abrir na bancada de teste, incluindo correções para contrapressão e temperatura. Coeficiente de Descarga Efetivo (Effective Coefficient of Discharge) O valor nominal utilizado com a área real de descarga para calcular a capacidade mínima requerida da válvula de segurança. Capacidade de Alívio Medida (Measured Relieving Capacity) A capacidade de alívio de uma válvula de segurança medida na pressão estimada de fluxo, expressa em unidades mássicas ou volumétricas. Pressão de Ajuste (Set Pressure) O valor da crescente pressão estática na qual a válvula de segurança realiza uma das características operacionais descritas na Pressão de Abertura. (Quando há um curso de elevação mensurável, ou quando a descarga se torna contínua, determinada pelo que se vê, se sente ou se escuta). Sobrepressão (Overpressure) O aumento da pressão acima da pressão de abertura necessária para fazer com que a válvula alcance abertura e capacidade máximas durante a descarga. Normalmente expressa em porcentagem da pressão de abertura. Devem ser adotados os seguintes valores, de acordo com a ASME: a) Gases, Vapores e Líquidos: 10% (Código ASME Seção VIII) b) Cenário de Fogo Externo: 21% (Código ASME Seção VIII) c) Líquidos: 25% (Não codificado) Pressão de Pop (Popping Pressure) Pressão na qual o disco se movimenta, no sentido de abertura da válvula, mais rápido do que quando estivesse a pressões menores e pressões mais elevadas. Essa abertura é instantânea em válvulas de segurança. Pressão Primária (Primary Pressure) Pressão na entrada da válvula de segurança. 16

27 Coeficiente de Descarga Estimado ou Corrigido (Rated Coefficient of Discharge) O coeficiente de descarga determinado de acordo com o Código ou Norma aplicado é utilizado junto com a área real de descarga para calcular a capacidade de vazão estimada da válvula de segurança. Capacidade de Alívio Estimada (Rated Relieving Capacity) A porção medida da capacidade de alívio permitida pelo Código ou Norma aplicado, para ser usada como base na aplicação da válvula de segurança. Capacidade de Alívio Teórica (Theoretical Relieving Capacity) A capacidade de alívio calculada para um Bocal teoricamente perfeito, com a área de vazão mínima igual à área real de descarga de uma válvula de segurança. Expressa em unidades de massa ou volume. Condições de Alívio (Relieving Conditions) As condições de pressão e temperatura de uma válvula de segurança durante uma condição de sobrepressão, Pressão de Alívio (Relieving Pressure) A Pressão de Alívio é igual à Pressão de Abertura somando-se a Sobrepressão. Pressão de Vedação (Resealing Pressure) Pressão na qual nenhum vazamento é detectado após o fechamento da válvula de segurança. Pressão Secundária (Secondary Pressure) Pressão existente na passagem por entre a área real de descarga e a saída da válvula. 3.2 Tipos de Válvulas de Segurança e Alívio Dentre os principais tipos de válvulas de segurança existentes para as mais diversas aplicações, esta seção aborda os dois principais que serão vistos neste trabalho. Além disso, veremos as vantagens e desvantagens em suas utilizações. 17

28 3.2.1 Válvulas Convencionais Projetadas segundo os requerimentos do Código ASME Seção VIII, uma válvula de segurança, utilizada em vasos de pressão ou tubulações, é chamada de convencional quando descarrega diretamente para a atmosfera, dependendo do tipo de fluido. Elas podem ser utilizadas em operações com contrapressão superimposta constante, desde que o valor desta contrapressão seja descontado da pressão de ajuste da mola e tenham o castelo e o capuz completamente fechados e vedados. Quando trabalhando com uma contrapressão superimposta variável, a pressão de ajuste na mola pode ser alterada, variando de acordo com a contrapressão. Isso cria a necessidade da válvula de segurança convencional ser convertida em balanceada. Tabela 1: Vantagens e desvantagens da Válvula Convencional. Vantagens Desvantagens Grande gama de materiais, fluidos e temperaturas disponíveis. Grande gama de fluidos compatíveis Grande gama de temperaturas disponíveis Projeto robusto Bom para serviços com fluidos sujos e muito aderentes Propensão a vazamentos (sede metálica). Longo chiado ou longo diferencial de alívio. Risco de batimento operando com líquidos, a menos que tenham bom acabamento. Sensível à perda de pressão na entrada. Limitação de pressão e tamanho. Pressão de ajuste, capacidade e estabilidade muito afetadas pela contrapressão. Difícil para ser testada em campo. Logo abaixo, temos duas imagens, em corte, mostrando os principais componentes e a diferença entre a montagem convencional e a balanceada de válvulas de segurança: 18

29 Capuz Parafuso de Regulagem Porca de Travamento Prato Superior da Mola Mola Haste Castelo Prato Inferior da Mola Guia da Haste Fole Disco Saia Anel de Ajuste Corpo Bocal Figura 8: Desenho em corte das válvulas de segurança convencional (à esquerda) e balanceada (à direita) e seus principais componentes. (Fonte: Arquivo LESER) Válvulas Balanceadas As válvulas balanceadas possuem um fole de balanceamento cobrindo a parte superior do suporte do disco e a guia da válvula. Esta é a única diferença física entre uma válvula de segurança balanceada e uma convencional. Para compensar os efeitos da contrapressão, a área efetiva do fole deve ser igual à área do disco. Isso previne que a contrapressão atue na área superior ao disco, a qual não possui sua pressão balanceada, e cancele os efeitos de contrapressão no disco. Dessa forma, a pressão de ajuste se torna estável, mesmo com a presença da contrapressão. Além disso, o fole de balanceamento mantêm isoladas as partes internas superiores da válvula de segurança, como guia, haste e mola, protegendo suas superfícies contra fluidos corrosivos. Tabela 2: Vantagens e desvantagens da Válvula Balanceada. Vantagens Desvantagens Proteção da superfície da guia Pressão de ajuste inalterada pela contrapressão Capacidade diminuída apenas em situações extremas Propensão a vazamentos (sede metálica) Longo chiado ou longo diferencial de alívio Risco de batimento operando com líquidos, a menos que tenham bom acabamento 19

30 Grande gama de materiais disponíveis Grande gama de temperaturas disponíveis Grande gama de fluidos compatíveis Projeto robusto Bom para serviços com fluidos sujos e muito aderentes Muito sensível a perdas de pressão na entrada Limitação de pressão e tamanho Vida limitada dos foles Alto custo de manutenção Difícil para ser testada em campo 3.3 Funcionamento das Válvulas de Segurança atuadas por mola Para explicar o funcionamento das válvulas de segurança atuadas por mola, será preciso dividir a explicação em quatro etapas: a primeira com a válvula fechada; a segunda com a válvula abrindo, a terceira com a válvula completamente aberta, aliviando, e a quarta quando a válvula está se fechando novamente Válvula Fechada (P < P SET ) Em uma válvula de segurança atuada por mola (Spring), a força de fechamento, também chamada de força da mola, é aplicada por uma mola helicoidal que é comprimida por um parafuso de ajuste (Adjusting Screw). Esta força é transferida para o disco (Disc) através da haste (Spindle). Enquanto a força da mola for maior do que a força criada pela pressão na entrada da válvula, o disco será pressionado contra o bocal (Nozzle), vedando a entrada do fluido de trabalho. Sendo F P < F S A S = Área da sede afetada pela pressão P (Seat Area) F P = P A S = Força causada pela pressão na entrada da válvula F S = Força da mola Figura 9: Forças atuando na área da sede, com a válvula fechada. (Fonte: Arquivo LESER) Abertura da Válvula (P P SET ) Em uma situação adversa, a válvula de segurança irá abrir a uma predeterminada pressão de ajuste. A força da mola F S atua no sentido de fechamento da válvula, enquanto a força criada pela pressão do vaso na entrada da válvula, F P, 20

31 atua no sentido de abertura. Quando atingida a pressão de ajuste da válvula, a F S e a F P estão balanceadas. Não existe mais uma força resultante que mantenha o disco e a sede unidos ou que forneça estanqueidade pelo contato. A válvula de segurança irá, visivelmente ou audivelmente, começar a aliviar (descarga audível inicial). Sendo F P = F S A S = Área da sede afetada pela pressão P (Seat Area) F P = P A S = Força causada pela pressão na entrada da válvula F S = Força da mola Figura 10: Válvula na iminência de abrir. Pode-se perceber a presença do chiado de abertura. Forças de pressão e da mola balanceadas. (Fonte: Arquivo LESER) (P > P SET ) Válvula Aberta A pressão no vaso deve crescer além da pressão de ajuste antes da válvula atingir uma abertura que seja notável. Infelizmente, quando o conjunto disco-sede se abre e a válvula começa a aliviar, a mola é cada vez mais comprimida, resultando em uma força contrária que restringe a abertura da válvula. Pensou-se, portanto, na adição de uma Saia, a qual cria uma área secundária no conjunto. Isto possibilita com que a pressão na entrada atue sobre uma área maior assim que a válvula começa a abrir, redirecionando o fluxo para baixo. Ambos impulsionam a válvula para que abra mais rapidamente, causando menos chiado e sobrepressão. Para conseguir voltar à pressão de fechamento requerida pelo Código/Norma utilizado, é adicionado um Anel de Ajuste. O conjunto Bocal-Anel de Ajuste-Saia forma a chamada Câmara de Controle (Huddling Chamber), criando a força que determina não só a ação de abertura da válvula, mas também a pressão de fechamento. Essa Câmara é, essencialmente, um segundo orifício. Uma válvula de segurança com apenas um anel de ajuste não consegue abrir rapidamente, evitando o chiado, e ter um diferencial de alívio pequeno ao mesmo tempo. Se o anel de ajuste é colocado em uma posição elevada, a válvula irá abrir rapidamente, mas resistirá ao fechamento, resultando em um longo diferencial de alívio. Por outro lado, se o anel é colocado em uma posição baixa, o alívio será mais lento (pois necessita de mais sobrepressão), porém o diferencial de alívio será menor. Portanto, a posição do anel de ajuste e o volume da câmara de controle determinam o 21

32 alívio e o fechamento. Desta forma, pode-se perceber que a sobrepressão e o diferencial de alívio estão ligados um ao outro. Figura 11: Posição do Anel de ajuste influenciando os efeitos do alívio. (Fonte: HELLEMANS, 2009) De acordo com a Lei Geral dos Gases, se a pressão diminui (o que ocorre quando a válvula abre), o volume irá aumentar proporcionalmente com uma temperatura constante. Isto é exatamente o que ocorre na câmara de controle. Quando a válvula abre, a pressão é reduzida e o grande aumento no volume fica preso na câmara de controle. Este volume atua sobre a área do disco aumentada pela Saia (Enlarged Disc Area), o que força a válvula abrir rapidamente. Figura 12: Esquerda: Câmara de controle. Direita: Força de pressão atuando na área do disco aumentada. Válvula aliviando. (Fonte: Arquivo LESER) Sendo F P > F S (Válvula aliviando) Isso é possível graças à área do disco aumentada pela saia (Enlarged Disc Area). 22