1
Jurandir Primo Válvulas Industriais Jurandir Primo Copyright @ 2012 1ª edição junho de 2012 Capa: Jurandir Primo Sorocaba/SP Primo, Jurandir Válvulas Industriais. Indice para pesquisas: Válvulas, Tubos, Tubulação e Acessórios. ISBN: Livro no sistema de auto publicação cuja edição, revisão, diagramação e capa foram selecionados pelo próprio autor, para não encarecer a obra e facilitar a compra, a todos os estudantes e interessados em assuntos técnicos e engenharia de equipamentos. Portanto, qualquer pessoa pode ter esse livro, sem necessidade de copiar, digitalizar ou utilizar outros processos de reprodução, porque foi executado para custar menos que o valor de uma pizza. No entanto, o autor permite que todas as partes do livro possam ser copiadas ou reproduzidas para fundamentos educacionais, instrutivos e treinamento técnico. Para adquirir esta ou outras publicações do autor, enviar solicitação para: engprimo@msn.com.
PREFÁCIO: O objetivo deste manual é descrever algumas das válvulas de controle mais importantes, manuais ou controlados automaticamente utilizadas nos processos em geral, tubulação de água, refinarias e instalações petroquímicas como, gaveta, plug, globo, esfera, agulha, borboleta, guilhotina, diafragma, segurança, controle, alívio e válvulas de retenção. O foco principal é a compreensão didática das especificações tipos padrão, de válvulas mencionadas de um modo geral, uma vez que este assunto é um campo muito vasto. Ao escrever um livro para uma determinada população, necessita-se fazer uma escolha quanto ao tratamento a ser dado a cada capítulo. O desenvolvimento tecnológico, atualmente é muito rápido, mas é preciso conhecer e estabelecer os fundamentos principais. Portanto, procuramos nos aproximar dos conceitos básicos, através de exemplos de forma didática, não para especialistas que já dominam a matéria, mas para estudantes das várias categorias, interessados no assunto. Devido as facilidades atuais de comunicação existentes, os futuros técnicos e engenheiros, deverão, com certeza, ser melhores que as gerações passadas, mas que deverão ser, mais que tudo, respeitadas pelo esforço de contribuir para as novas realidades. O autor compreende perfeitamentamente, que não é um escritor especialista e está aberto a críticas construtivas e sugestões para melhoria desse livro. Esse livro serve para todos que, assim como eu, vieram das pequenas para as grandes cidades, para estudar, trabalhar, enfrentar todos os tipos de dificuldades e mesmo sem o preparo dos modernos programas de computador, ainda hoje, procuram contribuir para as necessidades de instrução e educação para todos os níveis sociais, que devem ser os valores verdadeiros de democracia, evolução e progresso em qualquer país. 3
Jurandir Primo Esse livro é parte de uma série de publicações para as diversas áreas de Engenharia: Tecnologia de Soldagem; Transportadores de Correia e Corrente; Bombas Centrífugas; Sêlos Mecânicos; Compressores de Ar; HVAC Ar Condicionado; Torres de Resfriamento; Ventilação Industrial; Vasos de Pressão Normas ASME; Trocadores de Calor; Válvulas Industriais; Tubulação Industrial; Pavimentação Asfáltica; Fibras Ópticas; Automação; Outros...
A: Todos que foram meus professores na infância, em minhas primeiras letras, no ensino primário, no secundário e posteriormente no ensino superior. Todos que, com absoluta sinceridade, lutam por justiça social e pelo meio ambiente. Todos os pioneiros das pequenas invenções, da tecnologia e das diversas engenharias. Todos que já foram e todos que vieram a esse planeta como missionários: da Educação. 5
Jurandir Primo INDICE: I. Introdução II. III. IV. Desenvolvimento após segunda guerra A indústria da válvula Condições de projeto V. Tecnologia dos materiais VI. VII. VIII. IX. Seleção das válvulas Classes de pressão Têrmos técnicos comuns Testes Hidrostáticos X. Seleção das válvulas XI. XII. XIII. XIV. XV. XVI. Acionamento das válvulas Válvulas de controle Características de vazão Manutenção das válvulas Acessórios Padrões para fabricação de válvulas XVII. Valve Standards - Referencias
I. INTRODUÇÃO: Ninguém sabe quando a idéia da válvula nasceu. Entretanto, os romanos são reconhecidos como os inventores de sofisticados sistemas de controle de água daquela época. Sua fundição era avançada o suficiente para construir sistemas para suprir água em dois prédios diferentes, para o qual eles desenvolveram a válvula macho e há também evidências que de os romanos usaram válvulas tipo portinhola para prevenir o contra-fluxo. Por séculos, não houve avanços no projeto de válvulas. Porém, no Renascimento, o artista e inventor Leonardo da Vinci desenvolveu canais, projetos de irrigação e outros grandes sistemas hidráulicos, os quais incluíram válvulas para serem utilizadas nestes projetos. Muitos de seus rascunhos técnicos existem ainda hoje. A história moderna da indústria de válvulas acontece paralela à revolução industrial, que começou em 1705 quando Thomas Newcomen inventou o primeiro sistema industrial a vapor. Devido às pressões do vapor que tinham que ser contidas e reguladas, as válvulas adquiriram uma nova importância. O sistema a vapor de Newcomen foi aperfeiçoado por James Watt e outros inventores, projetistas e fabricantes também ajudaram no aperfeiçoamento das válvulas para estes sistemas a vapor. Os interesses, entretanto, estava no projeto como um todo, e o fabricante de válvulas como um produto separado não estava comprometido numa larga escala por diversos anos. Então em 1842, a cidade de Nova York construiu um sistema, para trazer água para a cidade de uma distância de 56,3 km. Este projeto demonstrou as vantagens do sistema municipal de água e criou uma grande demanda por válvulas, tubulações e instalações, assim como outras cidades seguiram esse exemplo e em um curto tempo, diversas fábricas foram estabelecidas para produzir seus produtos. Eles se tornaram os principais usuários de válvulas indústrias como têxteis, papel e celulose, química, alimentícias, farmacêutica e energia elétrica. Mais tarde, a indústria do petróleo nasceu, e com ela, a demanda para válvulas de alta performance que pudessem suportar as grandes pressões de óleo e gás vindas dos poços para a superfície. 7
Jurandir Primo Assim como as condições e requerimentos se tornaram mais solicitadas, os fabricantes responderam com melhoras contínuas de engenharia, em materiais e modelos de válvulas. As primeiras válvulas foram a globo e a de retenção. Em 1920 surgiu o primeiro tipo de válvula rotativa que podia ser aberta ou fechada por um simples giro de 90º de um volante. As válvulas tipo plug tiveram um grande uso nas indústrias químicas. Ainda nessa época, as indústrias químicas, petroquímicas e refino estavam em sua infância, com as válvulas, tubulação e acessórios e bem como os usuários finais, não tinham normas e padrões, para melhorar seus processos. Esta falta de intercâmbio com outros produtos e parâmetros resultou em algumas instituições técnicas interessadas em atender as questões de normatização. A Manufacturers Standardization Society of the Valve & Fitting Industry (MSS), publicou a primeira padronização em 1924, mas ainda hoje, está na vanguarda das atividades de normalização das válvulas. Ao longo dos anos com a MSS ter sido a base para as normas da ASME e American Petroleum Institute (API), a American Standards Association (ASA), atualmente ASME/ANSI, publicou seu primeiro documento normalizando acessórios e flanges em 1927. Durante a Segunda Guerra Mundial, um oficial do exército britânico inventou a válvula tipo diafragma, sem vazamento, resistente à corrosão caracterizada por um disco de borracha engastado entre o corpo e o castelo. Esta válvula se tornou muito popular na Europa. A Segunda Guerra Mundial apresentou um desafio especial para a indústria da válvula, pois, devido aos impactos das bombas perto dos navios, criavam rachaduras nas válvulas a bordo. As válvulas tiveram que ser substituídas por válvulas resistentes ao impacto. A indústria respondeu com novas fundições e fábricas espalhadas por todo o país para suprir a demanda e grandes passos foram dados no desenvolvimento de materiais também. Antes as válvulas eram comumente feitas de bronze, ferro e aço, até novas ligas serem produzidas, assim como o titânio e o aço inox.
II. DESENVOLVIMENTO APÓS SEGUNDA GUERRA: O desenvolvimento de materiais sintéticos, como o Teflon, que era quimicamente destinado para praticamente qualquer serviço e ainda mais provido de capacidade de selar e vedar deu novos ímpetos para as válvulas rotativas. Também, a válvula de fechamento rápido, de quarto de volta, tipo borboleta se tornou popular. Até então, as válvulas borboletas estavam limitadas a serviços de regulagem por não apresentar uma boa estanqueidade. Os materiais sintéticos chegariam para dar um novo nível de performance a essas válvulas. Entre 1950 e 1960, o aumento de tamanho e sofisticação dos processos das plantas, combinados com aumento de custo de mão de obra, resultou numa crescente necessidade de sistemas automatizados de válvulas. As operações de válvulas quarto de volta eram facilmente efetuadas eletricamente, hidraulicamente ou pneumaticamente. Hoje, as válvulas em localizações distantes, por exemplo, a tubulação de óleo no Alaska é controlada automaticamente e à distância. Energia nuclear e combustível sintético fornece um desafio para a indústria de válvula. Eles requerem válvulas que sejam fabricadas com normas de alta performance e estrito controle de qualidade. Válvulas gaveta, esfera, globo e retenção continuam a preencher as necessidades tradicionais do mercado. Novas tecnologias de aplicação também fazem uso destas válvulas assim como algumas válvulas de fechamento rápido. A indústria de válvulas de hoje está orientada ao mercado e sensível às necessidades de mudança de seus clientes, criando válvulas que 9
Jurandir Primo podem suportar pressões maiores que 20.000 psi e temperaturas acima de 815 graus Celsius. As válvulas são sujeitos a inúmeras normas e especificações emitidas por muitas organizações de normatização. Hoje, os padrões de válvulas têm especificações dinâmicas que refletem mudanças de engenharia em prática com as exigências do mercado, mudanças na tecnologia e nos processos de fabricação. 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. As 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 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.
III. A INDUSTRIA DA VÁLVULA: Equipamentos de alta tecnologia são requeridos para testes sísmicos, criogênicos, fogo, ruído e corrosão. Máquinas de controle numérico computadorizado são encontradas na maioria das plantas, ainda com equipamentos de CAD e CAM. Microscópios para procura de ligas são utilizados para resolver muitos problemas metalúrgicos. O investimento em mão de obra e material é grande assim como os equipamentos. As empresas de válvulas investem fortemente em materiais de pesquisa, em novos conceitos em projetos, na automação de produtos e em custo efetivo de re-projetos. Enquanto algumas fábricas compram seus materiais fundidos, algumas operam suas próprias fundições e forjarias para projetar, desenvolver e produzir os fundidos e forjados que serão utilizados como componentes de suas válvulas. Os materiais fundidos e os componentes devem ser fabricados em todos os materiais que a empresa oferece em sua linha. E estão incluídos latão, bronze, ferro, aço, aço inoxidável e outras ligas especiais. Amplamente usados estão o PTFE (teflon) e outros fluorcarbonetos e elastômeros para assentamentos e vedação das válvulas. Há poucos anos, surgiram válvulas feitas totalmente de plásticos para uso em aplicações especiais. Entre os maiores mercados, a indústria de válvulas atende empresas do setor de química, petroquímica, produção de petróleo, energia, água e esgoto, farmacêutica, alimentícia e outras indústrias de processo. 11
Jurandir Primo 1. Tipos de Válvulas: Existe uma grande variedade de válvulas, e, em cada tipo, existem diversos sub-tipos, 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. Funções: Para selecionar uma válvula é importante, primeiramente, estabelecer a sua função e o que se espera dela. A própria avaliação dessa função irá influir na escolha da válvula mais adequada. As válvulas são, normalmente, empregadas em duas funções básicas de bloquear e restabelecer o fluxo e regulagem desse fluxo. Outras funções podem ser consideradas, como a prevenção de contra fluxo, controles diversos e segurança. 3. Sistema Construtivo das Válvulas: Quanto ao meio de ligação dos extremos. As válvulas podem ter as suas extremidades com os mais variados meios de ligação. a) Extremidades roscadas: As válvulas com os extremos roscados são empregadas onde se deseja a facilidade da montagem e desmontagem ou ainda onde a solda se torna difícil ou em muitos casos impossíveis. Normalmente empregadas em válvulas de pequenos diâmetros fabricadas em bronze, que são especialmente indicadas para as instalações residenciais e prediais e para as instalações industriais de pequena responsabilidade como em serviços de baixa pressão e temperaturas ambientes e para fluidos não perigosos. Válvulas de ferro fundido ou de aço forjado para altas pressões e temperaturas também são fabricadas com seus extremos roscados. Encontramos no mercado dois tipos rosca para as válvulas, a rosca segundo a norma americana ASME/ANSI B1.20.1 (NPT) e a rosca segundo a norma brasileira NBR NM ISO 7-1 (Antiga NBR 6414).
b) Extremidades do tipo encaixe e solda (socket weld): As válvulas com os extremos do tipo encaixe e solda são empregadas primordialmente em instalações industriais de responsabilidade e onde se deseja uma estanqueidade perfeita e ainda facilidade e rapidez na montagem. São indicadas para serviços com altas pressões e temperaturas. Normalmente empregadas em válvulas de pequenos diâmetros fabricadas em aço carbono forjado ou aço inox forjado. Este tipo de ligação é normalizado pela norma americana ASME/ANSI B16.11 c) Extremidades do tipo wafer: São válvulas de corpo curto para serem instaladas entre flanges ou ainda em fundo de tanques e reatores. São válvulas leves e compactas e com seus extremos para instalação entre flanges conforme as normas ASME/ANSI ou DIN. d) Extremidades para soldas de topo: As válvulas com os extremos do tipo para solda de topo são empregadas em instalações industriais de grande responsabilidade e onde se deseja uma estanqueidade perfeita. São indicadas para serviços com altas pressões e temperaturas e para fluidos perigosos. Normalmente empregadas em válvulas de médios e grandes diâmetros fabricadas em aço carbono fundido ou aço inox fundido, e em válvulas de pequenos diâmetros onde não se pode usar a solda de encaixe. Este tipo de ligação é normalizado pela norma americana ASME/ANSI B16.25 e) Extremidades flangeadas: As válvulas com os extremos flangeados são empregadas nos mais diversos serviços industriais desde os mais simples aos mais perigosos para as mais variadas classes de pressão e temperatura. Na fabricação de válvulas flangeadas são empregados os mais diversos materiais como o bronze, latão, alumínio, aços fundidos, aços forjados, ferros fundidos e ainda outros mais sofisticados e exóticos para aplicações especiais. 13
Jurandir Primo Este tipo de ligação é normalizado pelas normas americanas AS- ME/ANSI B16.1, B16.5 e B16.24 e pelas normas alemãs DIN. f) Extremidades com bolsas: As válvulas com os extremos com bolsas e junta elástica são empregadas principalmente para as válvulas fabricadas de materiais de difícil soldagem e para a facilidade de montagem e desmontagem. Empregadas principalmente em serviços de hidráulica e saneamento ambiental e também em serviços de irrigação. Este tipo de ligação é normalizado pela norma brasileira NBR 7674. g) Corpo e tampa: Para o corpo são empregados os mais diversos tipos de materiais como o bronze fundido, alumínio, aços carbono forjado ou fundido, aços inox forjados ou fundidos, ferros fundidos e ainda outros mais sofisticados e exóticos para aplicações especiais. Na especificação do corpo de uma válvula deve ser escolhido, de preferência o mesmo material do tubo ou um material compatível com o material do tubo a que se destina. 4. Internos: Pode ser do mesmo material do corpo para as válvulas mais simples ou ainda ser de material compatível com o serviço a que se destinam pois devem resistir à pressão, temperatura e as altas velocidades decorrentes da operação de abertura e fechamento. Algumas válvulas necessitam de um elastômero para sua completa estanqueidade. 5. Rosca Interna: É o sistema usado para a ligação entre o corpo e a tampa das válvulas mais simples e empregado em válvulas de bronze para serviços em instalações residenciais, prediais, comerciais ou ainda em serviços industriais de baixa responsabilidade. Nas instalações industriais seu emprego fica restrito aos serviços de baixa pressão e baixas temperaturas. Este sistema é empregado em válvulas de pequenos diâmetros, no máximo até 4 polegadas.
6. Rosca Externa: É o sistema usado para a ligação entre o corpo e a tampa das válvulas mais simples e empregado em válvulas de bronze para serviços em instalações industriais de pequena responsabilidade. Nas instalações industriais seu emprego fica restrito aos serviços de baixa pressão e baixas temperaturas para serviços de água, óleo e gás. Este sistema é empregado em válvulas de pequenos diâmetros, no máximo até 4 polegadas. 7. Rosca do Tipo Porca-União: É o sistema usado para a ligação entre o corpo e a tampa das válvulas empregadas em instalações industriais de média ou alta responsabilidade. Esse tipo de ligação entre o corpo e a tampa se faz em válvulas de bronze fundido para médias e altas pressões e para serviços de criogenia e serviços com temperaturas moderadas. Nas válvulas de aço forjado é empregado para médias e altas pressões em temperaturas médias e altas. Este sistema é empregado em válvulas de pequenos diâmetros, no máximo até 4 polegadas 8. Flangeado ou Parafusado: É o sistema usado para a ligação entre o corpo e a tampa das válvulas empregadas em instalações industriais de média ou alta responsabilidade por ser um sistema de alta confiabilidade. Este sistema é empregado em todas as válvulas com diâmetro superior a 4 polegadas e também encontrado em válvulas de pequenos diâmetros, para altas pressões e temperaturas. 9. Soldado: É o sistema usado para a ligação entre o corpo e a tampa das válvulas empregadas em instalações industriais de alto risco por ser um sistema de completa confiabilidade. Este sistema é empregado em válvulas de quaisquer diâmetros para garantir a estanqueidade total entre o corpo e a tampa. Usado em sistemas de energia nuclear dentre outros. 15