Operador de Processo
Ênfase em Petróleo e
Gás
Módulo I
Aula 01
VÁLVULAS
As válvulas aplicadas em grandes escalas nas indústrias são dispositivos usados
para estabelecer, controlar e interromper a passagem de fluidos em tubulação, e
são de extrema importância para o funcionamento de um processo, existindo para
isso uma grande variedade de tipos de válvulas, cuja opção de escolha não
depende apenas da natureza da operação da mesma.
Dentro deste conceito global, as válvulas podem ter, no entanto, funções e
características que permitem uma classificação segundo seu emprego, porem
como primeiro passo, e indispensável estabelecer sua função e associar a sua
classificação.
Instalação de válvulas:
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As válvulas são classificadas para qualquer sistema de fluido, com as seguintes
finalidades:
Bloqueio – Para iniciar “abrir” ou bloquear “fechar” totalmente o escoamento do
fluido em um sistema;
Válvulas de Gaveta;
Válvulas de Macho;
Válvulas de Esfera;
Válvulas de Comporta ou Guilhotina;
Regulagem – Para controlar ou regular o fluxo do fluido; Os fluidos podem ser
fluidos elásticos, como o ar, gases, vapores, ou fluidos incompressíveis, que são
os líquido; As vezes sólidos, como catalisadores, ou pastoso, como o lodo, que
comportam-se quase como os líquidos.
Válvulas de Globo;
Válvulas de Agulha;
Válvulas de Controle;
Válvulas de Borboleta;
Válvulas de Diafragma;
Com um único sentido de fluxo – Para impedir o retorno do fluido no
sistema.
Válvulas de Retenção;
Válvulas de Retenção e Fechamento;
Válvulas de Pé e Crivo;
Proteção – Para proteger o sistema, aliviando a pressão excessiva, ou diminuindo
o fluxo excessivo, ou ate mesmo tomando providencias contra efeitos negativos
no caso de algum possível tipo de falha no processo.
Válvulas de Segurança;
Válvulas de Alivio;
Válvulas de Segurança e Alivio;
Válvulas Quebra-vacuo – Para proteger tubulações de grande diâmetro e
pequena espessura de parede, não permitindo fluxo de dentro para fora da
tubulação.
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Válvulas Ventosas – Para garantir e manter a pressão de esvaziamento da linha,
obedecendo aos limites previstos no projeto, evitando o colapso e protegendo a
tubulação.
SELEÇ ÃO DAS VALVULAS
Em qualquer instalação do sistema, deve haver sempre o menor numero possível
de válvulas, porem compatível com o bom funcionamento da mesma, para evitar
gastos desnecessários de investimentos, (em media 8% do custo total de uma
instalação de processamento), para evitar perdas de cargas excessivas e para
diminuir as possibilidades de vazamento e seus respectivos gastos de manutenção.
Principais Componentes das Válvulas
Corpo de Válvula
O corpo ou carcaça é a parte da válvula que se conecta à tubulação e contém o
orifício de passagem do fluido.
As válvulas são peças sujeitas à manutenção e, por isso, devem ser, em princípio,
facilmente desmontáveis. Tanto as válvulas rosqueadas, como as flangeadas
obedecem a este conceito. No entanto, com o desenvolvimento dos processos de
solda, passaram também a ser empregadas válvulas com extremidades para solda
de soquete e para solda de topo. A desmontagem dessas válvulas é bem mais
difícil, mas em compensação, não há riscos de vazamentos na tubulação. São os
seguintes os principais casos de emprego de cada tipo de extremidade em
válvulas:
Extremidades flangeadas:
Sistema usado em quase todas as válvulas, de qualquer material, empregado em
tubulações industriais de mais de 2".
Extremidades para solda de soquete
Sistema usado, principalmente, em válvulas de aço, de menos de 2", em que a
solda de topo é ineficiente.
Extremidades rosqueadas
Sistema usado em válvulas menores de 4" em tubulações que não conduzem
fluidos corrosivos ou venenosos.
Extremidades para solda de topo
Sistema usado em válvulas de aço, de mais de 2", em serviços com pressões muito
altas ou com fluidos em que se exija eliminação absoluta do risco de vazamento.
Castelo
O castelo é a parte da válvula que suporta e contém as peças móveis de controle
de fluxo.
O castelo é fixado ao corpo de maneira a permitir rápida desmontagem e fácil
acesso ao interior da válvula. São três os meios usuais de ligação do castelo ao
corpo:
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Castelo e corpo rosqueados
É o sistema mais barato, usado apenas em pequenas válvulas de baixa pressão.
Castelo preso ao corpo por uma porca solta de união
Usado para válvulas pequenas, de alta pressão. Permite uma vedação bem melhor
que o castelo rosqueado. Esta válvula deve ser de boa qualidade.
Castelo aparafusado
Sistema usado para válvulas grandes sob qualquer pressão, por ser mais robusto e
permitir melhor vedação.
Válvula gaveta castelo rosqueada
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Mecanismos Internos e Gavetas
O mecanismo móvel interno da válvula (haste e peças de fechamento) e a sede
chama se “trim” da válvula. São as peças mais importantes da válvula,
geralmente, feitas de materiais de melhor qualidade do que os da carcaça, porque
estão sujeitas a grandes esforços e à forte corrosão. Devem ter também uma
usinagem cuidadosa para que a válvula tenha fechamento estanque. Na maioria
das válvulas, a haste atravessa o castelo, indo para fora do corpo. Para evitar
vazamento pela haste, existem gaxetas convencionais com porca de aperto, ou,
mais raramente, sistemas especiais de vedação como retentores, foles, entre
outros. Quando a haste é rosqueada (como acontece na maioria das válvulas), a
rosca deve, de preferência, estar por fora da gaveta, por ser um sistema de
construção mais barato.
Meios de Operação de Válvulas
Há uma variedade muito grande de sistemas usados para a operação de válvulas:
Operação manual, por meio de:
Volante;
Alavancas;
Engrenagens;
Parafusos sem fim; etc.
“Para operação manual, empregam-se volantes e alavancas em válvulas de
até 12”. Para válvulas maiores, usam-se os sistemas de engrenagem e
parafuso sem fim, com o objetivo de suavizar a operação.
VÁLVULAS COM CORRENTES E COM ASTES DE EXTENÇÃO
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Operação motorizada:
Hidráulica;
Pneumática;
Elétrica.
A operação motorizada é empregada apenas nos seguintes casos:
Em válvulas comandadas à distância;
Em válvulas situadas em posições inacessíveis;
Em válvulas muito grandes, cuja operação manual seja difícil.
Nos sistemas de operação motorizada, hidráulica ou pneumática, a haste da válvula
é
comandada por um êmbolo ( cilindro móvel ) ou um diafragma, sujeito à pressão
de um líquido ou ar comprimido. O comando hidráulico, mais raro na prática do que
o comando pneumático que é usado quase somente, para válvulas muito grandes.
A operação motorizada pneumática é o sistema mais usado nas válvulas
comandadas por
instrumentos automáticos. É preciso não confundir válvulas comandadas por
instrumentos
automáticos com válvulas de operação automática. Existem dois sistemas de
operação motorizada;
elétrica de uso corrente:
Motor elétrico, acionando o volante da válvula por meio de engrenagens de
redução. Este sistema é usado apenas em válvulas de grande tamanho para
tornar a operação mais fácil e mais rápida.
Solenóide, cujo campo magnético movimenta, diretamente por atração, a
haste da válvula. Este sistema pode ser empregado apenas para pequenas
válvulas, freqüentemente por relés elétricos ou instrumentos automáticos.
Operação automática:
Pelo próprio fluido;
Por meio de molas ou contrapesos.
Detalhes particulares de cada tipo de válvulas
Válvula de Gaveta
É o tipo de válvula mais importante e de uso mais generalizado. São utilizadas
principalmente
nos serviços de bloqueio nas linhas de água, óleos e líquidos em geral (desde que
não sejam muito corrosivos ou voláteis), para quaisquer diâmetros, e também
para o bloqueio de vapor e ar em linhas de diâmetro acima de 8". Em todos estes
serviços, as válvulas de gaveta é usadas para qualquer pressão ou temperatura
(Figura 2.1). O fechamento dessas válvulas é feito pelo movimento de uma peça
chamada gaveta, que se desloca paralelamente ao orifício da válvula e
perpendicularmente ao sentido de escoamento do líquido. Quando completamente
abertas, a perda de carga causada por este tipo de válvula é desprezível. Apenas
devem trabalhar completamente abertas ou completamente fechadas, isto é, são
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válvulas de bloqueio e não de regulagem. Quando parcialmente abertas, causam
laminagem da veia fluida, acompanhada de cavitação e violenta erosão. Observase que as válvulas gaveta 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
gavetas, porque, desta maneira, pode-se controlar o efeito dos golpes de ariete.
As válvulas gaveta dificilmente dão um fechamento absolutamente estanque. Por
outro lado, na maioria das aplicações práticas, tal fechamento não é necessário.
A gaveta das válvulas pode ser em cunha ou paralela. As gavetas de cunha são de
maior qualidade e dão, devido a ação da cunha, um fechamento mais seguro do
que as gavetas paralelas, embora sejam de construção e manutenção mais difícil.
Emprega-se, nas válvulas gaveta, três sistemas diferentes de movimentação da
haste:
Haste ascendente com rosca externa
É o sistema usado nas válvulas grandes e de boa qualidade. A haste tem apenas
movimento de translação e o volante, preso ao castelo por uma porca fixa, apenas
movimento de rotação. A rosca da haste é externa à válvula estando, assim,
livre, do contato com o fluido. A extensão da haste acima do volante dá uma
indicação visual imediata da posição de abertura ou de fechamento da válvula,
sendo esta a principal vantagem do sistema .
Haste ascendente com rosca interna
É a disposição mais usual em válvulas pequenas e também em válvulas grandes
de qualidade inferior. A haste, dentro da válvula, juntamente com o volante, tem
movimentos de translação e rotação. Não há indicação visual da posição de
abertura ou fechamento (Figura 2.2).
Haste não ascendente
A haste, juntamente com o volante tem apenas movimento de rotação. Somente
a gaveta da válvula que se atarraxa na extremidade da haste, tem movimento de
translação. É um sistema barato, de construção fácil, usado em válvulas pequenas
de qualidade inferior. Alguns problemas são característicos durante a operação de
válvulas gavetas:
Em caso de alta pressão, é difícil a operação de uma válvula gaveta. Há
casos em que se torna necessário o uso de chaves apropriadas aplicadas
ao volante, há outros em que a válvula possui um desvio: na abertura ou
fechamento da válvula utiliza-se o desvio para evitar alto diferencial de
pressão na operação.
As gaxetas requerem atenção, uma vez que podem apresentar um
pequeno vazamento com o uso. É importante que sejam reapertadas ou
trocadas em épocas apropriadas.
Ao se abrir ou fechar completamente a válvula, ela pode se trancar. Existe
uma pequena folga que permite inverter ligeiramente o sentido de rotação
do volante sem que se altere a posição da gaveta.
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Quando a válvula não está vedando completamente não é boa norma
forçar seu fechamento: as causas podem ser depósitos na sede, defeito na
sede, etc. A operação indevida pode agravar o problema. Na maioria das
vezes, ocorre a quebra da bucha.
Tanto a má lubrificação como o aperto demasiado das gaxetas podem acarretar
dificuldades na operação da válvula.
Variantes das válvulas gavetas
Uma variante da válvula gaveta é a válvula de fecho rápido. Nessas válvulas, a
gaveta é manobrada por uma alavanca externa fechando- se com um movimento
único da alavanca.
Válvula Macho
Aplica-se, principalmente, nos serviços de bloqueio de gases para qualquer
diâmetro, temperatura ou pressão e também no bloqueio rápido de água, vapor e
líquidos em geral para pequenos diâmetros e baixas pressões.
Nessas válvulas, o fechamento é feito pela rotação de uma peça (macho)
existente no interior do corpo da mesma. São válvulas de fecho rápido, porque
bloqueiam com 1/4 de volta do macho ou da haste. As válvulas macho são,
fundamentalmente, válvulas de bloqueio. Quando totalmente abertas, a perda de
carga é mínima e, quando parcialmente fechadas, a turbulência impede uma
vazão regularizada. Existem dois tipos gerais de válvulas macho: com e sem
lubrificação. Nas válvulas com lubrificação, há um sistema de injeção de
lubrificantes sob pressão, através do macho, para melhorar a vedação e evitar
que o mesmo fique preso. Essas válvulas são empregadas geralmente em serviços
com gases. As válvulas sem lubrificação, de boa qualidade, usadas para gases,
têm sedes removíveis, feitas de material resiliente (teflon, neoprene, etc.), dando
ótima vedação estanque.
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Variantes da válvula Macho
Uma das variantes da válvula macho corresponde às válvulas de esfera. Neste
caso, o macho é uma esfera que gira sobre um diâmetro, deslizando entre anéis
retentores. As vantagens das válvulas de esfera sobre a de gaveta são o menor
tamanho, peso e custo, melhor vedação e menor facilidade de operação.
Outra variante das válvulas macho são as válvulas de 3 ou 4 vias, onde o macho
nessas válvulas é furado em “T” em “L” ou em cruz, dispondo a válvula de 3 ou 4
bocais para ligação às tubulações.
Válvula Globo
Em válvulas globo, o fechamento é feito por meio de um tampão que se move
contra o orifício da válvula, que, geralmente, está em posição paralela ao sentido
do fluxo. As válvulas globo podem trabalhar em qualquer posição e fechamento,
isto é, são válvulas de regulagem. Causam, entretanto, em qualquer posição de
fechamento, fortes perdas de cargas. As válvulas globo dão um fechamento bem
melhor que as válvulas de gaveta, de forma que é possível conseguir,
principalmente em válvulas pequenas, um fechamento absolutamente estanque.
As válvulas globo devem ser instaladas de modo que o fluido entre sempre pela
face inferior do tampão. Essa disposição tem a vantagem de poupar as gavetas,
porque a pressão não fica agindo permanentemente sobre elas e também de
permitir, em muitos casos, o reengaxetamento com a válvula em serviço.
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Variantes de válvula globo
Válvulas Angulares
Essas válvulas têm os bocais de entrada e saída a 90°. Permite perdas de cargas
menores que a válvula globo comum. Devido à posição do orifício de passagem.
Válvula Agulha
O tampão nestas válvulas é substituído por uma peça cônico agulha, que permite
um controle mais delicado da vazão. É usado em linha até 2”.
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Válvula sem sede
É uma variante das válvulas angulares em que o tampão consiste de um êmbolo
que desliza do corpo da válvula. Estas válvulas são empregadas para a descarga
de caldeiras.
Válvulas em “Y”
Essas válvulas apresentam a haste a 45° com o corpo, de maneira tal que a
trajetória da corrente fluida fica quase retilínea. Em conseqüência disso as perdas
de carga ficam reduzidas um valor mínimo. Essas válvulas são usadas para
bloqueio e regulagem de vapor.
Válvulas de Controle
Essas válvulas são usadas em combinação com instrumentos automáticos, que as
Comandam a distância para controlar a vazão ou a pressão de um fluido. A
válvula em si é quase semelhante a uma válvula globo sendo operada, na maioria
das vezes, por meio de um diafragma sujeito à pressão de ar comprimido. Há um
instrumento automático que comanda a pressão de ar, que por sua vez faz variar
a posição de abertura da válvula. A operação nas válvulas de controle é feita,
geralmente, pelo diafragma em um sentido (para abrir ou fechar) e por uma mola
regulável no outro sentido.
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Válvula Borboleta
Usada para tubulações de grande diâmetro (mais de 20'’), sujeitas a baixas
pressões, sem a exigência de vedação perfeita. O fechamento da válvula é feio
por meio de uma peça circular que pivota em torno de um eixo perpendicular ao
sentido de escoamento do fluido.
Válvulas borboleta
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Válvulas de Diafragma
Muito usadas para fluidos perigosos, corrosivos, tóxicos, inflamáveis, etc, as
válvulas de diafragma não apresentam gaxetas. Seu fechamento é feito por meio
de um diafragma flexível apertado contra a sede. O mecanismo móvel que
controla o diafragma fica completamente fora do contato com o fluido.
Válvulas de retenção
Estas permitem a
automaticamente,
passagem
de
fluido
apenas
em
sentido,
fechamento
por diferença de pressões exercidas pelo próprio fluido, se houver tendência à
inversão no sentido de escoamento. São, por isso, válvulas de operação
automática. Um caso típico do uso de válvulas de retenção é na linha de recalque
de bombas em paralelo, para evitar o retorno do fluido através das bombas
paradas. Outro caso é do uso dessas válvulas na linha de carregamento de um
tanque para evitar um possível esvaziamento. Existem três tipos principais de
válvula de retenção:
Válvula de retenção de portinhola
É o tipo mais comum de válvula de retenção. Seu fechamento é feito por uma
portinhola articulada, que se assenta no orifício da válvula. As válvulas de
portinhola não devem ser usadas em tubulações sujeitas a freqüentes inversões
de fluxo, porque, nesse caso, têm tendência a vibrar fortemente.
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Algumas válvulas desse tipo têm uma alavanca externa, com a qual a portinhola
pode ser aberta ou fechada, à vontade, quando necessário.
Válvulas de retenção tipo plug
O fechamento da válvula é feito por meio de um tampão, semelhante ao das
válvulas globo, cuja haste desliza em uma guia interna. Essas válvulas causam
perdas de carga muito grandes e por isso são pouco usadas em linhas de
diâmetro acima de 6'’. São adequadas ao trabalho com gases e vapores.
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Válvula de retenção de esfera
São semelhantes às válvulas de retenção tipo plug, sendo porém, o tampão
substituído por uma esfera. É o tipo de válvula de retenção cujo fechamento é
mais rápido. Essas válvulas, muito boas para fluidos de alta viscosidade, são
fabricadas e usadas apenas para diâmetro de até 2”.
Variantes das válvulas de retenção
Válvulas de pé
São válvulas de retenção especiais para manter a escorva nas linhas de sucção de
bombas. São semelhantes às válvulas de retenção tipo plug.
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Válvulas de retenção e fechamento
São semelhantes às válvulas globo, com tampão capaz de deslizar sobre a haste.
Na posição aberta, funcionam como válvulas de retenção de levantamento e, na
posição fechada, como válvulas de bloqueio. São usadas nas linhas de saída de
caldeiras.
Válvula de retenção de fechamento
Válvulas de Segurança e de Alívio
Controlam a pressão à montante, abrindo se automaticamente, quando essa
pressão ultrapassa um determinado valor para o qual a válvula foi ajustada
(pressão de ajuste). A construção dessas válvulas é semelhante à das válvulas
globo angulares. O tampão é mantido fechado contra a sede pela ação de uma
mola, com parafuso de regulagem, ou de um contrapeso externo de posição
ajustável. Regula-se tensão ou posição do contrapeso, de maneira a se ter a
desejada pressão de abertura da válvula.
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Válvula de segurança
As válvulas de mola são as mais comuns. A mola pode ser interna, dentro do castelo da
disposição para serviços com fluidos corrosivos, podendo congelar , prendendo a mola.
Essas válvulas são chamadas de “segurança”, quando destinadas a trabalhar com fluidos
elásticos (vapor, ar, gases), e de alívio, quando destinadas trabalhar com líquidos, que
são fluidos incompressíveis. A construção das válvulas de segurança e de alívio é
basicamente a mesma, a principal diferença reside no perfil das sedes e do tampão. Nas
válvulas de segurança, o desenho desses perfis é feito de tal forma que a abertura total
da válvula ocorra imediatamente após a “pressão de ajuste”, e o fechamento
repentinamente abaixo da “pressão de ajuste”. Nas válvulas de alívio, a abertura é
gradual, atingindo o máximo com 110% a 125% da “pressão de ajuste”. As válvulas de
segurança costumam ter uma alavanca externa com a qual é possível fazer-se
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