Onde as válvulas são usadas: Em todo lugar!

08 de novembro de 2017. Escrito por Greg Johnson.

Hoje em dia, as válvulas podem ser encontradas praticamente em qualquer lugar: em nossas casas, debaixo das ruas, em prédios comerciais e em milhares de locais dentro de usinas de energia e água, fábricas de papel, refinarias, fábricas de produtos químicos e outras instalações industriais e de infraestrutura.
A indústria de válvulas é verdadeiramente abrangente, com segmentos que variam da distribuição de água à energia nuclear, passando pela exploração e produção de petróleo e gás. Cada uma dessas indústrias usuárias finais utiliza alguns tipos básicos de válvulas; no entanto, os detalhes de construção e os materiais costumam ser muito diferentes. Aqui está uma amostra:

OBRAS HÍDRICAS
No setor de distribuição de água, as pressões são quase sempre relativamente baixas e as temperaturas ambientes. Esses dois fatores permitem o desenvolvimento de válvulas com elementos de design que não seriam encontrados em equipamentos mais exigentes, como válvulas para vapor de alta temperatura. A temperatura ambiente da água utilizada possibilita o uso de elastômeros e vedações de borracha não adequados para outros fins. Esses materiais flexíveis permitem que as válvulas de água sejam projetadas para vedar completamente os gotejamentos.

Outro fator a considerar nas válvulas para sistemas de água é a escolha dos materiais de construção. Ferro fundido e ferro dúctil são amplamente utilizados em sistemas de água, especialmente em tubulações de grande diâmetro externo. Tubulações muito pequenas podem ser tratadas com válvulas de bronze de forma bastante eficiente.

A pressão a que a maioria das válvulas de sistemas de abastecimento de água são submetidas geralmente fica bem abaixo de 200 psi. Isso significa que não são necessários projetos com paredes mais espessas para suportar pressões mais altas. Dito isso, existem casos em que as válvulas de água são construídas para suportar pressões mais elevadas, até cerca de 300 psi. Essas aplicações geralmente ocorrem em aquedutos longos próximos à fonte de pressão. Às vezes, válvulas de água para pressões mais altas também são encontradas nos pontos de maior pressão em uma barragem alta.

A American Water Works Association (AWWA) publicou especificações que abrangem muitos tipos diferentes de válvulas e atuadores usados ​​em aplicações de abastecimento de água.

ÁGUAS RESIDUAIS
O outro lado da moeda da água potável que entra em uma instalação ou estrutura é o esgoto. Essas tubulações coletam todos os resíduos líquidos e sólidos e os direcionam para uma estação de tratamento de esgoto. Essas estações de tratamento contam com muitas tubulações e válvulas de baixa pressão para realizar seu "trabalho sujo". Os requisitos para válvulas de esgoto, em muitos casos, são muito mais flexíveis do que os requisitos para água potável. Válvulas de gaveta e de retenção de ferro são as opções mais comuns para esse tipo de serviço. As válvulas padrão para esse serviço são fabricadas de acordo com as especificações da AWWA (American Water Water Administration).

INDÚSTRIA DE ENERGIA
A maior parte da energia elétrica gerada nos Estados Unidos provém de usinas termelétricas a vapor que utilizam combustíveis fósseis e turbinas de alta velocidade. Ao abrir a estrutura de uma usina moderna, é possível observar sistemas de tubulação de alta pressão e alta temperatura. Essas tubulações principais são cruciais no processo de geração de energia a vapor.

As válvulas de gaveta continuam sendo a principal escolha para aplicações de ligar/desligar em usinas de energia, embora também existam válvulas globo em Y para fins especiais. Válvulas de esfera de alto desempenho para serviços críticos estão ganhando popularidade entre alguns projetistas de usinas de energia e conquistando espaço neste mercado antes dominado por válvulas lineares.

A metalurgia é crucial para válvulas em aplicações de energia, especialmente aquelas que operam em faixas de pressão e temperatura supercríticas ou ultrassupercríticas. Aços como F91, F92 e C12A, juntamente com diversas ligas de Inconel e aço inoxidável, são comumente utilizados em usinas de energia modernas. As classes de pressão incluem 1500, 2500 e, em alguns casos, 4500. A natureza modulante das usinas de pico (aquelas que operam somente quando necessário) também impõe uma enorme pressão sobre as válvulas e tubulações, exigindo projetos robustos para suportar a combinação extrema de ciclos de temperatura e pressão.
Além do sistema principal de válvulas de vapor, as usinas de energia são repletas de tubulações auxiliares, compostas por uma infinidade de válvulas de gaveta, globo, retenção, borboleta e esfera.

As usinas nucleares operam com o mesmo princípio de turbina a vapor/turbina de alta velocidade. A principal diferença é que, em uma usina nuclear, o vapor é gerado pelo calor do processo de fissão nuclear. As válvulas de usinas nucleares são semelhantes às de usinas movidas a combustíveis fósseis, exceto pela sua origem e pela exigência adicional de confiabilidade absoluta. As válvulas nucleares são fabricadas segundo padrões extremamente rigorosos, com a documentação de qualificação e inspeção preenchendo centenas de páginas.

PRODUÇÃO DE PETRÓLEO E GÁS
Poços de petróleo e gás e instalações de produção utilizam muitas válvulas, incluindo válvulas de alta resistência. Embora jorros de petróleo a centenas de metros de altura sejam raros atualmente, a imagem ilustra a pressão potencial do petróleo e gás subterrâneos. É por isso que as cabeças de poço, também conhecidas como árvores de Natal, são instaladas no topo da longa coluna de tubos de um poço. Esses conjuntos, com sua combinação de válvulas e conexões especiais, são projetados para suportar pressões superiores a 10.000 psi. Embora raramente encontradas em poços perfurados em terra atualmente, essas pressões extremamente altas são comuns em poços profundos em alto-mar.

O projeto de equipamentos de cabeça de poço é regido por especificações da API, como a 6A, Especificação para Equipamentos de Cabeça de Poço e Árvore de Natal. As válvulas abrangidas pela 6A são projetadas para pressões extremamente altas, mas temperaturas moderadas. A maioria das árvores de Natal contém válvulas de gaveta e válvulas globo especiais chamadas de válvulas de estrangulamento. As válvulas de estrangulamento são usadas para regular o fluxo do poço.

Além dos próprios poços, muitos equipamentos auxiliares compõem um campo de petróleo ou gás. Os equipamentos de processamento para o pré-tratamento do petróleo ou gás requerem diversas válvulas. Essas válvulas geralmente são de aço carbono, classificadas para classes mais baixas.

Ocasionalmente, um fluido altamente corrosivo — o sulfeto de hidrogênio — está presente no fluxo de petróleo bruto. Esse material, também chamado de gás sulfídrico, pode ser letal. Para superar os desafios do gás sulfídrico, é necessário utilizar materiais especiais ou técnicas de processamento de materiais de acordo com a especificação MR0175 da NACE International.

INDÚSTRIA OFFSHORE
Os sistemas de tubulação para plataformas de petróleo offshore e instalações de produção contêm uma infinidade de válvulas construídas segundo diversas especificações para lidar com a ampla variedade de desafios de controle de fluxo. Essas instalações também contêm vários circuitos de controle e dispositivos de alívio de pressão.

Para instalações de produção de petróleo, o coração da cadeia produtiva é o próprio sistema de tubulação para recuperação de petróleo ou gás. Embora nem sempre localizado na plataforma em si, muitos sistemas de produção utilizam árvores de natal e sistemas de tubulação que operam em profundidades inóspitas de 3.000 metros ou mais. Esses equipamentos de produção são construídos de acordo com diversos padrões rigorosos do Instituto Americano de Petróleo (API) e referenciados em várias Práticas Recomendadas (RPs) da API.

Na maioria das grandes plataformas de petróleo, processos adicionais são aplicados ao fluido bruto proveniente da cabeça do poço. Esses processos incluem a separação da água dos hidrocarbonetos e a separação do gás e dos líquidos de gás natural do fluxo de fluido. Esses sistemas de tubulação pós-poço de Natal são geralmente construídos de acordo com as normas de tubulação B31.3 da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), com válvulas projetadas em conformidade com as especificações de válvulas da API, como API 594, API 600, API 602, API 608 e API 609.

Alguns desses sistemas também podem conter válvulas de gaveta, esfera e retenção API 6D. Como os dutos na plataforma ou navio-sonda são internos à instalação, os requisitos rigorosos para o uso de válvulas API 6D em dutos não se aplicam. Embora vários tipos de válvulas sejam usados ​​nesses sistemas de tubulação, o tipo de válvula preferido é a válvula de esfera.

DUTOS
Embora a maioria dos oleodutos e gasodutos esteja escondida da vista, sua presença geralmente é evidente. Pequenas placas com a inscrição "oleoduto" são um indicador óbvio da presença de tubulações subterrâneas para transporte de petróleo. Esses oleodutos e gasodutos são equipados com diversas válvulas importantes ao longo de sua extensão. Válvulas de fechamento de emergência são encontradas em intervalos especificados por normas, códigos e leis. Essas válvulas desempenham a função vital de isolar um trecho do oleoduto ou gasoduto em caso de vazamento ou quando a manutenção é necessária.

Ao longo do trajeto de um oleoduto, também estão espalhadas instalações onde a tubulação emerge do solo e o acesso à mesma se torna disponível. Essas estações abrigam os equipamentos de lançamento de "pigs", que consistem em dispositivos inseridos nos oleodutos para inspeção ou limpeza. Essas estações de lançamento de pigs geralmente contêm diversas válvulas, do tipo gaveta ou esfera. Todas as válvulas em um sistema de oleoduto devem ser de passagem plena (abertura total) para permitir a passagem dos pigs.

Os oleodutos também precisam de energia para combater o atrito e manter a pressão e o fluxo na tubulação. Para isso, utilizam-se estações de compressão ou bombeamento que se assemelham a versões em miniatura de uma planta de processo, sem as altas torres de craqueamento. Essas estações abrigam dezenas de válvulas de gaveta, esfera e retenção.
Os próprios oleodutos são projetados de acordo com diversas normas e códigos, enquanto as válvulas dos oleodutos seguem a norma API 6D para válvulas de oleodutos.
Existem também tubulações menores que abastecem residências e estabelecimentos comerciais. Essas tubulações fornecem água e gás e são protegidas por válvulas de fechamento.
Grandes municípios, principalmente na região norte dos Estados Unidos, fornecem vapor para atender às necessidades de aquecimento de clientes comerciais. Essas linhas de fornecimento de vapor são equipadas com diversos tipos de válvulas para controlar e regular o fluxo de vapor. Embora o fluido seja vapor, as pressões e temperaturas são menores do que as encontradas na geração de vapor em usinas termelétricas. Uma variedade de tipos de válvulas é utilizada nesse serviço, embora a tradicional válvula de plugue ainda seja uma escolha popular.

REFINARIA E PETROQUÍMICA
As válvulas para refinarias representam a maior parte do uso de válvulas industriais em comparação com qualquer outro segmento. As refinarias lidam com fluidos corrosivos e, em alguns casos, com altas temperaturas.
Esses fatores determinam como as válvulas são fabricadas de acordo com as especificações de projeto de válvulas da API, como API 600 (válvulas de gaveta), API 608 (válvulas de esfera) e API 594 (válvulas de retenção). Devido às severas condições de serviço enfrentadas por muitas dessas válvulas, geralmente é necessária uma margem de segurança adicional contra corrosão. Essa margem se manifesta em espessuras de parede maiores, especificadas nos documentos de projeto da API.

Praticamente todos os principais tipos de válvulas podem ser encontrados em abundância em uma refinaria de grande porte típica. A onipresente válvula de gaveta ainda reina absoluta, com a maior quantidade de válvulas, mas as válvulas de um quarto de volta estão conquistando uma parcela cada vez maior do mercado. Os produtos de um quarto de volta que estão ganhando espaço nesse setor (que também já foi dominado por válvulas lineares) incluem válvulas borboleta de triplo offset de alto desempenho e válvulas de esfera com sede metálica.

As válvulas padrão de gaveta, globo e retenção ainda são encontradas em grande quantidade e, devido à robustez de seu projeto e à economia de sua fabricação, não desaparecerão tão cedo.
As classificações de pressão para válvulas de refinaria variam da Classe 150 à Classe 1500, sendo a Classe 300 a mais popular.
Os aços carbono comuns, como o WCB (fundido) e o A-105 (forjado), são os materiais mais populares especificados e utilizados em válvulas para serviços em refinarias. Muitas aplicações em processos de refino exigem temperaturas mais altas dos aços carbono comuns, e ligas de alta temperatura são especificadas para essas aplicações. As mais populares são os aços cromo-molibdênio, como os de 1,25% Cr, 2,25% Cr, 5% Cr e 9% Cr. Aços inoxidáveis ​​e ligas com alto teor de níquel também são utilizados em alguns processos de refino particularmente severos.

QUÍMICO
A indústria química é uma grande usuária de válvulas de todos os tipos e materiais. Desde pequenas fábricas de produção em lotes até os enormes complexos petroquímicos encontrados na costa do Golfo do México, as válvulas são uma parte essencial dos sistemas de tubulação de processos químicos.

A maioria das aplicações em processos químicos apresenta pressões mais baixas do que muitos processos de refino e geração de energia. As classes de pressão mais comuns para válvulas e tubulações em plantas químicas são as classes 150 e 300. As plantas químicas também foram o principal fator para o aumento da participação de mercado que as válvulas de esfera conquistaram das válvulas lineares nos últimos 40 anos. A válvula de esfera com sede resiliente, com sua vedação sem vazamento, é ideal para diversas aplicações em plantas químicas. O tamanho compacto da válvula de esfera também é uma característica muito apreciada.
Ainda existem algumas indústrias químicas e processos industriais onde as válvulas lineares são preferidas. Nesses casos, as populares válvulas projetadas segundo a norma API 603, com paredes mais finas e peso mais leve, são geralmente as válvulas de gaveta ou globo de escolha. O controle de alguns produtos químicos também é realizado com eficácia utilizando válvulas de diafragma ou de pinça.
Devido à natureza corrosiva de muitos produtos químicos e processos de fabricação química, a seleção de materiais é crucial. O material padrão é o aço inoxidável austenítico 316/316L. Este material oferece boa resistência à corrosão causada por diversos fluidos, por vezes agressivos.

Para algumas aplicações corrosivas mais severas, é necessária maior proteção. Outras ligas de aço inoxidável austenítico de alto desempenho, como 317, 347 e 321, são frequentemente escolhidas nessas situações. Outras ligas que são usadas ocasionalmente para controlar fluidos químicos incluem Monel, Alloy 20, Inconel e 17-4 PH.

GNL E SEPARAÇÃO DE GÁS
Tanto o gás natural liquefeito (GNL) quanto os processos necessários para a separação do gás dependem de extensas tubulações. Essas aplicações exigem válvulas que operem em temperaturas criogênicas muito baixas. A indústria de GNL, que está crescendo rapidamente nos Estados Unidos, busca constantemente aprimorar e melhorar o processo de liquefação do gás. Para isso, as tubulações e válvulas tornaram-se muito maiores e os requisitos de pressão aumentaram.

Essa situação exigiu que os fabricantes de válvulas desenvolvessem projetos para atender a parâmetros mais rigorosos. As válvulas de esfera e borboleta de um quarto de volta são populares para serviços de GNL, sendo o aço inoxidável 316 o material mais utilizado. A classe de pressão ANSI 600 é o limite máximo usual para a maioria das aplicações de GNL. Embora os produtos de um quarto de volta sejam os tipos de válvulas mais populares, válvulas de gaveta, globo e retenção também podem ser encontradas nas plantas.

O serviço de separação de gases envolve a divisão do gás em seus elementos básicos individuais. Por exemplo, os métodos de separação do ar produzem nitrogênio, oxigênio, hélio e outros gases residuais. A natureza de baixíssima temperatura do processo exige muitas válvulas criogênicas.

Tanto as plantas de GNL quanto as de separação de gases possuem válvulas de baixa temperatura que devem permanecer operacionais nessas condições criogênicas. Isso significa que o sistema de vedação da válvula deve ser elevado, mantendo-o afastado do fluido de baixa temperatura, por meio de uma coluna de gás ou de condensação. Essa coluna de gás impede a formação de uma bola de gelo ao redor da área de vedação, o que impediria a rotação ou a elevação da haste da válvula.

EDIFÍCIOS COMERCIAIS
Edifícios comerciais nos cercam, mas, a menos que prestemos muita atenção enquanto são construídos, temos pouca noção da infinidade de artérias fluidas escondidas em suas paredes de alvenaria, vidro e metal.

Um denominador comum em praticamente todos os edifícios é a água. Todas essas estruturas contêm uma variedade de sistemas de tubulação que transportam diversas combinações do composto hidrogênio/oxigênio na forma de fluidos potáveis, águas residuais, água quente, águas cinzas e sistemas de proteção contra incêndio.

Do ponto de vista da sobrevivência de um edifício, os sistemas de combate a incêndio são de suma importância. A proteção contra incêndio em edifícios é quase universalmente alimentada e abastecida com água limpa. Para que os sistemas de água de combate a incêndio sejam eficazes, eles devem ser confiáveis, ter pressão suficiente e estar convenientemente localizados em toda a estrutura. Esses sistemas são projetados para serem energizados automaticamente em caso de incêndio.
Edifícios altos exigem a mesma pressão de água nos andares superiores e inferiores, portanto, bombas e tubulações de alta pressão devem ser utilizadas para levar a água para cima. Os sistemas de tubulação geralmente são das classes 300 ou 600, dependendo da altura do edifício. Todos os tipos de válvulas são utilizados nessas aplicações; no entanto, os projetos das válvulas devem ser aprovados pela Underwriters Laboratories ou pela Factory Mutual para uso em redes de incêndio.

As mesmas classes e tipos de válvulas utilizadas para sistemas de combate a incêndio são usadas para distribuição de água potável, embora o processo de aprovação não seja tão rigoroso.
Os sistemas de ar condicionado comerciais encontrados em grandes estruturas empresariais, como edifícios de escritórios, hotéis e hospitais, geralmente são centralizados. Possuem uma grande unidade de resfriamento ou caldeira para resfriar ou aquecer o fluido utilizado para transferir frio ou alta temperatura. Esses sistemas frequentemente precisam lidar com refrigerantes como o R-134a, um hidrofluorocarbono, ou, no caso de grandes sistemas de aquecimento, vapor. Devido ao tamanho compacto das válvulas borboleta e de esfera, esses tipos se tornaram populares em sistemas de resfriamento de HVAC.

No setor de vapor, algumas válvulas de um quarto de volta ganharam espaço, mas muitos engenheiros hidráulicos ainda preferem válvulas de gaveta lineares e válvulas globo, principalmente quando a tubulação exige solda de topo nas extremidades. Para essas aplicações de vapor com vazão moderada, o aço substituiu o ferro fundido devido à sua soldabilidade.

Alguns sistemas de aquecimento utilizam água quente em vez de vapor como fluido de transferência. Esses sistemas são bem atendidos por válvulas de bronze ou ferro. Válvulas de esfera e borboleta com sede resiliente de um quarto de volta são muito populares, embora alguns modelos lineares ainda sejam utilizados.

CONCLUSÃO
Embora as aplicações das válvulas mencionadas neste artigo possam não ser visíveis durante uma ida ao Starbucks ou à casa da avó, algumas válvulas muito importantes estão sempre por perto. Existem até válvulas no motor do carro que controlam o fluxo de combustível para o motor, como as do carburador, que regulam a entrada de combustível, e as do motor, que controlam a saída e a saída da gasolina dos pistões. E se essas válvulas ainda não estiverem suficientemente presentes em nosso dia a dia, considere o fato de que nossos corações batem regularmente por meio de quatro dispositivos vitais de controle de fluxo.

Este é apenas mais um exemplo da realidade de que as válvulas estão realmente em toda parte. VM
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Greg Johnson é presidente da United Valve (www.unitedvalve.com) em Houston. Ele é editor colaborador da revista VALVE, ex-presidente do Valve Repair Council e atual membro do conselho da VRC. Também atua no Comitê de Educação e Treinamento da VMA, é vice-presidente do Comitê de Comunicações da VMA e ex-presidente da Manufacturers Standardization Society.