Onde as válvulas são usadas: em todos os lugares!

08 de novembro de 2017 Escrito por Greg Johnson

Válvulas podem ser encontradas em praticamente qualquer lugar hoje em dia: em nossas casas, sob as ruas, em prédios comerciais e em milhares de lugares dentro de usinas de energia e água, fábricas de papel, refinarias, fábricas de produtos químicos e outras instalações industriais e de infraestrutura.
O setor de válvulas é realmente abrangente, com segmentos que variam da distribuição de água à energia nuclear, passando pelo upstream e downstream de petróleo e gás. Cada um desses setores de consumo final 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 mundo da distribuição de água, as pressões são quase sempre relativamente baixas e as temperaturas, ambientes. Essas duas aplicações permitem uma série de elementos de projeto de válvulas que não seriam encontrados em equipamentos mais desafiadores, como válvulas de vapor de alta temperatura. A temperatura ambiente do serviço de água permite o uso de elastômeros e vedações de borracha, que não são adequados em outros lugares. Esses materiais macios permitem que as válvulas de água sejam equipadas para vedar firmemente gotejamentos.

Outro fator a ser considerado em válvulas de serviço de água é a escolha dos materiais de construção. Ferros fundidos e dúcteis são amplamente utilizados em sistemas de água, especialmente em tubulações de grande diâmetro externo. Tubulações muito pequenas podem ser facilmente manuseadas com materiais de válvula de bronze.

As pressões que a maioria das válvulas de distribuição de água atinge geralmente estão bem abaixo de 200 psi. Isso significa que projetos de alta pressão com paredes mais espessas não são necessários. Dito isso, há casos em que as válvulas de água são projetadas para lidar com pressões mais altas, de até cerca de 300 psi. Essas aplicações geralmente ocorrem em aquedutos longos próximos à fonte de pressão. Às vezes, válvulas de água de alta pressão também são encontradas nos pontos de maior pressão em uma barragem alta.

A American Water Works Association (AWWA) emitiu especificações que abrangem muitos tipos diferentes de válvulas e atuadores usados ​​em aplicações de sistemas hidráulicos.

ÁGUAS RESIDUAIS
O outro lado da água potável que entra em uma instalação ou estrutura é a saída de águas residuais ou esgoto. Essas linhas coletam todos os fluidos e sólidos residuais e os direcionam para uma estação de tratamento de esgoto. Essas estações de tratamento possuem muitas tubulações e válvulas de baixa pressão para realizar o "trabalho sujo". Os requisitos para válvulas de águas residuais, em muitos casos, são muito mais rigorosos do que os requisitos para o serviço de água limpa. Válvulas de gaveta e retenção de ferro são as opções mais populares para esse tipo de serviço. As válvulas padrão nesse serviço são construídas de acordo com as especificações da AWWA.

INDÚSTRIA DE ENERGIA
A maior parte da energia elétrica gerada nos Estados Unidos é gerada em usinas a vapor que utilizam combustíveis fósseis e turbinas de alta velocidade. Ao abrir a tampa de uma usina moderna, é possível visualizar sistemas de tubulação de alta pressão e alta temperatura. Essas linhas principais são as mais críticas no processo de geração de energia a vapor.

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

A metalurgia é crucial para válvulas em aplicações de energia, especialmente aquelas que operam nas faixas de pressão e temperatura supercríticas ou ultrassupercríticas. F91, F92, C12A, além de diversas ligas de Inconel e aço inoxidável, são comumente utilizadas nas usinas de energia atuais. As classes de pressão incluem 1500, 2500 e, em alguns casos, 4500. A natureza modulante das usinas de energia de pico (aquelas que operam apenas conforme necessário) também impõe uma enorme pressão sobre as válvulas e tubulações, exigindo projetos robustos para lidar com a combinação extrema de ciclos, temperatura e pressão.
Além das válvulas principais de vapor, as usinas de energia são equipadas com tubulações auxiliares, preenchidas por uma infinidade de válvulas de gaveta, globo, retenção, borboleta e esfera.

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

PRODUÇÃO DE PETRÓLEO E GÁS
Poços de petróleo e gás e instalações de produção são grandes usuários de válvulas, incluindo muitas válvulas de alta resistência. Embora jatos de petróleo a centenas de metros de altura não sejam mais prováveis, a imagem ilustra a pressão potencial do petróleo e gás subterrâneos. É por isso que cabeças de poço ou árvores de Natal são colocadas no topo da longa tubulação de um poço. Esses conjuntos, com sua combinação de válvulas e conexões especiais, são projetados para suportar pressões acima de 10.000 psi. Embora raramente encontradas em poços perfurados em terra hoje em dia, as pressões extremamente altas são frequentemente encontradas em poços profundos em alto-mar.

O projeto de equipamentos para cabeças de poço é abrangido pelas especificações da API, como a 6A, Especificação para Equipamentos de Cabeças de Poço e Árvores 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 estranguladores. Os estranguladores são usados ​​para regular o fluxo do poço.

Além das próprias cabeças de poço, muitas instalações auxiliares ocupam um campo de petróleo ou gás. O equipamento de processo para pré-tratamento de petróleo ou gás requer uma série de válvulas. Essas válvulas geralmente são de aço carbono, classificadas para classes mais baixas.

Ocasionalmente, um fluido altamente corrosivo — sulfeto de hidrogênio — está presente no fluxo de petróleo bruto. Este material, também chamado de gás ácido, pode ser letal. Para superar os desafios do gás ácido, materiais especiais ou técnicas de processamento de materiais em conformidade com a especificação MR0175 da NACE International devem ser seguidos.

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

Para instalações de produção de petróleo, o coração arterial é o próprio sistema de tubulação de recuperação de petróleo ou gás. Embora nem sempre na própria plataforma, muitos sistemas de produção utilizam árvores de Natal e sistemas de tubulação que operam em profundidades inóspitas de 10.000 pés ou mais. Esses equipamentos de produção são construídos de acordo com diversos padrões rigorosos do Instituto Americano de Petróleo (API) e referenciados em diversas Práticas Recomendadas (RPs) do API.

Na maioria das grandes plataformas de petróleo, processos adicionais são aplicados ao fluido bruto proveniente da cabeça do poço. Isso inclui 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-árvore de Natal são geralmente construídos de acordo com os códigos de tubulação B31.3 da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, com válvulas projetadas de acordo 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 todas as tubulações da plataforma ou do navio de perfuração são internas à instalação, os requisitos rigorosos para o uso de válvulas API 6D para tubulações não se aplicam. Embora diversos tipos de válvulas sejam utilizados nesses sistemas de tubulação, o tipo de válvula escolhido é a válvula de esfera.

GASODUTOS
Embora a maioria dos oleodutos esteja oculta, sua presença geralmente é evidente. Pequenas placas com a inscrição "petroduto" são um indicador óbvio da presença de tubulações subterrâneas de transporte. Esses oleodutos são equipados com diversas válvulas importantes ao longo de sua extensão. Válvulas de corte de emergência para oleodutos são instaladas em intervalos especificados por normas, códigos e leis. Essas válvulas têm a função vital de isolar uma seção do oleoduto em caso de vazamento ou quando é necessária manutenção.

Também espalhadas ao longo da rota do oleoduto estão as instalações onde a linha emerge do solo e o acesso à linha está disponível. Essas estações abrigam o equipamento de lançamento de "pigs", que consiste em dispositivos inseridos nos oleodutos para inspecionar ou limpar a linha. Essas estações de lançamento de pigs geralmente contêm várias válvulas, do tipo gaveta ou esfera. Todas as válvulas em um sistema de oleoduto devem ter passagem total (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 da linha. São utilizadas estações compressoras ou de bombeamento que se assemelham a versões menores de uma planta de processo, sem as altas torres de craqueamento. Essas estações abrigam dezenas de válvulas de gaveta, esfera e retenção.
Os próprios dutos são projetados de acordo com vários padrões e códigos, enquanto as válvulas de dutos seguem as válvulas de dutos API 6D.
Existem também tubulações menores que alimentam residências e estruturas comerciais. Essas linhas fornecem água e gás e são protegidas por válvulas de corte.
Grandes municípios, especialmente no norte dos Estados Unidos, fornecem vapor para as necessidades de aquecimento de clientes comerciais. Essas linhas de fornecimento de vapor são equipadas com uma variedade de válvulas para controlar e regular o fornecimento de vapor. Embora o fluido seja vapor, as pressões e temperaturas são mais baixas do que as encontradas na geração de vapor em usinas termelétricas. Diversos tipos de válvulas são utilizados nesse serviço, embora a tradicional válvula macho ainda seja uma escolha popular.

REFINARIA E PETROQUÍMICA
As válvulas de refinaria representam o maior uso industrial de válvulas do que qualquer outro segmento. As refinarias abrigam fluidos corrosivos e, em alguns casos, altas temperaturas.
Esses fatores determinam como as válvulas são construídas 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 ao serviço severo enfrentado por muitas dessas válvulas, frequentemente é necessária uma tolerância adicional à corrosão. Essa tolerância se manifesta por meio de 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. A onipresente válvula de gaveta ainda é a rainha do pedaço com a maior população, mas as válvulas de um quarto de volta estão conquistando uma fatia cada vez maior de seu mercado. Os produtos de um quarto de volta que estão conquistando espaço neste setor (que também já foi dominado por produtos lineares) incluem válvulas borboleta triplamente deslocadas de alto desempenho e válvulas de esfera com sede metálica.

Válvulas de gaveta, globo e retenção padrão ainda são encontradas em massa e, devido à robustez de seu design e economia de 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.
Aços carbono simples, como o grau WCB (fundido) e o A-105 (forjado), são os materiais mais populares especificados e utilizados em válvulas para refinarias. Muitas aplicações em processos de refino ultrapassam os limites superiores de temperatura dos aços carbono simples, e ligas para temperaturas mais altas são especificadas para essas aplicações. Os mais populares são os aços cromo/molibdênio, como 1-1/4% Cr, 2-1/4% 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. De pequenas usinas de processamento aos enormes complexos petroquímicos encontrados na Costa do Golfo, as válvulas são uma parte essencial dos sistemas de tubulação de processos químicos.

A maioria das aplicações em processos químicos apresenta pressão mais baixa do que muitos processos de refino e geração de energia. As classes de pressão mais populares para válvulas e tubulações de plantas químicas são as Classes 150 e 300. As plantas químicas também foram as principais impulsionadoras da conquista de mercado que as válvulas de esfera conquistaram das válvulas lineares nos últimos 40 anos. A válvula de esfera com sede resiliente, com seu fechamento sem vazamentos, é perfeita para muitas aplicações em plantas químicas. O tamanho compacto da válvula de esfera também é um recurso popular.
Ainda existem algumas plantas químicas e processos industriais onde as válvulas lineares são preferidas. Nesses casos, as populares válvulas projetadas de acordo com a norma API 603, com paredes mais finas e pesos mais leves, costumam ser as válvulas de gaveta ou globo preferidas. O controle de alguns produtos químicos também é realizado de forma eficaz com válvulas de diafragma ou de mangote.
Devido à natureza corrosiva de muitos produtos químicos e processos de fabricação, a seleção do material é crucial. O material padrão é o aço inoxidável austenítico 316/316L. Este material é eficaz no combate à corrosão de uma série de fluidos, às vezes desagradáveis.

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

SEPARAÇÃO DE GNL E GÁS
Tanto o gás natural liquefeito (GNL) quanto os processos necessários para a separação de gás dependem de tubulações extensas. Essas aplicações exigem válvulas que possam operar em temperaturas criogênicas muito baixas. A indústria de GNL, que está crescendo rapidamente nos Estados Unidos, busca continuamente atualizar e aprimorar o processo de liquefação de gás. Para tanto, tubulações e válvulas tornaram-se muito maiores e os requisitos de pressão foram aumentados.

Essa situação exigiu que os fabricantes de válvulas desenvolvessem projetos para atender a parâmetros mais rigorosos. Válvulas de esfera e borboleta de um quarto de volta são populares para serviços de GNL, sendo o aço inoxidável 316 o material mais popular. A Classe ANSI 600 é o teto de pressão usual para a maioria das aplicações de GNL. Embora as válvulas de um quarto de volta sejam os tipos de válvula mais populares, válvulas de gaveta, globo e retenção também podem ser encontradas nas usinas.

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

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

EDIFÍCIOS COMERCIAIS
Edifícios comerciais nos cercam, mas, a menos que prestemos muita atenção à medida que são construídos, temos pouca ideia da infinidade de artérias fluidas escondidas dentro de 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 proteção contra incêndio.

Do ponto de vista da sobrevivência de edifícios, os sistemas de combate a incêndio são os mais críticos. A proteção contra incêndio em edifícios é quase universalmente alimentada e abastecida com água limpa. Para que os sistemas de água contra 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.
Prédios 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 de Classe 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 pelo Underwriters Laboratories ou pela Factory Mutual para o serviço de tubulação principal de incêndio.

As mesmas classes e tipos de válvulas usadas para válvulas de serviço de 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 comerciais, como prédios de escritórios, hotéis e hospitais, geralmente são centralizados. Eles possuem uma grande unidade de resfriamento ou caldeira para resfriar ou aquecer o fluido usado para transferir frio ou alta temperatura. Esses sistemas frequentemente precisam lidar com refrigerantes como o R-134a, um hidrofluorcarbono, ou, no caso de grandes sistemas de aquecimento, vapor. Devido ao tamanho compacto das válvulas borboleta e 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 dependem de válvulas de gaveta e globo lineares, principalmente se a tubulação exigir extremidades soldadas a topo. Para essas aplicações de vapor moderado, 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 projetos lineares ainda sejam utilizados.

CONCLUSÃO
Embora as evidências das 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 usadas para acessar esses locais, como as do carburador, que controlam o fluxo de combustível para o motor, e as do motor, que controlam o fluxo de gasolina para os pistões e para fora. E se essas válvulas não estiverem suficientemente próximas do nosso dia a dia, considere a realidade 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 todo lugar. VM
A Parte II deste artigo aborda outros setores onde as válvulas são utilizadas. Acesse www.valvemagazine.com para ler sobre celulose e papel, aplicações marítimas, barragens e energia hidrelétrica, energia solar, siderurgia, aeroespacial, geotérmica e cervejarias e destilarias artesanais.

GREG JOHNSON é presidente da United Valve (www.unitedvalve.com) em Houston. Ele é editor colaborador da revista VALVE, ex-presidente do Conselho de Reparo de Válvulas e atual membro do conselho do VRC. Ele também atua no Comitê de Educação e Treinamento da VMA, é vice-presidente do Comitê de Comunicações da VMA e ex-presidente da Sociedade de Padronização de Fabricantes.