Onde as válvulas são usadas: em todos os lugares!

08 de novembro de 2017 Escrito por Greg Johnson

As válvulas podem ser encontradas em praticamente qualquer lugar hoje: em nossas casas, sob as ruas, em edifícios comerciais e em milhares de locais em 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 ampla, com segmentos que variam desde distribuição de água até energia nuclear e petróleo e gás upstream e downstream. Cada uma dessas indústrias de usuários finais utiliza alguns tipos básicos de válvulas; no entanto, os detalhes de construção e materiais são muitas vezes muito diferentes. Aqui está uma amostra:

TRABALHOS DE ÁGUA
No mundo da distribuição de água, as pressões são quase sempre relativamente baixas e as temperaturas ambientes. Esses dois fatos de aplicação permitem uma série de elementos de projeto de válvula 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 não adequadas em outros lugares. Esses materiais macios permitem que válvulas de água sejam equipadas para vedar hermeticamente gotejamentos.

Outra consideração nas 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 linhas de grande diâmetro externo. Linhas muito pequenas podem ser tratadas muito bem com materiais de válvula de bronze.

As pressões observadas pela maioria das válvulas de sistema hidráulico geralmente estão bem abaixo de 200 psi. Isto significa que não são necessários projetos de alta pressão com paredes mais espessas. Dito isto, há casos em que as válvulas de água são construídas para suportar pressões mais elevadas, até cerca de 300 psi. Estas aplicações são geralmente em longos aquedutos próximos à fonte de pressão. Às vezes, válvulas de água de alta pressão também são encontradas nos pontos de pressão mais alta de uma barragem alta.

A American Water Works Association (AWWA) emitiu especificações cobrindo 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 resíduos líquidos e sólidos e os direcionam para uma estação de tratamento de esgoto. Essas estações de tratamento apresentam muitas tubulações e válvulas de baixa pressão para realizar seu “trabalho sujo”. Os requisitos para válvulas de águas residuais, em muitos casos, são muito mais brandos do que os requisitos para serviços de água limpa. Válvulas de portão e retenção de ferro são as escolhas mais populares para este tipo de serviço. As válvulas padrão neste serviço são construídas de acordo com as especificações 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. Retirar a cobertura de uma central eléctrica moderna produziria uma visão de sistemas de tubagem de alta pressão e alta temperatura. Estas linhas principais são as mais críticas no processo de geração de energia a vapor.

As válvulas gaveta continuam sendo a principal escolha para aplicações liga/desliga em usinas de energia, embora também sejam encontradas válvulas globo de padrão Y para fins especiais. As válvulas esfera de alto desempenho para serviços críticos estão ganhando popularidade entre alguns projetistas de usinas de energia e fazendo incursões neste mundo antes dominado pelas válvulas lineares.

A metalurgia é crítica para válvulas em aplicações de energia, especialmente aquelas que operam nas faixas operacionais supercríticas ou ultra-supercríticas de pressão e temperatura. F91, F92, C12A, juntamente com vários Inconel e ligas de aço inoxidável são comumente usados ​​nas usinas de energia atuais. As classes de pressão incluem 1.500, 2.500 e, em alguns casos, 4.500. A natureza moduladora das usinas de energia de pico (aquelas que operam apenas quando necessário) também impõe uma enorme pressão sobre válvulas e tubulações, exigindo projetos robustos para lidar com a combinação extrema de ciclagem, temperatura e pressão.
Além das válvulas de vapor principais, as usinas de energia são carregadas com tubulações auxiliares, preenchidas por uma infinidade de válvulas 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, numa central 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 pelo seu pedigree e pelo requisito adicional de confiabilidade absoluta. As válvulas nucleares são fabricadas de acordo com padrões extremamente elevados, com documentação de qualificação e inspeção preenchendo centenas de páginas.

PRODUÇÃO DE PETRÓLEO E GÁS
Poços de petróleo e gás e instalações de produção são grandes usuários de válvulas, incluindo muitas válvulas para serviços pesados. Embora não seja mais provável que jatos de petróleo sejam expelidos a centenas de metros de altura no ar, a imagem ilustra a pressão potencial do petróleo e do gás subterrâneos. É por isso que cabeças de poço ou árvores de Natal são colocadas no topo de um longo tubo de poço. Esses conjuntos, com sua combinação de válvulas e acessórios especiais, são projetados para suportar pressões superiores a 10.000 psi. Embora raramente encontradas em poços escavados em terra hoje em dia, as pressões extremamente altas são frequentemente encontradas em poços profundos no mar.

O projeto do equipamento de cabeça de poço é coberto pelas especificações API, como 6A, Especificação para equipamento de cabeça de poço e árvore de Natal. As válvulas cobertas em 6A são projetadas para pressões extremamente altas, mas temperaturas modestas. A maioria das árvores de Natal contém válvulas de gaveta e válvulas globo especiais chamadas estranguladores. Os estranguladores são usados ​​para regular o fluxo do poço.

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

Ocasionalmente, um fluido altamente corrosivo – sulfeto de hidrogênio – está presente na corrente de petróleo bruto. Este material, também chamado de gás ácido, pode ser letal. Para vencer os desafios do gás ácido, devem ser seguidos 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 de acordo com muitas especificações diferentes para lidar com a ampla variedade de desafios de controle de fluxo. Essas instalações também contêm vários circuitos de sistema de controle e dispositivos de alívio de pressão.

Para instalações de produção de petróleo, o coração arterial é o verdadeiro 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. Este equipamento de produção é construído de acordo com muitos padrões rigorosos do American Petroleum Institute (API) e é referenciado 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. Estes incluem a separação da água dos hidrocarbonetos e a separação do gás e dos líquidos de gás natural da corrente 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 as válvulas projetadas de acordo com as especificações de válvula 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 na plataforma ou no navio de perfuração são internas à instalação, os requisitos estritos para uso de válvulas API 6D para tubulações não se aplicam. Embora vários tipos de válvula sejam usados ​​nesses sistemas de tubulação, o tipo de válvula escolhido é a válvula esférica.

TUBOS
Embora a maioria dos pipelines esteja oculta, sua presença geralmente é evidente. Pequenos sinais indicando “gasoduto de petróleo” são um indicador óbvio da presença de tubulações de transporte subterrâneo. Essas tubulações são equipadas com muitas válvulas importantes ao longo de todo o seu comprimento. Válvulas de corte de emergência para tubulações são encontradas em intervalos especificados por padrões, códigos e leis. Estas válvulas servem o serviço vital de isolar uma seção de uma tubulação em caso de vazamento ou quando for 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 equipamentos de lançamento “pig”, que consistem em dispositivos inseridos nas tubulações para inspeção ou limpeza da linha. Essas estações de lançamento de suínos geralmente contêm diversas válvulas, do tipo gaveta ou esfera. Todas as válvulas em um sistema de tubulação devem ter passagem total (abertura total) para permitir a passagem de pigs.

Os oleodutos também precisam de energia para combater o atrito do oleoduto e manter a pressão e o fluxo da linha. São utilizadas estações compressoras ou de bombeamento que parecem versões pequenas de uma planta de processo sem as altas torres de craqueamento. Essas estações abrigam dezenas de válvulas de gaveta, esfera e retenção de tubulações.
As próprias tubulações são projetadas de acordo com vários padrões e códigos, enquanto as válvulas de tubulação seguem as válvulas de tubulação 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 na parte norte dos Estados Unidos, fornecem vapor para necessidades de aquecimento de clientes comerciais. Estas 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 inferiores às encontradas na geração de vapor em usinas de energia. Uma variedade de tipos de válvulas são usadas neste serviço, embora a venerável válvula macho ainda seja uma escolha popular.

REFINARIA E PETROQUÍMICA
As válvulas de refinaria são responsáveis ​​por mais uso de válvulas industriais do que qualquer outro segmento de válvulas. 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 válvula 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, muitas vezes é necessária uma tolerância extra à corrosão. Esta tolerância se manifesta através de maiores espessuras de parede especificadas nos documentos de projeto da API.

Praticamente todos os principais tipos de válvulas podem ser encontrados em abundância em uma grande refinaria típica. A onipresente válvula gaveta ainda é a rainha da colina com a maior população, mas as válvulas de um quarto de volta estão conquistando uma parcela cada vez maior de sua participação no mercado. Os produtos de quarto de volta que fazem incursões bem-sucedidas nesta indústria (que também já foi dominada por produtos lineares) incluem válvulas borboleta de deslocamento triplo 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 grau WCB (fundido) e A-105 (forjado) são os materiais mais populares especificados e usados ​​em válvulas para serviços de refinaria. Muitas aplicações de processos de refino ultrapassam os limites superiores de temperatura dos aços carbono simples, e ligas de 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 usados ​​em alguns processos de refino particularmente severos.

QUÍMICA
A indústria química é uma grande usuária de válvulas de todos os tipos e materiais. Desde pequenas fábricas até os enormes complexos petroquímicos encontrados na Costa do Golfo, as válvulas são uma grande parte dos sistemas de tubulação de processos químicos.

A maioria das aplicações em processos químicos tem pressão mais baixa do que muitos processos de refino e geração de energia. As classes de pressão mais populares para válvulas e tubulações de fábricas de produtos químicos são as classes 150 e 300. As fábricas de produtos químicos também têm sido o maior impulsionador da aquisição de participação de mercado que as válvulas de esfera têm lutado contra as válvulas lineares nos últimos 40 anos. A válvula esfera com sede resiliente, com fechamento sem vazamento, é perfeita para muitas aplicações em plantas químicas. O tamanho compacto da válvula esférica também é um recurso popular.
Ainda existem algumas fábricas de produtos químicos e processos industriais onde as válvulas lineares são preferidas. Nestes casos, as populares válvulas projetadas pela API 603, com paredes mais finas e pesos mais leves, são geralmente a válvula gaveta ou globo preferida. 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 de produtos químicos, a seleção do material é crítica. O material de fato é o grau 316/316L de aço inoxidável austenítico. Este material funciona bem para combater a corrosão causada por uma série de fluidos às vezes desagradáveis.

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

SEPARAÇÃO DE GNL E GÁS
Tanto o gás natural liquefeito (GNL) como os processos necessários para a separação de gases dependem de extensas tubulações. Estas aplicações requerem válvulas que possam operar em temperaturas criogênicas muito baixas. A indústria de GNL, que está a crescer rapidamente nos Estados Unidos, procura continuamente actualizar e melhorar o processo de liquefacção de gás. Para este fim, as tubulações e as válvulas tornaram-se muito maiores e os requisitos de pressão aumentaram.

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

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 temperatura muito baixa do processo significa que muitas válvulas criogênicas são necessárias.

Tanto as instalações de GNL como as de separação de gás possuem válvulas de baixa temperatura que devem permanecer operacionais nestas condições criogénicas. Isto significa que o sistema de vedação da válvula deve ser elevado para longe do fluido de baixa temperatura através do uso de uma coluna de gás ou de condensação. Esta coluna de gás evita que o fluido forme uma bola de gelo ao redor da área de vedação, o que impediria que a haste da válvula girasse ou subisse.

EDIFÍCIOS COMERCIAIS
Edifícios comerciais rodeiam-nos, mas, a menos que prestemos muita atenção à sua construção, teremos pouca ideia da multiplicidade de artérias fluidas escondidas dentro das 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 muitas combinações do composto hidrogênio/oxigênio na forma de fluidos potáveis, águas residuais, água quente, água cinza e proteção contra incêndio.

Do ponto de vista da sobrevivência dos edifícios, os sistemas de 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 energizar automaticamente em caso de incêndio.
Prédios altos exigem o mesmo serviço de pressão de água nos andares superiores e inferiores, portanto, bombas e tubulações de alta pressão devem ser usadas para levar a água para cima. Os sistemas de tubulação são geralmente da classe 300 ou 600, dependendo da altura do edifício. Todos os tipos de válvulas são usados ​​nessas aplicações; entretanto, os projetos da válvula devem ser aprovados pelo Underwriters Laboratories ou pela Factory Mutual para serviço principal de incêndio.

As mesmas classes e tipos de válvulas utilizadas para válvulas de combate a incêndio são utilizadas 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, são geralmente centralizados. Eles têm uma grande unidade de resfriamento ou caldeira para resfriar ou aquecer fluidos usados ​​para transferir frio ou alta temperatura. Esses sistemas geralmente precisam lidar com refrigerantes como o R-134a, um hidrofluorocarboneto 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 HVAC.

No lado do vapor, algumas válvulas de um quarto de volta fizeram incursões no uso, mas muitos engenheiros de encanamento ainda contam com válvulas de gaveta linear e globo, especialmente se a tubulação exigir extremidades soldadas. Para essas aplicações moderadas de vapor, o aço substituiu o ferro fundido devido à soldabilidade do aço.

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. As válvulas esfera e borboleta com sede resiliente de um quarto de volta são muito populares, embora alguns projetos lineares ainda sejam usados.

CONCLUSÃO
Embora as evidências das aplicações das válvulas mencionadas neste artigo possam não ser visíveis durante uma viagem ao Starbucks ou à casa da vovó, algumas válvulas muito importantes estão sempre por perto. Existem até válvulas no motor do carro usadas para chegar a 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 dentro dos pistões e para fora novamente. E se essas válvulas não estão suficientemente próximas da nossa vida quotidiana, consideremos a realidade de que os nossos corações batem regularmente através de quatro dispositivos vitais de controlo de fluxo.

Este é apenas mais um exemplo da realidade: 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 VALVE Magazine, ex-presidente do Valve Repair Council 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.