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PCPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção Instrumentação

Elementos Finais de Controle

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ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE @ SENAI – ES, 1999

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

Coordenação GeralEvandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI)

SupervisãoRosalvo Marcos Trazzi (CST) Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)

ElaboraçãoAdalberto Luiz de Lima Oliveira (SENAI) AprovaçãoWenceslau de Oliveira (CST)

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP 29052-121 Telefone: (027) 334-5211 Telefax: (027) 334-5217

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1286 Telefax: (027) 348-1077

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ASSUNTO PÁGINA
2.1 – DEFINIÇÃO01
2.2 – CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE ACIONAMENTO01

2 – VÁLVULA DE CONTROLE

3.1 – INTRODUÇÃO01
3.2 – TIPOS DE CORPOS02
3.3 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR DA HASTE03

3 – TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROLE 3.3.1 – Sede Simples 03 3.3.2 – Sede Dupla 06

3.3.3 – Válvula de Controle Globo de 3 Vias 07 3.3.4 – Válvula Globo Tipo Gaiola 08 3.3.5 – Válvula de Controle Tipo Diafragma 12 3.3.6 – Válvula de Controle Bi-partida 12 3.3.7 – Interno de uma Válvula Globo 13 3.3.8 – Tipos de Guias do Obturador de uma Válvula Globo 18 3.3.9 – Castelo de uma Válvula 19

3.3.10 – Conjunto de Caixa Gaxeta 21 3.3.1 – Flange Inferior de uma Válvula 23 3.3.12 – Tipos de Conexões das Extremidades do Corpo da Válvula 24 3.3.13 – Juntas para Flange de uma Válvula 27

3.4 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO ROTATIVO DA HASTE 28 3.4.1 – Válvula de Controle Tipo Borboleta 28 3.4.2 – Válvula de Controle Tipo Esfera 3 3.4.3 – Válvula de Controle Tipo Segmento de Esfera 36

4.1 – INTRODUÇÃO37

4 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

4.2 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DO CORPO 37

4.2.1 – Requisitos Quanto a Pressão e Temperatura do Fluido 37

4.2.2 – Requisitos Quanto a Resistência à Corrosão 37 4.2.3 – Requisitos Quanto a Resistência à Erosão 38

4.3 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE INTERNOS 38

4.3.1 – Requisitos Quanto a Resistência à Corrosão 38 4.3.2 – Requisitos Quanto a Resistência à Erosão 38

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ASSUNTO PÁGINA

5 – CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA39

6.1 – INTRODUÇÃO41
6.2 – CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO41
6.3 – CURVAS DE CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO INERENTE42
6.3.1 – Abertura Rápida42
6.3.2 – Linear43
6.3.3 – Igual a Porcentagem43
6.3.4 – Parabólica Modificada4
6.4 – CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA45
6.5 – COMO SELECIONAR A CARACTERÍSTICA DE VAZÃO47

6 – CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE

7.1 – INTRODUÇÃO49
7.2 – CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO (Cv) DE UMA VÁLVULA50
7.2.1 – Equação Geral para Fluidos Incompressíveis50
7.2.2 – Equações Gerais para Fluidos Compressíveis-58
7.2.3 – Equações gerais para Fluidos com Mistura de Fases61
7.4 – CÁLCULO DE NÍVEL DE RUÍDO87
7.4.1 – Ruído Mecânico87
7.4 2 – Ruído Hidrodinâmico87
7.4.3 – Ruído Aerodinâmico89

7 – DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 7.3 – ANÁLISE INTRODUTÓRIA À CAVITAÇÃO, VAZÃO BLOQUEADA E “FLASHING”62

8.1 – INTRODUÇÃO95
8.2 – ATUADOR TIPO MOLA E DIAFRAGMA95
8.3 – ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO96
8.3.1 – Atuador à Pistão com Deslocamento Linear97
8.3.2 – Atuador à Pistão com Deslocamento Rotativo97
8.4 – ATUADOR ELÉTRICO97
8.5 – ATUADOR ELETRO-HIDRAÚLICO98
8.6 – POSIÇÃO DE SEGURANÇA POR FALHA98

8 – ATUADORES PARA VÁLVULAS DE CONTROLE

9.1 – INTRODUÇÃO100
ASSUNTOPÁGINA
9.2 – POSICIONADORES100

9 – ACESSÓRIOS PARA UMA VÁLVULA DE CONTROLE 9.2.1 – Posicionador Pneumático 102

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9.2.2 – Posicionador Eletro-Pneumático102
9.2.3 – Posicionador Inteligente103
9.2.4 – Aplicações Recomendadas para Uso do Posicionador104
9.2.5 – Limitações no Uso do Posicionador106
9.2.6 – Tipos de Posicionador em Função do Tipo de Atuador106
9.3 – BOOSTERS PENEUMÁTICOS DE VOLUME E DE PRESSÃO107
9.3.1 – Booster de Volume108
9.3.2 – Booster de Pressão108
9.4 – VÁLVULAS SOLENÓIDES109
9.5 – CHAVES INDICADORAS DE POSIÇÃO110
9.6 – VÁLVULA FIXADORA DE AR1
9.7 – TRANSMISSOR DE POSIÇÃO1
9.8 – TRANSDUTORES ELETROPNEUMÁTICOS1
9.9 – CONJUNTO FILTRO-REGULADOR DE AR112
9.10 – VOLANTES MANUAIS113
10.1 – INTRODUÇÃO113
10.2 – RECOMENDAÇÕES BÁSICAS NA INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE114
APÊNDICE A – GUIA PARA SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE116
APÊNDICE B – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE136
APÊNDICE C – TABELAS TÉCNICAS E FATORES DE CONVERSÃO157

10 – INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE EXERCÍCIOS PROPOSTOS 172

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O SENAI-ES e a CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão agradecem ao GRUPO HITER pela autorização de reprodução de seu material didático, que foi de fundamental importância na elaboração desta apostila de Elementos Finais de Controle, e compartilham com a mesma o sucesso deste treinamento.

SENAI Departamento Regional do Espírito Santo7 adequado é de grande importância para o bom desempenho de uma malha de controle, pois ele é o responsável pela modificação de valores diversos para que a variável sob controle seja mantida no valor desejado. Existem diversos tipos de elementos finais de controle, tais como resistências elétricas, bomba, motor, etc., porém, sem dúvida a de maior uso e por isto a mais importante é a válvula de controle. Seus tipos, suas características, seu dimensionamento, etc.; serão objeto de estudo nesta apostila.

2 - VÁLVULA DE CONTROLE

2.1 - DEFINIÇÃO De forma genérica pode-se dizer que se trata de um dispositivo cuja finalidade é a de provocar uma obstrução na tubulação com o objetivo de permitir maior ou menor passagem de fluido por esta. Esta obstrução pode ser parcial ou total, manual ou automática. Em outras palavras é todo dispositivo que através de uma parte móvel abra, obstrua ou regule uma passagem através de uma tubulação. Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo.

2.2 - CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE a) Manual A operação da abertura e fechamento a ser realizada é feita pelo homem.

b) Auto-reguladora A operação de abertura e fechamento é realizada utilizando a energia contida no fluido.

c) Controle Utiliza-se uma força auxiliar para operação e, o acionamento é feito de acordo com os sinais provenientes dos controladores.

3 - TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROLE

3.1 - INTRODUÇÃO Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais o corpo e o atuador. O corpo e a parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluido no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo divide-se basicamente nos seguintes subconjuntos: a) corpo propriamente dito; b) internos; q) castelo, e d) flange inferior.

Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo formado por todos os subcomponentes acima mencionados. Em algum tipo de válvulas, corpo e castelo formam uma só peça denominada apenas corpo; em outros nem existe o flange inferior. Porém, vamos por ora desconsiderar tais particularidades, optando por um conceito mais global, para posteriormente irmos restringindo-o à medida em que formos analisando cada tipo

1 - INTRODUÇÃO Apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do elemento final de controle mais

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Sendo o conjunto do corpo, a parte da válvula que entra em contato direto com fluido, deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluido. Trata-se portanto de um vaso de pressão e como tal deve ser considerado.

3.2 - TIPOS DE CORPOS Os tipos de válvulas são classificados em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de corpos. Podemos agrupar os principais tipos de válvulas em dois grupos:

a Dedeslocamento linear

Globo Convencional Globo Tres vias Globo Gaiola Globo Angular Diafragma Bi partido Guilhotina b) Dedeslocamento rotativo

1) Borboleta; 2) Esfera; 3) Obturador Excentrico; 4) Segmento de Esfera.

Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante; enquanto que uma válvula de deslocamento rotativo é aquela na qual a peça móvel vedante descreve um movimento de rotação acionada por um eixo girante.

Para cada tipo de processo ou fluido sempre temos pelo menos um tipo de válvula que satisfaça os requisitos teóricos de processo, independente da consideração econômica. Cada um desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens, desvantagens e limitações para este ou aquele processo.

No decorrer deste curso, analisaremos todos esses aspectos, oferecendo assim uma sólida base para o usuário poder, selecionar a melhor válvula para a aplicação em questão.

3.3 - VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR DA HASTE

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3.3.1 -Sede simples A figura 1 mostra várias montagens da denominada válvula globo tipo sede simples. É fabricada em diâmetros de 1/2" até 4” conexões das extremidades rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes de 150, 300, 600, 1500 e 2500 lb.

Neste tipo de válvula, o fluido no interior de corpo passa através de um único orifício, conforme podemos notar pela figura 1.

Na figura 1-a, notamos que o obturador é guiado duplamente, isto é, na parte superior e inferior, e ainda um fato muito importante é que para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo. Tal tipo de montagem e denominada de normalmente aberta. Por outro lado, na figura 1-b, vemos a mesma válvula, só que o obturador está invertido. Neste caso para a válvula abrir o obturador tem que descer. Esta é,portanto, uma válvulanormalmente fechada.

Fig. 1 - Válvula Globo Convencional Tipo Sede Simples

Na figura 1-c, vemos uma outra sede simples um pouco diferente das anteriores. O obturador é guiado apenas na parte superior e ao descer a válvula só pode fechar, não existindo a possibilidade do obturador ser instalado em posição invertida ou por baixo. Essa válvula em relação ao movimento de obturador de cima para baixo só pode fechar.

O fato de uma válvula ser normalmente aberta eu fechada é um fator muito importante a ser levado em consideração na escolha da válvula. Isso significa que na posição de descanso, ou seja, sem força de atuação, a válvula pode ficar completamente aberta ou completamente fechada. Uma válvula normalmente aberta ficara totalmente aberta em caso de falta de suprimento de energia para operação do atuador, no caso de uma válvula normalmente fechada ocorrerá o inverso. As principais características da válvula globo sede simples são: proporciona uma boa vedação e possui obturador estaticamente não balanceado. Assim sendo podemos atingir um vazamento, quando a válvula estiver totalmente fechada de, no máximo ate 0,01% da sua

SENAI Departamento Regional do Espírito Santo10 capacidade de vazão máxima.

Os índices de vazamento obtidos, estando a válvula de controle totalmente fechada, são padronizados internacionalmente conforme a norma ANSI B16.104 - "AMERICAN NATIONAL STANDARD FOR CONTROL VALVE LEAKAGE" a qual define diversas classes de vazamento. Assim, de acordo com essa especificação, a válvula globo sede simples possui um nível de vazamento Classe IV. Devemos alertar que tais índices de vazamento são sempre considerados nas válvulas conforme saem de fabricação, ou seja, para válvulas novas e limpas.

É no fato do seu obturador não ser balanceado que reside a principal desvantagem da válvula sede simples, motivo pelo qual requer uma força de atuação suficientemente grande para vencer as forças estáticas de fluido agindo sobre o obturador, e poder movimentá-lo.

Fig. 2. - Atuação das Forças Dinâmicas Provenientes do fluido agindo contra o obturador de uma válvula globo sede simples.

O índice de vazamento definido anteriormente, é para válvulas de fabricação normal, ou suja, com assunto metal-metal. Contudo podemos atingir um índice de menor vazamento (sem aumentar a força de assentamento do atuador), utilizando a construção de assentamento composto, ou seja, metal-borracha, metal-teflon, etc.

Este tipo de construção, muitas vezes ainda designado pelo seu nome em inglês, “soft-seat” é mostrado na figura 3.

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Fig. 3 - Detalhe da construção de um Obturador Sede Simples com Assento tipo Composto (“Soft Seat”).

Obtemos desta forma um índice de vazamento praticamente nulo (da ordem de algumas bolhas de ar por minuto).

Um outro fato de muita importância nas válvulas globo sede simples, é a direção do fluxo em relação a posição do conjunto obturador e anel da sede. O fluido deve sempre entrar na válvula tendendo abri-la como mostra a figura 2. Uma flecha estampada no corpo indica o sentido de montagem da válvula na tubulação. Obtemos com isso as seguintes vantagens: aumento da vida útil das gaxetas e propiciamento de uma operação mais suave, evitando-se assim o fenômeno de "chattering”.

Esse fenômeno pode ser facilmente explicado da seguinte forma: caso o fluxo entre na válvula tendendo fechá-la, quando o obturador aproxima-se do anel da sede, surge uma força dinâmica não balanceada produzida pela redução da pressão, após a restrição. Essa força, que tende puxar o obturador de encontro à sede, faz o obturador chocar-se continuamente contra a sede, devido a proximidade entre ambos, danificando por completo o assentamento da válvula, além de ainda produzir o indesejável ruído, de origem mecânica devido à oscilação vertical do obturador.

Porém pese ao acima mencionado, existem situações nas quais é imperativo a instalação da válvula sede simples com o fluxo tendendo fechar a válvula. Um exemplo disso é o caso de alta pressão diferencial.

Nestes casos devemos agir com critério e cuidado na especificação dos materiais dos internos no intuito de prolongarmos a sua vida útil.

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Fig. 4 - Válvula Globo Convencional Tipo Sede Dupla.

3.3.2 - Sede dupla

A figura 4 mostra duas montagens diferentes da válvula globo sede dupla, assim denominada pelo fato do fluxo passar através de duas passagens ou orifícios.

Na figura 4-a, vemos uma válvula com obturador que desce para fechar enquanto que na figura 4-b, a montagem do obturador é por baixo, tipo desce para abrir. A válvula sede dupla e portanto de corpo reversível.

É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4” a 14”, e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes 150, 300, 600, 900 e 1500 lbs. A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quase estável sem necessitar, portanto, de uma força de atuação tão grande quanto a válvula sede simples, conforme podemos deduzir com o auxilio da figura 5.

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Fig. 5 - Atuação das Forças Dinâmicas Provenientes do Fluido Agindo Contra o Obturador de um Válvula Globo Sede Dupla.

Como desvantagem, as válvulas sede dupla, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo 0,5% da sua máxima capacidade de vazão. Conforme a especificação normativa da ANSI B16.104, a válvula globo sede dupla de construção “standard", possui um índice de vazamento Classe I.

Existem possibilidades técnicas de construir um obturador sede dupla especialmente para alta estanqueidade utilizando-se do sistema de assento composto (metal-teflon, metal-elastômero, etc). Por ser uma adaptação altamente cara, somente é utilizada em casos de imperiosa necessidade, fato difícil de acontecer principalmente por existirem sempre mais do que uma solução teoricamente viável referente ao tipo de válvula a ser utilizada.

3.3.3 - Válvula de Controle Globo de 3 vias Trata-se de uma adaptação das válvulas globo convencionais, para utilização em aplicações de mistura ou separação de fluidos.

Fig. 6 - Válvula Globo de 3 Vias Na válvula tipo convergente, conforme vemos pela figura 6-a, fluidos quaisquer e separados

SENAI Departamento Regional do Espírito Santo14 entram pelas vias (2) e (3), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela via (1) já misturados. A proporção da mistura é determinada pela posição do obturador relativa às duas sedes. Um deslocamento do obturador para cima faz diminuir a entrada do fluido por (2), aumentando simultaneamente a entrada do fluido por (3). É fabricada em diâmetros de 3/4” até 8” e com conexões nas extremidades rosqueadas (até 2"), flangeadas ou soldadas. Podemos notar neste tipo de válvula um novo modo de guia dupla: superior e no anel da sede.

Na figura 6-b vemos uma válvula 3 vias tipo divergente, na qual o fluido entra pela via (1) e sai em proporções definidas pelas vias (2) e (3). É fabricada em diâmetros de 3/4" até 12" com extremidades rosqueadas (até 2"), flangeadas ou soldadas.

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