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classesPara os flanges de aço liga de aço inoxidável essas temperaturas variam conforme o

Em função dos limites combinados de pressão e temperatura, doravante aqui denominados por apenas classe, as conexões flangeadas das extremidades da válvula podem ser classe 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500 lbs. Entende-se por classe a pressão nominal admissível de trabalho (em psi), sem choques a uma determinada temperatura. Para as válvulas de aço carbono, essa temperatura é de 260ºC para a classe 150 lbs e de 450ºC para as demais material, sendo mais altas do que as correspondentes para o aço carbono. A classe do flange é determinada pelo tipo de serviço requerido, material especificado, pressão e máxima temperatura do fluido.

Os vários tipos de conexões flangeadas apresentam diferentes tipos deacabamento das faces dos flanges, no intuito de possibilitar um melhor aperto entre o flange da válvula e o flange da tubulação, conforme aumente a classe de pressão da válvula. Na figura 21-b vemos esquematicamente os vários tipos de faceamento das conexões flangeadas.

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Fig. 21 - Tipos de conexões e de faceamentos das extremidades em válvulas de controle

Alguns tipos de válvulas de recente desenvolvimento tem apresentado um desenho de corpo sem flange no intuito de uma maior padronização e economia. Neste grupo de válvulas com corpo sem flanges, encontramos uma grande parte das válvulas tipo rotativas. A instalação destas válvulas dá-se entre o par de flanges da tubulação, conforme pela figura 21(c).

Apresentam maior facilidade de instalação já que o alinhamento não é um fator tão crítico quanto no caso das válvulas com conexões flangeadas. Utiliza-se normalmente uma junta plana e os corpos não apresentam acabamento com ressalto. Em aplicações com fluidos à altas pressões, altas temperaturas ou grandes flutuações de temperatura recomenda-se a utilização de conexões das extremidades soldadas. Devem ser tomados os devidos cuidados de verificação se o material do corpo é compatível, para efeito de solda, com o material da tubulação. Existem dois tipos de conexões com extremidades soldadas: solda de encaixe e solda de topo.

Com solda de encaixe, figura 21(d) conforme Norma ANSI B16.1 são especificadas válvulas de até 2” de diâmetro, enquanto que para diâmetro superiores, normalmente, utiliza-se a solda de topo (figura 21(d)) conforme Norma ANSI B16.25.

A distância do face a face entre os flanges das válvulas com conexões flangeadas até classe 600 lbs inclusive é normalizada pela ISA RP 4.1, exceção feita às válvulas tipo Diafragma e angular. Na tabela 3.2 são dadas as medidas dessas distâncias do face a face conforme a norma da ISA RP 4.1.

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Tabela 3.2 - Distância do Face a Face entre as flanges (ISA RP 4.1)

Distância do Face a Face (m)Diâmetro da

Válvula

(poleg.) Classes

125 lbs (Ferro) 150 lbs (Aço)

Classes 250 lbs (Ferro) 300 lbs (Aço)

Classe 600 lbs (Aço)

1108 Tabela 3.2 - Distância do Face a Face entre as flanges (ISA RP 4.1)

As conexões flangeadas conforme Normas DIN (Norma Européia) e ISO (Norma Internacional) são também executadas embora a distância do face a face entre os flanges seja o dado para a Norma ANSI.

Devemos salientar e esclarecer a diferença existente entre as Normas ANSI e DIN. Enquanto que pela Norma ANSI, definimos através da classe uma pressão nominal de trabalho à uma elevada temperatura, a Norma DIN define uma pressão nominal de trabalho a temperatura ambiente. Em outras palavras, enquanto que pela Norma ANSl um flange classe 300 lbs em aço carbono ASTM A 216 Grau WCB está limitado a uma operação de 19,6 kg/ cm2 de pressão a temperatura de 450°C a 120°C, um flange DIN de classe "equivalente" ou seja DIN PN 16 limita uma pressão de trabalho de 16 kg/cm2, à uma temperatura de até 120°C. Isso nos demonstra que na realidade não há equivalência entre as classes dos flanges conforme normas ANSI e DIN, pois podemos utilizar um flange classe 300 lbs (ANSI) em pressões de trabalho superiores a um flange DIN PN 16 que seria o seu "equivalente".

Corpos flangeados podem ser removidos facilmente da tubulação. O acabamento das faces é determinado pelo tipo de junta a ser utilizada. Um acabamento tipo face com ressalto com uma junta é o mais comum para aplicações com classes até 600 lbs ANSI.

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3.3.13 - Juntas para Flanges

Em todas as conexões (extremidades do corpo caso forem flangeadas, flange do castelo e flange inferior se houver), existe sempre uma junta que é o elemento de vedação.

Quando em serviço, a junta está submetida a uma forte compressão provocada pelo aperto dos parafusos, e também a um esforço de cisalhamento devido a pressão interna da do fluido circulante.

O material da junta deve ser deformável e elástico, para compensar as possíveis irregularidades das faces dos flanges proporcionando uma vedação perfeita, e para suportar as variações de pressão e de temperatura. O material deverá resistir também as ações do fluido e as condições extremas de temperatura.

ressalto dos flanges, por dentro dos parafusos (figura 2-a)As juntas usadas com flanges

Em flanges de face com ressalto usam-se juntas em forma de coroa circular, cobrindo apenas o de face plana cobrem a face completa dos flanges, inclusive a furação dos parafusos figura 2- b). Para os flanges de face para junta de anel, (RTJ), usam-se juntas de anel metálico maciço e para os flanges com faceamento tipo macho e fêmea, as juntas são em forma de coroa circular estreita.

Nas válvulas de controle tipo globo convencional, serie 900, tanto o flange do castelo quanto o flange inferior possui normalmente faceamento tipo macho e fêmea, enquanto que o faceamento dos flanges das extremidades do corpo pode ser plano, com ressalto, junta de anel ou macho e fêmea.

Na válvula globo tipo gaiola, utiliza-se no flange do castelo, junta tipo espiralada em aço inoxidável com enchimento de amianto ou Teflon. O posicionamento desta junta, é entre a gaiola e o flange do castelo, que sendo normalmente de materiais diferentes apresentam portanto diferentes coeficientes de dilatação térmica. A junta espiralada absorve tais dilatações.

São os seguintes os tipos usados de juntas para flanges:

a) Juntas não-metálicas (figuras 2 a e b) – são sempre juntas planas, usadas para flanges com faceamento plano, com ressalto, ou tipo macho e fêmea. As espessuras variam de 1/32" a 1/8" , sendo 1/16" a espessura utilizada para classes até 300 lbs. Os principais materiais utilizados são, papelão hidráulico para baixas pressões e temperatura ambiente, grafitado para aplicações de até 400ºC e 48 kg/cm2.

Teflon o uso deste tipo de junta é limitado a temperatura de nomáximo 232ºC, enquanto que

b) Juntas metálicas em espiral (figura 2-c) - juntas metálicas, normalmente em aço inoxidável, torcidas, em espiral e com enchimento de amianto ou Teflon, para serem utilizadas em aplicações com grandes variações de pressão e temperatura. Caso o enchimento seja de as com amianto, até uma temperatura de aproximadamente 540ºC.

c) Juntas Metálicas Folhadas (figura 2-d) – juntas metálicas, normalmente em aço inoxidável com formato corrugado e enchimento de amianto ou Teflon. Para utilização em

SENAI Departamento Regional do Espírito Santo34 casos iguais à juntas metálicas em espiral.

d) Juntas metálicas maciças (figura 2-e) – são juntas metálicas com faces planas ou ranhuradas. Usam-se essas juntas com flanges de faceamento com ressalto (para pressões muito altas), e com flanges de faceamento tipo macho e fêmea. Os materiais normalmente são de aço inoxidável ou aço carbono, ou outros conforme a aplicação. Esta junta é aplicadas em temperaturas superiores a 540ºC.

e) Juntas metálicas de anel (figura 2-f e g) – são anéis metálicos e maciços de seção ovalada ou octogonal, sendo a ovalada a mais comum. As dimensões do anel são padronizadas pela ANSI B 16.20. Esses anéis são geralmente de aço inoxidável ou aço carbono ou outros conforme a aplicação. Este tipo de junta é apenas utilizada exclusivamente são os flanges de faceamento para junta de anel classes 900 e 1500 lbs.

Fig. 2 – Tipos de Juntas para as Conexões Flangeadas

rotativasBasicamente estes tipos de válvulas apresentam vantagens e desvantagens. Nas

3.4 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO ROTATIVO DA HASTE Nos últimos anos tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulas denominadas de vantagens podemos considerar baixo peso em relação aos outros tipos de válvulas, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo, custo inicial mais baixo, etc. Dentre as desvantagens citamos a limitação em diâmetros inferiores a 1" ou 2" e quedas de pressão limitadas principalmente em grandes diâmetros e forte tendência a cavitação.

3.4.1 - Válvulas de Controle Tipo Borboleta É talvez a mais comum das válvulas rotativas utilizadas para controle. A válvula borboleta,

SENAI Departamento Regional do Espírito Santo35 conforme vemos pela figura 23, consiste de um corpo tipo anel circular, no interior do qual oscila entre dois mancais um disco que faz a função do obturador. A sede nesta válvula é a própria parede interna do corpo. Nota-se desde já uma enorme simplicidade de desenho. O seu corpo na maioria dos desenhos é sem flange ou como mais comumente conhecido tipo “wafer”, com construção possível em diâmetros de 2” até 24". Para diâmetros superior, 30" até 60", o corpo possui flanges conforme a norma específica.

Fig. 23 – Válvula Tipo Borboleta

O desenho de corpo mais comum é o tipo "wafer", sendo preso à tubulação entre par de flanges conforme mostra a figura 24. Pelo fato do corpo não possuir flanges, não é costume especificar a válvula borboleta "wafer" pela classe de pressão conforme ANSI, como é feito nas válvulas flangeadas.

Convenciona-se especificar a válvula borboleta "wafer” para uma determinada queda máxima de pressão quando totalmente fechada e a 60º de abertura, posição esta definida como curso máximo para aplicações em controle modulado.

Quando adequadamente selecionada, a válvula borboleta geralmente em diâmetros de 4" e superiores, oferece a vantagem de simplicidade, baixo custo, pouco peso, menor espaço de instalação e razoável característica de vazão. Para temperaturas e pressões elevadas, a válvula borboleta com corpo internamente revestido oferece ainda uma vedação estanque.

Fig. 24 - Montagem da Válvula Borboleta Tipo “Wafer”.

Vamos, da mesma forma que fizemos na válvula globo, analisar o desempenho da força do fluido sobre o disco da válvula borboleta.

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Quando a válvula esta fechada ou completamente aberta figura 25-a, as forças originarias da pressão do fluido são balanceadas em ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora para nenhum lado.

Quando porem, a válvula esta parcialmente aberta como mostra a figura 25-b, não existe mais tal equilíbrio, surgindo uma força resultante, que tende fechar sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluido, fato pelo qual cria-se uma região de distribuição desigual de pressão através de toda a extensão do disco entre uma e outra borda no lado de entrada do fluxo.

Podemos notar pela figura 25-b, que a resultante das forças atuantes no semi-disco primeiro (vai desde a primeira borda até o centro do disco) é maior que a resultante das forças agindo no semi-disco segundo (vai do centro do disco até a segunda borda).

Essa desigualdade de força produz um momento torsor que tende fechar a válvula, e é esse momento torsor que limita a pressão diferencial de operação da válvula em diferentes graus de abertura, já que para cada ângulo de abertura teremos uma força torsora diferente e portanto um momento torsor diferente.

Do lado do disco à jusante temos a formação de forças que aumentam conforme a velocidade do fluxo.

Através do gráfico da figura 26, podemos ver o desempenho e gradiente do torque resultante agindo sobre o disco, em função do grau de abertura da válvula. Nota-se que o torque aumenta rapidamente a partir da abertura de 40º alcançando um máximo aproximadamente a 70º para depois cair abruptamente indo a zero para 90º de abertura.

Em função disso, aconselha-se restringir a utilização das válvulas borboleta para controle em cursos de 0 a 60º de abertura, isto é, proporcionar a máxima capacidade de fluxo a 60º de abertura. Desta forma podemos utilizar atuadores de tamanho normal.

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Fig. 26 – Gráfico do Torque VS abertura da válvula borboleta.

Possuindo um corpo cujo formato lhe possibilita a utilização de revestimento interno com elastômeros, a válvula borboleta encontra uma ampla faixa de aplicações, mesmo em fluidos corrosivos, tornando-se para tais aplicações uma solução bastante econômica.

Em função do tipo de assentamento podemos classificar as válvulas borboleta da seguinte forma:

a) Válvula borboleta com corpo revestido internamente. Assento tipo composto, ou seja metalelastômero, conforme mostra a figura 27-a.

b) Válvula borboleta com corpo sem revestimento. Assento tipo composto, conforme mostram as figuras 27-b e 27-c c) Válvula borboleta com corpo sem revestimento e assento tipo metal-metal: conforme mostra a figura 27-d

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Fig. 27 – Tipos de Assentamento das Válvulas Borboleta

3.4.1.1 – Válvula borboleta com corpo revestido internamente É utilizada em aplicações, onde a vedação estanque seja uma necessidade, ou ainda em aplicações com fluidos corrosivos, através da seleção de um elastômero quimicamente inerte ao fluido, evitando-se assim, o encarecimento da válvula. Na figura 28 vemos uma válvula desse tipo, enquanto que a figura 27-a mostra o seu assentamento. A sua construção é bastante simples, consistindo de um anel de borracha que forra internamente a parede do corpo e é facilmente removível. A utilização deste tipo de válvula, que pertence a categoria denominada linha leve, é limitada pela reduzida capacidade que tem de suportar a pressão diferencial (no máximo da ordem de 150 psi) e pela limitação do tipo de borracha em função da temperatura do fluido.

O disco neste tipo de válvula pode ser convencional (disco concêntrico) ou de duplo efeito (disco excêntrico), como podemos ver pela figura 29. O disco tipo de duplo efeito permite um maior aproveitamento do assento de borracha, prolongando assim a vida útil da válvula.

A válvula borboleta de corpo revestido, é fabricada em diâmetros de 2” até 24” com conexões sem flanges e apresenta uma capacidade de vedação estanque classe VI, conforme a Norma ANSI B16.104.

Fig. 28 – Válvula Borboleta com corpo revestido internamente. Fig. 29 – Tipos de disco (a) Convencional; (b) duplo efeito.

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Fig. 30 – válvula borboleta com anel de TFE Fig. 31 – Válvula borboleta com assento de encosto.

3.4.1.2 – Válvula borboleta sem revestimento e com assento composto. Trata-se de uma variante da construção anterior, basicamente utilizada em grandes diâmetros.

O anel de vedação de borracha, normalmente Buna N, é encaixado tanto no próprio corpo (figura 27-b) como na borda do disco (figura 27-c), dependendo do tipo de construção. Esta válvula é normalmente utilizada em aplicações com fluidos auxiliares e a baixa temperatura, tais como por exemplo água e ar.

É fabricada em diâmetros de 30 a 60” com extremidades flangeadas, conforme o disco é do tipo excêntrico.

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