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1. INTRODUÇÃO As unidades químicas de processo industrial, como por exemplo plantas de produção de produtos químicos, refinarias de petróleo e plantas petroquímicas, bem como sistemas de geração de vapor , são projetadas para operar em altas pressões e altas ou baixas temperaturas. No projeto das unidades, os equipamentos e tubulações são dimensionados para resistir a estas condições de operação. Para manter as pressões internas aos equipamentos nas condições normais de operação, a planta dispõe de instrumentos de controle que atuam automaticamente e mantêm as pressões em níveis aceitáveis. Além disso, os operadores estão constantemente verificando as condições operacionais e atuam em caso de variações anormais. Apesar do elevado grau de controle que se tem sobre as condições operacionais, eventualmente ocorrem elevações anormais de pressão que excedem os valores considerados aceitáveis pelo projeto dos equipamentos, e não são controladas pelos sistemas de controle ou pelos operadores. Essas anormalidades são decorrentes de reações químicas, falhas nos sistemas de utilidades, bloqueio indevido em descarga de bombas ou compressores, fogo externamente aos equipamentos, etc. Essas elevações anormais de pressão, não controladas pelos meios normais, podem causar danos às instalações, pessoas e meio ambiente, e para protegê-los são empregados dispositivos que aliviam o excesso de pressão. Esses dispositivos são acionados automaticamente pela própria pressão que atua nos equipamentos. Os mais utilizados são os discos de ruptura e as válvulas de segurança e alívio de pressão. O disco de ruptura consiste num diafragma fino (geralmente metálico) colocado dentro de um alojamento instalado entre flanges e projetado para romper a uma pressão pré-determinada. São utilizados em ampla faixa de pressões, quando os fluidos são corrosivos, há necessidade de descarregar um grande volume de gases ou é necessária rapidez na atuação. Tem a desvantagem de não manter vedação uma vez cessada a elevação anormal de pressão. Em alguns casos são colocados antes das válvulas de segurança e alívio para protegê-las contra corrosão. A válvula de segurança e alívio de pressão é um dispositivo automático movimentado por mola, que abre em uma pressão pré-determinada, alivia o excesso de pressão e fecha proporcionando boa vedação quando as condições voltam à normalidade. É largamente utilizada nas indústrias químicas de processo e nas centrais de geração de vapor. As situações operacionais que provocam excesso de pressão são diversas, bem como as demandas necessárias para aliviar a pressão. Há situações em que é necessária uma rápida resposta do dispositivo de alívio de pressão, em outras há necessidade de se aliviar grande quantidade de fluido. Os dispositivos têm que atender às condições operacionais e também aos requisitos dos códigos de projeto dos equipamentos que estão protegendo. De modo geral, o dispositivo de alívio de pressão deve abrir na pressão especificada e permitir a passagem de uma quantidade de fluido suficiente para garantir que a pressão no equipamento ou sistema protegido não exceda um determinado porcentual acima da pressão de projeto. Existem vários tipos diferentes de válvulas e discos de ruptura, com características próprias que se ajustam melhor a determinadas situações e serviços. Além disso, é possível utilizar um conjunto de válvulas de segurança e alívio ou ainda a combinação destas com discos de ruptura. A escolha do dispositivo de alívio de pressão adequado requer o conhecimento das condições de processo e das causas que podem provocar excesso de pressão, dos requisitos estabelecidos nas normas de projeto do equipamento ou sistema a ser protegido, do funcionamento e características operacionais dos dispositivos de alívio que serão utilizados naquelas condições específicas.

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2. FUNCIONAMENTO E USOS DAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO A figura abaixo é um desenho esquemático de uma válvula de segurança e alívio de pressão, mostrando os elementos construtivos principais: corpo, castelo, bocal, disco, haste, mola, parafuso de regulagem e conexão de descarga. O bocal está inserido no corpo da válvula, enquanto a mola se aloja internamente ao castelo. O parafuso de regulagem, que é rosqueado na parte superior do castelo, proporciona o ajuste da força da mola. A haste transmite a força da mola para o disco. A válvula é conectada diretamente ao equipamento que se quer proteger, ou a uma tubulação a ele conectada, de modo que a pressão do equipamento chega livremente ao disco, que é o elemento de vedação. O funcionamento das válvulas de segurança e alívio se baseia no equilíbrio entre a força da mola que empurra o disco contra o bocal e a pressão do fluido aplicada no disco. A mola é ajustada para exercer uma força superior à ação da pressão de operação contra o disco, e a válvula se mantém fechada nas condições normais de trabalho.

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Quando a pressão no equipamento atinge a pressão de abertura há um equilíbrio entre a força da mola e a pressão atuante na área interna do disco equivalente à área do bocal, e a válvula inicia sua abertura. A compressão da mola deveria impedir a continuação da abertura da válvula, porque a mola impõe uma carga crescente à medida que é comprimida. No entanto, como o disco é maior que o bocal, à medida que a válvula vai se abrindo mais área é exposta à pressão e o aumento na elevação do disco supera a crescente resistência da mola. O disco é deslocado para cima, permitindo o fluxo pelo bocal, através das sedes do disco e do bocal, e daí para a descarga da válvula. O disco vai se elevando em relação ao bocal com o aumento da pressão, até atingir o curso máximo. A válvula deve ter uma área de passagem suficiente para aliviar todo o fluxo e garantir que na condição de abertura plena a pressão no equipamento não vai ultrapassar um determinado valor máximo definido pelo código de projeto do equipamento protegido. A diferença entre o valor máximo de pressão durante o alívio e a pressão de abertura, expressa em percentual da pressão de abertura, é denominada sobrepressão. Após a descarga e aliviado o excesso de pressão, haverá fechamento quando a força da mola equilibrar a pressão atuando na área total do disco. Esta área é maior que a área do bocal, conseqüentemente, a pressão de fechamento é menor que a pressão de abertura. Existem vários tipos e modelos de válvulas de segurança e alívio de pressão. Dependendo do tipo e da função, essas válvulas recebem denominações específicas. As válvulas de segurança são usadas em fluidos compressíveis, como p.ex. ar comprimido e vapor. As válvulas de alívio são usadas em fluidos incompressíveis, como descarga de bombas. As válvulas de segurança e alívio são usadas tanto com líquidos quanto com gases.

CURVA DE FUNCIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE SEGURANÇA E ALÍVIO

1 – PONTO DE ABERTURA 2- PONTO DE FECHAMENTO PRESSÃO DE ABERTURA = PRESSÃO DE PROJETO DO EQUIPAMENTO

SOBREPRESSÃO

PRESSÃO DE OPERAÇÃO

PRESSÃO DE ABERTURA

ABERTA

FECHADA FECHADA1 2

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RELAÇÃO ENTRE PRESSÃO DE OPERAÇÃO E ELEVAÇÃO DO DISCO DE UMA VÁLVULA DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO

2.1 Válvulas de Alívio As válvulas de alívio são utilizadas para líquidos. Em condições normais de operação a força da mola supera a pressão atuando sob o disco, e a válvula está fechada. A abertura inicial ocorre quando a pressão do líquido equilibra a força da mola. O líquido que escapa forma um filme que se projeta radialmente em relação às sedes do disco e bocal. À medida que a pressão aumenta além do ponto de abertura o disco se eleva da sede, e a pressão passa a atuar progressivamente em uma área maior, possibilitando a compressão da mola e o aumento de vazão através da válvula. O líquido que escapa radialmente atinge a superfície do suporte do disco e é defletido para baixo, criando uma força reativa que tende a mover o disco e suporte do disco para cima. Essas forças aumentam lentamente na faixa de 2 a 4% de sobrepressão. Quando a vazão aumenta suficientemente, as forças reativas crescem exponencialmente, empurrando o disco até a elevação total. A válvula repentinamente passa de uma elevação de 50% a 100% na faixa de sobrepressão de 2% a 6% . As válvulas de alívio instaladas em vasos de pressão são projetadas para capacidade máxima de alívio com 10% ou menos de sobrepressão. Após o alívio, o fechamento vai ocorrer quando a pressão cai até um determinado valor abaixo do ponto de abertura, e a mola supera as forças que agem no disco e o move até o contato novamente com a sede do bocal. Muitos modelos de válvulas de alívio são adaptações de projetos de válvulas para serviço com fluido compressível. Estas válvulas quando usadas em serviço com líquido requerem sobrepressão da ordem de 25% para atingirem abertura plena e operação estável, dado que líquidos não proporcionam as forças expansivas características dos gases. Para aplicações como descarga de bombas e proteção de tubulações podem ser utilizadas válvulas de alívio que alcançam o curso máximo com 25% de sobrepressão. Eventualmente válvulas construídas para sobrepressão de 25% são usadas em serviço com 10% de sobrepressão. Neste caso deve-se aplicar um fator de 0,6 para correção da capacidade de alívio.

F A C DIF. ALÍVIO SOBREPRESSÃO

0

100

A = PRESSÃO DE ABERTURA F = PRESSÃO DE FECHAMENTO C= PRESSÃO MÁXIMA DE ALÍVIO

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O diferencial de alívio (diferença porcentual entre a pressão de abertura e a de fechamento) é constante. Alguns modelos especiais de válvulas de alívio tem um perfil adequado do disco e suporte do disco, de modo que conseguem diferenciais de alívio em torno de 5% a 7%, e podem ser normalmente usadas em vasos de pressão. De modo geral as válvulas de alívio tem diferencial de alívio da ordem de 15% a 20%; caso sejam utilizadas em vasos de pressão é necessário verificar que a pressão de operação fique abaixo da pressão de fechamento. Para outros usos, como tubulações e descargas de bombas, diferenciais de alívio de 20% são adequados.

A válvula de alívio tem castelo fechado, para evitar vazamento de líquido para atmosfera. De modo geral as válvulas de alívio descarregam para sistemas fechados, e podem se apresentar pressurizadas no lado da descarga. A pressão existente à jusante da válvula é denominada contrapressão. Nas válvulas de alívio a contrapressão geralmente é fixa, de modo que na calibração em oficina desconta-se o valor da contrapressão para ajustar a pressão de abertura. Se a contrapressão for variável estas válvulas não devem ser usadas. Para aplicações que não apresentam riscos ambientais ou de segurança, como por exemplo água, as válvulas podem descarregar para a atmosfera . As válvulas de alívio geralmente são pequenas, de construção simples. A conexão de descarga é maior que a conexão de entrada para facilitar o escoamento e evitar o desenvolvimento de contrapressão quando a válvula está descarregando. As conexões normalmente são rosqueadas, e eventualmente flangeadas. Conexões soldadas raramente são utilizadas. O orifício (menor

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área de passagem de fluido pelo bocal) das válvulas de alívio pequenas não é padronizado, variando de acordo com os fabricantes, que fornecem catálogos com as dimensões dos orifícios e tabelas para determinação da capacidade de alívio. As válvulas de alívio são usadas em sistemas onde é necessário aliviar produtos líquidos. As aplicações típicas são: descarga de bombas, trocadores de calor e alívio térmico de tubulações. 2.2 Válvulas de segurança

São dispositivos usados somente para gases e vapor d’água, projetados para dar uma abertura rápida e total com pequena sobrepressão. Quando a válvula de segurança está fechada durante operação normal, a pressão atuando sob o disco é neutralizada pela força da mola. Quando o valor da pressão multiplicado pela área sob o disco (área do bocal, área “A” na figura abaixo) se aproxima da força aplicada pela mola, a válvula começa a apresentar um pequeno vazamento que pode ser audível . Este pequeno vazamento de gás passa pelas sedes de assentamento e se expande na “câmara de aprisionamento” (área “B”), devido à restrição ao fluxo no espaço anelar entre o suporte do disco e o anel de regulagem. Como a pressão passa a agir em uma área maior, uma força adicional (força expansiva) ajuda a superar a força da mola. O incremento de

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pressão na câmara de aprisionamento “B” somado à pressão atuando sob o disco supera em muito a força da mola e a válvula abre num estalo (ação de disparo, ou “pop”) . A ação de disparo é decorrente da força expansiva do gás na câmara de aprisionamento; quanto mais alto estiver este anel, mais pronunciada será a ação de disparo. Assim que a válvula abre, há um incremento adicional de pressão na área “C” . Isto é decorrente do súbito aumento de fluxo e da restrição anular entre a face inferior do suporte do disco e o anel de regulagem. Essa força adicional na área “C” provoca uma elevação substancial do disco no momento do disparo.

No “pop” a válvula atinge cerca de 70 % da abertura máxima. A vazão é restringida pela abertura entre o bocal e o disco até que a sede do disco tenha se elevado cerca de 1/4 do diâmetro do bocal. Após o disco ter atingido esse grau de elevação a vazão passa a ser controlada apenas pela área do bocal. As válvulas de segurança instaladas em vasos de pressão são projetadas de modo que a condição de curso máximo seja obtida com 10% de sobrepressão ou menos. Após o alívio, a válvula vai fechar quando a pressão interna cair suficientemente abaixo do ponto de abertura para permitir que a força da mola supere a soma das forças que atuam nas áreas “A”, “B” e “C”. A pressão de fechamento é aquela na qual o disco reassenta no bocal. A pressão de fechamento é função do perfil do disco e seu suporte,e em menor grau, da posição do anel de regulagem, porque este altera a restrição à passagem do gás, e conseqüentemente as pressões que atuam nas áreas “A”, “B” e “C”. Quando o anel está posicionado mais alto, as restrições são maiores, e a pressão de fechamento diminui; se o anel ficar posicionado mais baixo vai haver menor restrição e pressão de fechamento aumenta. A pressão de fechamento é cerca de 5 a 7% menor que a pressão de abertura, para uso em vasos de pressão. No processo de certificação das válvulas de segurança pelo “National Board” segundo os critérios do ASME VIII-“Vasos de Pressão” os anéis são devidamente ajustados para atender este requisito. Os fabricantes devem informar aos usuários a correta posição do anel de regulagem para cada tamanho e modelo de válvula, porque nas calibrações em bancadas de teste não é possível verificar corretamente a pressão de fechamento.

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A pressão estática abre o disco, e uma força dinâmica o mantêm aberto. Esta força é criada pela velocidade do fluxo, pela massa do gás e pela reação que age no suporte do disco devido ao desvio do gás na câmara de aprisionamento. Uma vazão mínima de 25% a 30% da capacidade de descarga é necessária para manter a válvula aberta. Uma vazão menor vai provocar uma condição de rápidas e sucessivas aberturas e fechamentos (“chattering”, batimento) que danifica as sedes de assentamento. Para o correto funcionamento das válvulas de segurança é necessário um diferencial entre a pressão de abertura e a pressão de operação da caldeira ou vaso de pressão. De modo geral, é estabelecido um diferencial mínimo de 10% ; para pressões acima de 1000 psi ( 70 Kgf/cm2 ) é aceitável um diferencial mínimo de 7% . As válvulas de segurança são utilizadas para fluidos que não são tóxicos ou inflamáveis, como ar comprimido e vapor d’água, e descarregam para atmosfera. Quando utilizadas para serviços com vapor d’água ou ar comprimido são obrigatoriamente fornecidas com dispositivo de acionamento manual que, em função das condições de serviço, deverá ser acionado periodicamente para garantir que as partes móveis estão livres para funcionar. Nas válvulas operando com ar comprimido e vapor d’água os castelos geralmente são abertos e a mola aparente. As conexões de entrada e saída normalmente são flangeadas, mas em válvulas de pequena capacidade podem ser rosqueadas. Na posição inferior do corpo existe um furo rosqueado que permite a drenagem de vapor ou outros fluidos que passam pelas sedes de assentamento e condensam no lado da descarga. 2.2.1 Válvula de segurança do tipo reação As válvulas de segurança usadas em caldeiras geralmente têm dois anéis de regulagem. Este projeto é denominado válvula de segurança do tipo reação. A válvula começa a abrir quando o vapor exerce uma força igual à carga da mola. O vapor então escapa entre as sedes do disco e do bocal, e o anel inferior. A pequena quantidade de vapor que escapa imediatamente se expande e exerce pouca pressão no suporte do disco. Entretanto, a força exercida por este pequeno vazamento é suficiente para causar uma pequena elevação do disco que permite que mais vapor escape e provoque um acréscimo de pressão no suporte do disco. Quando o disco se eleva, o anel superior fica exposto e o vapor fluindo pela sede aberta do bocal é desviado para baixo, causando uma força de reação no disco em adição à pressão exercida pelo vapor. Não há restrição ao fluxo de vapor após a passagem pelas sedes, então o vapor pode se expandir tão rapidamente quanto possível, aumentando em velocidade e levando a um grande pronunciamento no efeito de reação. Esta característica não ocorre no tipo “câmara de aprisionamento” porque a restrição oferecida pelo anel de regulagem e as obstruções no fluxo impedem a rápida expansão do vapor. A característica fundamental do tipo reação é o meio de reverter o fluxo de vapor, associado à condição que após as sedes não haverá restrição na área de fluxo. A válvula atinge o curso máximo com pequeno valor de sobrepressão. O código ASME I- “Caldeiras” estipula um valor máximo de 3% para a sobrepressão. As posições dos anéis de regulagem podem ser alteradas para modificar a força de reação e a pressão de fechamento. O posicionamento adequado dos anéis garante um funcionamento correto, com abertura plena sem trepidação e fechamento preciso. O código de caldeiras determina um valor máximo de 4% para o diferencial de alívio. O anel inferior tem uma influência muito mais pronunciada na ação “pop” e também no

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fechamento do que o anel superior. O menor valor de pressão de fechamento é conseguido quando se ajusta o anel inferior na mais alta posição possível. As válvulas instaladas em caldeiras podem ser calibradas no campo, deste modo deve-se conferir se as pressões de abertura e fechamento estão corretas, e efetuar ajustes quando necessário.

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2.2.2 Válvula de segurança do tipo câmara de pressão Esta é uma válvula de segurança usada em caldeiras. No fechamento opera como um modelo de contrapressão, porque a força do vapor aprisionado na parte superior do suporte do disco é utilizada para auxiliar a mola no sentido de forçar o disco contra a sede do bocal . A elevação total é alcançada pelo posicionamento adequado dos anéis de regulagem superior e inferior ( componentes G e O na figura abaixo, que mostra apenas os componentes internos da válvula na região acima do bocal ). Quando a elevação total é alcançada, o batente M encosta na tampa P, eliminando a oscilação e proporcionando estabilidade à válvula. Quando a válvula está descarregando na posição aberta, vapor é injetado na câmara H através de dois furos de injeção J localizados no topo do suporte do disco. Ao mesmo tempo, o colar sobreposto K sobe até uma posição fixa acima da arruela flutuante L . A área entre a arruela e a haste é conseqüentemente aumentada pela diferença entre os dois diâmetros do colar sobreposto . Nesta condição, o vapor da câmara H entra na câmara Q através da área secundária formada pela arruela L e colar K na haste, e também através do orifício N, e escapa para atmosfera através da conexão de descarga R . No fechamento, o colar sobreposto K é ajustado para se mover sobre a arruela L , desse modo efetivamente reduzindo o escape de vapor da câmara H. O acréscimo instantâneo de pressão na câmara H, numa taxa controlada pelo orifício N, produz uma força para baixo na direção da carga da mola. O esforço conjunto da pressão e da mola resulta em fechamento preciso. O fechamento é amortecido através do posicionamento adequado do anel de regulagem inferior O.

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2.3 Válvulas de Segurança e Alívio São dispositivos automáticos de alívio de pressão adequados para trabalhar como válvulas de segurança ou como válvulas de alívio, dependendo da aplicação desejada. São bastante utilizadas e se classificam em dois tipos principais: válvula de segurança e alívio convencional e válvula de segurança e alívio balanceada. A descarga das válvulas de segurança e alívio de pressão é feita diretamente para atmosfera quando os fluidos são seguros e não contaminam o meio ambiente, por exemplo, ar comprimido, água, vapor d’água, etc. Quando os fluidos são tóxicos ou inflamáveis é necessário conectar a descarga da válvula a um sistema de tubulações fechado, que vai coletar os fluidos e levar até local apropriado para descarte, armazenamento ou queima. Nestes casos a pressão atuante na descarga da válvula, denominada contrapressão, irá afetar diretamente suas características operacionais : pressão de abertura, pressão de fechamento, capacidade de alívio e comportamento durante a atuação . Válvulas de segurança e alívio que descarregam para sistemas fechados não podem ter castelo aberto, porque isso implicaria em contaminação ambiental. O castelo é aberto para a descarga da válvula, geralmente em pressão maior que a atmosférica. A contrapressão age no mesmo sentido da força da mola, aumentando a pressão de abertura. Se for constante, pode ser levada em conta no ajuste da pressão de abertura. Ao calibrar a válvula na oficina deve-se descontar o valor da contrapressão. Uma válvula ajustada para abrir no campo com 20 Kgf/cm2 e sujeita a 2 Kgf/cm2 de contrapressão deve portanto ser calibrada na oficina com 18 Kgf/cm2 .

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Em muitos casos a contrapressão não é constante. Um exemplo comum ocorre quando várias válvulas descarregam em um mesmo coletor. Neste caso deve-se utilizar uma válvula que tenha mecanismo de balanceamento para neutralizar o efeito da contrapressão. No momento em que a válvula está aberta e aliviando, surge uma contrapressão no lado da descarga, que atua no sentido de fechar a válvula. Esta contrapressão, denominada desenvolvida, inerente ao próprio funcionamento da válvula, decorre da perda de carga na tubulação conectada na descarga. Quanto maior o comprimento e menor o diâmetro da tubulação de descarga maior será a contrapressão desenvolvida. Acima de 10% da pressão de abertura a contrapressão desenvolvida vai gradativamente reduzindo a capacidade de alívio até fechar completamente a válvula. Para uso com gases as válvulas são construídas para atingir sobrepressão de 10% . Para líquidos a sobrepressão é de 10% para uso em vaso de pressão, e para outros serviços é admissível sobrepressão de 25%. O anel de regulagem nas válvulas que trabalham com gases é ajustado para assegurar ação de disparo, sobrepressão de 10% e garantir pressão de fechamento em valores cerca de 5 a 7% abaixo da pressão de abertura. Para uso com líquidos o anel não tem nenhum efeito na ação de disparo ou na regulagem da pressão de fechamento porque líquidos não tem efeito expansivo. Neste caso, deve ser colocado na posição inferior para não reduzir a capacidade de descarga. As conexões de entrada e saída normalmente são flangeadas, podendo também ser rosqueadas. Válvulas de segurança e alívio podem ter furo rosqueado para drenagem do corpo; neste caso somente podem ser usadas quando não há contrapressão e se conecta uma tubulação de pequeno diâmetro para drenar líquidos acumulados para um local seguro. As válvulas de segurança e alívio geralmente são de bocal integral : o bocal é rosqueado na parte inferior do corpo e sua parte inferior se projeta para fora do corpo da válvula. Existem válvulas de construção denominada semibocal, onde o bocal é rosqueado na parte média do corpo. Nestas válvulas há risco de vazamento através da rosca, e pelas sedes de assentamento devido a desalinhamento do bocal provocado por tensões no lado da descarga da válvula. O semibocal é habitualmente selado com solda para evitar passagem pela rosca.

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As válvulas flangeadas tem suas dimensões externas estabelecidas pelo padrão API Std.526. Este guia estabelece também a padronização dos orifícios de passagem de fluxo pelo bocal, de modo que nas mesmas instalações pode-se usar válvulas de fabricantes diferentes. 2.3.1 Válvulas de Segurança e Alívio Convencionais

As válvulas de segurança e alívio convencionais são apropriadas para alívio de gases ou líquidos tóxicos e inflamáveis, desde que a contrapressão não supere o valor de 10% da pressão de abertura. Para condições corrosivas o uso deste modelo de válvula deve ser visto com cuidado.

Nas válvulas convencionais o castelo, que serve de alojamento para a mola, deve permanecer fechado, para evitar qualquer vazamento para a atmosfera.

VÁLVULA CONVENCIONAL VÁLVULA BALANCEADA 2.3.2 Válvulas de Segurança e Alívio Balanceadas São válvulas projetadas de tal modo que a contrapressão tem muito pouca influência na pressão de abertura. Estas válvulas são de dois tipos: balanceadas com pistão e balanceadas com fole. No tipo com pistão, a área da face superior do disco que está exposta à contrapressão é igual à área da face inferior, de modo que o efeito da contrapressão se neutraliza. Como o castelo é aberto para a atmosfera, a face do topo do pistão, que tem a mesma área que o bocal, está sujeita à pressão atmosférica e portanto não afeta a abertura. Os gases que escapam do castelo

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das válvulas balanceadas do tipo com pistão devem ser removidos com um mínimo de restrição e de maneira segura. No tipo com fole a área superior do disco, que tem a mesma dimensão da área do bocal, não sofre ação da contrapressão pois fica protegida pelo fole. A área superior do disco externa ao fole é igual á área inferior do disco externa ao bocal, assim não existem forças desbalanceadas sob qualquer contrapressão. O fole isola também do castelo o fluido de serviço,o que torna este tipo de válvula indicada quando há possibilidade de corrosão nas partes internas (guias, haste, mola,etc.).

As válvulas balanceadas tornam possível a descarga em coletores de pressão alta ou variável. Ambos os tipos devem ter a abertura do castelo suficientemente grande para garantir que o castelo não seja pressurizado durante a descarga da válvula. As válvulas com fole são preferidas porque apresentam menos riscos para segurança e meio ambiente. Alguns fabricantes produzem modelos que utilizam os dois mecanismos de balanceamento. Quando há risco de contaminação em caso de ruptura ou furo no fole, deve-se conectar ao castelo uma tubulação que transporte os fluidos para local seguro. As válvulas balanceadas podem ser utilizadas para valores de contrapressão desenvolvida superiores a 10%, porque o mecanismo de balanceamento neutraliza o efeito da contrapressão. Para alguns modelos com fole os fabricantes admitem o uso para valores de contrapressão total (superimposta + desenvolvida) de até 50% da pressão de abertura. Estes altos valores de contrapressão devem ser vistos com cuidado porque pequenas diferenças geométricas nas áreas acima e abaixo do disco causam desbalanceamento e comprometem a capacidade de alívio da válvula. As válvulas de segurança e alívio balanceadas podem ser utilizadas para alívio de líquidos ou gases tóxicos, inflamáveis ou corrosivos onde a contrapressão do sistema seja constante ou variável. As válvulas balanceadas com fole são especialmente efetivas no alívio de produtos considerados corrosivos ou tóxicos porque, pelas suas características construtivas, impedem a passagem desses fluidos através das superfícies das partes móveis evitando não só o emperramento destas partes em função da formação de produtos de corrosão, como também o seu possível escapamento para o meio ambiente. Tendo em vista que as válvulas balanceadas com pistão tem possibilidade de permitir um escape de fluido através das superfícies de guia das partes móveis, elas devem ter o castelo ventilado ou drenado para locais considerados adequados. As válvulas balanceadas com fole não apresentam esses inconvenientes a não ser

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por ruptura do fole. Válvulas que trabalham com fluidos perigosos devem ter tubulações de pequeno diâmetro conectadas ao furo do castelo e ventadas para local seguro. A conexão do castelo não pode ser tamponada porque em caso de furos ou passagem pelo fole o castelo será pressurizado, implicando em risco de alteração na pressão de abertura, redução na capacidade de alívio e danos ao fole devido à pressurização interna. 2.4 Válvulas com anel de vedação resiliente ( O-ring ) São válvulas de segurança e alívio convencionais ou balanceadas, similares em todos os aspectos a estas válvulas, exceto que os discos são projetados para acomodar algum tipo de anel macio e resiliente . A carga da mola é suportada unicamente pela parte metálica das sedes de assentamento, e o anel resiliente posicionado externamente ao disco funciona como um elemento exclusivamente de vedação. Essa válvula proporciona uma estanqueidade excelente , e permite a utilização com pressões de operação muito mais próximas da pressão de abertura do que as válvulas com vedação metal-metal , ou em outras situações em que um pequeno vazamento promove desgaste das sedes e conseqüente agravamento da perda de vedação . Os anéis resilientes são fabricados em vários tipos de elastômeros, como Buna N , Viton, Silicone, Kalrez, etc. São utilizados também Etileno-Propileno e Teflon. O limite máximo de pressão que esses materiais podem ser utilizados é de 1500 psig ( cerca de 100 kgf/cm2 ) . As temperaturas não podem ser inferiores a –100 °C ou superiores a 230 °C . É preciso também verificar a compatibilidade química do material do “O-ring” com o fluido de serviço.

As válvulas com assento resiliente são indicadas para as seguintes situações :

- pressão de operação próxima da pressão de abertura . A carga da mola diminui conforme se está próximo da pressão de abertura , reduzindo a vedação. Pode ocorrer também um pequeno vazamento (chiado) quando há variação na pressão de operação ; a válvula não consegue abrir totalmente , e esse chiado pode provocar desalinhamento na válvula, com conseqüente agravamento da situação . O anel resiliente de vedação garante estanqueidade e não permite a ocorrência do chiado .

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- aplicações sujeitas a fortes vibrações, como compressores, bombas , etc. A vibração da válvula de segurança e alívio pode provocar vazamento. Pode haver também um rápido incremento na pressão de operação, fazendo esta se aproximar da pressão de abertura .

- nos casos onde ocorrem danos nas sedes devido à corrosão ou erosão provocada por partículas estranhas quando a válvula abre. O anel resiliente mantêm a vedação mesmo quando as sedes estão danificadas ; isto evita o agravamento dos danos .

- partículas estranhas que ficam presas nas sedes, após a abertura da válvula, provocando vazamento. O anel de vedação mantem a estanqueidade nesta situação.

- Fluidos leves como hidrogênio, hélio, amônia anidra, etc. são de difícil contenção. O anel resiliente elimina os vazamentos desses fluidos leves .

- Há situações em que ocorre desalinhamento nos internos devido a tensões no corpo da válvula ou partículas presas nas guias , provocando vazamento. O anel resiliente mantem a vedação nestas condições .

Tendo em vista que os anéis de vedação podem ser selecionados para resistir ao ataque da maioria dos fluidos, em geral as limitações destas válvulas referem-se às pressões e temperaturas limites em que estes anéis podem operar. 2.5 Válvula de Segurança Tipo Piloto Operada As válvulas de segurança do tipo piloto operadas são utilizadas para altas pressões e quando se necessita de alta capacidade, porque proporcionam uma abertura ampla e rápida e custam menos que as válvulas de segurança e alívio de grandes diâmetros. São compostas de uma válvula piloto, de pequenas dimensões, e uma válvula principal. O sistema de controle da válvula é atuado diretamente pela pressão do fluido. A função da válvula piloto é acionar a válvula principal, por onde vai escoar o fluido contido no equipamento protegido pela válvula. A figura abaixo é de uma válvula tipo piloto operada de ação instantânea . A válvula principal é mantida fechada pela pressão estática que atua sobre a parte superior do pistão. Como esta face tem aproximadamente o dobro da área da face inferior o esforço resultante mantém a válvula fechada. Quando a pressão no equipamento atinge a pressão de abertura da válvula piloto ocorre a abertura instantânea do relé disparador da válvula piloto. A ação de levantamento do relé disparador fechará o obturador, cortando a alimentação do fluido. Desta forma haverá uma rápida exaustão do pequeno volume acima do pistão da válvula principal para a atmosfera. O pistão é então impulsionado para cima pela pressão atuando na sua parte inferior, e a válvula principal abre rápida e completamente. Sobrepressão não é necessária para se alcançar o curso máximo e portanto a capacidade máxima. A válvula principal permanece aberta no curso máximo até que a pressão no equipamento seja reduzida a um valor pré-determinado. Isto é conseguido porque a área do obturador é pouco maior que a área do relé disparador, e a válvula permanece fechada. O movimento de abertura da válvula piloto transfere a função de atuação do relé disparador para o obturador, que comandará a exaustão e o curso da válvula principal. Quando a pressão no equipamento for

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reduzida, a força resultante da atuação da pressão na área do obturador é superada pela carga da mola e dispara a abertura do obturador e o conseqüente fechamento do disco relé disparador. A pressão de entrada é então rapidamente dirigida ao topo da válvula principal que fecha suave e firmemente. A condição de pressão estática é restabelecida e as forças originais mantém a válvula fechada e estanque. O funcionamento da válvula tipo piloto operada não é afetado pela contrapressão . Válvulas tipo piloto operadas podem ser utilizadas em serviços com contrapressão de até 90% da pressão de abertura . Elas possuem anéis resilientes de vedação no piloto e na válvula principal que proporcionam alta estanqueidade . As válvulas tipo piloto operadas de ação instantânea são usadas onde são requeridas grandes áreas de alívio para altas pressões de ajuste; onde o diferencial entre a pressão normal de operação e a pressão de ajuste do dispositivo é muito baixo; onde descargas muito curtas são requeridas; onde as contrapressões são elevadas e dispositivos balanceados são requeridos; em vasos de armazenamento de baixa temperatura para evitar congelamento e emperramento do dispositivo.

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As válvulas tipo piloto operadas não são devem ser usadas onde é necessário aliviar fluidos viscosos, “sujos” ou com alta temperatura, e onde a compatibilidade química do produto a aliviar é questionável em relação aos materiais dos anéis de vedação da válvula, ou onde a corrosão possa impedir a atuação adequada do piloto.

RELAÇÃO ENTRE ELEVAÇÃO DO DISCO E PRESSÃO DO VASO EM UMA VÁLVULA TIPO PILOTO OPERADA DE AÇÃO INSTANTÂNEA

VÁLVULA PILOTO VÁLVULA PRINCIPAL CONDIÇÃO FECHADA CONDIÇÃO FECHADA

Pressão fluido x Área disco < Força da mola Pressão fluido x Área superior do pistão >> Pressão fluido x Área inferior disco

ABERTURA ABERTURA 1) Pressão fluido x Área disco = Força da

mola 2) Disco desarma 3) Obturador é armado 4) Exaustão do fluido para atmosfera. Fluido

não passa pela válvula.

Pressão atmosférica << Pressão fluido x Área inferior do pistão Válvula abre rapidamente

VÁLVULA PILOTO VÁLVULA PRINCIPAL CONDIÇÃO ABERTA CONDIÇÃO ABERTA

Pressão fluido x Área obturador > Força da mola

Pressão fluido x Área inferior do disco >> Pressão atmosférica

FECHAMENTO FECHAMENTO 1) Pressão fluido x Área do obturador = Força

da mola 2) Obturador desarma 3) Disco é armado 4) Fluido passa através da válvula piloto até

válvula principal

1) Fluido passa até região superior do disco 2) Pressão fluido x Área superior do disco >>

Pressão fluido x Área inferior do disco Válvula fecha

F DIF. ALÍVIO A SOBREPRESSÃO C

0

100

A - PRESSÃO DE ABERTURA F - PRESSÃO DE FECHAMENTO C - PRESSÃO DE ALÍVIO MÁXIMA

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2.5.1 Válvula tipo Piloto Operada de ação modulante A válvula tipo piloto operada de ação modulante abre proporcionalmente ao excesso de pressão, acima da pressão de abertura. Esse comportamento é vantajoso em relação às válvulas piloto operadas de ação instantânea nas situações em que se procura evitar grande perda de produto (alívio de oleodutos p.ex.) ou danos nas tubulações devidos a “martelos” , em razão da abertura abrupta da válvula de ação instantânea .

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A válvula modulante abre e também fecha de modo gradual . O escoamento através do piloto é mínimo . A válvula piloto e a válvula principal permanecem fechadas quando a pressão no sistema é inferior à pressão de abertura ; a pressão na entrada da válvula principal ( câmara A ) passa pela linha sensora até a válvula piloto, e através desta até a região superior da válvula principal ( câmara B ) . A área superior do pistão da válvula principal é superior à área inferior, portanto a válvula permanece fechada e estanque . Os anéis macios de vedação do pistão auxiliam na obtenção de alta estanqueidade . A pressão do sistema que age na câmara sensora (câmara C) atua no diafragma, contra a força da mola . Até que a pressão de abertura seja alcançada, essa pressão é inferior à força da mola. Quando a pressão de abertura é alcançada, a força gerada na câmara sensora C vence a força da mola e levanta o conjunto do diafragma. Isto faz com que a válvula de entrada do piloto se feche, bloqueando a passagem de fluido para a câmara B . O disco da válvula de entrada (no piloto) encosta no assento e libera o funcionamento da válvula de exaustão. Isto permite o escapamento de fluido através da linha de exaustão, reduzindo a pressão da câmara B. A pressão acima do pistão continua a cair enquanto a sobrepressão na câmara C continua a aumentar. A válvula principal inicia sua abertura quando a força atuando na parte superior do pistão torna-se menor que a força aplicada pela sobrepressão na área inferior do pistão . Como há retenção da pressão no domo da válvula principal, a abertura será proporcional ao incremento da sobrepressão. Isso permite que uma pequena sobrepressão seja aliviada sem abrir totalmente a válvula principal. Se a pressão continuar a aumentar o piloto vai reduzir a pressão na câmara B, em conseqüência causando maior abertura da válvula principal. Esse processo prossegue até que a pressão do domo fique igual à da linha de exaustão. A válvula principal estará totalmente aberta, e isso ocorre antes da pressão do sistema atingir 10% acima da pressão de abertura . Para fechar a válvula principal o piloto deve repressurizar a câmara B. À medida que cai a pressão do sistema nas câmaras A e C , a força para cima no diafragma é reduzida. Quando a pressão decrescente do sistema se aproxima da pressão de ajuste, a válvula de exaustão se fecha e abre a válvula de entrada (no piloto). O fluido da câmara C escoa novamente para a câmara B, forçando o pistão da válvula principal para baixo. Ela fecha gradualmente na medida em que a pressão do sistema cai. A válvula principal continua a se fechar até que a pressão de reassentamento seja alcançada no sistema. Neste momento a válvula piloto retorna à posição fechada e a pressão na câmara B força o pistão contra o assento. O diferencial de alívio é fixo com um valor típico de 5% .

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3. OUTROS DISPOSITIVOS DE ALÍVIO DE PRESSÃO 3.1 DISCOS DE RUPTURA Um disco de ruptura é um diafragma fino, normalmente mantido em um alojamento especial, que alivia o excesso de pressão através do rompimento a uma pressão pré-determinada. Os discos de ruptura são disponíveis em vários tipos de ligas metálicas, metais associados com plásticos ou metais revestidos com pintura. Diferentemente das válvulas de segurança, o disco de ruptura não bloqueia novamente. Após uma ocorrência operacional o disco rompido tem que ser substituído. Os discos de ruptura não têm partes móveis, são mais simples que válvulas de alívio de pressão e mais leves. Podem ser construídos em materiais altamente resistentes à corrosão, que não são práticos em válvulas. São indicados também para serviço com líquidos muito viscosos. O disco de ruptura é um dispositivo sensível à temperatura. As pressões de rompimento podem variar significativamente com a temperatura real do diafragma metálico, e esta pode ser diferente da temperatura normal do fluido em operação. Na especificação devem ser informadas a pressão e a temperatura em que o disco é esperado romper . O disco de ruptura pode ser o único dispositivo de alívio de pressão do sistema ou pode ser usado conjuntamente com válvulas de segurança, em série ou em paralelo. O uso em paralelo com válvulas de segurança e alívio, como um dispositivo de alívio secundário, é para atender contingências remotas que requerem grandes áreas de alívio ou ação de resposta instantânea, p.ex.furos em tubos de trocadores de calor ou reações explosivas em reatores de polimerização. São utilizados a jusante de válvulas de segurança e alívio para : protegê-las de fluidos corrosivos, que provocariam danos às sedes e corrosão dos internos; evitar obstruções internas e emperramento das guias provocados pelo vazamento de fluidos que polimerizam; evitar emissões fugitivas de fluidos tóxicos, muito voláteis ou economicamente muito valiosos. Eventualmente são instalados a montante das válvulas de segurança e alívio para proteger dos fluidos que ficam no lado da descarga . Cuidados devem ser tomados para garantir que contrapressão não vai se desenvolver no espaço entre a válvula e o disco . Existem diversos tipos e modelos de discos de ruptura normalmente disponíveis. Os tipos mais utilizados, com suas características de funcionamento, vantagens e desvantagens, são apresentados a seguir. 3.1.1 Disco Convencional Também chamado de disco sólido. São fabricados em metal com um abaulamento em forma de domo previamente conformado. Este tipo de disco é instalado com o lado côncavo voltado para o fluido, de modo que a membrana fica submetida a tensões de tração. Quando a pressão no sistema atinge a pressão de rompimento ( PR ), o domo se deforma e então rompe devido a excessiva carga de tração. A pressão de rompimento é função do material do disco, de sua espessura e diâmetro e da temperatura de trabalho. Este modelo de disco, o mais barato de todos, tem sido usado desde 1931. Os discos convencionais são largamente utilizados porque atendem a uma ampla gama de tamanhos e

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pressões. São disponíveis em tamanhos de 1/8” até 44” e pressões de 2 psi até 100 000 psi (0,14 a 7000 kgf/cm2) para serviço com líquidos ou gases. As temperaturas de utilização vão desde serviço criogênico até cerca de 600 ºC. Na aquisição dos discos deve-se selecionar materiais quimicamente resistentes aos fluidos de processo. Os materiais de fabricação padrão são alumínio, níquel, inox 316, monel e inconel. Podem também ser fabricados em hastelloy, prata, titânio e tântalo e serem revestidos com resinas plásticas para proteger contra a corrosão. Para que estes discos apresentem bom desempenho é necessário que a pressão de operação do sistema protegido seja no máximo 70% da pressão de rompimento do disco de ruptura. Se estes discos forem instalados em serviço pulsante (oscilações na pressão de ± 10% da pressão de operação) a máxima pressão de operação deve ser mantida em 0,5 PR para evitar falha prematura por fadiga.

Dependendo do tamanho do disco e da pressão de rompimento, um disco convencional pode ser muito fino. Para evitar danos na região de contato com os alojamentos são instalados anéis de apoio. Suportes para vácuo também podem ser necessários quando a pressão no sistema protegido ficar em valor menor que a pressão a jusante do disco. Esses suportes são colocados na parte côncava do disco e vão abrir rapidamente quando o disco romper. Para garantir o uso correto dos anéis de apoio e suportes para vácuo eles devem ficar permanentemente acoplados ao disco.

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DISCO COM SUPORTE PARA VÁCUO No uso destes discos deve-se considerar que seu modo de falha é irregular, podendo fragmentar quando utilizados com fluidos compressíveis. Isto pode se tornar perigoso se os fragmentos obstruírem a passagem do fluxo. Durante a instalação deve-se tomar cuidado para não amassar ou arranhar o disco porque as tensões desenvolvidas nestas regiões podem reduzir a pressão de rompimento. Outro cuidado na instalação é quanto à posição do disco; se instalados ao contrário vão romper em pressão menor que a especificada, a não ser que tenham suporte para vácuo. Neste caso o suporte para vácuo somente irá se abrir em pressão muito mais alta que a especificada, o que configura uma condição muito insegura . 3.1.2 Disco Vincado São discos previamente conformados e fabricados com vincos (sulcos) em um padrão definido de modo a ficarem menos resistentes. Eles rompem devido a tensões de tração ao longo dos sulcos. As vantagens destes discos em relação aos convencionais é que não se fragmentam após

ruptura e não necessitam suporte para vácuo. Podem ser utilizados para pressões de até 85% da pressão de rompimento. São fabricados em tamanhos de ½’ a 24”, para pressões desde 10 psi até 1800 psi ( 0,70 a 125 kgf/cm2), nos materiais padrão utilizados nos discos convencionais .

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3.1.3 Disco Composto Tipicamente, o disco composto possui uma seção superior perfurada, que define a pressão de rompimento pelo tamanho e localização dos furos e rasgos. Sob essa seção resistente à pressão há uma membrana metálica ou plástica que veda e protege a seção superior. De modo semelhante ao disco convencional, o disco composto pode necessitar de anéis de apoio e suportes para vácuo, em função do tamanho, pressão de rompimento e temperatura. Os anéis de apoio podem ser instalados a montante ou jusante , enquanto que o suporte para vácuo é colocado a montante, internamente ao conjunto. Todos esses componentes são acoplados formando um sanduíche. Esses discos permitem o uso em condições mais corrosivas que os discos convencionais, mas somente em pressões mais baixas. São fabricados em tamanhos de 1” até 30” , para pressões de 5 psi a 1000 psi (0,35 a 70 ruptura e não necessitam suporte para vácuo. Podem ser utilizados para pressões de até 85% da pressão de rompimento. São fabricados em tamanhos de ½’ a 24”, para pressões desde 10 psi até 1800 psi ( 0,70 a 125 kgf/cm2), nos materiais padrão utilizados nos discos convencionais . A seção superior resistente à pressão é fabricada nos materiais padrão. A seção de vedação geralmente é fabricada em polímero do tipo fluorelastômero, como o Teflon, podendo se utilizar também metais muito resistentes à corrosão, como hastelloy, inconel, prata, platina , titânio e tântalo. Pode ser utilizado até 80% da PR . Discos de teflon podem ser utilizados até no máximo 260 º C .

3.1.4 Disco Reverso com Facas O disco reverso funciona de modo totalmente diferente : o lado convexo do disco fica em contato com o fluido, de modo que o domo trabalha sob compressão. Ao contrário do disco convencional, o disco reverso não afina quando a pressão se aproxima do ponto de rompimento. Quando a pressão atinge um determinado valor aparece uma deformação que aumenta de tamanho e leva o disco a reverter na direção de menor pressão. Quando isto acontece, as facas que estão à jusante penetram e cortam o disco em três ou mais pétalas, sem fragmentação . A pressão de abertura do disco reverso com facas não depende da espessura do material ; é quase exclusivamente função da geometria do domo e das características das facas. Desse modo, o disco reverso pode ser feito com espessura suficiente para não necessitar de suportes contra vácuo, e pode ser usado para pressões de operação de até 0,9 PR . Como estes discos não fragmentam, são regularmente usados na proteção de válvulas de segurança e alívio .

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Os discos reversos com facas são fornecidos em tamanhos de 1” até 24” , em pressões de 10 psi a 1800 psi (0,7 a 125 kgf/cm2), nos materiais padrão fornecidos para discos convencionais, atendendo temperaturas até 560 ºC. Podem ser fornecidos também com pintura ou revestimento para melhorar o desempenho em serviço corrosivo. Deve-se tomar cuidado em evitar que danos nas facas (corrosão, perda de corte por reutilização, etc.) resultem em mau funcionamento do disco, e também que não sejam instalados ao contrário, porque devido a maior espessura o disco só vai romper a uma pressão 3 a 4 vezes acima do especificado. Discos reversos não podem ser usados em sistemas contendo líquido, porque como os líquidos são incompressíveis, a reversão do disco não vai ser rápida; assim, o disco vai assentar sobre as facas, sem romper ou mesmo furar, e a pressão necessária para empurrar o disco pelas facas será muito alta, cerca de 3 a 4 vezes a pressão especificada para rompimento.

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3.1.5 Disco Reverso Vincado São discos em forma de domo tornados menos resistentes através de vincos (sulcos) feitas ao longo de um padrão definido. O mecanismo de atuação destes discos é semelhante ao do disco reverso com facas, com a diferença de que assim que o disco reverte, os sulcos não conseguem suportar a ação combinada da pressão e da força de reversão, e o disco se rompe ao longo dos sulcos. A ruptura não é dependente das facas e sim controlada pela espessura do metal na linha dos sulcos. A reversão é definida pela geometria do domo. A possibilidade de fragmentação é eliminada, permitindo o uso na proteção de válvulas de segurança . Estes discos oferecem os mesmos benefícios dos discos reversos com facas, como dispensar o uso de suportes para vácuo e possibilidade de operar até 90 % da pressão de rompimento, mas com vantagens sobre aqueles discos. Se o disco é instalado ao contrário, ele vai romper a uma pressão mais alta, mas como a espessura do sulco é que define a pressão de rompimento, esta não será superior a 1,5 Pr . Da mesma maneira que outros discos reversos, estes também não são adequados para uso em sistemas que trabalham com líquidos. São construídos em tamanhos de 1” até 24” , para pressões de 24 psi até 1000 psi ( 1,7 a 70 kgf/cm2) .

3.1.6 Disco Plano Discos compostos planos são utilizados para proteger vasos que operam em baixa pressão (operação até 7,5 psig), tanto de pressões positivas quanto de pressões negativas. Um modelo de disco plano mais comum é o disco de grafite, utilizado para pressões de 1 psi até 1000 psi, em temperaturas de – 70 º C a 200 º C , tamanhos de 1” até 24” . Podem ser usados até 80% da pressão de rompimento. Este disco, fabricado em grafite impregnado com resina, oferece grande resistência química à maioria dos fluidos de processo. Pode necessitar de suporte para vácuo. Para evitar possíveis danos durante a instalação é recomendável colocar

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uma armadura externa de aço inoxidável. Os discos de grafite são instalados entre flanges especiais, sempre com juntas macias para evitar rompimento prematuro .

3.1.7 Seleção de discos de ruptura Quando se especifica um disco de ruptura para compra, deve-se informar a pressão de rompimento e também o desvio de fabricação. O desvio de fabricação é usado pelos fabricantes para compensar o fato que não é prático manter estoques de chapas metálicas com todas possíveis espessuras necessárias. Por exemplo, quando se requisita um disco com pressão de rompimento de 100 psig e desvio de fabricação de -10/+5 % o disco pode ser fabricado para abrir a pressões entre 90 psig e 105 psig. Os usuários devem ser alertados para não selecionar discos que tem limite superior de desvio de fabricação superior à pressão máxima de trabalho admissível do equipamento protegido. Um segundo termo é a tolerância de rompimento do disco, definida pelo código ASME em ± 5% . Prosseguindo com o exemplo acima, a máxima pressão de rompimento será de 110,2 psig ( 5% acima de 105 psig) e a mínima pressão de rompimento de 85,5 psig ( 5% abaixo de 90 psig). A pressão de rompimento do disco é função da temperatura no diafragma no instante do rompimento. A sensibilidade da PR à temperatura depende do material, sendo o alumínio o mais sensível e o Inconel o material menos susceptível. A temperatura pode ser um parâmetro difícil de definir, principalmente quando o disco está instalado no final de uma linha sem fluxo, e a temperatura no disco difere muito da temperatura do fluido. Deve-se procurar definir com a maior precisão possível a temperatura de rompimento do disco, porque isto é vital para a segurança do sistema. Em caso de dúvida, para se evitar maiores riscos deve-se utilizar Inconel ou especificar a temperatura mais baixa, p.ex. a temperatura do sistema de descarga, normalmente mais baixa do que a temperatura do processo. Como a resistência mecânica do

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metal é maior em temperatura mais baixa, há risco do disco abrir acima da PMTA do equipamento protegido caso seja especificada uma temperatura mais alta que a temperatura real de rompimento. Usando como exemplo um disco convencional de inox 316, selecionado para romper a 350 psig na temperatura de 200 ºC. Se a temperatura real de rompimento do disco é 150 ºC , a pressão de rompimento será de 365 psig, portanto 15 psig acima do valor especificado. Para o processo de compra são emitidas as folhas de especificação (“data sheet”) que devem conter pelo menos as seguintes informações : modelo, diâmetro, classe de pressão, pressão de ruptura, temperatura de ruptura, tolerância de fabricação, materiais do disco e do alojamento. 3.1.8 Instalação Discos de ruptura são normalmente instalados para proteger vasos, tubulações, bombas, etc. , mas são proibidos pelo ASME I para uso em caldeiras. Quando instalados separadamente das válvulas de segurança e alívio, os discos de ruptura devem atender de modo geral os requisitos de instalação exigidos para estas válvulas. As tubulações de descarga devem ser adequadamente dimensionadas, suportadas, com inclinação para o local de drenagem e atendendo as possíveis limitações advindas de contrapressão desenvolvida. Não há necessidade de se preocupar com perda de carga na tubulação de entrada, porque com os discos não há batimento (“chattering”), como ocorre com as válvulas, mas deve-se levar em conta a perda de carga total na determinação da pressão de projeto do sistema. Válvulas de bloqueio travadas na posição aberta devem ser instaladas a jusante dos discos, e também a montante quando a descarga é para sistema fechado. As válvulas de bloqueio não são requeridas quando o equipamento protegido puder ser colocado fora de operação enquanto o restante da unidade de processo permanece em linha. Devem ser tomados cuidados especiais na instalação do disco para não danificá-lo ou montar na posição invertida, o que poderá resultar em abertura prematura. Em alguns modelos de disco a instalação invertida é uma situação mais grave, porque aumenta a pressão de rompimento e compromete a segurança dos equipamentos protegidos. Na montagem do disco nos alojamentos deve-se usar torque adequado nos parafusos, para evitar vazamento, esmagamento ou até mesmo rompimento do disco na região de contato. Todos os discos de ruptura são instalados com um torque recomendado pelo fabricante. O torqueamento deve ser feito com um padrão cruzado com incrementos inferiores a 25% do valor final de torque para assegurar uniformidade. Os parafusos devem ser lubrificados para assegurar uma carga adequada. As juntas dos flanges também tem efeito na carga aplicada. Para juntas macias como PTFE deve-se tomar especial cuidado no torqueamento. As superfícies de contato dos alojamentos com o disco devem ser mantidas limpas e perfeitamente lisas para evitar danos quando os discos forem apertados. 3.1.8.1 Instalação de discos associados a válvulas de segurança Quando o disco é instalado a montante de uma válvula de segurança e alívio deve-se atender aos requisitos estabelecidos no ASME VIII. As recomendações principais são : o disco deve romper em pressão igual ou menor que a pressão de abertura da válvula; a capacidade de alívio do conjunto disco/válvula deve ser certificada em testes padronizados , ou então se multiplica a capacidade da válvula por 0,9 ; o disco precisa ser do tipo que não fragmenta; o espaço entre o

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disco e a válvula precisa ser ventilado e equipado com um dispositivo que detecta rompimento ou vazamento do disco.

Em serviços altamente corrosivos podem ser empregados dois discos de ruptura em série. Um conjunto disco duplo consiste de dois discos montados em um alojamento especial com um espaço ventilado entre eles. As recomendações de ventilação , de instalação de manômetro e monitoração da pressão entre os dois discos também se aplicam . Apesar de pouco comum, o disco de ruptura também pode ser instalado na saída para proteger a válvula de fluidos corrosivos existentes no sistema de descarga, ou para prevenir vazamentos de fluidos tóxicos ou inflamáveis para a atmosfera. Para instalação correta desta combinação de dispositivos deve-se considerar possíveis efeitos de contrapressão e perda de capacidade da válvula de segurança. 3.1.9 Inspeção de Discos de Ruptura Não existem determinações padronizadas a respeito da freqüência de substituição ou de inspeção. Fabricantes sugerem prazos que variam de 12 meses até 60 meses. Na determinação dos prazos de inspeção deve ser considerada a severidade do serviço, levando em conta p.ex. corrosão, erosão, serviço cíclico, valor da pressão de operação versus a pressão de rompimento do disco,etc. Quando existe histórico de falha prematura as causas devem ser investigadas e os prazos adequados às condições de serviço. Para discos que protegem vasos de pressão o prazo de inspeção deve ser no máximo igual ao prazo de inspeção interna do vaso. Prazos superiores a 6 anos não devem ser adotados.

MANOMETRO

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A determinação da vida útil de um disco é função da experiência prévia naquelas condições de serviço específicas; as recomendações dos fabricantes podem auxiliar quando ainda não se dispõe de um histórico confiável. A substituição dos discos deve ser avaliada comparando os custos de uma indisponibilidade inesperada causada por falha prematura com os custos de uma substituição programada. Os discos de ruptura podem ser inspecionados visualmente quando instalados isoladamente. Os diafragmas (discos) devem ser verificados quanto a deformações, marcas ou danos provocados por fadiga e corrosão, e se há desenvolvimento de coque ou outro material estranho que pode afetar adversamente o seu desempenho. A inspeção dimensional e ensaios não-destrutivos (p.ex. medição de espessura com ultra-som, líquido penetrante) somente são utilizados em condições particulares, para serviços de alta pressão.

Deformação de um disco vincado É importante ter em mente que a inspeção periódica pode resultar na troca do disco, mas nenhuma informação sobre a integridade ou a vida restante pode ser determinada com segurança apenas com a inspeção visual ou dimensional. O histórico e a análise de falhas são fundamentais para essa avaliação, servindo a inspeção periódica como coadjuvante nesse processo. A inspeção deve incluir uma verificação dos alojamentos quanto à presença de depósitos nas superfícies de contato com os discos e se estas superfícies estão adequadamente lisas e planas. Uma maneira rápida de verificar se há deformações ou empenos é colocar uma régua de borda reta ao logo da superfície e verificar pontos de passagem de luz. As facas dos discos reversos devem ser periodicamente verificadas quanto à capacidade de rasgar o disco. As juntas devem ser verificadas quanto a dobras e danos físicos. Também devem ser verificados quanto à corrosão e deformações os parafusos de fixação internos ao alojamento e os de fixação aos flanges de tubulação. Quando os discos são instalados em conjunto com válvulas de segurança eles somente podem ser inspecionados quando as válvulas são removidas. Neste caso a inspeção do disco deve fazer parte da rotina de inspeção da válvula. Periodicamente, em prazos compatíveis com as condições de serviço, devem ser verificados os manômetros que obrigatoriamente são instalados entre os dois dispositivos para indicar eventual pressurização do espaço entre eles .

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Deformação do alojamento verificado com régua de borda reta O dispositivo inteiro (disco de ruptura e alojamento) do tipo pré-torqueado pode ser removido da conexão flangeada e inspecionado, podendo ser reutilizado desde que os parafusos internos de fixação do disco no suporte não sejam folgados. Uma vez que o disco seja removido do alojamento recomenda-se que o disco seja substituído. Os discos de ruptura do tipo não pré-torqueado não devem ser reinstalados após remoção do alojamento. Pode haver vazamentos devido a má vedação ou deformações, ou ainda variação da pressão de ruptura devido ao efeito do novo torque aplicado. 3.1.10 Exemplos de mau funcionamento Os danos comuns que acontecem com os discos de ruptura são corrosão e fadiga. Outras ocorrências comuns são devidas à erosão e fluência, e também danos mecânicos (deformações, arranhões) decorrentes de falta de cuidado na instalação ou no torqueamento. Há situações, como os golpes de aríete ou martelos, que provocam o rompimento prematuro e não são notados. A abertura ou fechamento rápido de válvulas em algum ponto do sistema causa picos de pressão que não são notados pela intrumentação normal de processo, mas que podem afetar os discos, que tem tempo de resposta da ordem de 1 milisegundo.

Região de aperto desuniforme com enrugamentos localizados.

Os alojamentos estão sujeitos à corrosão e deformações decorrentes de torqueamento incorreto.

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A utilização de discos apropriados para gases em processos que operam com líquidos é causa de mau funcionamento e falhas prematuras. A ocorrência de obstruções nas linhas de entrada dos discos é uma condição crítica porque pode levar à total inoperância do disco. Para evitar obstruções a conexão e o alojamento são mantidos aquecidos com “steam-tracing” ou jaquetas térmicas, ou injetado vapor ou outro tipo de gás no processo, ou ainda são utilizadas construções como a da figura abaixo que garantem fluxo contínuo pelas linhas.

Um problema comum que afeta os discos com facas, e que compromete sua utilização, ocorre quando o disco encosta nas facas e não é rasgado. Esta situação é decorrente de uso incorreto (p.ex. fluidos líquidos) ou quando na manutenção o disco é substituído mas as facas, corroídas e sem corte, não são trocadas.

Quando os discos apresentam falha prematura ou outro tipo de dano as causas das ocorrências devem ser investigadas. Na análise das soluções possíveis, além de mudanças no processo e de materiais deve-se considerar a troca para um modelo apropriado, inclusive com a utilização de tecnologias recentes.

Disco de ruptura

Figura 2 . Suporte T viscous. A superfície do disco está sempre limpa, impedindo acúmulo de produto.

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3.2 VÁLVULAS DE ALÍVIO DE PRESSÃO E VÁCUO DE TANQUES Tanques de teto fixo, usados no armazenamento de derivados de petróleo, álcool, produtos químicos, líquidos inflamáveis, etc., são projetados para operar com pressões muito próximas à pressão atmosférica ( até no máximo 300 mm de coluna de água , cerca de 0,43 psi ). Durante o enchimento, o espaço de vapor acima do nível de líquido vai sendo reduzido, em conseqüência a pressão nesta região irá aumentando. Por outro lado, durante o esvaziamento do tanque o espaço de vapor vai sendo aumentado, criando vácuo nesta região. As pressões ou vácuo decorrentes do enchimento ou esvaziamento podem superar os valores de projeto e causar danos ou até mesmo colapso do tanque, portanto é necessário que os tetos sejam abertos para atmosfera. Tanques que armazenam produtos que não causam poluição e de baixo valor econômico podem ter respiros abertos diretamente para atmosfera. No entanto, quando os líquidos armazenados são prejudiciais ao meio ambiente e causam prejuízos econômicos em caso de evaporação , deve-se reduzir ao mínimo sua emissão para a atmosfera. Deve-se considerar que as perdas por evaporação ocorrem durante enchimento e esvaziamento e também em decorrência do aumento da temperatura ambiente e de variações na pressão barométrica. 3.2.1 Ventes de conservação Os ventes de conservação são válvulas de alívio de pressão e vácuo, dispositivos que reduzem as perdas por evaporação ao mesmo tempo em que protegem os tanques de sobrepressão ou vácuo excessivo. Existem vários tipos de válvulas que fazem esta função. O mais utilizado é a válvula de alívio de pressão e vácuo com palheta, como mostra o modelo “side-by-side” da figura abaixo. Nesta válvula, palhetas em forma de disco vedam a passagem do vapor para fora do tanque, e do ar atmosférico para dentro do tanque. Quando a pressão interna sobe e atinge o

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ponto de ajuste, a palheta do lado da pressão se desloca para cima, permitindo a saída de vapor. Por outro lado, quando a pressão interna cai e se forma vácuo internamente ao tanque, a palheta do lado de vácuo se desloca para cima, permitindo a entrada de ar para dentro o tanque. Para que se alcance a capacidade máxima de fluxo os ventes requerem uma sobrepressão ou sobrevácuo, acima do ponto de abertura inicial. As pressões de abertura e de fluxo máximo não podem superar a pressão máxima de operação segura do tanque, que por sua vez é inferior à pressão de projeto. A pressão de abertura é função do diâmetro e peso das palhetas, e pode ser ajustada colocando-se pesos sobre as palhetas. As pressões de ajuste tipicamente variam de 22 mm de coluna de água ( 0,031 psig) a 35 mm de coluna de água ( 0,049 psig) para sobrepressão ; do lado do vácuo, geralmente se ajusta para abrir com 22 mm de coluna de água. Após o alívio do excesso de pressão a válvula vai fechar em pressão igual ou pouco inferior à pressão de abertura. Os ventes de conservação são fabricados em tamanhos variando de 2” a 12” , com flanges padronizados para conexão aos tanques. Os materiais de fabricação padrão da base ou corpo são: aço carbono, ferro fundido nodular, alumínio e aço inox 316 . As palhetas são de alumínio ou inox 316, revestidas com um diafragma de teflon. As sedes de vedação podem ser metálicas ou conter juntas de vedação de materiais resilientes. As guias internas são de aço inox 316. Os pesos colocados sobre as palhetas são fabricados em aço carbono, inox ou chumbo. Nas válvulas com palhetas de alumínio consegue-se calibração de até 22 mm de coluna d’água; nas válvulas com palhetas de aço inox é difícil conseguir calibração a pressões inferiores a 33 mm c.a. ( 0,047 psig). Para evitar que insetos ou aves construam abrigos ou ninhos internamente aos ventes são instaladas telas de proteção. Quando as telas tem malha pequena pode ocorrer obstrução com líquidos de alta viscosidade; neste caso o mais adequado é especificar uma tela com malha mais larga. Retentores de chama podem ser inseridos entre os ventes e o tanque, mas devem ser vistos com reserva pelo aumento dos problemas de manutenção e limpeza e também por reduzirem a capacidade de alívio .

3.2.2 Ventes de Emergência

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Em caso de falha nas válvulas de alívio de pressão e vácuo, ou quando é necessário proporcionar capacidade adicional de alívio devido a ocorrências extremas como fogo externamente ao tanque, são instaladas válvulas de emergência. Para permitir o adequado funcionamento das válvulas de alívio de pressão e vácuo os ventes de emergência devem ser ajustados para abrir em pressão superior ao ponto máximo de alívio destas válvulas. As pressões de abertura variam de 44 a 65 mm de coluna d’água ( 0,063 psig a 0,093 psig). Os materiais de fabricação desses ventes normalmente são : base de aço carbono ou alumínio, as palhetas de alumínio ou aço inox 316 e as guias internas de inox 316. Quando devidamente ajustados consegue-se uma vedação de 1 ft3/h de ar (0,5 litros/minuto) em condições padrão a 90% da pressão de ajuste . 3.2.3 Ventes para tanques pressurizados Tanques pressurizados ( pressão de projeto até 15 psig ) são utilizados em condições nas quais se pretende reduzir as emissões a valores quase nulos. De todo modo, há necessidade de se instalar válvulas que permitam alívio de sobrepressão ou sobrevácuo em caso de ocorrências operacionais ou de causas externas. Essas válvulas de alívio de pressão e vácuo podem ser acionadas por peso ou por molas, conforme pode ser visto na figura abaixo. Os ventes acionados por peso são limitados a 2 psig de ajuste, em função da limitação da altura dos pesos dentro da válvula . Os ventes acionados por mola tem pressão de ajuste variando de 3 a 12 psig. O tamanho máximo desses ventes é de 12” . Os ventes podem ser instalados separadamente, uma válvula para sobrepressão e outra para sobrevácuo, mas geralmente são instalados conjuntos com dupla função; quando os conjuntos são acionados por mola de um lado e peso do outro, a pressão de ajuste do lado da palheta de vácuo é de 0,125 psig . Os materiais de fabricação desses ventes são semelhantes aos dos ventes de baixa pressão; as sedes de vedação geralmente são de Viton e as molas de aço inox 302 .

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3.2.4 Inspeção de Válvulas de Alívio de Pressão e Vácuo As válvulas de alívio de pressão e vácuo normalmente são inspecionadas com o tanque operando, porque estes raramente são liberados, e as válvulas estão sujeitas a emperramento ou obstrução caso não sejam periodicamente examinadas. Na inspeção de campo deve-se verificar se as palhetas se movem livremente, se há obstruções e se as sedes apresentam emperramento ou vazamento. Quando existem telas de proteção deve-se verificar se há obstrução e caso necessário devem ser removidas para limpeza. Quando as válvulas são desmontadas para manutenção, os discos ( palhetas) devem ser limpos e pesados. Se a massa do disco não está correta deve-se adicionar ou remover massa para se ajustar a pressão de abertura . As sedes de vedação do tipo metal-metal devem ser polidas e mantidas perfeitamente planas. Sedes de elastômeros precisam ser removidas com cuidado e limpas com solventes apropriados; quando apresentam inchamento ou ataque químico devem ser substituídas por material mais adequado. O uso de juntas de grafite flexível é recomendado em serviços mais críticos . Para evitar vazamentos e travamento da válvula na posição aberta é necessário manter as guias lisas, sem marcas de corrosão e perfeitamente alinhadas. Ventes de emergência soldados diretamente ao teto dos tanques são muito difíceis de manter em boas condições porque os reparos têm que ser feitos no campo. A manutenção das válvulas de segurança e alívio deve ser feita em oficina para se conseguir o grau de vedação necessário, mas a montagem das válvulas habitualmente é feita no campo, porque são equipamentos pesados e há grande risco de danificar as sedes de vedação quando transportados totalmente montados . PROJETO E FABRICAÇÃO DAS VÁLVULAS O padrão API 526 estabelece alguns requisitos para fabricação das válvulas de segurança e alívio flangeadas, como dimensões externas, materiais do corpo, castelo e mola, classe de pressão dos flanges e área dos orifícios de passagem padronizados. Também as normas ASME I- Caldeiras e ASME VIII- Vasos de Pressão, estabelecem alguns requisitos gerais para fabricação, como faixa máxima de uso das molas, obrigatoriedade de existência de alavanca de acionamento para uso em vapor, projetos construtivos que facilitem instalação e drenagem, materiais adequados, etc. Não existe entretanto uma norma ou guia que englobe e padronize os requisitos específicos de projeto construtivo e fabricação das válvulas de segurança e alívio, como existe por exemplo para válvulas gaveta. No dimensionamento do corpo alguns fabricantes eventualmente adotam critérios das normas de projeto das válvulas de bloqueio (p.ex. ANSI B 16.34), outros fazem uso de técnicas mais refinadas como cálculo por elementos finitos. O dimensionamento dos componentes internos é feito com muito cuidado, especialmente disco e bocal, que devem ser bastante estreitos para garantir máxima vedação, mas precisam ter área suficiente para resistir às altas tensões causadas pela mola. Alguns fabricantes adotam orientações práticas, como p.ex. dimensionar a largura das sedes em função da pressão de abertura . Outra orientação de projeto é que a largura da sede seja aproximadamente LS = BD/100 , onde B é o diferencial de alívio requerido (em porcentagem) e D é o diâmetro do bocal ( em polegadas).

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Para se garantir perfeita vedação é necessário que as superfícies das sedes do disco e bocal estejam perfeitamente planas e polidas no grau máximo de acabamento . Outro fator importante com relação ao disco é a resistência mecânica adequada para resistir ao momento fletor. O formato do disco e a posição de apoio da haste no disco também influenciam na estanqueidade. Se o ponto de apoio da haste se situa abaixo da superfície das sedes, a tendência natural de auto alinhamento do disco irá reduzir vazamentos. Formatos adequados de disco diminuem a distorção térmica através da redução na transferência de calor através do disco, aumentando a estanqueidade. Além disso, deve-se manter concentricidade das partes internas; a haste precisa permanecer perfeitamente reta e concêntrica com o disco para garantir que não será criado um momento entre a força da mola e a pressão atuando no disco.

O suporte do disco e a guia, responsáveis pelo guiamento interno, precisam ter folgas adequadas, para evitar travamento ou folga excessiva que pode causar desalinhamento. É importante também que as superfícies estejam perfeitamente lisas para evitar agarramento. Cada fabricante adota valores máximos e mínimos de folga, bem como dimensões mínimas de disco e bocal. Na manutenção das válvulas é importante que essas dimensões sejam conhecidas e levadas em consideração, para se manter a garantia de funcionamento adequado das válvulas.

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Para evitar ataque corrosivo e reduzir o coeficiente de atrito alguns fabricantes utilizam revestimentos metálicos nas guias, com espessuras da ordem de 0,02 mm . Para garantir o rigoroso posicionamento do disco sobre o bocal os fabricantes projetam superfícies de acoplamento esféricas, na extremidade da haste e também no suporte do disco. Alguns fabricantes fazem o polimento conjunto destes componentes, peça contra peça, para proporcionar um acoplamento perfeito. Os suportes da mola também são polidos em conjunto com o parafuso de regulagem e o ponto de apoio na haste. Mesmo quando ocorre um pequeno desalinhamento dos internos em relação ao bocal este sistema construtivo proporciona o posicionamento adequado das superfícies de assentamento. Além disso, as superfícies esféricas permitem livre rotação das peças e evitam danos por fricção nas sedes quando as válvulas abrem em serviço ou nos testes de bancada. A mola tem que ser adequada ao tamanho da válvula e pressão de abertura. Algumas orientações práticas são: as molas devem ter uma razão entre diâmetro médio e espessura do arame entre 5 e 10 ; o perpendicularismo da mola não pode exceder 1,5 º para um dos lados; a folga entre a mola e os suportes da mola deve ser cerca de 10% do diâmetro externo da mola. Quanto maior o comprimento da mola maior a tendência para vazamento próximo à pressão de abertura; reduzir o número de voltas tende a eliminar o vazamento. O código ASME determina que a máxima deflexão de trabalho não pode exceder 80% da deflexão total. 4.1 Materiais de fabricação De modo geral os fabricantes estabelecem materiais padronizados, que satisfazem uma grande porcentagem das aplicações, e quando necessário alteram os componentes que estarão sujeitos ao processo corrosivo. Os fabricantes devem se preocupar tanto com os materiais em contato com o processo quanto com os que estarão em contato com o sistema de descarga, porque mesmo com a válvula fechada pode haver sérios problemas de corrosão no lado da descarga. O corpo e o castelo são as peças maiores e mais pesadas, e normalmente não estão sujeitas a altas pressões e condições muito corrosivas. O material padrão de fabricação é o aço carbono fundido. Para serviço em alta temperatura ( acima de 430 ºC ) o corpo é fabricado em aço liga Cromo-Molibdênio. Para serviço em baixa temperatura ( entre –30 ºC e –100 ºC ) o corpo é fabricado em aço baixa liga com 3,5% de Níquel. Usa-se aços inoxidáveis do tipo austenítico para temperatura muito baixa ou serviço criogênico ( abaixo de –100 ºC ). Válvulas em bronze são bastante utilizadas em serviços com água. Para serviço corrosivo é necessário empregar materiais resistentes, como Inconel, Monel, Hastelloy, etc. A utilização de pintura interna nas válvulas de aço carbono é um recurso que apresenta resultados satisfatórios quando as condições não são muito agressivas. Capuz e alavanca são fabricados no mesmo material do castelo; o material padrão é o aço carbono. O disco e o bocal são as partes que estão em contato permanente com o fluido de processo e submetidos à pressão e temperatura de trabalho. Além disso, são responsáveis pela vedação da válvula. Constituem-se portanto nos componentes mais solicitados, tanto mecanicamente quanto em termos de desgaste corrosivo, e precisam ser fabricados em materiais que resistam a essas solicitações. Os materiais padrão para disco e bocal são os aços inoxidáveis; geralmente se especifica aços inox austeníticos para o bocal (tipos 304 e 316) e aços inox ferrítico/martensíticos para os discos ( tipos 410, 420 ). Alguns fabricantes utilizam inox austenítico ou aços inox endurecidos por precipitação (tipo 17-4 PH) para construir os discos. Válvulas de segurança utilizadas em sistemas de vapor de alta pressão podem apresentar danos nas superfícies de assentamento devido à erosão provocada por pequenos vazamentos de vapor.

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O uso de revestimentos duros aplicados por soldagem, do tipo Stellite, aumenta significativamente a vida útil das sedes de disco e bocal. Para serviços muito corrosivos, nos quais os aços inox não vão resistir, são utilizadas ligas especiais. Os componentes internos como suporte do disco, guias, etc. são fabricados em aços inoxidáveis, geralmente do tipo ferrítico/martensítico (410, 420), material com boa resistência mecânica e à corrosão, e que não apresenta problemas de gripamento (“galling”). A haste normalmente é fabricada em aço tipo 420, assim como o parafuso de ajuste e o parafuso trava do anel de fechamento. Para serviço criogênico todos os componentes são fabricados em aço inox austenítico, e para serviço muito corrosivo os internos seguem a mesma especificação do material do corpo. As molas são fabricadas em aço carbono, para serviço abaixo de 230 ºC , e em aço ao Tungstênio ( 8,75 a 9,75 %W ) para temperaturas acima de 230 ºC . Abaixo de –60 ºC são utilizadas molas de aço para baixa temperatura e para serviço criogênico molas de AISI 316. Para evitar qualquer desgaste corrosivo as molas são revestidas com cádmio, níquel ou alumínio. Para condições muito corrosivas são utilizadas molas em ligas especiais como Inconel ou Hastelloy. Na fabricação de válvulas pequenas alguns fabricantes preferem padronizar as molas em materiais nobres, como Inconel e aço inox 17-7 PH, que atendem uma ampla gama de processos e temperaturas . Os foles, nas válvulas de segurança e alívio balanceadas, são fabricados normalmente em AISI 316 L. Nas válvulas construídas inteiramente em ligas especiais, como Monel, os foles também são desses materiais especiais. Anéis “O” (O-ring) são fabricados em Buna-N, Kalrez, Viton, Teflon, etc. Na determinação do tipo de material e da dureza adequada deve-se levar em consideração o fluido de serviço, a pressão e a temperatura de trabalho. Nas válvulas piloto-operadas o corpo da válvula principal é geralmente de aço carbono. A válvula piloto e as partes internas da válvula principal são de aço inoxidável. Componentes de grandes dimensões, como disco da válvula principal, podem ser construídos em aço carbono com revestimento anticorrosivo, p.ex. níquel duro. Estas válvulas possuem anéis de vedação (O-ring) tanto na válvula principal quanto no piloto. A escolha do material dos anéis de vedação deve ser criteriosa para evitar deterioração.

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1- CAPUZ – Fº Fº NODULAR 2- GARFO - Fº Fº NODULAR 3- CONTRAPORCA – AÇO CARBONO

ZINCADO 4- PARAFUSO DE REGULAGEM –410 5- SUPORTE DA MOLA – AÇO CARBONO

ZINCADO 6- MOLA – AÇO CARBONO CADMIADO 7- HASTE – INOX 410 8- ALAVANCA - Fº Fº NODULAR 9- CASTELO – A 216 WCB 10- GUIA – INOX 316 11- SUPORTE DO DISCO – INOX 316 12- PARAFUSO TRAVA – INOX 304 13- DISCO – INOX 316 14- PARAFUSO TRAVA – INOX 304 15- ANEL DE REGULAGEM – INOX 304 16- ANEL DE REGULAGEM – INOX 304 17- CORPO – A 216 WCB 18- BOCAL – INOX 316

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5. DEFINIÇÕES DE TERMOS 5.1 Dispositivos de alívio de pressão DISPOSITIVO DE ALÍVIO DE PRESSÃO – Atuado pela pressão estática a montante e projetado para abrir durante emergências ou condições anormais , para evitar uma elevação da pressão interna acima de um valor de projeto especificado. O dispositivo pode ser projetado também para evitar vácuo excessivo. O dispositivo pode ser uma válvula de alívio de pressão, um dispositivo de alívio sem retorno à posição fechada, ou uma válvula de alívio de vácuo . VÁLVULA DE ALÍVIO DE PRESSÃO – Um dispositivo de alívio de pressão projetado para abrir e aliviar um excesso de pressão e para fechar e evitar o fluxo de fluido depois que as condições normais foram restabelecidas.

VÁLVULA DE ALÍVIO ( relief valve ) - Dispositivo de alívio de pressão automático, atuado por mola e acionado pela pressão estática à montante da válvula, que abre proporcionalmente com o aumento de pressão. Usada para trabalhar com líquidos.

VÁLVULA DE SEGURANÇA ( safety valve ) - Dispositivo automático de alívio de pressão, atuado por mola e acionado pela pressão estática à montante da válvula, caracterizado pela abertura rápida ( disparo/ “pop action” ). Usada para gás ou vapor.

VÁLVULA DE SEGURANÇA E ALÍVIO ( safety relief valve ) - Dispositivo automático de alívio de pressão, adequado para ser usado tanto como válvula de segurança como de alívio, dependendo da aplicação. Usada em vapor, gás e líquido.

VÁLVULA DE SEGURANÇA E ALÍVIO CONVENCIONAL - Válvula cujas características de comportamento ( pressão de abertura e fechamento, capacidade de alívio e curso) são afetadas diretamente pela contrapressão

VÁLVULA DE SEGURANÇA E ALÍVIO BALANCEADA - Válvula que

incorpora um fole ou outro meio de minimizar os efeitos da contrapressão nas características de comportamento.

VÁLVULA TIPO PILOTO OPERADA – Válvula na qual o dispositivo principal de

alívio é combinado e controlado por uma válvula auxiliar auto-operada . DISPOSITIVO DE ALÍVIO DE PRESSÃO SEM RETORNO À POSIÇÃO FECHADA -Dispositivo automático de alívio de pressão que permanece aberto após a operação.

DISPOSITIVO DE DISCO DE RUPTURA – Dispositivo de alívio de pressão sem retorno à posição fechada, atuado pelo diferencial de pressão entre a entrada e a saída, projetado para funcionar pelo rompimento de um disco de ruptura . Inclui um disco de ruptura e um alojamento de disco de ruptura .

DISCO DE RUPTURA – Elemento do dispositivo de disco de ruptura que

contem a pressão, sensível à pressão e temperatura .

ALOJAMENTO DE DISCO DE RUPTURA – Estrutura que envolve e fixa o disco de ruptura na posição.

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5.2 Características dos dispositivos de alívio de pressão 5.2.1 Válvulas de alívio de pressão ABERTURA ( elevação ) - Deslocamento axial do disco da posição de repouso até aquela alcançada durante uma descarga. ÂNGULO DE ASSENTO ( ângulo da sede ) - Ângulo entre os eixos da válvula e da superfície de assentamento. Válvula com sede plana tem o ângulo de assento de 90° . ÁREA DO ASSENTO - Área da seção de contato entre o disco e o bocal. ÁREA DO BOCAL ( área da garganta ) - Menor área perpendicular ao eixo, medida no bocal. Para válvulas com guias inferiores, deve-se descontar as áreas referentes às hastes e guias. ÁREA DA CORTINA - Área de abertura de descarga anular, criada entre as superfícies de assentamento do disco e da sede do corpo, pela elevação do disco acima da sede fixa. ÁREA DE DESCARGA - Área real que limita a vazão da válvula. Por definição as válvulas de alta abertura ( grande elevação ) são aquelas nas quais a área do bocal é que limita a descarga. Válvulas de baixa abertura ( pequena elevação ) são aquelas nas quais a área da cortina é a que limita a descarga. BATIMENTO – Situação anormal caracterizada por aberturas e fechamentos em rápida sucessão, podendo causar sérios danos à válvula . CAPACIDADE REAL DE DESCARGA ( capacidade real de alivio ) - Capacidade de descarga determinada experimentalmente sob a pressão de alívio. CAPACIDADE TEÓRICA DE DESCARGA ( capacidade teórica de alívio ) - Capacidade de descarga obtida por cálculo. CHIADO ( simmer ) - Vazamento audível do fluido pelas sedes do disco e bocal, que ocorre antes do disparo ( pop ), pouco abaixo da pressão de abertura . COEFICIENTE DE DESCARGA - Quociente da capacidade real dividida pela capacidade teórica. CONTRAPRESSÃO ( back pressure ) - Pressão a jusante da válvula, que é resultado da pressão no sistema de descarga. É a soma da contrapressão superimposta com a contrapressão desenvolvida . CONTRAPRESSÃO DESENVOLVIDA ( built-up back pressure ) - Pressão na conexão de saída da válvula causada pela perda de carga na linha de saída após a sua abertura. CONTRAPRESSÃO SUPERIMPOSTA ( superimposed back pressure) - Pressão na conexão de saída no momento em que a válvula é solicitada a operar. É o resultado da pressão no sistema de descarga proveniente de outras fontes, e pode ser constante ou variável .

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CURSO MÁXIMO ( maximum lift ) - Deslocamento do disco da sede até a posição totalmente aberta. DIFERENCIAL DE ALÍVIO ( descarga / blowdown ) - Diferença entre a pressão de abertura e fechamento, expressa em porcentagem da pressão de abertura ou em unidades de pressão. PRESSÃO DE ABERTURA ( set pressure ) - Pressão manométrica na qual a válvula abre sob as condições de operação. No caso de operação com líquidos é a pressão na qual a válvula começa a abrir nas condições de serviço. No caso de operação com gases é a pressão na qual a válvula abre ( ação pop ) nas condições de serviço. PRESSÃO DE AJUSTE ( cold differential test pressure ) - Pressão manométrica na qual a válvula abre na bancada de teste, na temperatura ambiente e sem contrapressão. PRESSÃO DE ALÍVIO ( relief pressure ) - Soma da pressão de abertura e sobrepressão. É a pressão medida na entrada da válvula, quando a capacidade de alívio é alcançada, isto é, a válvula está no curso máximo e não há mais aumento de pressão na entrada da válvula. PRESSÃO DE FECHAMENTO ( reseating pressure ) - Pressão em que a válvula volta a fechar, na qual o disco restabelece contato com o bocal ou na qual a elevação torna-se zero . PRESSÃO DE VEDAÇÃO ( pressão de selagem ) - Pressão medida na entrada da válvula, logo após o seu fechamento, tendo vedação total. SOBREPRESSÃO ( overpressure ) - Acréscimo de pressão acima da pressão de abertura durante a descarga da válvula , que vai permitir a máxima capacidade de alívio. Expressa em porcentagem da pressão de abertura. É o mesmo que acumulação quando a válvula está ajustada para a pressão máxima de trabalho permitida. 5.2.2 Discos de ruptura PRESSÃO DE ROMPIMENTO – Valor da diferença de pressão estática a montante e a jusante do disco de ruptura, no momento imediatamente anterior ao seu rompimento. PRESSÃO DE ROMPIMENTO MARCADA - Pressão de rompimento estabelecida em teste na temperatura especificada e marcada no disco pelo fabricante. A pressão de rompimento marcada pode ser qualquer pressão dentro da margem de fabricação, a não ser quando especificado de outra forma pelo usuário. A pressão de rompimento marcada aplica-se a todos os discos de ruptura de um mesmo lote . PRESSÃO DE ROMPIMENTO ESPECIFICADA – Pressão de rompimento especificada pelo usuário. A pressão de rompimento marcada pode ser maior ou menor que a pressão de rompimento especificada, mas deve se situar dentro da margem de fabricação. O usuário deve estar atento quanto à margem de fabricação, contrapressão superimposta e temperatura especificada quando for determinar a pressão de rompimento especificada. TOLERÂNCIA DA PRESSÃO DE ROMPIMENTO – Variação na pressão de rompimento marcada, na temperatura especificada do disco, na qual um disco de ruptura pode romper.

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MARGEM DE FABRICAÇÃO – Variação de pressão na qual o disco de ruptura pode ser marcado. As margens de fabricação são usualmente catalogadas pelos fabricantes como uma porcentagem da pressão de rompimento especificada . TEMPERATURA ESPECIFICADA DO DISCO – Temperatura do disco na qual se espera seu rompimento. Temperatura que o fabricante utiliza para estabelecer a pressão de rompimento marcada . 5.3 Características do sistema protegido ACUMULAÇÃO ( accumulation ) - Máximo aumento de pressão acima da pressão máxima de trabalho permitida durante a descarga da válvula. É expressa em porcentagem da pressão máxima de trabalho permitida. PRESSÃO MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL ( PMTA ) ( maximum allowable working pressure ; também denominada Pressão Máxima de Trabalho Permitida PMTP ) - Como definida nos códigos de projeto para vasos de pressão não sujeitos a fogo, é a máxima pressão manométrica permissível no topo do vaso em sua posição normal de operação, na temperatura designada para aquela pressão. Esta pressão é a menor dos valores para pressão interna ou externa determinada pelas regras de projeto para cada elemento do vaso, usando-se a espessura nominal real, excluindo-se espessuras adicionais para corrosão e outras cargas além da pressão. O vaso não deve ser operado acima dessa pressão, conseqüentemente ela é a maior pressão na qual a válvula de segurança e alívio primária está ajustada para abrir. PRESSÃO DE OPERAÇÃO ( operating pressure ) - Pressão efetiva atuando sob a válvula nas condições de trabalho. PRESSÃO DE PROJETO ( design pressure ) - Utilizada, juntamente com a temperatura de projeto, para determinar a espessura mínima de cada componente do vaso, utilizando-se as regras de projeto. A pressão de projeto é escolhida pelo usuário de modo a prover uma margem adequada acima da mais severa pressão esperada durante operação normal . Pode ser utilizada no lugar da pressão máxima de trabalho permitida, em todos os casos em que esta não é estabelecida. A pressão de projeto é igual ou menor que a PMTA .

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6. DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO Este capítulo tem por objetivo apresentar noções básicas gerais sobre dimensionamento e seleção de dispositivos de alívio para proteção de vasos de pressão, caldeiras e outros equipamentos usados em refinarias, plantas de petróleo, petroquímicas e indústrias correlatas. Na primeira parte são abordados os vasos de pressão com Pressão Máxima de Trabalho Admissível igual ou maior que 15 psig (103 kPag). Os métodos aqui aplicados estão baseados no API RP 520 e no Código ASME Seção VIII e destinam-se à proteção de vasos de pressão contra sobrepressões causadas por falhas operacionais e por fogo. Tais dispositivos não protegem os equipamentos contra falhas estruturais causadas pela exposição à temperaturas muito elevadas causadas por incêndios. Os critérios da norma de tubulações ANSI B31.3 são apresentados no item 6.3.1. No capítulo 6.12 são abordadas as válvulas de segurança usadas na proteção de caldeiras, usando-se os critérios do Código ASME I . Tanques e outros equipamentos que operam sob pressões menores que 15 psig (103 kPag), inclusive sob pressão ambiente ou vácuo, estão fora do escopo deste trabalho, devendo ser tratados segundo normas específicas tais como o API Standard 2000.

6.1 Considerações Gerais Os dispositivos de segurança para alívio de pressão são instalados para assegurar que um sistema de processo, quaisquer dos seus componentes, ou um equipamento individual, não seja submetido a pressões maiores que um determinado valor acima da PMTA, estabelecido nas normas de projeto, denominado pressão de acumulação . Para efetuar o correto dimensionamento e a seleção de dispositivos de alívio de pressão é preciso conhecer ou definir previamente diversos fatores, tais como : as condições operacionais de processo das instalações ou do equipamento a ser protegido; os requisitos estabelecidos pelo código de projeto; as normas de dimensionamento a serem utilizadas; quais são os tipos dos dispositivos de segurança aplicáveis e como deverão atuar . Dispositivos de falha segura e outros sistemas de instrumentação de controle não devem ser usados para substituir os dispositivos de alívio de pressão na proteção dos equipamentos de processo. Existem porém situações nas quais os dispositivos de alívio de pressão não são efetivos em termos de proteção, sendo necessária a adoção de outras providências mais eficientes, de acordo com cada caso. Para se dimensionar e selecionar adequadamente um dispositivo de alívio de pressão para determinada aplicação, é preciso identificar as possíveis contingências para as quais a proteção contra sobrepressão será necessária. A avaliação das causas e da magnitude de sobrepressão deve ser abrangente e feita com cuidado e criteriosamente. Todas as contingências devem ser avaliadas sob o aspecto da intensidade das pressões que poderão ser geradas, dos valores de vazões que precisam ser aliviadas, e da rapidez em que é necessário efetuar o alívio. De modo geral o dimensionamento e seleção do dispositivo de alívio segue as seguintes etapas: a) Verificar todas as causas e fontes potenciais de sobrepressão que são possíveis de

ocorrerem, com o auxílio do projeto básico de processo, utilizando diagramas de tubulações e instrumentos, balanços de massa e energia do processo, ferramentas de análise de risco e outros métodos de avaliação que forem necessários.

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b) Analisar cada possível fonte potencial de sobrepressão, com base nos dados de processo (pressão, temperatura, fluido, vazão, etc), para determinar as vazões de alívio necessárias, nas pressões de acumulação permitidas pelo código de projeto do equipamento.

c) Escolher a contingência que vai levar a maior vazão através do dispositivo de alívio. d) Verificar dados do projeto do equipamento ou sistema a proteger. e) Definir, em função dos seguintes fatores: condições das fontes potenciais de sobrepressão;

valores da pressão e da vazão de alívio; rapidez necessária de resposta; condições de contrapressão; condições operacionais antes da abertura do dispositivo e durante o alívio; características dos fluidos de processo; e demais dados importantes, quais alternativas são mais adequadas para proteção em termos da quantidade e tipo de dispositivo de alívio.

f) De posse dos dados necessários para efetuar o dimensionamento, calcular a área de orifício requerida para alívio.

g) Especificar o(s) dispositivo(s) de alívio mais adequado(s), levando em consideração os seguintes aspectos: características, campo de aplicação e especificação do(s) dispositivo(s), adequação de materiais, limites de pressão e temperatura, etc .

h) Preencher folha de dados com especificação do(s) dispositivo(s) de alívio. 6.2 Causas de sobrepressão

O primeiro passo para o projeto de proteção contra excesso de pressão é considerar as contingências que poderão estar presentes e causar sobrepressão. Feito isto, deve-se proceder à quantificação das vazões de fluidos que deverão ser aliviados. A sobrepressão ocorre como conseqüência de desbalanceamento ou interrupção dos fluxos normais de material ou energia, permitindo a elevação da pressão no todo ou em alguma parte do equipamento ou sistema. A análise das causas e intensidades das sobrepressões é um indispensável estudo que deve ser efetuado de forma independente para qualquer equipamento ou sistema de processo. Qualquer circunstância que possa constituir uma condição de risco e possa prevalecer sobre as condições normais do processo deve ser considerada no projeto. A Prática Recomendada RP 521 do API apresenta na sua Parte 1, Dimensionamento e Seleção, uma lista de condições comuns de operação, nas quais a proteção contra sobrepressão pode ser requerida. No texto fica claro que esta lista não é completa, e se recomenda verificar outras possíveis contingências particulares de cada planta, que podem resultar em sobrepressão. Esta RP 521 também provê uma discussão detalhada dos requisitos de alívio e cuidados recomendados para diversas situações emergenciais de operação.

6.2.1 Fontes potenciais de sobrepressão

As principais fontes potenciais de sobrepressão podem ser divididas em 2 grupos: falhas operacionais e efeitos térmicos, conforme detalhado a seguir. a) Falhas operacionais

Os eventos que provocam sobrepressões acima dos limites de tolerância permitidos pelas normas de projeto dos equipamentos e que são considerados genericamente como falhas ou contingências operacionais, envolvem não somente os casos típicos de erros operacionais por parte daqueles que operam as instalações, mas também as falhas funcionais que ocorrem nos equipamentos . Alguns exemplos de contingências operacionais:

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- Fechamento inadvertido de válvulas de bloqueio ou de controle na descarga de equipamentos pressurizados.

- Abertura inadvertida ou falha de válvulas que permitam a passagem de fluído de outra fonte que possa pressurizar o equipamento acima da sua PMTA, inclusive devido à ocorrência de vaporização ou “flacheamento” do fluido ao adentrar no seu interior.

- Falha de refluxo, promovendo elevação crítica de pressão. - Falhas em sistemas de utilidades (tais como suprimento de água e ar, energia, combustíveis,

etc) que possam resultar em elevações críticas de pressão de equipamentos, tais como nas caldeiras.

- Reações químicas exotérmicas e mudanças bruscas nas condições de processo podem gerar condições de pressão e temperatura superiores aos limites recomendados para os equipamentos. Nestes casos deve-se verificar se é necessário considerar outros meios de proteção além do dispositivo de alívio de pressão.

- Mau funcionamento de válvulas de retenção, resultando em reversão de fluídos com conseqüente elevação de pressão acima da PMTA .

- Falha em tubo de permutadores de calor que possibilita que a corrente de pressão mais alta pressurize a região de baixa pressão do permutador.

- Surgimento de pressões transientes tais como na ocorrência de golpes de aríete em tubulações de líquidos e bloqueios rápidos em tubulações de vapor. Nesses casos o uso de válvulas de alívio de pressão não é a melhor solução para evitar que ocorram danos.

- Falhas de resfriadores (trocadores de calor e ventiladores, por exemplo), com conseqüente elevação de pressão por efeito de temperatura.

b) Efeitos térmicos

Neste grupo estão incluídas tanto as elevações de pressão causadas pelo fogo, quanto por outras fontes de calor menos intensas capazes de promoverem expansão hidráulica de líquidos, e que implicam na necessidade de adoção de pequenos dispositivo de proteção para alívio térmico. Expansão hidráulica: ocorre por várias causas, das quais as mais comuns são as seguintes:

a) Bloqueio de vasos ou tubulações cheios de líquido frio ou com temperatura próxima à ambiente, que são aquecidos pela radiação solar, por traços de aquecimento (steam tracing), pelo ambiente externo ou equipamentos quentes próximos.

b) Bloqueio de fluido frio no interior de trocadores de calor sem interromper o fluxo do fluido quente.

De modo geral, a capacidade requerida é pequena e difícil de ser determinada. Nestes casos a especificação de uma válvula de alívio de ¾” x 1” geralmente é suficiente, chegando até a ser superdimensionada. A válvula de alívio deve ser ajustada para abrir sob pressão igual ou abaixo da PMTA do equipamento e acima da pressão de operação o suficiente para atuar apenas em condições de expansão hidráulica. Se houver contrapressão superimposta seus efeitos no funcionamento da válvula de alívio devem ser considerados. Existem duas situações específicas, nas quais a simples instalação de uma válvula de alívio de ¾” x 1” não atende, e por isso torna-se necessário efetuar dimensionamento. Tubulações longas e de grande diâmetro, e grandes vasos ou trocadores de calor que operam cheios de líquidos, aquecem a taxas calculáveis quando expostos ao sol. Se a taxa de transferência de calor e o coeficiente de expansão térmica forem conhecidos, a capacidade de alívio requerida pode ser calculada através da equação 1 abaixo, usando-se os dados da tabela 1 ( dados do API 521 ) .

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Tabela 1 (API 521) - Valores típicos de coeficiente de expansão cúbica para hidrocarbonetos líquidos e água a 60 ºF. Densidade do líquido (ºAPI) Valor (por ºF) 3 a 34,9 0,0004 35 a 50,9 0,0005 51 a 63,9 0,0006 64 a 78,9 0,0007 79 a 88,9 0,0008 89 a 93,9 0,00085 94 a 100 e mais leves 0,0009 água 0,0001 Equação 1. Dimensionamento de dispositivo para alívio térmico ( API 521 )

GCBHgpm

500=

Onde: gpm= taxa de vazão na temperatura de descarga em galões por minuto B= Coeficiente de expansão cúbica por grau Fahrenheit para o líquido na temperatura esperada. H= taxa de transferência de calor em BTU por hora. G= densidade em relação à água ( = 1,0 a 60 ºF ). A compressibilidade do líquido é geralmente ignorada. C= calor específico do fluido em BTU por libra por grau Fahrenheit.

Sobrepressão causada pelo fogo. A superfície interna de equipamentos de processo e tubulações que está em contato com líquidos (“área molhada”), possui um forte potencial para gerar vapor, quando exposta à ação do calor devido à ocorrência de incêndio externamente, independentemente do contato direto do fogo com a chapa do equipamento. Nestes casos é preciso verificar a capacidade de vaporização e calcular as vazões que precisam ser aliviadas devido à vaporização. Normalmente na determinação da capacidade de geração de vapor leva-se em consideração apenas a “área molhada” que fica a uma distância de até aproximadamente 7,62 metros ( 25 ft ) da fonte de chamas. A existência de dispositivos de segurança para alívio de pressão não garante que o equipamento estará permanentemente protegido em condições de incêndio com grande duração, pois os materiais de fabricação dos equipamentos só resistiriam a altas temperaturas até um determinado tempo, visto que nesses casos o equipamento poderá ser submetido a temperatura geralmente muito superior à de projeto. Se a elevação da temperatura for capaz de danificar o equipamento deve-se adotar proteção adicional. A existência de meios para iniciar uma parada do processo, a instalação de sistemas de despressurização da planta ou do equipamento de processo, o resfriamento externo dos mesmos, etc., são meios que podem minimizar os riscos de falha catastrófica que pode resultar da exposição a fontes externas de calor. A norma API RP 521 apresenta mais detalhes sobre este assunto e provê uma discussão detalhada dos requisitos de alívio para cada condição emergencial de operação. Em especial apresenta também uma discussão para casos de contingência por fogo. No item 6.9.7 são detalhados os métodos utilizados no dimensionamento para fogo .

50

6.2.2 Definição da quantidade de fluido a ser aliviado A tabela 2 (do API RP 521) lista de maneira genérica as ocorrências comuns que podem requerer proteção contra sobrepressão e as quantidades a serem aliviadas.

Tabela 2 – Bases para definir capacidade de alívio sob condições selecionadas

Item Condição Dispositivo de Alívio para líquido

Dispositivo de Alívio para vapor ou gás

1 Bloqueios fechados em vasos Vazão máxima de entrada no

bombeamento

Quantidade total de gás e vapor que entram mais o gerado nas condições de alívio

2 Falha na água de resfriamento em condensadores

Vapor total que seria condensado nas condições de alívio

3 Falha no sistema de refluxo de topo de torre

Diferença entre vapor entrando e saindo nas condições de alívio menos o vapor condensado pelo refluxo lateral

4 Falha no refluxo lateral Diferença entre vapor entrando e saindo da seção nas condições de alívio

5 Falha no fluxo absorvente Normalmente não é necessário 6 Acumulação de não

condensáveis Torres – como item 1 ; Vasos – como

item 2 7 Entrada de material volátil –

Água ou hidrocarboneto leve em óleo quente

Para torres normalmente não é previsível. Para trocadores assumir uma área o dobro da seção interna de um tubo, prevendo entrada de fluido volátil devido à ruptura de um tubo

8 Transbordamento Vazão máxima de entrada

9 Falha de controles automáticos Analisar caso a caso 10 Entrada anormal de vapor ou

calor Máxima geração de vapor estimada

incluindo não condensáveis do sobreaquecimento

11 Furo ou ruptura em tubo de permutador

Vapor entrando em 2 vezes a área de um tubo

12 Explosão interna Não controlada por dispositivos de alívio convencionais mas pela eliminação das circunstâncias

13 Reação química Analisar caso a caso 14 Expansão hidráulica 15 Fogo externo ao equipamento Método de cálculo específico 16 Falha de energia Analisar caso a caso

6.3 Verificação de dados do projeto do equipamento ou da instalação a proteger Nesta etapa verificam-se as características particulares do equipamento: código de construção, temperatura de projeto, pressão de projeto, pressão máxima operacional, acumulação permitida, sobrepressão, pressão de abertura do dispositivo de alívio, etc. 6.3.1 Valores de acumulação e de sobrepressão a serem adotados O percentual da acumulação permitida pelo código de projeto é indispensável para se calcular a área do orifício requerida para aliviar as vazões necessárias à proteção do equipamento e para selecionar o tipo de dispositivo de proteção. Em função da PMTA do equipamento, da pressão de operação do sistema e do valor da acumulação permitida pelo código de projeto do equipamento, pode-se praticar alguma variação

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no valor da sobrepressão, desde que sejam respeitados os limite de acumulação dos equipamentos e de pressão de abertura dos dispositivos de segurança, estabelecidos por norma. O Código ASME Sec. VIII ( vasos de pressão não sujeitos a chama ) estabelece valores diferenciados de acumulação levando em consideração o tipo de contingência (operacional ou fogo) para a qual será requerida proteção para alívio de pressão. O Código faculta também a opção de proteção do equipamento através da instalação de dispositivo único ou múltiplos. Permite ainda o uso consorciado de discos de ruptura com válvulas de segurança e alívio. Nos casos em que for escolhida a instalação de dispositivos múltiplos para proteger um equipamento, mesmo sendo adotados critérios de proteção diferentes (fogo e falha operacional, por exemplo), a soma das capacidades totais dos dispositivos deve ser suficiente para não permitir que ocorra sobrepressão acima do limite estabelecido pelo código. O dispositivo usado para proteção contra o efeito fogo, em adição a dispositivos de proteção por contingência operacional, é designado como dispositivo suplementar. É facultado também, pelo código ASME Sec. VIII e guia API RP 521, a possibilidade de um mesmo dispositivo ser usado e considerado satisfatório para proteção contra contingências operacionais ou de fogo, desde que tenha capacidade de alívio que atenda ambas as contingências dentro dos respectivos limites de sobrepressão aplicáveis. O Código ASME VIII limita os valores máximos de sobrepressão e acumulação da seguinte forma: acumulação máxima de 10% para contingências operacionais, quando for adotada a opção de dispositivo único de alívio de pressão. Para instalações com dispositivos múltiplos o código permite uma acumulação máxima de 16%. Em caso de proteção contra fogo ou qualquer fonte externa de calor, o código admite 21% de acumulação máxima. Deve-se observar que para vasos que possuam pressão de projeto ou PMTA entre 15 e 30 psig o Código ASME Seção VIII estabelece um valor de acumulação de 3 psi. Para instalação de dispositivos múltiplos admite-se 4 psi de acumulação . É importante salientar que embora o Código ASME VIII estabeleça os valores de acumulação devido a falha operacional em 10% para proteção singela e 16% para dispositivos múltiplos, e 21% para fogo, permite em alguns casos a adoção de valores de sobrepressão maiores, desde que sejam respeitados os limites de acumulação. Deve-se lembrar que acumulação se refere ao equipamento protegido, enquanto que sobrepressão está relacionada com o dispositivo de alívio de pressão. Os valores de sobrepressão e acumulação são iguais quando o dispositivo está ajustado para abrir na PMTA. Quando o dispositivo está ajustado para abrir abaixo da PMTA pode-se adotar valores mais altos de sobrepressão contanto que os limites de 10%, 16% ou 21% de acumulação sejam respeitados. Outro requisito da citada secção é que todas as válvulas construídas segundo os seus critérios devem alcançar a capacidade total de vazão sob condição de sobrepressão máxima de 10%. Essa condição é verificada no teste de certificação, no qual se mede a capacidade de alívio . Tubulações. A norma ANSI B31.3 adota os mesmos critérios estabelecidos pelo ASME VIII, ressaltando que deve ser substituído “vaso” por “sistema de tubulação” e “PMTA” por “pressão de projeto”. A sobrepressão máxima é de 10%, com as seguintes exceções: b) a pressão de alívio pode exceder a pressão de projeto excepcionalmente no máximo em:

b.1) 33% durante no máximo 10 horas de uma vez ou no máximo 100 horas no ano;

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b.2) 20% durante no máximo 50 horas de uma vez ou no máximo 500 horas no ano. Outros serviços. Em serviços com líquidos não incluídos nas normas ASME geralmente é adotada sobrepressão de 25%. 6.3.2 Pressão de Abertura (“set pressure”) Como regra geral a pressão de abertura é igual ou menor que a pressão de projeto ou PMTA. Para o caso de adoção de dispositivos múltiplos, as normas e códigos determinam que pelo menos um dos dispositivos de segurança e alívio de pressão seja ajustado para atuar no máximo na pressão de projeto do equipamento protegido. Caso seja adotado o sistema com dispositivos múltiplos, para vasos de pressão, o ASME VIII e o API RP 520 estabelecem os seguintes limites para os valores de pressão de abertura dos dispositivos de alívio ( válvulas de segurança ou discos de ruptura - ver tabela 3 ):

- Para falha operacional o primeiro dispositivo deverá ser ajustado no máximo até 100% da

pressão de projeto ou da PMTA, e a pressão de abertura do(s) dispositivos adicional(is) estará limitada até a 105% da pressão de projeto ou da PMTA. ( Deve-se salientar que como a acumulação permitida é de 16% , o primeiro dispositivo será dimensionado para 16% de sobrepressão e o dispositivo adicional será dimensionado para 11 % de sobrepressão ).

- Para proteção contra efeito de fogo o primeiro dispositivo deverá ser ajustado no máximo

até 100% da pressão de projeto ou da PMTA; a pressão de abertura do dispositivo adicional deverá ser limitada a no máximo 105 % da pressão de projeto ou PMTA. A pressão de abertura do dispositivo suplementar, para fogo, deve ser no máximo de 110% da PMTA, e dimensionado para 11 % de sobrepressão. O dispositivo suplementar deve ser usado unicamente em suplementação a dispositivos que tenham sido dimensionados para falha operacional .

Tubulações. A norma ANSI B31.3 adota os critérios do ASME VIII, usando os termos “sistema de tubulação” e “pressão de projeto”. A pressão de abertura deve ser igual ou menor que a pressão de projeto com a seguinte exceção: a) quando uma parte do sistema de tubulação está bloqueada e o dispositivo de alívio é usado para proteger apenas esta parte dos efeitos de expansão térmica, a pressão de abertura pode exceder o menor valor entre a pressão de teste ou 120% da pressão de projeto. 6.3.3 Diferencial de alívio (Blowdown) Embora o diferencial de alívio não seja uma variável importante para o dimensionamento de uma válvula de segurança, deve ser considerado na seleção das válvulas, pois estas apresentam características construtivas diferentes, inclusive quanto à pressão de fechamento. Os códigos de projeto especificam limites diferentes para o diferencial de alívio das válvulas, em função da aplicação a que será submetida. Para vasos de pressão que operam com gás ou vapor, o Código ASME Section VIII estabelece que o diferencial de alívio seja de até 7% ou 3 psi, o que for maior. Para serviços com fluidos incompressíveis e em casos em que a válvula não possua dispositivo de regulagem do fechamento, o Código não estabelece limite para o diferencial de alívio, determinando apenas que seja informado pelo fabricante. Em situações menos rigorosas, nas quais se utilizam dispositivos mais simples, como é o caso de alívio térmico ou descarga de bombas, o diferencial de alívio é da ordem de 15 a 20% .

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Tabela 3. Requisitos do ASME VIII para válvulas em vasos de pressão

REQUISITOS PARA VASO DE PRESSÃO

PRESSÃO DO VASO

CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DA VÁLVULA DE SEGURANÇA

Pressão máxima admissível de acumulação (exposição a fogo)

121 Pressão máxima de alívio para dimensionamento fogo

Pressão máxima admissível de acumulação (instalação de válvulas múltiplas)

116 Pressão máxima de alívio para dimensionamento válvulas múltiplas

Pressão máxima admissível de acumulação (válvula única)

110 Máxima pressão de abertura para válvulas suplementares (fogo)

105 Máxima pressão de abertura para válvulas adicionais (processo/fogo)

Pressão máxima de trabalho admissível ou pressão de projeto

100 Máxima pressão de abertura para válvula única ou para a primeira válvula múltipla

93 Pressão de fechamento esperada

Pressão máxima de operação esperada

90

Valores limite de pressão de abertura e de acumulação para vasos de pressão (ASME VIII)

Contingência Válvula Única Válvulas Múltiplas Max.Pr. Abertura Acumulação max Max.Pr.Abertura Acumulação max

Falha operac. Primeira válv. 100 110 100 116 Válv.adicional - - 105 116

Fogo

Primeira válv. 100 121 100 121 Válv.adicional - - 105 121 Válv.suplem. - - 110 121

Determinação da pressão de alívio. Válvula única. Falha operacional

Pressão de abertura < PMTA Pressão de abertura = à PMTA Característica Valor Característica Valor

PMTA do vaso, psig 100 PMTA do vaso, psig 100 Acumulação máxima ,psig 110 Acumulação máxima ,psig 110 Pr.abertura valvula, psig 90 Pr.abertura valvula, psig 100 Sobrepressão admissível, psig 20 Sobrepressão admissível, psig 10 Pressão de alívio, P1, psia 124,7 Pressão de alívio, P1, psia 124,7

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Determinação da pressão de alívio. Válvulas múltiplas. Falha operacional Primeira válvula Válvula adicional

Característica Valor Característica Valor PMTA do vaso, psig 100 PMTA do vaso, psig 100 Acumulação máxima ,psig 116 Acumulação máxima ,psig 116 Pr.abertura valvula, psig 100 Pr.abertura valvula, psig 105 Sobrepressão admissível, psig 16 Sobrepressão admissível, psig 11 Pressão de alívio, P1, psia 130,7 Pressão de alívio, P1, psia 130,7 Determinação da pressão de alívio. Válvula única. Fogo

Pressão de abertura < PMTA Pressão de abertura = à PMTA Característica Valor Característica Valor

PMTA do vaso, psig 100 PMTA do vaso, psig 100 Acumulação máxima ,psig 121 Acumulação máxima ,psig 121 Pr.abertura valvula, psig 90 Pr.abertura valvula, psig 100 Sobrepressão admissível, psig 31 Sobrepressão admissível, psig 21 Pressão de alívio, P1, psia 135,7 Pressão de alívio, P1, psia 135,7 Determinação da pressão de alívio. Válvulas múltiplas. Fogo Primeira válvula Válvula adicional

Característica Valor Característica Valor PMTA do vaso, psig 100 PMTA do vaso, psig 100 Acumulação máxima ,psig 121 Acumulação máxima ,psig 121 Pr.abertura valvula, psig 100 Pr.abertura valvula, psig 105 Sobrepressão admissível, psig 21 Sobrepressão admissível, psig 16 Pressão de alívio, P1, psia 135,7 Pressão de alívio, P1, psia 135,7 Determinação da pressão de alívio. Válvula suplementar para fogo . Primeira válvula Válvula suplementar para fogo

Característica Valor Característica Valor PMTA do vaso, psig 100 PMTA do vaso, psig 100 Acumulação máxima ,psig 121 Acumulação máxima ,psig 121 Pr.abertura valvula, psig 100 Pr.abertura valvula, psig 110 Sobrepressão admissível, psig 21 Sobrepressão admissível, psig 11 Pressão de alívio, P1, psia 135,7 Pressão de alívio, P1, psia 135,7 6.3.4 Diferencial entre pressão de abertura e pressão de operação O código ASME VIII estabelece apenas recomendações de caráter geral ( Appendix M – Nonmandatory) quanto ao diferencial entre a pressão de operação do sistema e a pressão de abertura da válvula de alívio de pressão, com o objetivo de proporcionar funcionamento adequado para as válvulas. Entre as recomendações para minimizar problemas operacionais, sugere aos projetistas considerar condições de operação excepcionais, como partidas e paradas, sobrepressões, etc. Consideração especial deve ser feita com relação a fluidos que ao serem aliviados causam poluição ou colocam a instalação em perigo. Sugere um diferencial maior quando os fluidos são tóxicos, corrosivos ou excepcionalmente caros . Como recomendação de caráter geral, o código ASME VIII estabelece os seguintes diferenciais mínimos entre pressão de operação e pressão de abertura :

5 psi ( 35 kPa) para pressão de abertura abaixo de 70 psi ( 490 kPa ) ; 10% para valores de pressão de abertura entre 71 a 1000 psi; 7% para pressão de abertura superior a 1000 psi ( 6900 kPa ).

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6.4 Verificação das características do processo Deve-se verificar: pressão normal de operação comparando-a com a pressão de projeto ou PMTA; temperatura de operação; vazão e características do produto a ser aliviado (tais como presença de sólidos em suspensão, viscosidade, corrosividade, possibilidade de solidificação, fluxo bifásico); previsão de significativas instabilidades na pressão de operação, principalmente pulsação e vibração, etc. Deve-se verificar se há contrapressão, se é variável ou constante, e seu valor. Também se deve atentar se o fluido é tóxico, inflamável ou corrosivo, pois isto é fundamental para a seleção do modelo de dispositivo mais adequado.

6.5 Definição das alternativas mais adequadas para proteção Em função do estudo das características e dados acima mencionados, procede-se à seleção do tipo, combinação e quantidade de dispositivos que apresentam as melhores características construtivas e operacionais para proporcionar a proteção requerida. Ou seja, decide-se primeiramente pelo uso de um disco de ruptura ou de uma válvula de alívio de pressão, ou ainda a combinação de ambos os dispositivos. Decide-se também se é mais adequado utilizar apenas um dispositivo ou múltiplos dispositivos. Finalmente deve-se definir o tipo ou modelo de válvula a ser utilizado (válvula convencional, balanceada, piloto operada, etc.) ou de disco (convencional, reverso, reverso vincado, etc.) . O uso de válvulas múltiplas é recomendável nas seguintes situações: (a) Capacidade requerida superior à oferecida pelo maior orifício (“T”) disponível; (b) Classe de pressão da válvula incompatível com a pressão de ajuste; (c) Contingências múltiplas com vazões muito diferentes. Válvulas do tipo piloto operadas são indicadas quando há necessidade de aliviar grandes vazões conjugadas com alta pressão de alívio . Em situações em que ocorrem reações fora de controle, é necessário um dispositivo que tenha alta rapidez de resposta e grande capacidade de vazão, e neste caso um disco de ruptura é mais adequado que uma válvula . Em casos onde há risco de corrosão dos internos da válvula ou risco de obstrução na conexão de entrada, o uso combinado de um disco na entrada da válvula de alívio de pressão é a estratégia de proteção mais indicada. Há ainda casos em que válvulas de alívio de pressão ou discos de ruptura não representam a melhor opção, como as situações de elevados picos de sobrepressão causados em tubulações por golpes de aríete, em que um amortecedor de pulsação poderia ser mais adequado . 6.6 Cálculo da área de orifício requerida para alívio Quando se dimensiona um dispositivo de segurança, o que se procura determinar é a área de passagem, designada área requerida, capaz de descarregar toda a vazão gerada ou admitida pelo equipamento protegido, sem permitir que a pressão ultrapasse os limites de sobrepressão permitidos pelo código de projeto e normas aplicáveis ao equipamento ou instalação protegida. O dimensionamento dos dispositivos de segurança e alívio de pressão é um dos últimos passos e deve ser executado a partir das informações obtidas com base nos dados do equipamento, do processo e das instalações.

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O dimensionamento pode ser efetuado de três maneiras: manualmente através de uso de equações; através de gráficos e tabelas contidas em catálogos dos fabricantes; através de programas de computador: a) Dimensionamento através de uso de equações: De posse dos dados, pode-se efetuar o cálculo do orifício, usando-se equações apropriadas para vapor d’água, gás ou líquido. No item 6.9 são apresentadas as equações, tabelas e gráficos do API RP 520 usadas para dimensionamento. Em seguida é escolhido um dispositivo que tenha área efetiva igual ou imediatamente acima da área calculada e cuja especificação quanto a limites de pressão e temperatura, sobrepressão, diferencial de alívio e materiais atendam às condições de serviço. Não se deve usar válvulas com orifício muito superior ao calculado porque o superdimensionamento é uma das condições que pode provocar batimento (“chattering”, seqüência de múltiplas aberturas e fechamentos rápidos e sucessivos ), que reduz a capacidade de alívio e causa graves danos à válvula. O conceito de área efetiva permite a seleção da válvula independentemente do fabricante. As áreas efetivas dos orifícios padronizados e sua designação em letras correspondentes são encontradas na norma API 526, conforme tabela 4 abaixo. Há também válvulas cujos orifícios são diferentes do padrão API 526, e que são largamente utilizadas.

Tabela 4. Área efetiva do orifício e designação em letras segundo padrão do API 526

Designação do Orifício

Área Efetiva (in2 )

Área Efetiva (cm2 )

Designação do Orifício

Área Efetiva (in2 )

Área Efetiva (cm2 )

D 0.110 0,709 L 2.853 18,40

E 0.196 1,265 M 3.600 23,23

F 0.307 1,980 N 4.340 28,00

G 0.503 3,245 P 6.380 41,16

H 0.785 5,065 Q 11.050 71,30

J 1.287 8,303 R 16.000 103,20

K 1.838 11,86 T 26.000 167,70

b) Dimensionamento através de tabelas dos fabricantes. Outra maneira mais rápida, porém menos precisa, é a seleção do dispositivo e orifício através de gráficos e tabelas encontradas em catálogos dos fabricantes de válvulas e discos. Esta maneira é bastante aplicada quando se trata de serviços com ar, água e vapor d’água. Ela é feita de forma simplista, em função do fluído, vazão, pressão de abertura, sobrepressão e temperatura de alívio. Os gráficos e tabelas apresentam capacidades máximas de vazão de um determinado orifício efetivo para ar, vapor ou água. Para outros fluidos que possuem características diferentes em relação à água, ar comprimido ou vapor d’água, é recomendável que se faça o dimensionamento através da aplicação das equações específicas do API RP 520.

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c) Dimensionamento através de programas de computador. Existem também programas fornecidos gratuitamente pelos fabricantes de dispositivos de alívio de pressão, que são de fácil utilização e possibilitam cálculo e especificação desses dispositivos. Esses programas calculam a área requerida e informam qual o orifício selecionado e o modelo de válvula ou de disco de ruptura mais apropriado para aquela situação. 6.7 Seleção do dispositivo apropriado Após a definição de qual a melhor estratégia de proteção ( uso de disco ou válvula, uso de dispositivo único ou múltiplos ) e do cálculo da área de orifício requerida, procede-se à escolha da melhor opção de modelo de válvula ou disco, levando-se em conta detalhes específicos como diferencial entre pressão de abertura e pressão de operação, existência e valor da contrapressão, características dos fluidos, detalhes construtivos importantes, etc. Deve-se definir também a classe de pressão das conexões rosqueadas, soldadas ou flangeadas. No caso das válvulas flangeadas a norma API 526 determina o tamanho e classe de pressão dos flanges de entrada e saída da válvula em função do orifício selecionado e da pressão de abertura . Deve-se também escolher os materiais compatíveis com o fluido e temperatura de processo. Neste processo deve-se recorrer às informações contidas em catálogos de fabricantes ou consultá-los diretamente. Em seguida é preenchida a Folha de Dados do dispositivo de alívio de pressão, que é o documento oficial de projeto e que servirá como fonte de informações para aquisição do dispositivo. As informações que devem constar na Folha de Dados são as seguintes: - identificação (tag) do dispositivo - identificação (tag) do equipamento protegido - código de projeto - critério de seleção (fogo, falha operacional, etc. ) - tipo de dispositivo: disco de ruptura (sólido, reverso com facas, de grafite, etc.) ou válvula (tipo atuada por mola , piloto operada, segurança, alívio, convencional ou balanceada, castelo aberto ou fechado etc.) - conexões de entrada e saída (tipo, diâmetro nominal, classe de pressão) - materiais do corpo, castelo, bocal, sedes, guias, anéis, mola, fole - se tem “cap” - se tem alavanca - características do fluido (peso molecular, viscosidade, se tem sólido em suspensão, etc.) - vazão requerida - pressão de operação e de projeto - temperatura de operação, projeto e de alívio - pressão de abertura e pressão de ajuste - valores de acumulação e de sobrepressão permitidos - contrapressão (valor, se é desenvolvida ou superimposta, variável ou constante). - área do orifício calculada, área selecionada e letra do orifício selecionado. A Folha de Dados é enviada aos fabricantes para que enviem a proposta de fornecimento, com modelo de válvula apropriado e cotação. É importante que os fabricantes refaçam os cálculos de dimensionamento considerando a sua válvula em particular, porque os fatores de correção, coeficientes de descarga, e até mesmo a área real dos orifícios podem variar de um fabricante para outro. Na ocasião do envio da proposta o fabricante deverá preencher a sua Folha de Dados do modelo específico que está ofertando, com os cálculos de dimensionamento .

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É importante ficar claro que o dimensionamento efetuado pelo projetista é sempre realizado de maneira preliminar. A área calculada preliminarmente é designada área requerida, a área do orifício selecionado é designada área determinada (“effective”) e a respectiva capacidade do orifício selecionado é uma capacidade teórica. A capacidade de vazão real do dispositivo é determinada a partir da área real do orifício e do coeficiente real de vazão do dispositivo, conhecidos pelo fabricante em função de testes de vazão e de dados específicos de projeto de cada dispositivo de alívio.

6.8 Redimensionamento Há situações nas quais é recomendável que se faça uma nova verificação da adequação do dispositivo de alívio de pressão às condições de serviço. Estas situações são as seguintes: mudanças significativas das condições de processo, tais como alteração dos valores de vazão do fluido a ser descarregado; redução da pressão de abertura do dispositivo em função de redução da PMTA do equipamento protegido; mudança da condição de contrapressão para valores ou condições não previstas no dimensionamento original. Nestas situações, caso sejam conhecidos o coeficiente real de descarga e a área efetiva real do orifício do dispositivo, e sejam respeitados os limites de aplicação especificados para o dispositivo, pode ser dispensada a necessidade de solicitar a confirmação do fabricante . Esse processo de redimensionamento fica facilitado quando são registradas as informações preliminares de processo, utilizadas no cálculo original. Os dados do dispositivo de alívio de pressão estão registrados na Folha de Dados, mas as condições de processo causadoras do excesso de pressão ( possíveis contingências operacionais com as respectivas vazões necessárias para cada uma delas) geralmente não ficam arquivadas. É importante que no projeto de novas unidades se tenha a preocupação de registrar estas informações que são geradas na etapa do projeto básico de processo. Para facilitar a recuperação das informações é recomendável que todos estes dados fiquem registrados no “tag” do equipamento protegido .

6.9 Procedimentos para dimensionamento

6.9.1 Considerações gerais As equações específicas apresentadas no API RP 520 para dimensionamento de dispositivos de alívio de pressão levam em consideração o estado do fluido a ser descarregado (gases ou vapores, vapor d’ água, líquidos ), a condição de fluxo durante a descarga (fluxo crítico ou sub-crítico) e o tipo de dispositivo que está sendo utilizado.As equações específicas usadas para dimensionamento de gás, vapor e líquido são aplicáveis tanto para Válvulas de Segurança e Alívio como para Disco de Ruptura. Quando um disco é instalado a montante de uma válvula de alívio de pressão, é adotado um Fator de correção Kc . Esse fator deve ser fornecido pelo fabricante do disco ou da válvula e publicado pelo “National Boarding of Boiler and Pressure Vessel Inspectors”. Se o valor de Kc de uma aplicação específica não é conhecido, deverá ser adotado um fator conservativo de 0,9 . 6.9.2 Dimensionamento de Discos de Ruptura O dimensionamento de disco de ruptura pode ser efetuado por dois métodos: usando o método do coeficiente de descarga ou o método de resistência de fluxo.

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a) O método do coeficiente de descarga é realizado através das equações específicas do API RP 520 usadas para dimensionamento de válvulas de segurança para gás (equações 3 a 6) , vapor (equação 7) e líquido (equação 8). Neste método adota-se um coeficiente de descarga Kd igual a 0,62 e pode ser usado unicamente quando as seguintes condições forem atendidas: 1) o disco de ruptura descarregar diretamente para a atmosfera e estiver instalado numa distância máxima de 8 vezes o diâmetro da tubulação, a partir da conexão de entrada; 2) a tubulação de descarga possuir comprimento de no máximo 5 vezes o seu diâmetro; 3) quando o diâmetro nominal das tubulações de entrada e descarga for igual ou maior que o diâmetro nominal do disco. b) O método de resistência de fluxo se aplica em todos os demais casos. Este método considera o resultado da análise da resistência ao fluxo total do sistema, incluído a resistência causada pelo próprio disco, pela tubulação e por suas conexões e acessórios, tais como, curvas, tês, reduções e válvulas, e por perdas causadas pelas entradas e saídas. A capacidade de alívio calculada deve ser multiplicada pelo fator de 0,90 ou menor para reduzir a influência das incertezas inerentes a este método. A resistência do disco deve ser obtida do fabricante do dispositivo. Este método de dimensionamento não será apresentado neste texto. Maiores detalhes poderão ser verificados no Apêndice “E” do API RP 520. 6.9.3 Dimensionamento de válvulas de alívio de pressão com fluidos compressíveis Comportamento do fluxo crítico . Se um gás compressível for expandido através de um bocal, um orifício, ou na extremidade de um tubo, sua velocidade e volume específico aumentam com a redução da pressão á jusante. Para uma dada condição de ajuste à montante (usando o exemplo do bocal), a taxa de massa que flui através do bocal crescerá até que a velocidade limite seja alcançada no bocal. Pode ser verificado que a velocidade limitante é a velocidade do som no fluido, naquele local. A taxa de fluxo que corresponde ao limite de velocidade é conhecida como a taxa de fluxo crítico. A pressão na saída do bocal à velocidade sônica é conhecida como pressão de fluxo crítico (Pcf), e a razão entre a pressão de fluxo crítico e a pressão de entrada (P1) é designada de razão de pressão crítica. Sob condições de fluxo crítico, a pressão real na saída do bocal do dispositivo de alívio de pressão não pode cair abaixo da pressão de fluxo crítico, mesmo se à jusante existir uma pressão muito inferior. Sob fluxo crítico, a expansão da pressão no bocal até a pressão à jusante ocorre irreversivelmente com a energia dissipada em turbulência no fluido circundante. Em descarga de gases ou vapores através de válvulas de alívio de pressão ocorre, na maioria das vezes, o fluxo crítico. Isto acontece quando a velocidade de escoamento no orifício for igual à do som nesse meio. Neste caso o fluxo crítico será conseqüência da pressão à montante. A razão de pressão de fluxo crítico em unidades absolutas pode ser estimada usando a relação de gás ideal, conforme a equação 2 . Onde: Pcf= Pressão de fluxo crítico no bocal, (psia) P1= Pressão de alívio à montante, (psia) K= razão de calores específicos para gás ideal.

1

1 12 −

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

+=

KK

CF

KPp

(2)

As equações de dimensionamento para dispositivos de alívio de pressão em serviços com gases ou vapores se enquadram em duas categorias gerais quanto ao fluxo do fluido que poderá ser crítico ou subcrítico. Se a pressão à jusante do bocal for menor ou igual à pressão de fluxo

60

crítico, Pcf, então ocorrerá fluxo crítico. Se a pressão à jusante do bocal for maior que a pressão de fluxo crítico, Pcf, então ocorrerá fluxo subcrítico. A pressão de fluxo crítico pode ser calculada multiplicando-se a pressão de alívio absoluta pela razão de pressão de fluxo crítico. Esses valores são encontrados em tabelas de propriedade de gases . a) Dimensionamento para vapores de hidrocarboneto ou gases sob condições de fluxo crítico. Válvula convencional ou piloto-operada . Válvulas convencionais são utilizadas quando a contrapressão é constante, ou se for variável, não exceder 10% da pressão de abertura. Em ambos os casos é necessário descontar o valor da contrapressão para determinar a pressão de ajuste ( pressão usada na bancada de teste ). No caso de contrapressão variável adota-se o valor mais alto de contrapressão . O dimensionamento de dispositivos de alívio de pressão que operam sob condições de fluxo crítico, ou seja, com fluidos compressíveis que se expandem através do bocal escoando na velocidade do som, pode ser efetuado através das equações apresentadas na tabela 7. Uma válvula de segurança e alívio que possua área efetiva maior que a calculada poderá ser selecionada. Essas equações para dimensionamento de válvulas de segurança e alívio que operam em fluxo crítico consideram que os fluidos se comportam segundo a lei de um gás ideal, incluindo um fator de compressibilidade, Z . Esta condição é aceita para a maioria das aplicações em refinarias. O apêndice B do API 520 deve ser consultado para situações incomuns que apresentem comportamento significativamente diferente do gás ideal. Tabela 7. Equações para vapores ou gases sob condições de fluxo crítico Sistema Anglo Americano Observações

MTZ

KKPCKWA

Cbd 1

= ( 3 ) Vazão mássica (lb/h) Área (pol²) Pressão (psia) Temperatura (°R)

Cbd KKPCkTZGVA

1175,1= ( 4 )

Vazão volumétrica (scfm) Área (pol²) Pressão (psia) Temperatura (°R)

Sistema Internacional

MTZ

KKPCKWA

Cbd 1

160.13= ( 3 )

Vazão mássica (kg/h) Área (mm²) Pressão (kpaa) Temperatura (°K)

Cbd KKPCkTZGVA

1

750.189= ( 4 )

Vazão volumétrica (Nm³/min) Área (mm²) Pressão (kpaa) Temperatura (°K)

61

b) Dimensionamento para vapores ou gases sob condições de fluxo subcrítico. Válvula Convencional ou Piloto-Operada

Se a pressão de descarga for maior do que a pressão de fluxo crítico, a capacidade será função da pressão à montante e também da pressão à jusante. O cálculo da área da válvula de segurança e alívio convencional poderá ser efetuado a partir das equações da tabela 8 . Neste caso, a mola deverá ser ajustada para compensar o efeito da contrapressão superimposta . Essas equações podem ser usadas para válvulas piloto operadas . Tabela 8. Equações para vapores ou gases sob condições de fluxo subcrítico Sistema Anglo Americano Observações

( )2112735 PPMPTZ

KKFWA

Cd −= ( 5 )

Vazão mássica (lb/h) Área (pol²) Pressão (psia) Temperatura (°R)

( )2112864 PPPTZG

KKFVA

Cd −= ( 6 )

Vazão volumétrica (scfm) Área (pol²) Pressão (psia) Temperatura (°R)

Sistema Internacional

( )2112

9,17PPMP

TZKKFWA

Cd −= ( 5 )

Vazão mássica (kg/h) Área (mm²) Pressão (kpaa) Temperatura (°K)

( )2112

258PPP

TZGKKFVA

Cd −= ( 6 )

Vazão volumétrica (Nm³/min) Área (mm²) Pressão (kpaa) Temperatura (°K)

Tabela 9. Nomenclaturas usadas nas fórmulas de dimensionamento para gás e vapor Variável Descrição Sistema de medidas

anglo americano Sistema internacional de medidas

A Área requerida do orifício Pol² mm² W Capacidade requerida de gás ou vapor lb/h Kg/h V Capacidade requerida de gás scfm Nm³/min P1 Pressão de alívio (=pressão de abertura

+ sobrepressão + pressão atmosférica) Psia kpaa

P2 Contrapressão (adotar o maior valor quando for variável)

Psia kpaa

T Temperatura absoluta de entrada. °R = (ºF+460) °K = (°C + 273) C constante de escoamento do gás ou

vapor, determinado em função da razão entre os calores específicos k=Cp/Cv do fluido.

Utilizar valores do gráfico 1 e tabela 14. Quando k não puder ser determinado adotar C=315.

Kc Fator de correção para instalação em combinação com disco de ruptura à montante.

Kc = 1 quando não houver disco Kc = 0,9 quando o coeficiente de combinação não for informado.

62

Kb Coeficiente de correção de contrapressão, informado pelo fabricante, aplicável apenas para válvulas balanceadas.

Quando não informado pelo fabricante, estimar valor através do gráfico 2. Adotar 1 para válvulas convencionais e piloto operadas.

Kd Coeficiente de descarga da válvula. Quando não informado, usar 0,975 para válvula de alívio de pressão,inclusive quando combinada com disco de ruptura. Usar 0,62 para dimensionamento de disco de ruptura.

Z Fator de compressibilidade. Considera o desvio do gás em relação a um gás perfeito, avaliado na entrada, nas condições de alívio .

(Se este valor não for disponível, pode-se, adotar Z=1.0)

M Peso molecular médio do gás ou vapor. G Densidade do gás em relação ao ar

(ar=1 a 60°F e 14,7 psia) ( =1 para ar a 101,325 kPaa e 0 ºC )

F2 Coeficiente de fluxo subcrítico. Ver gráfico 4 ou, para calcular, use a equação ao lado, onde: K = razão de calores específicos; r = razão entre a contra pressão e pressão de alívio, P2/P1

( )( )

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−=

−

rrr

kkF

kk

k1

11

12

2

c) Método alternativo para dimensionamento de vapores ou gases em fluxo subcrítico. Válvulas convencionais ou piloto operadas

Como método alternativo ao uso das equações de fluxo subcrítico (5) ou (6) pode-se utilizar as equações familiares de fluxo crítico (3) ou (4) para dimensionar a área requerida de válvulas convencionais ou piloto operadas que trabalham em fluxo subcrítico. A área obtida por esse método alternativo é idêntica à área calculada usando-se as equações de fluxo subcrítico. Para se determinar a área requerida usa-se uma das equações de fluxo crítico (3) ou (4) e aplica-se um fator de correção Kb, devido à contrapressão, obtido do gráfico 5 . Este método se aplica somente a válvulas piloto operadas e válvulas convencionais que tiveram a mola ajustada em bancada para compensar o efeito da contrapressão, operando com gases ou vapor. Não deve ser utilizado para válvulas do tipo balanceadas e não é utilizado para líquidos .

d) Dimensionamento para Válvula Balanceada

O dimensionamento e a seleção de uma válvula balanceada segue o mesmo procedimento de seleção das válvulas convencionais em serviço com fluxo crítico, incorporando-se um fator de correção de contrapressão, Kb . Quando uma válvula balanceada é usada sob condições de contrapressão constante ou variável, a capacidade é afetada em função do percentual máximo de contrapressão em relação à pressão de ajuste. O fator de correção da contrapressão nestes casos é devido à velocidades de fluxo que são subcríticas, bem como à tendência da válvula não permanecer totalmente aberta durante a descarga. Nestas aplicações o fator de correção da contrapressão, Kb, deve ser obtido dos fabricantes ou levantado preliminarmente a partir do gráfico 2 .

63

Válvulas com fole (balanceadas) são utilizadas para prevenir corrosão nas superfícies-guia e partes internas do castelo, ou para deixar a válvula adequada a serviços onde a contrapressão impede o uso de uma válvula convencional. Válvulas balanceadas são usadas quando a contrapressão superimposta variável é alta em comparação com a pressão de abertura, ou quando a contrapressão desenvolvida é superior ao valor de sobrepressão (normalmente 10%) . Obs.: Válvulas de segurança e alívio podem ser utilizadas tanto em serviço com gases quanto em serviço com líquidos. Quando as válvulas de segurança e alívio balanceadas são usadas com líquidos, o fator de correção da contrapressão é Kw , (ver gráfico 3) porque o efeito da contrapressão sobre a capacidade é diferente nas válvulas em serviços com líquidos das válvulas em serviços com gases e vapores . 6.9.4 Dimensionamento para vapor d’água. Fluxo crítico O cálculo da área requerida em serviços com vapor d’água, sob condição de fluxo crítico, pode ser executado usando-se as equações apresentadas na tabela 10 abaixo.

Tabela 10. Equações do API-520 para vapor Sistema Anglo Americano de Unidade de Medidas

Sistema Internacional de Unidade de Medidas

shncbd KKKKKPWA

15,51= ( 7 )

shncbd KKKKKPWA

1

4,190= ( 7 )

Tabela 11. Nomenclaturas usadas nas fórmulas de dimensionamento para vapor Variável Descrição Sistema americano Sistema SI A Área do orifício requerida Pol² mm² W Capacidade de vapor requerida lb/h Kg/h P1 Pressão de alívio (= pressão de

abertura + sobrepressão + pressão atmosférica)

Psia kpaa

Kc Fator de correção para instalação em combinação com disco de ruptura à montante.

Kc = 1 quando não houver disco Kc =0,9 quando o coeficiente de combinação não for informado.

Kb Coeficiente de correção de contrapressão, informado pelo fabricante, aplicável apenas para válvulas balanceadas.

Quando não informado pelo fabricante, estimar valor através do gráfico 2 . Adotar 1 para válvulas convencionais e piloto operadas.

Kd Coeficiente de descarga da válvula. Quando não informado, usar 0,975 para válvula de alívio de pressão,inclusive quando combinada com disco de ruptura. Usar 0,62 para dimensionamento de disco de ruptura.

Kn Fator de correção Napier aplicável a vapor d’água: Kn =1 para P1 ≤ 1500 psia Para pressões de ajuste entre 1500 e 3200 psia, calcular através da equação ao lado.

10612292,010001906,0

1

1

−−

PP

(sistema anglo americano)

106103324,010002764,0

1

1

−−

PP

(sistema internacional)

Ksh Fator de correção para vapor d’água superaquecido.

Ver tabela 19 Para vapor saturado Ksh = 1

64

6.9.5 Dimensionamento para líquidos O Código ASME Seção VIII requer que as válvulas de segurança e alívio destinadas para serviços com líquidos sejam certificadas quanto à capacidade de vazão, porém há outras aplicações nas quais não é exigida certificação da capacidade de vazão das válvulas de alívio. O API RP 520 apresenta equações distintas para cálculo da área de orifício para líquidos, para as duas condições. Para obter a certificação de capacidade pelo código ASME são realizados testes que determinam o coeficiente de descarga utilizando-se 10% de sobrepressão. Para as válvulas que não são certificadas o dimensionamento é efetuado usando as equações da tabela 13. Neste método assume-se um coeficiente de descarga Kd = 0,62 , e 25% de sobrepressão. Para sobrepressões diferentes de 25% é necessário adotar um fator de correção de capacidade, Kp, obtido no gráfico 7. Para sobrepressão de 10% o valor de Kp é de 0,6 . Este método pode ser usado quando a certificação de capacidade não é requerida ou é desconhecida. Para aplicações com sobrepressão 10% (Kp = 0,6) este método pode resultar na seleção de uma válvula de alívio superdimensionada . Para descarga de líquidos em válvulas de alívio de pressão não existe condição de fluxo crítico, a não ser que ocorra vaporização do líquido ao passar pela válvula. Quando ocorrer vaporização, deve-se efetuar o dimensionamento considerando a condição de fluxo bifásico . Tabela 12. Equações para dimensionamento de válvula de alívio certificada. Sistema Anglo Americano Observações

2138 ppG

KKKKQA

VCWd −= ( 8)

Vazão volumétrica em galões americanos por minuto (US gpm) Área (pol²) Pressão (psig)

Sistema Internacional

21

78,11pp

GKKKK

QAVCWd −

= ( 8 ) Vazão volumétrica em litros por minuto Área (mm ²) Pressão (kpag)

Tabela 13. Equações para dimensionamento de válvula de alívio não certificada. Sistema Anglo Americano Observações

bpVCWd ppG

KKKKKQA

−=

25,138 ( 9)

Vazão volumétrica em galões americanos por minuto (US gpm) Área (pol²) Pressão (psig)

Sistema Internacional

bpVCWd ppG

KKKKKQA

−=

25,178,11 ( 9 )

Vazão volumétrica em litros por minuto Área (mm ²) Pressão (kpag)

6.9.5.1 Dimensionamento para serviço com líquido viscoso Para serviço com líquido viscoso, o dimensionamento de uma válvula de alívio deve ser efetuado em três etapas: a) Primeiro ela deve ser dimensionada considerando-se que o fluido é não-viscoso ( Kv = 1 ), de modo a se obter uma área preliminar (A, na equação acima ) e selecionar o orifício padronizado do API 526 imediatamente maior.

65

b) Depois, a área deste orifício deverá ser usada na equação abaixo para se determinar o Número de Reynold: Sistema anglo americano Sistema internacional Observações

AQGR

μ2800

= ( 10) AQGR

μ18800

= ( 10 )

AUQR 12700

= ( 11) AUQR 85220

= ( 11 ) Equações não recomendadas para valores menores que 100 SSU (=20,34 cp a 100 °F).

c) Finalmente, depois que se determina o número de Reynold, obtém-se o fator de correção de viscosidade, Kv, no gráfico 6, que deverá ser usado para corrigir a área calculada preliminarmente. Após isto, efetua-se novamente a equação de cálculo de área adotando o novo valor de Kv obtido, para determinar a área corrigida para o fluido viscoso. Se a área corrigida exceder o orifício selecionado, deve-se repetir os cálculos usando-se o próximo maior orifício. Nomenclaturas usadas nas fórmulas de dimensionamento para líquidos. Variável Descrição Unidades sistema

anglo americano Unidades sistema SI

A Área do orifício requerido Pol² mm² Q Capacidade de líquido requerida. (US) gpm L/m p1 Pressão de alívio(= pr. de abertura + sobrepr.) Psig kpag p2 Contrapressão Psig kpag p Pressão de abertura Psig kpag pb Contrapressão total Psig kpag Kc Fator de correção para instalação em

combinação com disco de ruptura à montante:

Kc = 1 quando não houver disco Kc = 0,9 quando o coeficiente de combinação não for informado.

Kd Coeficiente de descarga da válvula fornecido pelo fabricante. Quando não informado, usar preliminarmente os valores ao lado.

Kd = 0,65 para válvula, combinada ou não com disco de ruptura. Adotar Kd = 0,62 para dimensionamento exclusivo de disco de ruptura.

Kw Fator de correção de contrapressão variável, aplicável para válvulas balanceadas, obtido do gráfico 3 .

Kw =1 para contrapressão atmosférica. Válvulas convencionais e piloto operadas não requerem correção.

Kv Fator de correção de viscosidade, obtido do gráfico 6, ou através da equação 12 ao lado .

1

23

21

75,342878,29935,0Kv

−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛++=

RR

R Número de Reynold μ Viscosidade absoluta na temperatura de fluxo,

centipoise. cp cp

U Viscosidade absoluta na temperatura de fluxo, Saybolt Universal second

SSU SSU

G Densidade do líquido na temperatura de descarga, em relação à da água (1 à 70 °F).

66

6.9.6 Dimensionamento para Fluxo Bifásico Em algumas situações o fluxo a ser considerado é bifásico ( mistura gás e líquido ). A mistura bifásica entra na válvula ou uma mistura bifásica é produzida quando o fluido se move através da válvula. A geração do vapor precisa ser levada em conta, porque ela vai reduzir a efetiva capacidade de fluxo mássica da válvula. Um método conservativo para dimensionar fluxo bifásico é o seguinte : a) Determine a quantidade de líquido que vaporiza através de uma expansão adiabática a partir da condição de alívio, considerando a pressão crítica a jusante para o gás vaporizado ou a contrapressão, o que for maior . Se a mistura que entra na válvula é bifásica, separe a parcela que corresponde ao componente compressível . b) Calcule individualmente a área requerida do orifício para passar o componente vaporizado, usando a equação apropriada da tabela 7, de acordo com o serviço, tipo de válvula, e se a contrapressão é maior ou menor que a pressão crítica a jusante . c) Calcule individualmente a área requerida do orifício para passar o componente de líquido que não vaporizou, usando a equação da tabela 12 . O diferencial de pressão ( p1 – p2 ) é a pressão de alívio menos a contrapressão . d) Some as áreas individuais calculadas para os componentes vaporizado e líquido para obter a área total do orifício, que é a área requerida . e) Selecione uma válvula de alívio de pressão que tem uma área efetiva igual ou superior à área calculada do orifício. O projetista deve recalcular a contrapressão que vai ser gerada para a válvula específica selecionada, com a sua instalação particular de descarga instalada, verificando a vaporização gerada a jusante do bocal da válvula de alívio de pressão. Quando apropriado, devem ser aplicadas correções à área previamente calculada. Uma válvula balanceada ou piloto operada pode ser necessária quando o aumento na contrapressão devido à vaporização ou condições de fluxo bifásico é excessivo ou não pode ser adequadamente previsto. A taxa de fluxo real pode ser muito maior que o estimado caso não ocorra equilíbrio no bocal . O projetista deve investigar o efeito de qualquer autoresfriamento que pode surgir devido à vaporização. Os materiais de construção devem ser adequados para as temperaturas de saída. Deve-se também adotar medidas para evitar que ocorra a obstrução da saída com formação de sólidos ou hidratos . A edição de janeiro/2000 do API RP 520 apresenta no apêndice D um método mais elaborado, que considera diferentes cenários para efetuar o dimensionamento. O API salienta que esses métodos não são validados por testes, e que até o momento não existem procedimentos reconhecidos para efetuar certificação de capacidade de válvulas de alívio de pressão em fluxo bifásico. Os quatro cenários abordados pelo API 520 Ed.2000 são os seguintes : a) Fluxo bifásico ( líquido saturado e vapor saturado) entra na válvula e vaporiza. Não existem gases não condensáveis presentes(1). Inclui também fluidos acima e abaixo do ponto de equilíbrio termodinâmico em fluxo bifásico que está condensando . Exemplo : Propano saturado (líquido/vapor) entra na válvula e o propano líquido vaporiza .

(1) Um gás não condensável é um gás que não é facilmente condensável sob as condições normais de processo. Exemplos de gases não condensáveis comuns : ar, oxigênio, nitrogênio, hidrogênio, CO , CO2 e H2S .

67

b) Sistema bifásico (líquido altamente subresfriado , gases não condensáveis, vapor condensável ou ambos) entra na válvula e não vaporiza. Exemplo : propano altamente resfriado e nitrogênio entram na válvula e o propano não vaporiza . c) Líquido subresfriado (incluindo saturado) entra na válvula e vaporiza. Vapor não condensável ou gás não condensável estão presentes. Exemplo: propano subresfriado entra na válvula e vaporiza . d) Sistema bifásico ( gás não condensável ou vapor condensável com gás não condensável, ou líquido subresfriado ou líquido saturado) entra na válvula e vaporiza. Gás não condensável presente. Exemplo: sistema de propano saturado (líquido/vapor) e nitrogênio entram na válvula e o propano líquido vaporiza . Estes métodos constituem algumas entre várias técnicas atualmente em uso, e novos métodos continuam a serem desenvolvidos com o passar do tempo. É importante ressaltar que não existem válvulas especialmente construídas para fluido bifásico, e que os métodos de certificação também não prevêem o uso de fluxo bifásico. Quando o serviço é bifásico e a percentagem vaporizada inferior a 50% geralmente usam-se válvulas de alívio, que apresentam comportamento mais adequado com esse tipo de fluido . 6.9.7 Dimensionamento para a condição fogo externamente ao vaso de pressão Vasos de pressão expostos a fogo ficam sujeitos a um aumento interno de pressão em decorrência da absorção de calor pelo fluido contido no vaso. Como o calor é absorvido quase totalmente por radiação, a área exposta ao fogo é o fator importante a ser considerado, e não o volume do vaso . Em vasos muito grandes, é improvável que toda a área seja exposta ao fogo . Em testes efetuados com vasos de pressão para avaliar a quantidade total de calor absorvida foram medidas a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do líquido até a faixa de ebulição, e também a quantidade de líquido que evaporou em determinado período de tempo. Os resultados de vários testes evidenciaram que a máxima taxa de troca térmica alcançada foi de 30400 a 32500 BTU/ft2 . Essas taxas de troca térmica foram alcançadas com todas condições adversas favoráveis, como chamas envolvendo totalmente os vasos, ausência de ventos que iriam empurrar as chamas para longe do vaso, etc. Em condições habituais, não é de se esperar que essas altas taxas de transferência de calor sejam alcançadas em um evento real . Efeito do fogo em área seca do vaso Considera-se que um vaso tem área seca quando as paredes internas estão expostas a um único componente na forma de gás ou vapor , ou quando as paredes são internamente isoladas independentemente dos fluidos contidos . Estão incluídos nessa classificação os vasos que contem fases líquida e vapor nas condições normais de operação, mas se tornam fase única nas condições de alívio . Um vaso é considerado isolado internamente quando ocorre deposição de coque ou outro material a partir do fluido contido . Em um vaso com área seca a transferência de calor da parede para o fluido contido é baixa . Em conseqüência, o calor de um fogo aberto pode aquecer a chapa do vaso a temperaturas que podem causar a ruptura do vaso . Por exemplo, uma chapa de 1” de um vaso exposto a chama vai levar cerca de 12 minutos para alcançar aproximadamente 1100 °F (593 °C) e cerca de 17 minutos para alcançar 1300 °F (704 °C) quando exposta a fogo aberto . Um vaso construído com chapas de ASTM A-515 Gr.70 , submetido a uma tensão de 15000 psi , iria romper em cerca de 7 horas quando exposto a 1100 °F e cerca de 2,5 minutos se exposto a 1300 °F .

68

Efeito do fogo em área molhada do vaso

Um vaso de pressão contendo líquido internamente absorve o calor de um incêndio através da vaporização desse líquido . A superfície interna que é efetiva na geração de vapor é denominada de área molhada .Na determinação da área molhada considera-se somente a porção do vaso que é molhada pelo líquido até uma altura de 25 pés (7,62 m ) acima do fonte de chama . Por fonte de chama entende-se o piso, mas pode ser qualquer nível onde líquido inflamável possa se acumular em quantidade razoável Determinação do calor absorvido em área molhada A quantidade total de calor absorvida por um vaso exposto a fogo aberto é marcadamente influenciada pelo tipo de combustível que alimenta o fogo, pela forma com que o vaso é envolvido pelas chamas e pelas medidas de combate a fogo que são adotadas. Na equação abaixo se considera que existam equipamentos apropriados para combate a incêndio e há drenagem adequada que leva o combustível para longe do vaso . Q = 21000 F A0,82 Considerando-se que não existam equipamentos para combate a incêndio e não há drenagem adequada a equação é :

Q = 34500 F A0,82 onde : Q = calor total absorvido pela superfície molhada, em BTU / h A = área total molhada, em ft2 F = fator do ambiente . Adotar valores segundo tabela abaixo .

Tipo de condição superficial Fator F Superfície nua 1,0 Vaso isolado ; condutividade do isolamento de 4 BTU / h / ft2 / ºF 0,3 Vaso isolado ; “ 2 “ 0,15 Vaso isolado ; “ 1 “ 0,075 Vaso isolado ; “ 0,5 “ 0,0376 Vaso isolado ; “ 0,33 “ 0,026 Aplicação de água, em vaso sem isolamento 1,0 Sistemas de despressurização 1,0

Dimensionamento da válvula para área molhada A quantidade de vapor que é produzida pelo calor absorvido e terá que ser aliviada pela válvula de alívio de pressão é dada pela equação : W = Q / λ onde λ é o calor latente de vaporização

69

Para dimensionar a válvula são usadas as equações adequadas para fluido compressível, apresentadas na tabela 7 . A acumulação permitida pela Seção VIII , para a condição fogo, é de 21% ; se a válvula é ajustada para abrir na PMTA adota-se portanto sobrepressão de 21 % . No caso de vasos de pressão utilizados para armazenamento de gases inflamáveis comprimidos liquefeitos e não refrigerados ( GLP por exemplo), e que não tem uma conexão permanente de suprimento, a Seção VIII adota sobrepressão de 20% . Esse valor de 20% é utilizado também por outras normas de projeto, como NFPA, DOT , etc. Como as válvulas aliviam vapores, precisam ser instaladas na fase vapor dos vasos . Dimensionamento da válvula para área seca No dimensionamento da válvula de segurança para vasos contendo gases , que são expostos a fogo aberto, a área de descarga pode ser determinada pela seguinte equação :

1

30

PAF

A =

onde : A3 é a superfície exposta do vaso P1 = pressão de alívio, em psia Fo é um fator operacional determinado pela equação :

Fo = ( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −6506,0

1

25,111406,0

TTTw

CK d

C = Cp/Cv Kd = coeficiente de descarga Tw = temperatura da parede do vaso em ºR T1 = temperatura do gás em ºR, na pressão de alívio, determinado por T1 = P1/Pn x Tn P1 = pressão de alívio, psia

Pn = pressão normal de operação, psia Tn = temperatura normal de operação, ºR

O valor mínimo de Fo recomendado é 0,01 . Quando o valor mínimo não é conhecido deve-se adotar Fo = 0,045 . A temperatura máxima de parede para chapas de aço carbono é de 1100 ºF ( 593 ºC ) . Medidas para proteger vasos de pressão contra exposição a fogo Uma válvula de alívio de pressão não vai evitar redução de resistência mecânica e falha de um vaso de pressão que se torna localizadamente superaquecido e supertensionado devido ao fogo em uma área seca . O seu único efeito é evitar que a pressão interna vá além da pressão de acúmulo permitida . Um vaso pode ser protegido contra falha através da despressurização e da limitação da absorção de calor .

70

Sistemas de despressurização A despressurização controlada do vaso vai reduzir a pressão interna e as tensões na parede do vaso . O projeto desse sistema deve considerar os seguintes fatores:

a) controles manuais próximos ao vaso podem se tornar inacessíveis em uma emergência; b) controles automáticos podem falhar em uma direção contrária à despressurização ( por

exemplo, válvulas podem falhar fechadas ) ; c) é desejável se iniciar a despressurização o mais rápido possível, para limitar a tensão no

vaso a limites compatíveis com a temperatura que a parede vai atingir como resultado do fogo ;

d) deve ser providenciada a disposição segura do fluido aliviado; e) nenhum crédito é recomendado quando válvulas de segurança são dimensionadas para

exposição a fogo . Métodos para limitar a absorção de calor

a) Isolamento externo O uso de isolamento térmico limita a carga térmica absorvida e reduz tanto a temperatura de parede quanto o aumento de pressão dentro do vaso . O isolamento reduz também a quantidade de vapores gerados internamente e consequentemente a necessidade de providenciar um sistema de alívio excepcionalmente grande para conduzir o fluido aliviado a um ponto de descarte . O isolamento deve ser resistente a fogo e protegido contra deslocamento por jatos de água Quando isolamento ou “fireproofing” é aplicado, o calor absorvido pode ser computado assumindo que a temperatura na cobertura externa atinge uma temperatura de equilíbrio de 1660 °F ( 904 °C ) . Considerando essa temperatura e a temperatura de operação interna ao vaso, com a espessura e a condutividade da camada de isolamento, pode-se computar a taxa média de transferência de calor. Como a condutividade do isolamento aumenta com a temperatura, deve-se utilizar um valor médio . Para vasos isolados, o fator de ambiente para isolamento torna-se :

F = ( )

eTk f

×

−

210001660

Onde : k = condutividade térmica do isolamento, em BTU/h/ft2/°F/in Tf = temperatura do fluido interno nas condições de alívio , em °F e = espessura do isolamento, em polegada

b) Resfriar a superfície externa do vaso com água Sob condições ideais, um filme de água cobrindo a superfície metálica pode aborver a maior parte da radiação incidente . A efetividade da aplicação de água depende de vários fatores.Ventos fortes, sistemas entupidos, garantia de suprimento de água e a condição da superfície do vaso impedem que se garanta uma cobertura uniforme de água . Devido a essas incertezas, não se recomenda redução no fator de ambiente . Entretanto, a aplicação adequada de água pode ser muito efetiva .

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6.10 Certificação de válvulas de alívio de pressão O código ASME requer que o fabricante de uma válvula de alívio de pressão demonstre o desempenho e a capacidade de alívio de suas válvulas de alívio de pressão de produção, através de um teste efetuado em uma instalação (“facility”) aceita pelo ASME, supervisionada por um Observador Autorizado pelo ASME e testemunhado por uma terceira parte designada pelo ASME . Esses testes foram feitos inicialmente em 1937, seguindo um programa de testes em válvulas de alívio de pressão patrocinado pelo National Board . Os procedimentos de teste e as equações usadas para cálculo são baseados na suposição que o fluxo compressível através da válvula de alívio de pressão é crítico (velocidade de escoamento igual à velocidade do som), isto é, essencialmente uma função da pressão interna. Antes que um fabricante coloque o selo ASME em sua válvula de alívio de pressão, a capacidade de alívio deve primeiramente ser certificada e em seguida confirmada por testes em válvulas selecionadas aleatoriamente da produção. Posteriormente são efetuados testes periódicos (ao menos a cada 5 anos) em válvulas aleatoriamente selecionadas da produção para se manter a certificação . Os fluidos de teste são vapor, ar ou gás natural para serviço com fluidos compressíveis, e água para serviço com fluidos incompressíveis. Primeiramente a válvula de alívio de pressão é verificada quanto à pressão de abertura e ao fechamento, em cumprimento ao que está estabelecido no código de projeto. Em seguida a capacidade é verificada no valor de sobrepressão especificado no código de projeto . Existem 3 métodos diferentes usados para teste de certificação :

a) Método das 3 válvulas A intenção é testar um único projeto de válvula de alívio de pressão em um único valor de pressão de abertura. São testadas 3 válvulas idênticas na mesma pressão de abertura. Cada uma das capacidades medidas deve estar dentro da margem de ± 5% da média das 3 capacidades. Esta capacidade média é então multiplicada por 0,9 para se determinar a capacidade oficial certificada a ser estampada na válvula ( para aquele projeto, na pressão particular escolhida) . b) Método das 4 válvulas Este método é usado para determinar a capacidade de um único projeto em uma faixa de pressões de abertura . Este método é conhecido também como o método da inclinação (“slope”) porque existe uma relação direta entre capacidade e pressão absoluta na entrada para fluidos compressíveis, e entre log da capacidade contra log do diferencial de pressão através da válvula para fluidos incompressíveis. Neste método 4 válvulas do mesmo tamanho são ajustadas em 4 pressões diferentes, e a capacidade de cada válvula é medida. Para fluidos compressíveis, cada capacidade medida é dividida pela pressão absoluta de fluxo para determinar uma inclinação (slope), em lb/h / psi . A linha derivada de cada teste individual deve se situar entre ± 5% da inclinação média calculada para o resultado das 4 válvulas. A capacidade certificada é então determinada multiplicando-se por 0,9 o produto da inclinação média (slope) pelo valor de pressão de acúmulo (absoluta). Por exemplo : 0,9 x inclinação média x (1,03 x pressão abertura + 14,7 ) .

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Para fluidos incompressíveis, as capacidades dos 4 testes são plotadas em papel log contra a pressão diferencial de teste ( pressão de entrada – pressão na descarga), e uma linha reta é desenhada ao longo dos 4 pontos. Pontos individuais não podem se distanciar mais de 5% da linha reta. A capacidade de descarga é então determinada a partir dessa linha plotada. A capacidade certificada não pode exceder a 0,9 vezes a capacidade obtida desta linha. Os resultados do método das 4 válvulas podem ser extrapolados para cobrir uma faixa maior de pressões . c) Método das 9 válvulas ( método do coeficiente de descarga ) Quando se quer certificar uma linha completa de válvulas, consistindo de várias entradas, tamanhos de orifício e pressões de abertura, usa-se o método do coeficiente de descarga. Neste caso, 3 válvulas de 3 tamanhos diferentes (total de 9) são testadas, cada válvula de tamanho diferente ajustada em uma pressão diferente. Para cada teste, um coeficiente de descarga é calculado, que é igual ao fluxo medido dividido pelo fluxo teórico determinado através de fórmulas apropriadas para o fluido utilizado. Cada um dos coeficientes de descarga calculados deve se situar entre ± 5% do coeficiente médio calculado para as 9 válvulas. Para a seção VIII, este coeficiente é então multiplicado por 0,9 , para determinar o coeficiente efetivo real (“rated”) de descarga a ser utilizado para calcular a capacidade de alívio dessa linha de válvulas. Para a seção I , antes de 1997 o coeficiente médio era usado diretamente, e o fator de 0,9 era incluído na equação usada para calcular a capacidade de alívio . Isto pode dar margem a alguma confusão, e a partir de 1997 os dois códigos adotaram o mesmo método, de modo que o fator 0,9 foi também incorporado ao coeficiente de descarga das válvulas de segurança certificadas pela seção I . As válvulas selecionadas para verificação devem se situar dentro da capacidade de alívio da instalação de teste. Válvulas maiores que aquelas testadas são então projetadas de modo geometricamente similar ao das válvulas testadas. Os resultados do teste de capacidade são então extrapolados e estampados nas válvulas maiores . Antes que seja colocado o selo ASME na válvula, duas válvulas quaisquer da produção são selecionadas e testadas para que se comprove operação adequada e capacidade. Daí em diante, mais duas válvulas da produção são selecionadas e testadas a cada 5 anos. Se qualquer válvula não atender, são escolhidas mais 2 válvulas para cada válvula que falhou. A continuação das falhas pode levar à revogação do fabricante naquele projeto específico de válvula . Esses métodos se aplicam tanto para as válvulas certificadas pela seção VIII ( Vasos de Pressão) quanto para as válvulas certificadas pela seção I ( Caldeiras ).