_relatorio Valvula

4/5/2009

IFBA

RELATÓRIO PRÁTICO

“Válvula de controle é todo dispositivo que através de uma parte móvel abra, obstrua ou regule uma passagem através de uma tubulação, esta obstrução pode ser manual ou automática, parcial ou total. “ 1hoiuhz1

Válvula de Controle

Título: Desmontagem, montagem e calibração de válvulas de controle Objetivo: Conhecer as partes internas de uma válvula de controle, visando entender seu funcionamento e estudar a sua calibragem.

IFBA – Instituto Federal de Ciências Tecnológicas da Bahia Automação e Controle Industrial Turma: 5831 Professor: Arleno de Jesus Alunos: Murilo Lessa Nª: 29 Paula Espínola 30 Pedro Brasileiro 31 Vinicius Matheus 35 Vítor Brito 38 2

Índice

Fundamentação Teórica .............................................................................................................. P.04 1. Aplicação das válvulas de controle ............................................................................................. P.04 2. Componentes de uma válvula de controle ...............................................................................P.05 3. Válvulas Globo ..................................................................................................................................... P.09 Práticas no Laboratório ............................................................................................................... P.11 1. Prática 01 – Desmontar/montar a válvula de controle ...................................................... P.11 2. Prática 02 – Calibragem de uma válvula de controle .......................................................... P.12 Conclusão.........................................................................................................................................P.13 Sugestão............................................................................................................................................P.13 Referências.......................................................................................................................................P.14

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Fundamentação Teórica 1. Aplicação das válvulas de controle O mercado de produtos industrializados tem sido cada vez mais concorrido, sendo assim surgiu à necessidade de baratear os custos de produção e aumentar a qualidade do produto. Uma das formas de obter esse diferencial é através da otimização dos processos, de técnicas de controle e análises de minúcias inseridas no processo, como mau posicionamento de instrumentos. No meio das estratégias de controle, surge a figura do controlador. Este compara o valor desejado ao valor medido, e se houver um desvio, manipula a sua saída de forma a eliminá-lo. Dentro do projeto de uma malha é básico ter a definição do desempenho desejado é óbvio que o processo empoe restrições ao controle, sendo assim um bom desempenho de controle é aquele que leva o sistema a ter uma resposta mais rápida possível para aquele processo e com um amortecimento razoável. Por exemplo, um processo lento, ao qual o tempo morto1 é de 30 minutos, não pode ter um controle de 2 minutos, isto tornaria o processo instável. A definição do sistema de controle de vazão é muito minuciosa, porque este tem um tempo morto desprezível e uma constante de tempo da ordem de segundos, sendo assim, o tempo da resposta do sistema depende principalmente do tempo de resposta do elemento primário, do tamanho da tubulação do processo, da transmissão de sinal e do elemento final de controle. Além do disso, o sinal de vazão é muito ruidoso, e estes são originados nos sistemas de bombas, compressores ou irregularidades no sistema de tubulação, válvulas e medição. O controle de vazão é feito pelo elemento final de controle, e o mais comum dele na indústria de processo é a válvula de controle. Tipicamente uma válvula de controle constitui-se do corpo da válvula, das partes internas como o obturador e a sede, um atuador que fornece a força motora para operar a válvula, e uma variedade de acessórios, que incluem posicionadores, transdutores, reguladores de pressão e de alimentação e chaves de posição, entre outros. Os acessórios são essenciais para um bom desempenho final da válvula. Estudos abrangentes sobre o desempenho das malhas de controle indicam uma alta variabilidade do processo, e que em muitos casos as culpadas são as válvulas de controle, os fatores que levam ao baixo desempenho das válvulas de controle são: o dimensionamento e o tipo de válvula; características estáticas e o tempo de resposta da válvula; a banda morta; o projeto do conjunto atuador posicionador. Estes fatores serão abordados a seguir. As normas ANSI/ISA-75.01.01 e IEC 60534-2-1 estabelecem um procedimento para o dimensionamento de válvulas de controle com fluidos compressíveis e incompressíveis. A não-utilização da correção, trazida por essas normas, no efeito da geometria da tubulação adjacente (no caso da válvula globo) não produz erros significantes nos cálculos de vazão, todavia para válvulas de alta recuperação de pressão (como as borboletas e as esferas) causaram notáveis erros.

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Tempo morto: é o tempo necessário para que a variação na entrada tenha resposta na saída.

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As válvulas de controle podem ser caracterizadas por um fator denominado “características de vazão”. Este fator mostra a relação entre o Cv2 e abertura em percentual. A característica inerente de vazão mostra uma curva observada com diferencial de pressão constante, enquanto a característica instalada demonstra a curva características em serviço, como todas as variações de pressões e outros parâmetros do sistema. Banda morta é definida pela faixa onde o sinal de entrada pode ser variado, considerando uma reversão de sinal, sem iniciar uma variação observável no sinal de saída do processo. Para um bom desempenho de uma malha, recomenda-se que a banda morta seja menor ou igual a 1%. Há diversas causas para ela, mas a principal é o atrito. O atrito entre a haste e o engaxetamento da válvula é uma fonte de banda morta em válvula globo. As folgas mecânicas resultam na descontinuidade do movimento quando há inversão da direção de atuação da válvula de controle, estas folgas ocorrem nas engrenagens de transmissão de movimento e na conexão entre a haste e o seu atuador. A eliminação dessas folgas é fundamental para o desempenho da válvula.

2. Componentes de uma válvula de controle

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Cv: É a área efetiva de atuação dá válvula. 5

Fig. 01 Componentes da Válvula de Controle 2.1 Atuador: É a parte da válvula de controle que fornece a força com que a válvula realiza seu trabalho, o atuador mais comumente utilizado no acionamento de válvulas de controle consiste numa câmara bipartida que contem um diafragma flexível. Numa das partes desta câmara o atuador recebe o sinal de controle, e, na outra parte, o diafragma é fixado a um prato, onde se apóiam uma haste e uma mola. Quando se aplica em seu lado próprio, ar, proveniente diretamente do controlador, se este for pneumático ou de um posicionador eletropneumático, a força produzida se opõe à força gerada pela mola, a qual limita o curso e regula a posição da haste. Assim, esse tipo de atuador transforma a pressão de ar aplicada num movimento de translação. A mola tem função de se opor à força desenvolvida pela pressão do ar de atuação que age no diafragma, de modo a posicionar a haste do atuador para cada sinal recebido do controlador. A maioria dos atuadores opera numa faixa de pressão que varia de 3 a 15 psi, a qual representa 0,2 a 1,0 kgf/cm². O sistema de atuação das válvulas de controle transforma pressão de ar em força aplicada ao diafragma e existe uma relação praticamente linear entre a pressão de ar de atuação e o deslocamento (curso da haste). 6

Fig. 02 Gráfico da relação entre o curso da haste e a pressão no diafragma. Os atuadores tipo mola e diafragma apresentam algumas variações que devem ser analisadas, em função da necessidade do processo. Quanto à ação, os atuadores podem ser do tipo ação direta ou ação inversa, como se pode observar abaixo:

Normalmente, estes atuadores destinam-se ao acionamento de válvulas denominadas de curso linear, ou seja, haste ascendente ou descendente, dependendo da abertura ou fechamento da mesma. As válvulas acionadas por estes tipos de atuadores são normalmente as denominadas válvulas globo e suas variações. Além dos atuadores tipo mola e diafragma, existem outros tipos de atuadores pneumáticos bastante aplicados em indústrias de processo para controle e principalmente bloqueio de fluxo. São os atuadores a pistão:

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Fig. 05 Esquema do funcionamento dos atuadores a pistão. Estes atuadores destinam-se normalmente a bloqueio de fluxo por questões de segurança de processo e de equipamentos, sendo que a válvula pode assumir, neste caso, a posição aberta ou fechada. 2.2. Corpo e Internos: A válvula de controle varia a vazão, introduzindo uma restrição no circuito, dissipando uma parte da energia proveniente de uma fonte de pressão. A válvula reduz a pressão na descarga da bomba, de modo análogo a um resistor, o qual faz cair à tensão desenvolvida por uma fonte de energia elétrica. O fluido do processo passa pelo corpo da válvula de controle, sendo que o obturador é o elemento móvel da válvula, responsável por restringir a vazão. O seu formato fixa a relação entre a abertura da válvula e a vazão correspondente, dando origem, como veremos mais adiante, à característica de vazão da válvula de controle. O corpo da válvula é função da aplicação, bem como os seus internos. O tipo de corpo mais freqüentemente utilizado é o da válvula globo de sede simples.

Fig. 06 Corpo de uma válvula de controle tipo globo. 2.3. Castelo e engaxetamento: O castelo é a parte da válvula que conecta o atuador ao corpo da válvula, guiando a haste da mesma, alojando o sistema de selagem do fluido do processo e exercendo um papel importante de realizar troca de calor do sistema de engaxetamento com o ambiente. Pode ser dividido em quatro tipos: - Castelo normal - Castelo aletado - Castelo alongado 8

- Castelo com fole de vedação Com castelo normal, a válvula pode ser utilizada em praticamente todos os tipos de aplicação em que a temperatura não ultrapasse 180° C e que o fluido de processo não possua características tóxicas ou inflamáveis. O castelo alongado com aletas de resfriamento é utilizado quando a temperatura ultrapassa 180°C. Deve ser convenientemente dimensionado para garantir uma queda acentuada de temperatura das gaxetas não seja inferior a -25°C, sendo recomendados para aplicações em temperaturas inferiores a -5°C. Com relação aos castelos com fole de vedação, os mesmos são utilizados para fluidos tóxicos e inflamáveis e servem como reforço das gaxetas. O fole é normalmente fabricado de liga metálica resistente a corrosão, flexível, devendo ser soldado a haste da válvula. Nas Válvulas do tipo esfera e borboleta, que possuem haste ou eixo com deslocamento rotativo, o desgaste das mesmas, normalmente anéis de vedação em torno do eixo, é menor. No caso das válvulas globo, como a haste é deslizante há a necessidade de uma selagem da haste através do denominado sistema de engaxetamento. Constituem-se de anéis e acessórios com a função de fixar o sistema ao castelo, em torno da haste, de modo a se evitar vazamentos do fluido de processo. Os materiais mais utilizados no engaxetamento das válvulas de controle são o teflon, a asbesto e o grafite. O material das gaxetas deve ser compatível com o fluido do processo, deve efetuar uma boa selagem da haste e produzir mínimo atrito no deslocamento da haste. O teflon é o material mais utilizado, cobrindo a maior parte das aplicações. Em serviços com alta temperatura e/ou pressão, o teflon pode ser impregnado com outros materiais, como, por exemplo, a fibra de vidro. O teflon está limitado a temperaturas da ordem de 230°C, mas, caso carregado com fibra de vidro, pode atender até temperaturas de 450°C. Nestas temperaturas, porém, utilizam-se materiais mais apropriados, como o asbesto ou o grafite. O limite mínimo pode chegar a -185°C. Outro material muito aplicado no sistema de engaxetamento é o grafite, onde a maior vantagem é a resistência a altas temperaturas (540°C) Alguns tipos especiais de grafite utilizados em castelos estendidos podem atingir temperaturas de até 640°C. Uma desvantagem do grafite, entretanto, é a menor durabilidade, obrigando sua substituição com maior freqüência. As condições extremas de utilização devem ser bem especificadas, de modo que os fabricantes possam auxiliar no fornecimento do sistema de engaxetamento mais adequado.

3. Válvulas Globo

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Fig. 07 Externo da válvula de controle tipo globo. As válvulas de controle mais freqüentemente utilizadas são as do tipo globo de sede simples ou sede dupla, genericamente designada por globo. São para aplicação em caso de fluidos limpos, isentos, portanto, de sólidos em suspensão, fibras, etc., os quais poderiam danificar os internos da válvula, comprometendo seu fechamento. As válvulas de sede dupla são normalmente construídas para serem reversíveis, ou seja, as partes podem ser montadas para assentamento do obturador contra as sedes por cima ou por baixo. Estas são dotadas de um obturador balanceado e utilizam atuadores pequenos, mas possuem a desvantagem de permitir certo vazamento entre o obturador e a sede. As válvulas de sede simples, por sua vez, apresentam menor vazamento. Entretanto, as forças requeridas para o seu acionamento são maiores do que nas de sede dupla. Quanto à guia da haste, existem válvulas globo guiadas no topo que utilizam um orifício de menor diâmetro para se obter uma mesma capacidade de vazão. Em termos de facilidade para montagem e desmontagem da válvula na tubulação, há um projeto denominado de corpo bipartido ou split-body, que consiste de um corpo em duas metades, entre as quais fica alojada a sede. A maior vantagem desta construção é permitir a substituição da sede quando necessário. Há algumas variações da válvula globo, como a válvula angular, onde o seu desenho faz com que se diminua o processo de erosão do corpo, especialmente em aplicações envolvendo lamas, em inglês slurry. Existem condições de operação muito adversas, como, por exemplo, hidrocarbonetos em estado de vaporização, com tendência de incrustação de resíduos formados, em que o projeto da válvula deve ser especifico. Um tipo de válvula adequada para esta aplicação é a válvula angular com guia reforçada no obturador. Os fabricantes devem normalmente ser consultados em casos de aplicação especiais, tendo em vista a experiência e as pesquisas por eles efetuadas em torno de cada aplicação particular não convencional. Muitas aplicações utilizam um projeto conhecido como válvulas globo do tipo gaiola. Assim, para altas velocidades do fluido de processo, para grandes perdas de carga requeridas e para quando os ruídos devem ser atenuados, essas válvulas são usadas com sucesso. Outro tipo de válvula globo muito útil para aplicações em que o fluxo deve ser separado ou quando dois fluxos devem ser combinados, é a válvula de três vias. 10

A título de ilustração podemos citar um exemplo prático, muito comum no controle de temperatura para gás natural, onde aplicações que requerem uma grande redução de pressão podem provocar uma queda brusca de temperatura devido à expansão do gás, causando condensação de componentes indesejáveis que provocam corrosão nas tubulações. Neste caso, o controle da temperatura do gás na saída da estação de redução de pressão é efetuado fazendo com que uma parte do gás passe por um aquecedor e a outra parte desvie deste. A mistura dos fluxos, num ponto adiante da tubulação, resulta numa temperatura controlada de acordo com o valor desejado, o qual é ajustado no controlador de temperatura. Uma válvula globo de vias do tipo divergente resolve tanto o problema do controle de temperatura em si, como também facilita o encaminhamento das tubulações de entrada e saída, uma vez que substitui um tê para desviar o fluxo. Quanto aos materiais de construção, as válvulas globo são normalmente fabricadas com corpo em aço carbono fundido que é o material utilizado na maioria das aplicações, sendo internos das válvulas de controle devem ser sempre fabricados em material melhor do que o do corpo, principalmente nas válvulas globo, uma vez que o desgaste e a erosão dos internos é sempre maior que o do corpo. Outros materiais de construção são disponíveis tanto para o corpo como para os internos, sendo seguida, sempre, a especificação de materiais de tubulação para se determinar não só os materiais, como também as conexões e seus acabamentos, classe de pressão, engaxetamento, etc. As conexões das válvulas globo ao processo são normalmente flangeadas, sendo conectadas às flanges da tubulação através de parafusos do tipo estojo. Podem, em casos excepcionais, serem soldadas às tubulações, e muito pouco utilizadas com conexões rosqueadas, as quais somente são especificadas em casos de serviços leves como água, ar comprimido, etc.

Práticas no Laboratório 11

1. Prática 01 – Desmontar/montar a válvula de controle Dados: Válvula Pneumática de 3 vias (tipo globo), Reversível, Atuador Inverso 12 parafusos de rosqueamento Plug Duplo, de entalhe em V, invertido e sólido Castelo Normal Diâmetro do atuador: 36 cm Conexão flangeada – 6 polegadas Perímetro do plug maior: 44 cm Perímetro do plug menor: 36 cm Tmáx: 750° F 3 – 15 PSI Material Utilizado: Chave de boca 32” Procedimento de desmontagem: Primeiramente retiramos o corpo da válvula do castelo, removendo os parafusos da tampa superior e retirando a haste de plug duplo inverso com entalhe em “V” do interior do castelo, as dimensões do plug maior e menor eram respectivamente 44 cm e 36 cm. Logo após a retirada do corpo da válvula desconectamos o atuador do castelo retirando os 12 parafusos do atuador, removendo a parte superior do atuador inverso. No processo de desmontagem do atuador retiramos o diafragma de película flexível, a mola responsável por segurá-la e as porcas de ajuste da haste junto com o anel de vedação. Finalizando assim o processo de desmontagem da válvula. Procedimento de montagem: No processo de Montagem da Válvula Tipo Globo 3 vias colocamos primeiramente o atuador com todas sua peças internas: diafragma de película flexível, mola, porcas de ajuste da haste e anel de vedação. Com o atuador ligado ao castelo colocamos a haste do castelo no seu local de origem e apertamos suas porcas de ajustagem e seu parafuso fixador do suporte, posicionando o plug duplo de entalhe em “V” invertido e sólido no local de onde foi retirado. Só depois disso posicionamos a válvula na posição deitada para encaixá-la a seu corpo parafusando a tampa superior do corpo em formato de “X” para vedarmos a válvula com segurança, finalizando dessa forma o processo de montagem da válvula.

2. Prática 02 – Calibragem de uma válvula de controle Dados: Válvula de controle 2996, pneumática de 2 vias 12

Irreversível Diâmetro do orifício: 5/8“ Obturador tipo linear Modelo: 1073 Cursor: 3/4” Ar para abrir Conexão flangeada Materiais utilizados: Tubo de Vinil com engate rápido Válvula reguladora Manômetro Padrão Chave de boca 30” Chave allen Procedimento: Antes de começarmos a regular a válvula, notamos que havia vazamento de ar na junção dos pratos superior/inferior, assim necessitando de aperto. Utilizamos duas chaves de boca 15 para apertar os conjuntos porca/parafuso até que todos estivessem bem presos, de forma a acabar com os vazamentos. Utilizando a válvula reguladora, para verificar o erro de zero, colocamos a pressão de entrada em 3# notamos uma abertura da válvula de 5% o que indicava um erro de zero positivo e a necessidade de distensionar a mola de ajuste de zero. Observe a tabela de teste feita: Padrão (#) 3 6 9 12 15 Padrão (%) 0 25 50 75 100 Testado (%) 5 20 48 65 75 O processo de calibragem se deu da seguinte forma: zera-se a pressão da válvula reguladora, depois utilizando a chave trinta no ajuste de mola gira-se no sentido antihorário, para tirar a tensão da mola de ajuste de zero e testando de novo a abertura da válvula, colocando novamente os 3# até que não haja movimento algum da haste e que haja movimento paralelamente à aplicação uma pressão superior a 3#, assim, corrigindo o erro de zero.

Conclusão 13

Os engenheiros do meio industrial estão cada vez mais empenhados na busca por estruturas de controle que permitam um projeto simples e efetivo de controladores. Como chegar a esse objetivo? Um dos caminhos é a redução da variabilidade do processo, e muitas vezes as válvulas de controle são as principais responsáveis por essa variabilidade.

Sugestão Tendo visto os dados da alta variabilidade das malhas, é mais que necessário para uma melhor produtividade, a instalação de válvulas de controles que melhor se adéqüem às necessidades do processo, e de com especificações.

Referências 14

- Alberto, Egídio. INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL. Editora Interciência. IBP. - Cesar, Mario; Teixeira, Hebert C G. CONTROLES TÍPICOS de equipamentos e processos industriais. Editora Blucher. Petrobras.

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