dimensionamento e seleção de válvulas de segurança e alívio de

i

DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE

SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO

Thales Corrêa Bonan

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador: Reinaldo De Falco

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

ABRIL DE 2016

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ

DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE

PRESSÃO


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Reinaldo De Falco, M.Sc

________________________________________________ Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc

________________________________________________ Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MARÇO DE 2016

iii

“If you can’t fly, than run,

if you can’t run, than walk,

if you can’t walk, than crawl,

but whatever you do,

you have to keep moving forward”

Martin Luther King Jr

Bonan, Thales Corrêa

Dimensionamento e Seleção de Válvulas de Segurança e

Alívio de Pressão / Thales Corrêa Bonan. – Rio de Janeiro:

UFRJ / Escola Politécnica, 2016.

X, 80 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Reinaldo de Falco.

Projeto de Graduação – UFRJ / POLI / Curso de

Engenharia Mecânica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 79-80.

1. Válvulas de Segurança. 2. Dimensionamento. 3.

Seleção 4. Normas. 5. Pressão de Abertura.

I. De Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de

Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica.

III. Dimensionamento e Seleção de Válvulas de Segurança e

Alívio de Pressão.

iv

AGRADECIMENTOS

Primeiramente, gostaria de agradecer a Deus, por sempre iluminar o meu

caminho e me proporcionar a força necessária para superar os obstáculos da vida.

Posteriormente, aos meus pais: Edemar Domingos Bonan e Benta Corrêa

Bonan por me fazer acreditar, a cada dia, em mim mesmo. Por me dar o exemplo e

educação necessários para encarar o mundo de forma saudável e amigável. Por fazer

de mim o que sou hoje, uma pessoa de caráter, buscando ser sempre um homem de

bem e continuar melhorando a cada dia. Ensinamentos, estes, que pretendo levar

adiante aos meus filhos, netos, bisnetos, etc.

A toda a minha família pelo apoio e suporte em todos os momentos da minha

vida. Sem seu carinho, com certeza não chegaria onde estou hoje.

Ao querido Professor Reinaldo De Falco, por ter tido a paciência e o

conhecimento necessário para me orientar neste trabalho, sempre disposto a me

ajudar quando precisei.

Aos meus colegas de trabalho da empresa LESER, por toda a ajuda prestada

durante este projeto, em especial a Tatiana Camargo, Claudio Zana e Mateus Reis

que se mostraram sempre solícitos às minhas necessidades e dificuldades, me dando

o suporte necessário com os cálculos e conhecimento teórico. Sem essa ajuda,

grande parte do que foi feito neste trabalho não seria possível.

Ao grupo de amigos que se formou desde os primeiros períodos da faculdade,

o MecBros (MecMiguxos ou MeCats). Foram tempos de companheirismo e que

tornaram a minha jornada da graduação um momento mais tranquilo e proveitoso.

Amigos, estes, que continuarão fazendo parte da minha vida e que, com certeza,

levarei para sempre comigo.

v

Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos

requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE SEGURANÇA E ALÍVIO DE PRESSÃO


Março/2016 Orientador: Reinaldo De Falco Curso: Engenharia Mecânica

O presente trabalho apresenta um estudo comparativo entre os diferentes

métodos existentes de cálculo para o dimensionamento e seleção de Válvulas de

Segurança. Normalmente instaladas em vasos de pressão e caldeiras, seu objetivo é

proporcionar proteção aos funcionários e aos equipamentos da planta de produção,

salvando-os de possíveis catástrofes, como, por exemplo, uma violenta ruptura do

vaso de pressão, podendo causar ferimentos graves, danos materiais e até mortes.

Por se caracterizar como um item de segurança da planta de produção decidiu-se

padronizar a sua forma de dimensionamento e seleção, com a finalidade de evitar que

mais acidentes graves aconteçam. Desta forma surgiram os Códigos e Normas,

criadas por diferentes associações comerciais do mundo, que padronizam o

dimensionamento e a seleção de válvulas de segurança, tais como a API RP 520, a

ASME Seção VIII, a AD MERKBLAT 2000-A2 e a ISO 4126-1. Será mostrado, neste

trabalho, o cálculo do dimensionamento de algumas PSVs através da abordagem

destes Códigos e Normas. Além disso, a seleção das válvulas para este trabalho foi

feito com o objetivo de estudar os mais diversos cenários de atuação de válvulas de

segurança e, portanto, utilizando diferentes critérios de dimensionamento e seleção.

Palavras-chave: Válvulas de Segurança, Dimensionamento, Seleção, Normas,

Pressão de abertura.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer.

SIZING AND SELECTION OF PRESSURE SAFETY AND RELIEF VALVES


Março/2016 Advisor: Reinaldo De Falco Course: Mechanical Engineering

This work presents a comparative study between the different existing methods

for sizing and Selection of Pressure Safety Valves (PSVs). Usually installed in pressure

vessels and boilers, its goal is to provide protection to the personnel and the production

plant equipment, saving them from possible disasters, for example, a violent rupture of

a pressure vessel, which might cause serious injury, material damage and even death.

For the fact it is characterized as a safety item of the production plant, it was decided to

standardize the sizing procedure and selection, in order to prevent more serious

accidents from happening. In this manner emerged the Codes and Standards, created

by different trade associations in the world, that standardize the sizing and selection of

safety valves, such as API RP 520, ASME Section VIII, AD MERKBLAT 2000-A2 and

ISO 4126-1. It will be shown in this paper the sizing procedure of some PSVs by

approaching these different Codes and Standards. Furthermore, the selection of the

valves for this present work was done with the aim of studying a wide range of

scenarios using Pressure Safety Valves, and thus using different sizing criteria and

selection.

Keywords: Pressure Safety Valves, Sizing, Selection, Standards, Set Pressure.

vii

Sumário

1 Objetivo ................................................................................................................. 1

2 Introdução ............................................................................................................. 2

2.1 História das Válvulas de Segurança ............................................................... 2

2.2 História dos Códigos e Normas ...................................................................... 4

2.3 Definição, Função e Aplicações Básicas ........................................................ 5

2.4 Razões para o excesso de pressão em um Vaso ........................................... 7

3 Conceitos Básicos ................................................................................................. 9

3.1 Terminologia ................................................................................................... 9

3.1.1 Componentes de Válvulas de Segurança ................................................ 9

3.1.2 Características do Sistema .................................................................... 11

3.1.3 Características Operacionais ................................................................. 13

3.2 Tipos de Válvulas de Segurança e Alívio ...................................................... 17

3.2.1 Válvulas Convencionais ......................................................................... 18

3.2.2 Válvulas Balanceadas ........................................................................... 19

3.3 Funcionamento das Válvulas de Segurança atuadas por mola ..................... 20

3.3.1 Válvula Fechada (𝐏 < 𝐏𝐒𝐄𝐓) ................................................................. 20

3.3.2 Abertura da Válvula (𝐏 ≈ 𝐏𝐒𝐄𝐓) ............................................................. 20

3.3.3 Válvula Aberta (𝐏 > 𝐏𝐒𝐄𝐓) ..................................................................... 21

3.3.4 Válvula Fechando/Reassentando (𝐏 < 𝐏𝐒𝐄𝐓) ........................................ 23

3.4 Metodologia do Dimensionamento e Seleção das Válvulas de Segurança ... 23

3.4.1 Introdução e Metodologia ...................................................................... 23

3.4.2 Propriedades dos gases ........................................................................ 26

3.4.3 Propriedades dos líquidos e escoamentos viscosos .............................. 29

3.5 Dimensionamento de válvulas de segurança ................................................ 30

3.5.1 Pressão de Alívio e critérios de sobrepressão conforme API RP 520 .... 30

3.5.2 Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP 520 .......... 35

3.5.3 Dimensionando de acordo com a ISO 4126-1 e ISO 23251 ................... 48

3.5.4 Dimensionando de acordo com a AD 2000-Merkblatt A2 ....................... 52

3.6 Resumo das Fórmulas de dimensionamento ................................................ 56

4 Casos reais de dimensionamento e seleção de válvulas de segurança .............. 57

4.1 Cenário de contrapressão ............................................................................. 59

4.1.1 Dimensionamento e seleção conforme API RP 520 / ASME VIII ........... 59

4.1.2 Dimensionamento e seleção conforme ISO 4126-1 ............................... 61

4.1.3 Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A2 .............. 62

4.2 Cenário com exposição ao Fogo externo ...................................................... 63



4.2.3 Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A2 .............. 66

viii

4.3 Cenário de alta viscosidade .......................................................................... 68



4.3.3 Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A2 ................... 72

4.4 Cenário com múltiplas válvulas instaladas .................................................... 72


4.4.2 Dimensionamento e seleção conforme ISO 4126-1 e a AD 2000-Merkblatt A2 ........................................................................................................ 77

5 Conclusão e recomendações .............................................................................. 78

ix

Lista de Figuras

FIGURA 1: PRIMEIRA VÁLVULA DE SEGURANÇA DE DENIS PAPIN. ....................................... 2

FIGURA 2: VÁLVULA DE SEGURANÇA ATUADA POR PESO. (FONTE: ARQUIVO LESER) ......... 2

FIGURA 3: VÁLVULA DE SEGURANÇA ATUADA POR MOLA. (FONTE: ARQUIVO LESER) ......... 3

FIGURA 4: VÁLVULA DE SEGURANÇA PILOTO OPERADA. (FONTE: ARQUIVO LESER) .......... 3

FIGURA 5: VÁLVULA DE SEGURANÇA PARA SERVIÇOS CRÍTICOS. (FONTE: ARQUIVO LESER)

.............................................................................................................................. 3

FIGURA 6: VÁLVULA DE SEGURANÇA PARA SERVIÇOS DE LIMPEZA. (FONTE: ARQUIVO

LESER) ................................................................................................................. 4

FIGURA 7: VÁLVULA DE SEGURANÇA ALIVIANDO. .............................................................. 6

FIGURA 8: DESENHO EM CORTE DAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA CONVENCIONAL (À

ESQUERDA) E BALANCEADA (À DIREITA) E SEUS PRINCIPAIS COMPONENTES. (FONTE:

ARQUIVO LESER) ................................................................................................ 19

FIGURA 9: FORÇAS ATUANDO NA ÁREA DA SEDE, COM A VÁLVULA FECHADA. (FONTE:

ARQUIVO LESER) ................................................................................................ 20

FIGURA 10: VÁLVULA NA IMINÊNCIA DE ABRIR. PODE-SE PERCEBER A PRESENÇA DO CHIADO

DE ABERTURA. FORÇAS DE PRESSÃO E DA MOLA BALANCEADAS. (FONTE: ARQUIVO

LESER) ............................................................................................................... 21

FIGURA 11: POSIÇÃO DO ANEL DE AJUSTE INFLUENCIANDO OS EFEITOS DO ALÍVIO. (FONTE:

HELLEMANS, 2009) ........................................................................................... 22

FIGURA 12: ESQUERDA: CÂMARA DE CONTROLE. DIREITA: FORÇA DE PRESSÃO ATUANDO NA

ÁREA DO DISCO AUMENTADA. VÁLVULA ALIVIANDO. (FONTE: ARQUIVO LESER) ........ 22

FIGURA 13: FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (FONTE: DIN EN ISO 4126-7, P. 26) ............ 27

FIGURA 14: FATOR DE CORREÇÃO PARA A VISCOSIDADE 𝑲𝒗 EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE

REYNOLDS (FONTE: API RP 520, P.72). ................................................................ 30

FIGURA 15: FATOR DE CORREÇÃO PARA A CONTRAPRESSÃO 𝐊𝐛, PARA VÁLVULAS

BALANCEADAS E OPERANDO COM GASES E VAPORES (FONTE: API RP 520, P.47) ..... 39

FIGURA 16: COEFICIENTE C (FONTE: API RP 520, P.58) ................................................ 40

FIGURA 17: VALORES PARA O COEFICIENTE DE ESCOAMENTO SUBCRÍTICO 𝐅𝟐. ................. 43

FIGURA 18: FATOR DE CORREÇÃO PARA CONTRAPRESSÃO EM VÁLVULAS DE SEGURANÇA

BALANCEADAS E OPERANDO COM LÍQUIDOS (FONTE: API RP 520, P.48) .................. 47

FIGURA 19: FUNÇÃO DE ESCOAMENTO. (FONTE: AD 2000-MERKBLATT A2, P.19) ............ 54

FIGURA 20: COEFICIENTE MÉDIO DE PRESSÃO X PARA VAPOR D'ÁGUA EM ESCOAMENTO

CRÍTICO. (FONTE: AD 2000-MERKBLATT A2, P.20) ................................................. 55

FIGURA 21: MODELO DE FOLHA DE DADOS. (FONTE: API RP 520, P.62) .......................... 58

x

Lista de Tabelas

TABELA 1: VANTAGENS E DESVANTAGENS DA VÁLVULA CONVENCIONAL. ......................... 18

TABELA 2: VANTAGENS E DESVANTAGENS DA VÁLVULA BALANCEADA. ............................. 19

TABELA 3: SELEÇÃO DO CÓDIGO/NORMA PARA O DIMENSIONAMENTO. ............................. 25

TABELA 4: RELAÇÃO ENTRE CONTRAPRESSÃO E PRESSÃO CRÍTICA. ................................. 29

TABELA 5: EXEMPLO DE DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE ALÍVIO PARA INSTALAÇÕES COM

APENAS UMA VÁLVULA (FONTE: API RP 520, P.50). ................................................ 31


MÚLTIPLAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA (FONTE: API RP 520, P.51). ......................... 32


APENAS UMA VÁLVULA OPERANDO EM CASO FOGO (FONTE: API RP 520, P.51). ....... 33


MÚLTIPLAS VÁLVULAS DE SEGURANÇA OPERANDO EM CASO FOGO (FONTE: API RP

520, P.52). ........................................................................................................... 34

TABELA 9: LIMITES DE PRESSÃO DE AJUSTE E ACUMULADA PARA VÁLVULAS DE SEGURANÇA

(FONTE: API RP 520, P. 49). ................................................................................. 35

TABELA 10: COEFICIENTE EFETIVO DE DESCARGA, CONFORME API RP 520. .................... 36

TABELA 11: ÁREA EFETIVA DE DESCARGA, CONFORME API RP 520. ................................ 37

TABELA 12: FATOR DE CORREÇÃO PARA VAPOR SUPERAQUECIDO (FONTE: API RP 520,

P.70) .................................................................................................................... 45

TABELA 13: FUNÇÃO DE ESCOAMENTO 𝜳 PARA OS DIFERENTES TIPOS DE ESCOAMENTO.

(FONTE: ARQUIVO LESER) ................................................................................... 53

TABELA 14: RESUMO DAS PRINCIPAIS FÓRMULAS UTILIZADAS PARA DIMENSIONAMENTO DE

VÁLVULAS DE SEGURANÇA. (FONTE: ARQUIVO LESER) ........................................... 56

1

1 Objetivo

Este projeto final de graduação tem como objetivo a apresentação da

metodologia de dimensionamento e seleção de válvulas de segurança (PSVs) atuando

em diferentes cenários críticos para a linha de produção de diferentes indústrias. Os

cálculos dos orifícios requeridos para as PSVs em cada situação se basearão nas

Normas e Códigos criados por diferentes associações comerciais mundiais, como a

API RP 520, a ASME Seção VIII, a AD 2000-Merkblatt A2 e a ISO 4126-1. A

comparação e a diferenciação dos métodos de dimensionamento serão feitas para que

se possa escolher o mais adequado a resistir às condições de operação limites,

evitando o superdimensionamento ou o subdimensionamento das válvulas. A análise e

a escolha do melhor método de cálculo são imprescindíveis para um dimensionamento

correto.

Para cada caso, se utilizarão diferentes critérios para o dimensionamento das

válvulas. Estes critérios serão escolhidos a partir dos dados fornecidos através de

Folhas de Dados utilizadas em alguns projetos de válvulas de segurança para as

indústrias de atuação dos consumidores finais.

A seleção final destas válvulas se dará pelo tamanho do orifício requerido, sendo

escolhida a primeira válvula com o orifício verdadeiro imediatamente superior ao

orifício calculado, evitando, assim, o seu subdimensionamento ou

superdimensionamento. Além disso, o que pode influenciar muito na seleção é o tipo

de indústria do usuário final e os diferentes produtos específicos, para cada tipo de

aplicação, que os fabricantes de válvulas de segurança possuem.

2

2 Introdução

2.1 História das Válvulas de Segurança

No final do século XVII, mais precisamente no ano de 1679, a primeira panela

de pressão usando vapor pressurizado estava sendo inventada pelo ilustre físico e

inventor Denis Papin. Durante a primeira demonstração de sua utilidade, em frente a

toda a Sociedade Real francesa, sua mais nova invenção explodiu. Foi preciso,

portanto, pensar em algo que conseguisse aliviar a pressão do vapor de dentro da

panela. Foi aí que Papin inventou a primeira Válvula de Segurança e, apenas após

isso, que sua panela de pressão operou corretamente e sem acidentes. Em 1681 ele

conseguiu criar uma patente para a sua invenção.

A invenção do motor a vapor e o crescente uso de caldeiras para fornecimento

de vapor durante a fase de industrialização levou a necessidade de proteção à vida e

a propriedade material contra explosões.

As primeiras e simples válvulas de segurança usavam um peso para segurar a

pressão do vapor, contudo elas eram facilmente violadas ou acidentalmente abertas.

Em 1856, John Ramsbottom inventou a primeira válvula de segurança atuada por

mola que era à prova de violações e aberturas acidentais. Logo ela se tornou

essencial para o mercado ferroviário e, depois, em instalações fixas.

Figura 2: Válvula de Segurança atuada por peso. (Fonte: Arquivo LESER)

Figura 1: Primeira Válvula de Segurança de Denis Papin.

3

As válvulas de segurança atuadas por mola continuam sendo o tipo mais

utilizado até os dias de hoje. Mais recentemente, na segunda metade do século

passado, foram inventadas as válvulas de segurança piloto-operadas e as controladas

manualmente, principalmente para aumentar a pressão de operação nas linhas de

produção e melhorar a eficiência do equipamento protegido. Por último, foram

inventadas as válvulas de segurança projetadas para aplicações específicas, como

para a indústria farmacêutica (Clean Service Safety Valves) e para indústria química,

que possui um revestimento interno próprio para trabalhar com fluídos quimicamente

agressivos (Critical Service Safety Valves).

Figura 3: Válvula de Segurança atuada por mola. (Fonte: Arquivo LESER)

Figura 4: Válvula de Segurança Piloto Operada. (Fonte: Arquivo LESER)

Figura 5: Válvula de Segurança para serviços críticos. (Fonte: Arquivo LESER)

4

2.2 História dos Códigos e Normas Em 1880, foi fundada a Sociedade Americana dos Engenheiros Mecânicos

(ASME) para combater as numerosas falhas e explosões de caldeiras e vasos de

pressão. Atualmente, o Código da ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão (BPVC)

regula a certificação de todos os dispositivos de alívio de pressão e é, provavelmente,

o código para válvulas de segurança mais utilizado no mundo. No Código ASME

Seção I, os parágrafos PG. 67 a PG. 73 abordam os requerimentos para as válvulas

de segurança obrigatórias quando uma caldeira é construída conforme o código

ASME. No Código ASME Seção VIII Divisão 1, as válvulas de segurança e/ou alívio

são abordadas nos parágrafos UG-125 a UG-137, que tornam obrigatórias seu uso em

vasos de pressão construídos conforme o código ASME. Além disso, os discos de

ruptura e dispositivos de pino para rompimento também são abordados na Seção VIII

Divisão 1.

Com o crescimento das indústrias de petróleo e petroquímica, o Instituto

Americano de Petróleo (API) buscou a uniformidade das características dimensionais

e físicas dos dispositivos de alívio de pressão. Foram criadas, então, as diversas

Práticas Recomendadas (RP) e Padrões de Construção (Std). Enquanto o código da

ASME se tornou uma lei, mandatória ainda nos Estados Unidos e Canadá, as práticas

recomendadas pelo API se tornaram internacionalmente reconhecidas, ainda sendo

usadas atualmente.

Na Alemanha, a Sociedade de Inspeção a Caldeiras (Dampfkessel-Revisions-

Verein), posteriormente chamada de TÜV, foi fundada em 1866 com o mesmo

propósito: evitar acidentes através de regras para a construção e inspeção de vasos

de pressão. Posteriormente, a AD 2000-Merkblatter foi preparada por sete

associações distintas que formam a Associação de Vasos de Pressão (AD), contendo

requisitos obrigatórios de segurança a serem seguidos em condições de operação

normais e especiais.

Figura 6: Válvula de Segurança para serviços de limpeza. (Fonte: Arquivo LESER)

5

Para permitir a livre circulação de mercadorias na Comunidade Europeia, os

países-membros foram proibidos de criar novas regras técnicas e de atualizar as já

existentes. Portanto, eles concordaram em criar uma diretiva que harmonizasse todas

essas Normas Europeias (EN) para vasos de pressão. Com este intuito, em 1997, foi

publicada a Diretiva de Equipamentos de Pressão (PED). Atualmente na Europa, as

válvulas de segurança estão incluídas como “Acessórios de Segurança”, na PED, e

estão na categoria de riscos IV (a maior).

Pelo fato de estas diretivas possuírem um escopo extremamente abrangente,

elas não podem ser muito específicas nos detalhes dos bens abordados. Desta forma,

o Comitê Europeu de Padronizações (CEN) foi designado pelo Conselho Europeu para

criar os Padrões Europeus. Após quase 20 anos de esforço por parte de cliente finais

e fabricantes, membros do Comitê, o CEN publicou em 2004 as Normas próprias para

válvulas de segurança, a EN 4126 Partes 1 até 7. Estas Normas substituem qualquer

Norma equivalente que existiu antes da sua criação, em cada País da União Europeia.

2.3 Definição, Função e Aplicações Básicas

O principal propósito de uma válvula de segurança, como dito anteriormente, é

a proteção à vida, à propriedade material e ao meio ambiente. As válvulas de

segurança protegem equipamentos utilizados em refinarias e indústrias relacionadas,

que trabalham com uma Pressão Máxima de Trabalho Admitida (PMTA) de 15 psi-g

(ou 103 kPa-g) ou maior. São dispositivos automáticos de alívio de pressão e devem

ser projetadas para que sua capacidade de vazão seja igual ou superior a vazão do

fluido fornecido a elas.

As válvulas de segurança são instaladas em processos industriais que utilizam

vasos de pressão, caldeiras ou tubulações fechadas e sua função é aliviar o excesso

de pressão causado por um aumento da pressão de operação acima de um limite pré-

estabelecido pelo projeto do equipamento protegido por ela. Após o alívio do excesso

de pressão da linha e o reestabelecimento das condições normais de operação, a

válvula de segurança deve fechar, novamente, evitando que fluido demais seja

aliviado e haja uma queda de pressão além do normal na linha.

Consideradas, como o nome já menciona, dispositivos de segurança, em

muitos casos são a última linha de defesa dos equipamentos. Por isso, é de extrema

importância assegurar que a válvula de segurança projetada será capaz de operar

todas as vezes e sobre todas as circunstâncias. Vale ressaltar que uma válvula de

segurança não é uma válvula de processo, muito menos um regulador de pressão e,

portanto, não deve ser utilizada como tal. Elas devem operar com o propósito de

proteger o equipamento contra a sobrepressão.

6

Dentre as aplicações básicas das Válvulas de Segurança, as que, principalmente, se

destacam no mercado brasileiro são:

1) Indústria de Óleo e Gás

São usadas tanto na área de Upstream quanto na área de Downstream.

Dependendo das circunstâncias, diferentes requisitos são colocados nas válvulas. Por

exemplo, em equipamentos de perfuração e FPSOs não apenas alta capacidade e

baixos pesos devem ser alcançados, mas também deve se levar em consideração as

condições adversas causadas pelo ambiente de água salinizada. Além disso, altas

pressões e contrapressões existem em todas as plantas. Para esta indústria, a

exigência por documentação e inspeção é grande.

2) Indústria Petroquímica

As aplicações de válvulas de segurança para a Indústria Petroquímica é

bastante diversificada, assim como os produtos que elas produzem. Existem plantas

de etileno, metanol ou de produção de fertilizantes e, cada uma delas, necessita de

válvulas de segurança para proteção em diferentes cenários, tais como: proteção

contra expansão térmica, altas pressões e contrapressões, grandes ou pequenas

capacidades de vazão. Para todas estas aplicações, os níveis de exigências de

documentação e inspeção também são bem altos.

3) Indústria Química

Existem muitos tipos de plantas na Indústria Química, como por exemplo

plantas para produção de substâncias orgânicas e inorgânicas e químicos,

fertilizantes, sabonetes, produtos de limpeza, tintas e vernizes. Desta forma, existe

uma extensa gama de aplicações para esta indústria, tais como: proteção de meios

tóxicos e corrosivos para processamento de vapor ou expansão térmica em dutos.

Geralmente, há requisitos especiais de estanqueidade, como a PAS 1085, ou devem-

se minimizar as perdas dos fluidos tóxicos e corrosivos.

Figura 7: Válvula de Segurança aliviando.

7

4) Indústria de Comidas e Bebidas

A Indústria de Comidas e Bebidas exige, excepcionalmente, padrões de

higiene altíssimos, o que reflete nos requisitos de estanqueidade e limpeza das

válvulas de segurança. Por exemplo, a qualidade da superfície delas de estar de

acordo com os requisitos da DIN 11866 ou da ASME BPE. Em muitos casos, para

simplificar o processo de limpeza, as válvulas de segurança devem ser fáceis de abrir

pneumaticamente e seu status de abertura mostrado.

5) Indústria Farmacêutica

A Indústria Farmacêutica tem requisitos especiais para limpeza, materiais,

documentação e inspeção de válvulas de segurança. Por exemplo, uma válvula de

segurança deve poder ser aberta pneumaticamente e o seu status de abertura

mostrado para simplificar o processo de limpeza para esterilização. Além de processos

de esterilização, a Indústria Farmacêutica também tem requisitos similares àqueles da

Indústria Química para produção de substâncias básicas.

6) Indústria de Energia

Na Indústria de Energia, as válvulas de segurança são utilizadas em todas as

plantas que produzem energia termicamente, como a de carvão, gás, nuclear e usinas

solares. Caldeiras, superaquecedores e turbinas são, por exemplo, protegidos por

válvulas de segurança. As usinas devem operar o mais perto possível da Pressão de

Abertura das válvulas de segurança para operarem da melhor forma possível.

7) Indústria de Gases técnicos

Nesta indústria, as válvulas de segurança são necessárias para o transporte,

armazenamento e processamento de gases técnicos. Especialmente para usinas de

liquefação e separação do ar e abastecimento de gás, muitas exigências são feitas

nas válvulas. Além de altas contrapressões e expansão térmica, elas também devem

proteger para aplicações com baixas temperaturas. Requisitos rigorosos também são

feitos para estanqueidade, especialmente para aplicações com oxigênio, óleo e

gordura.

2.4 Razões para o excesso de pressão em um Vaso

Existem algumas razões que levam a pressão em um vaso de pressão, ou

sistema, a exceder um determinado limite. As Normas de padronização: API 521 e ISO

8

23251 Seção 4, fornecem um guia detalhado de casos de sobrepressão nos

equipamentos. Os casos mais comuns são:

Descarga Bloqueada

Ocorre quando o fluxo de entrada no sistema continua a alimentar o vaso,

enquanto a saída está parcialmente ou totalmente bloqueada. Isto pode ocorrer devido

a um erro humano, falha na válvula, falha no atuador, entre outros.

Expansão Térmica ou Hidráulica

Este cenário ocorre, tipicamente, com líquidos que ficam presos dentro de

vasos ou tubulações. Verifica-se uma expansão lenta do líquido dentro do vaso devido

a um aumento na temperatura, causada pela exposição ao sol ou a um sistema de

aquecimento descontrolado. Isto resultará em grandes forças hidráulicas internas

dentro do vaso ou tubulação, já que o líquido é incompressível e necessita ser

evacuado. Este equipamento precisa, portanto, de um alívio térmico.

A vazão requerida para o caso de alívio térmico é bem pequena, o que pode

levar a um superdimensionamento da válvula. Normalmente, os fabricantes possuem

uma linha de produtos específica para este tipo de aplicação.

Exposição ao fogo externo, na maioria das vezes chamado de “Caso Fogo”

Neste cenário, o vaso de pressão é exposto ao fogo externo, podendo levar o

sistema a se aquecer rapidamente. Se uma válvula de segurança for utilizada para

este caso, deve-se utilizar um fator de sobrepressão de 21%.

Reação Química

Se existir a possibilidade de reação química dentro dos vasos de pressão ou

tubulações, engenheiros químicos devem determinar os diferentes cenários e fornecer

modelos que levam em consideração a quantidade de vapor que pode ser produzido

pela reação química.

Ruptura da tubulação de um trocador de calor

Este cenário de ruptura da tubulação de um trocador de calor cria uma grande

sobrepressão, pois os fluidos evaporam rapidamente quando estão pressurizados e

são expostos a atmosfera. A capacidade de vazão do trocador de calor deve ser

tomada como a vazão requerida da válvula de segurança, em uma análise

conservativa.

Falha no sistema de resfriamento

9

Cada um dos casos listados acima pode ocorrer individual e separadamente

dos outros, ou podem, também, ocorrer simultaneamente. Cada caso de sobrepressão

criará uma necessidade de descarga volumétrica ou mássica diferente, por exemplo,

uma pequena vazão mássica para o caso de expansão térmica e uma grande vazão

mássica para o caso de reação química. Avaliar e determinar o pior cenário possível

para o dimensionamento e seleção das válvulas de segurança é, portanto, de grande

importância e deve ficar a cargo do usuário final.

3 Conceitos Básicos

3.1 Terminologia

Esta seção contém a terminologia básica e normatizada de válvulas de

segurança e alívio:

3.1.1 Componentes de Válvulas de Segurança

Anel de Ajuste (Ajusting Ring)

Um anel montado junto ao bocal e/ou a guia para controlar as características

de abertura e/ou a pressão de fechamento.

Parafuso de Regulagem (Adjustment Screw)

Um parafuso utilizado para regular a pressão de ajuste de uma válvula de

segurança.

Porca de Travamento (Lock Nut)

Tem a função de travar o Parafuso de Regulagem na posição em que foi

regulada a pressão de ajuste.

Bocal (Corpo de Entrada - Nozzle)

O bocal é o principal componente de contenção de pressão em uma válvula de

segurança, que forma uma parte ou toda a passagem de fluxo na entrada desta.

Corpo (Corpo de Saída - Body)

Um membro de contenção ou retenção de pressão da válvula de segurança,

que une e dá suporte a montagem. Possui orifícios de entrada e saída que podem ser

conectados nas fontes de pressão primária e/ou secundária.

10

Fole (Bellows)

Um componente de balanceamento utilizado para prevenir mudanças na

pressão de ajuste quando a válvula é submetida à contrapressão superimposta. Além

disso, também pode ser usado para vedação dos internos da válvula e evitar sua

corrosão.

Castelo (Bonnet)

O componente da válvula de segurança que protege a mola. Ele pode ser

aberto ou fechado.

Capuz (Cap)

Um componente usado para restringir o acesso e/ou proteger o parafuso de

regulagem. Assim como o Castelo, pode ser aberto ou fechado.

Disco (Disk)

Um componente móvel de uma válvula de segurança que contém a fonte de

pressão primária que entra pelo bocal.

Saia (Disk Holder ou Skirt)

Um componente móvel que dá suporte ao disco, na montagem.

Guia (Guide)

Um componente utilizado para controlar o movimento lateral do disco e da saia.

Alavanca (Lift Lever)

Um componente que permite a aplicação de uma força externa para

manualmente controlar a pressão de abertura.

Sede (Seat)

A sede é a superfície de vedação de pressão dos componentes fixos e móveis

da válvula.

Haste (Spindle)

Um componente que possui sua orientação axial paralela a movimentação do

disco. Pode ser utilizada para uma ou mais das seguintes funções:

a) Assistência no alinhamento;

b) Guiar a movimentação do disco;

c) Transferir as forças externas e internas para a sede.

11

Mola (Spring)

O elemento da válvula de segurança e alívio que aplica a força para manter o

disco unido ao bocal.

Pratos Superior e Inferior da Mola (Spring Plates)

Dão suporte à mola, na montagem.

Juntas de Vedação ou Gaxetas (Gaskets)

Colocadas na a união entre o corpo e o castelo para conferir estanqueidade a

válvula de segurança.

3.1.2 Características do Sistema

Acumulação (Accumulation)

O aumento de pressão acima da Pressão Máxima de Trabalho Admitida

(MAWP ou PMTA) do vaso de pressão. Pode ser expressa em unidade de pressão ou

como uma porcentagem da Pressão Máxima de Trabalho. A acumulação máxima

permitida dependerá do tipo de operação e cenário.

Pressão de Projeto (Design Pressure)

A pressão do vaso, que junto da temperatura de projeto, é utilizada para

determinar a menor espessura possível ou características físicas de cada componente

do vaso, como determinado pelas regras de projeto de vasos. A pressão de projeto é

selecionada pelo usuário para oferecer uma margem de segurança adequada, acima

da pressão de operação mais crítica esperada. Ela pode ser usada no lugar da

Pressão máxima de Trabalho Permitida nos casos em que esta não foi estabelecida

previamente, porém o valor da Pressão de Projeto deve ser igual ou menor do que a

Pressão Máxima de Trabalho Permitida.

Pressão Máxima de Trabalho permitida – PMTA (Maximum Allowable Working

Pressure - MAWP)

Pressão manométrica máxima permitida para o vaso ou um tanque de

armazenamento, na temperatura coincidente especificada para aquela pressão. Essa

é a pressão compatível com o código do projeto, a resistência dos materiais utilizados,

as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. A Pressão Máxima de

Trabalho Permitida é a base para o ajuste da pressão das válvulas de segurança que

12

protegem o vaso. Ela é normalmente maior do que a Pressão de Projeto, mas deve

ser igual quando os cálculos do projeto do vaso são feitos para chegar aos valores

mínimos de espessura para cada componente.

Pressão Máxima de Operação (Maximum Operating Pressure - MOP)

Pressão máxima esperada durante a operação normal do sistema.

3.1.3 Características Dimensionais

Área real do orifício (Actual Orifice Area)

A área mínima de uma válvula de segurança que determina sua vazão.

Área real de descarga (Actual Discharge Area)

A área mínima mensurada que determina o fluxo através de uma válvula.

Área de descarga efetiva (Effective Discharge Area)

Uma área nominal ou calculada de fluxo através de uma válvula de segurança

utilizando um Coeficiente de Descarga efetivo para calcular a capacidade mínima de

alívio requerida.

Área Interna (Bore Area)

A área de passagem do fluxo pelo bocal.

Diâmeto Interno (Bore Diameter)

O diâmetro mínimo do bocal.

Diâmetro da Sede (Bore Diameter)

O menos diâmetro de contato entre as partes fixas e móveis do elemento

contenção de pressão da válvula.

Tamanho da entrada (Inlet Size)

O tamanho nominal da tubulação de entrada de uma válvula de segurança.

Tamanho da saída (Outlet Size)

O tamanho nominal da tubulação de saída de uma válvula de segurança.

Abertura (Lift)

13

A movimentação efetiva do disco quando a válvula está aliviando a pressão.

3.1.3 Características Operacionais

Contrapressão

A pressão que existe na saída de um dispositivo de alívio de pressão, que é

resultado da pressão de descarga do sistema. A contrapressão é a soma das

contrapressões superimpostas e a desenvolvida.

Contrapressão Superimposta

Este tipo de contrapressão existe na conexão de saída antes da válvula se

abrir e provém de um sistema de descarga fechado (coletor, etc.). Deve-se somar o

valor da contrapressão superimposta com o valor da pressão atmosférica,

aumentando assim a pressão de ajuste da válvula. Podem ser de dois tipos: 1)

Constante; 2) Variável.

a) Constante

A contrapressão é dita superimposta constante, como o nome já diz, pois não

varia com o tempo. Desta forma, o seu valor deve ser descontado do valor da pressão

de ajuste da mola. Ela ocorre em sistemas que possuem, por exemplo, diversas

válvulas conectadas a vasos de pressão que descarregam em um coletor comum.

Quando a pressão de operação nestes vasos se elevar simultaneamente, a pressão

de ajuste destas válvulas será alcançada e elas abrirão ao mesmo tempo,

aumentando a pressão dentro do coletor e reduzindo a capacidade de vazão das

válvulas. Para contrapressões superimpostas constantes de 50% a 90% da pressão

de ajuste, utilizam-se válvulas de segurança e alívio piloto-operadas.

b) Variável

A contrapressão superimposta variável ocorre quando diversas válvulas com

pressões de ajuste e/ou com capacidades de alívio diferentes descarregam dentro de

um mesmo coletor, fazendo com que o valor da pressão do coletor varie com o tempo.

Recomenda-se que válvulas operando com contrapressão superimposta

variável sejam balanceadas com fole, pois este tipo de contrapressão altera todas as

características operacionais da válvula, como pressão de abertura, curso do disco,

capacidade de descarga e pressão de fechamento. No entanto, se seu valor for inferior

a 10% da pressão de ajuste das válvulas conectadas ao coletor e essa variação foi

aceita pelo processo, essas válvulas poderão ser convencionais.

14

Contrapressão Desenvolvida

A contrapressão desenvolvida é a pressão existente na descarga de um

dispositivo de alívio de pressão, causada pelo fluxo através deste dispositivo em um

sistema de descarga (tubulação, por exemplo). Ocorre somente após a válvula ter

aberto e alcançado a capacidade máxima de descarga, portanto, não altera a pressão

de ajuste e nem mesmo as características de abertura da válvula. Porém, pode vir a

alterar as características do diferencial de alívio, capacidade de vazão e o valor de sua

pressão de fechamento. Por este motivo, recomenda-se que o valor desta

contrapressão não seja maior do que 10% da pressão de ajuste, para uma

sobrepressão também de 10%. Caso ultrapasse estes valores, as alterações no

funcionamento da válvula de segurança podem ser minimizados através do uso do fole

de balanceamento.

Além disso, por ser dependente da vazão de alívio requerida pelo processo em

um dado momento, a contrapressão desenvolvida é diferente para cada válvula de

segurança e alívio, em todos os cenários de instalação e tipos de fluido.

Um fato curioso e muito importante é que para ocorrer uma redução de

pressão de forma rápida e ainda manter a contrapressão desenvolvida em seu valor

mínimo, tanto o flange de descarga quanto a tubulação de saída devem ser sempre

maiores do que o flange e a tubulação de entrada. Isso pode ser visto em todas as

válvulas de segurança e alívio, pois são projetadas para trabalhar com fluidos

compressíveis e, quando aliviam a pressão deste fluido, surgem altos valores de

volume específico e velocidade de escoamento, devido à redução de sua densidade.

Consequentemente, ocorre uma diminuição rápida da pressão na descarga,

minimizando também a turbulência gerada dentro da válvula.

Diferencial de Alívio (Blowdown)

A diferença entre a pressão de ajuste e a pressão de fechamento da válvula de

segurança. Um diferencial de alívio grande pode fazer com que a válvula tenha

problemas para fechar corretamente, causando danos excessivos para a sede e a

superfície do bocal. O Diferencial de Alívio foi definido pela Norma ASME Seção VIII

como 5 – 7% da pressão de ajuste para gases e vapores, e 20% da pressão de ajuste

para líquidos.

Batimento (Chatter)

15

Movimento de abertura e fechamento anormal, rápido e sucessivo das partes

móveis da válvula de segurança. Neste caso, há o contato entre o disco e a sede. As

superfícies de vedação dessas peças são danificadas.

Trepidação (Flutter)

Movimento de abertura e fechamento anormal, rápido e sucessivo das partes

móveis da válvula de segurança. Neste caso, não há o contato entre o disco e a sede.

A superfície da guia é danificada.

Chiado (Simmer)

O escape, visível ou audível, de um fluido compressível por entre a sede e o

disco, de capacidade não mensurável. Normalmente ocorre a 98% da pressão de

ajuste da válvula. Causa o desgaste das superfícies de vedação devido à erosão

causada pela alta velocidade do fluido escoando nesse momento, além da fadiga da

mola e desgaste das superfícies de guia.

Coeficiente de Descarga (Coefficient of Discharge)

A relação entre a capacidade de alívio mensurada e a teórica.

Kd =(∑ (

Capacidade realCapacidade teórica

)n1 )

n (1)

Sendo Kd o Coeficiente de Descarga e n o número de testes realizados.

Segundo o código da ASME Seção VIII ou ISO 4126-1, existe um procedimento onde

os fabricantes são obrigados a testar três válvulas com três tamanhos diferentes,

totalizando nove testes. O Kd para cada teste é calculado e depois faz-se uma média.

Para certificar o fabricante, o requerimento é que nenhum valor destes Kd calculados

varie mais ou menos 5% da média encontrada.

Pressão de Abertura (Opening Pressure)

O valor da crescente pressão estática de uma válvula de segurança na qual há

um curso de elevação mensurável, ou quando a descarga se torna contínua,

determinada pelo que se vê, se sente ou se escuta.

Pressão de Fechamento ou de Reassentamento (Closing Pressure)

O valor da decrescente pressão estática de uma válvula de segurança na qual

o disco reestabelece contato com a sede ou quando o curso de elevação se torna

nulo.

16

Pressão Diferencial de Teste a frio (Cold Differential Test Pressure - CDTP)

A pressão estática, na entrada, na qual uma válvula de segurança é ajustada

para abrir na bancada de teste, incluindo correções para contrapressão e temperatura.

Coeficiente de Descarga Efetivo (Effective Coefficient of Discharge)

O valor nominal utilizado com a área real de descarga para calcular a

capacidade mínima requerida da válvula de segurança.

Capacidade de Alívio Medida (Measured Relieving Capacity)

A capacidade de alívio de uma válvula de segurança medida na pressão

estimada de fluxo, expressa em unidades mássicas ou volumétricas.

Pressão de Ajuste (Set Pressure)

O valor da crescente pressão estática na qual a válvula de segurança realiza

uma das características operacionais descritas na Pressão de Abertura. (Quando há

um curso de elevação mensurável, ou quando a descarga se torna contínua,

determinada pelo que se vê, se sente ou se escuta).

Sobrepressão (Overpressure)

O aumento da pressão acima da pressão de abertura necessária para fazer

com que a válvula alcance abertura e capacidade máximas durante a descarga.

Normalmente expressa em porcentagem da pressão de abertura.

Devem ser adotados os seguintes valores, de acordo com a ASME:

a) Gases, Vapores e Líquidos: 10% (Código ASME Seção VIII)

b) Cenário de Fogo Externo: 21% (Código ASME Seção VIII)

c) Líquidos: 25% (Não codificado)

Pressão de “Pop” (Popping Pressure)

Pressão na qual o disco se movimenta, no sentido de abertura da válvula, mais

rápido do que quando estivesse a pressões menores e pressões mais elevadas. Essa

abertura é instantânea em válvulas de segurança.

Pressão Primária (Primary Pressure)

Pressão na entrada da válvula de segurança.

17

Coeficiente de Descarga Estimado ou Corrigido (Rated Coefficient of

Discharge)

O coeficiente de descarga determinado de acordo com o Código ou Norma

aplicado é utilizado junto com a área real de descarga para calcular a capacidade de

vazão estimada da válvula de segurança.

Capacidade de Alívio Estimada (Rated Relieving Capacity)

A porção medida da capacidade de alívio permitida pelo Código ou Norma

aplicado, para ser usada como base na aplicação da válvula de segurança.

Capacidade de Alívio Teórica (Theoretical Relieving Capacity)

A capacidade de alívio calculada para um Bocal teoricamente perfeito, com a

área de vazão mínima igual à área real de descarga de uma válvula de segurança.

Expressa em unidades de massa ou volume.

Condições de Alívio (Relieving Conditions)

As condições de pressão e temperatura de uma válvula de segurança durante

uma condição de sobrepressão,

Pressão de Alívio (Relieving Pressure)

A Pressão de Alívio é igual à Pressão de Abertura somando-se a

Sobrepressão.

Pressão de Vedação (Resealing Pressure)

Pressão na qual nenhum vazamento é detectado após o fechamento da válvula

de segurança.

Pressão Secundária (Secondary Pressure)

Pressão existente na passagem por entre a área real de descarga e a saída da

válvula.

3.2 Tipos de Válvulas de Segurança e Alívio Dentre os principais tipos de válvulas de segurança existentes para as mais

diversas aplicações, esta seção aborda os dois principais que serão vistos neste

trabalho. Além disso, veremos as vantagens e desvantagens em suas utilizações.

18

3.2.1 Válvulas Convencionais Projetadas segundo os requerimentos do Código ASME Seção VIII, uma

válvula de segurança, utilizada em vasos de pressão ou tubulações, é chamada de

convencional quando descarrega diretamente para a atmosfera, dependendo do tipo

de fluido. Elas podem ser utilizadas em operações com contrapressão superimposta

constante, desde que o valor desta contrapressão seja descontado da pressão de

ajuste da mola e tenham o castelo e o capuz completamente fechados e vedados.

Quando trabalhando com uma contrapressão superimposta variável, a pressão de

ajuste na mola pode ser alterada, variando de acordo com a contrapressão. Isso cria a

necessidade da válvula de segurança convencional ser convertida em balanceada.

Tabela 1: Vantagens e desvantagens da Válvula Convencional.

Vantagens Desvantagens

Grande gama de materiais, fluidos e

temperaturas disponíveis. Propensão a vazamentos (sede metálica).

Grande gama de fluidos compatíveis Longo chiado ou longo diferencial de alívio.

Grande gama de temperaturas disponíveis Risco de batimento operando com líquidos, a

menos que tenham bom acabamento.

Projeto robusto Sensível à perda de pressão na entrada.

Bom para serviços com fluidos “sujos” e muito

aderentes

Limitação de pressão e tamanho.

Pressão de ajuste, capacidade e estabilidade

muito afetadas pela contrapressão.

Difícil para ser testada em campo.

Logo abaixo, temos duas imagens, em corte, mostrando os principais

componentes e a diferença entre a montagem convencional e a balanceada de

válvulas de segurança:

19

3.2.2 Válvulas Balanceadas

As válvulas balanceadas possuem um fole de balanceamento cobrindo a parte

superior do suporte do disco e a guia da válvula. Esta é a única diferença física entre

uma válvula de segurança balanceada e uma convencional. Para compensar os

efeitos da contrapressão, a área efetiva do fole deve ser igual à área do disco. Isso

previne que a contrapressão atue na área superior ao disco, a qual não possui sua

pressão balanceada, e cancele os efeitos de contrapressão no disco. Dessa forma, a

pressão de ajuste se torna estável, mesmo com a presença da contrapressão.

Além disso, o fole de balanceamento mantêm isoladas as partes internas

superiores da válvula de segurança, como guia, haste e mola, protegendo suas

superfícies contra fluidos corrosivos.

Tabela 2: Vantagens e desvantagens da Válvula Balanceada.

Vantagens Desvantagens

Proteção da superfície da guia Propensão a vazamentos (sede metálica)

Pressão de ajuste inalterada pela

contrapressão Longo chiado ou longo diferencial de alívio

Capacidade diminuída apenas em situações

extremas

Risco de batimento operando com líquidos, a

menos que tenham bom acabamento

Capuz

Parafuso de Regulagem

Porca de Travamento

Prato Superior da Mola

Mola

Haste

Castelo

Prato Inferior da Mola

Guia da Haste

Fole

Disco

Saia

Anel de Ajuste

Corpo

Bocal

Figura 8: Desenho em corte das válvulas de segurança convencional (à esquerda) e balanceada (à direita) e seus principais componentes. (Fonte: Arquivo LESER)

20

Grande gama de materiais disponíveis Muito sensível a perdas de pressão na

entrada

Grande gama de temperaturas disponíveis Limitação de pressão e tamanho

Grande gama de fluidos compatíveis Vida limitada dos foles

Projeto robusto Alto custo de manutenção

Bom para serviços com fluidos “sujos” e muito

aderentes Difícil para ser testada em campo

3.3 Funcionamento das Válvulas de Segurança atuadas por

mola

Para explicar o funcionamento das válvulas de segurança atuadas por mola,

será preciso dividir a explicação em quatro etapas: a primeira com a válvula fechada; a

segunda com a válvula abrindo, a terceira com a válvula completamente aberta,

aliviando, e a quarta quando a válvula está se fechando novamente.

3.3.1 Válvula Fechada (𝐏 < 𝐏𝐒𝐄𝐓)

Em uma válvula de segurança atuada por mola (Spring), a força de

fechamento, também chamada de força da mola, é aplicada por uma mola helicoidal

que é comprimida por um parafuso de ajuste (Adjusting Screw). Esta força é

transferida para o disco (Disc) através da haste (Spindle).

Enquanto a força da mola for maior do que a força criada pela pressão na

entrada da válvula, o disco será pressionado contra o bocal (Nozzle), vedando a

entrada do fluido de trabalho.

Sendo 𝐅𝐏 < 𝐅𝐒

𝐀𝐒 = Área da sede afetada pela pressão P (Seat

Area)

𝐅𝐏 = 𝐏 ∗ 𝐀𝐒 = Força causada pela pressão na

entrada da válvula

𝐅𝐒 = Força da mola

3.3.2 Abertura da Válvula (𝐏 ≈ 𝐏𝐒𝐄𝐓)

Em uma situação adversa, a válvula de segurança irá abrir a uma

predeterminada pressão de ajuste. A força da mola FS atua no sentido de fechamento

da válvula, enquanto a força criada pela pressão do vaso na entrada da válvula, FP,

Figura 9: Forças atuando na área da sede, com a válvula fechada. (Fonte: Arquivo LESER)

21

atua no sentido de abertura. Quando atingida a pressão de ajuste da válvula, a FS e a

FP estão balanceadas. Não existe mais uma força resultante que mantenha o disco e a

sede unidos ou que forneça estanqueidade pelo contato. A válvula de segurança irá,

visivelmente ou audivelmente, começar a aliviar

(descarga audível inicial).

Sendo 𝐅𝐏 = 𝐅𝐒

𝐀𝐒 = Área da sede afetada pela pressão P (Seat

Area)

𝐅𝐏 = 𝐏 ∗ 𝐀𝐒 = Força causada pela pressão na

entrada da válvula

𝐅𝐒 = Força da mola

3.3.3 Válvula

Aberta

(𝐏 > 𝐏𝐒𝐄𝐓)

A pressão no vaso deve crescer além da pressão de ajuste antes da válvula

atingir uma abertura que seja notável. Infelizmente, quando o conjunto disco-sede se

abre e a válvula começa a aliviar, a mola é cada vez mais comprimida, resultando em

uma força contrária que restringe a abertura da válvula. Pensou-se, portanto, na

adição de uma Saia, a qual cria uma área secundária no conjunto. Isto possibilita com

que a pressão na entrada atue sobre uma área maior assim que a válvula começa a

abrir, redirecionando o fluxo para baixo. Ambos impulsionam a válvula para que abra

mais rapidamente, causando menos chiado e sobrepressão. Para conseguir voltar à

pressão de fechamento requerida pelo Código/Norma utilizado, é adicionado um Anel

de Ajuste. O conjunto Bocal-Anel de Ajuste-Saia forma a chamada Câmara de

Controle (Huddling Chamber), criando a força que determina não só a ação de

abertura da válvula, mas também a pressão de fechamento. Essa Câmara é,

essencialmente, um segundo orifício.

Uma válvula de segurança com apenas um anel de ajuste não consegue abrir

rapidamente, evitando o chiado, e ter um diferencial de alívio pequeno ao mesmo

tempo. Se o anel de ajuste é colocado em uma posição elevada, a válvula irá abrir

rapidamente, mas resistirá ao fechamento, resultando em um longo diferencial de

alívio. Por outro lado, se o anel é colocado em uma posição baixa, o alívio será mais

lento (pois necessita de mais sobrepressão), porém o diferencial de alívio será menor.

Portanto, a posição do anel de ajuste e o volume da câmara de controle determinam o

Figura 10: Válvula na iminência de abrir. Pode-se perceber a presença do chiado de

abertura. Forças de pressão e da mola balanceadas. (Fonte: Arquivo LESER)

22

alívio e o fechamento. Desta forma, pode-se perceber que a sobrepressão e o

diferencial de alívio estão ligados um ao outro.

De acordo com a Lei Geral dos Gases, se a pressão diminui (o que ocorre

quando a válvula abre), o volume irá aumentar proporcionalmente com uma

temperatura constante. Isto é exatamente o que ocorre na câmara de controle.

Quando a válvula abre, a pressão é reduzida e o grande aumento no volume fica

preso na câmara de controle. Este volume atua sobre a área do disco aumentada pela

Saia (Enlarged Disc Area), o que força a válvula abrir rapidamente.

Sendo 𝐅𝐏 > 𝐅𝐒 (Válvula aliviando)

Isso é possível graças à área do disco aumentada pela saia (Enlarged Disc Area).

Figura 11: Posição do Anel de ajuste influenciando os efeitos do alívio. (Fonte: HELLEMANS, 2009)

Figura 12: Esquerda: Câmara de controle. Direita: Força de pressão atuando na área do disco aumentada. Válvula aliviando. (Fonte: Arquivo LESER)

23

É importante mencionar que gases e vapores possuem diferentes

características de alívio em relação a líquidos, pois gases e vapores são

compressíveis, já os líquidos não. O que vem sendo discutido neste tópico é típico

para gases e vapores. Até 1985, os códigos permitiam uma sobrepressão de 25%

para aplicações com líquidos.

Entretanto, desde 1985, os códigos também passaram a requerer uma

sobrepressão de 10% para líquidos. Isto significou, na época, que muitos fabricantes

de válvulas tiveram que refazer seus projetos de tal forma que uma mesma válvula

atendesse aplicações com líquido e gás.

A configuração da válvula de segurança para trabalhar com líquido modifica a

forma da câmara de controle, de modo que a capacidade máxima de alívio é atingida

com 10% de sobrepressão. Alguns fabricantes oferecem válvulas configuradas para

trabalhar com todos os tipos de fluido ao mesmo tempo, outros possuem uma

configuração intercambiável para cada fluido.

3.3.4 Válvula Fechando/Reassentando (𝐏 < 𝐏𝐒𝐄𝐓)

Na maioria das aplicações, uma válvula de segurança dimensionada

corretamente fará com que a pressão no vaso diminua quando estiver aliviando. A

pressão no vaso irá diminuir até o término da situação adversa (crítica) de operação.

Uma pressão menor no vaso diminuirá a FP. Na pressão de ajuste, entretanto,

o fluxo ainda atua sobre a área do disco aumentada, a qual manterá a válvula aberta.

Uma redução maior da pressão faz com que a FS volte a ser maior do que a FP e a

válvula começa a reassentar. Na chamada pressão de reassentamento, o disco toca o

bocal novamente, fechando a válvula.

3.4 Metodologia do Dimensionamento e Seleção das Válvulas de Segurança 3.4.1 Introdução e Metodologia

O dimensionamento correto é, provavelmente, a etapa mais importante para

selecionar a melhor válvula de segurança para um determinado trabalho, garantindo

segurança máxima ao processo. Hoje em dia, os dimensionamentos são feitos, quase

que exclusivamente, com o auxílio de softwares. A maioria deles é disponibilizada no

mercado pelos fabricantes, porém é de extrema importância saber o que existe por

trás destes softwares e olhar atentamente para as fórmulas que eles se baseiam para

realizar os cálculos.

O correto e completo dimensionamento de válvulas de segurança é um

complexo processo, com um passo-a-passo que deve, preferencialmente, ser seguido:

24

1) Avaliar cada peça do equipamento em um processo, para determinar o cenário de

sobrepressão que será adotado (Seção 2.4).

2) Estabelecer um projeto de base apropriado para cada vaso que necessite de

proteção nos diferentes casos de sobrepressão descritos na seção 2.4. A escolha

do projeto de base correto requer a apreciação de cenários alternativos para

encontrar o pior cenário possível.

3) Calcular o tamanho requerido da PSV, baseado nos dados de projeto.

4) Após estabelecer o tamanho requerido da válvula, avalie as condições periféricas e

de aplicação para selecionar o tipo de PSV mais adequado ao processo.

Dimensionar válvulas de segurança envolve determinar o orifício correto de um

tipo de válvula particular para uma capacidade de alívio requerida, como discutido

anteriormente.

A metodologia para o dimensionamento e seleção de válvulas de segurança

compreende os seguintes pontos:

1) Estabelecer a pressão de abertura na qual a PSV deve operar, baseado nos

limites operacionais do processo e do código/norma utilizado.

2) Determinar a capacidade de alívio.

3) Selecionar o tamanho e o tipo de válvula que melhor se adequar a aplicação e que

terá a capacidade de aliviar o excesso de pressão, dentro dos limites dos

códigos/normas.

A seguir, sugere-se uma lista mínima das condições de serviço que devem ser

fornecidos para um dimensionamento e seleção de válvula correto, consistente com os

requerimentos da ASME Seção VIII, API RP 520, AD MERKBLAT 2000-A2 ou ISO

4126-1, para pressões acima de 1,03 bar-g (15 psi-g):

1) Propriedades do fluido na temperatura de alívio:

a) Fluido e estado físico do fluido.

b) Peso molecular

c) Viscosidade

d) Gravidade específica:

i) Líquido (referente à água)

ii) Gás (referente ao ar)

e) Expoente isentrópico ou relação dos calores específicos (𝑘 =𝐶𝑃

𝐶𝑉)

f) Fator de compressibilidade (Z).

g) Para escoamentos bifásicos, necessita-se das mesmas propriedades do líquido

e do gás. Quando o fluxo é intermitente, além destas propriedades, necessita-

se das entalpias de saturação e dos volumes específicos.

25

2) Condições de abertura:

a) Pressão de operação (psi-g, kPa-g, bar-g, kgf/cm²-g, etc.)

b) Temperatura de operação (°C, K, °F ou °R)

c) Pressão máxima de trabalho permitida (psi-g, kPa-g, bar-g, kgf/cm²-g, etc.)

3) Condições de alívio:

a) Capacidade de alívio requerida:

i) Gás ou vapor (kg/h, lb/h ou m³/h, ft³/h, L/h ou Nm³/h, SCFM)

ii) Líquido (kg/h, lb/h ou m³/h, ft³/h, L/h)

b) Pressão de abertura (psi-g, kPa-g, bar-g, kgf/cm²-g, etc.)

c) Sobrepressão permitida (%)

d) Contrapressão superimposta constante ou variável (psi-g, kPa-g, bar-g,

kgf/cm²-g, etc.)

e) Contrapressão desenvolvida pela linha (psi-g, kPa-g, bar-g, kgf/cm²-g, etc.)

f) Temperatura de alívio (°C, K, °F ou °R)

A escolha da Norma/Código a ser seguido, normalmente é feita considerando-

se a localização geográfica do usuário final, conforme tabela abaixo:

Tabela 3: Seleção do Código/Norma para o dimensionamento.

Norma/Código de dimensionamento Local do usuário final

ISO 4126-1 Europa, incluindo a Rússia e os membros da

Comunidade dos Estados Independentes

AD 2000-Merkblatt A2

Mais comum na Alemanha, mas também

pode ser aplicada para satisfazer os

requisitos básicos de segurança da Diretiva

de Equipamentos de Pressão (PED)

ASME Seção VIII

Estados Unidos ou qualquer outro país/região

que, normalmente, adote os padrões

Americanos, como América do Norte, Oriente

Médio ou os países do extremo leste Asiático.

API RP 520

Somente quando solicitado pelo cliente final,

pois foi criada para atender, principalmente,

aos requisitos de segurança da indústria do

Petróleo.

Após determinar a área de orifício requerida, necessária para escoar a

capacidade requerida, o tamanho e tipo apropriados da válvula devem ser

selecionados. Ela deve ter uma área efetiva nominal igual ou maior do que a área de

orifício requerida calculada.

26

3.4.2 Propriedades dos gases

Os gases e vapores são meios gasosos em diferentes estados

termodinâmicos. Enquanto um gás está em um estado termodinâmico onde nenhum

líquido ou sólido pode ser formado naquela temperatura, como oxigênio a temperatura

ambiente, um vapor está em um estado de equilíbrio com a fase líquida, como vapor e

água. Isto significa que apenas aumentando ou diminuindo a pressão, um vapor pode

condensar ou evaporar, respectivamente, enquanto um gás não.

As Normas/Códigos de dimensionamento adotam as formulações para Gases

baseadas na Equação de Estado:

P ∗ v = Z ∗ R ∗ T (2)

Sendo P a pressão absoluta, v o volume específico do gás ( v =V

m=

1

ρ em

m³

kg ), Z o

fator de compressibilidade, R a constante característica de cada gás e T a

temperatura.

A densidade 𝜌 [ ρ =m

V, em

kg

m³ ] é o inverso do volume específico e é a medida

da massa de um meio contida em um volume.

A gravidade específica G de um gás é a razão entre a densidade do gás em

relação à densidade do ar nas condições normais de referência:

G =ρGρAr

(3)

Na presença de um gás puro, sem mistura de diferentes gases, na mesma

temperatura e pressão do ar e que possa ser tratado como um gás ideal (Z=1), a

gravidade específica G se torna a razão dos pesos moleculares (G =MG

MAr). O peso

molecular, ou massa molecular, é a massa contida em um mol do componente. Um

mol de qualquer substância consiste no número de Avogrado (6,02214 ∗ 1023).

O fator de compressibilidade Z é determinado pelo gráfico a seguir, em função

da temperatura e pressão reduzidas. A temperatura e a pressão reduzidas são

definidas como a razão entre o valor absoluto de temperatura ou pressão em relação

aos valores no ponto crítico:

Tr =T

TC e Pr =

P

PC (4)

27

O expoente isentrópico k , ou razão de calores específicos, é a relação entre o

calor específico a pressão constante cp e o calor específico a volume constante c𝑣:

𝑘 =𝑐𝑝

𝑐𝑣≥ 1 (5)

Os procedimentos de dimensionamento exigem o conhecimento do expoente

isentrópico e do valor da compressibilidade nas condições de alívio. Estes valores não

devem, de forma alguma, ser escolhidos aleatoriamente. Existem softwares comerciais

para gases puros e gases de mistura, por exemplo, que contêm bancos de dados

detalhados para cada aplicação específica.

Escoamentos gasosos Críticos e Subcríticos

Existem diferenças entre os escoamentos crítico e subcrítico. Quando um gás

compressível é expandido em um bocal, um orifício, ou o fim de uma tubulação, sua

velocidade e seu volume específico aumentam com a queda de pressão na linha a

jusante. Para uma dada condição à montante da linha, o escoamento mássico

passando pelo bocal aumenta até uma velocidade limite. Pode ser mostrado que a

velocidade limite, para este caso, é a velocidade do som. A vazão de escoamento

correspondente à velocidade limite é conhecida como vazão de escoamento crítico.

A distinção entre os escoamentos crítico e subcrítico dos gases está presente

em todas as Normas de dimensionamento e são calculados de formas diferentes. Em

ambos os casos a vazão mássica do gás passando pelo bocal da válvula de

Figura 13: Fator de compressibilidade (Fonte: DIN EN ISO 4126-7, p. 26)

28

segurança é igual àquela passando por um bocal ideal, multiplicada pelo coeficiente

de descarga. Sob a perspectiva da engenharia, o escoamento de gás em um bocal é

assumido como adiabático, ou seja, sem trocas térmicas com o ambiente, e as perdas

de energia são normalmente desprezadas. Assumindo isto, a relação entre pressão e

volume específico é dada pela equação de estado a seguir:

P ∗ vk = constante (6)

Como mencionado anteriormente, podemos dividir as fórmulas de

dimensionamento em duas categorias gerais, baseada na relação entre a pressão de

escoamento e a pressão de descarga:

1) Na primeira categoria, a razão entre a P1 (pressão na entrada) e a P2 (pressão

na saída) é aproximadamente 2 ou maior. Neste cenário, o escoamento

passando pela válvula se torna sônico, ou seja, o escoamento atinge a

velocidade do som para aquele fluido, em particular. Uma vez atingido o

escoamento sônico, a velocidade do fluido permanece constante (não pode

chegar a ser supersônico).

2) A segunda categoria é voltada para o escoamento subsônico, o qual ocorre

quando a pressão a jusante do bocal da válvula excede a pressão crítica.

Nestas condições, o escoamento irá decrescer com um aumento da

contrapressão, apesar da pressão a montante permanecer constante. A

pressão na qual o escoamento subsônico ocorre varia de acordo com as

condições do escoamento e pode ser calculada da seguinte forma:

P2(Crítica) = P1 ∗ (2

k + 1)

kk+1

(7)

Sendo P2 a pressão crítica (pressão na saída do bocal com o gás escoando na

velocidade do som), P1 a pressão na entrada do bocal (ou pressão de alívio) e k o

coeficiente isentrópico.

Em resumo, precisamos sempre saber se a pressão na saída do bocal P2 é

maior, menor ou igual à pressão crítica Pc de escoamento. Caso seja menor ou igual, o

escoamento é crítico e usamos as fórmulas de escoamento crítico. Caso seja maior, o

escoamento é subcrítico e devemos usar as fórmulas de escoamento subcrítico.

Outra forma, talvez mais simples, de saber se o escoamento é crítico ou

subcrítico é olhar para a contrapressão. Se a contrapressão Pb for menor ou igual à

pressão crítica Pc, a vazão mássica no bocal é chamada de crítica. Caso contrário, a

vazão mássica é chamada de subsônica, se tornando uma função da relação entre a

contrapressão Pb e a pressão de alívio P1.

De forma simples:

29

Tabela 4: Relação entre contrapressão e pressão crítica.

Escoamento gasoso crítico Pb ≤ Pc

Escoamento gasoso subcrítico Pb > Pc

Portanto, quando a razão entre a contrapressão e a pressão de entrada na

válvula Pb

P1 excede a razão entre a pressão crítica

Pc

P1, o escoamento é subcrítico.

3.4.3 Propriedades dos líquidos e escoamentos viscosos

Para válvulas trabalhando com líquidos, que possuem viscosidade, precisamos

das seguintes propriedades:

1) Densidade ρ: varia com a temperatura, mas só varia com a pressão quando ela for

muito grande (da ordem de centenas de bar).

2) Gravidade específica G: substitui a densidade do líquido no procedimento de

dimensionamento da API RP 520. Ela é definida como a razão entre a densidade

do líquido em relação à densidade da água na mesma temperatura.

3) Viscosidade dinâmica μ: é a medida da resistência de escoamento de um fluido

quando deformado pela tensão. Líquidos muito viscosos precisam de uma pressão

maior para escoar em relação aos fluidos invíscidos, assim como quanto mais

viscoso for o líquido, necessita-se de válvulas maiores. Para contabilizar os efeitos

da viscosidade dos fluidos nos procedimentos de dimensionamento de válvulas de

segurança, foi criado o fator de correção para a viscosidade Kv. Este fator é

expresso em função do número de Reynolds 𝑅𝑒 na área do orifício, que é a

relação entre as forças inercial e viscosa na área do orifício:

𝑅𝑒 =Qmμ∗ √

4

π∗

1

Aorifício (8)

Sendo Qm a vazão mássica requerida (lb

h ou

kg

h), μ a viscosidade dinâmica (cP ou Pa ∗

s) e Aorifício a área do orifício (in² ou mm²).

A Figura 14 está presente nas normas da ISO 4126-1 e 4126-7, assim como na

API RP 520. A AD 2000-Merkblatt cita a ISO 4126-1 como referência para cálculos

com fluidos viscosos. Nesta figura, podemos verificar a relação entre o fator de

correção para a viscosidade e o número de Reynolds:

30

Para um número de Reynolds menor do que 34 deve-se procurar aquecer o

líquido com dispositivos próprios para fazê-lo, como a jaqueta de aquecimento, e desta

forma aumentar o número de Reynolds através da redução da viscosidade. Este

cenário ainda não foi regulamentado em nenhuma norma/código e há apenas algumas

publicações científicas sobre o assunto.

3.5 Dimensionamento de válvulas de segurança

Nesta seção, serão abordados os diferentes códigos/normas para

dimensionamento de válvulas de segurança. A intenção é que fiquem claras as

diferenças dos métodos e procedimentos de cálculo entre os códigos.

3.5.1 Pressão de Alívio e critérios de sobrepressão conforme API RP

520

A pressão de alívio P1 é a pressão na entrada da válvula de segurança,

operando nas condições de alívio. Ela é definida na equação a seguir como a soma da

pressão de ajuste, sobrepressão e pressão atmosférica:

P1 = Pset + ∆Psobrepressão + Patm (9)

Figura 14: Fator de correção para a viscosidade 𝑲𝒗 em função do número de Reynolds

(Fonte: API RP 520, p.72).

31

A sobrepressão permitida no dispositivo de alívio de pressão é estabelecida a

partir da acumulação permitida pelo Código aplicado (ASME Seção VIII, para este

trabalho). Como mencionado anteriormente, a sobrepressão pode variar para as

diferentes aplicações, dependendo da relação entre a pressão de ajuste e a pressão

máxima de trabalho permitida no vaso de pressão ou sistema protegido. Vale ressaltar

que “sobrepressão” permitida no sistema só é semelhante a “acumulação” quando a

pressão de ajuste for igual à pressão máxima de trabalho permitida.

Aplicações com apenas uma válvula de segurança instalada

De acordo com os requerimentos do Código ASME, a pressão acumulada deve

ter um limite de 110% da pressão máxima de trabalho permitida (PMTA), em vasos de

pressão que são protegidos por apenas um dispositivo de alívio de pressão,

dimensionado para operar em qualquer cenário, exceto para os casos de exposição ao

Fogo. A pressão de ajuste não deve exceder a pressão máxima de trabalho permitida.

Quando a pressão máxima de trabalho permitida estiver entre 15 psig e 30 psig

(103 kPa e 207 kPa), a acumulação permitida é de 3 psi (21 kPa).

Exemplo:

Tabela 5: Exemplo de determinação da Pressão de Alívio para instalações com apenas uma válvula (Fonte: API RP 520, p.50).

Características Valores

Válvula de segurança com a pressão de ajuste igual à PMTA

PMTA do vaso de pressão protegido, psig (kPag) 100,0 (689)

Máxima pressão acumulada, psig (kPag) 110,0 (758)

Pressão de ajuste, psig (kPa) 100,0 (689)

Sobrepressão permitida, psig (kPag) 10,0 (69)

Pressão barométrica, psia (kPa) 14,7 (101)

Pressão de alívio, psia (kPa) 124,7 (860)

Válvula de segurança com a pressão de ajuste menor que a PMTA




32




Nota: Os exemplos acima assumem uma pressão barométrica de 14,7 psia (101,3 kPa).

Aplicações com múltiplas válvulas de segurança instaladas

Para alguns tipos de aplicações, a capacidade requerida de alívio é tão alta,

que se faz necessária a utilização de mais de um dispositivo de alívio de pressão no

mesmo sistema protegido. Nestes casos, a instalação de múltiplas válvulas de

segurança combina as suas capacidades de alívio, dado o cenário de operação.



pressão que são protegidos por múltiplos dispositivos de alívio de pressão,

dimensionados para operar em qualquer cenário, exceto para os casos de exposição

ao Fogo. Quando a pressão máxima de trabalho permitida estiver entre 15 psig e 30

psig (103 kPa e 207 kPa), a acumulação permitida é de 4 psi (28 kPa).

A pressão de ajuste da primeira válvula não deve exceder a pressão máxima

de trabalho permitida e ela deve ser menor do que as outras válvulas, minimizando as

perdas de carga. A pressão de ajuste das válvulas adicionais não deve exceder 105%

da pressão máxima de trabalho permitida e elas são maiores, garantindo a devida

proteção contra a máxima vazão mássica requerida.

Exemplo:

Tabela 6: Exemplo de determinação da Pressão de Alívio para instalações com múltiplas válvulas de segurança (Fonte: API RP 520, p.51).


Primeira Válvula de segurança com a pressão de ajuste igual à PMTA






33


Válvula de segurança adicional com a pressão de ajuste igual a 105% da PMTA








Aplicações com válvulas de segurança expostas ao fogo externo



pressão que são protegidos por dispositivos de alívio de pressão, dimensionados para

operar no cenário de exposição ao Fogo. Isto se aplica para sistemas operando com

apenas uma válvula, múltiplas válvulas e dispositivos de segurança suplementares

instalados.

As válvulas de segurança dimensionadas para a condição de Fogo podem ser

usadas para qualquer outra situação, desde que sejam respeitados os limites de

sobrepressão para estes casos (110% para uma válvula e 116% para válvulas

múltiplas, levando em consideração, também, a correção da pressão de ajuste para

105% da PMTA quando operando com mais de uma válvula).

Exemplos:

Tabela 7: Exemplo de determinação da Pressão de Alívio para instalações com apenas uma válvula operando em caso Fogo (Fonte: API RP 520, p.51).


Válvula de segurança com a pressão de ajuste igual à PMTA




34




Válvula de segurança com a pressão de ajuste menor que a PMTA








Tabela 8: Exemplo de determinação da Pressão de Alívio para instalações com múltiplas válvulas de segurança operando em caso Fogo (Fonte: API RP 520, p.52).


Primeira Válvula de segurança com a pressão de ajuste igual à PMTA







Válvula de segurança adicional com a pressão de ajuste igual a 105% da PMTA



35






Resumo dos diversos casos

Tabela 9: Limites de pressão de ajuste e acumulada para válvulas de segurança (Fonte: API RP 520, p. 49).

Condição

Um único dispositivo instalado Múltiplos dispositivos

instalados

Pressão

máxima de

ajuste [%]

Pressão

máxima

acumulada [%]

Pressão

máxima de

ajuste [%]

Pressão

máxima

acumulada [%]

Não-Fogo

Primeira

válvula 100 110 100 116

Segunda

válvula

-

- 105 116

Fogo

Primeira

válvula 100 121 100 121

Segunda

válvula

-

- 105 121

Válvula

Suplementar

-

- 110 121

Nota: Todos os valores são porcentagens da pressão máxima de trabalho permitida.

3.5.2 Dimensionando de acordo com a ASME Seção VIII, API RP 520

Premissas contidas na ASME Seção VIII e API RP 520

Recapitulando o que foi mencionado anteriormente, neste trabalho:

a) Ambas as normas são aplicadas para pressões de alívio acima de 15 psi-g e

utilizam o sistema de unidades americano.

36

b) O código da ASME Seção VIII é um código para certificação de válvulas de

segurança trabalhando em conjunto com vasos de pressão. Ele certifica as

válvulas que operam com vapor saturado, água, ar e gás natural (Seção VIII

UG-131).

c) A API RP 520 é uma prática recomendada para padronizar a pré-seleção de

válvulas de segurança em plantas que estão na fase de projeto. Ela padroniza

a pré-seleção de válvulas de segurança trabalhando com gases, vapores,

líquidos e fluidos bifásicos.

A norma da API RP 520 utiliza as mesmas fórmulas do código da ASME,

porém adiciona os fatores de correção, o que a torna apropriada para muitas

aplicações práticas. Nela a pré-seleção das válvulas de segurança requer a

determinação de uma área efetiva de descarga e um coeficiente efetivo de descarga,

que são valores nominais e independem da seleção do projeto e do fabricante. As

áreas efetivas de descarga são listadas na API 526 na ordem crescente da letra D até

a letra T.

Uma vez calculada a área de descarga efetiva e selecionado o tamanho do

orifício na norma, é preciso provar que a capacidade certificada é igual ou maior

àquela do dimensionamento preliminar. Para este cálculo, o engenheiro deve utilizar o

coeficiente e a área real de descarga, ambos contidos no catálogo dos fabricantes. O

coeficiente de descarga real precisa ser certificado pela ASME.

Desta forma, a ASME Seção VIII e a API RP 520 estão interconectadas, o que

torna comum apresentá-las de forma conjunta, como um único procedimento de

dimensionamento. Em ambos os procedimentos de dimensionamento, a mesma área

será calculada, levando à seleção da mesma válvula de segurança.

As Tabelas 5 e 6 são, respectivamente, uma lista de coeficientes efetivos de

descarga Kd−efetivo e uma lista de áreas efetivas de descarga, encontradas na API RP

520:

Tabela 10: Coeficiente efetivo de descarga, conforme API RP 520.

Estado Físico do fluido API RP 520

𝐊𝐝−𝐞𝐟𝐞𝐭𝐢𝐯𝐨

Gás, vapor e vapor d’água 0,975

Líquido 0,65

Fluidos bifásicos 0,85

37

Tabela 11: Área efetiva de descarga, conforme API RP 520.

Letra do orifício Área efetiva de descarga da API RP 520

in² mm²

D 0,110 71

E 0,196 126

F 0,307 198

G 0,503 325

H 0,785 506

J 1,287 830

K 1,838 1186

L 2,853 1841

M 3,600 2322

N 4,340 2800

P 6,380 4116

Q 11,050 7129

R 16,000 10322

T 26,000 16774

Aplicações com Gases e Vapores – Escoamento crítico

Neste trabalho, serão contempladas as aplicações com gases e vapores mais

comuns nas indústrias. Ou seja, quando o fluido estiver escoando na condição de

velocidade limite (escoamento sônico ou crítico), ou abaixo desta velocidade

(escoamento subsônico ou subcrítico).

Os dispositivos de alívio de pressão que operam com vapor ou gás, em

condições críticas, devem ser dimensionados usando as equações de (10) a (14).

Essas equações devem ser utilizadas para calcular a área efetiva de descarga A,

necessária para atingir a vazão requerida na válvula de segurança. A válvula de

segurança que possuir uma área de descarga efetiva maior ou igual à área A

calculada, é selecionada para a aplicação.

A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M (10)

A =1

6,32∗

V ∗ √T ∗ Z ∗ M

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1 (11) ou A =

2,676 ∗ V ∗ √T ∗ Z ∗ M

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1(12)

A =1

1,175∗

V ∗ √T ∗ Z ∗ G

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1 (13) ou A =

14,41 ∗ V ∗ √T ∗ Z ∗ G

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1 (14)

38

A Fórmula (10) pode ser usada tanto para o Sistema Internacional de unidades

(SI) quanto para o Sistema de unidades Americano (US). As Fórmulas (11) e (13) são

utilizadas quando trabalhando com o Sistema de unidades Americano (US), já as

fórmulas (12) e (14) são utilizadas para o Sistema Internacional de unidades (SI).

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida no dispositivo [in² ou mm²]

- W = vazão requerida no dispositivo [lb

hou

kg

h]

- V = vazão requerida no dispositivo [SCFM ou Nm³/h]

- Kb = fator de correção da capacidade devido à contrapressão

- Kc = fator de correção da capacidade devido ao disco de ruptura

- Kd = coeficiente de descarga

- P1 = pressão de alívio (psi ou bar oukgf

cm2)

- Z = fator de compressibilidade

- T = temperatura de alívio (°R ou °C)

- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (lb

lbmol ou

kg

kgmol)

- G = Gravidade específica

- C = Coeficiente em função da razão de calores específicos do gás ideal (𝑘 =𝐶𝑝

𝐶𝑣)

Para obter os fatores e coeficientes para realizar um dimensionamento

preliminar, devemos prosseguir da seguinte forma:

1) O fator Kb pode ser obtido do catálogo do fabricante ou encontrado à partir da

Figura 15, disponibilizada na API RP 520. Este fator é aplicável apenas para válvulas

de segurança balanceadas com fole. Para as válvulas convencionais, utiliza-se o valor

de 1 para o Kb.

39

2) O fator Kc é adotado como 1, caso a válvula de segurança não possua um Disco de

Ruptura instalado. Caso haja Disco de Ruptura instalado, adota-se o valor de 0,9.

3) O coeficiente de descarga Kd possui os valores descritos na Tabela 5, para cada

tipo de aplicação. Para um dimensionamento preliminar com gases e vapores, utilizar

os seguintes valores:

- 0,975 , quando a PSV está instalada com ou sem disco de ruptura

- 0,62 , quando a PSV não está instalada e o dimensionamento é feito considerando o

disco de ruptura instalado.

Depois de feito o dimensionamento e tendo sido selecionado o orifício do fabricante,

corrige-se este valor pelo valor certificado do fabricante.

4) O coeficiente C é determinado como:

- Em unidades Americanas (US):

Figura 15: Fator de correção para a contrapressão 𝐊𝐛, para válvulas balanceadas e operando com gases e vapores (Fonte: API RP 520, p.47)

40

C = 520 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

com unidades [√lbm ∗ lbmol ∗ °R

lbf ∗ hr] (15)

- No Sistema Internacional de unidades (SI):

C = 0,03948 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

com unidades [√kg ∗ kgmol ∗ K

mm² ∗ hr ∗ kPa] (16)

Alternativamente, podemos encontrar o coeficiente C através da Figura 16,

disponibilizada na API RP 520:

Aplicações com Gases e Vapores – Escoamento subcrítico

Quando a razão r de contrapressão em relação à pressão de entrada (r =Pb

P1)

exceder a razão de pressão crítica (Pc

P1), o escoamento se tornará subcrítico. As

equações de (17) a (22) devem ser utilizadas para calcular a área de descarga efetiva

requerida para uma válvula de segurança convencional que possui o ajuste da mola

compensando a contrapressão superimposta.

Em Unidades Americanas (US):

A =W

735 ∗ F2 ∗ Kc ∗ Kd∗ √

Z ∗ T

M ∗ P1 ∗ (P1 − Pb) (17)

Figura 16: Coeficiente C (Fonte: API RP 520, p.58)

41

A =V

4645 ∗ F2 ∗ Kc ∗ Kd∗ √

Z ∗ T ∗ M

P1 ∗ (P1 − Pb) (18)

A =V

864 ∗ F2 ∗ Kc ∗ Kd∗ √

Z ∗ T ∗ G

P1 ∗ (P1 − Pb) (19)

No Sistema Internacional de unidades (SI):

A =17,9 ∗ W

F2 ∗ Kc ∗ Kd∗ √

Z ∗ T

M ∗ P1 ∗ (P1 − Pb) (20)

A =47,95 ∗ V

F2 ∗ Kc ∗ Kd∗ √

Z ∗ T ∗ M

P1 ∗ (P1 − Pb) (21)

A =258 ∗ V

F2 ∗ Kc ∗ Kd∗ √

Z ∗ T ∗ G

P1 ∗ (P1 − Pb) (22)

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida no dispositivo [in² ou mm²]

- W = vazão requerida no dispositivo [lb

hou

kg

h]

- V = vazão requerida no dispositivo [SCFM ou Nm³/h]

- F2 = coeficiente de escoamento subcrítico



- P1 = pressão de alívio (psi ou bar oukgf

cm2)

- Pb = contrapressão (psia, kPa, bar oukgf

cm2)


- T = temperatura de alívio (°R ou °C)

- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (lb

lbmol ou

kg

kgmol)


Para obter os fatores e coeficientes para realizar um dimensionamento

preliminar, devemos prosseguir da seguinte forma:

42

1) O fator Kc é adotado como 1, caso a válvula de segurança não possua um Disco de

Ruptura instalado. Caso haja Disco de Ruptura instalado, adota-se o valor de 0,9.


tipo de aplicação. Para um dimensionamento preliminar com gases e vapores, utilizar

os seguintes valores:






3) O coeficiente de escoamento subcrítico F2 pode ser obtido das seguintes formas:

a) Pela equação (23):

F2 = √(k

k − 1) ∗ r(

2k) ∗

[ (1 − r

(k−1k) )

1 − r

]

(23)

Sendo:

k = razão de calores específicos do gás ideal (k =Cp

Cv)

r = razão da contrapressão em relação a pressão de alívio (r =PbP1)

b) Pela imagem a seguir, extraída da API RP 520:

43

Aplicações com Vapor de água (Steam)

Dispositivos de alívio de pressão que operam com vapor de água (steam) na

condição de escoamento crítico, devem ser dimensionados utilizando as equações

(24) e (25), a seguir:


A =W

51,5 ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ KN ∗ KSH ∗ P1 (24)


A =190,5 ∗ W

Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ KN ∗ KSH ∗ P1 (25)

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida [in² ou mm²]

- W = vazão mássica requerida [lb

hou

kg

h]

- P1 = pressão de alívio a montante (psi ou kPa, bar,kgf

cm2)




- KSH = fator de correção da capacidade devido ao superaquecimento

Figura 17: Valores para o coeficiente de escoamento subcrítico 𝐅𝟐.

44

- KN = fator de correção da capacidade para a equação de Napier

Para obter os fatores e realizar um dimensionamento preliminar, devemos

prosseguir da seguinte forma:

1) Os fatores Kb e Kd podem ser obtidos da mesma forma que foram descritos no

dimensionamento preliminar com gases e vapores.

2) O fator KN pode ser obtido à partir das equações à seguir:

KN =0,1906 ∗ P1 − 1000

0,2292 ∗ P1 − 1061 se P1 > 1500 psia (26)

ou

KN = 1 se P1 ≤ 1500 psia (27)

3) O fator KSH é utilizado apenas para vapor d’água superaquecido e pode ser obtido

à partir da Tabela 7, logo abaixo, extraída da API RP 520. Para vapor saturado em

qualquer valor de pressão, adotar o valor de 1. Para temperaturas acima de 1200°F

(648,89 °C), utilizar as equações (10) até (14) para gases e vapores.

45

Tabela 12: Fator de correção para vapor superaquecido (Fonte: API RP 520, p.70)

Aplicações com líquidos

O código da ASME exige que as PSVs que trabalham com líquido tenham suas

capacidades de alívio certificadas. O procedimento para obter esta certificação inclui

testes para determinar o coeficiente de descarga nominal das válvulas operando com

líquido com 10% de sobrepressão.

As equações de dimensionamento para os dispositivos de alívio de pressão

operando com líquidos, nesta seção do trabalho, assumem que os líquidos são

46

incompressíveis. Em outras palavras, considera-se que a densidade dos líquidos não

muda com a variação de pressão.

As válvulas de segurança operando com líquidos e que são projetadas de

acordo com o código da ASME, o qual exige a certificação da capacidade de alívio,

devem ser dimensionadas preliminarmente utilizando as equações (28) e (29), a

seguir:


A =Q

38 ∗ Kc ∗ Kd ∗ KV ∗ KW∗ √

G

P1 − Pb (28)


A =11,78 ∗ Q

Kc ∗ Kd ∗ KV ∗ KW∗ √

G

P1 − Pb (29)

Sendo:

- A = área efetiva de descarga requerida [in² ou mm²]

- Q = vazão mássica requerida [U. S.gal

minou

L

min]


- P1 = pressão de alívio a montante (psi ou kPa, bar,kgf

cm2)

- Pb = contrapressão total (psi ou kPa, bar,kgf

cm2)



- KV = fator de correção da capacidade devido à viscosidade

- KW = fator de correção da capacidade devido à contrapressão

Para obter os fatores e realizar um dimensionamento preliminar, devemos


1) O fator Kc pode ser obtido da mesma forma que foi descrito no dimensionamento

preliminar com gases, vapores e vapor d’água.


tipo de aplicação. Para um dimensionamento preliminar com líquidos, utilizar os

seguintes valores:


47





3) O fator KW pode ser obtido à partir da Figura 17, extraída da API RP 520. Apenas

as válvulas de segurança balanceadas necessitam deste fator de correção. Se a

contrapressão for apenas atmosférica, deve-se utilizar o valor de 1 para o KW.

4) O fator KV pode ser tanto obtido através da Figura 14 (Página 30 deste trabalho),

quanto calculado pela equação (30), abaixo:

Figura 18: Fator de correção para contrapressão em válvulas de segurança balanceadas e operando com líquidos (Fonte: API RP 520, p.48)

48

KV = (0,9935 +2,878

𝑅𝑒0,5+342,75

𝑅𝑒1,5)−1

(30)

O número de Reynolds é definido como:

𝑅𝑒 = 2800 ∗Q ∗ G

μ ∗ √𝐴 (31) ou 𝑅𝑒 = 12700 ∗

Q

U ∗ √𝐴 (32)

Sendo 𝑈 a viscosidade do líquido [SSU] e μ a viscosidade absoluta [cP], ambas na

temperatura do escoamento.

Quando uma PSV é dimensionada para operar com líquidos viscosos, deve-se

fazer um dimensionamento preliminar, utilizando as equações (28) ou (29),

considerando o fluido como invíscido (KV = 1). Isto é feito para se obter uma área de

descarga mínima. A próxima área efetiva do orifício, maior do que a calculada, deve

ser selecionada para que se possa ser calculado o número de Reynolds. O número de

Reynolds é calculado a partir da equação (31) e, posteriormente, utilizado para

determinar o KV através da equação (30). Este fator de correção para a viscosidade é,

então, introduzido novamente na equação (28) ou (29) para corrigir a área de

descarga calculada anteriormente. Se o novo orifício corrigido exceder o escolhido,

todo este procedimento deve ser refeito utilizando um orifício acima do selecionado

anteriormente.

3.5.3 Dimensionando de acordo com a ISO 4126-1 e ISO 23251

A ISO 4126-1 é uma Norma para realizar o dimensionamento e a certificação

de válvulas de segurança, sendo aplicada para válvulas de segurança com um

diâmetro de escoamento de, no mínimo, 6 mm e para pressões de ajuste iguais ou

maiores do que 0,1 bar-g. Em comparação com a API RP 520, a ISO 4126-1 não

possui orifícios efetivos pré-definidos para escolha em um processo de

dimensionamento preliminar. O dimensionamento para o cenário de exposição ao fogo

é descrito na Norma ISO 23251, baseada na API 521.

Pelo fato de a ISO 4126-1 não possuir orifícios efetivos pré-definidos para um

processo de dimensionamento preliminar, por consequência também não possui os

coeficientes de descarga (Kd) pré-definidos. Neste trabalho, para efeito de

comparação, serão utilizados os coeficientes de descarga sugeridos na API RP 520,

corrigidos da forma que é sugerida na ISO 4126-1.

49

Aplicações com Gases, Vapores e Vapores D’água – Escoamento crítico

De acordo com a ISO 4126-1, os dispositivos de alívio de pressão que operam

com vapor ou gás, em condições críticas, devem ser dimensionados usando as

equações (33) ou (34). Assim como na Norma da API RP 520, essas equações devem

ser utilizadas para calcular a área efetiva de descarga A, necessária para atingir a

vazão requerida na válvula de segurança. A válvula de segurança que possuir uma

área de descarga efetiva maior ou igual à área A calculada, é selecionada para a

aplicação.

A =Qm

C ∗ Kdr ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M (33) ou

1

0,2883∗

QmC ∗ Kdr

∗ √ν

P1 (34)

Sendo:

- A = área de descarga da válvula de segurança [mm²]

- Qm = vazão mássica [kg

h]

- T = temperatura de alívio (K)

- P1 = pressão de alívio a montante(bar)

- Kdr = coeficiente de descarga corrigido e certificado


- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (kg

kgmol)

- ν = volume específico nas condições de alívio (m3

kg)

- C = Coeficiente em função da razão de calores específicos do gás ideal (𝑘 =𝐶𝑝

𝐶𝑣)

Para obter os fatores e coeficientes descritos acima, devemos prosseguir da

seguinte forma:

1) Segundo a ISO 4126-1, o coeficiente Kdr de uma válvula de segurança não deve

ser maior do que 90% do coeficiente de descarga Kd, determinado por teste:

Kdr = 0,9 ∗ Kd (35)

Como mencionado anteriormente, para efeito de comparação, serão utilizados os

coeficientes de descarga sugeridos na API RP 520, corrigidos da forma que é sugerida

na ISO 4126-1.

50

2) O coeficiente C é determinado à partir da equação (36), extraída da ISO 4126-1:

C = 3,948 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

com unidades [√kg ∗ kgmol ∗ K

mm² ∗ hr ∗ kPa] (36)

Para o dimensionamento de válvulas de segurança operando com vapor

d’água em escoamento crítico, a ISO 4126-1 sugere utilizar a equação (34) e

prosseguir da mesma forma descrita acima.

Aplicações com Gases e Vapores – Escoamento subcrítico

Para escoamentos subcríticos com gases e vapores, a ISO 4126-1 sugere que

os dimensionamentos das válvulas de segurança sejam feitos pelas equações (37) ou

(38):

A =Qm

C ∗ Kb ∗ Kdr ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M (37) ou

1

0,2883∗

QmC ∗ Kb ∗ Kdr

∗ √ν

P1 (38)

Sendo:


O restante dos termos das fórmulas (37) e (38) têm a mesma definição descrita

nas equações de escoamento crítico para gases e vapores.

Para obter os fatores e coeficientes e realizar um dimensionamento preliminar,

devemos prosseguir da seguinte forma:

1) Os coeficientes Kdr e C devem ser calculados da mesma forma que a descrita nas

equações de escoamento crítico para gases e vapores.

2) O fator Kb pode ser calculado através da equação (39), extraída da ISO 4126-1:

Kb =

√ 2 ∗ kk − 1

∗ [(PbP1)

2k− (

PbP1)

k+1k]

k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

(39)

Na seção 7.3.3.4 da ISO 4126-1, também é considerado que o coeficiente de

descarga para gases e vapores em escoamentos subcríticos é menor do que nas

condições críticas. Em outras palavras, para válvulas de segurança operando com

51

fluidos compressíveis e com uma razão de contrapressão em relação à pressão de

alívio absoluta maior do que 0,25, o coeficiente de descarga pode ser extremamente

dependente desta razão. Desta forma, os fabricantes que desejam certificar suas

capacidades de escoamento devem realizar os testes com estas razões entre 0,25 e o

valor máximo. A curva gerada a partir destes testes deve ser estendida para conter

também os valores menores do que 0,25.

Aplicações com líquidos

As equações de dimensionamento para os dispositivos de alívio de pressão

operando com líquidos, nesta seção do trabalho, assumem que os líquidos são

incompressíveis. Em outras palavras, considera-se que a densidade dos líquidos não

muda com a variação de pressão.

Segundo a ISO 4126-1, o dimensionamento de válvulas de segurança,

operando com fluidos no estado físico de líquido, deve ser feito a partir da equação

(40), a seguir:

A =1

1,61∗

QmKdr ∗ KV

∗ √ν

P1 − Pb (40)

Sendo:

- Pb = contrapressão total(bar)

- KV = fator de correção da capacidade devido à viscosidade


kg)

O restante dos termos da fórmula (40) tem a mesma definição descrita nas

equações de escoamento crítico e subcrítico para gases e vapores, segundo a ISO

4126-1.

Para obter os fatores e coeficientes e realizar um dimensionamento preliminar,


1) O coeficiente Kdr deve ser calculado da mesma forma que a descrita anteriormente

para a ISO 4126-1.

2) O fator de correção da capacidade devido à viscosidade KV, em função do número

de Reynolds Re, pode ser obtido através da Figura 14 (Página 30 deste trabalho). O

número de Reynolds é definido como:

𝑅𝑒 =1

3,6∗Qmμ∗ √

4

𝜋 ∗ 𝐴 (41)

52

Sendo o μ Quando uma PSV é dimensionada para operar com líquidos

viscosos, deve-se proceder da mesma forma que a descrita na seção de

Dimensionamento Segundo a API RP 520.

3.5.4 Dimensionando de acordo com a AD 2000-Merkblatt A2

Todas as AD 2000 Merkblätter são guias que satisfazem os requerimentos de

construção de vasos de pressão e estão contidas nas diretivas da PED. Dentre todas

as informações contidas nelas, a AD 2000-Merkblatt A2 contem indicações para

instalação e dimensionamento de válvulas de segurança, podendo ser utilizada

alternativamente à ISO 4126-1. Vale ressaltar que a AD 2000-Merkblatt só deve ser

utilizada pelos fabricantes quando explicitamente requisitada pelo consumidor final.

A AD 2000-Merkblatt prevê um diâmetro mínimo de escoamento de 6 mm, para

os casos gerais, ou de 20 mm para vasos de pressão operando com fluidos

gordurosos ou em pó, que possuem tendência a aglutinação. Os valores mínimos

requeridos dos coeficientes de descarga corrigidos devem ser:

a) 0,5 para válvulas com abertura total, exceto para aquelas que possuem uma

restrição na abertura

b) 0,08 (gases e vapores), para válvulas de segurança padronizadas

c) 0,05 (líquidos), para válvulas de segurança proporcionais

Assim como para a ISO 4126-1, pelo fato de a AD 2000-Merkblatt não possuir

orifícios efetivos pré-definidos para um processo de dimensionamento preliminar, por

consequência também não possui os coeficientes de descarga (Kd) pré-definidos.

Neste trabalho, para efeito de comparação, serão utilizados os coeficientes de

descarga sugeridos na API RP 520, corrigidos da forma que é sugerida na AD 2000-

Merkblatt A2.

Aplicações com Gases e Vapores – Escoamento Crítico e Subcrítico

De acordo com a AD 2000-Merkblatt, os dispositivos de alívio de pressão que

operam com vapor ou gás, em condições críticas ou subcríticas, devem ser

dimensionados usando as equações (42) ou (43). Assim como na Norma da API RP

520 / ASME / ISO 4126-1, essas equações devem ser utilizadas para calcular a área

efetiva de descarga A, necessária para atingir a vazão requerida na válvula de

segurança. As seções transversais mínimas de escoamento das válvulas de

segurança devem exceder as mínimas calculadas pelas fórmulas a seguir:

53

A = 0,1791 ∗qm

Ψ ∗ αw ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M (42) ou A =

qm

Ψ ∗ αw ∗ √2 ∗P1ν

(43)

Sendo:

- A = seção transversal mínima de descarga da válvula de segurança [mm²]

- qm = vazão mássica [kg

h]

- T = temperatura de alívio (K)

- P1 = pressão de alívio absoluta (bar)

- 𝛼𝑤 = Kdr = coeficiente de descarga atribuído e certificado por testes


- M = Peso ou massa molecular nas condições de alívio (kg

kgmol)


kg)

- Ψ = Função de escoamento

Para obter os coeficientes e funções e realizar um dimensionamento preliminar,


1) A função de escoamento Ψ é definida para escoamentos críticos e subcríticos pela

AD 2000-Merkblatt A2 como sendo:

Tabela 13: Função de escoamento 𝜳 para os diferentes tipos de escoamento. (Fonte:

Arquivo LESER)

Escoamento

subcrítico

Pb𝑃1> (

2

𝑘 + 1)

𝑘𝑘−1

Ψ = √k

k − 1∗ √(

Pb

P1)

2k− (

Pb

P1)

k+1k

(44)

Escoamento

crítico

Pb𝑃1≤ (

2

𝑘 + 1)

𝑘𝑘−1

Ψ = √k

k + 1∗ (

2

𝑘 + 1)

1𝑘−1

(45)

Uma alternativa ao cálculo das equações (44) e (45), a curva que representa a

função de escoamento Ψ, extraída diretamente da página 19 da AD 2000-Merkblatt

A2, em função da razão de pressões (Pb

P1) se encontra a seguir:

54

2) O coeficiente 𝛼𝑤, segundo a AD 2000-Merkblatt A2, é obtido da mesma forma que

o coeficiente Kdr. Ele não deve ser maior do que 90% do coeficiente de descarga Kd,

determinado por teste:

𝛼𝑤 = Kdr = 0,9 ∗ Kd (46)

Como mencionado anteriormente, para efeito de comparação, serão utilizados os

coeficientes de descarga sugeridos na API RP 520, corrigidos da forma que é sugerida

na AD 2000-Merkblatt A2.

Aplicações com Vapor de água (Steam)

Dispositivos de alívio de pressão que operam com vapor de água (steam)

devem ser dimensionados utilizando a equação (47), a seguir:

A =x ∗ qm𝛼𝑤 ∗ P1

(47)

Sendo:

- x = coeficiente médio de pressão (h∗mm2∗bar

kg)

Figura 19: Função de escoamento. (Fonte: AD 2000-Merkblatt A2, p.19)

55

O restante dos termos da fórmula (47) tem a mesma definição descrita

anteriormente nas equações de escoamento crítico e subcrítico para gases e vapores,

segundo a AD 2000-Merkblatt A2.

Para obter os coeficientes e realizar um dimensionamento preliminar, devemos


1) O coeficiente 𝛼𝑤 pode ser obtido da mesma forma que a descrita anteriormente nas

equações de escoamento crítico e subcrítico para gases e vapores, segundo a AD

2000-Merkblatt A2.

2) O coeficiente médio de pressão x é definido na AD 2000-Merkblatt A2 como:

x = 0,6211 ∗√P1 ∗ ν

Ψ (48)

Alternativamente, para escoamentos críticos, o coeficiente médio de

pressão x pode ser obtido através da Figura 20, extraída da página 20 da AD 2000-

Merkblatt A2:

Figura 20: Coeficiente médio de pressão x para vapor d'água em escoamento crítico. (Fonte: AD 2000-Merkblatt A2, p.20)

56

Para escoamentos subcríticos, assim como para pressões de ajuste abaixo de

2 bar, a Figura 20 não pode ser utilizada. O coeficiente médio de pressão deve ser

calculado para estes casos.

Aplicações com líquidos (sem mudança de fase)

Para aplicações com líquidos, sem mudança de fase, a AD 2000-Merkblatt A2

sugere que o dimensionamento de válvulas de segurança seja feito a partir da

equação (49), a seguir:

A = 0,6211 ∗qm

αw ∗ √(P1 − Pb) ∗ ρ (49)

Sendo:

- ρ = densidade do líquido (kg

m³)

O restante dos termos da fórmula (49) têm a mesma definição descrita

anteriormente nas aplicações outras aplicações, segundo a AD 2000-Merkblatt A2. O

coeficiente 𝛼𝑤 pode ser obtido da mesma forma que a descrita anteriormente.

A norma da AD 2000-Merkblatt A2 não referencia o fator de correção para a

viscosidade quando a válvula de segurança opera com líquidos viscosos. Portanto,

para resolver esta problemática, a maioria dos fornecedores de válvulas de segurança

segue os procedimentos de dimensionamento da ISO 4126-1 para a determinação do

fator de correção para a viscosidade.

3.6 Resumo das Fórmulas de dimensionamento

Na Tabela 14, a seguir, encontra-se um pequeno resumo das principais

fórmulas mencionadas anteriormente neste trabalho, para as Normas/Códigos

abordados:

Tabela 14: Resumo das principais fórmulas utilizadas para dimensionamento de válvulas de segurança. (Fonte: Arquivo LESER)

Meio Un. ASME VIII/ API RP 520 ISO 4126-1 AD 2000-Merkblatt A2

Gases e

vapores –

Esc. Crítico

US

A =W

C. Kb. Kc. Kd. P1. √T. Z

M A =

QmC. Kdr. P1

. √T. Z

M

A = 0,1791.qm

Ψ. αw. P1. √T. Z

M

SI

Gases e

vapores –

Esc.

Subcrítico

US A =W

735. F2. Kc. Kd. √

Z. T

M. P1. (P1 − Pb) A =

QmC. Kb. Kdr. P1

. √T. Z

M

SI A =17,9.W

F2. Kc. Kd. √

Z. T

M. P1. (P1 − Pb) - -

57

Vapor

d’água

(Steam)

US A =W

51,5. Kb. Kc. Kd. KN. KSH. P1

1

0,2883.QmC. Kdr

. √ν

P1 A =

x. qm𝛼𝑤 . P1

SI A =190,5.W

Kb. Kc. Kd. KN. KSH. P1 - -

Líquidos

US A =Q

38. Kc. Kd. KV. KW. √

G

P1 − Pb A =

Qm1,61. Kdr. KV

. √ν

P1 − Pb A = 0,6211.

qm

αw. √(P1 − Pb). ρ

SI A =11,78. Q

Kc. Kd. KV. KW. √

G

P1 − Pb - -

Ref.: Seção 3.5.2 Seção 3.5.3 Seção 3.5.4

4 Casos reais de dimensionamento e seleção de válvulas de segurança

Nesta seção, foram trazidos alguns casos reais de solicitações de

dimensionamento e seleção de válvulas de segurança, feitas diretamente por

consumidores finais, fabricantes de máquinas e equipamentos e grandes empreiteiras.

Não apenas estas solicitações, mas praticamente todas elas são feitas através de uma

Folha de Dados (“Data Sheet”), disponibilizada pelo consumidor final, que contêm os

dados do processo onde a válvula de segurança será futuramente instalada.

A Norma da API RP 520 disponibiliza um modelo de Folha de Dados que

especifica todas as informações necessárias para a realização de um correto

dimensionamento e para que seja realizada a seleção da válvula de segurança mais

indicada ao processo. Logo abaixo, encontra-se este modelo de Folha de Dados,

extraído da página 62 da API RP 520.

Assim como mencionado na seção 3.4.1 deste trabalho, com os principais

dados do processo colocados em pauta, tratados e analisados corretamente, é

possível proporcionar ao cliente final a segurança desejada para sua planta.

58

Figura 21: Modelo de Folha de Dados. (Fonte: API RP 520, p.62)

59

4.1 Cenário de contrapressão

Para o cenário de dimensionamento e seleção de válvulas de segurança com a

presença de contrapressão, precisamos, primeiramente, identificar qual o tipo e a

magnitude desta contrapressão. Tendo isto em mãos, devemos decidir se

selecionaremos uma válvula convencional ou balanceada, seguindo o que é sugerido

nas Normas e Códigos. O consumidor final pode, também, realizar esta seleção do

tipo de válvula de segurança, desde que aprovada pelo fabricante.

Dados do processo extraídos da Folha de Dados disponibilizada pelo consumidor

final:

Setor de atuação: Óleo & Gás

Área / Serviço: Armazenamento de produtos acabados


a) Fluido e estado físico do fluido: GLP - Vapor

b) Peso molecular: 50,11𝑘𝑔

𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙= 50,11

𝑙𝑏

𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙

c) Viscosidade: -

d) Expoente isentrópico ou relação dos calores específicos: 𝑘 = 1,354

e) Fator de compressibilidade: Z = 0,6940


a) Pressão de operação: Po = 8,6kgf

cm2

b) Temperatura de operação: To = 38 °C


a) Capacidade de alívio requerida: W = 9834,8lb

h ou Qm = qm = 4461

kg

h

b) Pressão de abertura: Pset = 17,6kgf

cm2= 250,331 psig = 17,26 barg

c) Fonte de sobrepressão: Alívio Térmico 10%

d) Contrapressão superimposta: Pb−sup = 1,3kgf

cm2 = 18,49 psig

e) Contrapressão desenvolvida pela linha: Pb−des = 0,5kgf

cm2 = 7,112 psig

f) Temperatura de alívio: T1 = 87,5 °C = 649,17 °R = 360,65 K

g) Tipo de válvula: Balanceada

4.1.1 Dimensionamento e seleção conforme API RP 520 / ASME VIII

1º) Determinação da pressão de alívio:

De acordo com a equação (9):

60

P1 = Pset + ∆Psobrepressão + Patm = 250,331 +10

100∗ 250,331 + 14,7 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟐𝟗𝟎, 𝟎𝟔 𝐩𝐬𝐢

2º) Escoamento crítico ou subcrítico?

Para sabermos qual equação utilizar, devemos analisar a condição de

escoamento que terá o fluido ao passar pela válvula de segurança. Sendo assim:

Razão de pressão crítica: Pc

P1= (

2

𝑘+1)

𝑘

𝑘−1= (

2

1,354+1)

1,354

1,354−1= 𝟎, 𝟓𝟑𝟔𝟏

Razão r de contrapressão em relação à pressão de entrada:

r =PbP1=18,49 + 7,112 + 14,7

290,06= 𝟎, 𝟏𝟑𝟖𝟗

Como a razão de pressão crítica é superior à razão de contrapressão,

podemos considerar o escoamento como crítico.

3º) Tomando como base a equação (10) para o dimensionamento de válvulas de

segurança com gases e vapores na condição de escoamento crítico, segundo a API

RP 520 / ASME VIII, temos:

A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M

4º) Determinação dos coeficientes:

Para válvulas balanceadas com o Fole, o fator Kb pode ser extraído da Figura 15,

a partir da porcentagem da razão de contrapressão:

PbPset

=(18,49 + 7,112) psig

250,331 psig∗ 100 = 10,23 % → 𝐊𝐛 = 𝟏

Válvula de segurança instalada sem disco de ruptura → 𝐊𝐜 = 𝟏

Dimensionamento preliminar, com vapor e sem disco de ruptura → 𝐊𝐝 = 𝟎, 𝟗𝟕𝟓

Coeficiente C, segundo a equação (15):

C = 520 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

= 520 ∗ √1,354 ∗ (2

1,354 + 1)

1,354+11,354−1

→

→ 𝐂 = 𝟑𝟓𝟏, 𝟗𝟔 √𝐥𝐛𝐦 ∗ 𝐥𝐛𝐦𝐨𝐥 ∗ °𝐑

𝐥𝐛𝐟 ∗ 𝐡𝐫

5º) Área requerida:

61

A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M =

9834,82

351,96 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 0,975 ∗ 290,06∗ √

649,17 ∗ 0,694

50,11 →

→ 𝐀 = 𝟎, 𝟐𝟗𝟔𝟑 𝐢𝐧𝟐 = 𝟏𝟗𝟏, 𝟏𝟒 𝐦𝐦²

6º) Seleção do orifício da válvula de segurança:

A partir da Tabela 11, p.36-37 deste trabalho, com uma área requerida de

0,2963 in² ou 191,14 mm², o orifício mais indicado para escolha é o “F”.

4.1.2 Dimensionamento e seleção conforme ISO 4126-1




100∗ 17,26 + 1,01325 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟐𝟎 𝐛𝐚𝐫

2º) Escoamento crítico ou subcrítico? Já sabemos que é crítico.


segurança com gases e vapores na condição de escoamento crítico, segundo a ISO

4126-1, temos:

A =Qm

C ∗ Kdr ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M


Como mencionado na seção 3.5.3, a ISO 4126-1 não possui orifícios efetivos pré-

definidos para um processo de dimensionamento preliminar, por consequência

também não possui os coeficientes de descarga (Kd) pré-definidos. Porém, neste

trabalho, para efeito de comparação, serão utilizados os coeficientes de descarga

sugeridos na API RP 520, corrigidos da forma que é sugerida na ISO 4126-1. Ou

seja:

Dimensionamento preliminar, com vapor e sem disco de ruptura → Kd = 0,975

De acordo com a equação (35), temos que:

Kdr = 0,9 ∗ Kd = 0,9 ∗ 0,975 → 𝐊𝐝𝐫 = 𝟎, 𝟖𝟕𝟕𝟓


C = 3,948 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

= 3,948 ∗ √1,354 ∗ (2

2,354)

2,3540,354

→

62

→ 𝐂 = 𝟐, 𝟔𝟕𝟐𝟐 √𝐤𝐠 ∗ 𝐤𝐠𝐦𝐨𝐥 ∗ 𝐊

𝐦𝐦² ∗ 𝐡𝐫 ∗ 𝐤𝐏𝐚


A =Qm

C ∗ Kdr ∗ P1∗√

T ∗ ZM

=4461

2,6722 ∗ 0,8775 ∗ 20∗ √

360,65 ∗ 0,694

50,11 →

→ 𝐀 = 𝟐𝟏𝟐, 𝟔 𝐦𝐦²


Apesar de a norma ISO 4126-1 não possuir orifícios pré-definidos, assim como

foi feito para o coeficiente de descarga corrigido, utilizaremos os orifícios pré-definidos

da Tabela 11, p.36-37 deste trabalho, extraída da API RP 520. Para efeito de

comparação, com uma área requerida de 212,6 mm², o orifício mais indicado para

escolha seria o “G”.

4.1.3 Dimensionamento e seleção conforme AD 2000-Merkblatt A2




100∗ 17,26 + 1,01325 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟐𝟎 𝐛𝐚𝐫



segurança com gases e vapores na condição de escoamento crítico, segundo a AD

2000-Merkblatt A2, temos:

A = 0,1791 ∗qm

Ψ ∗ αw ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M


Como mencionado na seção 3.5.4, assim como para a ISO 4126-1, a AD 2000-

Merkblatt A2 não possui orifícios efetivos pré-definidos para um processo de

dimensionamento preliminar, por consequência também não possui os coeficientes de

descarga (Kd) pré-definidos. Porém, neste trabalho, para efeito de comparação, serão

utilizados os coeficientes de descarga sugeridos na API RP 520, corrigidos da forma

que é sugerida na AD 2000-Merkblatt A2. Ou seja:


63


𝛼𝑤 = Kdr = 0,9 ∗ Kd = 0,9 ∗ 0,975 → 𝜶𝒘 = 𝟎, 𝟖𝟕𝟕𝟓

Função de escoamento Ψ para escoamentos críticos, segundo a equação (45):

Ψ = √k

k + 1∗ (

2

𝑘 + 1)

1

𝑘−1

= √1,354

2,354∗ (

2

2,354)

1

0,354

→

→ 𝚿 = 𝟎, 𝟒𝟕𝟖𝟔


A = 0,1791 ∗qm

Ψ ∗ αw ∗ P1∗√

T ∗ Z

M = 0,1791 ∗

4461

0,4786 ∗ 0,8775 ∗ 20∗ √

360,65 ∗ 0,694

50,11 →

→ 𝐀 = 𝟐𝟏𝟐, 𝟓𝟖𝟕𝟗 𝐦𝐦²


Apesar de a norma AD 2000-Merkblatt A2 não possuir orifícios pré-definidos,

assim como foi feito para o coeficiente de descarga corrigido e para o

dimensionamento segundo a ISO 4126-1, utilizaremos os orifícios pré-definidos da

Tabela 11, p.36-37 deste trabalho, extraída da API RP 520. Para efeito de


escolha seria o “G”.

4.2 Cenário com exposição ao Fogo externo

Assim como descrito na seção 3.5.1 deste trabalho, para o cenário de

dimensionamento e seleção de válvulas de segurança com exposição ao Fogo

Externo, precisamos ter em mente que a acumulação de pressão no dispositivo de

alívio de pressão deverá ser maior do que para os outros cenários, até um limite de

121% da PMTA do vaso de pressão.


final:


Área / Serviço: Hidrotratamento de Diesel


a) Fluido e estado físico do fluido: Óleo Diesel - Gás

b) Peso molecular: 270𝑘𝑔

𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙= 270

𝑙𝑏

𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙

c) Viscosidade: -


64

e) Fator de compressibilidade: Z = 1


a) Pressão de operação: Po = 8,0kgf

cm2

b) Temperatura de operação: To = 110 °C



h ou Qm = qm = 510

kg

h

b) Pressão de abertura: Pset = 30,5kgf

cm2 = 433,812 psig = 29,91 barg

c) Fonte de sobrepressão: Fogo Externo 21%

d) Contrapressão superimposta: Pb−sup = 0,5kgf

cm2= 7,112 psig

e) Contrapressão desenvolvida pela linha: Pb−des = 0,0kgf

cm2

f) Temperatura de alívio: T1 = 450,0°C = 1301,67 °R = 723,15 K

g) Tipo de válvula: Convencional




P1 = Pset + ∆Psobrepressão + Patm = 433,812+21

100∗ 433,812+ 14,7 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟓𝟑𝟗, 𝟔𝟏 𝐩𝐬𝐢





P1= (

2

𝑘+1)

𝑘

𝑘−1= (

2

1,1+1)

1,1

1,1−1= 𝟎,𝟓𝟖𝟓


r =PbP1=7,112 + 14,7

539,61= 𝟎, 𝟎𝟒






65

A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M


Para válvulas convencionais, o fator de correção da capacidade devido à

contrapressão deve ser considerado 1, conforme descrito na seção 3.5.2 deste

trabalho → 𝐊𝐛 = 𝟏


Dimensionamento preliminar, com gás e sem disco de ruptura → 𝐊𝐝 = 𝟎, 𝟗𝟕𝟓


C = 520 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

= 520 ∗ √1,1 ∗ (2

1,1 + 1)

1,1+11,1−1

→

→ 𝐂 = 𝟑𝟐𝟔, 𝟕𝟓 √𝐥𝐛𝐦 ∗ 𝐥𝐛𝐦𝐨𝐥 ∗ °𝐑



A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M =

1124,357

326,75 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 0,975 ∗ 539,61∗ √

1301,67 ∗ 1,0

270 →

→ 𝐀 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟒𝟒 𝐢𝐧𝟐 = 𝟗, 𝟐𝟔𝟓𝟎 𝐦𝐦²



0,0144 in² ou 9,2650 mm², o orifício mais indicado para escolha é o “D”.





100∗ 29,91 + 1,01325 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟑𝟕, 𝟐 𝐛𝐚𝐫



segurança com gases e vapores na condição de escoamento crítico, segundo a ISO

4126-1, temos:

66

A =Qm

C ∗ Kdr ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M







seja:



Kdr = 0,9 ∗ Kd = 0,9 ∗ 0,975 → 𝐊𝐝𝐫 = 𝟎, 𝟖𝟕𝟕𝟓


C = 3,948 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

= 3,948 ∗ √1,1 ∗ (2

2,1)

2,10,1

→

→ 𝐂 = 𝟐, 𝟒𝟖𝟏 √𝐤𝐠 ∗ 𝐤𝐠𝐦𝐨𝐥 ∗ 𝐊

𝐦𝐦² ∗ 𝐡𝐫 ∗ 𝐤𝐏𝐚


A =Qm

C ∗ Kdr ∗ P1∗√

T ∗ ZM

=510

2,481 ∗ 0,8775 ∗ 37,2∗ √

723,15 ∗ 1

270 →

→ 𝐀 = 𝟏𝟎, 𝟑𝟎𝟔 𝐦𝐦²






escolha seria o “D”.





100∗ 29,91 + 1,01325 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟑𝟕, 𝟐 𝐛𝐚𝐫

67



segurança com gases e vapores na condição de escoamento crítico, segundo a AD

2000-Merkblatt A2, temos:

A = 0,1791 ∗qm

Ψ ∗ αw ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M


Como mencionado na seção 3.5.4, assim como para a ISO 4126-1, a AD 2000-

Merkblatt A2 não possui orifícios efetivos pré-definidos para um processo de

dimensionamento preliminar, por consequência também não possui os coeficientes de

descarga (Kd) pré-definidos. Porém, neste trabalho, para efeito de comparação, serão

utilizados os coeficientes de descarga sugeridos na API RP 520, corrigidos da forma

que é sugerida na AD 2000-Merkblatt A2. Ou seja:



𝛼𝑤 = Kdr = 0,9 ∗ Kd = 0,9 ∗ 0,975 → 𝜶𝒘 = 𝟎, 𝟖𝟕𝟕𝟓

Função de escoamento Ψ para escoamentos críticos, segundo a equação (45):

Ψ = √k

k + 1∗ (

2

𝑘 + 1)

1𝑘−1

= √1,1

2,1∗ (

2

2,1)

10,1

→

→ 𝚿 = 𝟎, 𝟒𝟒𝟒𝟑


A = 0,1791 ∗qm

Ψ ∗ αw ∗ P1∗√

T ∗ Z

M = 0,1791 ∗

510

0,4443 ∗ 0,8775 ∗ 37,2∗ √

723,15 ∗ 1

270 →

→ 𝐀 = 𝟏𝟎, 𝟑𝟎𝟕 𝐦𝐦²


Apesar de a norma AD 2000-Merkblatt A2 não possuir orifícios pré-definidos,

assim como foi feito para o coeficiente de descarga corrigido e para o

dimensionamento segundo a ISO 4126-1, utilizaremos os orifícios pré-definidos da

Tabela 11, p.36-37 deste trabalho, extraída da API RP 520. Para efeito de



68

4.3 Cenário de alta viscosidade

Para os cenários com a presença de líquido, em especial com líquidos de alta

viscosidade, precisamos ter alguns cuidados maiores ao realizar o dimensionamento e

a seleção das válvulas de segurança. Isto pode ser percebido tanto pela diferença do

valor do coeficiente de descarga, sugerido pela API RP 520, quanto pela presença do

fator de correção da capacidade devido à viscosidade.

Dados do processo extraídos da Folha de Dados disponibilizada pelo consumidor final:

Setor de atuação: Indústria de silicone

Área / Serviço: Segurança da bomba de descarga do reator


a) Fluido e estado físico do fluido: Óleo Silicone – Líquido

b) Densidade: 800 kg

m³

c) Viscosidade: μ = 2000 cP = 2,0 Pa ∗ s

d) Gravidade específica: G =(800

kg

𝑚3)

(998 kg

𝑚3)→ G = 0,802

e) Volume específico: ν =1

(800kg

m3)→ ν = 0,00125

m3

kg


a) Pressão de operação: Po = 17 barg = 246,56 psig

b) Temperatura de operação: To = 160 °C = 779,67 °R = 433,15 K


a) Capacidade mássica requerida: W = 7407,5 lb

h ou Qm = qm = 3360

kg

h

b) Capacidade volumétrica requerida: Q = 4,2 m³

h= 18,492 GPM

c) Pressão de abertura: Pset = 20 barg = 290,075 psig

d) Fonte de sobrepressão: Bloqueio Indevido 10%

e) Contrapressão superimposta: Pb−sup = 0,1 barg = 1,45 psig

f) Contrapressão desenvolvida pela linha: Pb−des = 0,0 barg

g) Temperatura de alívio: T1 = 180 °C = 815,67 °R = 453,15 K

h) Tipo de válvula: Convencional




69


100∗ 290,075 + 14,7 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟑𝟑𝟑, 𝟕𝟖 𝐩𝐬𝐢


segurança operando com líquidos, segundo a API RP 520 / ASME VIII, temos:

A =Q

38 ∗ Kc ∗ Kd ∗ KV ∗ KW∗ √

G

P1 − Pb


Para válvulas de segurança operando com líquido, o fator KW pode ser extraído da

Figura 18 deste trabalho, a partir da razão percentual de contrapressão:

PbPset

=(1,45) psig

(290,1) psig∗ 100 ⋍ 0,5 % → 𝐊𝐖 = 𝟏


Dimensionamento preliminar, com a válvula operando com líquido e instalada sem

disco de ruptura: → 𝐊𝐝 = 𝟎, 𝟔𝟓

Conforme mencionado na seção 3.5.2 deste trabalho, para escoamentos com

líquido, é preciso realizar um primeiro dimensionamento e selecionar o orifício

requerido considerando o fator de correção da capacidade devido à viscosidade

igual a 1 → 𝐊𝐕 = 𝟏

4º) Área requerida preliminar:

A =Q

38 ∗ Kc ∗ Kd ∗ KV ∗ KW∗ √

G

P1 − Pb=

18,492

38 ∗ 1 ∗ 0,65 ∗ 1 ∗ 1∗√

0,8

333,78 − 1,45 →

→ 𝐀 = 𝟎, 𝟎𝟑𝟕 𝐢𝐧𝟐 = 𝟐𝟑, 𝟖𝟕𝟏 𝐦𝐦²

5º) Seleção preliminar do orifício da válvula de segurança:


0,037 in² ou 23,871 mm², o orifício mais indicado para escolha é o “D”.

Após ter sido selecionada a área que atendesse a descarga requerida pelo

processo (hipótese de fluido invíscido com KV = 1), devemos, agora, corrigir esta área.

Faremos isso através do cálculo do número de Reynolds e do cálculo do fator de

correção da capacidade devido à viscosidade Kv.

6º) Cálculo do número de Reynolds:

O número de Reynolds pode ser calculado a partir da equação (31) deste

trabalho:

70

𝑅𝑒 = 2800 ∗Q ∗ G

μ ∗ √𝐴= 2800 ∗

18,492 ∗ 0,8

2000 ∗ √0,110→ 𝑹𝒆 = 𝟔𝟐, 𝟒𝟓

7°) Cálculo do fator de correção da capacidade devido à viscosidade Kv:

O fator de correção da capacidade devido à viscosidade Kv pode ser calculado

através da equação (30):

KV = (0,9935 +2,878

𝑅𝑒0,5+342,75

𝑅𝑒1,5)−1

= (0,9935 +2,878

62,450,5+342,75

62,451,5)−1

→

→ 𝐊𝐯 = 𝟎, 𝟒𝟖𝟕𝟑

8º) Cálculo da área requerida corrigida:

A =Q

38 ∗ Kc ∗ Kd ∗ KV ∗ KW. √

G

P1 − Pb=

18,492

38 ∗ 1 ∗ 0,65 ∗ 0,4873 ∗ 1.√

0,8

333,78 − 1,45 →

→ 𝐀 = 𝟎, 𝟎𝟕𝟓𝟒 𝐢𝐧² = 𝟒𝟖, 𝟔𝟒𝟓 𝐦𝐦²


Podemos perceber, através destes cálculos, que o fator de correção da

capacidade devido à viscosidade pode influenciar muito no dimensionamento e

seleção das válvulas de segurança. Comparando as áreas requeridas calculadas, para

este caso, a área requerida corrigida do fator de capacidade devido à viscosidade tem

o seu valor aproximadamente o dobro da área requerida preliminar, segundo a API RP

520. A partir da Tabela 11, p.36-37 deste trabalho, com uma área requerida de 0,0754

in² ou 48,645 mm², o orifício mais indicado para a nova escolha continua sendo o “D”,

pois, apesar da alta viscosidade, a capacidade volumétrica / mássica requerida é

muito pequena.




P1 = Pset + ∆Psobrepressão + Patm = 20 +10

100∗ 20 + 1,01325 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟐𝟑, 𝟎𝟏 𝐛𝐚𝐫


segurança operando com líquidos, segundo a ISO 4126-1, temos:

A =1

1,61∗

QmKdr ∗ KV

∗ √ν

P1 − Pb

71







seja:

Dimensionamento preliminar, com líquidos e sem disco de ruptura → Kd = 0,65


Kdr = 0,9 ∗ Kd = 0,9 ∗ 0,65 → 𝐊𝐝𝐫 = 𝟎, 𝟓𝟖𝟓

Conforme feito anteriormente para o dimensionamento com líquidos viscosos,

segundo a API RP 520, para o cálculo do orifício, de acordo com a ISO 4126-1,

também é preciso realizar um primeiro dimensionamento e selecionar o orifício

requerido considerando o fator de correção da capacidade devido à viscosidade

igual a 1 → 𝐊𝐕 = 𝟏

4º) Área requerida preliminar:

A =1

1,61∗

QmKdr ∗ KV

∗√ν

P1 − Pb=

3360

1,61 ∗ 0,585 ∗ 1∗ √

0,00125

23,01 − 0,1 →

→ 𝐀 = 𝟐𝟔, 𝟑𝟓 𝐦𝐦²

5º) Seleção preliminar do orifício da válvula de segurança:






Após ter sido selecionada a área que atendesse a descarga requerida pelo

processo (hipótese de fluido invíscido com KV = 1), devemos, agora, corrigir esta área.

Faremos isso através do cálculo do número de Reynolds e do cálculo do fator de

correção da capacidade devido à viscosidade KV.

6º) Cálculo do número de Reynolds:

O número de Reynolds pode ser calculado a partir da equação (41) deste

trabalho:

72

𝑅𝑒 =1

3,6∗Qmμ∗ √

4

𝜋 ∗ 𝐴=

3360

3,6 ∗ 2∗ √

4

𝜋 ∗ 26,35→ 𝑹𝒆 = 𝟏𝟎𝟐, 𝟓𝟖

7°) Cálculo do fator de correção da capacidade devido à viscosidade Kv:

O fator de correção da capacidade devido à viscosidade Kv pode ser

encontrado através da Figura (14), p.30, da seção 3.4.3 deste trabalho:

→ 𝐊𝐯 ⋍ 𝟎, 𝟔𝟏

8º) Cálculo da área requerida corrigida:

A =1

1,61∗

QmKdr ∗ KV

∗√ν

P1 − Pb=

3360

1,61 ∗ 0,585 ∗ 0,61∗ √

0,00125

23,01 − 0,1 →

→ 𝐀 = 𝟒𝟑, 𝟐𝟎 𝐦𝐦²


Podemos perceber, através destes cálculos, que o fator de correção da

capacidade devido à viscosidade pode influenciar muito no dimensionamento e

seleção das válvulas de segurança. Comparando as áreas requeridas calculadas, para

este caso, a área requerida corrigida do fator de capacidade devido à viscosidade tem

o seu valor aproximadamente 64% maior do que a área requerida preliminar, segundo

a ISO 4126-1. Apesar de a norma ISO 4126-1 não possuir orifícios pré-definidos,

assim como foi feito para o coeficiente de descarga corrigido, utilizaremos os orifícios

pré-definidos da Tabela 11, p.36-37 deste trabalho, extraída da API RP 520. Para

efeito de comparação, com uma área requerida de 43,20 mm², o orifício mais indicado

para a nova escolha continua sendo o “D”, pelos mesmos motivos citados no

dimensionamento segundo a API RP 520.


A norma da AD 2000-Merkblatt A2, em nenhum momento, cita o

dimensionamento e seleção de válvulas de segurança quando operando com líquidos

viscosos, pois o fator de correção da capacidade devido à viscosidade, KV, não é

referenciado. O que a maioria dos fornecedores faz, quando é necessário dimensionar

e selecionar válvulas de segurança operando com líquidos viscosos, de acordo com a

AD 2000-Merkblatt A2, é utilizar os procedimentos de dimensionamento da ISO 4126-1

para a determinação do fator de correção da capacidade devido à viscosidade KV.

4.4 Cenário com múltiplas válvulas instaladas

Assim como descrito na seção 3.5.1 deste trabalho, quando a capacidade

requerida de alívio é bastante elevada, se faz necessária a utilização de mais de um

73

dispositivo de alívio de pressão no mesmo sistema protegido, combinando as suas

capacidades de alívio. Para este cenário, precisamos ter em mente que a acumulação

de pressão nas válvulas de segurança deverá ter um limite de 116% da PMTA do vaso

de pressão. Além disso, precisamos saber, também, que a pressão de ajuste das

válvulas adicionais não deve exceder 105% da pressão máxima de trabalho permitida.


final:


Área / Serviço: Plataforma / Linha de saída de gás para o Flare

o Primeira válvula:


a) Fluido e estado físico do fluido: Hidrocarboneto - Gás

b) Peso molecular: 30kg

kgmol= 30

lb

lbmol

c) Viscosidade: -


e) Fator de compressibilidade: Z = 1,21


a) Pressão de operação: Po = 49839 kPag = 7243,04 psig

b) Temperatura de operação: To = 84,8 °C = 644,31°R



h ou Qm = qm = 161520

kg

h

b) Pressão de abertura: Pset = 60390 kPag = 8758,83 psig = 603,9 barg

c) Fonte de sobrepressão: Descarga Bloqueada 16% (1ª válvula)

d) Contrapressão superimposta: Pb−sup = 389 kPag = 56,42 psig

e) Contrapressão desenvolvida pela linha: Pb−des = 0,0 kPag

f) Temperatura de alívio: T1 = 84,8°C = 644,31°R = 357,95 K


o Segunda válvula:

1) Propriedades do fluido na temperatura de alívio: mesmas da primeira válvula.

2) Condições de abertura: mesmas da primeira válvula.



h ou Qm = qm = 150000

kg

h

74

b) Pressão de abertura: Pset = 61000 kPag = 8847,3 psig = 610 barg

c) Fonte de sobrepressão: Descarga Bloqueada 10% (2ª válvula)

d) Contrapressão superimposta: Pb−sup = 389 kPag = 56,42 psig

e) Contrapressão desenvolvida pela linha: Pb−des = 0,0 kPag

f) Temperatura de alívio: T1 = 84,8°C = 644,31°R = 357,95 K



o Primeira válvula:




100∗ 8758,83 + 14,7 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟏𝟎𝟏𝟕𝟒, 𝟗𝟒 𝐩𝐬𝐢





P1= (

2

𝑘+1)

𝑘

𝑘−1= (

2

1,537+1)

1,537

1,537−1= 𝟎, 𝟓𝟎𝟔𝟐


r =PbP1=56,42 + 14,7

10174,94= 𝟎, 𝟎𝟎𝟕𝟎






A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M




PbPset

=(56,42) psig

8758,83 psig∗ 100 = 0,644 % → 𝐊𝐛 = 𝟏

75




C = 520 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

= 520 ∗ √1,537 ∗ (2

1,537 + 1)

1,537+11,537−1

→

→ 𝐂 = 𝟑𝟔𝟕, 𝟓𝟖 √𝐥𝐛𝐦 ∗ 𝐥𝐛𝐦𝐨𝐥 ∗ °𝐑



A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1. √T ∗ Z

M =

356090,62

367,58 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 0,975 ∗ 10174,94.√644,31 ∗ 1,21

30 →

→ 𝐀 = 𝟎, 𝟒𝟗𝟕𝟖 𝐢𝐧𝟐 = 𝟑𝟐𝟏, 𝟏𝟔 𝐦𝐦²



0,4978 in² ou 321,16 mm², o orifício mais indicado para escolha é o “G”.

o Segunda válvula:

A segunda válvula possui uma pressão de ajuste aproximadamente 1% maior

do que a pressão de ajuste da primeira válvula, respeitando desta forma o limite de 5%

sugerido na seção 3.5.1 deste trabalho.

1º) Determinação da sobrepressão permitida:

Para determinarmos o valor da sobrepressão permitida na segunda válvula,

mantemos o valor da pressão de alívio P1, encontrado para a primeira válvula, e

resolvemos a equação para o ∆Psobrepressão.


P1 = Pset + ∆Psobrepressão + Patm → 10174,94 = 8847,3 + ∆Psobrepressão + 14,7 →

→ ∆𝐏𝐬𝐨𝐛𝐫𝐞𝐩𝐫𝐞𝐬𝐬ã𝐨 = 𝟏𝟑𝟏𝟐, 𝟗𝟒 𝐩𝐬𝐢

Calculando, agora, a porcentagem de sobrepressão permitida na segunda

válvula, temos:

x

100∗ Pset = 1312,94 → 𝐱 = 𝟏𝟒, 𝟖𝟒%

Portanto, poderíamos, na prática, escolher qualquer valor de sobrepressão

menor ou igual a 14,84% da pressão de ajuste. O intuito deste cálculo foi verificar o

valor da acumulação de pressão permitida na segunda válvula que continuaria nos

76

mantendo com uma pressão de alívio abaixo do limite de 116% da PMTA do

dispositivo protegido.


De acordo com a equação (9) e os dados disponibilizados pelo consumidor

final, temos:


100∗ 8847,3 + 14,7 →

→ 𝐏𝟏 = 𝟗𝟕𝟒𝟔, 𝟕𝟑 𝐩𝐬𝐢

Pode-se perceber que foi utilizado o valor de 10% para a acumulação permitida

na segunda válvula, informada pelo cliente. Como vimos anteriormente, o limite de

acumulação permitida é de 14,84%, portanto estamos sendo mais rigorosos com a

segurança do equipamento e, principalmente, das pessoas que irão operá-lo.





A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1∗ √

T ∗ Z

M




PbPset

=(56,42) psig

8847,3 psig∗ 100 = 0,638 % → 𝐊𝐛 = 𝟏




C = 520 ∗ √k ∗ (2

k + 1)

k+1k−1

= 520 ∗ √1,537 ∗ (2

1,537 + 1)

1,537+11,537−1

→

→ 𝐂 = 𝟑𝟔𝟕, 𝟓𝟖 √𝐥𝐛𝐦 ∗ 𝐥𝐛𝐦𝐨𝐥 ∗ °𝐑



77

A =W

C ∗ Kb ∗ Kc ∗ Kd ∗ P1. √T ∗ Z

M =

330693,37

367,58 ∗ 1 ∗ 1 ∗ 0,975 ∗ 9746,73.√644,31 ∗ 1,21

30 →

→ 𝐀 = 𝟎, 𝟒𝟖𝟐𝟔 𝐢𝐧𝟐 = 𝟑𝟏𝟏, 𝟑𝟓 𝐦𝐦²



0,4826 in² ou 311,35 mm², o orifício mais indicado para escolha é o “G”.

4.4.2 Dimensionamento e seleção conforme ISO 4126-1 e a AD 2000-

Merkblatt A2

As normas da ISO 4126-1 e AD 2000-Merkblatt A2 não fazem referência a

aplicações com múltiplas válvulas instaladas. O que a maioria dos fabricantes de

válvulas de segurança sugere, para estes casos, é dimensionar e selecionar os

orifícios requeridos através da norma da API RP 520.

78

5 Conclusão e recomendações

De acordo com os objetivos propostos neste trabalho e depois de expostos os

conhecimentos obtidos através da literatura utilizada, pretende-se neste momento

comentar algumas conclusões e recomendações que se fazem necessárias.

Como afirmado no decorrer do trabalho, o propósito de uma válvula de

segurança, é a proteção à vida, à propriedade material e ao meio ambiente. Portanto,

o seu dimensionamento e seleção, feitos a partir de análises do local de aplicação e

escolha dos critérios de dimensionamento, são de extrema importância para garantir a

segurança requerida.

A partir das comparações feitas para os diferentes cenários de aplicação das

válvulas de segurança, podemos perceber que, para os cenários de contrapressão e

exposição ao fogo externo presente nos dispositivos a serem protegidos, as normas

mais conservativas são a ISO 4126-1 e a AD 2000-Merkblatt A2. Isto pode ser visto

pela diferença de áreas requeridas, influenciadas pela presença do coeficiente de

descarga corrigido, Kdr, nas fórmulas da área requerida destas normas.

No cenário de aplicação com líquidos de alta viscosidade, o dimensionamento

e a seleção de válvulas de segurança também são influenciados pelo coeficiente de

descarga corrigido da norma da ISO 4126-1. Porém, o fator que se mostrou

determinante para estes cálculos foi o de correção da capacidade devido à

viscosidade, KV. Como ele é determinado pela norma da API RP 520, de forma

diferente da norma da ISO 4126-1, podemos concluir que a norma da API RP 520 é a

mais conservativa para este caso.

Para o cenário de múltiplas válvulas de segurança instaladas em um mesmo

dispositivo, o orifício requerido da primeira válvula deve, normalmente, ser menor do

que os orifícios das válvulas adicionais, para evitar perda de carga. Logo, apesar de

sugerido na norma da API RP 520, a capacidade requerida para a primeira válvula

está muito maior do que a da segunda válvula. Neste caso, seria preciso avisar ao

consumidor final sobre os riscos de perda de carga no sistema, com o objetivo de

solucionar este problema, junto à sua engenharia.

A partir da aplicação das metodologias de cálculo desenvolvidas no decorrer

deste trabalho, evitamos o sub ou superdimensionamento das válvulas de segurança,

objetivo principal do dimensionamento e seleção preliminares.

Recomenda-se para trabalhos futuros que deem continuidade ao estudo,

abordando, principalmente, os cenários de escoamento bifásico e escoamento

subcrítico (utilização de válvulas piloto-operadas).

79

Referências Bibliográficas

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<http://www.britannica.com/biography/Denis-Papin>. Acesso em: 10 dez. 2015.

LESER, THE SAFETY VALVE.1: History and Basic Function. Engineering. Disponível

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LESER, THE SAFETY VALVE. 2: Design Fundamentals. Engineering. Disponível em:

<http://frame.leser.com/engineering/file/EHB_en_2-Design-Fundamentals.pdf>. Acesso

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29 dez. 2015 a 20 jan. 2016.

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http://frame.leser.com/engineering/file/EHB_en_7-Sizing.pdf>. Acesso em: de 29 nov.

2015 a 10 mar. 2016.

AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API RP 520: Sizing, Selection and Installation

of Pressure-relieving Devices in Refineries, Part I–Sizing and Selection, 8. ed.

Washington: API, 2008.

AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API STD 521 / ISO 23251 (Identical):

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