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RAFAEL AMARAL ROTA
Estudo e apresentação de forma simplificada dos critérios de
dimensionamento de orifício de válvulas de segurança e/ou alívio para uso
em indústrias químicas
RAFAEL AMARAL ROTA
Estudo e apresentação de forma simplificada dos critérios de
dimensionamento de orifício de válvulas de segurança e/ou alívio para uso
em indústrias químicas
Monografia apresentada à Escola de Engenharia
de Lorena – Universidade de São Paulo, para
atender parte dos requisitos para obtenção do
diploma de Engenheiro Químico.
Prof. Orientador: Dr. Lucrécio Fábio dos
Santos
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Rota, Rafael Estudo e apresentação de forma simplificada doscritérios de dimensionamento de orifício de válvulasde segurança e/ou alívio para uso em indústriasquímicas / Rafael Rota; orientador Lucrécio Fábio dos Santos. - Lorena, 2016. 70 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2016Orientador: Lucrécio Fábio dos Santos
1. Válvula. 2. Segurança. 3. Alívio. 4. Pressão. I.Título. II. Santos, Lucrécio Fábio dos , orient.
À minha família por todo o amor, carinho, ensinamentos
e por conceder-me todo o apoio necessário para minha
graduação e para meu crescimento pessoal e
profissional
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais e meu irmão, por estarem ao meu lado em todas as minhas decisões tomadas até o momento, por formarem meu caráter, que me permitiu alcançar o título de engenheiro, e por todo o auxílio concedido durante minha jornada universitária. Ao orientador, Professor Lucrécio Fábio dos Santos, pela atenção, auxilio e pelas horas dedicadas ao meu trabalho. À Escola de Engenharia de Lorena, que me proporcionou todo o conhecimento de Engenheiro Químico, os quais serão base para meu progresso profissional. À minha namorada Ranielly, por todo o apoio emocional e técnico durante a produção desse trabalho, por compartilhar momentos importantes de minha vida e de minha graduação, além do importante incentivo na busca de meus objetivos profissionais. Aos moradores e ex-moradores da República D’Angola, que por seis anos foram uma nova família e contribuíram para meu crescimento pessoal e profissional.
Tudo o que um sonho precisa para ser realizado é alguém que acredite que ele possa ser realizado
Roberto Shinyashiki
RESUMO
ROTA, R. A. Estudo e apresentação de forma simplificada dos critérios de dimensionamento do orifício de válvulas de segurança e/ou alívio para uso na indústria química. 2015. 70 p. Trabalho de Conclusão de Curso - Engenharia Química – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo.
A modernização na indústria trouxe preocupações com relação à segurança, sustentabilidade e manutenção da qualidade de vida para os funcionários. Para que um processo produtivo seja realizado com segurança e qualidade, exige-se que a equipe seja bem treinada, que os equipamentos estejam em boas condições, bem como adequados ao uso. Com relação à segurança na utilização de vasos pressurizados, faz-se necessária a instalação de pelo menos uma válvula de segurança ou alívio, especificada para o processo. A falta desse instrumento ou sua utilização em desacordo com as normas pode acarretar acidentes como vazamentos de produtos perigosos e até mesmo explosões, o que pode causar fatalidades. Portanto, é obrigatório o correto dimensionamento dessas válvulas para os mais diversos cenários de funcionamento. Com isso, este trabalho estudou os métodos de dimensionamento de orifício de válvulas de segurança e/ou alívio para vasos pressurizados, utilizados em plantas químicas, e chegou-se à conclusão que é imprescindível ao engenheiro o conhecimento das várias etapas que regem o dimensionamento, instalação e operação desses dispositivos de segurança. Baseado nesses estudos, desenvolveu-se uma planilha no Excel 2013, de fácil manejo para o profissional desta área dimensionar com mais agilidade tais dispositivos de segurança.
Palavras-chave: Válvula. Segurança. Alívio. Pressão.
ABSTRACT
ROTA, R. A. Study and simplified presentation of safety valves, relief valves and safety relief valves sizing criteria in the chemical industry. 2015. 70 p. Final Paper for Chemical Engineering –Engineering School of Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
The industry modernization brought concerns about safety, sustainability and life quality maintenance for employees. A safe production process requires a well-trained staff and equipment in good conditions and suitable for use. It is necessary to install at least one safety relief valve specified for the process to work with pressurized vessels. The lack of this instrument or its use contrary to the standards may result in accidents such as spills of hazardous products and even explosions, which can cause fatalities. Therefore, it is mandatory to size these devices appropriately for the o perating scenarios that the vessel is exposed to. Therefore, this work aims to study the methods of sizing the relief area of valves acting in pressurized vessels used in chemical plants and it was concluded that the knowledge of the steps for sizing, installing and operating these devices is essential to an engineer. Based on these studies, an easy to handle spreadsheet was developed in Excel 2013, for professionals of the area to size more quickly such devices.
Keywords: Valve. Safety. Relief. Pressure.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura de uma válvula de segurança .............................................. 17
Figura 2 – Influência dos anéis de ajuste no funcionamento da válvula .............. 24
Figura 3 – Esquema de válvulas balanceadas por pistão (esquerda) ou por fole
(direita) ...............................................................................................
26
Figura 4 – Funcionamento de uma válvula de segurança .................................... 28
Figura 5 – Curva de avaliação do coeficiente C da equação de fluxo a partir da
razão específica de calor, assumindo comportamento de gás ideal ....
42
Figura 6 – Valor do fator F2, para fluxos subcríticos ........................................... 45
Figura 7 – Kb, fator de correção de contrapressão 46
Figura 8 – Fator de correção de contrapressão, Kb, para válvula de alívio de
pressão balanceadas por fole (vapores e gases) ..................................
49
Figura 9 – Fator de correção de capacidade, Kw, devido à contrapressão em
válvula de alívio balanceada com fole, em serviços com fluido
líquido .................................................................................................
52
Figura 10 – Fator de correção de capacidade para sobrepressão para válvulas de
alívio de pressão para líquidos não certificada ...................................
56
Figura 11 – Seleção de estado físico do fluido de operação .................................. 57
Figura 12 – Seleção de dados para o dimensionamento ........................................ 58
Figura 13 – Seleção do Fator F2 ............................................................................. 59
Figura 14 – Situação de associação a disco de ruptura .......................................... 60
Figura 15 – Simulação de dimensionamento seguindo exemplo da API ............... 62
Figura 16 – Inserção de variáveis presentes nas fórmulas ..................................... 67
Figura 17 – Campo de resultados com correção para líquidos viscosos ................ 69
Figura 18 – Formatação condicional para seleção de variáveis necessárias .......... 69
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Razões de pressões críticas específicas ......................................................38
Tabela 2 – Valores para o coeficiente C.......................................................................41
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Perda de carga em acessórios de tubulações..............................................34
LISTA DE ABREVIATURAS
ISO Organização Internacional para Normalização (International Organization
for Standardization)
API Instituto Americano de Petróleo (American Petroleum Institute)
NR Norma Regulamentadora
ASME Sociedade Americana dos Engenheiros Mecânicos ( American Society of
Mechanical Engineers)
EPI Equipamento de proteção individual
SI Sistema internacional de unidades
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 12
2. OBJETIVOS ......................................................................................................... 14
2.1. Objetivo Geral ........................................................................................................... 14
2.2. Objetivos Específicos ................................................................................................ 14
3. JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 15
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................. 16
4.1 Histórico ..................................................................................................................... 16
4.2 Estrutura de uma Válvula de Segurança e/ou Alívio .................................................. 16
4.3 Modelos de Válvulas de controle de sobrepressão para Vasos Pressurizados ........... 22
4.4 Princípio de Funcionamento de um Dispositivo de Alívio de Pressão....................... 26
4.5 Fenômenos Operacionais de uma válvula de segurança ............................................ 28
4.6 Manutenção ................................................................................................................ 30
4.7 Cenários de dimensionamento de Orifício de Válvulas de Segurança e/ou Alívio .... 32
4.8 Dimensionamento de orifício de alívio ...................................................................... 36
5. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................. 57
5.1 Elaboração de Planilha ............................................................................................... 57
5.2 Validação de Planilha ................................................................................................. 60
6. RESULTADO E DISCUSSÃO ............................................................................. 62
7. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 65
12
1. INTRODUÇÃO
As Válvulas são instrumentos indispensáveis para processos produtivos, os
quais estão em constante desenvolvimento tecnológico desde os primeiros projetos da
engenharia. O uso de tubulações em indústrias sempre demandou a utilização desse
dispositivo para estabilizar, regular ou estancar o fluxo de fluidos para atribuição de
qualidade ao produto. Na atualidade, as indústrias vivem um momento em que
deixam de ter somente a lucratividade como meta e focam, também, na implantação
de um trabalho seguro que reduza a zero os acidentes laborais. Assim, as válvulas de
segurança e/ou alívio ganham grande importância no contexto da indústria química.
As válvulas de segurança e/ou alívio são dispositivos que limitam a pressão
interna de equipamentos pressurizados. Abrem automaticamente quando a pressão
do sistema ultrapassa seu setpoint (pressão de abertura, também denominada de set-
pressure) e fecham quando a pressão do sistema é restabelecida. Para a definição
dessa pressão de abertura, há uma porca de regulagem que define a força elástica da
mola sobre o orifício de alívio de pressão, pelo controle de tensão na mesma (TELLES,
1986).
Para a operação segura, em relação à pressão interna de vasos pressurizados,
deve-se fazer o correto dimensionamento dessas válvulas. Esse dimensionamento é
feito de acordo com a Pressão Máxima de Trabalho Admissível.
Segundo a Norma Regulamentadora Nº 13 (NR 13):
Pressão Máxima de Trabalho Admissível – PMTA é o maior valor
de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos
materiais utilizados, as dimensões do equipamento e seus
parâmetros operacionais.
As condições que definem essa pressão máxima devem incluir casos críticos
como: aquecimento externo, fogo externo ao vaso, supersaturação por alto fluxo, falha
na serpentina de água ou vapor, falha no regulador e válvula. Esses cálculos estão
incluídos nas normas da ISO 4126-10 (2010) e API-520 (2005) e definirão a área
13
do orifício de alívio da válvula, de acordo com a mínima passagem de fluido de
alívio necessária, e a tensão na mola interna que definirá o set-pressure.
No Brasil, a importância das válvulas de segurança na operação de vasos
pressurizados ou caldeiras e as condições necessárias para operação são definidas pela
NR 13. Segundo esta Norma: “constitui risco grave e iminente a falta de válvula de
segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior a PMTA”. Ela
também define que vasos pressurizados ou caldeiras só são considerados seguros se as
válvulas de segurança forem submetidas a inspeções periódicas.
Assim, este trabalho tem como finalidade estudar e apresentar de forma
simplificada os critérios de dimensionamento do orifício de uma válvula de segurança
e/ou alívio para uso em indústria química.
14
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Realizar um estudo sobre os métodos de cálculo, propostos pela API 520,
para dimensionamento de orifício de válvulas de segurança e/ou alívio.
Para tanto, os seguintes objetivos específicos são propostos:
2.2. Objetivos Específicos
Demonstrar os critérios de dimensionamento de válvulas de segurança/alívio;
Fazer um levantamento sobre o comportamento de fluidos em vasos pressurizados
sob cenários de perigo;
Desenvolver uma metodologia de cálculo para s implificar o
dimensionamento de or i f ício de válvulas de segurança e/ou alívio.
15
3. JUSTIFICATIVA
A preocupação com segurança está, atualmente, presente em todas as indústrias
que buscam manter uma atuação responsável. Por isso, onde há operações com vasos
de pressão, faz-se necessário o uso de dispositivos que minimizem ou eliminem o risco
de sobrepressão garantindo a integridade e proteção dos equipamentos e das pessoas
que os operam, dentre os quais estão as válvulas de segurança e/ou alívio. Porém, o
correto funcionamento desses instrumentos só ocorre se eles estiverem devidamente
especificados e calculados para o processo em que serão aplicados. O dimensionamento
de orifício de válvulas de segurança e/ou alívio é um exemplo de adequação necessária
para esses dispositivos, essencial para determinar o correto instrumento para cada
cenário de atuação. As técnicas de cálculo para esse dimensionamento se encontram
descritas em normas como ISO e API e devem ser tomadas como base para essa
especificação.
Este tema foi escolhido porque a utilização de válvulas de segurança e/ou alívio
em indústrias químicas é necessária, porém há pouca literatura técnica, que abranja esse
assunto, disponível para consulta. Assim, este trabalho contribuirá para os profissionais
da área que desejam aprofundar seu conhecimento sobre este assunto, tendo em vista o
estudo sobre os critérios de dimensionamento de válvulas de segurança/alívio para
utilização em indústria química.
16
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os assuntos abordados neste tópico são: estrutura de uma válvula de segurança
e/ou alívio, o funcionamento dessas válvulas e o e os cenários de dimensionamento de
orifício de válvulas de segurança e/ou alívio.
4.1 Histórico
A válvula de segurança foi desenvolvida em 1682, pelo físico francês Denis
Papin, na Inglaterra. O primeiro modelo lançado era do tipo contrapeso, que tem a
pressão de ajuste controlada por um contrapeso que se movimenta por uma alavanca e,
assim, aplica uma pressão específica no disco de vedação do dispositivo (MATHIAS,
2008).
A simplicidade e a falta de precisão desse tipo de válvula vieram a ocasionar
graves acidentes. Por isso, a instalação desses dispositivos em caldeiras foi proibida
segundo seção I do Código da ASME (American Society of Mechanical Engineers),
porém ainda são usados em escapes de turbinas ou equipamentos em que há ocorrência
de golpes de aríete.
Atualmente, as válvulas de segurança são, quase que na totalidade, do tipo mola
sob carga. Essas válvulas permitem um controle muito mais preciso da pressão interna
ao vaso, trazendo, portanto, maior segurança aos colaboradores, aos equipamentos e ao
meio ambiente.
4.2 Estrutura de uma Válvula de Segurança e/ou Alívio
As válvulas do tipo mola possuem uma estrutura como mostrada na Figura 1 e
seus componentes têm funções essenciais para a proteção de vasos pressurizados. Elas
são compostas principalmente por duas partes fixas, o castelo e o corpo, e por partes
móveis que operam controle da pressão (API 520, 2005).
17
Figura 1 – Estrutura de uma válvula de segurança
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005. p.7
4.2.1 Castelo
O castelo é a parte superior da válvula que aloja a mola, a haste, o parafuso
de ajuste e a alavanca podendo ser aberto ou fechado. O Castelo aberto é utilizado
em equipamentos que operam com fluidos altamente aquecidos, pois permite grande
taxa de troca térmica, impedindo que a alta temperatura prejudique a durabilidade e
funcionalidade da mola. Porém esse tipo de castelo só pode ser utilizado para fluidos
18
não tóxicos e não corrosivos que possam ser liberados na atmosfera, caso contrário é
obrigatório a instalação de uma válvula de castelo fechado (SILVA, 2008).
4.2.2 Mola
É o principal componente, pois é responsável pelo correto funcionamento das
válvulas. A mola fica na posição vertical exercendo uma tensão sobre o suporte do disco
através da haste. A força da mola deve respeitar os limites de uma faixa de definida de
trabalho, especificada pelo fabricante, para que o disco seja mantido na posição normal
fechada e abra somente na pressão de ajuste da válvula.
A baixa tensão ou a excessiva tensão danificam o funcionamento do dispositivo
alterando o curso de abertura do disco e, consequentemente, o diferencial de alívio, o qual
representa a diferença entre a pressão de abertura e a de fechamento e é utilizado para
correta dimensionamento de todo o curso do disco (SILVA, 2008).
4.2.3 Haste
A haste é a responsável pela transmissão de forças na válvula, sendo elas a
tensão da mola, a favor do fechamento, e a pressão do produto, a favor da abertura do
disco. Sua superfície deve estar sempre lisa e bem lubrificada para que seja evitado
qualquer tipo de atrito que venha a deteriorar a válvula de segurança.
19
4.2.4 Anel de ajuste (ou Parafuso de ajuste)
Altera a força exercida pela mola, controlando o curso de abertura e definindo
diferencial de alívio adequado.
4.2.5 Alavanca
Em que pese a Figura 1 não apresentar a alavanca, este dispositivo é muito
importante, pois permite a abertura manual da válvula, o que possibilita o alívio de
pressão caso o sistema de funcionamento da válvula falhe.
4.2.6 Disco
O disco fica em contato direto com o fluido do processo e tem função de fazer
a vedação do orifício do dispositivo impedindo qualquer vazamento em pressões
menores que a de setpoint e facilitar a abertura quando esse ponto é atingido. Muitas
vezes o trabalho do disco é auxiliado por um defletor integral que aumenta a
velocidade e faz o direcionamento do fluido quando aliviado, diminuindo a pressão
de abertura da válvula e evitando desgaste do disco e do bocal por erosão (API 520,
2005).
4.2.6.1 Disco com anel “O”
O anel “O” é um disco macio aplicado em algumas válvulas com a finalidade de
aumentar a estanqueidade na área de assentamento do disco.
20
Esses discos são, compostos na maioria por elastômeros, têm a função de conter
vazamentos que possam danificar a própria válvula, conter fluidos leves que exigem
maior eficácia na vedação e evitar a abertura da válvula em pressões próximas, porém
ainda abaixo, do set pressure (SILVA, 2008).
4.2.7 Suporte do disco
O suporte de disco é uma peça manufaturada com o orifício ideal para que o disco
se encaixe de modo a realizar a vedação da válvula. Ele também recebe diferentes
formatos afim de controlar a saída de fluido pelo orifício, de maneira que o curso de
abertura do disco seja o ideal para alívio da pressão. Esse curso do fluido pode ser
melhorado com o auxílio de bocais que se encaixam internamente ao suporte.
4.2.8 Bocal
O bocal, independentemente de a válvula estar aberta ou fechada, fica em
contato direto com o fluido. Por isso, essa região está sujeita a danos causados por
líquidos corrosivos e pelo desgaste sofrido com a alta velocidade de um fluido durante
a abertura do disco.
Os bocais podem ser de dois tipos: reativo integral e semibocal. O bocal reativo
integral, também chamado de full nozzle, é uma peça fabricada em aço inox e contínua,
indo do orifício de entrada da válvula até o disco, o que evita o contato do fluido em
operação com o corpo da válvula, quando fechada. Já o semibocal é uma peça
geralmente rosqueada e em alguns casos soldada, como em sistemas de altas pressões,
que não recobre a mesma área do reativo integral, logo expõe parte do corpo ao fluido,
mesmo com a válvula fora de operação (MATHIAS, 2008).
21
4.2.9 Anéis de ajuste
Os anéis de ajuste são peças essenciais para a correta vedação do orifício e
melhor processo de abertura do disco quando se fala de uma válvula de alívio, que
trabalham especificamente com fluidos líquidos. Esses anéis utilizam as forças reativas
e expansivas do fluido para alcançar o curso máximo, permitindo a vazão máxima com
uma sobrepressão relativamente pequena. Porém é muito importante que o
posicionamento desses anéis seja feito corretamente, para que realmente auxilie a
dinâmica do escoamento do fluido e permita uma rápida queda da pressão.
No caso do posicionamento correto desses anéis em que o curso máximo é
atingido, o limitante de fluxo deixa de ser o corpo da válvula e passa a ser seu orifício.
Portanto o orifício de válvulas de segurança pode ser considerado uma das mais
importantes variáveis a serem calculadas para garantir o correto alívio de pressão para
proteção de um equipamento.
4.2.9.1 Anel inferior
O anel inferior é posicionado abaixo da face do suporte do disco e cria uma
restrição ao fluxo de fluido criando uma câmara de força que eleva o disco até o curso
máximo, o que é conhecido por “ação pop”. Isso ocorre pelo rápido aumento da
força oposta à da mola (SILVA, 2008).
4.2.9.2 Anel superior
Já o anel superior fica acima da face de vedação do bocal e sua função é alterar
a direção do fluido, exercendo uma força contrária à da mola, com a finalidade de criar
uma câmara acumuladora na saída do orifício que eleva o disco de vedação ao curso
22
máximo. O uso desse anel é indicado para caldeiras que operam com fluido em
temperaturas muito altas, baixo teor de água e, assim, baixo peso específico, que podem
causar uma trepidação no anel de vedação denominada Chattering, causada pela
expansão muito rápida do fluido ao passar pelo orifício, levando à pequena abertura do
disco ou por atingir uma pressão muito próxima da PMTA insuficiente para causar a
definitiva abertura. As consequências desses fenômenos seriam o desgaste erosivo da
válvula, podendo até leva-la à invalidação (MATHIAS, 2008).
4.2.10 Fole
O fole é um componente de área igual à inferior do disco, que envolve toda a guia
da válvula. Sua função é realizar a redução de contrapressão num sistema de alívio de
pressão, impedindo que forças influenciem no curso vertical do disco e também impedir
o contato do fluido em operação com o castelo da válvula. Esse componente é o
diferencial de uma válvula do tipo balanceada e a torna o dispositivo ideal para o trabalho
com fluidos corrosivos (API 520, 2005).
4.3 Modelos de Válvulas de controle de sobrepressão para Vasos Pressurizados
Os sistemas de controle de sobrepressão devem atender a necessidades
específicas de cada tipo de processo para que seu tempo de vida seja mais extenso, por
isso existem diferentes modelos de dispositivos de segurança, sendo diferenciados por
sua construção. As variáveis que mais influenciam na escolha do melhor tipo de válvula
a ser utilizada são: condição de escoamento do fluido, se oferece risco ou não, bem
como temperatura e pressão de operação. A seguir estão descritos brevemente cada um
dos modelos:
23
4.3.1 Válvula de segurança
As válvulas de segurança devem permitir rápida e total abertura do disco com
pequenas variações de pressão, o que também é chamado de “pop”, pois fazem alívio
somente de gases e vapores que são fluidos altamente compressíveis. Isso só se torna
possível porque, além da força exercida pelo fluido diretamente no disco, existe uma
pressão secundária nesse tipo de válvula que atua contra o suporte de disco na chamada
“câmara de aprisionamento” criada pelo anel de regulagem corretamente dimensionado,
como mostrado na Figura 2 (SILVA, 2008).
24
Figura 2 – Influência dos anéis de ajuste no funcionamento da válvula
Fonte: SILVA, 2008. p.183
4.3.2 Válvula de alívio
Quando se trata de serviços com líquido, o dispositivo a ser utilizado é a válvula
de alívio. Nesse caso a abertura do disco é proporcional ao aumento da pressão a
montante do dispositivo. Para esse tipo de válvula é muito importante que o curso de
saída seja o mais adequado possível, pois a resistência na saída de fluidos líquidos é
25
maior e pode gerar uma contrapressão que pode causar o fechamento do disco e a geração
de pressões acima do permissível nos equipamentos protegidos (MATHIAS, 2008).
4.3.3 Válvula de segurança e alívio
Existe também a possibilidade de atuar com todos os tipos de fluido, a válvula
de segurança e alívio faz o trabalho de ambas as válvulas. Com ela é possível operar
líquidos, vapor e gases simultaneamente por possuir um sistema mais complexo de
balanceamento de pressão. Esse tipo de válvula pode ser de um dos três tipos a seguir:
4.3.3.1 Válvula de segurança e alívio convencional
A válvula convencional atua com o auxílio da contrapressão para regular a
abertura do disco, tendo assim um ciclo adequado para qualquer um dos tipos de fluido
(SILVA, 2008).
4.3.3.2 Válvula de segurança e alívio balanceada
Essas válvulas são denominadas balanceadas por não sofrerem influência da
contrapressão que é isolada na área sobre o disco. Isso acontece porque esse tipo de
válvula contém fole ou opera num sistema de pistão. Como descrito no item 4.2.10
(p.22), os foles impedem a influência da contrapressão na pressão de ajuste exercida
sobre o disco, pois o interior deles é aberto para a atmosfera ou para um local de pressão
controlada. Essas válvulas ainda impedem o contato do fluido com o corpo da válvula.
Com isso, as válvulas balanceadas possuem alta precisão na pressão de abertura, sem
sofrer alterações durante a operação, e são altamente indicadas para sistemas de fluidos
corrosivos (API 520, 2005)
26
Figura 3 – Esquema de válvulas balanceadas por pistão (esquerda) ou por fole (direita)
Fonte: Silva, 2008. p. 186
No caso de o fluido ser contaminante ou corrosivo, deve-se direcionar o alívio
para um local seguro por meio de tubulações, para evitar sua liberação direta aos
operadores do sistema e ao meio ambiente na possibilidade de vazamento de fluido para
o castelo.
4.3.3.3 Válvula de segurança e alívio piloto operada
As válvulas piloto operadas atuam a partir do acionamento de uma mola de
maior precisão quando a pressão a montante da válvula atinge a de ajuste. A vantagem
desse tipo de válvula é o ajuste mais preciso em consequência de a mola ser composta
por um material mais fino, que sofre menores alterações com o meio, além de estar
alocada separadamente a montante da válvula principal evitando que a contrapressão
tenha influência significante sobre a abertura do disco.
4.4 Princípio de Funcionamento de um Dispositivo de Alívio de Pressão
As válvulas de segurança e/ou alívio não atuam se não há um distúrbio
considerável na pressão de operação do equipamento a que dão proteção. O
27
funcionamento de um desses dispositivos é determinado por um sistema de equilíbrio
entre a pressão gerada pela tensão na mola e a pressão interna ao equipamento protegido
por ele. A pressão da mola é causada pela energia nela reservada e aplicada em forma
de força no disco de vedação e pode ser controlada pelo parafuso de ajuste para que o
dispositivo possa sempre estar regulado e apto a proteger um equipamento. Portanto,
essa pressão ajustada não será superada pela pressão do processo até que ocorra uma
anormalidade do sistema que coloque o equipamento em questão em risco, superando
assim a força exercida pela mola (API 520, 2005).
O cenário muda quando a pressão de operação dos fluidos aumenta, por algum
distúrbio operacional, e se iguala à pressão da mola. Nesse caso, a pressão na área de
vedação do bocal é reduzida e o disco de vedação começa a se mover. Com uma
pressão de fluidos que supera a pressão de mola, a válvula inicia a abertura. Iniciada a
passagem de fluido de alívio na válvula, este sofre uma resistência pela crescente força
da mola enquanto ela está sendo deformada. Porém, se a válvula for corretamente
projetada, incluindo o posicionamento dos anéis de ajuste, o fluido consegue superar a
resistência da mola e levar o disco de vedação ao curso máximo.
A passagem de fluido pelo orifício descarrega o equipamento protegido
gerando uma queda de pressão interna a ele, que, por isso, volta a se aproximar do valor
da pressão da mola novamente. Nesse momento, a pressão na área do suporte do disco
também sofre diminuição e é iniciado o fechamento da válvula. Porém, a válvula só se
fecha totalmente quando essas pressões se igualam, o que ocorre abaixo da pressão de ajuste,
como demonstrado na Figura 4. Quando o disco veda totalmente o orifício, se encerra o
ciclo operacional da válvula de segurança.
28
Figura 4 – Funcionamento de uma válvula de segurança
Fonte: MATHIAS, 2008. p. 231
4.5 Fenômenos Operacionais de uma válvula de segurança
As válvulas de segurança e/ou alívio podem sofrer alguns fenômenos se mal
dimensionadas, erroneamente instaladas ou até desgastadas por aberturas anteriores.
Influências do intemperismo e de fluidos corrosivos também podem vir a causar
prejuízos a esses dispositivos. Os exemplos que ocorrem com maior frequência estão
descritos a seguir:
4.5.1 Chattering
Esse fenômeno ocorre no momento de abertura da válvula quando a pressão de
ajuste definida não é adequada ou esse dispositivo de proteção está incorretamente
dimensionado. Ele pode ser definido como uma trepidação do disco devido a um não
fechamento completo causado por um diferencial de alívio tão pequeno que impede seu
29
perfeito assentamento. Ou seja, a pressão de fechamento é tão próxima da pressão de
abertura, que o disco não consegue vedar a passagem de fluidos totalmente. Esse fluxo
contínuo causa o desgaste do disco e da sede.
Esse problema pode ser evitado reajustando a pressão de abertura ou, caso a
válvula esteja superdimensionada, fazendo o uso de múltiplas válvulas. Para o uso de
mais de uma válvula deve-se ajustar a de menor orifício na pressão de ajuste do sistema
e a outra em uma pressão um pouco superior. Nesse caso, o menor dispositivo faz a
proteção inicial do sistema e evita grandes desperdícios de produto, caso seja acionado,
e o outro fica responsável pelo restante do alívio, caso o fluxo exigido seja maior que a
máxima capacidade do primeiro (API 520, 2005).
4.5.2 Simmering
É um fenômeno que ocorre geralmente quando a pressão atinge 98% da pressão
de ajuste. Nesse caso, o disco dá uma pequena abertura, criando um fluxo de saída que
pode ser visto ou ouvido e causa desgaste nas áreas de vedação, invalidando a válvula
(SILVA, 2008).
Nesse caso, o problema pode ser solucionado reajustando-se a pressão de ajuste
ou fazendo a instalação de uma válvula menor para evitar superdimensionamento.
4.5.3 Flutting
Esse fenômeno tem a mesma causa do chattering, porém após a abertura não há
mais contato entre o disco e a sede de vedação. Segundo Silva (2008), o curso de abertura
e consequentemente a vazão da válvula ficam “flutuando”.
30
1- Experimento de rotina em uma indústria química em Guaratinguetá-SP
4.6 Manutenção
As válvulas de segurança necessitam de manutenções preventivas regulares e,
quando instaladas em vasos de pressão, são recalibradas após todo evento de abertura,
pois estes podem levá-las a um sofrer desvios da pressão de ajuste ideal. As inspeções
preventivas devem seguir as exigências definidas pela NR13.
Nessas inspeções há diversos itens que devem ser verificados para que se possa
garantir que a válvula atenda às especificações necessárias e, consequentemente, proteja
o vaso de pressão. Esses itens podem ser divididos em duas etapas, as quais são descritas
nos itens 4.6.1 e 4.6.2:
4.6.1 Desinstalação e descontaminação bruta da válvula
Nessa primeira etapa1, interrompe-se a operação do sistema em que a válvula de
segurança está instalada, deve-se garantir que o equipamento esteja despressurizado para
que ela seja retirada de seu local de atuação. No momento de retirada, deve-se ter cuidado
especial com possíveis substâncias perigosas residuais que podem causar danos a quem
as manuseia. Para isso é essencial o uso de EPIs (Equipamentos de proteção individual)
adequados para cada atividade. Para cada substância há uma ficha de segurança que
define quais são esses equipamentos.
Depois de feita a retirada, é realizada uma inspeção da própria válvula e das
tubulações de entrada e saída a ela conectadas. Nessa inspeção faz-se a certificação de
que não há desgaste causado por corrosão ou presença de depósitos internos e obstruções
causados, também por corrosão ou resíduos de fluido, que possam restringir o fluxo de
saída.
Por fim, a válvula passa por uma limpeza para descontaminação para que não
siga para a etapa de teste em bancadas com resíduos perigosos ao manuseio. Nessa
próxima etapa a válvula tem suas peças desmontadas, então a exposição de quem realiza
a manutenção é muito maior.
31
4.6.2 Desmontagem e Testes em bancadas
Para que essa etapa seja iniciada, a válvula é transportada da área produtiva em
que está alocada para a oficina de testes. Esse transporte deve ser cuidadoso, pois certos
danos às válvulas de segurança podem desajustá-las ou até invalidá-las. Assim, esses
instrumentos devem ser transportados na posição vertical, sempre que possível, em
embalagens de proteção e é importante que seus flanges estejam protegidos com tampões
plásticos ou discos de compensado para evitar danos às faces de vedação. Após a chegada
na oficina, o manuseio e armazenamento da válvula também devem ser cuidadosos.
Antes do início dos testes, é verificado se a válvula possui número de
identificação, para indicar qual é seu posto de atuação, e lacre, para se ter certeza que o
ajuste não foi alterado por pessoas não autorizadas. Depois, se analisa a necessidade de
limpeza das válvulas. Caso seja necessária, essa pode ser feita através de jateamento de
areia ou limpeza com solventes apropriados. Assim que estiver limpo, o dispositivo é
desmontado para que suas peças sejam analisadas em relação à integridade e adequação
para operação. Caso alguma peça esteja danificada, em especial as da sede ou flanges de
encaixe, devem ser usinadas ou trocadas.
Caso todas as peças estejam em boas condições, faz-se a lapidação da sede de
vedação, ou seja, o disco e o suporte de assentamento. Esse processo garante uma
vedação completa, evitando vazamentos de fluido que podem vir a danificar a válvula.
Essas peças são lapidadas sobre uma base de lapidação utilizando pasta de lapidação
(geralmente pasta diamantada) e finalizadas com lixa de acabamento. Em seguida a
válvula é montada novamente e segue para a bancada de testes.
No teste de bancada, a válvula é conectada a flanges similares ao de conexão ao
vaso de pressão. Por esses flanges, é feita uma pressurização com água ou gases, podendo
esses ser ar comprimido ou nitrogênio (gás inerte), variando de acordo com o tipo de
válvula. Por meio de manômetros, a pressão interna à bancada é monitorada. Essa
pressão é elevada ao valor de set pressure para testar abertura, manter. A pressão logo
abaixo do set pressure, também é utilizada, para avaliação de estanqueidade no disco.
São feitos os ajustes, até que se coincida a pressão manométrica e a pressão de ajuste
(set pressure). Para finalizar o teste, analisa-se a presença de vazamentos, aplicando água
com detergente na saída da válvula, de forma que forme uma camada recobrindo todo o
orifício de saída. Tendo todas as exigências atendidas, a válvula pode voltar à operação.
32
4.7 Cenários de dimensionamento de Orifício de Válvulas de Segurança e/ou Alívio
Os métodos para dimensionamento de válvulas de segurança e/ou alívio seguem
a análise de pressão crítica de operação do vaso para seus diferentes cenários de
operação e a comparação desses dados com a PMTA desse equipamento. De acordo
com a vazão mínima para alívio da sobrepressão interna ao vaso, gerada pelo caso mais
crítico, pode-se definir a mínima área específica de um orifício para evitar a extrapolação
da PMTA (TELLES, 1986). O dimensionamento desses dispositivos se encontra detalhado,
com fórmulas e métodos para cálculos, na norma API-RP-520 (2005).
A seguir, serão explicadas as consequências que devem ser consideradas para
especificação das válvulas em cenários definidos como críticos em uma indústria
química, localizada na cidade de Guaratinguetá-SP.
4.7.1 Cenário de aquecimento externo
O cenário de aquecimento externo é, por exemplo, o caso de um vaso
pressurizado que contém camisa de troca de calor. Nesse caso, a alteração da
temperatura gera uma alteração na pressão do fluido interno a esse equipamento. Como
essa pressão não pode superar a PMTA, analisa-se a expansão que pode ser sofrida
pelo fluido no caso de aquecimento descontrolado na camisa e determina-se a vazão
necessária para aliviar o acúmulo de pressão.
4.7.2 Cenário de transbordo (overfill):
O cenário de overfill conta com o aumento de pressão interna ao equipamento
protegido, devido aos altos valores de fluxos de entrada que podem exceder sua
capacidade e até causar transbordo. Para o cálculo do orifício de alívio nesse caso, é
feita uma comparação entre a soma total das entradas de fluxos no vaso pressurizado e
a vazão necessária no orifício da válvula, para que a pressão não supere a PMTA.
33
No cenário de possível transbordo deve-se ter atenção especial para fluxos que
entram no vaso passando por redutores, pois a falha desses dispositivos pode causar
aumento descontrolado desses fluxos. Logo o cálculo do orifício da válvula deve atender
a vazão capaz de aliviar o fluxo de entrada sem os redutores, para manter a segurança
do vaso nesses casos acidentais.
4.7.3 Cenário de contrapressão (backpressure):
O Backpressure é o cenário em que uma sobrepressão é causada na válvula pelo
excesso de esforços na tubulação a jusante desse dispositivo. Logo, deve-se analisar se
o condutor do fluxo de alívio possui trechos inadequados, como cotovelos retos ou
excesso de curvas, e qual é a pressão causada por essa dificuldade de exteriorizar o
fluido. Cada um desses tipos de trecho tem uma resistência específica à passagem de
fluido, conforme apresentado no Quadro 1, e deve-se incluí-los no cálculo de
funcionamento da válvula. Também é importante analisar se o alívio terá como destino
um local fechado, como um tanque, pois o aumento da pressão nesse local causará a
contrapressão na válvula. A partir disso, pode-se definir o orifício da válvula necessário
para aliviar esse fluido acumulado.
34
Quadro 1 – Perda de carga em acessórios de tubulações
Fonte: ABIMAQ-SINDIMAQ, p.17
Do Quadro 1 pode-se obter os valores de comprimentos equivalentes de
acessórios, entendidos como um tamanho de trecho de linha. Com a soma final, pode-se
simular a perda de carga na tubulação de saída somente por perda de carga em linha reta.
Diâmetro Nominal do
Encanamento
Válvula Globo
(aberta)
Válvula em ângulo
(aberta)
Válvula de retenção com
portinhola
Válvula de retenção
tipo pistão
Joelho 90° Rosqueado
Diâmetro Nominal do
Encanamento
Curva Longa 90° Rosqueada
Válvula de Pé
Derivação para Ramal
Direção do Ramal
Joelho Duplo
Fechado
Ramal para Derivação
Joelho 45° Rosqueado
Válvula de Gaveta totalmente
aberta
35
Por exemplo, para uma tubulação de 1” de diâmetro com uma curva longa 90°rosqueada
(0,396m de comprimento equivalente, segundo Quadro 1), dois joelhos 45° roscados
(2x0,365m de comprimento equivalente, segundo Quadro 1) e comprimento total de
linha de cinco metros, o comprimento simulado para cálculo de perda de carga é
0,396+(2*0,365)+5 = 6,126m.
É importante lembrar que em tubulações de saída de válvulas de segurança não é
permitido instalar outras válvulas, pois elas podem bloquear a saída do fluxo de alívio.
Tendo o comprimento total simulado, é possível calcular a perda de carga
causada por atrito no sistema. Para isso adota-se a Equação de Darcy-Weisbach descrita
a seguir: ∆ = . . .
Onde: ∆ ...Perda de pressão, em mca
...Comprimento equivalente, em m
...Diâmetro interno da tubulação, em m
...Velocidade média do fluido, em m/s
...Aceleração da gravidade, 9,81 m/s²
...Fator de fricção, adimensional e específico para cada material, adimensional.
Pode ser obtido através do diagrama de Moody
Essa equação mede a redução na pressão em um sistema, como consequência da
turbulência causada pela rugosidade do tubo. Com isso, pode-se analisar a contrapressão
que deve ser considerada para cálculo do fluxo necessário para um correto alívio de
sobrepressão.
4.7.4 Cenário de fogo externo ao reator
O cenário de fogo externo ao reator envolve um caso de incêndio nos limites
do vaso pressurizado e, de acordo com o aumento excessivo de temperatura, gera alta
pressão dentro de um equipamento. Nesse caso, a válvula de segurança deve estar
ajustada na PMTA e permitir uma acumulação máxima de 21% ou deve-se adicionar
..... 1
36
outra válvula auxiliar. A válvula adicional deve ser ajustada até 5% acima da PMTA e
ter uma sobrepressão máxima de 16%, limitando a pressão interna do vaso a 21%.
Esse cenário deve ser calculado para todos os reatores a menos de 7,62 metros
de altura, pois estes estão expostos a chamas intensas. Para esses equipamentos, o
volume usado no cálculo deve ser o de área molhada, ou seja, volume que esteja
preenchido com fluido (MATHIAS, 2008).
4.8 Dimensionamento de orifício de alívio
A seleção e o dimensionamento corretos de válvulas de segurança são
necessários para aprovação desses instrumentos com a finalidade de proteger plantas
industriais, colaboradores e meio ambiente. Para tais procedimentos, existem normas
padrões, originárias de estudos especializados de longo prazo, que definem métodos
que garantem uma proteção realmente efetiva. Para a elaboração desse trabalho, foi
tomada como referência a norma descrita pela API 520, Sizing, Selection, and
Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries (Dimensionamento, Seleção e
Instalação de dispositivos de alívio de pressão em Refinarias).
Com as equações descritas pela API 520 e com todos os dados de operação
definidos, pode-se definir a dimensão do orifício de alívio da válvula e, a partir desse
dimensionamento envolver um fornecedor para realmente projetar essa válvula. Então,
esse projeto será o responsável por definir os dimensionamentos gerais, os quais
abrangem diâmetros de entrada e saída da válvula, material de construção,
configuração do flange para conexão, limites de temperatura e pressão, além da própria
área do orifício.
Na aplicação de válvulas a vasos de pressão, as características de fabricação
dos vasos devem ser as primeiras variáveis a serem consideradas na escolha do
dispositivo de segurança. A primeira é a PMTA do vaso, usada para definir a máxima
pressão suportada pelo equipamento, sem que haja risco de qualquer acidente. Porém,
é definido pela API, que a operação deve atingir, no máximo 90% do valor especificado
inicialmente, para evitar que a pressão máxima venha a acarretar algum acidente
(MATHIAS, 2008).
37
Para que o controle desses parâmetros seja garantido, é importante que as
válvulas acompanhem configurações que evitem o descumprimento de qualquer uma
dessas exigências. Essas configurações definem que quando há instalação de uma única
válvula, sua máxima pressão de abertura deve ser igual à PMTA do vaso protegido.
Além disso, é importante que seja calculado um blowdown que garanta o fechamento
total do curso quando a pressão for 92,5% dessa PMTA. Com isso, pode-se evitar que
a pressão do meio esteja próxima da de abertura e, consequentemente, aberturas não
programadas e fenômenos como o simmering que geram desgaste aos equipamentos.
4.8.1 Dimensionamento para alívio de gases e vapor
Para o dimensionamento de válvulas que operam no controle da pressão de
fluidos gasosos ou vapores, deve-se considerar o comportamento do fluido ao ser
desprendido do vaso, no momento em que o set pressure é atingido e ocorre o
movimento do “pop”. Esse comportamento tem influência direta na determinação da
área de orifício requerida, para que a mínima taxa de alívio seja atingida.
4.8.1.1 Comportamento de fluxo crítico
Quando o fluido pressurizado, gasoso ou em forma de vapor, é liberado
diretamente na atmosfera ou possui taxa de contrapressão desprezível, este assume um
comportamento chamado de fluxo crítico. Esse comportamento é assim denominado,
pois a pressão externa ao vaso protegido é consideravelmente menor à interna e, por
esse alto diferencial de pressão, o fluxo que passa pelo bocal atinge a velocidade
máxima, sendo limitada pela área de seu orifício.
Pode-se assumir que a velocidade do fluxo crítico no bocal é igual à velocidade
do som por ser uma onda de pressão extremamente pequena passando por um bocal
(ÇENGEL; CIMBALA, 2015). Segundo Guiteras (2003), as equações de Bernoulli e
a equação dos gases podem ser associadas para a obtenção da equação do estado crítico.
38
Essa associação de equações nos leva à razão de pressões no fluxo crítico, representada
por (P2/P1)c, que pode ser demonstrada da seguinte forma: �� = [ + ] −⁄
Onde:
P2 ... Pressão a jusante do bocal, em psia (psi absoluto),
P1 ... Pressão a montante do alívio, em psia,
K ... Razão de calor específico para qualquer gás ideal (Cp/Cv)
Ainda de acordo com os cálculos expostos por Guiteras (2003), pode-se
concluir que o valor (P2/P1)c é o ponto inicial da faixa de fluxo crítico, a qual é
composta por valores de pressão onde (P2/P1) ≤ (P2/P1)c. O fluxo subcrítico, por sua
vez, é definido pela relação (P2/P1) > (P2/P1)c.
Os valores de razão de pressão para fluxo crítico de algumas substâncias
gasosas estão presentes na Tabela 1.
Tabela 1 – Razões de pressões críticas específicas Gás Taxa de calor específica
k=Cp/Cv, em 60°F, 1 atm Taxa de pressão no fluxo crítico, em 60°F, 1 atm
Hidrogênio 1,41 0,52 Ar 1,40 0,53 Nitrogênio 1,40 0,53 Vapor superaquecido 1,33 0,54 Amônia 1,3 0,54 Dióxido de Carbono 1,29 0,55 Metano 1,31 0,54 Etano 1,19 0,57 Etileno 1,24 0,57 Propano 1,13 0,58 Propileno 1,15 0,58 n-Butano 1,19 0,59 n-Hexano 1,06 0,59 Benzeno 1,12 0,59 n-Decano 1,03 0,60
Fonte: Adaptado de: Towler; Sinnot, 2012. p. 491
.....2
39
4.8.1.2 Dimensionamento para fluxo crítico
Para cenários em que o fluido se encontra em fluxo crítico, descrito no item
anterior, a API RP 520 apresenta as equações para cálculo da variável A, que representa
a dimensão mínima do orifício do bocal para que atenda à mínima taxa de alívio
necessária. A partir desse cálculo ainda há a opção de fazer o uso de padrões, por
exemplo nos orifícios de “D” a “T” descritos em API Std 526, para os quais deve-se
sempre selecionar um orifício de igual ou maior área se comparado ao A calculado.
No Sistema de unidades americano:
� = √
� = √,
� = √,
Unidades do SI:
� = × √
� = × √
� = × √
..... 3
..... 4
..... 5
..... 6
..... 7
..... 8
40
Onde:
A ... Área de descarga efetiva requerida, em in² [mm2]
W ... Fluxo requerido pelo dispositivo, em lb/h [kg/h]
C ... Coeficiente baseado na razão do calor específico (k = Cp/Cv) do gás ou do
vapor nas condições de alívio no bocal. Esse dado pode ser obtido na Tabela 2 ou na
Figura 5. Onde k não pode ser determinado, sugere-se o uso do valor de C = 315. Essa
variável tem como unidade √ × � ××ℎ� .
Kd ... Coeficiente efetivo de descarga. Para válvulas de segurança e/ou alívio
adotar o valor 0,975.
P1 ... Pressão a montante do alívio, psia, psi absoluto [kPaa, Kilo Pascal
absoluto]. Essa é a soma da pressão de ajuste, com a sobrepressão e a pressão
atmosférica.
Kb ... Fator de correção de capacidade devido à contrapressão. Este pode ser
obtido de literatura do fabricante ou preliminarmente calculado através da Figura 8.
Esse fator de correção da contrapressão se aplica somente a válvulas balanceadas de
fole. Para as convencionais e as piloto operadas, aplica-se o valor 1,0 ao Kb.
Kc ... Fator de correção de combinação para instalações com disco de ruptura a
montante da válvula.
= 1,0 Quando não há disco de ruptura instalado
=0,9 Quando há disco de ruptura em associação com válvula de segurança
e/ou alívio e a combinação não tem valor determinado.
T ... Temperatura de alívio do gás ou vapor na entrada da válvula.
Z ... Fator de compressibilidade para desvios de comportamento entre o gás real
e gases ideais, uma razão que pode ser avaliada na entrada dos fluidos a serem
aliviados. Esse fator pode ser obtido em literaturas específicas
M ... Peso molecular do gás ou vapor quando antecedem comportamento de
alívio,
Lbm/Lb mole [kg/kmole]
V ... Fluxo requerido pelo dispositivo, em scfm (padrão pés cúbicos por minuto)
60°F e 14,7 e em Nm³/min a 0°C e 101325 kPaa.
G – Gravidade específica em condições padrão referente ao ar em condições
padrão. G = 1,0 para ar a 14,7 psia e 60°F (ou 101325kPaa e 0°C).
41
Tabela 2 – Valores para o coeficiente C K C K C K C K C 1.00 315 1.30 347 1.60 372 1.90 394 1.01 317 1.31 348 1.61 373 1.91 395 1.02 318 1.32 349 1.62 374 1.92 395 1.03 319 1.33 350 1.63 375 1.93 396 1.04 320 1.34 351 1.64 376 1.94 397 1.05 321 1.35 352 1.65 376 1.95 397 1.06 322 1.36 353 1.66 377 1.96 398 1.07 323 1.37 353 1.67 378 1.97 398 1.08 325 1.38 354 1.68 379 1.98 399 1.09 326 1.39 355 1.69 379 1.99 400 1.10 327 1.40 356 1.70 380 2.00 400 1.11 328 1.41 357 1.71 381 - - 1.12 329 1.42 358 1.72 382 - - 1.13 330 1.43 359 1.73 382 - - 1.14 331 1.44 360 1.74 383 - - 1.15 332 1.45 360 1.75 384 - - 1.16 333 1.46 361 1.76 384 - - 1.17 334 1.47 362 1.77 385 - - 1.18 335 1.48 363 1.78 386 - - 1.19 336 1.49 364 1.79 386 - - 1.20 337 1.50 365 1.80 387 - - 1.21 338 1.51 365 1.81 388 - - 1.22 339 1.52 366 1.82 389 - - 1.23 340 1.53 367 1.83 389 - - 1.24 341 1.54 368 1.84 390 - - 1.25 342 1.55 369 1.85 391 - - 1.26 343 1.56 369 1.86 391 - - 1.27 344 1.57 370 1.87 392 - - 1.28 345 1.58 371 1.88 393 - - 1.29 346 1.59 372 1.89 393 - - 1.30 347 1.60 373 1.90 394 - -
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005. p.50
42
Figura 5 – Curva de avaliação do coeficiente C da equação de fluxo a partir da razão específica de calor, assumindo comportamento de gás ideal
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005. p. 44
Para determinação do coeficiente C pela Figura 5, cruza-se uma linha vertical
passando pelo valor da Taxa de calor do produto em questão, até que a curva
representada. A partir do ponto de intersecção entre elas traça-se uma linha horizontal
até o eixo dos coeficientes C. Essa nova intersecção define o coeficiente C.
A API 520 informa ainda que a equação da curva acima apresentada é:
= √� + + / −, com [C] =
Assim, pode-se obter maior precisão nesse cálculo, não dependendo somente
de ferramentas visuais.
Além disso, vale lembrar que o dimensionamento proposto nesse item
considera o comportamento de gases ideais para base de cálculo. Para casos de fluidos
que divergem muito desse comportamento é indicado conferir o anexo B das normas
API 520.
Coe
fici
ente
C
Taxa de Calor específica, k = Cp/Cv
43
4.8.1.3 Dimensionamento para fluidos de comportamento subcrítico
Conforme descrito no item 4.8.1.1 (p. 37), o comportamento do fluxo é
subcrítico quando existe a relação (P2/P1) > (P2/P1)c. A razão de pressões crítica é
superada devido à existência de contrapressão, que torna a pressão na saída da válvula
considerável, a ponto de gerar resistência ao fluxo de alívio na saída da válvula. Para
o cálculo da área de orifício de válvulas de alívio convencionais ou piloto operadas, a
API apresenta as seguintes equações:
No Sistema de unidades americano:
� = × √ −
� = × √ −
� = × √ −
Unidades do SI:
� = , × √ −
� = , × √ −
� = × √ −
..... 9
... 10
... 11
... 12
... 13
... 14
44
Onde:
A ... Área de descarga efetiva requerida, em in² [mm2]
W ... Fluxo requerido pelo dispositivo, em lb/h [kg/h]
F2 ... Coeficiente de fluxo subcrítico. Esse valor pode ser encontrado na Figura
6 ou calculado pela equação: √ − / [ −� − /−� ] , sendo “k” a razão do calor
específico e “r” a razão de pressões (P2/P1).
Kd ... Coeficiente efetivo de descarga. Para válvulas de segurança e/ou alívio
adotar o valor 0,975.
Kc ... Fator de correção de combinação para instalações com disco de ruptura a
montante da válvula.
= 1,0 Quando não há disco de ruptura instalado
=0,9 Quando há disco de ruptura em associação com válvula de segurança
e/ou alívio e a combinação não tem valor determinado.
T ... Temperatura de alívio do gás ou vapor na entrada da válvula.
Z ... Fator de compressibilidade para desvios de comportamento entre o gás real
e gases ideais, uma razão que pode ser avaliada na entrada dos fluidos a serem
aliviados.
M ... Peso molecular do gás ou vapor quando antecedem comportamento de
alívio,
Lbm/Lb mole [kg/kmole]
P1 ... Pressão a montante da válvula, em psia [kPaa]. Corresponde à adição da
pressão de set pressure, da sobre pressão permissível e da pressão atmosférica.
P2 ... Contrapressão, em psia [kPaa]
V ... Fluxo requerido pelo dispositivo, em scfm (padrão pés cúbicos por minuto)
60°F e 14,7 e em Nm³/min a 0°C e 101325 kPaa.
G ... Gravidade específica em condições padrão referente ao ar em condições
padrão. G = 1,0 para ar a 14,7 psia e 60°F (ou 101325kPaa e 0°C).
45
Figura 6 – Valor do fator F2, para fluxos subcríticos
Fonte: API 520, 2005. p.48
Para definição do Fator F2 através da Figura 6 utiliza-se a linha vertical que
indica o valor da razão de pressões (P2/P1) para intersecção com a linha de razão de
calor específico que representa o fluido em questão. A partir do ponto da intersecção,
traça-se uma linha horizontal, que indicará o Fator F2 no ponto que atinge o eixe
vertical. Exemplo: Para um caso com razão de pressão de 0,55 e razão de calor
específico de 1,6, o Fator F2 assume um valor de aproximadamente 0,75.
Esses cálculos não se aplicam a válvulas do tipo balanceadas. Como sabemos,
esse tipo de válvula conta com foles ou pistões que evitam a influência da contrapressão
no funcionamento do dispositivo. Para as válvulas balanceadas, usa-se o cálculo de
fluxo crítico aplicando a variável Kb, fator de correção de contrapressão que deve ser
informado pelo fornecedor.
Linha de fluxo Crítico
46
4.8.1.4 Dimensionamento alternativo para válvulas convencionais e piloto operadas no fluxo subcrítico
A área de orifício de válvulas de alívio convencionais ou piloto operadas
também pode ser dimensionada por método de cálculo alternativo, utilizando as mais
usuais equações de fluxo crítico descritas no item 4.8.1.2 (p. 39). A compensação para
essas equações é feita por meio do coeficiente Kb, que faz a correção para a
contrapressão, e o valor obtido deve ser exatamente igual ao obtido com equações de
fluxo subcrítico. Para o cálculo, o valor de Kb pode ser obtido na Figura 7. Esse cálculo
visual é realizado pela intersecção da linha vertical referente ao percentual de
contrapressão com a linha de razão de calor específico do fluido. A intersecção delas é
refletida horizontalmente no eixo vertical nos dando o valor do Fator. Na própria Figura
7, encontra-se o exemplo em que o percentual de contrapressão é 76 e a razão de valor
específico 1,4, remetendo a um Kb de valor 0,87.
Figura 7 – Kb, fator de correção de contrapressão
Percentual de contrapressão = PB/(PS + Po) x 100 = r x 100
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005, p. 49
47
Onde:
Kb = Fator de correção de contrapressão
PB = contrapressão, em psia
PS = Pressão de ajuste, em psia
PO = sobrepressão, em psi
4.8.2 Dimensionamento para Vapor superaquecido
Vapor superaquecido é o vapor que se encontra em faixas de temperaturas tão
altas que por maior que seja pressurização aplicada a ele, a fase líquida não é alcançada.
Quando a válvula de alívio de pressão opera com fluido nesse estado, o fluxo
deve ser considerado crítico e o dimensionamento do orifício deve seguir modelo de
equação mostrado abaixo:
No Sistema de unidades americano:
� = , × � �
No SI:
� = , × � �
Onde:
A ... Área de descarga efetiva requerida, em in² [mm2]
W ... Fluxo requerido pelo dispositivo, em lb/h [kg/h]
P1 ... Pressão a montante do alívio, psia [kPaa]. Essa é a soma da pressão de
ajuste, com a sobrepressão e a pressão atmosférica.
Kd ... Coeficiente efetivo de descarga. Para válvulas de segurança e/ou alívio
adotar o valor 0,975.
... 15
... 16
48
Kb ... Fator de correção de capacidade devido à contrapressão. Este pode ser
obtido de literatura do fabricante ou preliminarmente calculado através da Figura 8.
Esse fator de correção da contrapressão se aplica somente a válvulas balanceadas de
fole. Para as convencionais e as piloto operadas, aplica-se o valor 1,0 ao Kb.
Kc ... Fator de correção de combinação para instalações com disco de ruptura a
montante da válvula.
= 1,0 Quando não há disco de ruptura instalado
=0,9 Quando há disco de ruptura em associação com válvula de segurança
e/ou alívio e a combinação não tem valor determinado.
KN ... Fator de correção para a equação de Napier, correspondendo a:
1, quando ≤ � � �
No U.S. Customary System of units: , ×� −, ×� −
No SI: , ×� −, ×� − , quando:
> � � � ≤ � � �
KSH ... Fator de correção para vapor superaquecido. Para vapor superaquecido
a qualquer pressão, KSH = 1,0
49
Figura 8 – Fator de correção de contrapressão, Kb, para válvula de alívio de pressão balanceadas por fole (vapores e gases)
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005, p.37
Onde:
PB - Contrapressão, em psig
PS – Pressão de ajuste, em psig
Para definição do Kb na Figura 8, intersecciona-se a linha vertical do percentual
de pressão manométrica em questão com a sobrepressão imposta na pressão de ajuste.
O ponto de intersecção é refletido horizontalmente no eixo vertical nos dando o valor
do Fator Kb. O cálculo desse fator para um percentual de pressão de 45 e sobrepressão
de 10%, por exemplo, nos traria um valor de Kb = 0,78.
Segundo a API, essa curva foi projetada para pressões de ajuste maiores que 50
psig. Para pressões de ajuste mais baixas ou fluxo subcrítico, o fabricante deve ser
consultado. Já para sobrepressão de 21%, o Kb se iguala a 1,00, acima do PB/Ps = 50%.
16% Sobrepressão
10% Sobrepressão
Percentual de pressão manométrica = (PB/PS) x 100
Fato
r de
cor
reçã
o de
con
trap
ress
ão, K
B
50
4.8.3 Dimensionamento para alívio de líquidos
Para o alívio de fluidos líquidos, as válvulas de segurança podem ser
dimensionadas de diferentes formas. Esse tipo de dimensionamento irá depender de
características do líquido e da necessidade de certificado de capacidade, conforme
descrito nos itens a seguir.
4.8.3.1 Dimensionamento para alívio de líquidos: Com certificado de capacidade
atribuído à válvula
Para a operação no alívio de pressão de fluidos líquidos, as válvulas de
segurança devem receber o certificado de capacidade, de acordo com exigências feitas
pelas normas descritas na Seção VIII, Divisão I, da norma ASME. Esse certificado
envolve testes que são realizados para garantia de total proteção ao vaso pressurizado.
Para isso, a válvula de segurança deve garantir a máxima sobrepressão de 5% da
PMTA, para válvulas piloto operadas, enquanto as válvulas convencionais devem
limitar esse valor a 10%.
Para as válvulas que atendem às exigências desse certificado, a API 520 define
o método de cálculo para dimensionamento de orifício descrito pelas equações a seguir:
No Sistema de unidades americano:
� = × √ −
No SI:
� = , × √ −
... 17
... 18
51
Onde:
A ... Área de descarga efetiva requerida, em in² [mm2]
Q ... Taxa de fluxo, em gpm [l/min]
Kd ... Coeficiente efetivo de descarga. Para válvulas de segurança e/ou alívio
adotar o valor 0,65.
Kw ... Fator de correção de capacidade devido à contrapressão. Para
contrapressões iguais à pressão atmosférica, aplica-se o valor 1,0 ao Kw. As válvulas
balanceadas de fole terão os coeficientes determinados pela Figura 9. As válvulas
convencionais ou piloto operadas não necessitam esse tipo de correção.
Kc ... Fator de correção de combinação para instalações com disco de ruptura a
montante da válvula.
= 1,0 Quando não há disco de ruptura instalado
=0,9 Quando há disco de ruptura em associação com válvula de segurança
e/ou alívio e a combinação não tem valor determinado.
Kv ... Fator de correção devido à viscosidade calculado pela equação a seguir:
= , + , ,5 + ,,5 − , , com R = Número de Reynolds
=1,0 para fluidos não viscosos.
G ... Gravidade específica em condições padrão referente à água em condições
padrão.
P1 ... Pressão a montante da válvula, em psia [kPaa]. Corresponde à adição da
pressão de set pressure e da sobre pressão permissível.
P2 ... Contrapressão, em psia [kPaa]
52
A Figura 9 nos mostra a alteração do fator de correção devido à contrapressão
em serviços líquidos. Percebe-se uma queda no valor desse fator a partir do percentual
de contrapressão 15 de acordo com a curva demonstrada nessa figura. O fator Fw para
um percentual de contrapressão de 35, por exemplo é aproximadamente 0,825.
Figura 9 – Fator de correção de capacidade, Kw, devido à contrapressão em válvula de alívio balanceada com fole, em serviços com fluido líquido
Percentual de contrapressão manométrica (PB/PS) x 100
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005, p.38
Onde:
Kw = Fator de correção de contrapressão
PB = contrapressão, em psig
PS = Pressão de ajuste (set pressure), em psig
53
4.8.3.2 Dimensionamento para alívio de líquidos viscosos
O dimensionamento de orifícios para operações com fluidos viscosos segue o
mesmo princípio de cálculo do item anterior, porém se torna necessária uma correção
para anular as influências da viscosidade no fluxo de alívio. Esse dimensionamento se
inicia com o cálculo de área descrita no início desse item, seguido da seleção do orifício
descrito por fornecedores ou padrões de tamanho logo acima do orifício calculado, da
mesma maneira que se seleciona para válvulas de fluido não viscoso. Na sequência, a
área do orifício selecionado é utilizada para cálculo do Número de Reynolds, dado
pelas equações propostas pela API 520:
No Sistema de unidades americano:
= ×�√�
= , ×√�
No SI:
= , ×�√�
= , ×√�
Onde:
R … Número de Reynolds
Q … Taxa de fluxo, em gpm [l/min]
... 19
... 20
... 21
... 22
54
G ... Gravidade específica em condições padrão referente à água em condições
padrão.
µ ... Viscosidade absoluta na temperatura de alívio, em centipoise (cP)
A ... Área de descarga efetiva selecionada (dada por padrão de fornecedor ou
de normas), em in² [mm2]
U ... Viscosidade na temperatura de alívio, em Saybolt Universal Seconds
(SSU)
O número de Reynolds nos permite avaliar o comportamento do escoamento do
fluido que passa pelo orifício, para evitar que a alteração da viscosidade venha a
interferir no fluxo alívio e, consequentemente, traga riscos à proteção do vaso de
segurança. Esse número nada mais é do que uma razão adimensional entre a força
inercial e a força viscosa, utilizado para garantir o comportamento de escoamento ideal
independentemente da viscosidade do fluido (WOLFGANG, B.; WESTFALL, G. D.;
DIAS, 2013). A partir dele, será calculado o fator de correção de viscosidade Kv, o qual
será utilizado para novo cálculo da equação do item 5.3.1 visando a adequação do
orifício à operação com fluido viscoso. Após esse procedimento o novo orifício
calculado ainda deve ser menor que o orifício padrão selecionado, utilizado no cálculo
do Reynolds. Caso contrário, o procedimento deve ser repetido, a partir do cálculo do
Reynolds, para esse novo valor.
4.8.3.3 Dimensionamento para alívio de líquidos: Sem necessidade de certificado de capacidade
O certificado de capacidade exige que a válvula atenda a certos requisitos, os
quais foram definidos pela ASME. Mas para as válvulas que eram produzidas
anteriormente a esse fato, ou mesmo para as atuais que não necessitam certificação, a
equação de determinação da área de orifício leva algumas hipóteses no cálculo do
orifício. Para isso, leva-se em conta que o coeficiente de descarga 0,62 e a sobre pressão
fica estimada em 25%.
55
Assim o cálculo de orifício será definido pelas equações a seguir:
No Sistema de unidades americano:
� = � √ , � − �
No SI:
� = , × � √ , � − �
Onde:
A ... Área de descarga efetiva requerida, em in² [mm2]
Q … Taxa de fluxo, em gpm [l/min]
Kd ... Coeficiente efetivo de descarga. Deveria ser obtido com o fornecedor,
mas nesse caso o simplificamos a 0,62.
Kw ... Fator de correção de capacidade devido à contrapressão. Para
contrapressões iguais à pressão atmosférica, aplica-se o valor 1,0 ao Kw. As válvulas
balanceadas de fole terão os coeficientes determinados pela Figura 9. As válvulas
convencionais ou piloto operadas não necessitam esse tipo de correção.
Kc ... Fator de correção de combinação para instalações com disco de ruptura a
montante da válvula.
= 1,0 Quando não há disco de ruptura instalado
Kv ... Fator de correção devido à viscosidade calculado pela equação a seguir:
= , + , ,5 + ,,5 − , , com R = Número de Reynolds (ver
5.3.2)
=1,0 para fluidos não viscosos.
... 23
... 24
56
Kp ... Fator de correção de contrapressão = 1,0 até sobrepressões de 25%. Para
valores acima disso, deve-se consultar a Figura 10.
G ... Gravidade específica em condições padrão referente à água em condições
padrão.
p ... Pressão a montante da válvula, em psig [kPag]
pb... Contrapressão, em psig [kPag]
V ... Fluxo requerido pelo dispositivo, em scfm (padrão pés cúbicos por minuto)
60°F e 14,7 e em Nm³/min a 0°C e 101325 kPaa.
G ... Gravidade específica em condições padrão referente ao ar em condições
padrão. G = 1,0 para ar a 14,7 psia e 60°F (ou 101325kPaa e 0°C).
Figura 10 – Fator de correção de capacidade para sobrepressão para válvulas de alívio de pressão para líquidos não certificada
Fonte: Adaptado de: API 520, 2005, p.55
Percentual de Sobrepressão
Fato
r de
cor
reçã
o, K
P
57
5. MATERIAIS E MÉTODOS
A partir desse estudo, foi desenvolvida uma Planilha de Dimensionamento de orifício
de válvulas de alívio de pressão, no programa Microsoft Office Excel 2013, cujo modelo foi
validado com dados apresentados pela API 520. Esses dados são apresentados no item 5.2
(p. 59).
5.1 Elaboração de Planilha
A planilha é uma ferramenta no formato Microsoft Excel Worksheet (.xlsx) e seu
funcionamento é basicamente regido pela escolha do estado físico do fluido em operação,
conforme ilustrado na Figura 11, o que já configura a fórmula correta para a definição da
área do orifício da válvula no campo “Área de orifício (A)”. O acesso à planilha está
permitido a qualquer usuário por meio do link a seguir:
https://drive.google.com/file/d/0B6svv7OFuxtgOFFVdGZsSGhVanc/view?usp=sha
ring
A ferramenta completa está representada no Apêndice A.
Figura 11 – Seleção de estado físico do fluido de operação
Fonte: Elaborada pelo autor
58
Os dados necessários para o cálculo também são selecionados automaticamente com
a seleção do tipo de fluido. Na coluna de “Características da amostra”, estão elencadas todas
as variáveis que aparecem nas fórmulas de cálculo da API, porém não se faz necessário o
preenchimento de todas. A seleção automática identifica quais são as variáveis presentes na
fórmula referente ao tipo de fluido selecionado e identifica suas células com o preenchimento
na cor branca, conforme demonstrado na Figura 12. Elas são inseridas manualmente e
algumas contam com tabelas de apoio para busca, através de hiperlinks. Como exemplo das
tabelas auxiliares, a seleção do Fator F2 está ilustrada na Figura 13.
Figura 12 – Seleção de dados para o dimensionamento
Fonte: Elaborada pelo autor
59
Figura 13 –Seleção do Fator F2
Fonte: Elaborada pelo autor
Assim, pode-se ver que os campos a serem preenchidos ficam na cor branca e
ainda possuem um descritivo para que o usuário saiba o que significa cada incógnita e
qual é a unidade do valor que deve ser inserido. Depois de preenchidos, o cálculo é
automático e o valor é exibido no campo “Área de orifício (A)”.
Nota-se também que há células na cor cinza no campo de “Características da
amostra”. Essas células possuem valores constantes ou automaticamente preenchidos.
Um exemplo é o valor do Fator de correção de combinação para instalações com disco
de ruptura a montante da válvula, Kc, que depende da seleção em lista suspensa no
campo “Há disco de ruptura associado à válvula? [Selecionar em lista]”, como mostra
a Figura 14.
60
Figura 14 – Situação de associação a disco de ruptura
Fonte: Elaborada pelo autor
Todo esse procedimento deve ser repetido para os diferentes cenários de maior
risco, para que o dimensionamento esteja adequado para a proteção frente a qualquer
problema de sobrepressão que ocorra no equipamento.
5.2 Validação de Planilha
A API 520 apresenta exemplos de aplicação das equações de dimensionamento,
dos quais um foi selecionado para validação da planilha de cálculos apresentada
anteriormente.
O exemplo aborda um alívio de vapor de hidrocarbonetos, composto por butano
e pentano, de massa molecular de 65g/mol. O alívio é causado por um transtorno
operacional que exige um fluxo, W, de 24.260 kg/h sob as condições apresentadas a
seguir:
Temperatura de alívio, 348 K
Pressão de ajuste, 517 kPa, que é a pressão de design do equipamento
Contrapressão atmosférica (101,3 kPa)
Sobrepressão permissível de 10%
Pressão de alívio, P1, 517 x 1,1 + 101,3 = 670 kPa absoluto
Fator de compressibilidade calculado, 0,84
61
Pressão de fluxo crítico, 670 x 0,59 (Taxa de pressão no fluxo crítico -
Tabela 1) = 395 kPa absoluto
K = Cp/Cv = 1,09, C = 326 (Tabela 4)
Fator de correção de combinação para disco de ruptura, Kc =1,0 (não associado a disco de ruptura).
62
6. RESULTADO E DISCUSSÃO
A partir das variáveis selecionadas, o dimensionamento de uma válvula de
segurança, utilizando a equação 6, apresentada no item 4.8.1.2 (p.39), obteve-se como
resultado um valor de 3179 mm². A planilha faz o mesmo cálculo obtendo o mesmo
resultado, conforme Figura 15.
Figura 15 – Simulação de dimensionamento seguindo exemplo da API
Fonte: Elaborada pelo autor
Para a utilização da planilha, o usuário deve possuir os valores necessários,
referentes às características da amostra. Dentre essas características podem ser
necessárias as seguintes variáveis:
1. W = Fluxo de gás/vapor [kg/h];
2. C = Fator de correção de combinação para disco de ruptura;
3. P1 = Pressão a montante da válvula [kPa absoluto];
4. Kb = Fator de correção de capacidade devido à contrapressão a gases/
vapores;
5. T = Temperatura de alívio [K];
6. Z = Fator de compressibilidade;
7. M = Massa Molecular de gás/vapor [g/mol];
63
8. F2 = Coeficiente de fluido subcrítico;
9. Q = Fluxo líquido [L/min];
10. Kw = Fator de correção devido à contrapressão a líquidos;
11. P2 = Pressão a jusante da válvula (contrapressão) [kPa absoluto];
12. G = Gravidade específica de líquidos referente à da água;
13. μ = Viscosidade [cP];
14. Kp = Fator de correção devido à sobrepressão;
15. p = Pressão a montante da válvula [kPa manométrica];
16. pb = Pressão a jusante da válvula [kPa manométrica].
Apesar do grande número de variáveis, nem todas precisam ser preenchidas. As
variáveis necessárias serão demarcadas automaticamente com a seleção do estado
físico da amostra a ser aliviada, conforme descrito nas equações do item 4.8 (p. 36) e
explicado no item 5 (p. 57) deste trabalho.
Além disso, realizou-se um comparativo de tempo para a resolução do problema
nas formas analítica e automática, através da planilha de cálculos. O teste também
comprovou a eficiência da ferramenta. Enquanto a resolução analítica levou em torno
de 8:30 min a resolução pela planilha demandou apenas 4 min para a captação e
inserção dos dados, seguidos da obtenção do resultado. Portanto, pode-se concluir que
a etapa de cálculos tem uma redução de 53% do tempo desprendido somente utilizando
a planilha de cálculos desenvolvida nesse trabalho.
Este trabalho não aborda os dimensionamentos para alívio de fluidos que
possuam dois estados físicos simultâneos, pois essa técnica de dimensionamento não
está comprovada pela API 520, e o dimensionamento para gases que tenham
comportamento divergente dos gases ideais.
64
7. CONCLUSÃO
Por meio desse estudo, pode-se concluir que o correto dimensionamento das
válvulas de alívio de pressão se faz necessário para a total proteção de um vaso de pressão
da planta produtiva e de toda equipe envolvida em sua operação. Para isso, devem ser
levados em conta todos os cenários de riscos, aos quais o vaso está sujeito, além de ter total
conhecimento das propriedades dos fluidos em questão e da estrutura do sistema
operacional. Isso garante que a vazão mínima de alívio seja estabelecida no momento em
que a pressão de abertura é atingida.
Além disso, torna-se igualmente importante a correta manutenção desse dispositivo
para que nenhuma peça venha a ser danificada e nem a válvula venha a ter sua calibração
invalidada. A falta de manutenção pode gerar um dos fenômenos operacionais,
comprometendo o funcionamento preciso desses dispositivos.
Com tudo, pode-se agregar todas as exigências para dimensionamento de orifício
dessas válvulas em um programa de cálculo para auxilio a estudos e operações industriais.
Com isso, a seleção de válvulas de segurança e/ou alívio se torna muito mais ágil e
simplificada, reduzindo a probabilidade de ocorrência de erro humano nos cálculos e o
tempo que seria desprendido por uma equipe que estaria iniciando os estudos para
adequação dessas válvulas.
Por fim, conclui-se que, com este estudo, o cálculo de adequação de uma válvula de
segurança e/ou alívio se torna mais acessível a instituições de ensino e indústrias. Apesar
de sua extrema importância, este assunto não é tão explorado. Assim, pôde-se obter maior
conhecimento do correto uso desses dispositivos e, consequentemente maior segurança nas
atividades industriais.
65
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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LTDA, Rua João Adolfo, 118 – 5º andar, CEP 01050, São Paulo, SP – Brasil. Impressão
e acabamento : CIA. Lithographica Ypiranga.
AMERICAN PETROL INTITUTE (API) 520. Dimensionamento, Seleção e
Instalação de dispositivos de alívio de pressão em Refinarias (Sizing, Selection, and
Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries), parte 1 – dimensionamento
e seleção (8ª ed.), Sistema Americano de Petróleo (American Petroleum System), 2005.
BRASIL. Ministério do trabalho. Norma regulamentadora N 13 (NR13) Caldeiras,
Vasos de pressão e Tubulações, 1978. Alterado pela Portaria SIT n.º 57, de 19 de
junho de 2008. 17 p.
ÇENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos Fluidos, fundamentos e aplicações,
Yunus A. Çengel, John M. Cimbala, 3.ed, São Paulo: AMGH Editora, 2015
FUNARO, V. M. B. O. ... [et al.], Diretrizes para apresentação de dissertações e teses
da USP: documento eletrônico e impresso Parte I (ABNT)fundamentos e aplicações,
Yunus A. Çengel, John M. Cimbala, Sistema Integrado de bibliotecas da USP: 2.ed, São
Paulo, 2009. 102 p.
GUITERAS, O. H. J. Metodologia de análise global para o desenvolvimento de um
campo de gás natural. Rio de Janeiro: Pontifícia Universidade Católica do Rio de
Janeiro, 2003. 285 p
ISO 4126-10. Dispositivos de Segurança para Proteção Contra Pressão Excessiva e
Dimensionamento de Válvulas de Segurança para Fluxo Bifásico gás/líquido (Safety
devices for protection against excessive pressure and sizing of Safety Valves for
gas/liquid two-phase flow). Berlim: DIN Instituto Alemão de padronização
(Deutsches Institutfür Normung), Beuth Verlag GmbH, 2010
66
MATHIAS, A. C. Válvulas: Industriais, segurança, controle: tipos, seleção,
dimensionamento/ Artur Cardozo Mathias. São Paulo: Artliber Editora, 2008.
SILVA, O. J. L.Válvulas Industriais: Petróleo Brasileiro S.A./ Osmar José Leita da Silva
– Rio de Janeiro: Qualitymark: Petrobras, 2008. 352p.
TELLES, P.C.S. Tubulações industriais – Materiais, Projeto e Desenho, Pedro Carlos
da Silva Telles, 6ª edição, 1986
TOWLER, G. ; SINNOT, R. ; Chemical engineering design – Principles, Practice and
Economics of Plant and Process Design ; 2 edição, 2012.
WOLFGANG, B.; WESTFALL, G. D.; DIAS, H. Física para universitários,
relatividade, oscilações, ondas e calor, New York: AMGH Editora Ltda, 2013.
67
APÊNDICE A
Ferramenta de dimensionamento de orifício de válvula de segurança e/ou alívio para
proteção de vasos de pressão. As etapas para a configuração foram numeradas a seguir:
1) Devem ser declaradas todas as variáveis que participarão dos cálculos, conforme
demonstrado na Figura 16:
Figura 16 – Inserção de variáveis presentes nas fórmulas
Fonte: Elaborada pelo Autor
2) Define-se as equações de A (área de orifício da válvula de alívio de
sobrepressão) para cada estado físico, utilizando as variáveis
Gases/ vapores em fluxo crítico, equação 6 (célula G6):
=((13160*O7)/(O8*O9*O10*O11*O12))*(((O13*O14)/O15)^(0,5))
Gases/ vapores em fluxo Subcrítico, equação 12 (célula G10):
=((17,9*O7)/(O16*O12*O9))*(((O14*O13)/(((O10-O22)*O10*O15)^(0,5))))
68
Vapor superaquecido, equação 16 (célula G14):
=((190,4*O7)/(O10*O9*O11*O12*O17*O18))
Líquido com certificado, equação 18 (célula G18):
=(((11,78*O19)/(O9*O20*O12*O21))*((O23/(O10-O22))^(0,5)))
Líquido sem certificado, equação 24 (célula G24):
=((11,78*O19)/(O9*O20*O12*O21*O25))*((O23/((1,25*O26)-O27))^(0,5))
3) Para evitar disparidade na seleção da fórmula, esse processo está vinculado
automaticamente à seleção do estado físico da amostra em lista suspensa,
ilustrada na Figura 11. A equação que rege essa seleção é:
=SE(I7=A28;G6;SE(I7=A29;G10;SE(I7=A30;G14;SE(I7=A31;G18;SE(I7=A3
2;G24;"")))))
Onde:
I7...Célula da lista suspensa
A28, A29, A30, A31, A32...Células de referência de conteúdo da lista suspensa
da célula I7. Cada uma representando um item da lista.
G6, G10, G14, G18, G24...Células com as fórmulas pertinentes a cada uma das
opções da lista suspensa.
4) Para a opção de “Líquidos com certificação para a válvula” também há a
necessidade de se fazer correções para líquidos viscosos. Portanto, adiciona-se
um campo adicional para essa correção com a fórmula,
=(((11,78*O19)/(O9*O20*O12*G22))*((O23/(O10-O22))^(0,5))), referente à
equação 21, disposto como segue na Figura a seguir:
69
Figura 17 – Campo de resultados com correção para líquidos viscosos
Fonte: Elaborada pelo Autor
5) Por fim, para a seleção dos dados a serem preenchidos em cada caso, faz-se a
formatação condicional das células (para que fiquem brancas quando seu
preenchimento for necessário).
Figura 18 – Formatação condicional para seleção de variáveis necessárias
Fonte: Elaborada pelo Autor
70
A partir dessa etapa, a planilha está pronta para uso e pode-se utilizá-la para
qualquer dimensionamento de orifício de válvulas de alívio abordado por esse
trabalho.