1. O documento descreve uma metodologia para identificar o componente defeituoso (atuador ou válvula) de um sistema de controle de válvula sem parar o processo. 2. A metodologia envolve coletar dados de pressão, torque e ângulo durante o funcionamento e comparar as curvas características do sistema com e sem defeito. 3. A análise das curvas permitiu identificar que o motivo da parada da válvula antes do fim de curso era um defeito no atuador, possibilitando programar a manutenção com

1. 1 Mestre, Engenheiro Mecânico, PETROBRAS
2 Engenheiro de Controle e Automação, PUCPR
3 Doutor, Engenheiro Mecânico, PUCPR
13ª Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos
COTEQ 2015 - 176
AVALIAÇÃO DE INTEGRIDADE DE UMA VÁLVULA E DE UM ATUADOR
HIDRÁULICO
Dinarte Santos 1
, Luis Felipe Silveira Botton 2
Irionson A. Bassani 3
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos
autores.
SINOPSE
As plantas de processo consistem em sistemas retroalimentados interligados, visando manter
as variáveis do processo dentro de uma faixa de operação que garantam a qualidade do
produto final. Para reduzir o efeito de distúrbios, os sensores, os transmissores e os
controladores coletam e processam informações, correlacionando as variáveis medidas com os
valores desejados. O retorno da variável ao valor desejado anterior à ocorrência do distúrbio é
obtido a partir do sinal selecionado pelo controlador, o qual atua em um elemento de controle
final. Válvulas de controle são elementos de controle final que manipulam a vazão de um
fluido para compensar os distúrbios no processo, mantendo as variáveis controladas próximas
ao valor desejado. A válvula borboleta do sistema de controle de um turbo-expansor de CO2
utilizado para geração de energia em uma planta petroquímica não obedecia ao comando,
parando ao se aproximar do fim de curso. Os métodos disponíveis para identificar o motivo da
falha exigiriam a parada do processo. Como o reparo da válvula exige um tempo mais longo
que o reparo do atuador, pretendia-se identificar a priori qual dos componentes do sistema
apresentava defeito. Optou-se então pelo desenvolvimento de uma metodologia que
permitisse, sem parar o processo, a identificação do componente defeituoso e do motivo da
parada antes do fim de curso. A metodologia apresentada baseia-se na análise das curvas
características do sistema, obtidas a partir de registros efetuados das variáveis: de pressão no
atuador hidráulico; de torque no eixo de acionamento da válvula; e de deslocamento angular
na extremidade livre do eixo da válvula. A validação da metodologia adotada foi aplicada a
um sistema semelhante, sem defeito e em funcionamento, o que permitiu a sua aplicação no
sistema real com defeito. As medições efetuadas com um sistema de aquisição e de tratamento
de dados ocorreram na mesma base de tempo, permitindo o traçado das curvas do atuador, da
válvula e do sistema. Tanto o sistema sem defeito quanto o sistema com defeito foram
instrumentados com os sensores de pressão, de torque e de deslocamento angular. A
comparação das curvas características dos sistemas com defeito e sem defeito permitiu
afirmar que o motivo da parada da válvula era devido a uma falha do atuador. A aplicação da
metodologia utilizada possibilitou a identificação do defeito no sistema sem exigir a parada do
processo, e permitiu a programação da manutenção do atuador com redução de tempo de
parada do processo. Ainda, a partir da análise da curva característica do atuador do sistema
sem defeito, a qual apresentou laços de histerese, foi possível efetuar recomendações para a
sua manutenção preventiva.
1323
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2. 2
1. INTRODUÇÃO
A instrumentação das plantas de processo consiste de sistemas de controle em malha fechada,
projetados ara manter as variáveis do processo dentro de uma faixa de operação que garanta a
qualidade do produto final. As válvulas de controle são elementos finais de processos
industriais, consistindo de uma sede e um elemento móvel que controla a vazão de um fluido
(1) (2). O elemento móvel da válvula é acionado pelo atuador, que transfere a força
proveniente uma fonte de energia hidráulica, pneumática, elétrica, ou combinações destas (3).
A manipulação do fluido pela ação da válvula permite compensar os distúrbios no processo e
manter as variáveis controladas próximas do valor desejado. Para reduzir o efeito destes
distúrbios, sensores coletam informações sobre as variáveis do processo, transmissores as
enviam aos controladores que as comparam com o valor desejado, processando-as e gerando
um sinal que atua sobre um elemento de controle final, neste caso uma válvula de controle, de
modo a fazer a variável controlada retornar ao valor desejado anterior à ocorrência do
distúrbio.
Por ser um dispositivo que funciona dinamicamente, uma válvula de controle requer cuidados
especiais de manutenção. A operacionalidade do sistema depende do funcionamento
apropriado da válvula, o que inclui itens como os conversores, atuadores, posicionadores, a
válvula, seus mancais e vedação. A falha de um item prejudica ou impede o controle remoto
do sistema com a precisão desejada (4). Esta é a razão porque os testes das válvulas em
serviço devem avaliar a condição de todos os itens.
A combinação do diagnóstico das válvulas e da manutenção preditiva é recente, sendo
efetuada a partir de informações obtidas por sensores instalados na própria válvula. Os
sensores locais informam sobre as variáveis do processo em tempo real sem a interrupção do
processo, permitindo decisões de manutenção a partir do status operacional. A realização de
testes a distância informa sobre a operacionalidade da válvula, permitindo a realização de
diagnósticos sem a parada do processo. As tradicionais manutenções preventivas e
diagnoses do desempenho, estas baseadas na análise de dados armazenados no passado, são
preteridas.
A diagnose de válvulas é efetuada com a utilização de diversos métodos (5). Um conjunto de
normas prescreve métodos de avaliação de desempenho de posicionadores, procedimentos
para a medida da resposta de válvulas a excitações de entrada e orientam na aquisição de
dados e nos relatos para a diagnose. Os métodos e testes prescritos possibilitam a
determinação, por exemplo, da histerese, da banda morta, da repetibilidade e da linearidade, a
partir do que se infere sobre o desempenho da válvula; mas não informam de modo claro a
relação entre a diagnose e a manutenção preditiva (6) (7) (8) (9) (10).
Sendo elementos mecânicos, as válvulas exibem várias não-linearidades, que aumentam com
o uso e o consequente desgaste de elementos que as compõem. A presença das não-
linearidades é determinada a partir do desempenho do controle retroalimentado. Para
quantificar a não-linearidade é necessário impor excursões à válvula e medir a posição real do
elemento móvel de fechamento/abertura da válvula. A posição real do elemento móvel em
função do sinal de controle permite revelar a natureza e severidade da não-linearidade (11).
1324
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3. 3
Uma categoria de testes efetuados em válvulas são os de assinatura, muito uteis para o
diagnóstico preditivo (12). Para a obtenção da assinatura de uma válvula é necessário enviar
repetidamente diversos sinais à válvula e capturar a resposta deste sinal. Para a determinação
das curvas de assinatura são necessários os dados enviados pelos posicionadores ou obtidos
com um sistema de medição portátil. A determinação da curva de assinatura é um método de
análise não intrusiva, aplicável tanto às válvulas tradicionais quanto às inteligentes.
O teste de assinatura pode ser efetuado com a válvula em uma bancada ou em operação no
processo. No primeiro caso, a excursão da válvula é completa; no segundo caso, uma
excursão completa implicaria em um prejuízo ao processo, equipamento ou operadores.
Excursões incompletas fornecem assinaturas limitadas que podem conter as informações
necessárias, especialmente se as assinaturas são obtidas com regulagens próximas ao final de
curso.
A obtenção dos dados ocorre capturando-se a informação da posição do comando, do
deslocamento da válvula e da pressão do atuador durante excursões da válvula em
determinados intervalos. São efetuados quatro tipos de assinatura para as válvulas, todas elas
detecções da resposta da válvula a excitações do tipo degrau, tipo rampa, ou ainda excursões
parciais suficientes para mover a válvula.
A análise dos sinais em forma de curva de assinatura informa se a válvula opera corretamente
ou não, verificando-se as modificações nas características de controle da válvula. As análises
podem ser independentes para cada parte do sistema, ou combinadas entre si. O intervalo de
tempo pode ser estipulado, observando-se o uso da mesma base de tempo quando existe a
combinação de dados.
A interpretação de uma curva de assinatura permite diagnósticos conclusivos ou a indicação
de um problema, mas não fornece informações detalhadas. Uma excursão completa de uma
válvula informa sobre a calibração do atuador, ou auxilia na localização de não-
estanqueidade, ou ainda informa sobre o desgaste de vedações e ajustes. A análise de um
determinado intervalo de excursão permite inferir, por exemplo, se no assentamento houve
anomalias ou modificações decorrentes de desgaste; ou se existe um intervalo de excursão no
qual uma reversão não é percebida pelo sinal de saída (banda morta) (13); ou se o fim de
curso foi alcançado, o que implica em um sinal cuja taxa de variação é elevada; ou se existe
alguma conexão mecânica solta ou quebrada, o que é detectado em função de uma
descontinuidade de movimento ao se efetuar uma mudança de direção do movimento da
válvula. Sistemas com controle que possibilitam pequenas excursões da válvula permitem
que os dados sejam correlacionados com o sinal de controle recebido pela válvula. Se a
precisão é suficiente quantifica-se a magnitude de problemas como aderências ou retardos.
A ABNT regulamenta os requisitos de projeto e ensaio de protótipos de válvulas industriais,
especificando o procedimento e os critérios de aceitação para obtenção da assinatura de torque
de acionamento em válvulas (14). Os procedimentos têm como objetivo avaliar o desempenho
de acionamento, verificando se os torques de acionamento estão de acordo com os previstos
em normas e nas especificações de projeto, realizando ensaios funcionais em baixa, média e
elevadas pressões. A norma orienta para a verificação dos critérios de aceitação dos requisitos
exigidos para o projeto e para o ensaio de protótipo, mas não faz referência à diagnose e à
manutenção de válvulas em funcionamento.
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4. 4
A análise das informações do diagnóstico de válvulas, ou seja, a interpretação dos resultados
de testes em forma de curvas de assinatura requer o desenvolvimento de métodos e de normas
que regulem os requisitos para as válvulas em funcionamento. Como uma válvula funciona
interligada ao sistema onde ela se insere, a otimização do processo deve ser efetuada
observando-se os sinais do sistema como um conjunto completo, seja ele retroalimentado ou
aberto.
Este trabalho verifica a aplicação de uma metodologia de identificação de causa de falha sem
a parada do processo em uma válvula de controle. A aplicação da metodologia proposta é
efetuada em uma válvula borboleta que regula a vazão de gás CO2 que apresenta uma parada
antes de atingir o fim de curso. A válvula opera em uma instalação petroquímica, regulando o
gás CO2 que alimenta um turbo expansor utilizado na geração de energia elétrica. Espera-se
que a aplicação da metodologia permita detectar e informar se a falha ocorre na válvula ou no
atuador, possibilitando desta forma a programação da manutenção e a decorrente diminuição
do tempo de parada do processo. O objetivo é aplicar a metodologia e verificar se ela permite
efetuar o diagnóstico do motivo que leva à parada da válvula antes dela atingir seu fim de
curso, efetuando-se a análise das curvas de assinatura obtidas com os dados das variáveis
pressão no atuador, torque no atuador e válvula e posição angular da válvula.
2. ANÁLISE DO SISTEMA E METODOLOGIAADOTADA
A Figura 1(a) representa o sistema a ser analisado. O atuador hidráulico (à esquerda) converte
a pressão p no torque τ no atuador, utilizado para posicionar o eixo da válvula borboleta. A
posição da válvula é representada pelo deslocamento angular θ do eixo. A figura 1(b) mostra a
função de transferência do sistema, informando a transdução do sinal.
A curva característica do atuador hidráulico é traçada a partir do registro da pressão p na sua
entrada e do torque τ na extremidade acionada do eixo da válvula, Figura 1(c1). A curva
característica da válvula é obtida a partir do registro do torque τ na extremidade acionada e do
ângulo θ na extremidade livre do eixo da válvula borboleta, Figura 1(c3). A Figura 1(c2)
representa o sinal que passa no eixo da válvula, comum à saída do atuador e à entrada da
válvula, e registra o torque existente neste eixo durante as excursões. As linhas pontilhadas
em Figura 1(c1) e Figura 1(c3) representam falhas do atuador e da válvula; as linhas cheias
correspondem à operação normal. Pressão elevada na entrada e torque baixo na saída do
atuador indica que o atuador não está acionando a válvula. Acréscimo de torque na
extremidade acionada sem a variação simultânea da posição angular na extremidade livre do
eixo da válvula indica que a borboleta encontrou um limitador de curso.
A premissa adotada para o desenvolvimento deste trabalho é que, a partir do conhecimento
das variáveis p, τ, θ, é possível inferir a integridade dos componentes do sistema em operação
a partir do traçado das curvas característica do sistema e de seus componentes: o atuador
hidráulico e a válvula borboleta. A curva característica do sistema ou, a assinatura da válvula,
é obtida a partir dos dados da pressão p na entrada do atuador e da posição angular θ da
válvula borboleta na extremidade livre do eixo. Em suma, a metodologia pressupõe que:
conhecendo-se a pressão p na entrada do atuador hidráulico e o torque τ no eixo da
válvula borboleta, pode-se inferir sobre a integridade do atuador hidráulico em operação;
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5. 5
conhecendo-se o torque τ na extremidade do eixo da válvula borboleta ligada ao atuador
e o ângulo θ na extremidade livre do mesmo eixo, pode-se inferir sobre a integridade da
válvula borboleta em operação.
Conforme a Figura 1 (a), o sistema analisado compõe-se de um atuador hidráulico (à
esquerda) que converte a pressão p no torque τ no atuador, utilizado para posicionar o eixo da
válvula borboleta. A posição da válvula é representada pelo deslocamento angular θ do eixo.
A figura 1 (b) mostra a transdução do sinal nos componentes atuador, eixo na entrada da
válvula e eixo na saída da válvula. A Figura1 (c1) representa o registro da pressão p na
entrada do atuador e do torque τ na extremidade acionada do eixo da válvula permite traçar a
curva característica do atuador hidráulico. A Figura 1(c2) descreve o sinal que passa no eixo
da válvula, comum à saída do atuador e à entrada da válvula, e registra o torque existente
neste eixo durante as excursões. Na Figura 1 (c3) está representada a curva característica da
válvula obtida a partir do registro do torque τ na extremidade acionada e do ângulo θ na
extremidade livre do eixo da válvula borboleta. As linhas cheias correspondem à operação
normal; as linhas pontilhadas à falha do atuador e da válvula.
(a)
(b)
(c1) (c2) (c3)
Figura 1 Representação do sistema válvula de controle (a), sua função de transferência (b)
e as curvas características dos componentes (c).
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
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6. 6
3.1 Descrição do sistema
O sistema onde se aplica a metodologia é um turbo-expansor de CO2 que reaproveita parte da
energia dos gases resultantes de um processo químico, acionando um gerador de energia
elétrica. Uma válvula controla a velocidade de rotação do expansor (Sistema A), enquanto
outra controla a pressão do reator (Sistema C). O sistema de controle do expansor consiste de
uma válvula borboleta localizada no interior da tubulação de CO2, Figura 2(a), e pelo atuador
hidráulico, localizado na extremidade direita da Figura 2 (b). A temperatura de operação do
fluido no interior do tubo onde está a válvula borboleta oscila no entorno de 700 ºC, enquanto
a temperatura do eixo que conecta o atuador hidráulico à válvula borboleta é 23 ºC, e a
temperatura ambiente 4 ºC.
(a) (b)
Figura 2 Vista geral do sistema de controle do turbo-expansor de CO2, composto por (a)
uma válvula borboleta localizada no interior da tubulação de CO2, operando no
entorno de 700 ºC, e por (b) um atuador hidráulico, localizado na extremidade
direita da figura.
A validação de resultados é obtida a partir da comparação de dados obtidos em duas válvulas
de controle: a do Sistema A sem defeito, e a do Sistema C que apresenta defeito. A válvula
do Sistema A controla a velocidade de rotação do expansor e não apresenta defeito. Ela
permite que o expansor permaneça girando com uma rotação mínima para evitar gradientes
térmicos. O escoamento de CO2 nesta válvula é devido ao seu fechamento incompleto,
necessário para manter o sistema aquecido. A válvula do Sistema C controla a pressão do
reator. As duas válvulas fazem parte do sistema de controle, mas quando o expansor está
operando o normal é a válvula C ficar quase totalmente fechada. Se a válvula C não fechar, o
gás é desviado do expansor diretamente para a chaminé.
Uma vista em corte do sistema real composto pela válvula borboleta e pelo atuador hidráulico
está representada na Figura 3.
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7. 7
Figura 3 Vista em corte do sistema de controle composto por atuador hidráulico e válvula
borboleta.
3.2 Descrição experimental
As curvas características do sistema com e sem defeito devem ser obtidas para a validação da
metodologia. Em acordo com a metodologia, os sensores devem medir as variáveis pressão p
no atuador hidráulico, torque τ na extremidade acionada do eixo da válvula e ângulo θ na
extremidade livre do eixo da válvula.
O sistema de instrumentação composto demandou: (a) a escolha de sensores que não
acarretassem a parada do processo, a escolha de um sistema de aquisição de dados que não
sofressem interferências de campos eletromagnéticos, chuva, temperatura ambiente e da
vibração dos equipamentos onde seus componentes serão fixados; (b) o tratamento de dados
para permitir o traçado das curvas características do atuador e da válvula; (c) a análise dos
dados adquiridos para identificar o componente defeituoso do sistema.
Os sensores escolhidos foram conectados a um sistema de aquisição, registro de dados e de
tratamento de dados que tolera interferências devidas ao meio e às intempéries no local de
medição. O registro das medições das variáveis ocorreu na mesma base de tempo, permitindo
assim o traçado das curvas características do atuador, da válvula e do sistema.
Segue a descrição detalhada dos sensores utilizados, da aplicação dos Extensômetros de
Resistência elétrica e do Sistema de Medição de dados usados.
Sensor de pressão
A pressão p foi medida por um sensor à base de extensômetros de resistência elétrica,
projetado para a medição de pressões estáticas e dinâmicas em gases e líquidos, Figura 4 (a).
A tomada de pressão do sensor foi conectada à linha de óleo de acionamento do atuador
hidráulico, no lugar de um manômetro convencional tipo Bourdon existente no manifold,
Figura 4 (b) e Figura 4 (c). Sua instalação não exigiu a parada do processo, devido à
existência de válvula de bloqueio. As especificações do sensor de pressão utilizado são: marca
HBM, código P6A, capacidade 200 bar, sensibilidade 2 mV/V, tolerância < 0,2 %,
1329
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8. 8
repetibilidade < 0,05 % cf. DIN 1319, freqüência natural 65 kHz, temperatura de operação de
-10°C até 80°C, classe de proteção IP67 cf. EN 60 529.
(a) (b) (c)
Figura 4 Para medir a pressão p foi instalado (a) um sensor de pressão (b) na linha de
acionamento do atuador hidráulico (c) no lugar de um manômetro existente no
manifold, não exigindo a parada do processo.
Sensor de posição angular
O ângulo θ na extremidade livre do eixo da válvula foi medido por um sensor de posição
angular (encoder) opto-eletrônico incremental, Figura 5 (a). Este sensor foi montado sobre um
dispositivo com rigidez adequada, Figura 5 (b), permitindo seu alinhamento longitudinal e
angular com o eixo da válvula. O dispositivo foi fixado ao corpo da válvula, para medir o
deslocamento angular entre o seu eixo e o corpo, Figura 5(c). A instalação do encoder não
exigiu a parada do processo. Os dados do sensor de deslocamento angular utilizado são:
marca Veeder-Root, tipo incremental, código ENCODER B58N, resolução de 1 a 3600 PPR,
resposta em freqüência 125 kHz, temperatura de operação de 0°C até 80°C, classe de proteção
IP65 cf. EN 60 529.
(a) (b) (c)
Figura 5 Para medir o ângulo θ foi utilizado (a) um sensor angular do tipo encoder
incremental, (b) fixado ao corpo da válvula e (c) um dispositivo com rigidez
adequada para permitir o alinhamento longitudinal e angular.
Sensor de torque
Para medir o torque τ de acionamento da válvula foi efetuada uma análise de deformações,
inferindo o torque a partir da deformação de extensômetros de resistência elétrica (15) (16).
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9. 9
Estes foram colados ao eixo de acionamento da válvula, evitando a parada do processo que
seria necessária para posicionar um torquímetro entre a válvula e o atuador, Figura 6. As
especificações dos extensômetros de resistência utilizados são: marca HBM, tipo 6/120LY11,
extensômetro linear, lote de fabricação 803991/00, resistência elétrica R = 120 Ω ± 0,35 %,
fator gage K = 2,05 ± 1 %, compensação de temperatura para o aço = 10,8x10-6
C-1
.
(a) (b) (c)
Figura 6 Para medir o torque τ (a) no eixo acionado da válvula (b) com diâmetro de 193
mm (c) foram utilizados Extensômetros de Resistência Elétrica colados à
superfície do eixo, e ligados em ponte de Wheatstone.
3.3 Procedimento de aplicação dos Extensômetros de Resistência Elétrica
As superfícies foram adequadamente preparadas para a colagem dos extensômetros de
resistência elétrica (17) Dois extensômetros de resistência elétrica foram colados a 45º em
relação à linha longitudinal do eixo da válvula. Os terminais dos extensômetros foram ligados
a um circuito de quarto de ponte de Wheatstone de forma a completar a ponte com a técnica
de três fios, utilizando cabos blindados para a alimentação da ponte e a coleta do sinal.
3.4 Sistema de Medição de dados
Os sensores foram ligados a um Sistema de Aquisição de Dados da marca HBM, Hottinger-
Baldwin Messtechnik. Para evitar interferências eletromagnéticas e de radiação térmica da
linha de CO2, foram utilizados cabos blindados e envoltos por folhas de alumínio. O sistema
de medição instalado pode ser visto na Figura 7, e consiste de: sensores de pressão, posição
angular e torque, não aparentes na foto; cabeamento blindado; sistema de aquisição de dados,
protegido das intempéries por uma folha de plástico.
O Sistema de Aquisição de Dados consiste de um sistema amplificador universal Quantum
MX840, gerenciado pelo programa Catman que possibilita o armazenamento e o tratamento
dos dados. O programa Catman permitiu adquirir os dados de 3 canais efetuando a
configuração, o zeramento inicial e a monitoração dos sinais durante e o armazenamento dos
sinais após a medição dos dados dos sensores. Algumas especificações relevantes do Sistema
de Aquisição de Dados são: taxa de aquisição de dados de 19,2 kHz por canal, fornecimento
de tensão de 5 a 24 VDC para transdutores, conversor de 24 bit A/D por canal para medições
paralelas e síncronas.
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10. 10
Figura 7 Sistema de medição de dados.
4. RESULTADOS E ANÁLISE EXPERIMENTAL
Foram efetuados ensaios em dois sistemas de controle: no Sistema A, cuja válvula controla a
velocidade de rotação do expansor e não apresenta falhas; e no Sistema C, cuja válvula está
conectada ao processo, controlando a pressão do reator, e apresenta falha.
4.1 Teste efetuado no sistema A – sem escoamento na tubulação
Para medir as variáveis no sistema A, foi efetuado um curso de fechamento e abertura
completa da válvula, com uma excursão de 0 a 90º na posição angular de seu eixo. A pressão
foi oscilada propositalmente durante a medição. O procedimento adotado foi: a operação do
sistema foi realizada manualmente pelos operadores, no próprio local do sistema; os
extensômetros para a aquisição do torque foram colados no eixo não sujeito ao torque (existia
apenas um escoamento residual de CO2 devido à não estanqueidade da válvula); a posição
inicial da borboleta da válvula era totalmente fechada; à excursão total efetuada pela borboleta
correspondeu um deslocamento de 88,2º; o sensor de pressão foi montado na linha
despressurizada; as leituras iniciais nos sensores foram: torque -24 μm/m, ângulo 19,3º,
pressão -0,89 bar, indicador de posição da válvula 16%; foi direcionado o óleo no sentido de
abertura da borboleta; o sensor angular excursionou desde o valor inicial 19,3º até o valor
final -44,9º, perfazendo 64,2º; ao perceber a pressão do processo exceder o valor de operação
de 60 bar, o operador acionou o comando de abertura da válvula; a oscilação de pressão
intermediária foi ocasionada propositalmente pelos operadores; em seguida, foi orientado para
efetuar o fechamento, com a pressão subindo até atingir o valor de 148, 7 bar; houve o retorno
da válvula até o fechamento total, correspondente à condição descrita acima (posição inicial
com 16º, correspondente ao valor lido no sensor angular de 19,3º); ao final do ensaio, a
válvula ficou totalmente fechada e a pressão no atuador foi zerada através de um by-pass; ao
retirar a pressão o valor lido no sensor angular foi de 19,3º.
O registro efetuado pelos sensores nos três canais do Sistema de Aquisição de Dados está
mostrado na Figura 8. As unidades utilizadas são [bar] para a pressão na entrada da tubulação
no atuador mecânico-hidráulico, [μm/m] para a deformação devida ao torque na extremidade
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11. 11
acionada do eixo da válvula borboleta e [ O
] para o ângulo na extremidade livre do eixo da
válvula borboleta.
Figura 8 Registro do teste no Sistema A. De cima para baixo: pressão em [bar] na linha de
acionamento do atuador hidráulico; deformação em [μm/m] devida ao torque na
extremidade acionada do eixo da válvula borboleta; ângulo em [O
] (grau) na
extremidade livre do eixo da válvula borboleta.
Da Figura 8 pode-se observar que: a pressão no atuador (sentido de fechamento) é aumentada
até atingir o valor máximo de 148,7 bar; o eixo da válvula excursiona 64,2º e a válvula atinge
a condição de fechamento total: a pressão atinge o valor máximo, ouve-se a batida da
borboleta no batente, o eixo da válvula pára de se mover; o torque aumenta significativamente
a partir do momento em que a borboleta da válvula encosta no batente; a partir do encosto da
borboleta no batente, a posição angular do eixo permanece constante.
A pressão no atuador é aumentada até atingir o valor máximo de 148,7 bar. A variação de
pressão intermediária foi ocasionada propositalmente. O eixo da válvula excursiona 64,2º e
então a borboleta atinge o batente, o que é confirmado auditiva e visualmente pela observação
da posição do ponteiro sobre a escala mecânica. O torque aumenta significativamente a partir
do momento em que a borboleta da válvula encosta no batente. A partir daí, a posição angular
permanece constante.
A análise da Figura 8 permite concluir que: a partir do momento em que a borboleta atinge o
batente e pára de girar, há acréscimo significativo do torque, infere-se que o motivo da parada
da válvula é um obstáculo mecânico; a partir do cálculo do torque no eixo efetuado a partir
das deformações dos extensômetros, infere-se que o torque no eixo da válvula em função da
pressão de acionamento do atuador hidráulico é da mesma ordem de grandeza que o indicado
pelo fabricante; o torque no eixo de saída do atuador é suficiente para fechar a borboleta da
válvula.
A curva característica do atuador hidráulico do Sistema A foi traçada a partir dos dados de
pressão e de torque, conforme mostra a Figura 9. Analisando a curva, pode-se concluir que
existe uma relação linear entre a pressão de acionamento e o torque no eixo de saída, de
acordo com as características construtivas do atuador. Os fortes laços de histerese
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12. 12
apresentados durante a excursão da pressão indicam a ocorrência de atrito de Coulomb em
alguma peça do atuador.
Figura 9 Curva característica do atuador hidráulico do Sistema A.
A curva característica da válvula borboleta do Sistema A foi traçada a partir dos dados de
deslocamento angular e de torque, conforme mostra a Figura 10. A excursão do deslocamento
angular ocorreu com a formação de um laço de histerese, devido ao atrito de Coulomb no eixo
da válvula. O torque do atuador é suficiente para fechar a válvula. O torque de acionamento
aumenta rapidamente a partir do contato entre a borboleta da válvula e o batente, de acordo
com o esperado e com a característica construtiva do sistema.
Figura 10 Curva característica da válvula borboleta do Sistema A.
A curva característica do Sistema A foi traçada a partir dos dados de ângulo e de pressão
medidos, conforme mostra a Figura 11. Ocorrem laços de histerese ao longo de todo o
percurso, mais acentuados próximo às posições totalmente aberta e totalmente fechada da
válvula. Os laços são devidos ao atrito de Coulomb, decorrente do movimento relativo entre
os eixos e mancais da válvula e do atuador hidráulico. A pressão aumenta rapidamente quando
a borboleta toca no batente da válvula.
1334
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13. 13
Figura 11 Curva característica do Sistema A.
4.2 Teste efetuado no sistema C - com escoamento na tubulação
Para medir as variáveis no Sistema C sem parar o processo ou perder seu controle, foram
efetuados dois cursos sequenciais de fechamento da válvula. O procedimento foi: a operação
do sistema foi realizada remotamente pelos operadores na sala de comando; os sinais dos
extensômetros de resistência elétrica e do sensor angular foram zerados no início da medição;
o sensor de pressão foi montado com a linha pressurizada; visando o fechamento da válvula, e
a pedido da equipe de medição, o operador responsável pela casa de controle permitiu o início
da redução da carga e da temperatura do processo para reduzir a pressão no reator; a posição
inicial da válvula era de 33% de abertura, correspondente ao valor zero registrado pelo sensor
angular; decorridos 2350 s (39 minutos) do início do ensaio, foi atingida uma posição a partir
da qual a válvula não se moveu mais, embora a pressão na linha de acionamento do atuador
no sentido de fechar a válvula estivesse no valor máximo de 148,7 bar e a pressão na linha de
abertura fosse igual a zero bar; ou seja, esta é a situação em que a válvula emperra; como a
válvula não continuava a fechar, e visando não perder o controle da operação, um comando de
abertura da válvula foi enviado da sala de controle; após algum tempo, a equipe de medição
solicitou que a sala de controle repetisse o procedimento; novamente a pressão na linha de
acionamento do atuador no sentido de fechamento atingiu o valor máximo de 148,7 bar,
enquanto a pressão na linha no sentido de abertura da válvula era de zero bar (a posição da
válvula não se alterou); a posição final atingida pela válvula foi 25,4% de abertura,
correspondente ao valor 6º no sensor de posição angular (90º equivalem a 100% de abertura).
O registro efetuado pelos sensores nos três canais do Sistema de Aquisição de Dados está
mostrado na Figura 12. As unidades utilizadas são [bar] para a pressão na entrada da
tubulação no atuador mecânico-hidráulico, [μm/m] para a deformação devida ao torque no
eixo de entrada da válvula borboleta e [ O
] para o ângulo na saída do eixo da válvula
borboleta. Da Figura 12 pode-se observar que: a pressão na linha de acionamento do atuador
(sentido de fechamento) é aumentada até atingir o valor máximo de 148,7 bar; o eixo da
válvula gira 6º a partir do ponto de operação e não atinge a condição de fechamento total, ou
seja, a válvula não atinge o batente; o envelope do torque não se altera significativamente ao
longo da excursão angular da válvula, à medida que a borboleta da válvula é fechada; durante
2349 s diversos comandos de pressão no atuador ocasionam o giro de 6º do eixo da válvula
(nos tempos 2350 s e 2620 s a pressão no atuador no sentido de fechamento é aumentada até
atingir o valor máximo de 148,7 bar) (a válvula permanece a 6º e não atinge a condição de
fechamento total, não respondendo ao comando).
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14. 14
Figura 12 Registro do teste no Sistema C. De cima para baixo: pressão em [bar] na linha de
acionamento do atuador hidráulico; deformação em [μm/m] devida ao torque na
extremidade acionada do eixo da válvula borboleta; ângulo em [O
] (grau) na
extremidade livre do eixo da válvula borboleta.
A análise da Figura 12 permite concluir que: como a borboleta não atinge o batente e não há
acréscimo significativo do torque a partir do momento em que a borboleta da válvula pára de
girar, inferir que o motivo da parada da válvula não é um obstáculo mecânico; a partir do
cálculo do torque efetuado a partir das deformações do eixo e de sua comparação com o
torque nominal da válvula, especificado pelo fabricante, concluir que o torque no eixo da
válvula é uma ordem de grandeza menor do que o esperado para uma determinada pressão na
linha de acionamento do atuador; conclui-se que o torque no eixo do atuador não é suficiente
para fechar a válvula.
A curva característica do atuador hidráulico do Sistema C foi traçada a partir dos dados de
pressão e de torque adquiridos, conforme mostra a Figura 13. Analisando esta curva pode-se
concluir que existe uma relação linear entre pressão de acionamento e torque no eixo do
atuador, com declividade menor do que a esperada por suas características construtivas. A
curva característica do atuador do Sistema A não foi repetida. Para a mesma pressão de
acionamento, o torque do atuador do Sistema C é menor que o do atuador do Sistema A em
bom estado.
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15. 15
Figura 13 Curva característica do atuador hidráulico do Sistema C.
A curva característica da válvula do Sistema C foi traçada a partir dos dados de deslocamento
angular e de torque medidos, conforme mostra a Figura 14. A pequena excursão da posição
angular não permite traçar a curva característica da válvula em toda sua extensão. Como não
existe acréscimo considerável de torque em região alguma do experimento, pode-se inferir
que não existe obstáculo mecânico impedindo a movimentação da borboleta da válvula. Isto
confirma que o torque no eixo de saída do atuador não é suficiente para fechar a válvula.
(a) (b)
Figura 14 Curva característica da válvula borboleta do Sistema C. Em (b) a excursão das
variáveis não vai de 0 a 1 porque a válvula atinge o final de curso.
A curva característica do Sistema C foi traçada a partir dos dados de deslocamento angular e
de pressão adquiridos, conforme mostra a Figura 15. A pequena excursão da posição angular
dos eixos da válvula e do atuador não permite traçar a curva característica do sistema em toda
sua extensão. Como a pressão não aumenta rapidamente em função do deslocamento angular
em região alguma do experimento, mesmo com a pressão excursionando entre os limites de
seu intervalo, não existe influência da posição angular da válvula sobre a pressão na linha de
acionamento do atuador. Desta forma, o sistema de controle compensa a falta de ganho do
atuador com uma maior excursão da sua pressão de acionamento.
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16. 16
(a) (b)
Figura 15 Curva característica do Sistema C. Em (b) a excursão das variáveis não vai de 0 a
1 porque a válvula atinge o final de curso.
5. Avaliação dos resultados
Da análise dos resultados e do objetivo geral proposto pode-se afirmar que:
1. A identificação da falha no Sistema C foi efetuada sem parar o processo.
2. A comparação das curvas características do Sistema C com defeito com as do Sistema
A sem defeito permite afirmar que a causa da parada da válvula borboleta antes de
atingir o fim de curso é uma falha no atuador.
3. Desta forma, concluiu-se que deveria ser efetuada manutenção no atuador do Sistema
C.
4. Como a curva característica do atuador do Sistema A apresentava fortes laços de
histerese, foi sugerida sua manutenção preventiva. Quando esta foi efetuada, verificou-
se que a causa da histerese era o desgaste nas buchas, que foi corrigido por sua
substituição.
Quanto aos objetivos específicos propostos pode-se afirmar que:
1. A instrumentação utilizada mostrou-se adequada. Os sensores foram instalados sem
exigir ou provocar a parada do processo. As medições simultâneas da pressão na linha
do atuador, do torque no eixo e da posição angular do eixo da válvula apresentaram
pouco ruído e interferências.
2. O método de medição adotado mostrou-se efetivo para a determinação das curvas
características. As medidas da pressão na linha de acionamento do atuador hidráulico e
do torque no eixo da válvula permitiram o traçado da curva característica do atuador. As
medidas do torque na entrada e do ângulo na saída do eixo permitiram traçar a curva
característica da válvula. A partir dos dados de pressão na linha de acionamento do
atuador hidráulico e do ângulo na extremidade livre do eixo da válvula, foi traçada a
curva característica do sistema.
3. A análise das curvas características permitiu concluir sobre o funcionamento do atuador,
da válvula borboleta e do sistema como um todo quando em serviço.
4. O método de medição foi validado no sistema A que não apresentava falhas. O
levantamento das curvas características do atuador, da válvula e do sistema sem defeito
permitiu validar o método adotado para a medição. Isto significa que o método pode ser
utilizado em futuras medições para determinar períodos de manutenção preventiva ou a
necessidade de manutenção corretiva.
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17. 17
5. As curvas características oferecem informação sobre atritos internos ao sistema e
permitem inferir a necessidade ou não de efetuar sua manutenção. O método de
medição adotado e a análise das curvas características dos sistemas com e sem falhas
permitiu verificar fortes laços de histerese nas curvas características, indicando a
ocorrência de atrito de Coulomb.
6. Conclusões
De uma forma geral a metodologia sugerida e empregada mostrou-se adequada. Foi efetuada
uma análise comparativa entre os resultados dos ensaios efetuados nos dois sistemas, cada
um composto por um atuador hidráulico e uma válvula borboleta: no Sistema A que não
apresenta defeito e não está conectado ao processo, operando em stand-by; e no Sistema C,
que apresenta falha e está conectado ao processo. Dos resultados analisados foi possível
efetuar-se o diagnóstico a partir das curvas características das válvulas investigadas; das suas
assinaturas. As curvas mostraram as falhas e a manutenção foi efetuada com base nestas
informações, mostrando a sua validade.
Da avaliação e análise dos resultados obtidos pode-se afirmar:
1. A identificação do defeito no Sistema C foi efetuada sem exigir a parada do processo.
2. A comparação das curvas características do Sistema C defeituoso com as do Sistema A
sem defeito permitiu afirmar que o motivo da parada da válvula borboleta antes de
atingir o fim de curso era uma falha do atuador. Desta forma, deveria ser efetuada
manutenção no atuador do Sistema C.
3. Como a curva característica do atuador do Sistema A apresentava fortes laços de
histerese, sugeriu-se a sua manutenção preventiva.
4. A instrumentação utilizada mostrou-se adequada. Os sensores foram instalados sem
exigir a parada do processo; as medições simultâneas da pressão na linha do atuador, do
torque e da posição no eixo da válvula apresentaram pouco ruído e interferências.
5. O método de medição adotado mostrou-se efetivo para determinação das curvas
características. As medidas da pressão na entrada do atuador hidráulico e do torque de
acionamento da válvula permitiram traçar a curva característica do atuador. As medidas
do torque de acionamento e do deslocamento angular na extremidade livre do eixo da
válvula permitiram traçar sua curva característica. As medidas de pressão na entrada do
atuador hidráulico e do deslocamento angular na extremidade livre do eixo da válvula
borboleta permitiram traçar a curva característica do sistema.
6. A análise das curvas características permitiu concluir sobre o funcionamento do atuador,
da válvula borboleta e do sistema como um todo quando em serviço.
7. O método de medição foi validado em um sistema que não apresenta defeito: o sistema
A. O levantamento das curvas características do atuador, da válvula e do sistema sem
defeito permitiu validar o método.
8. As curvas características oferecem informação sobre atritos internos ao sistema e
permitem inferir a necessidade ou não de manutenção. A partir da análise das curvas
características dos sistemas com e sem defeito foi possível verificar a existência de
fortes laços de histerese nas curvas características do atuador do sistema A. Laços de
histerese indicam a ocorrência de atrito de Coulomb.
7. Sugestões para a continuidade do trabalho
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Como continuidade do trabalho, os autores esperam realizar a simulação de diferentes
defeitos e consequentes falhas, correlacionando-as com a “aparência” das curvas. Os dados
compilados devem interconectar os temas “defeito na válvula + assinatura da válvula +
diagnóstico de falhas + manutenção preditiva”.
8. Bibliografia
(1) ANSI/ISA-S75.05-1983, “Control Valve Terminology”, (1983).
(2) ANSI/ISA-S51.1-1979 (Reaffirmed 1993), “Process Instrumentation Terminology”,
(1993).
(3) ANSI/ISA-75.25.01-2000, “Test Procedure for Control Valve Response Measurement
from Step Inputs”, (2000).
(4) Lipták, Béla G., “Instrument Engineers’ Handbook – Process Control Volume II”,
Third Edition, Boca Raton, FL, CRC Press, 1999.
(5) Miller, L., “Valve Diagnostics Past, Present, and Future. Fluid Handling Systems”,
(Nov) 2002.
(6) ANSI/ISA-S75.13, “Method of Evaluating Performance of Positioners with Analog
Input Signals and Pneumatic Output”.
(7) ANSI/ISA-75.25.01-2000, “Test Procedure for Control Valve Response Measurement
from Step Inputs”, (2000).
(8) ANSI/ISA-TR75.25.02-2000, “Control Valve Response Measurement from Step
Inputs”, (2000).”
(9) ANSI/ISA-75.26.01-2006, “Control Valve Diagnostic Data Acquisition and
Reporting”, (2006).
(10) EnTech Control Inc., “Control Valve Dynamic Specification”, Toronto, Canada, 1998.
(11) Smith, Cecil L., “Pratical Process Control: Tuning and Troubleshooting”, John Wiley
& Sons, INC., 2009.
(12) Essam, D., Berry, D., “Final Element Testing A Way Forward”, In: ISA 2002
technology update, volume LVII, Part1, vol.422: 21 - 23, (Oct) 2002. McCormick
Place, Chicago, Illinois, USA / ISA 2002 Instrumentation, Systems, and Automation
Conference and Exhibition. Drallim Industries, Inc., 2002, Vol. 422, p. 579.
(13) ANSI/ISA-S51.1-1979 (Reaffirmed 1993), “Process Instrumentation Terminology”,
(1993).
(14) ABNT NBR 15827, “Válvulas industriais para instalações de exploração, produção,
refino e transporte de produtos de petróleo - Requisitos de projeto e ensaio de
protótipo”, (2011).
(15) Bassani, I. A. “Estudo do Elemento Elástico tipo cruciforme vazado”, Dissertação de
mestrado, PPGEM, UFRGS. Porto Alegre, 1987.
(16) BASSANI, I. A., SANTOS, D. et. al. “Transdutor extensométrico para torques
menores que 10 Nm: análise da função de transferência do elemento elástico”, In: 7º
Seminário de Instrumentação - Instituto Brasileiro do Petróleo, Rio de Janeiro, RJ,
Brasil, 1987. Anais do 7º Seminário de Instrumentação, Instituto Brasileiro do
Petróleo, 1987, v. 1. p. 131-147.
(17) “Strain Gage Selection: Criteria, Procedures, Recommendations”. Tech-note TN 505-
4, Document Number: 11055. Micro-Measurements Group. 2014. Disponível em:
www.micro-measurements.com. Consulta: Março 2015.
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Agradecimentos
Os autores agradecem aos membros dos grupos de manutenção e da sala de comando da
Refinaria da Petrobras, Canoas-RS, Brasil, pelo incondicional auxílio nas atividades
desenvolvidas. Em especial, agradecemos as orientações do Engenheiro Mecânico,
especializado em manutenção, Heitor Cabral Botelho.
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