Avaliação da degradação de desempenho em Válvulas - vedação e atuação.

1. Avaliação da degradação de desempenho
de válvulas – vedação e atuação.
Professor: Euthymios J. Euthymiou
Aluno: Matrícula
Guilherme Augusto Ribeiro Pereira 112.964.016
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2. Sumário
INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................................3
A- ANÁLISE DE FALHAS EM RELAÇÃO ÀS VEDAÇÕES E ATUAÇÃO ...............................................3
1. VÁLVULAS DE BLOQUEIO .....................................................................................................................3
1.1. Válvula Gaveta .....................................................................................................................................3
1.2. Válvula Macho .....................................................................................................................................3
1.3. Válvulas Esferas ...................................................................................................................................4
2. VÁLVULAS DE REGULAGEM ................................................................................................................4
2.1. Válvula Globo.......................................................................................................................................4
2.2. Válvula Borboletas ...............................................................................................................................4
3. VÁLVULAS DE RETENÇÃO DE FLUXO ...............................................................................................5
B- DEGRADAÇÃO DE DESEMPENHO ........................................................................................................5
4.1. As degradações de desempenho ...........................................................................................................6
5. GRÁFICOS DE ASSINATURA DA VÁLVULA: ..........................................................................................8
CONCLUSÃO ..........................................................................................................................................................9
REFERENCIAS .................................................................................................................................................10
ANEXOS...................................................................................................................................................................11
Anexo A .............................................................................................................................................................12
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3. INTRODUÇÃO
Este trabalho está dividido em duas partes:
Parte “A“: apresenta as falhas em relação às vedações e atuação, para válvulas Gaveta, Retenção,
Esfera, Globo e Borboleta, válvulas abrangidas pela norma ABNT NBR 15827.
Parte “B”: conceituasse degradações de desempenho em relação à vedação/atuação, e é comentado
sobre procedimentos para avaliar o nível de degradação.
A- ANÁLISE DE FALHAS EM RELAÇÃO ÀS VEDAÇÕES E ATUAÇÃO
Esta parte consta de uma compilação das falhas em relação às vedações e atuação que acarretam
degradações de desempenho, baseado no texto [2], integrante no capítulo de referências.
1. VÁLVULAS DE BLOQUEIO
1.1. Válvula Gaveta
a- Vazamento pela gaxeta do corpo
b- Vazamento pela gaxeta da haste
c- Vazamento por outras regiões
d- Vedação insatisfatória
Tipo de falha mais característica em Válvula Gaveta:
- A vedação das válvulas gaveta sempre estará comprometida com deformações da haste.
- A ligação entre a haste e o obturador comumente ocorre por meio de um “rabo de andorinha”, os
esforços que esta ligação sofre podem acaba por danifica-la, criando excesso de folga entre estes
componentes comprometendo a vedação.
1.2. Válvula Macho
a- Vazamento pelo engaxetamento
b- Vazamento de Junta de castelo
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4. c- Dificuldade de Acionamento
d- Baixa estanqueidade
Tipo de falha mais característica em Válvula Macho:
- A vedação das válvulas macho sempre estará comprometida com a deformação da haste gaveta.
1.3. Válvulas Esferas
a- Vazamento pelo engaxetamento
b- Vazamento por Junta das Tampas
Tipo de falha mais característica em Válvula Esfera:
- Quebra de anéis de vedação podem causar a dificuldade de acionamento o que degrada também o
desempenho de atuação.
- A vedação da válvula esfera sempre estará comprometida com a deformação da haste;
2. VÁLVULAS DE REGULAGEM
2.1. Válvula Globo
Tipo de falha mais característica em Válvula Globo:
- Nos casos das válvulas que trabalham muito restringidas costumam apresentar desgaste no obturador
e na sede, comprometendo em médio prazo a qualidade de vedação da válvula.
- A vedação da válvula globo sempre estará comprometida com deformações da haste e os esforços
excessivos e a regulagem incorreta do curso podem comprometer a haste. Que pode empenar e, em
muitos casos, torcer.
2.2. Válvula Borboletas
Tipo de falha mais característica em Válvula Borboleta:
- Os principais problemas de manutenção encontrados neste tipo de válvulas com sede em elastômeros
e disco concêntricos normalmente ocorrem na instalação da válvula na tubulação. Devido sua
construção, a sede em elastômero é macia em relação aos componentes da tubulação e, portanto, se
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5. uma serie de requisitos não forem seguidos problemas podem ocorrer imediatamente após a válvula ser
instalada.
- Os principais sinais de falha são a dificuldade de acionamento, vazamentos pelo engaxetamento,
vazamento por junta de tampa, quebra de caixa redutora do sistema de acionador e perda de
estanqueidade.
- Um dos primeiros elementos a falhar é o limitador de curso. Sem esse dispositivo, o operador perde a
referencia se a válvula borboleta está aberta ou fechada. A abertura ou fechamento parcial da válvula
compromete a vida útil das vedações e consequentemente, da válvula;
- Os próximos componentes comprometidos são a coroa e o sem-fim da caixa de redução;
- A vedação da válvula borboleta sempre estará comprometida com a deformação da haste;
- Válvulas travadas devido ao manuseio errado ou à falta de manutenção costumam criar condições
propicias a acidentes na tentativa de destrava-las.
3. VÁLVULAS DE RETENÇÃO DE FLUXO
Por trata-se de válvulas auto-operáveis a degradação de desempenho por acionamento não é levada em
consideração, já a degradação devido à vedação não é relevante, pois estas válvulas são utilizadas para
impedir o retorno de fluido ou a inversão do escoamento, sem a função de regulagem ou bloqueio.
B- DEGRADAÇÃO DE DESEMPENHO
4. FALHAS: CAUSAS E SINTOMAS.
Este texto é baseado na referência [4] e sugiro que antes de continuar o capitulo consulte-se o anexo A.
Uma resposta inesperada pode acontecer em um dispositivo, essa resposta pode surgir em virtude de
mau funcionamento do dispositivo ou de componentes anexos que afetam diretamente a resposta da
válvula. Essas respostas inesperadas são sintomas de falhas que podem acontecer em qualquer sistema,
manual ou automático.
Algumas falhas têm sua origem em desgastes naturais, que podem se acelerar por falta ou manutenção
incorreta, a esses desgastes chamaremos de degradações de desempenho.
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6. As degradações acontecem principalmente devido ao uso do dispositivo (válvula, atuadores etc),
ocorrem por desgastes mecânicos, por mudanças das características dos lubrificantes, por ação da
natureza, como: oxidações, ressecamentos, entre outras coisas.
4.1. As degradações de desempenho
a) Agarramento (aumento do atrito estático)
Talvez este seja um defeito muito constante e conhecido na área de manutenção em geral. Pode surgir
devido a algum dano nos componentes internos, como: amassados, também devido à falta de
lubrificação correta do dispositivo, a ferrugem, que provoca uma alteração no diâmetro dos
componentes da válvula, ao acumulo de partículas no corpo da válvula, ou coisas do gênero. O
agarramento pode provocar saltos na resposta do dispositivo e dessa forma o controle não será muito
eficiente, pois uma pequena alteração de abertura no comando, pode dar um salto e provocar uma
alteração maior na saída da válvula.
b) Folgas (aumento da Histerese);
Geralmente causadas por desgaste das peças, as folgas podem causar tempos de respostas lentos, e
oscilações excessivas em uma necessidade de fluxo constante.
c) Diminuição: Zona Morta (pressão p/ vencer forças contrárias ao movimento inicial do atuador)
Essa redução acontece basicamente por envelhecimento da mola que atua no atuador, provocando uma
redução da zona morta e uma alteração na inclinação da assinatura da válvula, e por ação da natureza.
As falhas, de forma geral, são sentidas de diferentes maneiras e devem ser detectadas o quanto antes,
para evitar que se agravem causando problemas maiores ou até irreversíveis.
Algumas outras falhas possíveis:
d) Falta pressão no atuador
Pode acontecer da pressão na linha de acionamento do dispositivo não estar adequada ou
suficientemente forte para executar todo percurso da válvula, podendo causar uma limitação quanto à
atuação do dispositivo.
e) Vazamento na linha de pressão
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7. O vazamento, geralmente provocado por buracos na linha de acionamento, provoca um retardo na
resposta da válvula, além de um efeito semelhante à de falta de pressão, pois a pressão inserida na linha
de comando não é suficiente para que o dispositivo se mova por todo percurso.
Existem falhas no processo, que não são propriamente do dispositivo, ou dos comandos inerentes ao
mesmo, mas que provocam erros nas variáveis controladas, essas falhas devem ser detectadas
exclusivamente por inferência, ou seja, só são captadas por sensores externos ao dispositivo.
f) Entupimento
O acúmulo de partículas no interior ou a montante da válvula, ou até uma impureza de tamanho
incomum, podem provocar a diminuição do fluxo do fluido, causando problemas de controle e
estabilidade no sistema.
g) Vazamentos (na linha da variável controlada)
O vazamento do fluido pode também provocar a diminuição do fluxo do fluído além da contaminação
do fluido ou do ambiente onde se encontra a válvula.
h) Defeito no posicionador:
Uma falha do posicionador pode provocar sintomas semelhantes aos já citados anteriormente. o Delay
– atraso de resposta, o Tempo de resposta – Demora na resposta,
4.2. Detecção de desgastes
O aumento do atrito estático provoca saltos do dispositivo, que são indesejáveis e podem ser detectados
por sensores de posição no dispositivo. O uso de posicionadores, de forma geral resolve esse problema,
mas dependendo da amplitude dessa degradação, o sistema pode se tornar instável, pois a tentativa de
correção acaba por provocar saltos que resultarão em posicionamentos indesejáveis que também
sofrerão tentativa de serem corrigidos e resultará no mesmo problema.
O aumento da histerese deve ser detectado com sensores de posicionamento e monitoração do sinal
aplicado à válvula, por ter como característica uma diferença na posição, para uma mesma pressão,
ocasionado simplesmente pelo sentido (abertura ou fechamento) do dispositivo.
A diminuição da zona morta é uma degradação pouco importante, pois se encontra em uma área do
curso da válvula não muito usada, mas pode ser a agravante de outras falhas, visto que a redução da
força da mola provoca um relaxamento do dispositivo, podemos notar essa redução, através da pressão
empregada na válvula para dar inicio à sua movimentação. Outras falhas não serão importantes para
nós no estudo que se segue.
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8. 5. GRÁFICOS DE ASSINATURA DA VÁLVULA:
Pelo fato de existir uma grande diversidade de válvulas quanto à funcionalidade (Bloqueio, Controle e
Retenção) e tipos (Gaveta, Retenção, Esfera, Globo e Borboleta), este trabalho limitasse a mostrar uma
visão geral sobre assinatura de válvula, como também não entra em detalhes quanto aos equipamentos
necessários para a realização deste teste, mas de forma bem sucinta tentasse mostrar que este método
trás benefícios na manutenção das válvulas, pois o a Assinatura da Válvula descreve o funcionamento
da válvula como um todo, aplicasse um pequeno degrau de entrada, e percebesse o comportamento da
válvula, na abertura e no fechamento.
Figura 1. Assinaturas com degradações, para comparação de resposta.
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9. CONCLUSÃO
Na parte “A”, constatou-se que todas as válvulas possuem seus “elos fracos” em relação à vedação e atuação,
sendo estes a parte crítica para a degradação de desempenho.
Parte “B”, trouxe uma visão geral sobre degradação de desempenho nas válvulas, como constata-los e mostra
a utilização do Gráfico de assinatura de Válvula, este que pode ser uma “ferramenta” para a manutenção
preditiva. Para reforçar esta conclusão, disponibilizo abaixo um trecho do livro Válvulas: Industriais, segurança,
controle: tipos, seleção, dimensionamentos/ Artur Cardozo Mathias [6]:
“Tradicionalmente se trabalha com dois tipos de manutenção de válvulas:
• Corretiva, que consiste em reparar um problema que já ocorreu. Ou seja, o processo já parou e se
trabalha para recolocá-lo em funcionamento.
• Preventiva, que é a aparada programada do equipamento conforme orientação de seu fabriante,
mesmo que este seja operado normalmente.
Porém este dois tipos se mostram pouco eficiente quando se trata de um processo continuo, pois geram
parada na produção. Sendo que no casa da manutenção preventiva, nem sempre a válvula está com problema
e poderia continuar operando. Desta forma, o conceito de manutenção preditiva é mais adequado, pois
consiste em monitorar as variáveis de operação da válvula e quando detecta um indicativo de falha futura
programar sua manutenção. Garantindo que a válvula somente será parada no momento que realmente
necessite e algum reparo e antes que o problema realmente ocorra, o que permite a programação de parada.”
Página 211
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10. REFERENCIAS
[1] NORMA ABNT NBR 15827 Válvulas industriais para instalações de exploração, produção, refino
e transporte de produtos de petróleo — Requisitos de projeto
e ensaio de protótipo
[2] SILVA, Osmar José Leite da, Válvulas Industriais: Petróleo Brasileiro S.A. Osmar José Leite da
Silva-Riode Janeiro, Qualitymark : Petrobras 2008
[3]http://www2.emersonprocess.com/enUS/brands/fisher/DigitalValveControllers/FIELDVUESolution
s/ValveDiagnostics/Pages/ValveSignatureBasics.aspx
[4] SENAI Apostila de Instrumentação, voltada para ensino de funcionamento de Válvulas de controle
(2006).
[5] SENAI-DR/ES: Apostila de Dispositivos Finais de Controle, 2006
[6] MATHIAS, Artur Cardozo, Válvulas: Industriais, segurança, controle: tipos, seleção,
dimensionamentos/ Artur Cardozo Mathias – São Paulo: Artliber Editora, 2008.
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11. ANEXOS
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12. Anexo A
1- Teste de assinatura de Dispositivo (Fonte: SENAI-DR/ES: Dispositivos Finais de Controle, 2006)
Para determinarmos as características do processo, usualmente, aplicamos pequenos degraus seguidos,
formando uma rampa. Com esse teste podemos definir a curva de histerese, ruído e ganho do processo,
a assinatura do dispositivo. A assimetria e verificada observando a movimentação do processo em
ambas as direções. O tamanho da serie de degraus, pode também determinar se o processo é linear.
Esse procedimento e executado de maneira periódica, de forma a determinar a vida útil da peca, para
que a mesma seja substituída, consertada ou ajustada para atender ao rigor do processo onde esta sendo
aplicada.
Estimar o desempenho de válvulas e um importante tema na engenharia de controle.
Alguns métodos vêm sendo desenvolvidos para detecção e diagnósticos de falhas em válvulas. Uma
tendência e o uso de monitores de falhas com medidores especiais usando artifícios de sensores
adicionais. Sharif and Grosvennor [I] usaram um transmissor de fluxo e alguns sensores especiais para
monitorar o desempenho dinâmico das típicas válvulas de controle industriais em varias condições de
operação. Renfrey [II] usou um scanner de fluxo para monitorar o fluxo das válvulas. Sintomas de
falhas têm sido observados e revelados através de gráficos de fluxo. Nos dias atuais falhas reais ou
potenciais podem ser descobertas removendo-se a válvula do sistema. Treinamento de pessoal para a
manutenção é necessário para a correta interpretação dos resultados dos monitores. Experiência em
campo e muito importante para o sucesso dos diagnósticos.
1.1 Detecções de degradações
A ocorrência de desgastes na válvula afeta diretamente a variável do processo controlado pela mesma,
que permitem assim a detecção das degradações.
Monitorando o sinal de controle no atuador e a posição da válvula é possível quantificar estas
degradações, o que é mostrado a seguir.
2- Operação, com e sem posicionador;
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13. As válvulas, geralmente, são dispositivas de operacao simples: enviamos um sinal para ela abrir (que
pode ser uma pressão maior do que a existente na linha, por exemplo), ela abre. Da mesma forma
enviamos um sinal para fechar, e ela fecha.
Mas como qualquer coisa simples, podemos acrescentar dispositivos ou exigir controles mais precisos,
posições milimetricamente controladas, por exemplo, e tornar essa operação um pouco mais complexa.
Na maioria das aplicações, onde não existe um estudo adequado de posicionamento de sensores, a
válvula por si só não oferece confiabilidade, se for necessário o controle rígido de sua vazão, pois os
problemas intrínsecos das válvulas podem causar falsas impressões de posicionamento.
O posicionador e uma ferramenta muito interessante nesse sentido, pois esse dispositivo exige uma
realimentação da posição da válvula e ajusta a posição da haste exatamente a selecionada pelo
operador.
Figura I . Exemplo de Válvula operando sem posicionador
Fonte: SENAI-DR/ES: Dispositivos Finais de Controle, 2006
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14. Figura II . Exemplo de Valvula operando com posicionador
Fonte: SENAI-DR/ES: Dispositivos Finais de Controle, 2006
Quando e usado o posicionador, o sinal enviado ao mesmo passa a ser um sinal de controle (que pode
ser pneumático como no caso do exemplo ou de outra natureza) que indica simplesmente a posição que
se quer para a válvula e o posicionador manda o sinal de abertura e fechamento que o atuador exigir,
que e de pressão no caso de válvulas pneumáticas.
O dispositivo posicionador, quando usado, faz com que a válvula tenha uma resposta bem mais fiel ao
comando, pois além deste dispositivo exigir uma realimentação, ele passa a ser responsável por um
desempenho melhor nas respostas das válvulas, eliminando da planta inúmeros sintomas de
degradação.
Isso pode levar a uma mascara dos desgastes, mas também aumenta o tempo de utilização das válvulas,
sem alterar resultados das plantas. Esse assunto será discutido e simulado mais a frente.
2.1 Dimensionamento
O corpo da válvula deve ser dimensionado de maneira cuidadosa e bem avaliado, pois, um mau
dimensionamento, pode danificar todo o dispositivo devido às degradações presentes.
Apesar das discordâncias dos métodos utilizados no dimensionamento de válvulas [III], os principais
métodos utilizados no dimensionamento de uma válvula de controle ainda são os de: Cálculo do
Coeficiente de Vazão (CV) e Cálculo do Nível de Ruído.
Normalmente as informações necessárias para o correto dimensionamento de uma válvulas de controle
podem ser agrupadas nos seguintes itens:
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15. a) Dados quanto ao Fluxo:
a.1) Vazão (máxima, normal e mínima);
a.2) Pressão a montante (P1) e a jusante (P2) para vazão máxima, normal e mínima.
b) Dados quanto ao fluido:
b.1) Identificação do fluido;
b.2) Estado do fluido (liquido, gasoso, mistura de fases);
b.3) Densidade, peso especifico ou peso molecular;
b.4) Temperatura do fluido;
b.5) Viscosidade (para líquidos);
b.6) Pressão de vaporização (para líquidos).
c) Dados quanto a influencia da tubulação:
c.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores de turbulência junto a válvula.
Basicamente, para calcularmos o diâmetro da válvula, subtraímos a pressão a montante e a jusante, e
multiplicamos por vários fatores de correção, que são calculados de diferentes formas.
2.2. Toda essa preocupação no correto dimensionamento se deve basicamente a um fenômeno chamado
de Cavitação.
De acordo com o Teorema de Bernoulli, quando o fluido e acelerado ao passar pela sede da válvula, a
energia cinética será obtida pela conversão da pressão estática em pressão dinâmica, resultando dai
uma pressão diferencial, já que a perda da pressão estática não e recuperável.
A velocidade alcança o seu valor Máximo no ponto conhecido por “vena contracta” e, portanto, e nesse
ponto que a pressão estática será mínima, conforme podemos acompanhar pela figura abaixo.
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16. Figura III . Escoamento de um fluxo incompressível através de uma válvula de controle
Fonte: SENAI-DR/ES: Dispositivos Finais de Controle, 2006
Se a pressão do ponto de “vena contracta” h estiver acima do ponto de pressão de vaporização do
liquido, a proporcionalidade entre a vazão e a queda de pressão e quadrática, não havendo necessidade
nenhuma de correção devido às condições criticas de fluxo.
Porem se a pressao a jusante (P2), for baixada gradualmente, o valor da pressao no ponto de •gvena
contracta•h assume valores abaixo da linha de pressao de vaporizacao, tendo aproximadamente esse
comportamento:
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17. Figura IV. Diagrama do gradiente de pressões de um liquido através de uma válvula, mantendo-se a
pressão de entrada fixa e diminuindo a pressão de saída
Fonte: SENAI-DR/ES: Dispositivos Finais de Controle, 2006
2.3 Cavitação
Ao assumir o valor abaixo da pressão de vaporização, o fluido se expande iniciando, teoricamente, sua
vaporização, formando bolhas.
As bolhas formadas no ponto de baixa pressão implodem em função da recuperação da pressão,
liberando enormes tensões, que são responsáveis pelos efeitos de destruição na válvula e na tubulação a
jusante dela, alem de produzir ruído e vibração. A formação das bolhas (1o estagio) e o colapso das
mesmas (2o estagio) e um fenômeno conhecido por Cavitação.
2.4. Vazão Bloqueada
Pode se entender que à medida que baixamos o valor da pressão a jusante, a quantidade de fluxo que
passa pela válvula aumenta, devido ao principio de calculo da vazão, mas com essa redução de P2, as
bolhas vão também aumentando em quantidade, pois a pressão de vaporização fica cada vez mais
evidente, dessa forma o espaço ocupado pelas bolhas aumenta, diminuindo assim o fluxo total na
válvula, esse fenômeno e chamado de Vazão Bloqueada (chocked flow).
2.5. Flashing
Podemos diminuir a pressão posterior à válvula a tal ponto que não exista mais uma recuperação da
pressão, de forma que a mesma permaneça abaixo da linha de vaporização, assim o fluido passa a
existir em duas fases (vapor e liquido), isso e chamado de Flashing.
As bolhas existentes, em conjunto com a energia cinética do fluido possuem um efeito abrasivo, mais
de poder destrutivo muito menor que o efeito provocado na cavitação, sendo assim um efeito
preferencial em casos extremos.
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18. Figura V. Curva de Q versus ƒ¢P para um liquida em uma válvula
Fonte: SENAI-DR/ES: Dispositivos Finais de Controle, 2006
2.6 Nao-linearidades
As Válvulas possuem, de maneira geral, nao-linearidades, praticamente inexistentes em valvulas
saudáveis, mas que podem se agravar com o uso da válvula e ocasionar assim um funcionamento
indesejável.
• Zona Morta
A válvula necessita de uma pressão para vencer as forcas contrarias ao movimento inicial, no caso do
atuador a diafragma e mola, e necessária uma pressão que vença primeiramente a forca da mola, para
começar então o movimento do dispositivo, causando assim um tempo morto, onde o dispositivo nao
responde ao comando.
• .Histerese
Qualquer dispositivo que necessite de movimento tem a necessidade de acomodações antes de começar
efetivamente a alterar sua posição, essa necessidade também existe devido a forca de atrito (dinâmico e
estático) que atua no mesmo. As válvulas fazem parte desse grupo de dispositivos, pois necessitam de
se movimentar para regular a passagem de fluido em seu corpo.
Essa acomodação se torna mais evidente na mudança de direção do dispositivo, pois provoca uma
banda morta (Dead Band), onde o dispositivo passa um tempo sem responder a estímulos. Essas
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19. diferentes pressões para uma mesma posição, no caso do dispositivo abrindo ou fechando, pode ser
chamada de Histerese. A Histerese pode ser acentuada por falhas como folgas, falta de lubrificação,
entre outras.
Referências do anexo
I. M.A. Sharif, R.I. Grosvenor, Sensor-based performance monitoring of a control
valve unit, Proceedings of Institute of Mechanical Engineering—Journal of
Process Mechanical Engineering 213 (E2) (1999) 71–84.
II. D. Renfrey, Total valve management—the key to better process plant operations,
Sensor Review 15 (4) (1995) 25–27.
III Dr. Lauria, José Carlos, Abrangência do termo Cv quanto a definição do tamanho
de válvulas de controle — Revista In Tech 60 (2006) 37–43.
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