Válvulas para tubulações: Tipos e classificações.
Este artigo apresenta uma visão geral das válvulas, suas funções e os tipos de válvulas comumente usados na indústria. São apresentados o princípio do projeto, áreas de aplicação, vantagens e desvantagens de vários tipos de válvulas para tubulações. Diferentes métodos de classificação de válvulas também são discutidos para destacar as principais considerações na seleção de válvulas.
O que é uma válvula?
Uma válvula é um dispositivo mecânico usado em sistemas de fluidos para controlar, direcionar, isolar, misturar ou regular o fluxo ou a pressão de um fluido, modificando a passagem através do tubo. Quando uma válvula está na posição aberta, a passagem é desobstruída e o fluido flui na direção da pressão mais alta para a pressão mais baixa. Ao obstruir parcial ou totalmente a passagem pela válvula, o fluxo pode ser reduzido ou interrompido completamente.
Tecnicamente, as válvulas são conexões de tubos, mas devido à sua função crítica, ampla variedade de tipos e opções de operação, elas geralmente são consideradas separadamente de outras conexões. As válvulas costumam ser os componentes mais caros do sistema de tubulação de uma fábrica; o custo das válvulas pode chegar a 30% do custo total da tubulação.
Quais são as funções das válvulas para tubulações?
As válvulas desempenham um papel crítico no aumento da eficiência, melhorando o controle de qualidade e garantindo a segurança e a confiabilidade de um processo. A principal consideração na seleção da válvula é a função desejada da válvula. As válvulas são incorporadas a um sistema de tubulação por um ou mais dos seguintes motivos:
- Iniciando ou parando o fluxo de fluido
- Taxas de fluxo de estrangulamento dentro de um sistema de tubulação
- Regulagem de pressão
- Regulação da temperatura do fluido em um sistema de tubulação
- Redirecionando o fluxo de um caminho para outro
- Restringindo o fluxo para equilíbrio do sistema ou para evitar sobrepressurização
- Impedir o fluxo reverso do fluido
- Parando o fluxo em caso de falha do sistema
- Melhorando a segurança através do alívio de pressão ou vácuo em um sistema de tubulação
No estágio de projeto de um processo de fabricação ou sistema de tubulação, os engenheiros geralmente especificam o tipo de válvula adequado para a função desejada no Diagrama de Processo e Instrumentação (P&ID). Um P&ID é uma ilustração esquemática da relação funcional da tubulação, instrumentação e componentes do sistema. Diferentes tipos de válvulas comumente encontrados em P&IDs são apresentados e discutidos na seção a seguir.
Quais são os diferentes tipos de válvulas?
A tabela abaixo lista os diferentes tipos de válvulas e seus símbolos P&ID correspondentes. Os tipos de válvulas mais comumente usados são as válvulas gaveta, válvulas globo, válvulas de retenção e válvulas de esfera.
Válvula de gaveta
As válvulas gaveta são o tipo mais comum de válvulas encontradas em plantas de processo. O portão de fechamento se move ao longo de um caminho linear para bloquear ou permitir o fluxo de fluido. As válvulas gaveta fornecem um bom fechamento e são consideradas adequadas para quase todos os serviços de fluidos, incluindo ar, gás combustível, água de alimentação, vapor, pastas e líquidos viscosos.
As válvulas gaveta são baratas e fáceis de desmontar para manutenção. Eles oferecem baixa resistência ao fluido devido a um caminho reto que permite que o fluido flua sem mudança de direção.
Durante o uso, as válvulas de gaveta são normalmente mantidas na posição totalmente aberta ou totalmente fechada, pois não são recomendadas para aplicações de estrangulamento. O design da válvula dificulta o controle do fluxo.
Além disso, o choque do fluido contra uma comporta parcialmente aberta pode danificar a válvula. O projeto multivoltas dessas válvulas as torna inadequadas para aplicações em que uma operação rápida é desejada.
Válvula global
Uma válvula globo geralmente tem um corpo esférico que contém um elemento de obturador móvel e uma sede de anel estacionária. As duas metades do corpo são separadas por um defletor interno. O elemento de plugue é conectado a um volante operacional por meio de uma haste. À medida que a roda é girada, a ação do parafuso move o plugue para perto ou para longe da sede do anel. As válvulas globo podem ser usadas para a função de parada/partida, bem como para regular o fluxo de fluido. Eles são úteis em aplicações onde um bom controle de fluxo é desejado e a estanqueidade é importante, como sistemas de água de resfriamento, sistemas de alimentação de água e produtos químicos e sistemas de combustível/óleo lubrificante.
As válvulas globo custam mais do que as válvulas gaveta, mas fornecem melhor fechamento e controle de estrangulamento. O design dessas válvulas força o fluido a mudar de direção à medida que flui; isso cria alta perda de pressão e turbulência. As válvulas globo são geralmente mais pesadas do que outras válvulas. Eles não são adequados para fluidos contendo partículas, fluidos de alta viscosidade e outros meios propensos a sufocamento.
Válvula de esfera
Uma válvula de esfera usa uma esfera oca para parar ou permitir o fluxo de fluido. A esfera perfurada pode ser girada usando a alavanca da válvula. Quando o orifício na esfera está voltado para a entrada de fluxo, o fluido flui. Um movimento giratório de um quarto de volta do manípulo da válvula gira a esfera em 90°, bloqueando o fluxo.
As válvulas de esfera são menores, mais leves e mais baratas quando comparadas às válvulas de gaveta do mesmo tamanho e classificação. Eles permitem a detecção visual do estado aberto ou fechado da válvula. No estado aberto, a alça está alinhada com a direção do fluxo; em um estado fechado, a alça é perpendicular à direção do fluxo. Além disso, as válvulas de esfera oferecem facilidade de operação, alto fluxo de volume, alta pressão, longa vida útil e possibilidade de reparo de sedes e vedações sem retirar o corpo da válvula da linha. Por outro lado, as válvulas de esfera são difíceis de limpar, o que pode levar à contaminação. Eles não são adequados para aplicações que requerem estrangulamento contínuo.
Válvula de Retenção/Válvula de Retenção
Uma válvula de retenção é usada para evitar o refluxo em sistemas de tubulação. A válvula abre devido à pressão do fluido que passa pela tubulação. O fluxo reverso fecha a válvula e impede que o fluido se mova na direção oposta. As válvulas de retenção não requerem controle externo. Eles funcionam automaticamente e, portanto, não possuem uma alça ou haste de operação. As válvulas de retenção mais simples são projetadas com um mecanismo de aba unidirecional.
As válvulas de retenção são geralmente pequenas, simples e baratas. As aplicações industriais de válvulas de retenção incluem sistemas de controle de água de alimentação, sistemas de gás que misturam vários gases em um único fluxo de gás e sistemas de mistura de combustível e oxidante. Em aplicações domésticas, as válvulas de retenção são frequentemente usadas para evitar a mistura de um abastecimento de água potável sanitária com água de sistemas não higiênicos.
Válvula de encaixe
As válvulas plugue usam um plugue cilíndrico ou cônico para permitir ou restringir o fluxo de fluido. O tampão tem uma ou mais passagens ocas que permitem a passagem do fluido quando a passagem está alinhada com a direção do fluxo. Um movimento rotativo de um quarto de volta é necessário para girar o plugue e bloquear o fluxo de fluido. As válvulas macho funcionam bem em aplicações de polpa. A ação de limpeza do plugue não permite que partículas suspensas se acumulem e formem uma obstrução. Aplicações típicas de válvulas de plugue incluem serviços gasosos e de vapor, sistemas de tubulação de gás natural, sistemas de tubulação de óleo, carvão, minerais e aplicações de esgoto. Eles também são adequados para aplicações de vácuo e alta pressão.
As válvulas macho oferecem uma longa vida útil e alta confiabilidade, o que as torna adequadas para materiais corrosivos, abrasivos e tóxicos. Eles geralmente são usados como válvulas de parada on-off para fornecer fechamento rápido à prova de bolhas. As válvulas podem ser reparadas e limpas sem a remoção do corpo do sistema de tubulação. As válvulas macho não são recomendadas para aplicações de controle e aplicações que requerem comutação de alta frequência. Em comparação com as válvulas de esfera, elas custam mais e exigem maior força para atuar, devido ao maior atrito.
Válvula Borboleta
A “borboleta” refere-se a um disco de metal giratório montado em uma haste. É necessário um quarto de volta do disco para abrir ou fechar a válvula. Na posição fechada, o disco bloqueia completamente a passagem. Na posição aberta, a face do disco é paralela à direção do fluxo e permite um fluxo de fluido quase irrestrito. As válvulas borboleta encontram aplicações em sistemas de resfriamento de água, aplicações de ar ou gás comprimido, proteção contra incêndio, serviços de lama, serviço de vácuo e serviços de água e vapor de alta pressão/alta temperatura.
As válvulas borboleta têm um corpo circular curto que reduz a necessidade de espaço e as torna leves e fáceis de instalar. O design compacto também os torna adequados para aplicações de válvulas grandes. As válvulas borboleta têm um alto coeficiente de fluxo. Eles oferecem boa vedação mesmo em baixa pressão. Por outro lado, as válvulas borboleta podem ser difíceis de limpar e a função de estrangulamento é limitada a baixa pressão diferencial e o movimento do disco não guiado pode ser afetado pela turbulência do fluxo.
Válvula de agulha
As válvulas de agulha são semelhantes em design às válvulas globo. O elemento de obstrução nessas válvulas é um êmbolo longo e cônico em forma de agulha que se encaixa em uma sede correspondente para interromper o fluxo.
Uma haste é girada para inserir ou retrair o êmbolo, abrindo ou restringindo o caminho do fluxo. A haste de rosca fina requer muitas voltas para retrair totalmente o êmbolo; esse recurso permite uma regulagem precisa da vazão. As válvulas de agulha são normalmente usadas em sistemas de tubulação de pequeno diâmetro, onde é desejado um controle muito preciso do fluxo. As válvulas de agulha são geralmente adequadas para sistemas com fluidos de baixa viscosidade fluindo a baixas vazões. A aplicação mais comum é regular o fluxo para medidores frágeis, a fim de protegê-los de danos causados por um aumento abrupto de pressão.
As válvulas são adequadas apenas para vazões baixas, pois a passagem de fluxo entre a sede e a agulha é pequena. As válvulas de agulha não são adequadas para fluidos com sólidos em suspensão. O uso de força excessiva durante o fechamento pode danificar a sede da válvula de agulha.
Válvula de aperto
As válvulas de mangote empregam um tubo elástico e um dispositivo de aperto que restringe diretamente o fluxo através do tubo. O mecanismo de aperto achata a tubulação para criar uma vedação.
As válvulas de manga flexível podem ser usadas para iniciar, parar e regular o fluxo de fluido. Como essas válvulas têm menos componentes, elas são relativamente mais baratas e mais à prova de vazamentos em comparação com outras válvulas. Essas válvulas são ideais para transporte pneumático de materiais sólidos e para manuseio de lamas.
As válvulas de manga flexível minimizam a turbulência e o atrito durante o fluxo. No entanto, eles não são adequados para gases e para aplicações de alta temperatura ou alta pressão. Um alto diferencial de pressão ou vácuo no sistema pode causar o colapso ou deformação da tubulação, resultando na abertura incompleta da válvula.
Válvula de Diafragma
Uma válvula de diafragma, também conhecida como válvula de membrana, consiste em um diafragma elastomérico e uma sela/assento sobre o qual o diafragma se fecha. Um compressor linear é usado para empurrar o diafragma fino e flexível em contato com a sede/sela para fechar a válvula. As válvulas de diafragma também permitem o fechamento parcial da passagem, tornando-as adequadas para aplicações de estrangulamento. Eles são adequados para fluidos viscosos e fluidos contendo materiais sólidos, pois os sólidos não ficam presos no mecanismo da válvula.
As válvulas de diafragma são comumente usadas em instalações de tratamento de água, indústrias farmacêuticas, alimentícias e químicas, serviços de vácuo e aplicações corrosivas.
As válvulas de diafragma são à prova de vazamentos, fáceis de manter, limpas, seguras e eficazes. Eles são adequados para aplicações de pressão e temperatura moderadas. A temperatura de trabalho e as pressões das válvulas de diafragma dependem do material do diafragma. A sela em uma válvula de diafragma pode impedir a drenagem completa do tubo. Quando usado em aplicações de estrangulamento contínuo, o diafragma pode se desgastar com o tempo, levando à falha da válvula.
Como são classificadas as válvulas em sistemas de tubulação?
Existem várias maneiras diferentes pelas quais as válvulas podem ser classificadas. Eles podem ser agrupados com base em sua função, tipo de mecanismo operacional, conexões finais, movimento mecânico, material de construção, classificações de pressão e temperatura e tamanho da porta. Ao escolher uma válvula, é importante considerar cada uma dessas classificações para garantir que a válvula seja adequada para a aplicação desejada.
( A ) Função da válvula
As válvulas são incorporadas em um processo para executar diferentes funções. Eles podem ser usados para iniciar/parar o fluxo ou para regular o fluxo e a pressão. Eles podem ser necessários para controlar a direção do fluxo ou para melhorar a segurança do processo. Com base no controle de fluxo, as válvulas são classificadas como válvulas de isolamento ou válvulas de regulação.
Válvulas de isolamento
As válvulas de isolamento são projetadas para restringir completamente o fluxo de fluido ou permiti-lo sem obstrução. Essas válvulas não são recomendadas para uso contínuo no estado parcialmente aberto, pois podem fornecer um controle de fluxo ruim ou sofrer danos por desgaste ao longo do tempo.
Válvulas de regulação
As válvulas de regulação são usadas para regular a pressão e o fluxo de fluido com precisão adequada. Essas válvulas podem ser usadas com segurança e eficiência em processos que requerem estado parcialmente aberto ou fechado.
Algumas válvulas são adequadas para realizar ambas as funções enquanto outras são recomendadas apenas para uma. A tabela abaixo classifica as válvulas discutidas acima de acordo com sua função.
(B) Modo de operação
As válvulas podem ser classificadas como manuais, acionadas ou automáticas com base em como são operadas.
Válvulas manuais
As válvulas manuais são normalmente operadas manualmente com a ajuda de rodas, alavancas, pedais, botões ou correntes. Estas válvulas podem ser engrenadas mecanicamente para mudar a direção do movimento e/ou aumentar a velocidade de operação ou torque.
Válvulas acionadas
Em aplicações de alta precisão ou grande escala, as válvulas são frequentemente conectadas a motores elétricos, sistemas pneumáticos, sistemas hidráulicos ou solenóides, para permitir operação remota e automação da função da válvula.
( C ) Conexões finais
As válvulas são conectadas a tubos através de juntas; essas juntas podem ser aparafusadas, flangeadas ou soldadas. Alguns tipos comuns de extremidades de válvulas estão listados abaixo:
Válvulas de extremidade flangeada:
Um flange é uma placa ou anel que forma um aro no final de um tubo ou válvula; dois flanges são aparafusados juntos para formar uma junta.
Válvulas de extremidade aparafusada:
As válvulas de extremidade aparafusada têm juntas roscadas, às quais é aparafusada a extremidade de um tubo ou outro acessório.
Válvulas com soquete soldado:
O tubo é inserido em um soquete e soldado.
Válvula de solda de topo:
As válvulas de solda de topo têm extremidades chanfradas que correspondem a um chanfro semelhante no tubo.
Válvulas tipo wafer:
O corpo fino da válvula é colocado entre dois flanges de tubo, com os parafusos envolvendo o corpo da válvula. Essas válvulas geralmente são instaladas em sistemas com espaço limitado.
( D ) Movimento mecânico
Com base no movimento mecânico do elemento de fechamento, as válvulas podem ser classificadas como válvulas de movimento linear ou válvulas de movimento rotativo. Se o elemento de fechamento da válvula se mover em linha reta para permitir ou parar o fluxo, a válvula é chamada de válvula de movimento linear. Quando o elemento de fechamento gira ou se move ao longo de um caminho circular, a válvula é chamada de válvula de movimento rotativo.
As válvulas também podem ser classificadas como multivoltas ou um quarto de volta, dependendo da extensão de giro do manípulo/roda necessária para abrir ou fechar completamente a válvula. As válvulas de movimento rotativo geralmente requerem apenas um quarto de volta (90°) da haste para passar da posição totalmente aberta para a posição totalmente fechada.
( E ) Material de construção
O corpo da válvula pode ser feito de aço inoxidável, liga de aço, latão, ferro fundido ou plástico, dependendo das classificações de temperatura e pressão desejadas, durabilidade e aplicação. A junta, a gaxeta e a sede da válvula geralmente são feitas de PTFE, POM, FKM, PA, EPDM ou NBR para atingir o nível desejado de vedação e classificações de temperatura/pressão.
( F ) Classificações de pressão-temperatura
As válvulas também podem ser classificadas de acordo com suas classificações de pressão e temperatura. Essas classificações especificam os níveis máximos de pressão e temperatura permitidos aos quais a válvula pode ser submetida com segurança.
Conclusão
As válvulas estão disponíveis em uma grande variedade de designs e configurações. O grande número de opções disponíveis torna a seleção de válvulas uma tarefa difícil. A escolha da melhor válvula para uma aplicação requer consideração da função necessária, condições e características de serviço do fluido, frequência de operação, requisitos de isolamento ou regulação, necessidades de manutenção e o nível desejado de segurança e confiabilidade. Os fabricantes de válvulas podem ajudá-lo a selecionar a melhor válvula para sua aplicação.