Segurança na operação de Vasos de Pressão e Caldeiras: junho 2015

Baixo Desempenho em Válvulas de Segurança e Alívio

Sintomas, Causas e Soluções

Aqui está o que procurar e o que fazer se as suas válvulas de alívio de segurança apresentarem vazamentos, instabilidades ou ainda abrirem prematuramente.

A maioria das instalações que operam com válvulas de alívio de segurança não apresentam problemas. Quando estes ocorrem, as causas são em geral procedimentos técnicos e de manutenção incorretos. Analise estes casos:

(a) Em uma indústria química , numa nova instalação, uma válvula de alívio de segurança de 8pol. vazava. Quando removida para teste ela operava perfeitamente, porém ao ser novamente reinstalada ela vazava. A solução foi incorporar suportes na tubulação de saída da válvula. O peso da tubulação sem apoio tinha deformado elasticamente o corpo fundido da válvula, desalinhando a sede e o disco.

(b) Em uma torre de uma planta petroquímica, uma válvula de alívio de segurança de 6pol. em serviços, com vapor, apresentava instabilidades com pequenas perturbações. A parada do processo era impraticável, então deixou-se que a instabilidade continuasse. Após muitas semanas, um engenheiro observou que a instabilidade da válvula tinha recalcado a base de torre de 4pol. A solução foi a substituição da válvula de 6pol. por duas menores, uma de 2 pol. e outra de 4pol. A válvula de 2pol. foi ajustada para uma pressão inferior, sendo a única a operar sob pequenas perturbações.

Durante os últimos anos, os projetistas de válvulas tem acumulado e armazenado informações relativas a sintomas, causas e soluções de mal funcionamentos, similares ao que acabamos de descrever. Por conveniência eles serão divididos em três categorias: vazamentos, instabilidades e "pop" prematuro.

Aqui está o que verificar.

Sintoma : Vazamentos

1. Verifique a pressão de operação:

Uma das causas de vazamentos de válvulas de alívio de segurança provem do esforço em maximizar a eficiência do processo. As pressões de operação podem aumentar até chegar no ponto de ajuste da válvula ou na pressão máxima de trabalho permissível do vaso. Esta prática produz economias evitando o investimento em um vaso com maior classe de pressão. Porém o vazamento da válvula de alívio de segurança pode significar que a pressão "normal” de operação está muito próxima do ponto de ajuste da válvula. ( Por outro lado , a válvula pode ter sido ajustada erroneamente em uma pressão muito baixa).

Em ambos os casos, uma solução para o vazamento é a observância das recomendações do Código de Vasos de Pressão* . Supondo que as exigências do código foram obedecidas, outra solução seria a substituição das válvulas que possuem assentos metálicas por válvulas com vedação em “O-ring”.

* Apêndice M. Div. a, Seção VIII, "Código Para Vasos de Pressão da ASME"- Parágrafo M-9, Subparágrafo C: "Uma pressão diferencial mínima de 5psi para pressões de ajuste até 70psi; de 10% para pressão de ajuste entre 71 e 1000psi; e 7% para pressões de ajuste acima de 1000psi."

2. Verifique a corrosão e a erosão:

Em uma planta, o vazamento foi causado por uma pequena alteração no processo. Originalmente, utilizava-se no processo o cloreto de hidrogênio seco, para o qual o trim da válvula em aço-inox era satisfatório. Depois de um certo tempo, o aumento da umidade, aumentou o poder de corrosão do HCL, causando a corrosão do trim. A solução foi a troca do trim da válvula por Monel.

Os vazamentos também podem ser causados por erosão. A presença de areia em

linhas de gás de alta pressão erodem a sede e disco feitos em materiais de menor dureza (tais como aço-inox), devido a um efeito do tipo "jato de areia". As sedes fabricadas em materiais de alta dureza, como o “stellite”, podem resistir à erosão.

3 - Verifique a tolerância do "pop":

Quando a pressão de operação é razoavelmente elevada, uma sobrepressão repentina pode desestabilizar o disco causando vazamentos. Verifique se a tolerância da pressão de ajuste do "pop" não está do lado inferior da faixa permitida.

Uma causa comum de vazamentos é a compensação incorreta do ajuste da mola em aplicações a altas temperaturas.

A solução é a obtenção do fator de correção de temperatura junto ao fabricante da válvula, considerando o mesmo no ajuste da força da mola em bancada à temperatura ambiente (ajuste a frio).

4 - Verifique se não existem partículas sólidas entre a sede e do disco:

Em uma aplicação de bombeamento que utilizava uma válvula de alívio de segurança, o pó de PVC ( Cloreto de polivinil) estava misturado ao líquido. As partículas sendo suficiente duras, provocavam ranhuras ao passar entre sede e disco em aço-inox, causando vazamento. A sede e o disco em material mais duro não iria solucionar o vazamento - os depósitos de partículas ainda seriam um problema.

Uma outra solução poderia ser a utilização de um arranjo especial de sede do tipo lâmina de faca, que tem a capacidade de cortar depósitos e partículas. Outra solução seria a utilização de um assento resiliente com “O-ring” . Quando as partículas são suficientemente pequenas, elas podem penetrar nas folgas existentes entre as superfícies de guia, travando a válvula de alívio de segurança aberta ou fechada. Neste casos, pode-se usar o fole para isolar as guias do fluido .

** Op. cit., exceto Parágrafo UG-126, Subparágrafo d: "A tolerância da pressão de ajuste, mais ou menos, não deve exceder 2psi para pressões até e incluindo 70psi, e 3% para pressões acima de 70psi".

5 - Verifique se a tubulação de saída não está sem apoio:

Uma válvula de alívio de segurança de 6,8 ou 10 pol. pode parecer robusta, mesmo assim a tubulação de saída sem apoio pode interferir com o com o alinhamento interno, causando vazamentos (conforme descrito no início deste artigo). A solução é óbvia: apoiar a tubulação.

Algumas válvulas com saída única são mais susceptíveis do que outras concepções com saídas duplas, aos efeitos de cargas moderadas originadas pela tubulação de saída.

6 - Verifique se não existem cargas térmicas na tubulação de saída: -

As cargas térmicas na tubulação podem afetar o alinhamento interno das válvulas de alívio de segurança causando vazamentos.

As possíveis soluções incluem o uso de suportes flexíveis e juntas ou malhas de expansão.

7 - Verifique se não existem vibrações na tubulação ou no vaso sendo protegido:

Quando a pressão de operação do sistema está próxima da pressão de ajuste da válvula, as vibrações tenderão a fazer com que a válvula vaze e possivelmente dê um "pop" prematuro).

As soluções para o vazamento são a adoção de métodos convencionais de redução das vibrações da tubulação e do vaso e o aumento do diferencial entre as pressões de operações e de ajuste. Um assento resiliente com “O-ring” pode ajudar.

8 - Verifique se a válvula está instalada verticalmente:

Uma outra causa de vazamentos é a instalação fora da vertical da válvula de alívio de segurança, talvez devido a limitações de espaço ou configuração da tubulação.

A maioria dos fabricantes de válvulas concorda que a instalação horizontal é desaconselhável; as válvulas devem ser instaladas verticalmente. O Código recomenda a instalação vertical das válvulas de alívio e segurança com mola. A montagem da válvula de cabeça para baixo é possível (a menos que o fabricante não recomende), porém a mola selecionada deve levar em conta esta condição.

O acúmulo de sedimentos ou a formação de depósitos devido a uma drenagem insuficiente, podem ser causados pela instalação da válvula fora da posição vertical. A instalação vertical também assegura que a haste da válvula, ou que o fixador da haste nas válvulas com guia de topo permaneçam centrados nas guias, e que a sede e o disco permaneçam alinhados e paralelos.

Quando fora da vertical, o trim irá deslocar-se ou apoiar-se em um dos lados das guias. Durante o refechamento, após a "pop” inicial, as superfícies de assentamento podem não vedar estanquemente devido ao desalinhamento.

9 - Verifique se a montagem está correta:

Uma válvula pode parecer estar emperrada ou travada-aberta, quando na realidade ela está mal ajustada para um "blowdown" longo. Aqui está um exemplo do que pode acontecer após uma remontagem incorreta durante a manutenção da válvula.

Após a reforma e reinstalação de uma válvula de alívio e segurança de 4 pol de uma refinaria, a válvula apresentava o "pop" com 400 psi, conforme esperado, porém permanecia aberta após o "pop". O anel de bocal foi deixado na posição superior, durante a calibração na bancada de teste da oficina, tendo aí permanecido. O aumento da pressão causava o “pop” da válvula na pressão de ajuste e o reassentamento (“blowdown”) numa pressão próxima da faixa de operação; portanto, a válvula não se fechava estanquemente.

Uma solução para este problema é alertar o pessoal da oficina para que verifiquem todas as peças ajustáveis da válvula de alívio de segurança quanto à correta localização e posicionamento durante a remontagem e teste.

Tenha cuidado especial quando a válvula em questão for equipada com alavanca de levantamento. Este dispositivo favorece a remontagem incorreta, resultando em vazamentos e até mesmo falha de operação da válvula. No caso de vazamentos, a alavanca pode estar prendendo o disco fora da sede devido ao posicionamento incorreto da porca da haste de teste.

10 - Verifique se os assentos estão lapidados corretamente:

Se a sede e o disco foram lapidados durante a reforma e a válvula vaza, a causa pode ser lapidação incorreta. O paralelismo, acabamento fino e polimento dos assentos metálicos são essenciais para a estanqueidade.

A solução é lapidar e polir novamente as superfícies de assentamento, usando o procedimento e compostos de lapidação recomendados pelo fabricante, assim como verificar o paralelismo.

Faça a manutenção adequada ou substitua os blocos periodicamente. O vidro pirex é um bom e durável material para blocos de lapidação, compatível com compostos de lapidação a base de óxido de alumínio.

11 - Verifique a natureza do fluido de processo:

Os fluidos leves de difícil estanqueidade, tal como hidrogênio, poderão ocasionar vazamentos com assentos metálicos.

A solução esta na escolha de uma válvula com sede resiliente com “O-ring” a fim de assegurar a estanqueidade, ou ainda, especificar uma melhor estanqueidade ao encomendar a válvula.

Aconselha-se também o uso de sedes resilientes com “O-ring” em serviços com gases tóxicos-corrosivos.

12 - Verifique se não houve erros no teste ou omissões:

Mesmo que a válvula tenha sido completamente testada na fábrica antes do despacho, ela deve ser retestada antes de ser instalada. Nunca instale a válvula nas condições de recebimento. Vibrações e manuseio incorreto durante o transporte podem causar desalinhamento na sede. Estima-se que de 2 a 3% de todas as válvulas despachadas se desalinham.

Como solução e como medida preventiva, deve-se provocar o "pop" da válvula de alívio de segurança antes de colocá-la em serviços, ou após detectar-se vazamentos.

Uma causa de vazamento similar é o procedimento incorreto de teste a pressão do volume de ar pode ser insuficiente para erguer o disco da sede. Teste hidráulico incorreto pode também causar desalinhamento.

Devido ao volume insuficiente, a pressão pode inclinar levemente o disco, resultando numa falsa indicação de vazamento. A solução é a abertura total ou o "pop".

A omissão de manutenção periódica das válvulas de alívio de segurança pode também provocar vazamentos. O usuário da válvula deve ter um programa que requeira testes pelo menos uma vez por ano em instalações com operação normal. Os testes devem ser mais freqüentes em instalações que operam com fluidos corrosivos ou tóxicos.

Sintoma : Instabilidades

1 - Verifique se a válvula não está superdimensionada:

Uma causa comum de instabilidade na válvula de alívio de segurança é o seu superdimensionamento. Se o volume de fluido for menor que 25% da capacidade especificada da válvula de alívio de segurança, haverá tendência de válvula apresentar instabilidades.

Na pressão de "pop", não haverá energia suficiente no vaso para vencer a força da mola da válvula e erguer o disco por completo da sede.

Esta falta de levantamento produz instabilidades. A solução reside na escolha de uma válvula corretamente dimensionada para as condições de escoamento requeridas.

2 - Verifique se não existe queda excessiva de pressão na tubulação que conduz à entrada da válvula:

As instabilidades podem também ser causadas por queda excessiva de pressão: As perdas na entrada são as mais significativas, especialmente quando o diâmetro do orifício é grande em comparação com a tubulação de entrada. A queda de pressão pode ser atribuída à restrição do escoamento causada por: curvas e cotovelos, distância entre válvula e fonte de pressão, e tubulação de entrada ou de saída de diâmetro menor do que a válvula de alívio de segurança.

Em todos esses casos, a queda excessiva de pressão resulta em força de levantamento insuficiente, de tal forma que o disco não se ergue completamente da sede. A solução reside em sanar os problemas das tubulações e, caso necessário, mudar a posição da válvula.

3 - Verifique se não existem variações de pressão: - As variações de pressão podem atuar tanto na entrada como na descarga de uma válvula de alívio de segurança, como por exemplo contrapressões variáveis, ou ondas de choque, em um cabeçote de descarga comum.

Quando o projeto e dimensionamento da linha de descarga não são suficientes para eliminar as instabilidades, pode ser necessária uma válvula de alívio de segurança especial. Por exemplo, um projeto de válvula com fole balanceado poderá ser necessário para atuar em situações de contrapressão variável. O fole não somente isola a guia e as peças do topo da válvula, como também anula os efeitos de contrapressões variáveis e portanto permite que a válvula apresente o "pop” com pressão de ajuste constante.

Conforme descrito no início deste artigo (segundo exemplo), variações inevitáveis na pressão de entrada podem causar instabilidades. Conforme lá indicado, a solução reside na combinação de uma válvula menor com uma maior, ajustando a menor com valores mais baixos a fim de aliviar perturbações menores. (em qualquer instalação com múltiplas válvulas, as pressões de ajuste devem ser escalonadas).

4 - Verifique se a válvula não está sendo usada como regulador:

Algumas vezes, alguém tenta regular o escoamento com uma válvula de alívio com mola no lugar de um regulador ou válvula de controle. A solução então fica evidente.

Sintoma: "Pop" Prematuro

1 - Evite fazer ajustes internos quando houver pressão sob o disco da válvula:

O "pop" prematuro pode ocorrer ao se realizar alguns ajustes internos, tal como o levantamento ou rebaixamento do anel de "blowdown", quando a pressão sob o disco da válvula está próxima da pressão de ajuste. Faça os ajustes sem qualquer pressão na válvula, ou, se houver alguma pressão remanescente, trave levemente a válvula, evitando o "pop".

Quando houver necessidade de mudança na pressão de ajuste através da regulagem da mola, as superfícies do disco e da sede não devem girar uma contra a outra (a fim de não danificá-las). Para que isto seja possível, fixe o topo da haste, ou o suporte do disco, enquanto girar o parafuso de ajuste.

2 - Verifique a correção de temperatura ao ajustar a frio:

Quando a válvula é ajustada na temperatura ambiente e depois utilizada em serviços a temperaturas elevadas, ela fica sujeita a dilatações térmicas. A expansão do castelo e corpo da válvula, relacionada com o aumento de temperatura, causa a redução da força da mola, e consequentemente uma redução na pressão de ajuste ("pop” prematuro).

A solução está em assegurar que o fator de correção de temperatura seja utilizado no ajuste da mola a frio.

3 - Verifique se a válvula não foi remontada incorretamente: O "pop” prematuro causado por este problema pode ser corrigido conforme descrito em Vazamento.

4 - Não golpeie o corpo ou a tampa da válvula de alívio de segurança para parar o vazamento : Quando a pressão está próxima do ponto de ajuste, isto pode causar o "pop" prematuro. As vibrações da tubulação ou do vaso podem ter o mesmo efeito.

A solução está em evitar golpear a válvula, e em utilizar técnicas usuais de isolação de vibrações.

5 - Verifique se as instalações de teste são adequadas e se o manômetro indica corretamente:

Se o manômetro usado para ajustar a válvula indica valores incorretamente baixos (devido ao desgaste ou danos), a válvula irá apresentar "pop" prematuro. ( se o manômetro indica valores incorretamente elevados, a pressão pode exceder os limites do vaso).

Solução: reverifique a calibração após poucas semanas, e imediatamente se o manômetro sofreu golpes.

Segurança na operação de Vasos de Pressão e Caldeiras

segunda-feira, 8 de junho de 2015

Prevenção contra explosões (alguns slides do curso de segurança operacional NR13)

terça-feira, 2 de junho de 2015

Cursos sobre Segurança Operacional de Caldeiras e Vasos de Pressão NR13