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Requisitos para Válvulas Borboleta Criogênicas
Criado em 07.23
Capítulo 1: Requisitos Técnicos para Válvulas Borboleta Criogênicas
1. Configuração Estrutural e Princípios de Projeto
As válvulas borboleta criogênicas devem adotar uma estrutura de vedação com sede metálica de deslocamento triplo para garantir vedação confiável e longa vida útil em condições criogênicas. Os três deslocamentos da válvula borboleta de deslocamento triplo são definidos da seguinte forma:
- Deslocamento do Eixo:
- Deslocamento Esférico:
- Deslocamento da Superfície de Vedação:
O disco deve ser equipado com um anel de vedação de aço inoxidável, e a sede deve ser construída em aço inoxidável com tratamento de endurecimento superficial aplicado. Tanto o anel de vedação do disco quanto a sede devem ser fabricados em material de aço inoxidável maciço.
O corpo da válvula deve ser fornecido com uma bandeja de gotejamento para evitar o fluxo incontrolável de condensado, proteger a camada de isolamento, aumentar a área de superfície de troca de calor, reduzir o comprimento do pescoço estendido e garantir o funcionamento adequado da caixa de empanque.
2. Soldagem de Vedação Macia do Corpo da Válvula e do Terminal Curto
A válvula deve ser fornecida com um comprimento mínimo de terminal curto de 100 mm. O comprimento do terminal curto deve garantir que as operações de soldagem em campo em ambas as extremidades não afetem os materiais de vedação. O terminal curto deve ser fabricado a partir de tubo sem costura, tubo soldado longitudinalmente ou forjados, com soldagem e proteção contra corrosão concluídas na fábrica. Os requisitos de proteção contra corrosão para o terminal curto devem ser idênticos aos do corpo da válvula.
O diâmetro externo da válvula e do stub-end deve corresponder ao da tubulação de conexão, e o material do stub-end deve ser consistente com o material da tubulação.
Para válvulas fornecidas com extremidades de stub, o teste de pressão do corpo deve ser realizado primeiro a 1,5 vezes a pressão máxima de trabalho admissível a 20°C. Após o teste bem-sucedido, as extremidades de stub devem ser soldadas, seguidas por um teste de pressão integral do corpo da válvula e do conjunto de extremidade de stub a 1,5 vezes a pressão de projeto da extremidade de stub.
3. Haste Estendida
O projeto da conexão entre a haste e o disco deve garantir que não ocorra deformação permanente durante a abertura sob pressão diferencial total na pressão de projeto. Em caso de falha, o primeiro ponto de falha deve ocorrer externamente ao corpo da válvula, e a força de carga de falha secundária deve ser significativamente maior que a carga de falha primária.
Para válvulas de bloqueio equipadas com atuadores, o projeto da haste deve acomodar o torque máximo de saída do atuador. A haste deve incorporar um projeto à prova de ejeção e adotar uma configuração de eixo passante integral.
Para válvulas com gaxetas, requisitos rigorosos de acabamento superficial devem ser aplicados tanto à superfície da haste quanto ao furo da câmara de gaxeta. A folga entre o acessório do prensa-gaxeta e a câmara de gaxeta deve ser menor que a folga entre o acessório do prensa-gaxeta e a haste.
4. Pescoço Estendido do Castelo
O comprimento do pescoço estendido do castelo refere-se à extensão do ponto de suporte mais alto até a caixa de gaxetas do castelo, que deve atender aos requisitos de espaço de vapor. As conexões do castelo devem ser feitas por aparafusamento, soldagem ou construção de castelo integral. Castelos integrais são permitidos apenas para válvulas DN50 e menores; conexões de castelo rosqueadas não são permitidas.
O design do pescoço prolongado da tampa deve garantir que a embalagem opere à temperatura ambiente. A função principal do pescoço prolongado é manter a caixa de empanque afastada do meio criogênico, assegurando que a embalagem permaneça na faixa de temperatura ambiente, garantindo assim um desempenho confiável de vedação da haste.
5. Sede
O par de vedação da válvula borboleta deve adotar geometria de dupla excêntrica ou tripla excêntrica para atender aos requisitos de vedação unidirecional ou bidirecional. A liga de revestimento duro deve ser depositada por soldagem nas superfícies de vedação tanto do elemento de fechamento quanto do assento. A espessura da camada de revestimento duro após a usinagem deve ser de no mínimo 1,6 mm. Para temperaturas de serviço abaixo de -100°C, os componentes revestidos devem ser submetidos a tratamento criogênico após a soldagem.
6. Requisitos de Materiais
A seleção de materiais para válvulas borboleta criogênicas é fundamental para garantir a operação segura da válvula. Os requisitos principais são os seguintes:
- Materiais fundidos não devem ser aceitos como substitutos para materiais forjados.
- O teor de carbono no aço carbono usado para peças de retenção de pressão não deve exceder 0,23%; para forjados e fundidos, este valor pode ser relaxado para 0,25%.
- Cobre ou ligas de cobre não devem ser utilizados.
- Os materiais de aço inoxidável austenítico devem ser fornecidos no estado recozido por solução.
- Os parafusos e porcas para o disco e a gaxeta de válvulas construídas em aço inoxidável austenítico, liga Monel e ligas à base de níquel devem ter composições químicas idênticas às do corpo da válvula.
- Os materiais da caixa de gaxeta e do flange do jugo devem ser idênticos ou equivalentes ao material do corpo da válvula.
- A gaxeta de grafite deve ser de grafite puro resistente à corrosão (pureza ≥ 99,8%).
- Os materiais dos parafusos devem atender aos requisitos da ASTM A320 B8M Classe 2.
- As juntas utilizadas em ambientes corrosivos por névoa salina devem ser fornecidas com relatórios de teste de névoa salina para os materiais metálicos.
- As peças fundidas de aço inoxidável austenítico destinadas a serviço em temperaturas ultrabaixas (abaixo de -101°C) devem ser submetidas a testes de impacto.
- Todos os materiais de aço inoxidável devem atender ao requisito de dupla certificação 304/304L — atendendo tanto à composição química do 304L quanto às propriedades mecânicas do 304.
- O fornecedor deve fornecer documentação de Identificação Positiva de Material (PMI) para todas as válvulas de liga, incluindo corpo e tampa.
Princípio de Projeto para Materiais Criogênicos: O aço carbono e outros metais com rede cúbica de corpo centrado (CCC) estão sujeitos à fragilização a frio em baixas temperaturas, enquanto a tenacidade ao impacto do aço inoxidável austenítico e outros metais com rede cúbica de face centrada (CFC) não é essencialmente afetada por baixas temperaturas. Três faixas de temperatura criogênica são comumente aplicadas no projeto: -46°C (aço carbono para baixa temperatura), -101°C e -196°C (aços inoxidáveis austeníticos da série 300).
7. Projeto à Prova de Fogo e Antiestático
A válvula deve incorporar recursos de projeto à prova de fogo e antiestático. A resistência máxima de todo o caminho de descarga estática não deve exceder 10² Ω. O projeto antiestático deve fornecer continuidade elétrica entre a haste e o corpo da válvula para dissipar a carga estática e eliminar riscos potenciais. Todas as válvulas com sede resiliente devem ser equipadas com dispositivos antiestáticos.
Quando são necessários desempenho de vazamento zero e resistência ao fogo, a válvula deve ser projetada de acordo com a API 607 (exceto para válvulas revestidas de borracha). A superfície de vedação do assento normalmente emprega uma configuração de vedação dupla de material não metálico e metal:
- Vedação Primária:
- Vedação Secundária:
Os testes de fogo devem ser realizados de acordo com a BS 6755 ou API 607, e o fabricante deve fornecer certificados de segurança contra incêndio API 6FA ou API 607.
8. Vedação e Operação
O fornecedor deve fornecer desenhos detalhados de todas as áreas de vedação da válvula. Deve-se dar preferência a vedações com anéis de vedação (O-ring). Onde for utilizado empacotamento, deve ser fornecido empacotamento com mola.
Válvulas borboleta de 8 polegadas ou maiores devem ser fornecidas com acionadores por engrenagem. Para válvulas operadas manualmente, a força máxima de operação no aro do volante ou alavanca durante a operação criogênica e os testes de desempenho não deve exceder 360 N.
A válvula deve operar suavemente em todas as posições durante uma vida útil de cinco (5) anos.
9. Travamento da Válvula
Dispositivos de travamento devem ser fornecidos nas posições totalmente fechada e totalmente aberta. Válvulas operadas manualmente devem ser capazes de ser travadas com um cadeado.
A caixa de engrenagens para válvulas de acionamento manual deve ser do tipo engrenagem helicoidal, totalmente fechada e preenchida com lubrificante adequado.
10. Soldagem e Exame Não Destrutivo (END)
Soldagem de encaixe não será aceita. Flanges soldados diretamente ao corpo da válvula não serão aceitos.
Requisitos de END:
Tipo de Válvula | Requisito de Exame |
Válvulas de aço inoxidável fundido classe 900 e superiores | 100% RT |
Válvulas de aço inoxidável fundido ou forjado classe 600 e superiores | 100% MT ou PT |
Todas as outras válvulas | Mínimo 10% de cada lote, pelo menos uma válvula; 100% RT + 100% PT para extremidades soldadas de topo |
Superfícies do assento pós-soldagem | 100% PT |
11. Teste de Pressão e Vazamento
Os itens de teste da válvula devem incluir:
- Teste do corpo
- Teste de operação sem carga
- Teste de vazamento do assento
- Teste de capacidade de suporte de pressão do disco
Requisitos de Teste por Tipo de Válvula:
Tipo de Válvula | Teste do Corpo | Teste do Assento Traseiro* | Teste do Assento de Baixa Pressão | Teste do Assento de Alta Pressão |
Válvula Gaveta | Obrigatório | Obrigatório | Obrigatório | Opcional |
Válvula Globo | Obrigatório | Obrigatório | Opcional | Obrigatório |
Válvula de Plug | Obrigatório | N/A | Obrigatório | Opcional |
Válvula de Retenção | Obrigatório | N/A | Opcional | Obrigatório |
Válvula de Esfera Flutuante | Obrigatório | N/D | Obrigatório | Opcional |
Válvula Borboleta / Válvula de Esfera com Munhão | Obrigatório | N/A | Obrigatório | Opcional |
Nota: Todas as válvulas com capacidade de vedação de assento traseiro (exceto válvulas com vedação de fole) devem ser submetidas a teste de assento traseiro.
Os testes de pressão hidráulica devem ser realizados utilizando óleo hidráulico ou agentes de emulsão de água para evitar ferrugem. Após o teste hidrostático, a válvula deve ser completamente purgada e seca até que o ponto de orvalho atenda aos requisitos especificados. O traçado elétrico de calor pode ser aplicado ao corpo da válvula durante a fase de purga para acelerar a evaporação da água residual.
Critérios de Vazamento:
- 1.1 × Teste de Pressão Pneumática:
- Válvulas com sede macia: Conforme ISO 5208 Taxa A.
- Válvulas com sede metálica: Duas vezes a Taxa D da ISO 5208.
- Teste de Gás de Baixa Pressão:
- Válvulas com sede macia: Conforme ISO 5208 Taxa A.
- Válvulas com sede metálica: Conforme ISO 5208 Taxa D.
O teste de baixa vazamento deve ser realizado de acordo com a ISO 15848-1. Para válvulas borboleta com sede metálica, os requisitos de taxa de vazamento devem estar em conformidade com a API 598.
12. Teste Criogênico
Após o teste à temperatura ambiente, o teste de temperatura ultrabaixa (a -196°C) deve ser realizado de acordo com a BS 6364, incluindo:
- Teste de desempenho operacional criogênico
- Teste de desempenho de vedação criogênica (gaxeta + juntas de flange + sede)
- Teste de vida cíclica criogênica
Procedimento de Teste Criogênico:
- Imersão da válvula em um tanque de nitrogênio líquido (com a tampa e o prensa-gaxetas localizados acima do nível do nitrogênio líquido).
- Manter a imersão por tempo suficiente para garantir o equilíbrio estável da temperatura do corpo da válvula.
- Monitorar as temperaturas em vários pontos usando termopares.
- Realizar teste de pressão com gás hélio em temperatura criogênica.
- Ciclar a válvula em 20 operações de abertura e fechamento, medindo o torque de operação no primeiro e no último ciclo.
- Pressurizar gradualmente até a pressão máxima de trabalho permitida e inspecionar todos os pontos de vedação.
- Manter a pressão por 15 minutos, seguido de despressurização lenta.
Precauções de Segurança:
- Evitar queimaduras criogênicas; o pessoal operacional deve estar equipado com roupas de proteção, sapatos de segurança e luvas criogênicas.
- Garantir ventilação adequada durante a descarga de gás hélio para evitar riscos de asfixia.
- Estabeleça uma zona de perigo restrita durante o teste de pressão pneumática e proíba a entrada de pessoal não autorizado.
Capítulo 2: Válvulas Borboleta Triplo-Excêntricas para Baixa Temperatura para Serviço em GNL
1. Conceito Triplo-Excêntrico e Características Estruturais
As três excentricidades da válvula borboleta triplo-excêntrica para baixa temperatura para serviço em GNL são definidas como excentricidade do eixo, excentricidade esférica e excentricidade da superfície de vedação:
- Excentricidade do Eixo:
- Excentricidade Esférica:
- Deslocamento da Superfície de Vedação:
2. Características de Desempenho
- Desempenho de Vedação Superior:
- Operação Sem Atrito:
- Alta Capacidade de Fluxo:
- Curso de Operação Curto:
- Ampla Faixa de Aplicação:
- Longa Vida Útil:
- Capacidade de Modulação:
3. Configuração de Entrada Superior
As válvulas borboleta de temperatura ultrabaixa para GNL são classificadas em duas configurações de entrada superior:
(1) Válvula Borboleta de Entrada Superior Verdadeira
O disco é do tipo de entrada superior, permitindo que todo o conjunto do disco, haste e anel de vedação sejam removidos pela parte superior do corpo da válvula para manutenção. A manutenção em linha é possível independentemente do tamanho da válvula. A conexão entre o corpo e a tampa é uma única junta, com apenas um possível caminho de vazamento externo.
(2) Válvula Borboleta de Entrada Superior Lateral
O disco adota um arranjo de entrada lateral, com o corpo estendido em um lado e equipado com uma abertura de acesso para manutenção. A manutenção requer que o pessoal alcance ou entre na câmara de acesso, resultando em menor capacidade de manutenção. Esta configuração possui duas conexões (corpo-tampa e abertura de acesso-tampa), criando dois caminhos potenciais de vazamento externo.
Capítulo 3: Válvula de Retenção Borboleta Controlada Hidraulicamente
1. Especificações de Aplicação e Desempenho
A válvula de retenção borboleta de controle hidráulico combina as funções de bloqueio e retenção em uma única válvula, substituindo duas válvulas separadas. Ela fecha em dois estágios — fechamento rápido e fechamento lento — de acordo com um programa pré-definido, eliminando e suprimindo efetivamente os efeitos de golpe de aríete causados por quedas repentinas de energia ou paradas de emergência das bombas, além de evitar a reversão do fluxo que causa a rotação reversa da turbina da bomba.
Especificações de Desempenho:
Parâmetro | Valor |
Diâmetro Nominal (DN) | DN600 ~ DN3000 |
Pressão Nominal (PN) | 0,6 ~ 1,6 MPa |
Temperatura de Operação | ≤ 80°C |
Meio Adequado | Água, derivados de petróleo e outros fluidos não corrosivos |
2. Construção e Princípio de Funcionamento
O conjunto da válvula consiste em três componentes principais: o corpo da válvula, atuador hidráulico, unidade de potência hidráulica e painel de controle elétrico. O design do acumulador substitui o contrapeso convencional, oferecendo uma estrutura compacta, leve e simples, com funcionalidade abrangente.
Parâmetros de Temporização de Operação da Válvula:
Parâmetro | Valor |
Tempo de Abertura | 20 ~ 120 segundos |
Tempo de Fechamento Rápido | 2 ~ 30 segundos (ângulo aprox. 65° ± 10°) |
Tempo de Fechamento Lento | 2 ~ 60 segundos (ângulo aprox. 25° ± 10°) |
Princípio de Operação Hidráulica:
- Operação Normal:
- Abertura da Válvula:
- Fechamento da Válvula:
- Retenção de Posição:
- Operação Manual:
3. Instalação, Operação e Manutenção
Precauções de Instalação:
- Limpe o corpo da válvula, as superfícies de vedação do disco e o furo interno antes da instalação.
- Os parafusos do flange devem ser apertados uniformemente e em sequência simétrica.
- Certifique-se de que a superfície de vedação esteja orientada a montante e o eixo da válvula posicionado a jusante em relação ao sentido do fluxo.
Manutenção do Acumulador:
- Não carregue com oxigênio, ar comprimido ou qualquer gás inflamável.
- Pressão de carregamento de nitrogênio:
- DN ≤ 600: 6,5 ~ 8,5 MPa
- DN ≥ 700: 7,0 ~ 9,0 MPa
- Inspecione a pressão do gás da bexiga semanalmente durante o primeiro mês e, em seguida, mensalmente.
Gerenciamento de Óleo Hidráulico:
- Use óleo hidráulico nº 20 ou nº 30, ou óleo hidráulico antidesgaste nº 46.
- A amostragem e análise devem ser realizadas trimestralmente; os filtros devem ser limpos periodicamente.
- O tanque de óleo deve ser completamente limpo durante as trocas de óleo; é estritamente proibida a mistura de diferentes graus de óleo.
Capítulo 4: Códigos e Normas Técnicas
Os requisitos técnicos para válvulas borboleta criogênicas especificados aqui devem estar em conformidade com as seguintes normas:
Nº da Norma | Título |
API 609 | Válvulas Borboleta: Tipos de Dupla Flange, Lug e Wafer |
59A (NFPA) | Norma para Produção, Armazenamento e Manuseio de Gás Natural Liquefeito (GNL) |
ISO 14313 | Indústrias de Petróleo e Gás Natural — Sistemas de Transporte por Dutos — Válvulas para Dutos |
ISO 5208 | Válvulas Industriais — Teste de Pressão em Válvulas Metálicas |
BS 6364 | Válvulas para Serviço Criogênico |
BS 6755 | Teste de Válvulas |
MESC SPE 77/200 | Válvulas para Serviço de Baixa Temperatura e Criogênico |
ISO 15848-1 | Válvulas Industriais — Procedimentos de Medição, Teste e Qualificação para Emissões Fugitivas |
Conclusão
Após décadas de desenvolvimento, a tecnologia de válvulas borboleta evoluiu de válvulas borboleta convencionais para válvulas borboleta com sede metálica de triplo deslocamento, de serviço em temperatura ambiente para serviço criogênico, e de funções de bloqueio único para funções combinadas de bloqueio e retenção. As filosofias de projeto, os sistemas de materiais e as metodologias de teste foram continuamente refinados.
As válvulas borboleta criogênicas de triplo deslocamento, com seu desempenho de vedação superior e características livres de atrito, tornaram-se a solução preferida para GNL e outras aplicações criogênicas. As válvulas borboleta de retenção com controle hidráulico, por meio da tecnologia de acumuladores e sequências de fechamento em estágios, garantem efetivamente a operação segura dos sistemas de estações de bombeamento.
Profissionais de engenharia nos processos de seleção e projeto de válvulas devem aderir estritamente aos códigos e normas aplicáveis, considerando plenamente as condições de serviço e a adequação dos materiais, para garantir a operação segura, confiável e de longo prazo das válvulas.
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