Válvulas de segurança – PSV

Autor: Arthur Cardozo Matias

Regra para Ajustar as Válvulas de Segurança do Balão de Vapor e do Superaquecedor da Caldeira

Toda caldeira na qual sua área de troca térmica é maior do que 500 pés² (46,5 m²), assim como caldeiras elétricas cuja potência de entrada é maior do que 1100 Kw, é exigido pelo Código ASME Seção I (parágrafo 67.1) no mínimo duas válvulas de segurança, cuja capacidade de vazão seja igual ou maior que a capacidade de vaporização da caldeira. Em caldeiras com superfície de troca térmica combinadas (tubos e superfície de troca estendidas), superiores a 500 pés², duas ou mais válvulas de segurança somente são necessárias se a capacidade de vaporização de projeto da caldeira excede 4000 lbs/hr (1814,4 kg/h). Se esta caldeira for provida de superaquecedor, as válvulas que protegem o balão de vapor devem ser responsáveis por 75% da capacidade de vaporização da caldeira, os 25% restantes devem ser protegidos pela (s) válvula (s) de segurança instalada (s) no superaquecedor.

 

Porém, qual deve ser a sequência das pressões de abertura dessas válvulas? Qual delas deve atuar primeiro num evento de sobrepressão da caldeira e porquê?

 

Uma das válvulas de segurança instaladas no balão de vapor deve ser ajustada para abrir num valor que seja igual ou menor que o valor da PMTA (Pressão Máxima de Trabalho Admissível) da caldeira. A segunda válvula ou a última, caso o balão de vapor seja protegido por mais de duas válvulas de segurança, deve ser ajustada para abrir em até 3% acima do valor da PMTA. Se as válvulas instaladas no balão de vapor tiverem tamanhos diferentes, consequentemente, capacidades de vazão diferentes, aquela com menor capacidade de vazão também deverá ser ajustada para abrir num valor menor (no mesmo valor da PMTA ou abaixo deste, por exemplo) que da segunda da válvula. A capacidade de vazão nominal da válvula menor também deverá ser maior que 50% da válvula maior.

 

Para as caldeiras de vapor saturado, a faixa de ajuste das válvulas instaladas no balão de vapor não deve ultrapassar 10% do valor daquela com pressão de ajuste maior.

 

A válvula de segurança do superaquecedor é normalmente ajustada num valor abaixo da primeira válvula instalada no balão de vapor, assim, se existe uma condição de aumento de pressão da caldeira acima de sua pressão normal de operação, ela pode atuar antes das válvulas do balão. Essa menor pressão de ajuste é devido à inerente queda de pressão através dos tubos do superaquecedor e a localização da válvula de segurança ser na saída deste.

 

Desta forma, o que define qual deve ser o valor da pressão de ajuste dessa válvula é a queda de pressão existente entre o balão de vapor e a saída do superaquecedor. Com isto, há uma regra recomendada para calcular qual deve ser a pressão de ajuste dessa válvula. Esta regra deve ser como segue:

 

Pressão de operação do balão de vapor – pressão de operação na saída do superaquecedor = ΔP (Pressão diferencial ou queda de pressão).

 

A esta pressão diferencial entre o balão de vapor e a saída do superaquecedor deve ser adicionado um fator de segurança de 20 psi (1,4 bar) = X

 

Observação: Esse fator de segurança (fator X) vai garantir que a válvula de segurança que protege o superaquecedor atue antes da primeira válvula de segurança do balão de vapor.

 

PMTA da caldeira – X = pressão de ajuste da válvula de segurança do superaquecedor.

 

 Num exemplo prático, desprezando-se qual seja a capacidade de vaporização, fabricante e modelo da caldeira, podemos colocar os seguintes valores:

 

PMTA da caldeira = 850 psig (58,6 barg)

 

Pressão de operação do balão de vapor = 768,7 psig (53 barg)

 

Pressão de operação na saída do Superaquecedor = 725,2 psig (50 barg)

 

Queda de pressão entre o balão de vapor e a saída do superaquecedor = 43,5 psi (3 bar)

 

 A queda de pressão normal ocorre durante o fluxo de vapor por uma caldeira aquatubular provida de superaquecedor. Essa queda de pressão se dá devido à passagem do vapor saturado (vindo do balão de vapor) pelos tubos do superaquecedor, transformando-o em vapor superaquecido (transformação isobárica). Em condições normais de operação, se houver um aumento no volume do vapor produzido pela caldeira haverá também um aumento na queda de pressão, entre o balão de vapor e o superaquecedor. Este aumento na queda de pressão, também ocorre quando há um aumento no consumo (pelo processo) do vapor superaquecido produzido pela caldeira.

 

A queda de pressão, entre ambos, e os devidos valores de pressão de ajuste das válvulas de segurança, são calculados e definidos durante a fase de projeto da caldeira, devendo estes valores serem mantidos durante toda sua vida operacional, exceto se houver alguma reforma significativa da caldeira e que venha a alterar sua capacidade de vaporização e/ou seu valor de PMTA. Tais valores variam pela capacidade de vaporização da caldeira, faixa de pressão, tamanho do superaquecedor e diferença entre a temperatura de saturação do vapor para sua temperatura de superaquecimento na saída da caldeira.

 

  Com os dados acima podemos definir os valores de pressões de ajuste de cada válvula. Assim, esses valores serão:

 

Pressão de ajuste da primeira válvula de segurança do balão de vapor, ou seja, aquela com menor valor de pressão de ajuste e menor capacidade de vazão (menor área do orifício do bocal) das válvulas do balão de vapor deverá ser ajustada para abrir num valor igual ou menor que o valor da PMTA da caldeira, portanto, 850 psig (58,6 barg). Se esta caldeira for protegida por duas válvulas de segurança no balão de vapor, a pressão de ajuste da segunda válvula deverá ser de no máximo 3% acima da PMTA (ASME Seção I parágrafo PG 67.3). Então esta será ajustada para abrir em 875,5 psig (60,3 barg). Sendo que a queda de pressão entre o balão de vapor e a saída do superaquecedor é equivalente a 43,5 psi (3 bar), a este valor de queda de pressão devemos acrescentar o fator de segurança de 20 psi (1,4 bar), então utilizando a regra descrita acima, a válvula de segurança que protege o superaquecedor deverá ser ajustada com: 850 – (43,5 + 20) = 786,5 psig (54,2 barg)

 

Desta forma o escalonamento da pressão de ajuste entre elas será distribuído com os seguintes valores:

 

Válvula de segurança do superaquecedor = 786,5 psig (54,2 barg)

 

1ª Válvula de segurança do balão de vapor = 850 psig (58,6 barg)

 

2ª Válvula de segurança do balão de vapor = 875,5 psig (60,3 barg).

 

  Com isto, a primeira válvula de segurança instalada no balão de vapor (que é aquela que possui menor pressão de ajuste), irá abrir somente quando for atingida a pressão de alívio da válvula de segurança do superaquecedor, mantendo o fluxo normal de vapor d’água saturado para proteger os tubos deste contra superaquecimento.

 

A sobrepressão real, alcançada por cada válvula, será maior do que aquela na qual ela foi dimensionada. Esta sobrepressão é baseada na severidade da condição de aumento de pressão da caldeira. Dependendo da capacidade de vazão requerida pelo processo (menor consumo de vapor ou válvula de bloqueio principal fechada na saída da caldeira) no momento em que a pressão normal é elevada, a válvula do superaquecedor abre e alcança seu curso máximo (máxima pressão de alívio). Se a pressão continuar a subir, a primeira válvula do balão irá atuar e alcançará seu curso máximo a 3% de sobrepressão. Se a caldeira atingir sua máxima capacidade de vaporização, a segunda válvula do balão também irá atuar, porém, agora ela irá impedir qualquer aumento de pressão e volume de vapor na caldeira, além de sua pressão de alívio, mantendo a acumulação máxima de 6% exigidos pelo código ASME. As válvulas do balão de vapor só abrem por insuficiência da válvula do superaquecedor

 

 A capacidade de alívio creditada para todas as válvulas de segurança é a soma da capacidade de vazão efetiva a 3% de sobrepressão. O resultado desta soma deve ser igual ou maior do que a máxima capacidade de vaporização da caldeira. Na realidade, a sobrepressão alcançada por cada válvula será maior do que 3% dependendo da pressão final obtida. As válvulas com pressões de ajuste mais elevadas alcançam menores valores de sobrepressão. A segunda ou última válvula (se houver mais que duas), instalada no balão de vapor, não consegue (e nem pode) alcançar mais do que 3% de sobrepressão.

 

No exemplo exposto, para uma condição de máxima vaporização da caldeira, a válvula de segurança do superaquecedor alcançará uma sobrepressão de 12,71%; a 1ª válvula do balão de vapor alcançará 6% e a 2ª válvula do balão 3%, considerando-se que no mínimo a soma das capacidades de vazão das três válvulas de segurança seja igual à capacidade de vaporização da caldeira estabelecida a 6% de acumulação de acordo com o projeto do fabricante da caldeira. Quando a máxima acumulação de 6% for alcançada dentro da caldeira significa que suas válvulas de segurança foram corretamente projetadas e dimensionadas.

 

 – Conclusão Final – A válvula de segurança que protege os tubos do superaquecedor deve sempre atuar primeiro para evitar o superaquecimento daqueles tubos devido à falta de circulação de vapor d’água saturado. O vapor saturado mesmo estando numa temperatura elevada, esta temperatura ainda será menor que aquela do vapor superaquecido, consequentemente, refrigerando aqueles tubos. Portanto, quando a válvula de segurança instalada no superaquecedor abre para aliviar o excesso de pressão, uma parte do volume do vapor superaquecido é descarregado por esta válvula (aproximadamente 15 a 25% da capacidade de vaporização da caldeira), com isto ela permite a entrada de vapor d’água saturado. Vale destacar que com esta sequência de aberturas, o limite de temperatura suportado pelos materiais dos tubos do superaquecedor não são alcançados devido à refrigeração proporcionada pelo vapor d’água saturado.

 

Então, a válvula de segurança do superaquecedor deverá sempre ser a primeira a abrir e a última a fechar. Essa sequência evita a falta de vapor d’água saturado fluindo pelos tubos do superaquecedor, consequentemente, proporcionando maior refrigeração. Tanto no balão de vapor quanto no superaquecedor, as pressões de fechamento de suas respectivas válvulas de segurança deverão estar acima da pressão normal de operação da caldeira naquelas regiões.

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