O que uma válvula de pressão faz?

Guia da válvula de pressão

As válvulas de pressão são dispositivos de segurança essenciais que controlam, regulam e aliviam a pressão nos sistemas de fluidos. Este guia abrangente cobre válvulas de alívio de pressão, válvulas de redução de pressão, reguladores de pressão e dispositivos de controle de pressão em aplicações industriais.

O controle de pressão é fundamental em qualquer sistema que lça líquidos ou gases sob pressão. Esteja você lidando com caldeiras a vapor, sistemas hidráulicos ou redes de distribuição de água, as válvulas de pressão servem como o mecanismo de segurança primário que impede falhas catastróficas e otimizando o desempenho do sistema.

O que é uma válvula de pressão? (Definição e funções principais)

Uma válvula de pressão é um dispositivo de controle de fluxo automático projetado para regular a pressão do sistema, abrindo para liberar excesso de pressão ou fechamento para manter condições de operação estáveis. Essas válvulas de controle de pressão funcionam como dispositivos de segurança e otimizadores de desempenho.

Funções primárias:

Regulamento de pressão:Mantém a pressão do sistema dentro dos limites predeterminados
Proteção de excesso de pressão:Evita o dano do equipamento liberando excesso de pressão
Controle de fluxo:Ajusta o fluxo de fluido para otimizar a eficiência do sistema
Garantia de segurança:Atua como a última linha de defesa contra falhas relacionadas à pressão

Definição técnica:

De acordo com a seção I ASME BPVC, um dispositivo de alívio de pressão é "um dispositivo acionado pela pressão estática de entrada e projetado para abrir durante condições de emergência ou anormais para evitar aumento da pressão interna do fluido em excesso de um valor especificado".

Como as válvulas de controle de pressão funcionam: princípios técnicos

Mecanismo operacional básico

As válvulas de alívio de pressão operam sobre o princípio do equilíbrio de força:

Equação de equilíbrio de força:F₁ (força de pressão de entrada) = f₂ (força de mola) + f₃ (força de contrapressão)

Onde:

F₁ = P₁ × A (Área de Disco de Pressão de Entrada × Efetiva)
F₂ = Distância de compressão constante da mola ×
F₃ = P₂ × A (Área de Backpressure × Disco)

Sequência operacional:

Defina pressão:A válvula permanece fechada quando a pressão do sistema
Pressão de rachaduras:A abertura inicial ocorre em 95-100% da pressão definida
Elevador completo:Abertura completa em 103-110% da pressão definida (por API 526)
Pressão de reação:A válvula fecha em 85-95% da pressão definida (derramamento típico)

Parâmetros técnicos -chave:

Parâmetro	Definição	Faixa típica
Defina pressão	Pressão em que a válvula começa a abrir	10-6000 psig
Expressa excessiva	Pressão acima define a pressão durante a descarga	3-10% da pressão definida
Explosão	Diferença entre o conjunto e a pressão de reatamento	5-15% da pressão definida
Pressão de volta	Pressão a jusante afetando o desempenho da válvula	<10% da pressão definida (convencional)
Coeficiente de fluxo (CV)	Fator de capacidade da válvula	Varia de acordo com o tamanho/design

Tipos de dispositivos de controle de pressão: Especificações técnicas

1. Válvulas de segurança de pressão (PSV) e válvulas de alívio de segurança (SRV)

Padrões técnicos:Criador ASME BPVC I & VIII, API 520/526

Válvulas de segurança com mola

Faixa operacional:15 psig a 6.000 psig
Faixa de temperatura:-320 ° F a 1.200 ° F.
Faixa de capacidade:1 a 100.000 mais SCFM
Materiais:Aço carbono, aço inoxidável 316/304, Inconel, Hastelloy

Cálculo da capacidade (serviço de gás):W = ckdp₁kshkv ‘(m/t)

Onde:

W = capacidade necessária (lb/h)
C = coeficiente de descarga
KD = fator de correção do coeficiente de descarga
P₁ = Definir pressão + sobrepressão (PSIA)
Ksh = fator de correção de superaquecimento
KV = fator de correção de viscosidade
M = peso molecular
T = temperatura absoluta (° r)

Válvulas de alívio de segurança operadas por piloto (POSRV)

Vantagens:Desligamento apertado, grande capacidade, tagarelagem reduzida
Faixa de pressão:25 psig a 6.000 psig
Precisão:± 1% da pressão definida
Aplicações:Serviço de gás de alta capacidade, aplicações críticas de processo

2 válvulas de redução de pressão (reguladores de pressão)

Padrões técnicos:ANSI/ISA 75.01, IEC 60534

Reguladores de pressão de ação direta

Taxa de redução de pressão:Até 10: 1
Precisão:± 5-10% da pressão definida
Faixa de fluxo:0,1 a mais de 10.000 gpm
Tempo de resposta:1-5 segundos

Fórmula de dimensionamento:Cv = q√ (g/(Δp))

Onde:

CV = coeficiente de fluxo
Q = Taxa de fluxo (GPM)
G = gravidade específica
ΔP = queda de pressão (psi)

Válvulas de redução de pressão operadas por piloto

Taxa de redução de pressão:Até 100: 1
Precisão:± 1-2% da pressão definida
Rangeabibilidade:100: 1 Típico
Aplicações:Aplicações de redução de alta pressão e alta pressão

3. Reguladores de pressão traseira e válvulas de controle

Função:Mantenha a pressão constante a montante controlando o fluxo a jusante

Especificações técnicas:

Faixa de pressão:5 psig a 6.000 psig
Coeficiente de fluxo:0,1 a 500+ cv
Precisão:± 2% da pressão definida
Materiais:316 SS, Hastelloy C-276, Inconel 625

Aplicações industriais e estudos de caso

Indústria de geração de energia

Válvulas de segurança da caldeira a vapor (ASME Seção I)

Capacidade necessária:Deve descarregar todo o vapor gerado sem exceder 6% acima da pressão definida
Requisitos mínimos:Uma válvula de segurança por caldeira; Duas válvulas para superfície de aquecimento> 500 pés quadrados
Teste:Teste de levantamento manual a cada 6 meses (alta pressão) ou trimestralmente (baixa pressão)

Estudo de caso: usina de 600 MW

Pressão de vapor principal: 2.400 psig
Pressão do conjunto da válvula de segurança: 2.465 psig (103% da pressão operacional)
Capacidade necessária: 4,2 milhões de lb/h vapor
Configuração: Válvulas de segurança com mola de 8 "x 10" múltiplas

Indústria de petróleo e gás

Sistemas de segurança de pressão do pipeline (API 521)

Pressão de projeto:1,1 × pressão de operação máxima permitida (MAOP)
Dimensionamento da válvula de segurança:Com base em cenários de fluxo e pressão máximos antecipados
Materiais:Serviço de gás azedo requer conformidade com NACE MR0175

Estudo de caso: estação de gasoduto de gás natural

Pressão operacional: 1.000 psig
Pressão do conjunto da válvula de segurança: 1.100 psig
Requisito de capacidade: 50 mmscfd
Instalação: 6 "x 8" válvula de alívio de segurança operada por piloto

Tratamento e distribuição de água

Estações de válvula de redução de pressão

Pressão de entrada:150-300 psig (suprimento municipal)
Pressão de saída:60-80 psig (rede de distribuição)
Faixa de fluxo:500-5.000 GPM
Precisão de controle:± 2 psi

Exemplo de cálculo hidráulico:

Para um prv de 6 ", reduzindo 200 psig para 75 psig a 2.000 gpm:

CV necessário = 2.000√ (1,0/125) = 179
Selecione 6 "Válvula com CV = 185

Processamento químico e petroquímico

Sistemas de proteção contra reatores

Condições operacionais:500 ° F, 600 psig
Cenários de alívio:Expansão térmica, reações descontroladas, falha de resfriamento
Materiais:Hastelloy C-276 para serviço corrosivo
Dimensionamento:Com base na análise de cenário de pior caso, por API 521

Critérios de seleção e cálculos de engenharia

Parâmetros de desempenho

Classificações de pressão (ASME B16.5):

Aula	Classificação de pressão a 100 ° F
Classe 150	285 psig
Classe 300	740 psig
Classe 600	1.480 psig
Classe 900	2.220 psig
Classe 1500	3.705 psig

Deating de temperatura:

As classificações de pressão devem ser derradas para temperaturas elevadas de acordo com as tabelas de pressão de temperatura ASME B16.5.

Guia de seleção de material

Serviço	Material corporal	Material de acabamento	Material de mola
Água	Aço carbono, bronze	316 SS	Fio de música
Vapor	Aço carbono, 316 SS	316 SS, STELLITE	Inconel X-750
Gás azedo	316 SS, Duplex SS	Estrelito, inconsciente	Inconel X-750
Criogênico	316 SS, 304 SS	316 SS	316 SS
Alta temperatura	Aço carbono, aço de liga	Estrelito, inconsciente	Inconel X-750

Cálculos de dimensionamento

Para serviço líquido (API 520):

Área necessária:A = (gpm × √g) / (38,0 × kd × kw × kc × √Δp)

Onde:

A = área de descarga efetiva necessária (in²)
Gpm = taxa de fluxo necessária
G = gravidade específica
KD = coeficiente de descarga (0,62 para líquidos)
KW = fator de correção de pressão traseira
KC = fator de correção de combinação
Δp = define pressão + sobrepressão - pressão traseira

Para serviço de gás/vapor (API 520):

Fluxo crítico:A = w/(ckdp₁kb)
Fluxo subcrítico:A = 17,9w√ (tz/mkdp₁ (p₁-p₂) kb)

Padrões de instalação e manutenção

Requisitos de instalação (ASME BPVC)

Instalação da válvula de segurança:

Tubulação de entrada:Curto e direto, evite cotovelos dentro de 5 diâmetros de tubo
Tubulação de saída:Dimensionado por 10% de pressão traseira máxima
Montagem:Preferido vertical, aceitável horizontal com suporte
Isolamento:Válvulas de bloco proibidas na entrada; aceitável na saída se bloqueado aberto

Instalação da válvula de redução de pressão:

Filtro a montante:Mínimo de 20 malha para serviço limpo
Linha de desvio:Para operação de manutenção e emergência
Manus de pressão:Monitoramento a montante e a jusante
Válvula de alívio:Proteção a jusante contra a sobrepressão

Cronogramas e procedimentos de manutenção

Requisitos de inspeção da API 510:

Inspeção visual:A cada 6 meses
Teste operacional:Anualmente
Teste de capacidade:A cada 5 anos
Revisão completa:A cada 10 anos ou por recomendações de fabricante

Procedimentos de teste:

Definir teste de pressão:Verifique a pressão de abertura dentro de ± 3% da configuração
Teste de vazamento de assento:API 527 Classe IV (5.000 cc/h no máximo)
Teste de capacidade:Verificar o desempenho do fluxo atende aos requisitos de design
Teste de pressão de volta:Avalie o desempenho em condições do sistema

Tecnologias de manutenção preditiva

Teste de emissão acústica:

Detecção:Vazamento interno, desgaste do assento, fadiga de primavera
Faixa de frequência:20 kHz a 1 MHz
Sensibilidade:Pode detectar vazamentos <0,1 gpm

Análise de vibração:

Aplicações:Classificação piloto da válvula, ressonância da mola
Parâmetros:Amplitude, frequência, análise de fase
Tendência:Dados históricos para previsão de falhas

Padrões e certificações de conformidade

Caldeira ASME e código do vaso de pressão

Seção I (caldeiras de energia):

Requisitos de capacidade:As válvulas de segurança devem evitar aumento da pressão> 6% acima da pressão definida
Válvulas mínimas de segurança:Um por caldeira, dois se superfície de aquecimento> 500 pés quadrados
Teste:Levantamento manual a cada 6 meses (alta pressão) ou trimestralmente (baixa pressão)

Seção VIII (vasos de pressão):

Requisitos do dispositivo de alívio:Todos os vasos de pressão requerem proteção de sobrepressão
Defina pressão:Para não exceder o MAWP de equipamento protegido
Capacidade:Com base no pior cenário de cenário por API 521

Implementação de padrões da API

API 520 (dimensionamento do dispositivo de relevo):

Escopo:Abrange válvulas de alívio convencionais, equilibradas e operadas por piloto
Métodos de dimensionamento:Fornece procedimentos de cálculo para todos os tipos de fluidos
Instalação:Especifica os requisitos de tubulação e a integração do sistema

API 526 (válvulas de alívio de aço flangeado):

Padrões de design:Requisitos dimensionais, classificações de temperatura de pressão
Materiais:Aço carbono, especificações de aço inoxidável
Teste:Requisitos de teste de aceitação de fábrica

API 527 (tensão no assento comercial):

Classe I:Sem vazamento visível
Classe II:40 cc/h por polegada de diâmetro do assento
Classe III:300 cc/h por polegada de diâmetro do assento
Classe IV:1.400 cc/h por polegada de diâmetro do assento

Padrões internacionais

IEC 61511 (Sistemas Instrumentados de Segurança):

Classificação SIL:Requisitos de nível de integridade de segurança para proteção de pressão
Teste de prova:Testes periódicos para manter a função de segurança
Taxa de falha:Taxas de falha máxima permitida para sistemas de segurança

Solução de problemas e análise de falhas

Modos de falha comuns

Abertura prematura (Simmer):

Causas:

As perdas de tubulação de entrada excedem 3% da pressão definida
Vibração ou pulsação no sistema
Detritos no assento da válvula
Defina a pressão muito perto da pressão operacional

Soluções:

Aumente o tamanho da tubulação de entrada (velocidade <30 pés/s para líquidos, <100 pés/s para gases)
Instale o amortecedor de pulsação
Limpe o assento da válvula e o disco
Aumentar a margem entre a operação e a pressão definida (> 10%)

Falha em abrir:

Causas:

Corrosão ou ligação da primavera
Pressão de volta excessiva (> 10% da pressão definida)
Saída ou ventilação conectada
Escala ou corrosão em partes móveis

Soluções:

Substitua a mola, atualize os materiais
Reduza a pressão das costas ou use o projeto da válvula equilibrada
Obstruções claras, aumente o tamanho da tubulação de saída
Limpo e lubrificar, considere diferentes materiais

Vazamento excessivo:

Causas:

Dano ao assento de detritos ou corrosão
Disco distorcido do ciclismo térmico
Carga inadequada do assento (fadiga da mola)
Ataque químico a superfícies de vedação

Soluções:

As superfícies do assento e do disco
Substitua o disco, melhore o design térmico
Substitua a mola, verifique se a pressão do conjunto
Atualizar materiais para compatibilidade química

Técnicas de diagnóstico

Teste de fluxo:

Propósito:Verifique a capacidade real vs. de design
Método:Medir o fluxo de descarga a 110% da pressão definida
Aceitação:± 10% da capacidade de projeto por API 527

Análise metalúrgica:

Aplicações:Investigação de falhas, seleção de material
Técnicas:Análise SEM, teste de dureza, avaliação de corrosão
Resultados:Determinação de causa raiz, recomendações de materiais

Impacto econômico e considerações de custo

Custo total de propriedade

Investimento inicial:

Válvula de alívio padrão:US $ 500 a US $ 5.000, dependendo do tamanho/materiais
Válvula operada por piloto:US $ 2.000 a US $ 25.000 para aplicações complexas
Custos de instalação:25-50% do custo do equipamento

Custos operacionais:

Perdas de energia:As válvulas de vazamento desperdiçam 1-5% da energia do sistema
Manutenção:US $ 200 a US $ 2.000 anualmente por válvula
Teste e certificação:$ 500- $ 1.500 por válvula a cada 5 anos