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Uma válvula de alívio de pressão é a última linha de defesa contra sobrepresão em vasos de pressão e sistemas de tubulação. A norma API 520 (Partes I e II) rege o dimensionamento, a seleção e a instalação de dispositivos de alívio de pressão nas indústrias de refino de petróleo e afins. A norma API 521 fornece a metodologia de engenharia para identificar cenários de sobrepresão e projetar sistemas de alívio. A norma API 526 padroniza as áreas de orifício, as dimensões e as classes de pressão de válvulas de alívio de pressão em aço com flanges. Este artigo, destinado a engenheiros e profissionais de compras, resume os princípios da seleção da pressão de ajuste, a lógica da seleção da válvula e o método de cálculo da capacidade de alívio.
Fig. 1 Corte esquemático de uma válvula convencional com mola válvula de segurança — conjunto de assento, disco e mola
1. Equipamentos que exigem proteção por alívio
A API 521 exige proteção contra sobrepressão para vasos de pressão, trocadores de calor, aquecedores a fogo direto e quaisquer trechos de tubulação que possam ficar bloqueados por expansão térmica ou flutuações de pressão a montante.
Princípio da proteção em grupo: uma válvula de alívio protege um grupo de equipamentos — ou seja, os situados entre duas válvulas de isolamento e sujeitos à mesma fonte de sobrepressão — em vez de proteger cada vaso individualmente. Devem ser avaliados os seguintes cenários de sobrepressão:
- Saída bloqueada — fechamento de uma válvula de isolamento a jusante que aprisiona o sistema sob sobrepressão;
- Entrada de calor externo em condições de incêndio;
- Reação química descontrolada ou expansão térmica do meio contido;
- Perda de utilidades (água de refrigeração, energia elétrica ou ar instrumental);
- Sobrepressão causada pela falha de uma válvula de controle de pressão a montante.
Numa planta de ácido sulfúrico, o conversor, o reservatório tampão de descarga do soprador de SO₂, o coletor de vapor e o tambor de vapor da caldeira de recuperação de calor de pressão intermediária são os principais itens a serem protegidos.
2. Critérios-chave de seleção
Tipo de válvula: a mola-carregada válvula de segurança é o tipo mais amplamente utilizado. A norma API 526 define catorze designações-padrão de orifício, identificadas por letras de D a T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), abrangendo toda a faixa de requisitos comuns de capacidade de alívio. Quando a contrapressão exceder 10% da pressão de ajuste, deve-se selecionar uma válvula com fole balanceado. As válvulas pilotadas suportam contrapressões mais elevadas e variáveis e são adequadas para serviços limpos com alta diferença de pressão (ΔP).
Pressão de ajuste: conforme ASME Seção VIII e API 520, para casos sem incêndio, a pressão máxima de alívio é 110% da pressão de projeto (acúmulo de 10%). Para casos com incêndio, é permitida uma pressão de 121% (sobrepresão de 21%).
Verificação da pressão de retorno: para uma válvula convencional com mola, uma pressão de retorno acima de 10% da pressão de ajuste reduz a elevação e a capacidade de descarga. Uma válvula com fole balanceado utiliza um fole cuja área efetiva é igual à área do assento, eliminando o efeito da pressão de retorno sobre a pressão de ajuste.
Fig. 2 Corte esquemático de uma válvula com mola válvula de segurança — com conjunto de fole
3. Capacidade de alívio e dimensionamento da abertura
A área da garganta do bocal deve ser dimensionada para a taxa máxima de alívio sob a condição anormal. A norma API 520 Parte I fornece os métodos de dimensionamento para fluxo de gás/vapor, líquido e bifásico.
Serviço com gás/vapor (fluxo crítico):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
onde:
- A — área efetiva de descarga exigida;
- W — taxa de alívio em massa (kg/h);
- C — coeficiente do gás, função da razão de calores específicos k;
- Kd — coeficiente efetivo de descarga (0,975 para gás/vapor conforme API 520);
- P1 — pressão de alívio, absoluta;
- Kb — fator de correção de contrapressão;
- T — temperatura de alívio (K);
- Z — fator de compressibilidade;
- M — massa molar do meio.
Observações sobre o cálculo: cada fonte anormal deve ser identificada individualmente. Por exemplo, num gerador de vapor de calor residual, a vazão de alívio deve incluir a geração máxima de vapor mais a evaporação adicional causada pelo calor da entrada de fogo; caso contrário, o orifício será subdimensionado e a proteção falhará.
Destino da descarga: a API 521 exige que meios inflamáveis e tóxicos sejam direcionados para uma tocha ou para um sistema fechado de coleta. Cenários de alívio que apresentem risco de explosão em nuvem de vapor devem ser tratados por meio de uma tocha, de um sistema de baixa pressão, de um sistema HIPS ou de uma reformulação do projeto.
4. Requisitos de instalação e tubulação
Tubulação de entrada: a API 520 Parte II exige que a válvula de alívio seja instalada o mais próximo possível do equipamento protegido, e a perda de pressão na tubulação de entrada não deve exceder 3% da pressão de ajuste (a "regra dos 3%"). Perdas excessivas causam vibração (chattering) ou abertura retardada.
Tubulação de saída: o corpo da válvula não deve suportar a tubulação de saída; esta requer suporte independente e deve permitir expansão térmica. A linha de descarga deve ser disposta para drenagem por gravidade, evitando acúmulo de condensado que possa afetar a pressão de retorno.
Múltiplas válvulas em um coletor comum: quando várias válvulas de alívio descarregam em um coletor comum, deve-se avaliar a pressão de retorno acumulada no coletor sobre o desempenho de levantamento de cada válvula.
5. Estudo de caso de campo
Um tanque de reciclagem de H₂SO₄ a 98,5 % em uma fábrica de ácido sulfúrico foi projetado como um "tanque atmosférico" e não foi equipado com uma válvula de alívio. Durante a partida, a válvula de traçagem a vapor apresentou vazamento, a temperatura do ácido no tanque aumentou e vapor se acumulou. A pressão subiu brevemente para 0,04 MPa, expulsando a junta da tampa de inspeção no teto do tanque e permitindo a saída de ácido sulfúrico.
Posteriormente, conforme os requisitos de ventilação API 2000 para tanques de armazenamento atmosféricos e de baixa pressão, foi instalado um conjunto combinado de válvula respiradora e válvula de alívio, com pressão de ajuste de 0,03 MPa e capacidade de alívio dimensionada para a taxa máxima de geração de vapor.
Ponto-chave: um projeto atmosférico não significa que nunca possa ocorrer sobrepressão. O aquecimento, reações químicas e operações incorretas devem todos ser incluídos na análise de cenários de sobrepressão.
Conclusão
A lógica de engenharia para válvulas de alívio pode ser resumida como: configurar válvulas por fonte de sobrepressão (proteção em grupo), dimensionar a abertura para o fluxo anormal, selecionar o tipo de válvula com base na pressão de retorno e no meio, e controlar a perda de pressão na entrada conforme a regra dos 3%. A estrutura API 520/521/526 fornece uma cadeia completa, desde a identificação de cenários e o dimensionamento até a verificação da instalação. Um artigo subsequente discutirá discos de ruptura e seu uso combinado com válvulas de alívio.
Referências
API 520 Parte I / Parte II — Dimensionamento, Seleção e Instalação de Dispositivos de Alívio de Pressão, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Sistemas de Alívio e Despressurização, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Válvulas de Alívio de Pressão em Aço com Flanges, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Ventilação de Tanques de Armazenamento Atmosféricos e de Baixa Pressão, American Petroleum Institute (API).
Código ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão, Seção VIII, Divisão 1 — acúmulo máximo de 10% para casos sem fogo e acúmulo de 21% para casos com fogo.
Shanghai Xiazhao Valve — soluções de válvulas de alívio de pressão e válvulas especiais. Para suporte na seleção conforme norma API ou consultas técnicas, entre em contato com nossa equipe de engenharia.
