Por que uma Válvula Flutuante DN50 Classe 300 Vaza a 0,2 MPa

01 | O Ensaio Que Esconde o Problema

Uma válvula esférica flutuante DN50 Classe 300 válvula passa no ensaio de corpo e no ensaio de assento à múltipla especificada da pressão nominal, é embalada, enviada, instalada e, em seguida, apresenta gotejamento numa linha de transferência operando a 0,2 MPa. A válvula não é defeituosa. Ela foi testada a uma pressão à qual nunca estará submetida em serviço, e o mecanismo de vedação de que depende não opera à pressão à qual efetivamente está submetida.

O ensaio hidrostático sobrecarrega fortemente um assento macio e o válvula selam facilmente. A 0,2 MPa, o mesmo assento praticamente não oferece assistência por pressão, e tudo depende da pré-carga incorporada durante a montagem. Nada em uma sequência normal de testes verifica essa condição, a menos que o comprador a solicite especificamente.

Figura 1. Esfera flutuante DN50 (2 polegadas), classe 300 válvula em corpo WCB, com o tamanho, a classe e o material marcados na fundição do corpo. A esfera é sustentada apenas pelos dois anéis de assento. Shanghai Xiazhao Válvula .

02 | Número de Tensão de Contato

A vazão nos assentos é um problema de tensão de contato, não de pressão. A força axial é igual à diferença de pressão multiplicada pela área do orifício. A área de contato é igual à circunferência do assento multiplicada pela largura da faixa de contato. Ao dividir uma pela outra, o diâmetro do orifício se cancela, resultando numa única relação.

sigma ≈ dP × D / (4 × w); D = diâmetro do assento (mm), w = faixa de contato (mm), dP em MPa, sigma em MPa

Com uma faixa de contato típica de 3 mm, um DN50 válvula a 0,2 MPa desenvolve cerca de 0,8 MPa de tensão de contato no assento. A 5,1 MPa, a classificação Classe 300, o mesmo assento suporta cerca de 21 MPa. Um DN25 a 0,2 MPa opera com tensão de contato próxima de 0,4 MPa. Contra um assento de RPTFE cuja resistência à compressão está na faixa de dezenas de megapascals, o caso de baixa pressão é carregado com apenas alguns por cento do que o material pode suportar. A contribuição da pressão desapareceu efetivamente e a vedação opera exclusivamente com a pré-carga.

Tabela 1. Tensão de contato indicativa no assento, faixa de contato de 3 mm

A tabela também explica um padrão que surpreende os compradores: quanto menor o válvula , pior o comportamento em baixa pressão. Um DN25 tem menos da metade da tensão de contato de um DN50 à mesma diferença de pressão, pois a força de empuxo diminui com o quadrado do diâmetro nominal, enquanto a circunferência de contato diminui apenas linearmente.

E explica por que a classe não afeta essa falha. Elevar um DN50 de Classe 300 para Classe 600 altera a classificação, mas não a tensão de contato a 0,2 MPa. Se a linha opera a 0,2 MPa, o válvula é de 0,2 MPa válvula qualquer coisa que estiver gravada no corpo.

03 | Por que a pré-carga desaparece com o tempo

A pré-carga é uma força armazenada na mola, proveniente da geometria do assento, da compressão do elastômero ou de uma mola explícita. Três mecanismos a consomem, e todos os três são invisíveis na fábrica.

Deformação permanente por compressão. Um assento macio sofre deformação permanente sob carga, e a força que causou essa deformação relaxa. Um válvula que ficou fechado sob diferencial total por um ano chega à sua primeira operação em baixa pressão com menos pré-carga do que tinha no banco de testes.

Ciclagem térmica. Cada ciclo entre a temperatura ambiente e a temperatura da linha — e vice-versa — relaxa uma fração da pré-carga, e essa perda se acumula. Um válvula em uma linha que aquece e esfria diariamente é diferente de um válvula após duzentos ciclos.

Fechamento prolongado. Um assento que permanece pressionado contra uma esfera imóvel sofre fluência. Romper a vedação e reassegurar o assento restaura parte do contato, razão pela qual um operador que aciona duas vezes uma válvula com vazamento frequentemente relata que o vazamento cessou, pelo menos por algum tempo.

O serviço com gás agrava cada um desses problemas. Um gás não apresenta nenhum efeito útil de autoenergização até que a pressão se acumule, e também permeia o assento e se descomprime através dele durante a descida. Uma válvula flutuante com assento macio em gás de baixa pressão é um dos casos mais difíceis em qualquer catálogo, e é rotineiramente especificada como se fosse água.

04 | Três Soluções Que Funcionam

Aumentar a pré-carga é a solução mais barata. Um assento com arruela de mola ou uma mola de assento mais pesada mantém a tensão de contato acima do limiar de vedação em baixa diferença de pressão. O custo surge na outra extremidade da faixa: maior pré-carga significa mais atrito e mais torque em alta diferença de pressão, e, em uma válvula operada por alavanca DN50, isso pode ser a diferença entre uma alavanca e um redutor.

Alterar o princípio do assento é a solução mais robusta. Um assento com assistência de pressão, com pistão separado que vedará numa pequena área efetiva, produz uma tensão de contato muito maior para a mesma pressão da linha. A contrapartida é a direcionalidade: normalmente, um assento de pistão veda apenas numa direção e deve ser especificado com sua orientação; uma versão bidirecional geralmente custa mais. Para uma linha de baixa pressão que deve vedar em ambas as direções, essa continua sendo, na maioria das vezes, a resposta correta.

Alterar o projeto é a solução honesta quando a aplicação é genuinamente exigente. Na dimensão DN50, um corpo de tipo trunnion ou de entrada superior, com assento carregado por mola, oferece um comportamento previsível em baixa pressão, a um custo que um flutuante genérico válvula não consegue igualar. Vale a pena em uma linha onde a fuga tem consequências, mas é desperdício em uma linha onde isso não ocorre.

O que não funciona é especificar um menor válvula , uma classe mais elevada ou uma marca mais cara. Nenhum desses fatores altera a tensão de contato em 0,2 MPa. Esse valor é determinado pelo diâmetro interno, pela largura da faixa e pela pré-carga.

05 | O que incluir na especificação

A especificação deve descrever a pressão mais baixa na qual o válvula deve vedar, não apenas a pressão mais alta que deve suportar. A Tabela 2 converte a reclamação de campo habitual na linha que deveria ter constado na folha de dados.

Tabela 2. Sintoma no campo, causa e linha da especificação que o evita

O critério de aceitação é tão importante quanto a pressão de ensaio. Ausência de vazamento não é uma especificação; as classes de vazamento é que o são. A Taxa A da norma ISO 5208 significa ausência de vazamento visualmente detectável, o que os compradores normalmente entendem por 'zero'. As taxas B, C e D permitem vazamentos progressivamente maiores, escalonados conforme o DN, e um assento metálico válvula normalmente é aceito contra uma taxa posterior àquela aplicada a um assento macio. Especificar a taxa, o meio e a pressão elimina discussões durante a comissionamento.

Cinco linhas, na ordem seguinte:

• Pressão diferencial mínima de trabalho na qual a válvula deve vedar, indicada como uma valor .
• Ensaio de vedação do assento nessa pressão, além do ensaio padrão de alta pressão no assento.
• Aceitação de vazamento por classe, conforme ISO 5208 (Taxas A a D), com indicação explícita do meio de ensaio.
• Material do assento e base da pré-carga, solicitados ao fabricante em vez de assumidos.
• Número esperado de ciclos e duração da vedação, fatores que determinam se a deformação permanente por compressão constitui um problema de projeto.

Apêndice A | Ativo de imagem

A Figura 1 está incorporada na Seção 01 na sua resolução entregue. O ficheiro entregue tem 1440 x 960 px, o que é adequado para uma imagem web de 15 cm, mas deve ser reexportado a partir da fotografia original para uso em impressão.

Apêndice B | Normas Referenciadas e Notas sobre Dados

API 598. Válvula Inspeção e ensaios. Define os requisitos para os ensaios do corpo e do assento; a pressão de ensaio do assento é um múltiplo da classificação, razão pela qual não representa serviço de baixa pressão.

ISO 5208. Industrial válvulas - Ensaios de pressão em válvulas metálicas. As taxas de fuga A a D são expressas como fuga admissível por DN e por unidade de tempo, sendo esta a forma correta de estabelecer um critério de aceitação.

API 608. Válvula de esfera metálica Válvulas - Extremidades flangeadas, roscadas e soldadas. Abrange a faixa de diâmetro pequeno com flanges, onde os designs flutuantes são padrão.

ASME B16.34. Válvulas - Extremidades flangeadas, roscadas e soldadas. Classe 300 em aço carbono com classificação de pressão de 51,0 bar a 38 °C, utilizada aqui apenas como pressão de referência.