A válvula esfera, assim como a borboleta e a macho, fazem parte do grupo de válvulas com abertura em um quarto de volta. Ela possui esse nome pois seu obturador tem formato esférico. A válvula esfera é uma das válvulas mais usadas na indústria em geral.
A fim de trazer a você uma noção do quão grande é o uso das válvulas esfera pelo mundo, separei alguns exemplos impressionantes: a plataforma FPSO Cidade de Angra dos Reis, operada pela Petrobras na Bacia de Santos, possui mais de 1.000 válvulas esfera em operação entre os sistemas de produção de óleo, tratamento de água e separação de gás (Fonte: Valve Magazine). Já a refinaria de petróleo de Yanbu, na Arábia Saudita, possui mais de 2.500 válvulas esfera em operação em seus sistemas, tais quais processamento de petróleo bruto, destilação e tratamento de água (Fonte: Valve World). De acordo com relatório da MarketsandMarkets Research, o mercado global de válvulas esfera foi avaliado em US$ 9,1 bilhões em 2020, com uma projeção de crescimento para US$ 11,3 bilhões até 2025.
O objetivo deste artigo é trazer a você, leitor, uma visão geral sobre esta válvula, tornando-o capaz não só de comprar uma válvula esfera, como também de entender as variações e características adicionais a este tipo de equipamento. Para começar, nós da Franik recomendamos fortemente que você conheça as normas de construção que delimitam os escopos de projetos dos fabricantes (API 6D, API 608, BS 5351, MSS SP 72, ASME B.16.10 entre outras…), mas se ler normas não for uma opção, deixe com a gente!
A seguir abordaremos os seguintes tópicos:
-Componentes da válvula esfera;
-Possíveis extremidades de instalação;
-Passagem plena ou passagem reduzida
-Construção side entry ou top entry;
-Corpo monobloco, bipartido ou tripartido;
-Válvula esfera flutuante x válvula esfera trunion;
-Sede resiliente x sede metálica;
-Por que devo me preocupar com face a face;
-Modelos e configurações não convencionais (dupla esfera, criogênica, fire-safe, NACE, DPE/SPE…).
2) Componentes da Válvula Esfera
Naturalmente, os componentes vão variar um pouco, dependendo da configuração da válvula. Mas, falando de uma válvula esfera convencional, temos: corpo, tampa, esfera, haste, sede, anéis de vedação, gaxetas, juntas, mancais, porcas e parafusos. A seguir, você terá duas imagens que lhe auxiliarão a ter uma melhor compreensão do assunto:
– Corpo/Tampa
De maneira geral, o conjunto corpo e tampa é o que você visualiza externamente, além do acionamento. Definir o que exatamente é o corpo e o que é a tampa pode variar de acordo com o modelo do corpo (bipartido, tripartido, side entry, top entry. Abordaremos estes modelos mais à frente neste artigo).
– Esfera
Conhecido de forma genérica como obturador, é responsável efetivamente pelo bloqueio da passagem. Esta peça pode ser construída em material igual ou diferente do corpo e tampa, e até mesmo revestida por um terceiro material, como o cromo, por exemplo.
– Haste
Componente mecânico responsável pela transferência da força/torque aplicado ao dispositivo de acionamento (alavanca ou atuador). Geralmente, esta peça acompanha o mesmo material da esfera. Os modelos atuais comumente possuem um dispositivo à prova de expulsão (blow-out proof), cuja montagem é feita de dentro para fora da válvula, exigência da norma ISO 17292 (antiga BS 5351). Seu principal objetivo é fazer com que a haste não seja expulsa da válvula pela pressão do fluido.
– Vedações (sedes, gaxetas, juntas, anéis)
Este é um assunto tão rico em suas variações e possibilidades, que merece um artigo à parte (quem sabe não escrevo e envio a vocês nos próximos meses). Mas de forma simples, nos modelos convencionais, a válvula possui um sistema de vedação composto por sede, junta, o-rings e alguns modelos com anéis, como você pode observar na imagem acima. O sistema de vedação se localiza entre a esfera e o corpo da válvula. De maneira geral, o contato da esfera (obturador) com as sedes gera a vedação. As sedes podem ser metálicas ou de materiais termoplásticos, também chamados de resilientes (explicarei melhor sobre mais adiante neste artigo).
Dica Franik: sempre que surgir dúvida sobre o nome de um componente da válvula, procure olhar seu desenho técnico ou catálogo, lá são identificados todos os componentes.
2) Possíveis extremidades de instalação
As extremidades de instalação da válvula esfera seguem o padrão das demais, sendo elas: roscadas, flangeadas ou soldadas. Existem outras aplicações específicas, como hub end, dupla anilha, entre outras, que não serão abordadas neste artigo. No entanto, se necessário, sinta-se à vontade para entrar em contato por e-mail e explicaremos melhor.
– Flangeadas:
são as mais utilizadas devido à facilidade de instalação, sendo o seu face a face regido pela ASME B16.10 e API 6D. Quando aparafusamos uma válvula à tubulação, usamos flanges. Os flanges podem ser Face Plana/FP (flat face/FF), Face Ressalto/FR (riser face/RF), Face Junta Anel/FJA (ring type joint/RTJ) e variam de acordo com a classe de pressão e peculiaridades da linha.
– Soldadas:
elas podem ser BW ou SW (butt weld ou socket weld), conhecidas em português como solda de topo ou encaixe para a solda. As válvulas são soldadas à linha quando trabalham com fluidos tóxicos, letais ou em altas temperaturas e pressões. Suas desvantagens em relação às flangeadas estão na dificuldade em serem substituídas. Mais do que as demais, a válvula esfera deve ter um cuidado especial ao ser soldada, pois o calor do procedimento pode derreter as sedes resilientes/termoplásticas. Por este motivo, é comum especificarmos extremidades encaixe para solda com niples de extensão, pois desta forma o calor do procedimento se dissipa ao longo do niple, sem a necessidade de desmontar a válvula para proteger suas sedes.
– Roscadas:
são utilizadas em pequenos diâmetros, geralmente para baixas pressões. Na grande maioria das vezes, a rosca pode ser NPT ou BSP, mas em casos de válvulas para instrumentação ou algumas outras aplicações, você também encontrará roscas LP, MP ou HP (low pressure, medium pressure e high pressure).
Abaixo, coloquei uma imagem da mesma válvula com extremidades diferentes para melhor compreensão:
3) Passagem plena ou passagem reduzida
Imagine a avenida que você usa para ir trabalhar. Agora, imagine que uma das faixas foi interditada. A retenção que isso causa no trânsito pode ser comparada a um termo que chamamos de perda de carga quando o assunto é transporte de fluidos. A perda de carga causada por uma válvula esfera é, entre outros fatores menores, em função do tipo de passagem dela.
Passagem plena: neste caso, o diâmetro interno (onde o fluido passará) da válvula tem o mesmo diâmetro da tubulação (salvo discrepâncias de schedule), gerando assim uma perda de carga muito próxima a zero (quando a esfera não possui revestimento). Uma vez que a perda de carga é próxima a zero, a vazão é alta, o que pode ser uma desvantagem no controle de fluidos, pois, por conta da diferença de pressão, esta válvula tem a maior tendência a desenvolver cavitação quando parcialmente aberta ou fechada do que as demais.
Passagem reduzida: neste caso, o diâmetro interno da válvula é menor que o diâmetro da tubulação. Por conta dessa redução na passagem do fluido, sua velocidade de escoamento aumenta. É justamente esta velocidade de escoamento no interior da válvula que a torna melhor para controle de fluido em comparação à passagem plena. A desvantagem é que essa redução gera uma diminuição no volume do fluido e um aumento em seguida, resultando em maiores perdas de carga.
4) Construção Side entry ou Top entry
Top Entry: São válvulas menos comuns e mais caras, onde o conjunto de corpo e tampa são orientados horizontalmente de forma que a tampa é retirada por cima da válvula. Sua estrutura se assemelha a válvulas globo e gaveta. Embora menos comuns, geralmente são usadas em casos específicos de alta pressão devido à sua maior resistência estrutural do corpo e tampa.
Side Entry: É provável que, se você já tenha visto alguma válvula esfera antes, ela seja side entry, pois a grande maioria das válvulas são feitas dessa forma. Tanto as vedações como a própria esfera (obturador) e haste são montadas lateralmente na válvula.
5) Corpo monobloco, bipartido ou tripartido
Neste tópico, estamos falando da forma como o corpo é montado. Anteriormente, mencionei as partes da válvula chamadas de corpo e tampa, e essas partes estão diretamente relacionadas ao fato da válvula ser monobloco, bipartida ou tripartida.
– Monobloco:
as válvulas de corpo único possuem um anel roscado que possibilita a instalação da esfera (obturador) e anéis de vedação dentro da válvula. Válvulas de corpo monobloco sempre serão flutuantes e geralmente são encontradas em diâmetros pequenos e baixo rating de pressão. No entanto, existem válvulas monoblocos que vão até 12″ e classe 600. Observação: para casos como este, você poderá encontrar pessoas chamando o anel roscado de tampa.
– Bipartida:
esta válvula tem seu corpo composto por duas partes. Essas duas partes podem ser simétricas ou assimétricas, sendo uma delas o corpo e a outra a tampa. Os modelos assimétricos possuem a esfera (obturador) separada da haste, ou seja, sendo duas peças distintas, o que permite um melhor engaxetamento na montagem. De qualquer forma, assimétricas ou não, o fabricante deve sempre assegurar as devidas condições de estanqueidade previstas em norma, para o diâmetro e classe em questão.
– Tripartida:
válvulas de corpo em três partes possuem as duas extremidades chamadas de tampa e a parte central onde é alojada a esfera (obturador) chamada de corpo. Este modelo costuma ser usado em grandes diâmetros ou classes de pressão mais altas em materiais forjados.
6) Válvula esfera flutuante x válvula esfera trunnion
– Esfera flutuante:
a válvula recebe este nome porque a esfera tem contato apenas por um eixo superior e, devido a isso, fica “solta” ou sujeita a deslocamento no corpo da válvula. Alguns artigos, inclusive, dirão que a esfera flutua livremente dentro do corpo da válvula, mas cuidado com a imaginação ao tentar entender esta flutuação. Tentarei elucidar melhor a questão. Ao ser montada, a esfera (obturador) de uma válvula flutuante é pré-comprimida contra as sedes de forma a obtermos uma pequena vedação inicial. Neste momento, após a montagem, a esfera fica assentada sobre as sedes, ocasionando uma vedação inicial com baixa estanqueidade. Quando a válvula entra em operação aberta, pouca coisa acontece, pois o diferencial de pressão a montante e a jusante é praticamente nulo. Porém, quando a válvula é fechada, o fluido empurra a esfera contra a sede que está a jusante, comprimindo a esfera na sede que antes estava somente assentada. Desta forma, garante-se não só que haja vedação, como também que, à medida que o tempo passe e as sedes sejam desgastadas, o movimento da esfera continue acontecendo contra a sede, de forma a manter a estanqueidade.
– Esfera trunnion:
a válvula trunnion resolve dois pontos negativos da válvula flutuante: o maior torque necessário à abertura, devido ao deslocamento da esfera, e o desgaste da sede a jusante. Através de um eixo superior e outro inferior, a esfera é fixa no corpo da válvula, não permitindo que a pressão do fluido influencie no torque ou desgaste das sedes. As sedes são empurradas uniformemente contra a esfera, seja pela pressão do fluido que percorre caminho atrás das sedes, ou por molas responsáveis por este movimento. A presença ou não de molas depende do projeto e das pressões e diâmetros da válvula.
7) Sede Resiliente x Sede Metálica
As sedes compõem a vedação da válvula por meio do contato com o obturador (isso se aplica a qualquer tipo de válvula). A forma como essas sedes são dispostas ao redor da esfera pode ser observada na imagem do capítulo 1 (Componentes da Válvula Esfera). Essas sedes podem ser feitas de dois materiais: resilientes (termoplásticos) ou metálicos.
– Resilientes (termoplásticos):
são popularmente utilizados devido ao seu menor custo e facilidade de ajuste. O PTFE reforçado é o material mais utilizado, embora existam outros, como PEEK, Devlon etc. É importante entender que, ao utilizar uma válvula esfera com sede resiliente, sua temperatura de operação estará diretamente limitada pela temperatura máxima admissível pelo material da sede. Sede resiliente não é recomendada para fluidos com partículas em suspensão.
– Metálicas:
são mais caras, pois além do custo de matéria-prima ser mais elevado, exigem um grau de acabamento superficial muito maior para que, em contato com a esfera, consigam vedar o fluido. São comumente utilizadas para serviços em alta temperatura e em fluidos viscosos ou com partículas em suspensão, que deixam sedimentos no interior da válvula. É comum também encontrarmos sedes metálicas com revestimento de stellite.
8) Por que devo me preocupar com face a face?
Imagine que você comprou uma válvula de materiais nobres cujo tempo de fabricação é de 160 dias. No dia em que a válvula foi recebida e sua planta foi paralisada para a instalação, sua equipe de manutenção informou que a válvula não se encaixa. Complicado, não é mesmo? O problema do face a face é justamente na substituição de válvulas existentes, pois para uma válvula de mesmo diâmetro e classe podem existir no mínimo duas medidas possíveis. De acordo com a ASME B16.10, existe um padrão curto (short pattern) e um padrão longo (long pattern) que variam conforme o diâmetro, classe, extremidade e tipo da válvula, e ainda existem outras variações de normas ou fabricações especiais. Mas não se preocupe, na dúvida, ligue para a gente que te auxiliamos com essa questão! A seguir, você verá um exemplo da tabela de face a face da ASME B16.10.
9) Modelos e configurações não convencionais (Fire-Safe, NACE, Dupla Esfera, Criogênicas…)
Válvula Esfera Fire-Safe: Válvulas que operam em refinarias ou plataformas de petróleo estão constantemente operando com fluidos inflamáveis e, por este motivo, essas válvulas precisam ser à prova de fogo (ISO 10497, antiga BS6755 PT2, API 6FA e API 607). Materiais resilientes/termoplásticos não suportam altas temperaturas, por isso, as válvulas de sede resiliente à prova de fogo precisam ter uma sede secundária metálica capaz de garantir a vedação da válvula nos parâmetros previstos em norma (API 607 e API 6FA) sob situação de incêndio.
Dica Franik: Sempre ao comprar uma válvula esfera Fire-Safe, exija seu certificado Fire Safe. A válvula ser Fire-Safe é diferente de ela ter design Fire-Safe.
– Válvulas Esfera NACE:
Ocasionalmente é requerido que a válvula esfera esteja adequada a duas normas NACE: a NACE MR0175 – Materiais para uso em ambientes contendo H2S na produção de petróleo e gás e a NACE MR0103 – Materiais resistentes à fissuração por tensão de sulfeto em ambientes de refino. O sulfeto de hidrogênio (H2S), conhecido também como gás da morte, não é apenas um gás venenoso, mas também um causador de trincas por corrosão sob tensão em aços ligas. Essas normas estabelecem padrões para a seleção dos materiais utilizados em equipamentos envolvidos nesses processos e, por isso, a documentação da válvula (certificados de matéria-prima, entre outros certificados) precisam contemplar os padrões especificados nesta norma.
– Válvula DBB ou Dupla Esfera:
Alguns processos produtivos ao redor do mundo possuem um grau de criticidade muito alto, onde falhas devem ser evitadas a todos os custos. Nestes casos, válvulas de dupla esfera costumam ser requeridas. Elas possuem em um mesmo corpo duas esferas separadas por uma câmara de alívio. Cada esfera possui seu sistema de vedação próprio, de forma a gerar uma duplicidade em linha. Uma das vantagens deste modelo é a capacidade de isolar e testar cada seção do sistema de tubulação.
– Válvula Esfera para uso Criogênico:
Quando falamos de gases, seu transporte pode ser feito de duas formas: através de gasodutos ou através da movimentação rodoviária/ferroviária/marítima em tanques. Para maior aproveitamento do espaço desses tanques, os gases são comprimidos até que tornem-se líquidos em baixíssimas temperaturas. Este é um exemplo do uso de processos criogênicos, dentre os inúmeros utilizados mundo a fora. Para processos como estes, onde as baixas temperaturas alteram as características mecânicas dos aços, as válvulas esferas precisam ter características específicas conforme MSS SP-134 e BS 6364, como, por exemplo, castelos estendidos, de forma que o engaxetamento da haste esteja mais próximo da temperatura ambiente.
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