Tudo o que você precisa saber sobre válvulas de controle pneumáticas

Uma válvula de controle pneumática usa ar comprimido como fonte de energia e um cilindro pneumático como atuador. Com o auxílio de acessórios como posicionadores de válvulas elétricas, conversores, válvulas solenoides e válvulas de retenção abertas, ele aciona a válvula para obter controle liga/desliga ou proporcional. Ele recebe sinais de controle de sistemas de controle de automação industrial para regular vários parâmetros de processo do meio na tubulação, como vazão, pressão e temperatura. As principais características das válvulas de controle pneumáticas são seu mecanismo de controle simples, resposta rápida e natureza intrinsecamente segura, o que elimina a necessidade de medidas adicionais à prova de explosão.

As válvulas de controle pneumático normalmente consistem em um atuador pneumático e uma válvula de controle, que são instalados e comissionados juntos. Os atuadores pneumáticos podem ser classificados em tipos de ação simples e dupla; os atuadores de ação simples contêm uma mola de retorno, enquanto os atuadores de ação dupla não. Em caso de perda de suprimento de ar ou falha repentina, um atuador de ação única retornará automaticamente à posição inicialmente aberta ou fechada da válvula.

As válvulas de controle pneumático são classificadas por seu modo de operação em tipos ar-aberto e ar-fechado, também conhecidos como tipos normalmente abertos e normalmente fechados. A operação ar-abrir ou ar-fechar de uma válvula de controle pneumática é normalmente obtida por meio da ação direta ou reversa do atuador e de diferentes configurações de montagem do corpo da válvula.

Modos de operação das válvulas de controle pneumático:

No tipo ar-aberto (normalmente fechado), quando a pressão do ar na cabeça do diafragma aumenta, a válvula se move na direção do aumento da abertura; quando o limite superior da pressão do ar de entrada é atingido, a válvula está na posição totalmente aberta. Por outro lado, quando a pressão do ar diminui, a válvula se move na direção de fechamento; na ausência de ar de entrada, a válvula fica totalmente fechada. Portanto, comumente nos referimos às válvulas de controle ar-abertura como válvulas de falha no fechamento.

O tipo ar-fechar (normalmente aberto) opera na direção oposta ao tipo ar-abrir. Quando a pressão do ar aumenta, a válvula se move em direção à posição fechada; quando a pressão do ar diminui ou está ausente, a válvula se move em direção à posição aberta ou até ficar totalmente aberta. Portanto, as válvulas de controle ar-fechamento são comumente chamadas de válvulas de falha aberta.

A escolha entre válvulas ar-abertura e ar-fechamento é determinada sob a perspectiva da segurança do processo. Depende se é mais seguro para a válvula de controle estar na posição fechada ou na posição aberta quando o fornecimento de ar é cortado.

Por exemplo, no controle de combustão de um forno de aquecimento, onde uma válvula de controle é instalada no gasoduto de combustível para regular o fornecimento de combustível com base na temperatura da câmara do forno ou na temperatura do material aquecido na saída do forno, é mais seguro selecionar uma válvula de ar para fechar. Isto porque, caso o fornecimento de ar cesse, é preferível que a válvula esteja na posição fechada em vez de totalmente aberta. Se o fornecimento de ar for interrompido enquanto a válvula de combustível estiver totalmente aberta, isso poderá causar superaquecimento e representar um risco à segurança. Outro exemplo é um trocador de calor resfriado por água de resfriamento, onde o material quente é resfriado por meio de troca de calor com a água de resfriamento dentro do trocador. A válvula de controle é instalada no tubo de água de resfriamento, e o fluxo de água de resfriamento é controlado com base na temperatura do material após a troca de calor. Em caso de interrupção do fornecimento de gás, é mais seguro que a válvula de controle esteja na posição aberta; portanto, uma válvula de controle ar-fechamento (FO) deve ser selecionada.

Posicionadores de válvulas

Os posicionadores de válvulas são acessórios essenciais para válvulas de controle e são amplamente utilizados em conjunto com válvulas de controle pneumáticas. Eles recebem o sinal de saída do controlador e o usam para controlar a válvula de controle pneumática. Uma vez acionada a válvula de controle, o deslocamento da haste da válvula é realimentado para o posicionador da válvula através de um mecanismo mecânico, e o status da posição da válvula é transmitido ao sistema de nível superior através de um sinal elétrico. Os posicionadores de válvulas podem ser classificados de acordo com sua forma estrutural e princípio de operação em posicionadores de válvulas pneumáticos, posicionadores de válvulas eletropneumáticos e posicionadores de válvulas inteligentes.

Os posicionadores de válvula aumentam a potência de saída das válvulas de controle, reduzem o atraso na transmissão do sinal, aceleram o movimento da haste da válvula, melhoram a linearidade da válvula, superam as forças de atrito na haste da válvula e eliminam os efeitos de forças desequilibradas, garantindo assim o posicionamento correto da válvula de controle.

Os atuadores são classificados em tipos pneumáticos e elétricos e são divididos em tipos lineares e rotativos. Eles são usados para abrir e fechar automática ou manualmente várias válvulas, amortecedores e dispositivos semelhantes.

Princípios de instalação para válvulas de controle pneumático
(1) As válvulas de comando pneumático devem ser instaladas a uma determinada altura acima do piso, com espaço suficiente por cima e por baixo da válvula para permitir a desmontagem, a montagem e a manutenção. Para válvulas de controle equipadas com posicionadores de válvulas pneumáticos e volantes, é essencial garantir facilidade de operação, observação e ajuste.
(2) As válvulas de controle devem ser instaladas em tubulações horizontais e posicionadas verticalmente em relação à tubulação. Geralmente, a válvula deve ser apoiada por baixo para garantir estabilidade e confiabilidade. Em circunstâncias especiais em que uma válvula de controle precisa ser instalada horizontalmente em um tubo vertical, a válvula também deve ser suportada (exceto para válvulas de controle de pequeno calibre). Durante a instalação, deve-se tomar cuidado para evitar submeter a válvula de controle a tensões adicionais.
(3) A temperatura ambiente de operação da válvula de controle deve estar entre –30°C e +60°C, com umidade relativa não superior a 95%.
(4) Deve haver uma seção de tubo reto a montante e a jusante da válvula de controle, com um comprimento não inferior a 10 vezes o diâmetro do tubo (10 D), para evitar que a seção de tubo reto seja muito curta e afete as características do fluxo.
(5) Se o diâmetro da válvula de controle for diferente daquele da tubulação de processo, um redutor deverá ser usado para conexão. Para válvulas de controle de pequeno diâmetro, podem ser utilizadas conexões roscadas. A seta de direção do fluido no corpo da válvula deve alinhar-se com a direção real do fluxo.
(6) Deve ser instalado um tubo de desvio. O objetivo é facilitar a comutação ou operação manual e permitir a manutenção da válvula de controle sem interromper o processo.
(7) Antes de instalar a válvula de controle, remova completamente qualquer matéria estranha da tubulação, como sujeira ou escória de soldagem.

Falhas comuns e solução de problemas
1. A válvula de controle não funciona
Primeiro, verifique se a pressão de fornecimento de ar está normal e investigue quaisquer falhas no fornecimento de ar. Se a pressão de fornecimento de ar estiver normal, verifique se o amplificador no posicionador ou o conversor eletropneumático está produzindo uma saída; se não houver saída, o orifício constante no amplificador pode estar bloqueado ou a umidade do ar comprimido pode ter se acumulado na válvula esférica do amplificador. Limpe o orifício constante com um fio de aço fino, remova quaisquer detritos ou limpe o suprimento de ar.
Se todos os itens acima estiverem normais e houver sinal, mas nenhum movimento, o atuador estiver com defeito, a haste da válvula estiver dobrada ou o tampão da válvula estiver preso. Nesses casos, a válvula deve ser desmontada para inspeção posterior.

2. Bloqueio da válvula de controle
Se o movimento alternativo da haste da válvula for lento, isso pode ser devido a substâncias altamente viscosas dentro do corpo da válvula, coqueificação e bloqueio, embalagem muito comprimida, envelhecimento da embalagem de PTFE ou haste da válvula dobrada ou arranhada. Falhas de bloqueio em válvulas de controle ocorrem com mais frequência em sistemas recém-comissionados ou durante a fase inicial após grandes revisões. Isso geralmente é causado por escória de soldagem, ferrugem ou outros detritos dentro da tubulação, causando bloqueios nos pontos de estrangulamento ou orientação, impedindo assim o fluxo suave do meio. Alternativamente, isso pode resultar do aperto excessivo da gaxeta durante a manutenção da válvula, aumentando o atrito e levando à falha na resposta a pequenos sinais ou ao excesso de resposta a grandes sinais.
Nesses casos, a linha de desvio ou a válvula de controle devem ser abertas e fechadas rapidamente para permitir que os detritos sejam eliminados pelo meio. Alternativamente, a haste da válvula pode ser fixada com uma chave de tubo e girada com força em ambas as direções enquanto aplica uma pressão de sinal externa, para permitir que o tampão da válvula passe através da área emperrada. Se isso não resolver o problema, aumentar a pressão do suprimento de ar e a potência de acionamento enquanto move a válvula repetidamente para cima e para baixo várias vezes deve resolver o problema. Se a válvula ainda não funcionar, ela precisará ser desmontada. Naturalmente, esta tarefa requer um elevado nível de conhecimentos técnicos e deve ser realizada com a assistência de pessoal técnico qualificado; caso contrário, as consequências poderão ser ainda mais graves.

3. Vazamento de válvula
Vazamentos em válvulas de controle geralmente se enquadram em várias categorias: vazamento interno, vazamento na gaxeta e vazamento causado pela deformação do plugue e do assento. Elas são analisadas abaixo.
(1) Vazamento interno
Se a haste da válvula tiver um comprimento inadequado —por exemplo, se a haste de uma válvula pneumática for muito longa—, o deslocamento para cima (ou para baixo) da haste pode ser insuficiente. Isso cria uma lacuna entre o plugue e o assento, evitando o contato total e resultando em uma má vedação e vazamento interno. Da mesma forma, em válvulas de ar fechado, se a haste for muito curta, pode ocorrer a formação de uma folga entre o plugue e o assento, impedindo o contato total e resultando em uma vedação incompleta e vazamento interno. Solução: A haste da válvula de controle deve ser encurtada (ou alongada) para garantir que a válvula tenha o comprimento correto, eliminando assim vazamentos internos.
(2) Vazamento de embalagem
Após a embalagem ser instalada na câmara de embalagem, a pressão axial é aplicada através da glândula. Devido à deformação plástica do empacotamento, forças radiais são geradas, fazendo com que ele faça contato próximo com a haste da válvula. No entanto, esse contato não é totalmente uniforme; algumas áreas são soltas, outras são apertadas e, em alguns casos, não há contato algum. Durante a operação, ocorre movimento relativo entre a haste da válvula e a gaxeta; isso é conhecido como movimento axial. Sob a influência de altas temperaturas, altas pressões e meios fluidos altamente permeáveis, a câmara de embalagem é uma das áreas mais propensas a vazamentos nas válvulas de controle. A principal causa de vazamento na embalagem é o vazamento na interface; no caso de embalagens têxteis, também pode ocorrer infiltração (onde o meio pressurizado escapa através de pequenos espaços entre as fibras de embalagem). O vazamento da interface entre a haste da válvula e a gaxeta é causado por fatores como a redução gradual da pressão de contato e o envelhecimento da própria gaxeta; nesses casos, o meio pressurizado escapa através do espaço de contato entre a gaxeta e a haste da válvula.
Para facilitar a instalação da embalagem, um chanfro é usinado na parte superior da caixa de enchimento e um anel protetor de metal com pequena folga e alta resistência à erosão é colocado na parte inferior. É importante garantir que a superfície de contato deste anel protetor com a embalagem não seja inclinada, para evitar que a embalagem seja forçada para fora pela pressão do meio. As superfícies da caixa de enchimento em contato com a embalagem devem ser usinadas com precisão para melhorar o acabamento superficial e reduzir o desgaste da embalagem. O grafite flexível é selecionado como material de embalagem devido à sua excelente estanqueidade, baixo atrito, mínima alteração dimensional durante o uso prolongado, baixo desgaste e carbonização, facilidade de manutenção e ao fato de que o atrito permanece inalterado após o reaperto dos parafusos da glândula. Também oferece boa resistência à pressão e ao calor, não é suscetível à erosão pelo meio interno e não causa corrosão ou corrosão do metal em contato com a haste da válvula e o interior da câmara de embalagem. Isso protege efetivamente a vedação da caixa de vedação da haste da válvula, garantindo a confiabilidade da vedação da gaxeta e prolongando significativamente sua vida útil.
(3) Vazamento devido à deformação do tampão e da sede da válvula
A principal causa de vazamento no plugue e no assento da válvula são defeitos de fundição ou forjamento durante o processo de fabricação da válvula de controle, o que pode agravar a corrosão. Além disso, a passagem de meios corrosivos e a ação de lavagem do meio fluido também podem causar vazamento na válvula de controle. A corrosão ocorre principalmente na forma de erosão ou cavitação. Quando meios corrosivos passam pela válvula de controle, eles corroem e impactam os materiais do plugue e do assento da válvula, fazendo com que fiquem elípticos ou deformados de alguma outra forma. Com o tempo, isso leva a uma incompatibilidade entre o plugue da válvula e o assento, criando lacunas que impedem uma vedação firme e resultam em vazamento.

É essencial garantir a seleção correta dos materiais para o plugue e o assento da válvula. Materiais resistentes à corrosão devem ser escolhidos, e produtos que apresentem defeitos como corrosão ou furos devem ser rigorosamente rejeitados. Se a deformação do plugue ou assento da válvula não for severa, uma lixa fina pode ser usada para remover as marcas, melhorando o acabamento da superfície da vedação para melhorar o desempenho da vedação. Se o dano for grave, a válvula deverá ser substituída por uma nova.

4. Oscilação
A rigidez insuficiente da mola na válvula de controle, combinada com um sinal de saída instável e rapidamente flutuante, pode facilmente fazer com que a válvula oscile. Além disso, se a frequência natural da válvula selecionada corresponder à do sistema, ou se a tubulação ou a base de montagem vibrarem violentamente, a válvula de controle vibrará em resposta. A seleção inadequada da válvula, onde a válvula de controle opera em uma pequena abertura, resulta em flutuações significativas na resistência ao fluxo, velocidade e pressão. Quando estes excedem a rigidez da válvula, a estabilidade deteriora-se e, em casos graves, ocorre oscilação.

Como as causas da oscilação são multifacetadas, cada situação deve ser analisada caso a caso. Para vibrações menores, a rigidez pode ser aumentada para eliminar o problema, por exemplo, selecionando uma válvula de controle com uma mola de alta rigidez ou mudando para um atuador de pistão; Se a tubulação ou base estiver vibrando violentamente, a interferência de vibração pode ser eliminada adicionando suportes; se a frequência natural da válvula corresponder à do sistema, substitua a válvula de controle por uma de design diferente; oscilações causadas pela operação em uma pequena abertura são devidas à seleção incorreta, especificamente porque a capacidade de fluxo da válvula (valor C) é muito alta. É necessário resselecionar a válvula, escolhendo uma com menor valor C, ou adotar o controle de faixa dividida ou uma configuração de válvula mestre-escravo para superar as oscilações geradas quando a válvula de controle opera em uma pequena abertura.

5. Ruído excessivo das válvulas de controle
Quando o fluido flui através de uma válvula de controle, o diferencial de pressão excessivo entre a entrada e a saída pode causar cavitação em componentes como o tampão e a sede da válvula, resultando em ruído do fluido. Se a capacidade de fluxo (valor C) tiver sido selecionada muito alta, uma válvula de controle com capacidade de fluxo adequada deve ser selecionada para superar o ruído causado pela válvula operando em uma pequena abertura. Vários métodos para eliminar ruído são descritos abaixo.

(1) Método para eliminar ruído de ressonância
Somente quando uma válvula de controle ressoa é que a superposição de energia produz ruído intenso superior a 100 decibéis. Em alguns casos, isto manifesta-se como uma vibração forte com ruído relativamente baixo; em outros, a vibração é fraca enquanto o ruído é extremamente alto; e em alguns casos, tanto a vibração como o ruído são significativos. Esse ruído produz um som de tom único, normalmente com uma frequência de 3.000 a 7.000 hertz. Claramente, eliminar a ressonância fará com que o ruído desapareça naturalmente.
(2) Método para eliminar ruído de cavitação
A cavitação é uma fonte primária de ruído fluidodinâmico. Durante a cavitação, o colapso das bolhas gera ondas de choque de alta velocidade, causando intensa turbulência local e produzindo ruído de cavitação. Esse ruído tem uma faixa de frequência relativamente ampla e produz um som de chocalho, semelhante ao produzido quando areia ou cascalho estão presentes em um fluido. Eliminar ou reduzir a cavitação é um método eficaz para eliminar ou reduzir o ruído.
(3) Método de utilização de tubulação de parede espessa
O uso de tubos de paredes espessas é um dos métodos de tratamento acústico. O uso de tubos de paredes finas pode aumentar o ruído em 5 dB, enquanto o uso de tubos de paredes espessas pode reduzir o ruído em 0–20 dB. Para o mesmo diâmetro de tubo, quanto mais espessa for a parede; para a mesma espessura de parede, maior será o diâmetro do tubo; melhor será o efeito de redução de ruído. Por exemplo, em uma tubulação DN200, com espessuras de parede de 6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20 e 21,5 mm, respectivamente, a redução de ruído é de -3,5, -2 (ou seja, um aumento), 0, 3, 6, 8, 11, 13 e 14,5 decibéis, respectivamente. Naturalmente, quanto mais espessa a parede, maior o custo.
(4) Utilização de materiais absorventes de som
Este também é um método relativamente comum e altamente eficaz de tratamento acústico. Materiais absorventes de som podem ser usados para envolver a fonte de ruído e a tubulação a jusante da válvula. Deve-se observar que, à medida que o ruído se propaga por longas distâncias por meio do fluxo de fluido, a eficácia da redução de ruído cessa onde quer que o material absorvente de som termine ou que a tubulação de paredes espessas comece. Este método é adequado para situações em que os níveis de ruído não são muito altos e o gasoduto não é muito longo, pois é uma abordagem relativamente cara.
(5) Método do silenciador em série
Este método é adequado para atenuar o ruído aerodinâmico; pode efetivamente eliminar o ruído dentro do fluido e suprimir o nível de ruído transmitido à camada limite sólida. É mais eficaz e econômico em aplicações com altas taxas de fluxo de massa ou altas taxas de queda de pressão através da válvula. O uso de silenciadores em série absortivos pode reduzir significativamente os níveis de ruído. Contudo, por razões económicas, a atenuação é geralmente limitada a aproximadamente 25 decibéis.
(6) Método de invólucro à prova de som
Este método utiliza gabinetes, salas ou edifícios à prova de som para isolar a fonte de ruído interna, reduzindo assim o nível de ruído no ambiente externo a uma faixa aceitável.
(7) Método de estrangulamento em série
Em aplicações onde a relação de pressão da válvula de controle é alta (△P/P1 ≥ 0,8), o método de estrangulamento em série é empregado. Isso envolve distribuir a queda de pressão total entre a válvula de controle e um elemento de estrangulamento fixo a jusante da válvula. Exemplos incluem o uso de difusores ou placas restritoras perfuradas, que são os métodos mais eficazes para redução de ruído. Para atingir a eficiência ideal do difusor, o difusor deve ser projetado (em termos de forma e dimensões) de acordo com as condições específicas de instalação, garantindo que o nível de ruído gerado pela válvula corresponda ao do difusor.

(8) Selecione válvulas de baixo ruído
As válvulas de baixo ruído operam desacelerando gradualmente o fluido à medida que ele passa pelo caminho de fluxo tortuoso (multicanal, multi-ranhura) do tampão e sede da válvula, evitando assim o fluxo supersônico em qualquer ponto dentro do caminho de fluxo. Uma variedade de tipos e projetos de válvulas de baixo ruído (incluindo aqueles projetados especificamente para sistemas específicos) estão disponíveis para seleção. Quando os níveis de ruído não forem particularmente elevados, devem ser selecionadas válvulas globulares de baixo ruído, uma vez que podem reduzir o ruído em 10–20 decibéis e representam a opção mais económica.

Falhas em posicionadores de válvulas
Os posicionadores convencionais operam com base no princípio do equilíbrio mecânico de forças, usando especificamente a tecnologia de aba de orifício, e são propensos aos seguintes tipos de falhas:
(1) Como operam com base no princípio do equilíbrio mecânico de forças, contêm numerosas partes móveis que são suscetíveis à temperatura e à vibração, levando a flutuações na válvula de controle;
(2) Com a tecnologia de aba de orifício, os orifícios são muito pequenos e podem facilmente ficar bloqueados por poeira ou impurezas no suprimento de ar, impedindo que o posicionador funcione corretamente;
(3) Ao operar com base no princípio do equilíbrio de forças, o coeficiente elástico da mola pode mudar em condições de campo adversas, causando não linearidade na válvula de controle e resultando em redução da qualidade do controle.
(4) Os posicionadores inteligentes consistem em componentes como um microprocessador (CPU), conversores A/D e D/A; seu princípio de operação difere inteiramente daquele dos posicionadores convencionais, pois a comparação entre o ponto de ajuste e o valor real é puramente um sinal elétrico e não um equilíbrio de força. Consequentemente, eles são capazes de superar as desvantagens do mecanismo de equilíbrio de força encontrado em posicionadores convencionais. Entretanto, quando usadas em aplicações de desligamento de emergência, como válvulas de desligamento de emergência ou válvulas de ventilação de emergência, essas válvulas precisam permanecer estacionárias em uma posição específica e só precisam operar de forma confiável quando surgir uma emergência. A retenção prolongada em uma única posição pode facilmente fazer com que o conversor elétrico perca o controle, criando uma situação perigosa em que a válvula não responde a pequenos sinais. Além disso, os potenciômetros de detecção de posição usados em válvulas operam em campo, onde os valores de resistência são propensos à flutuação, criando um risco de falha na ação em resposta a pequenos sinais ou abertura total em resposta a grandes sinais. Consequentemente, para garantir a confiabilidade e a disponibilidade dos posicionadores inteligentes, eles devem ser testados com frequência.