Por que as válvulas de grande calibre são difíceis de abrir e fechar? Quais são as soluções?

Usuários de válvulas globo de grande calibre em aplicações cotidianas frequentemente relatam um problema específico: quando essas válvulas são usadas com meios sujeitos a diferenças de pressão significativas —como vapor ou água de alta pressão—, elas geralmente são difíceis de fechar. Não importa quanta força seja aplicada, invariavelmente são observados vazamentos, dificultando a obtenção de uma vedação firme. Esse problema decorre do projeto estrutural da válvula e do fato de que o torque máximo que uma pessoa pode exercer é insuficiente.
Análise das Causas de Dificuldade na Operação de Válvulas de Grande Furo
A força horizontal máxima que um adulto médio pode exercer varia de 60 a 90 kg, dependendo da condição física individual.
As válvulas globo padrão são projetadas com um caminho de fluxo de baixo para alto. Ao fechar a válvula, o operador aplica força horizontal para girar o volante, fazendo com que o disco se mova para baixo para conseguir o fechamento. Neste ponto, o operador deve superar uma combinação de três forças, a saber:
1) Empuxo axial Fa;
2) Força de atrito Fb entre a gaxeta e a haste da válvula;
3) Atrito de contato entre a haste da válvula e o núcleo do disco da válvula Fc
O torque total é ∑M = (Fa + Fb + Fc)R
Pode-se observar que quanto maior o diâmetro nominal, maior o empuxo axial. Quando a válvula está quase fechada, o empuxo axial se aproxima da pressão real da rede de tubulações (já que durante o fechamento, P1 – P2 ≈ P1 e P2 = 0)
Por exemplo, uma válvula globo DN200 usada em um tubo de vapor de 10 bar tem uma força de empuxo axial Fa para fechamento sozinho de 10 × πr² = 3140 kg. A força circunferencial horizontal necessária para o fechamento já está próxima do limite do que um ser humano normal pode exercer, por isso é extremamente difícil para uma única pessoa fechar totalmente esta válvula sob tais condições operacionais.
É claro que algumas plantas recomendam instalar essas válvulas ao contrário para resolver a dificuldade de fechá-las, mas isso leva ao problema de dificuldade de abrir a válvula depois de fechada.
Análise das causas de vazamento interno em válvulas globo de grande calibre
Válvulas globo de grande calibre são geralmente usadas em locais como saídas de caldeiras, cilindros principais de distribuição de vapor e tubos principais de vapor, onde existem os seguintes problemas:
1) O diferencial de pressão nas saídas da caldeira é geralmente alto, resultando em maiores velocidades de fluxo de vapor e maior erosão e danos às superfícies de vedação. Além disso, como a eficiência de combustão da caldeira não pode ser de 100%, o vapor na saída da caldeira contém um alto teor de umidade, o que pode facilmente causar danos por cavitação e erosão nas superfícies de vedação da válvula.
2) Para válvulas globo localizadas perto de saídas de caldeiras e distribuidores de vapor, o vapor que emerge diretamente da caldeira apresenta superaquecimento intermitente. Durante o processo de saturação, se o tratamento de amaciamento da água da caldeira for inadequado, substâncias ácidas ou alcalinas podem precipitar, causando corrosão e erosão das superfícies de vedação; além disso, certas substâncias cristalinas podem aderir e cristalizar nas superfícies de vedação da válvula, impedindo que a válvula obtenha uma vedação firme.
3) Para válvulas na entrada e na saída de distribuidores de vapor, a demanda de vapor a jusante da válvula flutua significativamente devido aos requisitos de produção e outros fatores. Sob condições de mudanças substanciais na velocidade do fluxo, fenômenos como evaporação instantânea e cavitação podem ocorrer, causando erosão e danos por cavitação no assento da válvula.
4) Ao abrir tubulações de grande diâmetro, geralmente é necessário pré-aquecer a tubulação. O processo de pré-aquecimento normalmente requer uma vazão de vapor muito baixa para permitir que a tubulação seja aquecida lenta e uniformemente até uma determinada temperatura antes que a válvula globo possa ser totalmente aberta. Isso evita o rápido aumento da temperatura na tubulação, o que pode causar expansão excessiva e danos a certos pontos de conexão. No entanto, durante este processo, a abertura da válvula é muitas vezes muito pequena, resultando numa taxa de erosão muito superior à experimentada durante o funcionamento normal, o que reduz significativamente a vida útil das superfícies de vedação da válvula.
Soluções para Dificuldade em Abrir e Fechar Válvulas Globo de Grande Diâmetro
1) Primeiramente, recomenda-se selecionar uma válvula globo selada por fole, que evite a resistência ao atrito associada às válvulas de pistão e válvulas de empacotamento, facilitando a operação.
2) O bujão e a sede da válvula devem ser feitos de materiais com excelente resistência à erosão e ao desgaste, como carboneto cimentado Stellite.
3) Recomenda-se um projeto de válvula de disco duplo para evitar erosão excessiva causada por pequenos ângulos de abertura, o que pode afetar a vida útil e o desempenho da vedação.