Válvula Borboleta Excêntrica de Controle NPS 26 para a Expansão de uma Planta de EDC: Class 150, uma Queda de 0.01 bar

Uma válvula de controle a que se pede para vencer um centésimo de bar em uma linha de 26 in não tem, pelo critério usual, nada a fazer. Esse é todo o problema de engenharia. A 0.01 bar, a válvula não está ali para queimar pressão — isso a linha faz — está ali para mover o fluxo em incrementos pequenos e repetíveis, mantê-lo ali por anos e fechar-se sozinha no instante em que o ar de instrumentos desaparece. Esta página descreve a válvula borboleta excêntrica de controle pneumática NPS 26 Class 150 fornecida para a expansão da planta de EDC da PT. Sadang Indoyl Monomer, na Indonésia: corpo em CF8, disco e sede em 304, haste em 17-4PH, Cv nominal de 24,000 e atuador de pistão com fechamento por falha de ar.

1. O serviço, em seis linhas

• Serviço: gás EDC (dicloroetano), regulação de vazão para o sistema de alimentação do reator — 97 °C, 0.51 barg na entrada, 0.01 bar através da válvula

• Válvula: válvula borboleta excêntrica de controle NPS 26, Class 150, flangeada RF conforme ASME B16.5

• Corpo e conjunto interno: corpo fundido em ASTM A351 CF8; disco e sede em 304; haste em 17-4PH; gaxeta de PTFE

• Característica: porcentagem aproximadamente igual, curso de 90 graus, Cv nominal de 24,000 contra um Cv calculado de 12,075 na vazão máxima

• Acionamento: atuador de pistão, ação simples com retorno por mola, fechamento por falha de ar; posicionador inteligente em 4-20 mA, ExdIICT6

• Ensaios: corpo conforme BS EN 1349; vazamento de sede ANSI/FCI 70-2 Class V

Todo o resto — a furação do flange, o prensaestopas, o conjunto de preparação de ar — decorre dessas seis linhas.

2. Por que uma borboleta, e não uma válvula globo em 26 in

Em NPS 26, a defesa da válvula globo desmorona pelo peso e pelo comprimento antes de desmoronar pelo preço. Uma válvula globo de 26 in com conjunto interno de gaiola é uma peça fabricada, e não fundida: um corpo longo o bastante para desviar o fluxo duas vezes, uma tampa grande o bastante para a retirada do tampão e um face a face ao redor do qual o engenheiro de tensões da tubulação precisa então projetar o trecho inteiro.

Uma borboleta executa a mesma função de regulação dentro do próprio envelope da tubulação. O disco assenta no orifício, o atuador é fixado em um suporte e o caminho do fluxo permanece reto. Com um diferencial de 0.01 bar, a perda permanente que um conjunto interno de globo acrescentaria — mesmo um bom conjunto — é maior do que a queda que a válvula inteira é chamada a produzir.

As objeções usuais às borboletas em serviço de controle também não se aplicam aqui. Uma borboleta concêntrica é uma válvula ruim para estrangulamento porque a sede atrita ao longo do arco, e qualquer borboleta em líquido sujeito a vaporização súbita ou a cavitação é uma ideia ruim porque a borda do disco e a sede absorvem o colapso. Nenhum dos dois é fator em gás EDC seco a 97 °C com queda de pressão quase nula. O que sobra é a única coisa que uma borboleta faz melhor do que qualquer outro projeto nesse tamanho: uma grande área de passagem, variável de modo suave, dentro de um corpo curto, leve e fundível.

3. Onde ela se encaixa em uma planta de EDC

O EDC fica no meio da cadeia que vai do cloro-álcali ao PVC. O etileno é clorado — diretamente ou por oxicloração — para produzir dicloroetano; o EDC é craqueado em um forno para produzir o monômero de cloreto de vinila (VCM); o VCM é polimerizado para PVC. A válvula desta página regula gás EDC para o sistema de alimentação do reator, a montante dos fornos de craqueamento, em um circuito no qual a estabilidade de vazão reaparece a jusante como temperatura de bobinas e, por fim, como qualidade do polímero.

Essa posição explica a lista de materiais muito mais do que a classe de pressão. A linha conduz um hidrocarboneto clorado a 97 °C, carregando a umidade e os traços de acidez que vêm com essa química. O aço carbono está fora de questão: as trincas por corrosão sob tensão causadas por cloretos e o arraste de ferro para um produto destinado à polimerização são ambos eliminatórios. Toda superfície molhada precisa ser de aço inoxidável austenítico — e precisa permanecer assim ao longo de excursões de processo, e não apenas no ponto de projeto.

Isso também explica por que se comprou uma válvula de controle de passagem plena, em vez de uma de passagem reduzida com redutores. Em uma linha de 26 in, os redutores custam dinheiro, acrescentam duas soldas e quatro flanges e somam uma perda de pressão permanente de que a malha não precisa. Válvula NPS 26, linha NPS 26, nada entre as duas.

4. O que a folha de dados fixou

Quatro decisões foram travadas antes de se cortar qualquer metal:

• NPS 26, Class 150, flangeada RF conforme ASME B16.5 — tamanho da linha, classe da linha, flange da linha. Sem redutores, sem trechos de transição, sem solução de compromisso no ponto de interligação.

• Cv nominal de 24,000 contra um calculado de 12,075 na vazão máxima — aproximadamente o dobro, e de propósito. Na carga máxima, o disco assenta em 77.1 % de curso, e não em 95 %, o que mantém a parte alta do curso disponível para o dia em que a planta eliminar seus gargalos ou a composição da alimentação mudar.

• Uma característica de porcentagem aproximadamente igual — em um circuito no qual a parcela da queda de pressão total que pertence à própria válvula diminui à medida que a vazão cresce, a porcentagem igual é a característica que mantém o ganho da malha aproximadamente constante. É por isso que o ponto normal de operação cai em 72.4 % de curso, com resolução utilizável de ambos os lados.

• Fechamento por falha de ar, retorno por mola, ação simples — o EDC é tóxico e inflamável. Na perda do ar de instrumentos, a válvula precisa fechar sem esperar por um sinal, um solenoide ou pela atenção de um operador.

5. Matriz de configuração

6. Materiais: o que toca o EDC

O gás decide a lista, item por item:

• Corpo em CF8. O equivalente fundido do 304, o que entrega uma fronteira de pressão austenítica em peça fundida, em um tamanho no qual forjar um corpo de 26 in não faz sentido. Ele também mantém o aço carbono totalmente fora do caminho dos cloretos — não existe elo fraco para o serviço encontrar.

• Disco e sede em 304. Não 316, e o motivo merece ser dito em voz alta: em gás EDC seco a 97 °C, o mecanismo de corrosão é generalizado, e não por pite, de modo que o molibdênio do 316 agrega muito pouco. O dinheiro rende mais empregado na haste e no atuador, onde as cargas realmente se concentram.

• Haste em 17-4PH. Um disco de 26 in é uma grande vela montada em um eixo pequeno. O 17-4PH nas condições H1025 ou H1075 apresenta várias vezes o limite de escoamento do 304 recozido; a haste pode, portanto, ser dimensionada pelo torque e pela deflexão, e não pelo material, e uma haste menor significa menos obstrução no orifício e menos torção elástica entre atuador e disco — o que é zona morta que a malha jamais recupera na sintonia.

• Gaxeta de PTFE. Baixo atrito e baixa histerese a 97 °C, o que importa mais do que o normal quando a malha tenta resolver uma fração de um por cento do curso. O PTFE está confortavelmente dentro de sua faixa nessa temperatura; a grafite apenas acrescentaria atrito de haste que o posicionador precisaria vencer.

• Posicionador ExdIICT6, atuador com revestimento de epóxi. A unidade fica em área classificada, de modo que a carcaça do posicionador traz a certificação em vez de um sistema de purga ou de um painel local, e o revestimento RAL 3020 está ali para a lavagem e o ar marítimo, não pela aparência.

7. Onde esta válvula NÃO é a resposta

• Serviço de líquido com queda de pressão real. A vaporização súbita e a cavitação atacam a borda do disco e a sede de qualquer borboleta. Um serviço de líquido cavitante pertence a uma válvula globo ou de gaiola com conjunto interno anticavitação, ou a uma válvula de corpo em ângulo.

• Serviço de controle em diâmetros pequenos. Abaixo de aproximadamente NPS 4, uma válvula globo é mais barata, mais estanque e tem melhor rangeabilidade. A borboleta excêntrica ganha seu lugar por ser a única válvula de controle sensata em diâmetros grandes, e não por ser boa em diâmetros pequenos.

• Isolamento com estanqueidade total. A Class V é uma classe de vazamento de válvula de controle, não uma garantia de isolamento. Uma linha que exige bloqueio verificado recebe uma válvula de bloqueio separada — em uma planta como esta, é para isso que servem as válvulas guilhotina e as válvulas esfera.

• Vazamento Class VI. Se a Class VI estiver escrita na folha de dados, uma borboleta excêntrica com sede metálica em NPS 26 é o ponto de partida errado. Isso é uma borboleta de alto desempenho com sede macia ou uma válvula esfera, e deve ser especificada assim desde o início.

• Estrangulamento de polpa abrasiva. A borda do disco é uma seção fina exposta ao fluxo. Sólidos em velocidade a erodirão, e a excentricidade nada faz contra isso.

• Diferencial muito alto. Esta válvula foi comprada para 0.01 bar. Aplique o mesmo corpo a 15 bar e o atuador, a haste e a sede ficam todos com o tamanho errado — o diferencial utilizável de uma borboleta despenca à medida que o orifício cresce.

8. Verificação e pacote de documentos

Cada válvula foi submetida ao ensaio de corpo conforme BS EN 1349 a 1.5 vezes a pressão nominal da Class 150 à temperatura ambiente, e ao ensaio de sede conforme ANSI/FCI 70-2 Class V com o atuador montado. O número de vazamento que significa algo é o medido com a gaxeta, a alavanca e a articulação instaladas — não o número obtido de um corpo nu em uma bancada. O curso foi verificado ao longo dos 90 graus completos contra uma entrada de 4-20 mA, nos dois sentidos, com a histerese registrada, e não presumida.

O ensaio de falha segura é aquele que realmente interessa à planta: suprimento de ar retirado com a válvula sob diferencial, e o curso acionado pela mola cronometrado até a sede. Em seguida, verificou-se o volante quanto ao acionamento manual sem perturbar a ação automática — um volante que arrasta a articulação quando não está acoplado é uma promessa de falha segura à espera de ser retirada.

Os documentos acompanham cada válvula, e não cada lote: certificados de material para corpo, disco e haste; o registro dos ensaios de corpo e de sede daquele número de série; a folha de calibração do posicionador; e a inspeção de pintura do epóxi RAL 3020 no atuador.

9. Perguntas frequentes

Por que não uma válvula globo em NPS 26?

Uma válvula globo de 26 in é uma fabricação especial — pesada, longa, cara — e precisa de um conjunto interno grande o bastante para passar 70,800 kg/h sem acrescentar uma perda que a malha não pode suportar. As fraquezas conhecidas da borboleta, o desgaste da sede no estrangulamento e o mau comportamento em líquido cavitante, são, respectivamente, resolvidas pela geometria excêntrica e irrelevantes em gás seco a 0.01 bar. A globo vence no diferencial alto e no diâmetro pequeno. Nenhum dos dois se aplica aqui.

O que um diferencial de 0.01 bar realmente significa para o controle?

Que a válvula tem autoridade muito pequena sobre a malha. Quase toda a pressão é consumida em outro lugar, de modo que a vazão é definida principalmente pelo restante do circuito, e o trabalho da válvula é ajustar ao redor desse ponto sem acrescentar instabilidade. Seguem-se duas consequências. A característica precisa ser a correta — porcentagem igual, aqui, para que o ganho permaneça plano conforme a vazão varia. E a zona morta mecânica precisa ser pequena: haste rígida de 17-4PH, gaxeta de PTFE, posicionador de resolução fina. Uma haste pouco rígida e uma gaxeta de borracha, nesse diferencial, entrarão em oscilação, e nenhuma sintonia corrigirá isso.

Por que 17-4PH em uma válvula de aço inoxidável — isso não é uma incompatibilidade?

É uma incompatibilidade deliberada. O 17-4PH é um aço inoxidável com endurecimento por precipitação: mantém a resistência à corrosão próxima à da série 300, ao mesmo tempo em que apresenta várias vezes o limite de escoamento. Em um disco de 26 in, a haste sofre flexão vinda do fluxo e torque vindo da sede, e o limite de quão pequena ela pode ser é a deflexão, não a corrosão. Uma haste de 17-4PH permanece reta e esbelta — o que também mantém o orifício livre.

Uma borboleta com sede metálica realmente consegue manter a Class V em NPS 26?

A Class V é uma exigência pesada nesse tamanho, e é atendida por geometria e acabamento, e não por componentes macios: um disco excêntrico que se afasta da sede por ação de came, uma sede de 304 lapidada e uma pré-carga que sobrevive ao curso. Ela é verificada válvula por válvula na bancada de ensaios — exatamente por isso o registro de ensaio faz parte do pacote de documentos. Se uma planta precisa de estanqueidade total em vez de Class V, trata-se de uma válvula diferente, que deve ser especificada como tal, em vez de negociada na bancada.

10. Envie-nos estas oito linhas e nós cotaremos

• Meio, fase e química — é isto, e não a classe de pressão, que decide o conjunto interno e o material do corpo

• Vazão normal e máxima, e a faixa de regulagem de que você realmente precisa

• Pressão de entrada e de saída, e a queda que você pretende que a válvula assuma

• Temperatura de operação e de projeto

• Tamanho da linha e classe de pressão, e se uma válvula de passagem reduzida com redutores é aceitável

• Posição de segurança na perda de ar ou de energia: fechada, aberta ou na última posição

• Classe de vazamento e a norma pela qual a planta ensaia

• Classificação de área de risco e sinal de controle (4-20 mA, rede de campo ou discreto)

Dados técnicos de válvula nesta página: folha de dados e cálculo de seleção do cliente para o projeto de expansão da planta de EDC — válvula borboleta excêntrica de controle NPS 26 Class 150, modelo TD643H-150Lb(P)-26". Dimensões e materiais conforme especificados na fase de pedido; confira com o desenho aprovado em qualquer pedido repetido.