Os requisitos das válvulas industriais para petróleo

Há todo um conceito para os projetos e ensaios de protótipos de válvulas industriais tipos gaveta, esfera, globo, retenção, macho e borboleta, nas classes de pressão 150, 300, 600, 800, 900, 1.500 e 2.500, utilizados nas instalações de exploração, produção, refino e transporte de produtos de petróleo.

A NBR 15827 de 12/2018 – Válvulas industriais para instalações de exploração, produção, refino e transporte de produtos de petróleo – Requisitos de projeto e ensaio de protótipo estabelece os requisitos para projetos e ensaios de protótipos de válvulas industriais tipos gaveta, esfera, globo, retenção, macho e borboleta, nas classes de pressão 150, 300, 600, 800, 900, 1.500 e 2.500, utilizados nas instalações de exploração, produção, refino e transporte de produtos de petróleo. Esta norma é aplicável às válvulas com ou sem acionamento manual, com ou sem redutor. Os redutores devem comprovar o pleno atendimento às premissas de projeto das válvulas, incluindo os ensaios cíclicos desta norma.

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Quais as faixas de abrangência do protótipo por diâmetro e classe de pressão?

Quais as siglas e abreviaturas usadas nessa norma?

Qual a ciclagem para válvulas tipo esfera, gaveta, globo, borboleta, macho e de retenção?

Quais os vazamentos permitidos?

Qual o critério de aceitação para válvulas com esfera flutuante?

Qual deve ser a especificação padronizada para as gaxetas?

As válvulas devem ser projetadas utilizando os padrões construtivos dados nas Tabelas 1 a 6 (disponíveis na norma). Exceto se indicado em contrário aos requisitos de documentação de projeto, memórias de cálculo e ensaios de protótipo são aplicáveis a todos os tipos de válvulas. O fabricante deve estabelecer como premissas de projeto os aspectos descritos a seguir.

A confiabilidade para a vida útil projetada, com base no número de ciclos esperados em operação real e no número máximo de ciclos a que um protótipo pode ser submetido e o número mínimo de ciclos nas condições de ensaio, a partir do qual é constatado o primeiro vazamento pela vedação da haste, para os projetos de válvulas que utilizem vedação por engaxetamento. A periodicidade de reaperto da vedação da haste, para as válvulas que utilizem vedação por engaxetamento, observando as taxas de vazamento (líquido e gás) por meio da vedação da haste, que após o reaperto deve ser sem vazamento visível (SVV).

Os critérios de aceitação para vedação em função dos requisitos normativos estabelecidos nesta norma e os critérios de aceitação de desempenho, em função dos requisitos normativos estabelecidos nesta norma: considerar como falha na validação do projeto qualquer não conformidade de desempenho do protótipo em relação aos requisitos estabelecidos nesta norma; em válvulas de acionamento manual que utilizem redutor, este é considerado parte integrante do projeto da válvula e deve ter suas características identificadas e controladas conforme esta norma.

Caso exista mudança no redutor, este pode ser qualificado em separado, para assegurar sua adequação ao projeto original, efetuando-se os ensaios de torque e ciclagem previstos para a válvula. Para aplicações específicas, podem ser solicitadas pelo comprador premissas complementares de projeto que atendam aos critérios de aceitação para vedação e de desempenho. Neste caso, devem ser estabelecidos procedimentos de ensaio de protótipo específicos com foco nessas necessidades.

O fabricante deve registrar explicitamente na documentação de projeto as restrições de projeto e de operação (por exemplo, posição de instalação, sentido de fluxo, regime de fluxo, pressão, temperatura, materiais resilientes etc. O material dos estojos, parafusos e porcas da união corpo-tampa, união corpo-tampa tipo castelo, união do corpo com a tampa do eixo trunnion das válvulas tipo esfera, união do corpo diretamente com o eixo trunnion das válvulas tipo esfera, quando este for solidário à sua tampa, e união do corpo com a tampa do eixo das válvulas tipo borboleta deve ser conforme as especificações listadas na Tabela 8 (disponível na norma).

Quando solicitado pelo cliente, os estojos ou parafusos e as porcas devem ser revestidos com zinco níquel (Zn-Ni) ASTM B 841, Classe 1, Tipo B/E, Grau 5 a 8, com alívio de tensões e de hidrogênio, conforme as ASTM B 849 e ASTM B 850. Para os estojos e parafusos no material ASTM A 320 Gr L7, quando o material do corpo da válvula for igual a ASTM A 350 Gr LF2 CL 1 ou ASTM A 352 Gr LCB, é aceitável o ensaio de impacto a –45 °C e, quando o material do corpo da válvula for igual a ASTM A 350 Gr LF3 ou ASTM A 352 Gr LC3, é aceitável o ensaio de impacto a –60 °C.

Os estojos de união do corpo-tampa (tipo esfera, retenção e macho) e corpo-tampa tipo castelo (tipo gaveta e globo) devem ser conforme ASME B 1.1, UNC-2A até 25,40 mm (1”) e 8UN-2A a partir de 28,57 mm (1 1/8”), com porcas sextavadas padrão ASME B 18.2.2, no número mínimo de quatro. O comprimento dos estojos deve ter no mínimo um e no máximo três fios de rosca, além da porca. Para as válvulas de diâmetro 40 (1 ½) e menores, é permitida a utilização de parafusos conforme ASME B18.2.1. Alternativamente os parafusos, estojos e porcas podem ser em padrão métrico.

As válvulas tipo esfera ensaiadas a fogo (fire tested type) devem ser certificadas com os estojos listados na Tabela 8 (disponível na norma). Para os casos não cobertos na Tabela 8, o fabricante pode especificar o material dos estojos. Neste caso, este conjunto deve ser certificado com ensaio a fogo. Como alternativa ao material ASTM A 193 GR B7, podem ser usados estojos no material ASTM A 193 GR B16.

Nas ligações aparafusadas da válvula ou redutor, não é permitido o uso de materiais com dureza acima de 35 HRC, devido à possibilidade de fragilização por hidrogênio. As válvulas devem conter placa de identificação conforme indicado na norma construtiva e atender às marcações e requisitos adicionais de 5.7.4 e 5.7.5. A placa de identificação deve ser fabricada em aço inoxidável e fixada como a seguir: em válvulas fundidas, deve ser fixada à superfície externa da aba do flange de ligação do corpo ou da tampa ou castelo, com elementos de fixação em aço inoxidável austenítico; em válvulas forjadas, deve ser fixada ao volante por meio de sua porca; em válvulas tipo wafer, deve ser fixada no corpo.

As válvulas ensaiadas a fogo devem ser identificadas na placa com a sigla ISO – FT e com a especificação do material dos internos (haste, obturador e sede) e das vedações (gaxetas e juntas). Além do requerido pela norma construtiva, a placa de identificação deve conter as seguintes informações: identificação desta norma (NBR 15827); especificação do material das gaxetas e junta de vedação; temperatura máxima de utilização contínua (para válvulas em condições especiais); número de série, individualizado por válvula.

Para as válvulas de retenção forjadas, a placa de identificação deve ser fixada ao tampo por meio de suas porcas ou de rebites, desde que a espessura mínima de parede não seja afetada. Os ensaios devem ser executados em laboratório próprio do fabricante ou contratado, que tenha sido avaliado por um organismo de terceira parte, com profissionais avaliados conforme os requisitos da NBR ISO IEC 17025.

Um organismo de terceira parte acreditado deve auditar o sistema de gestão da qualidade do fabricante, priorizando os controles referentes às etapas de projeto, fabricação e memorial descritivo das válvulas industriais, tendo como referência os itens indicados no Anexo G referentes à NBR ISO 9001. Engenheiro com mais de cinco anos de formado e experiência mínima de três anos, ou técnico com mais de oito anos de formado e cinco anos de experiência em projetos de equipamento mecânicos, com base nas normas API, BS, ASME e ANSI e análise estrutural por elementos finitos, ou quando aplicável, análise computacional de mecânica dos fluidos.

O fabricante deve apresentar os desenhos dimensionais de conjunto, em corte, com lista de todos os componentes e especificações dos materiais. O fabricante deve apresentar os desenhos de fabricação de todos os componentes, com respectivas revisões e procedimentos de montagem, incluindo tabela de torques de aperto dos elementos de fixação. Deve apresentar as memórias de cálculo, conforme detalhado nesta norma. A fim de preservar a propriedade intelectual do fabricante, os documentos citados em 6.1.1 a 6.1.3 não são anexados à documentação de projeto, porém devem estar disponíveis na fábrica para eventuais avaliações por parte do comprador.

O fabricante deve apresentar memória de cálculo da válvula ou do conjunto válvula-redutor (quando aplicável), comprovando o atendimento à ASME B16.34 e respectivos padrões construtivos. A memória de cálculo da válvula deve incluir análise das tensões e deformações resultantes, por cálculos analíticos e/ou modelos de elementos finitos, abrangendo o cálculo dos componentes críticos, como corpo, tampa, haste e elementos de fixação, assim como o cálculo das pressões das sedes sobre o obturador.

Considerar como parâmetros de entrada as temperaturas ambientes, máxima e mínima, conforme a tabela abaixo, e a correspondente pressão máxima de trabalho, conforme ASME B16.34. Os cálculos analíticos e/ou de elementos finitos são aplicáveis somente à válvula, não sendo necessária a análise de elementos finitos para o redutor. Os critérios de análise de tensões e tensões admissíveis devem ser conforme Código ASME Section VIII Division 2, exceto para o sistema de acionamento, cujas tensões devem ser limitadas a 67 % das tensões de escoamento conforme API 6D.

As tensões de cisalhamento, torção e compressão não podem exceder o limite especificado no API 6D. O fabricante deve disponibilizar estudo completo de folgas e tolerâncias, abrangendo condições de carregamento interno e influência da temperatura, conforme faixa de aplicação da tabela abaixo. O fabricante deve disponibilizar estudo completo com critério de seleção dos materiais resilientes das sedes, em função das classes de pressão e de temperatura da válvula, apresentando relatório com os critérios que influenciaram na seleção dos materiais.

Para as válvulas tipo esfera, o fabricante deve apresentar a tolerância de esfericidade e o grau de acabamento superficial da esfera e da área de vedação da haste, indicando a rugosidade em μm RA ou μinch rms. No caso de as válvulas tipo esfera possuírem vedação entre sede × esfera do tipo metal × metal, apresentar também o diferencial de dureza entre sedes e esfera, quando aplicável. Para as demais válvulas, o fabricante deve apresentar o grau de acabamento das sedes, obturadores e área de vedação das hastes μm RA ou μinch RMS, bem como durezas e diferenciais de dureza, onde aplicáveis.

O fabricante deve apresentar lista dos torques requeridos no eixo da válvula, contendo os seguintes torques: torque nominal de operação (TNO), torque máximo de operação (TMO) e torque máximo admissível (TMA), levando-se em conta as classes de pressão e de temperatura da válvula. Para válvulas tipo gaveta e válvulas tipo globo acionadas manualmente, o TNO deve atender à MSS SP-91; para as válvulas tipo esfera, o TNO deve atender à ISO 14313 (API 6D); e para as válvulas tipo borboleta, o TNO deve atender à API 609. A memória de cálculo do sistema de acionamento da válvula deve considerar como premissa de projeto o TMO, conforme 7.1.3.1.

O projeto de válvulas tipo retenção, globo e borboleta deve considerar estudo de mecânica dos fluidos, para líquidos e gases, que inclua a apresentação da curva de perdas de carga e do coeficiente de vazão, assim como evidências do comportamento estável dentro da faixa de vazão para válvula tipo retenção. A análise fluidodinâmica, quando requerida pelo usuário, pode ser realizada por simulação computacional (CFD) ou comprovação experimental, onde esta última pode ser realizada durante os ensaios de qualificação com protótipo.

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