É comum, quando se fala em especificar uma válvula de controle, nos preocuparmos com o cálculo do Cv (coeficiente de vazão). Entretanto, na verdade, deveríamos analisar os dezessete fatores abaixo, com o mesmo rigor. E isto, deveria ser abordado de forma completa todos os assuntos referentes aos tipos de válvulas de controle, dimensionamento, características de vazão, atuadores, etc., matéria essa considerada como basicamente necessária e suficiente para o adequado desempenho das diversas funções profissionais que venham a lidar com válvulas de controle.

Agora, neste artigo, abordaremos de forma objetiva, alguns dos principais fatores que orientam a correta seleção de uma válvula de controle.

Fatores Principais que definem a Seleção de uma válvula de Controle.

0 procedimento para a seleção da válvulas de controle mais adequada para uma determinada aplicação, baseia-se num conjunto de dados e informações muito importantes: as condições de operação e as informações referentes ao processo e fluído. É a partir desses dados que o próprio usuário ou fabricante da válvula poderá selecionar de forma correta a melhor válvula para uma determinada aplicação. Esse procedimento de seleção, embora desafiador, torna-se mais simples ao realizarmos uma análise por etapas dos principais fatores que influenciam na escolha de uma válvula de controle.

Os principais fatores incluem:

1. Considerações quanto ao Tipo de Controle;
2. Considerações quanto ao Tipo de Válvula;
3. Considerações quanto ao Custo da Válvula;
4. Considerações quanto a Pressão e Queda da Pressão
5.  Considerações quanto a Temperatura;
6. Considerações quanto a Fluído;
7. Considerações quanto a Nível de Vazamento;
8. Considerações quanto a Sistema de Guia do Elemento vedante;
9. Considerações quanto a Característica de Vazão;
10. Considerações quanto aos Materiais da Gaxeta;
11. Considerações quanto aos Materiais do Corpo e Internos;
12. Considerações quanto ao Dimensionamento;
13. Considerações quanto a Cavitação e “Flashing”;
14. Considerações quanto a Erosão e à Abrasão;
15. Considerações quanto ao Nível de Ruído;
16. Considerações quanto ao Atuador e Acessórios;
17. Considerações quanto a Instalação;

Considerações quanto ao fluido

0 tipo de fluido de escoamento deve, sem dúvida alguma, entrar em considerações na escolha do tipo de válvula. As propriedades corrosivas, erosivas, abrasivas e viscosas do fluido são altamente significativas na determinação da válvula. Um exemplo dessa influência é dado pelos líquidos lamacentos, que devido à grande capacidade de erosão e abrasão, requerem válvulas especialmente aptas para tal aplicação, entre as quais destacam-se ‘ aquelas que possam ter seus corpos revestidos internamente por elastômeros, como Neoprene, Buna-N, Viton, etc. Ou então utilizando-se de materiais para a fabricação das partes internas (local de maior desgaste por erosão e abrasão, com materiais de altíssima dureza, como os aços inoxidáveis 17-4PH e 440C, Stellite, etc.

Fluídos corrosivos são também um caso típico de influência do fluído no tipo de válvula a ser utilizada. Aqui também, uma boa escolha do ponto de vista econômico, recairia nas válvulas que possam ter os seus corpos revestidos por materiais sintéticos resistentes à corrosão do fluído. Contudo, nem sempre a escolha das válvulas que permitem o revestimento (Diafragma e borboleta) pode ser tecnicamente recomendável do ponto de vista de controlabilidade, sendo então necessária uma opção, muito mais onerosa porem tecnicamente recomendável, como a utilização de válvulas com materiais especiais resistentes a corrosão, como o aço inoxidável, Hastelloy, Monel, etc.

Considerações quanto a característica de vazão

A característica de vazão, face aos inúmeros trabalhos realizados e publicados, continua sendo um dos fatores menos compreendidos na seleção dos internos de uma válvula de controle.

0 principal objetivo e função da característica de vazão de uma válvula de controle é variar o ganho da válvula para compensar as variações do ganho do processo face às flutuações da demanda. 0 ganho da válvula indica a sensibilidade da sua saída (vazão) para as variações da sua entrada (sinal de comando no atuador). Portanto, uma válvula de alto ganho exibe uma grande variação da sua vazão para uma pequena variação do seu curso, enquanto que o inverso ocorre para uma válvula de baixo ganho.

Uma característica de vazão de abertura rápida, apresenta um ganho muito alto até aproximadamente 30% do seu curso, para depois passar a um ganho muito baixo. Uma característica de vazão linear, mantém um ganho constante e unitário durante todo o seu curso, enquanto que, as características de vazão igual porcentagem e parabólica modificada mostram ganhos pequenos nas regiões iniciais do seu curso, porém, conforme este aumenta, o ganho da válvula também aumenta. 

A característica de vazão discutida até aqui, é denominada de inerente, que é aquela observada quando a queda de pressão através da válvula for constante.

Contudo, a válvula quando instalada, dificilmente se mantém sob condições de queda de pressão constante devido às inúmeras variações que ocorrem no processo.

Nessa condição, como resultado, obteremos uma característica de vazão instalada. 

A queda de pressão através da válvula também influencia o total de variação da vazão que ocorre como resultado de uma variação do curso da válvula. Consideremos uma válvula linear instalada um sistema no qual a queda de pressão através da válvula aumenta conforme aumenta a vazão. Em pequenas vazões correspondentes a pequenas aberturas do curso a queda de pressão será também pequena. Conforme a vazão aumente, a queda de pressão também aumentará. Se analisarmos a curva obtida, verificaremos que embora a característica de vazão inerente da válvula seja linear, a instalada e mais próxima a uma igual porcentagem.

Por outro lado, se a queda de pressão variar inversamente com a vazão, de tal forma que conforme a vazão aumente a queda de pressão através da válvula diminua, então a característica de vazão instalada será mais próxima a uma abertura rápida.

Para se estabelecer de forma correta a necessária característica de vazão de uma válvula, exige-se uma análise dinâmica do sistema, de tal forma que o ganho da válvula possa compensar adequadamente as variações do ganho do processo.

A experiência e as inúmeras análises realizadas nos mostram que quando houver dúvida é melhor escolher uma característica de igual porcentagem ou parabólica modificada. A utilização de uma característica linear onde, por exemplo, uma igual porcentagem seria uma melhor escolha, geralmente nos conduz a um sistema instável. Entretanto, a recíproca raramente produz instabilidade no sistema.

Considerações quanto ao dimensionamento.

0 procedimento do cálculo do diâmetro de uma válvula de controle, constitui-se numa etapa importantíssima e que deve ser executada após termos, já selecionado o tipo da válvula e a sua característica de vazão. 0 procedimento do dimensionamento consiste em determinar o diâmetro da válvula que melhor se adapte para controlar o processo’ em questão. Ela não devera nem ser demasiadamente pequena, de tal forma a não permitir a passagem’ da requerida quantidade de fluxo, nem demasiadamente grande, a ponto de operar numa posição muito fechada, o que ira, sem dúvida alguma, provocar desgastes prematuros das partes internas, problemas de estabilidade do controle, além de ser desnecessariamente onerosa.

Existe várias equações para cálculo do orifício de passagem ou Cv; porém, as equações padronizadas pela Norma ANSI/ISA’ S75.01, que substituem oficialmente a antiga formulação sugerida pela FCI 62.1. Tais fórmulas, constituem-se no procedimento mais exato e completo até hoje conhecido, e a sua utilização é recomendada sempre que se desejar obter um valor, o mais otimizado possível. Porém, em muitas aplicações comuns, principalmente em líquidos sob condições não cativantes, escoamento turbulento e com válvulas de baixa recuperação de pressão, como é o caso da válvula globo, as novas fórmulas da ISA não apresentam resultados diferentes dos obtidos através da formula do FCI. As devidas precauções devem ser tomadas cm casos de líquidos cativantes ou em “flashing”, líquidos viscosos, gases em escoamento crítico, e no caso do uso de válvulas de alta recuperação de pressão, nas quais devido à inerente alta capacidade da válvula, possa ser instalada uma válvula de diâmetro 2 ou 3 vezes menor que o diâmetro da linha. Isso significa uma substancial correção do valor do Cv, pois haverá de considerar-se as quedas de pressão adicionais nos cones de redução e expansão instalados ‘ antes e depois da válvula respectivamente.

Considerações quanto a cavitação e “flashing”

No escoamento de fluidos líquidos através de uma válvula de controle, existem três tipos diferentes de regime de escoamento: não cativante, cativante e ” flashing”. Cada um deles deve ser considerado quando da escolha e especificação de uma determinada válvula, face aos diferentes potenciais de tendência a danificar mecanicamente a válvula e de produção de ruído.

No caso de líquidos não cativantes e com formação bolhas “flashing”, os níveis de ruído produzidos são geralmente baixos e, portanto, não se constituem em grandes problemas. Quanto ao aspecto da formação do flashing”, este deve ser apenas previsto e proceder ao adequado dimensionamento, limitando-se a queda de pressão efetiva, o que implica no cálculo de uma válvula um pouco maior, fato esse perfeitamente lógico pois o líquido, ao passar pelo orifício da válvula e vaporizar-se, aumenta seu volume específico, necessitando, portanto, uma maior área de passagem para dar escoamento a mesma quantidade de vazão. 0 principal problema produzido pelo “flashing” é o da erosão, requerendo, portanto, materiais de especial dureza.

Realmente é no escoamento cativante que se encontram os principais problemas decorrentes do escoamento de líquidos através de válvulas de controle. A cavitação deve ser combatida e evitada. 0 resultado do surgimento do fenômeno da cavitação numa válvula de controle, consiste na produção de excessivos níveis de ruido hidrodinâmico e de prematuros desgastes das partes da válvula, localizadas logo após o orifício de passagem, além da tubulação adjacente a Jusante.

A cavitação deve, portanto, receber uma grande consideração quando da seleção de uma válvula.

0 fenômeno da cavitação ocorre quando a pressão do líquido no interior da válvula (ponto de mínima pressão) se torna menor que a pressão de vapor, formando-se bolhas. Conforme o fluido desloca-se para a saída da válvula, recupera parte da sua pressão estática perdida, e caso essa pressão na saída, exceda a pressão de vapor do líquido as ‘ bolhas implodem produzindo ondas de choque a altíssimas pressões, que ocasionam severa erosão’ as partes metálicas mais próximas à zona de implosão.

Foi verificado que tais níveis de pressões liberadas na implosão podem atingir valores da ordem de 500.000 psig.

São vários os métodos utilizados para evitar o surgimento da cavitação, dentre dos quais destacamos os principais e portanto mais amplamente utilizados: 

• escolha de tipo de válvula cuja recuperação de pressão não seja suficientemente alta para produzir a cavitação; 
• utilização  de duas válvulas em série dividindo entre elas a queda de pressão total do sistema; 
• localização estratégica da válvula na planta de processo, e 
• utilização de válvulas com internos especialmente projetados para evitar a formação da cavitação.

O índice de cavitação incipiente Kc ou número sigma é uma forma bastante prática para identificar o início de cavitação. Por exemplo, se para uma determinada aplicação verifica-se que para que não seja atingida a região da cavitação incipiente o valor’ de Kc deve ser igual ou maior- que 0,55, podemos, então, no procedimento da seleção da válvula, eliminarmos alguns tipos, tais como, esfera (Kc=0,28), borboleta (Kc-0,30), excêntrica rotativa (Kc=0,37), bipartida (Kc=0,50), etc., pois todas elas, possuindo um coeficiente Kc menor que 0,55, provocariam o surgimento da cavitação.

0 método da quebra de pressão total entre duas ‘ válvulas instaladas em série, se por um lado traz os benefícios de eliminar a possibilidade da cavitação, por outro lado nos traz o inconveniente de um controle muito mais difícil, onde há interferências do ganho de uma válvula sobre a outra, e, portanto, sempre que esse método de combate a cavitação for utilizado, os devidos cuidados’ quanto ao aspecto da dinâmica do controle devem também ser estudados, fato esse que não deixa de ser complexo.

A localização estratégica da válvula de controle na planta de processo, constitui-se num outro método bastante utilizado para evitar o surgimento da cavitação, impossibilitando que, a pressão de saída após a passagem do líquido da válvula, eleve-se acima da pressão de vapor. Nesse caso teríamos apenas a formação do “flashing” e não da cavitação. Um exemplo disso e o de uma válvula descarregando diretamente para um tanque, de forma que a pressão de saída seja menor que a pressão do vapor.

Válvulas especialmente projetadas para operarem nessas condições, evitando o surgimento da cavitação, constitui-se numa solução a ser tomada onde outros métodos trouxeram quase nenhuma ou insuficiente contribuição ao problema. As válvulas globo tipo gaiola, em função da sua alta flexibilidade de construção dos seus internos, constituem-se no principal tipo de válvula a ser utilizada nessas condições, equipada com sistema de internos “anti-cavitação”. Esse sistema utiliza como princípio de funcionamento os conceitos de múltiplo estágio ou percurso—labirinto, de forma a” quebrarem” a queda de pressão total em várias etapas, não permitindo que a velocidade ultrapasse determinados limites e, portanto, evitando que a pressão estática atinja o valor da pressão de vapor do líquido.

Considerações quanto à erosão 

0 procedimento de combate a erosão está mais amplamente ligado a escolha dos materiais dos internos, do que dos materiais do corpo da válvula. Existem quatro tipos principais de erosão em válvulas de controle: 

1. erosão-abrasiva, 
2. erosão-cavitativa, 
3. erosão-corrosiva, e 
4. erosão por choque do fluido a alta velocidade.

A erosão-abrasiva é o produto de bilhões de finas partículas mais duras que a superfície do material dos internos, e que sendo carregadas pelo fluxo a altas velocidades, provocam o desgaste, principalmente dos internos da válvula. A erosão -abrasiva pode ser reduzida mediante a seleção de adequados materiais suficientemente duros para resistirem ao desgaste produzido pelas partículas abrasivas, ou então, selecionando-se os tipos de válvulas com melhor formato aerodinâmico. A seleção de válvulas que permitam o seu revestimento interno com, por exemplo, neoprene, Buna N, etc., é também uma solução tecnicamente adequada de resistência à erosão-abrasiva.

A erosão-cavitativa é originada pelo fenômeno da cavitação, o qual já foi comentado anteriormente. 

A erosão-corrosiva surge quando a fina película superficial e protetora do metal é destruída pelo efeito erosivo do fluido ou da aplicação. Após isso, o efeito da corrosão pode tomar conta rapidamente, devido ao enfraquecimento do material contra a corrosão. A erosão-corrosiva pode ser reduzida utilizando-se para os internos, os materiais mais resistentes à erosão e a corrosão, como Monel, Níquel, Hastelloy, etc., ou, através da utilização de válvulas revestidas por PTFE/PFA.

A erosão provocada pelo choque do fluxo a alta velocidade é proveniente de aplicações à altas quedas de pressão. Este tipo de erosão é consideravelmente reduzido selecionando válvulas tipo gaiola ao invés do globo convencional e pela utilização de materiais mais duros para a fabricação dos internos.

De uma forma geral, quando da utilização de uma válvula de controle numa aplicação erosiva, deve-se especificar com muito critério os materiais referentes aos internos, selecionando-se materiais mais duros quanto maior for a ação erosiva, podendo nesse caso, operarmos inclusive com altas quedas de pressão. A utilização de válvulas com revestimento interno, é mais propriamente indicada para aplicações erosivas a moderadas quedas de pressão.

Artigo, elaborado por Luiz Otávio Massafera – Diretor Técnico da Masster Treinamento, atuando há 44 anos na área de instrumentação e controle de processos industriais. Tendo trabalhado neste período em grandes fabricantes de válvulas, como: Samson/Masoneilan/Hiter. Desenvolvendo cursos e palestras técnica, em entidades de classe e Universidade, como: USP/Mackenzie/Mauá/Alvares Penteado, entre outras.