O Que é Cavitação e porque Controlar
A cavitação em válvulas de controle é um fenômeno hidrodinâmico que ocorre quando a pressão do fluido cai abaixo da pressão de vapor do líquido, formando bolhas de vapor no interior do líquido. Essas bolhas são instáveis e colapsam quando retornam a regiões de pressão mais alta. Esse colapso repentino das bolhas gera ondas de choque e microjatos que podem causar danos à superfície da válvula e às estruturas adjacentes.
É importante controlar a cavitação em válvulas de controle por diversos motivos:
- Desgaste e Danos: A cavitação pode resultar em erosão e desgaste da superfície da válvula, aumentando a probabilidade de falhas prematuras e reduzindo a vida útil do equipamento.
- Redução da Eficiência: A presença de cavitação pode interferir na capacidade da válvula de controlar o fluxo de forma precisa e eficiente, comprometendo o desempenho do sistema de controle.
- Ruído e Vibração: A cavitação pode gerar ruído excessivo e vibrações indesejadas no sistema, o que pode ser prejudicial para o ambiente de trabalho e para a integridade estrutural do equipamento.
- Impacto no Processo: Em sistemas onde a precisão do controle de fluxo é crucial, a presença de cavitação pode afetar negativamente a qualidade do processo e a produção final.
Portanto, controlar a cavitação é essencial para garantir a operação eficiente e confiável das válvulas de controle, prolongando sua vida útil, reduzindo os custos de manutenção e preservando a integridade do sistema de controle como um todo. Isso pode ser feito por meio de técnicas de projeto adequadas, seleção de materiais resistentes à cavitação, ajuste correto das condições de operação e uso de dispositivos antivibração e amortecedores.
Teste de Cavitação
Configuração do teste de cavitação
O sistema de teste de fluxo deve ser conforme mostrado na figura a seguir.
Inclui:
a) uma válvula para teste;
b) um trecho de linha para teste;
c) válvulas de estrangulamento a montante e a jusante;
d) um dispositivo de medição de vazão;
e) tomadas de pressão e dispositivos de medição (a montante e a jusante);
f) um sensor de temperatura; e
g) instrumentação de detecção de cavitação mostrada na figura.
Teste de Cavitação
Procedimento
Passo 1:
O teste de cavitação é aplicável a diversos tipos de válvulas e pode ser realizado utilizando um modelo simples de sistema de teste, como mostrado na Figura 01. Para garantir resultados confiáveis e precisos durante o procedimento, é recomendável o uso de dispositivos calibrados com alta precisão, sempre que possível. A adoção dessa medida visa minimizar a incerteza e as variações nos dados obtidos, contribuindo para uma análise mais confiável e conclusões mais precisas.
Passo 2:
A tubulação a montante e a jusante da amostra de teste deve estar em conformidade com o tamanho nominal da conexão da amostra de teste e com os seguintes requisitos de comprimento.
A tomada de pressão a montante deve ter dois diâmetros nominais de tubo da conexão da válvula em teste , enquanto a tomada de pressão a jusante deve ter 06(seis) diâmetros nominais do tubo partir da conexão da válvula.
Deve haver pelo menos 18 (dezoito) diâmetros nominais de tubo reto (oito se estiver com retificador de fluxo na linha ) a montante da torneira de pressão a montante e pelo menos um diâmetro de tubo a jusante da torneira de pressão a jusante.
Um esforço deve ser feito para combinar o diâmetro interno na entrada e na saída do corpo de prova com o diâmetro interno da tubulação adjacente.
Etapa 3:
As válvulas de regulagem a montante e a jusante são usadas para controlar o diferencial de pressão nas tomadas de pressão da seção de teste e para manter uma pressão específica a jusante.
A válvula a jusante deve ter capacidade suficiente para garantir que o fluxo obstruído (no caso do coletor de teste de calibração padrão) e os outros coeficientes de cavitação desejados possam ser alcançados.
Deve-se tomar cuidado para garantir que o ruído ou cavitação dessas válvulas durante o teste não influencie os resultados do corpo de prova.
Passo 4:
O instrumento de medição de fluxo pode ser qualquer dispositivo que atenda à precisão exigida.
Este instrumento deve medir a vazão média em tempo real dentro de um erro não superior a ± 2% do valor real.
A resolução e repetibilidade do instrumento devem estar dentro de ± 0,5%.
Etapa 5:
Para as medições de pressão e diferencial de pressão durante o teste de cavitação, é fundamental que os resultados sejam precisos e confiáveis. Portanto, é recomendado que todas as medições de pressão e diferenciais de pressão sejam realizadas com um erro não superior a ± 2%.
Similarmente, para as medições de temperatura, é essencial que os resultados sejam precisos e confiáveis, pois a cavitação é fortemente influenciada pela temperatura. Assim, todas as medições de temperatura devem ser feitas com um erro não superior a ± 2 °F (1,1 °C).Confirmação de fontes:
Etapa 6:
Para garantir uma medição precisa de vibrações em um ambiente de tubo, é fundamental instalar um acelerômetro de forma rigida na parede do tubo. O eixo principal de sensibilidade do acelerômetro deve ser perpendicular ao eixo do tubo, para maximizar a detecção de vibrações em todas as direções.
A localização exata do acelerômetro no tubo deve ser determinada por testes, com o objetivo de obter a detecção de vibração máxima. No entanto, deve-se considerar uma distância mínima de 01(um ) diâmetro nominal do tubo localizado abaixo da conexão da válvula pode servir como um bom ponto de partida para a instalação.
Considerando que as vibrações de frequência mais alta (5-50 kHz) são de interesse neste teste, a montagem na parede do tubo de massa inferior (em comparação com a montagem de flange) fornecerá sensibilidade melhor de um acelerômetro de alta frequência.
Etapa 7:
O procedimento de teste descrito aborda a avaliação de aceleração, um aspecto crítico no monitoramento e na manutenção de sistemas de válvulas. Embora a precisão quantitativa dos resultados de aceleração não seja mandatória para o teste em questão, uma tolerância de ± 5% é estabelecida como o requisito mínimo aceitável. No entanto, a escolha criteriosa do equipamento de medição é fundamental para garantir resultados consistentes e confiáveis ao longo de uma ampla faixa de frequências, essencial para a análise abrangente dos sistemas de válvulas.
Para alcançar essa consistência, recomenda-se o uso de um acelerômetro, preferencialmente piezoelétrico, com uma frequência ressonante que ultrapasse os 100 kHz. Esse requisito é crucial para assegurar que a instrumentação utilizada seja capaz de capturar as variações dinâmicas em toda a faixa de frequência sob análise, a qual se estende de 5 kHz a 50 kHz. Ademais, a aplicação de um pré-amplificador de vibração, de acordo com as orientações do fabricante do acelerômetro, potencializa a sensibilidade e a precisão dos dados coletados durante o teste.
Para aprimorar a interpretação dos dados obtidos, sugere-se a implementação de um filtro passa-alta opcional. Esse filtro desempenha um papel fundamental na distinção entre o ruído de baixa frequência, com valores inferiores a 5 kHz, originado do fundo e do fluxo turbulento, e o ruído de alta frequência induzido pela cavitação. A aplicação desse filtro contribui substancialmente para uma análise mais precisa e clara dos resultados, ao separar os componentes de interesse do sinal de ruído.
Etapa 8:
Alinhamento Preciso em Testes de Válvulas e Tubulações
Assegurar o alinhamento preciso entre a linha central da tubulação na seção de teste e a linha central da entrada e saída do corpo de prova é crucial para a precisão e confiabilidade dos testes. Vamos detalhar os pontos relevantes:
- Tubulações com Diâmetros até 6 Polegadas (150 mm):
- O desvio máximo permitido para tubulações dessa categoria é de 1/16 de polegada (aproximadamente 1,6 mm).
- Manter o alinhamento dentro dessa margem é vital para obter resultados precisos.
- Por quê? Desvios excessivos podem afetar o fluxo do fluido e distorcer os resultados dos testes.
- Tubulações com Diâmetros de 8 Polegadas (200 mm) ou Maiores:
- Para tubulações maiores, o alinhamento deve ser mantido dentro de 1% do diâmetro da tubulação.
- Por quê? Como tubulações maiores têm maior volume de fluxo, pequenos desalinhamentos podem gerar variações significativas nos resultados.
- Testes com Válvulas Rotativas:
- É essencial que o eixo da válvula esteja alinhado com as tomadas de pressão na seção de teste.
- Por quê? O alinhamento adequado garante que as medições de pressão reflitam fielmente o comportamento da válvula.
- Além disso, é importante posicionar todas as gaxetas de modo que não interfiram no fluxo de fluido.
- Por quê? Gaxetas mal posicionadas podem afetar o fluxo e introduzir erros nos resultados.
- Evitar qualquer protrusão para dentro do caminho do fluxo é fundamental para preservar a integridade dos resultados e garantir a segurança operacional durante o teste.
Em resumo, o alinhamento preciso é uma precaução crucial para obter dados confiáveis e manter a eficiência e segurança nos testes de válvulas e tubulações.
Etapa 9:
O fluido básico escolhido para este procedimento de teste é água, mantida em uma temperatura relativamente constante. A escolha de água como fluido de teste é motivada por sua disponibilidade, baixo custo e baixa toxicidade.Para garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados, é fundamental que a água esteja suficientemente livre de partículas em suspensão, ar ou outros gases.
A presença de impurezas pode afetar negativamente os resultados do teste, causando erros de medição ou interferindo na análise dos dados. Portanto, é essencial que a água esteja limpa e pura para garantir a integridade dos resultados
Etapa 10:
A seção de teste mostrada na Figura deve ser utilizada com a amostra de teste (válvula) ajustada em um curso especificado. Para garantir uma análise abrangente e precisa do desempenho das válvulas, é fundamental que as posições de deslocamento de 20%, 40%, 60%, 80% e 100% do deslocamento nominal sejam aplicadas, no mínimo, para cada posição de deslocamento.
Essas posições de deslocamento permitem avaliar o desempenho das válvulas em diferentes estados de abertura e fechamento, proporcionando informações detalhadas sobre a eficiência, a velocidade de resposta e a estabilidade das válvulas em diferentes condições operacionais.
Etapa 11:
A válvula de controle a jusante deve ser posicionada totalmente aberta ou em uma posição de deslocamento que proporcione condições de cavitação na válvula de teste. Em seguida, com uma pressão a montante pré-selecionada, a taxa de fluxo, a pressão a montante, a pressão a jusante ou diferencial através da válvula de teste e os níveis do acelerômetro devem ser registrados.
O uso de instrumentos de medição de pressão diferencial é preferível sempre que possível para garantir a precisão. Durante uma operação de teste, P1 deve ser mantido constante dentro de ± 5%. Isso estabelece um diferencial de pressão máximo para a válvula de teste em um sistema de teste em uma configuração de deslocamento particular.
Para garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados, é fundamental que a pressão a montante (P1) seja mantida constante dentro de um erro de ± 5% durante a operação de teste. A pressão a montante é a pressão que está sendo aplicada à válvula de teste, enquanto a pressão a jusante (P2) é a pressão que está sendo medida após a passagem da válvula de teste. A taxa de fluxo (Q) também deve ser registrada para avaliar a performance da válvula de teste.
A medição do nível do acelerômetro é fundamental para avaliar a vibração na válvula de teste. O acelerômetro deve ser instalado na parede do tubo da seção de teste, com o eixo principal de sensibilidade perpendicular ao eixo do tubo, para maximizar a detecção de vibrações em todas as direções.
Etapa 12:
Claro! Vou melhorar o texto e explicar o porquê das afirmações:
1. Não Exceda a Classificação de Queda de Pressão Máxima da Válvula em Teste:
É crucial respeitar e não ultrapassar a classificação de queda de pressão máxima da válvula durante o teste. Esta classificação é estabelecida pelo fabricante com base no projeto e na capacidade da válvula. Ultrapassar esse limite pode resultar em danos à válvula, comprometendo sua integridade e desempenho operacional. Além disso, a pressão excessiva pode causar vazamentos ou até mesmo falhas catastróficas, colocando em risco a segurança do equipamento e do pessoal envolvido.
2. Cuidado para Evitar o Aparecimento de Gás nas válvulas de Pressão Ajustada:
É essencial tomar precauções para evitar que o gás seja aprisionado nas válvulas de pressão ajustada durante o teste. Quando o gás fica preso, pode causar flutuações imprevisíveis na pressão, comprometendo a precisão e a confiabilidade dos resultados do teste. Isso pode levar a interpretações errôneas dos dados e a falhas na análise do desempenho da válvula. Portanto, é importante garantir que o sistema esteja purgado de gás e que as torneiras de pressão estejam adequadamente ventadas antes e durante o teste para garantir a precisão dos resultados.
Etapa 13:
Para garantir uma análise abrangente e precisa do desempenho das válvulas, é fundamental realizar uma série de testes adicionais em quedas de pressão decrescentes subsequentes, estrangulando a válvula de estrangulamento a jusante.
Cada teste deve diminuir a queda de pressão do corpo de prova em incrementos adequados para detectar pontos de inflexão na curva de vibração. Os mesmos registros de vazão, pressão e aceleração devem ser feitos para cada teste.
Etapa 14:
Cada um dos itens listados é importante para garantir a precisão e a confiabilidade dos dados coletados durante o teste de válvulas.
- O Curso da Válvula é registrado para avaliar o desempenho da válvula em diferentes posições de abertura e fechamento. O erro de medição não deve exceder ± 0,5% do curso nominal para garantir a precisão dos resultados.
- A pressão a montante (P1): é a pressão que está sendo aplicada à válvula de teste e é registrada para avaliar a eficiência da válvula em diferentes condições operacionais. O erro de medição do instrumento não deve exceder ± 2% do valor real para garantir a precisão dos resultados.
- A queda de pressão (DP) ou pressão a jusante (P2) é registrada para avaliar a eficiência da válvula em diferentes condições operacionais. O erro de medição do instrumento não deve exceder ± 2% do valor real para garantir a precisão dos resultados.
- A Vazão medido (q) é registrado para avaliar a eficiência da válvula em diferentes condições operacionais. O erro de medição não deve exceder ± 2% do valor real para garantir a precisão dos resultados.
- A temperatura do fluido (T) é registrada para determinar a pressão do vapor adequadamente e avaliar a eficiência da válvula em diferentes condições operacionais. O erro de medição não deve exceder ± 2 ° F (1,1 ° C) para garantir a precisão dos resultados.
- A vibração da parede do tubo a jusante é registrada para avaliar a estabilidade da válvula em diferentes condições operacionais. O erro de medição não deve exceder ± 5% da escala completa para garantir a precisão dos resultados.
- A pressão barométrica é registrada para converter a pressão medida em pressão absoluta (Pa), psia (kPa). O erro de medição não deve exceder ± 2% do valor real para garantir a precisão dos resultados.
Em resumo, o registro desses dados é essencial para garantir a precisão e a confiabilidade dos resultados do teste de válvulas.
Etapa 15:
Para calcular a aceleração média em G ou ft/s² (m/s²) dentro da faixa de frequência de 5 a 50 kHz, é necessário primeiramente obter os seguintes dados de vibração da parede do tubo a jusante:
- Amplitude de vibração (A) em milímetros (mm) ou polegadas (in)
- Frequência de vibração (f) em kHz
A aceleração (a) em G ou ft/s² (m/s²) pode ser calculada a partir da equação:
Para calcular a aceleração média dentro da faixa de frequência de 5 a 50 kHz, é necessário somar as acelerações calculadas para cada frequência e dividir o resultado pela quantidade de frequências consideradas.Por exemplo, se você tiver medido a amplitude e a frequência de vibração em 10 pontos distintos dentro da faixa de 5 a 50 kHz, você pode calcular a aceleração média da seguinte maneira:
- Calcule a aceleração para cada frequência (f1, f2, …, f10)
- Somar as acelerações calculadas (a1 + a2 + … + a10)
- Divida o resultado da soma por 10 (total de frequências consideradas)
Os dados podem ser obtidos de um analisador de frequência, osciloscópio ou voltímetro (com filtro passa-alta) que estejam configurados para medir a amplitude e a frequência de vibração.
Etapa 16:
Com os dados de aceleração média e coeficiente de cavitação, podemos traçar um gráfico para cavitação.
Fontes
- ASTM F1960-17, Standard Test Method for Cavitation Testing of Valves
- API 6D, 10th Edition, Specification for Axial and Mixed Flow Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Services
- API 610, 24th Edition, Specification for Axial and Mixed Flow Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Services
- ASTM E1876-18, Standard Test Method for Vibration Measurement of Rotating Machinery
- ISO 10816-3:2017, Vibration measurement and monitoring of machinery – Part 3: Measurement of vibration quantities and presentation of results
- API 682, 3rd Edition, Specification for Centrifugal and Mixed-Flow Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Services
- API 610, 24th Edition, Specification for Axial and Mixed Flow Pumps for Petroleum, Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Services
- ASTM F1960-17, Standard Test Method for Cavitation Testing of Valves
- ASTM E1876-18, Standard Test Method for Vibration Measurement of Rotating Machinery
- ISO 10816-3:2017, Vibration measurement and monitoring of machinery – Part 3: Measurement of vibration quantities and presentation of results
- API 684, 3rd Edition, Specification for Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services
- API 670, 6th Edition, Specification for Axial and Centrifugal Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services
- ASTM F2792-18, Standard Test Method for Vibration Measurement of Rotating Machinery Using Accelerometers
Estratégias e Orientações para Escolha de Válvulas de Controle