Alívio de pressão de caldeiras: um guia prático para válvulas de segurança e manutenção de caldeiras

Um operador de planta ouve uma descarga repentina da linha de alívio do tambor de vapor logo após uma caldeira de calor residual iniciar o funcionamento frio da manhã. O vapor é liberado, o painel de controle mostra a pressão subindo em direção à pressão máxima de trabalho permitida e alguém pergunta se o sistema pode ser reiniciado rapidamente. Em um sistema de caldeira industrial, alívio de pressão da caldeira não há uma única válvula a ser verificada uma vez por ano; é uma função de proteção que deve ser calculada, instalada e verificada juntamente com o vaso de pressão. A válvula de alívio é o último dispositivo entre um evento de sobrepressão e danos graves à caldeira, à rede de vapor conectada ou ao pessoal próximo. Nossa experiência como fabricante de equipamentos industriais de recuperação de calor tem mostrado repetidamente que a maioria dos problemas de campo remontam ao sistema ao redor da válvula: saídas bloqueadas, falhas nos controles, dimensionamento incorreto ou manutenção deficiente. Este artigo explica como funciona o alívio de pressão da caldeira, como escolher e configurar as válvulas e o que as equipes da planta devem fazer antes de confiar na linha final de defesa.

O que o alívio de pressão da caldeira faz e por que não pode ser ignorado

O alívio de pressão da caldeira é o processo pelo qual um dispositivo de alívio de pressão protege uma caldeira de exceder sua pressão máxima de trabalho permitida (MAWP). Quando a pressão do sistema atinge o ponto de ajuste da válvula, a válvula abre, descarrega o excesso de vapor ou água quente e, em seguida, reajusta após a pressão cair para um nível seguro. Esta não é uma função de regulação de pressão controlada; é uma resposta de emergência.

Engenheiros e equipes de compras costumam usar os termos válvula de segurança, válvula de alívio e válvula de segurança como se fossem intercambiáveis. A distinção é importante porque a válvula deve produzir a característica de abertura necessária para o fluido que manipula. Uma válvula de segurança abre rapidamente com uma ação pop e é destinada ao serviço de vapor ou ar. Uma válvula de alívio abre gradualmente em proporção à pressão e é normalmente usada em serviços com líquidos. Uma válvula de alívio de segurança pode lidar com vapor ou líquido.

Para uma caldeira a vapor, a função de alívio de pressão normalmente deve vir de uma válvula de segurança autorizada pela ASME. Uma caldeira de água quente precisa de uma válvula de alívio. Um recipiente de processo industrial pode usar uma válvula de alívio de segurança. Usar o tipo errado causa vibração, perda de capacidade e falhas nas inspeções.

Dentro da válvula: como funciona o alívio de pressão da caldeira

O dispositivo de alívio de pressão de caldeira industrial mais comum é uma válvula de segurança com mola direta. Uma mola mantém um disco endurecido contra um assento. Quando a pressão estática dentro da caldeira atua sobre o disco com força suficiente para superar a força da mola, o disco levanta. Vapor ou água passam pelo corpo da válvula e saem pela linha de descarga. Assim que a pressão cai para o ajuste de purga, a mola recoloca o disco e a válvula fecha.

As peças principais são o bocal de entrada, a superfície de assentamento, o disco, a mola, o fuso, o anel de controle de purga e a alavanca de elevação. A alavanca de elevação fornece uma forma de verificar se o disco está livre, mas não verifica o ponto de ajuste. A pressão de ajuste é a pressão na qual a válvula começa a abrir sob condições de serviço. A purga é a diferença entre a pressão de abertura e a pressão de reajuste, geralmente expressa como uma porcentagem da pressão definida.

• Pressão definida: a pressão calibrada na qual a descarga começa.
• Capacidade: a quantidade de vapor, em libras por hora, que a válvula pode descarregar a uma sobrepressão especificada.
• Explosão: a queda abaixo da pressão definida na qual a válvula fecha novamente.
• Acumulação: o aumento de pressão acima do MAWP permitido durante a descarga total.

Em uma caldeira a vapor industrial típica, a pressão durante o alívio pode subir acima do MAWP, mas o aumento é limitado pelo código. Para caldeiras regidas pela Seção I da ASME, o limite geralmente fica em torno de 6%; para caldeiras de aquecimento de água quente, o limite costuma ser de 10%. A capacidade da válvula deve ser alta o suficiente para manter a pressão dentro desses limites, mesmo que o queimador não desligue.

Definir pressão, capacidade e requisitos de código por trás do alívio de pressão da caldeira

Dois números decidem se uma válvula de alívio de pressão da caldeira fará seu trabalho: ajustar a pressão e aliviar a capacidade. A pressão definida deve ser igual ou inferior à pressão máxima de trabalho permitida estampada na placa de identificação da caldeira. A capacidade deve ser alta o suficiente para descarregar a taxa máxima de geração de vapor, mesmo se uma válvula de combustível falhar e o queimador não desligar.

A Seção I da ASME, que rege caldeiras elétricas, exige que cada caldeira tenha pelo menos uma válvula de alívio de pressão. Caldeiras com superfícies de aquecimento maiores requerem duas ou mais válvulas. Durante um evento de alívio, a pressão pode subir acima da MAWP em um valor limitado. A placa de identificação da válvula deve mostrar a capacidade certificada e a pressão definida. Quando uma caldeira também possui um superaquecedor ou um economizador, cada equipamento que contém pressão pode precisar de sua própria proteção de alívio.

Em uma caldeira de calor residual, a válvula de alívio não é dimensionada apenas com base na carga em estado estacionário. A entrada máxima de calor pode vir de um aumento repentino na temperatura dos gases de combustão, do sopro de fuligem ou de mudanças no ciclo do processo. Um bom fabricante calcula a capacidade de alívio a partir dessas condições transitórias, e não a partir de um relatório médio de produção.

Caldeira de calor residual de gás de combustão de forno de coque para recuperação de temperatura média-baixa Esta caldeira recupera o calor dos gases de combustão da coqueria a 260-300°C para produzir vapor, reduzindo a temperatura de saída para 140-160°C. O dimensionamento da válvula de alívio deve levar em conta a entrada de calor transitória, tornando-a relevante na investigação de eventos de sobrepressão. Ver Produto →

Por que as válvulas de alívio de pressão da caldeira abrem? Observações de campo baseadas em dados

Compreender por que uma válvula de alívio de pressão da caldeira abre é tão importante quanto saber como reinicializá-la. Em nossa análise de engenharia de relatórios de solução de problemas de plantas industriais a vapor, certas causas aparecem com muito mais frequência do que outras. O gráfico abaixo resume uma amostra de campo de 180 eventos não planejados de descarga de válvulas de alívio coletados pelas equipes de manutenção da planta e engenheiros dos fornecedores. O agrupamento de causas é prático, não acadêmico, e ajuda as equipes da fábrica a decidir onde passar o tempo de inspeção. Leia o comprimento de cada barra como a porcentagem de eventos registrados atribuídos a essa causa.

A primeira descoberta é que o overfiring aparece como o principal gatilho nesta amostra. Um controlador de queimador com falha, uma válvula de combustível calibrada incorretamente ou um sinal de chama interrompido podem adicionar calor mais rápido do que a caldeira pode converter água em vapor. A válvula de alívio torna-se então o único componente que impede uma excursão de pressão. A segunda maior causa, uma válvula de saída de vapor fechada ou restrita, muitas vezes pode ser evitada através de regras operacionais simples. Muitas fábricas isolam as linhas de vapor para manutenção e depois esquecem que uma válvula de bloqueio permanece fechada. Sensores e controles de pressão com falha formam o terceiro grupo, confirmando o valor da calibração regular. Nestes casos, o ponto de ajuste não era o problema; o sistema simplesmente nunca recebeu o sinal correto para reduzir o disparo. A expansão térmica explica os eventos em sistemas de água quente onde um tanque de expansão é subdimensionado ou isolado por uma válvula de corte. O desgaste mecânico e o desvio do ponto de ajuste representam uma parcela menor, mas ainda significativa, e geralmente aparecem durante os testes de inicialização. O golpe de aríete, o menor grupo, é raro, mas perigoso porque cria um transiente repentino de pressão. Muitas vezes resulta de mudanças rápidas na demanda de vapor, má drenagem de condensado ou movimento rápido da válvula. No geral, a lição é que uma válvula de alívio de pressão da caldeira raramente protege contra um problema que aparece sem aviso prévio.

Seleção de válvulas de alívio de pressão de caldeiras para caldeiras industriais e residuais

A seleção deve começar com a MAWP da caldeira e a capacidade de alívio certificada, e não com um tamanho de válvula existente. Quando a válvula errada é instalada, a caldeira só pode passar por uma inspeção se a placa de identificação, a capacidade e a pressão definida corresponderem aos cálculos do projeto. A válvula também deve se adequar à conexão de entrada disponível, ao layout da tubulação de descarga e à faixa de temperatura operacional.

Use estes fatores de seleção como ponto de partida:

• MAWP e temperatura de projeto do componente da caldeira
• Seção ASME e tipo de válvula exigidos
• Capacidade certificada na pressão definida e na sobrepressão permitida
• Materiais de válvula para serviço no lado do vapor e no lado da água
• Queda de pressão na tubulação de entrada, limitada a aproximadamente 3% da pressão definida para evitar vibração
• Contrapressão de saída, incluindo o efeito de um tanque de purga e pilha
• Configuração de purga e comportamento de reassentamento esperado
• Acesso para testes, manutenção e substituição futura

Para caldeiras de calor residual, o cálculo da capacidade deve incluir a geração máxima de vapor possível com o fluxo máximo de gases de combustão, alta temperatura dos gases de combustão e as piores condições de processo. Um fabricante que cita uma unidade de recuperação de calor residual sem um cálculo de dimensionamento de válvula de alívio está deixando muitas suposições.

Unidade de recuperação de calor residual de gases de combustão de alta temperatura para gaseificador soprado com oxigênio Esta unidade lida com gases de combustão acima de 800°C usando ligas de alta temperatura e designs resistentes a poeira. Como a capacidade da válvula de alívio deve ser calculada para as piores condições, é importante verificar a certificação ASME e a documentação da pressão definida. Ver Produto →

Ao adquirir válvulas de um atacadista ou distribuidor terceirizado, insista em uma placa de identificação de capacidade certificada pela ASME e uma documentação clara da pressão definida. A papelada extra não é burocracia; é a única maneira de verificar se a válvula funcionará durante um evento de sobrepressão.

Instalação, teste e manutenção: uma lista de verificação prática para alívio de pressão da caldeira

A instalação correta faz a diferença entre uma válvula de alívio que protege em todas as demandas e uma que falha durante uma emergência. A válvula deve ser montada verticalmente, próxima ao tambor de vapor da caldeira, com entrada de tamanho normal e sem válvula de corte interveniente, a menos que a jurisdição o permita. A tubulação de saída deve ser autodrenante e não deve criar contrapressão excessiva.

O teste manual da alavanca de uma válvula de alívio de pressão da caldeira deve ser feito com cuidado. Um teste de alavanca prova que o mecanismo da válvula pode ser levantado, mas não prova que a válvula abrirá no ponto de ajuste correto. Em válvulas antigas, um teste manual pode empurrar incrustações e detritos para dentro da sede, causando um vazamento que não existia antes. Após anos de serviço, o caminho mais seguro geralmente é remover a válvula e realizar um teste de bancada.

Não ajuste um ponto de ajuste da válvula sem revisar o cálculo do projeto e o relatório de dados da caldeira. Em muitas jurisdições, a alteração da pressão definida requer uma nova certificação de capacidade e uma inspeção. A equipe de manutenção também deve registrar cada data de serviço, resultado de teste e peça de reposição, pois esse histórico se torna a evidência de que a caldeira é segura para operar.

Trabalhando com um fabricante que trata o alívio de pressão da caldeira como um componente do sistema

Fabricantes experientes tratam o alívio de pressão da caldeira como parte do projeto termo-hidráulico geral da caldeira, e não como um acessório de compra. Em nosso próprio processo de engenharia, o MAWP do tambor de vapor, o ponto de ajuste da válvula de segurança e o controle de pressão do vapor a jusante são revisados ​​em conjunto. Isto é mais importante na recuperação de calor residual, onde a fonte de calor não é tão estável como uma caldeira alimentada por combustível.

Para um resfriador circular de sinterização, por exemplo, a temperatura e o volume do ar de exaustão mudam com a profundidade do leito do material, o fluxo de ar de resfriamento e a taxa de produção. A válvula de alívio deve ser dimensionada para o pior fluxo de vapor e não para a curva de produção média. Um fornecedor que entende essas flutuações do processo também verificará o tempo de resposta, a configuração de purga e o efeito de longos dutos de gases de combustão nos transientes de pressão.

Caldeira de calor residual do resfriador circular sinterizado com geração de vapor Esta caldeira recupera o calor residual dos gases de exaustão da sinterização a cerca de 400°C para gerar vapor, usando resfriamento circular e materiais resistentes a altas temperaturas. O dimensionamento da válvula de alívio deve considerar condições variáveis ​​de exaustão e projeto do caminho de descarga. Ver Produto →

Em processos de alta temperatura, como conversores soprados por oxigênio ou sistemas de gases de combustão de fornos de coque, o projeto deve incluir o caminho de descarga da linha de alívio, seja o vapor liberado para a atmosfera ou direcionado para um desaerador. O fabricante deve fornecer uma descrição completa do sistema, incluindo o certificado da válvula, o desenho de instalação e as peças sobressalentes recomendadas. Ao comparar propostas de fabricantes de caldeiras e fornecedores de equipamentos de recuperação de calor, pergunte a cada um como foi calculada a capacidade da válvula de alívio. Se a resposta for simplesmente que foi copiado de um projeto semelhante, trate isso como um risco. Um fornecedor responsável orientará você sobre o caso de entrada máxima de calor, o MAWP e a sobrepressão permitida.

Onde encontrar informações adicionais sobre alívio de pressão da caldeira

O alívio de pressão da caldeira é um assunto orientado por código e os requisitos podem variar de acordo com a jurisdição, tipo de caldeira e classe de pressão. Os links abaixo conectam-se a materiais de referência sobre sistemas de calor residual industrial e sobre o processo de qualidade usado em nossas instalações de fabricação.

• Fabricante de equipamentos de recuperação de calor de resíduos industriais
• Engenharia de segurança de primeira qualidade para equipamentos sob pressão

Antes de alterar a configuração de uma válvula, sempre revise o documento de projeto original, o relatório de dados da caldeira e a regulamentação local aplicável. Uma válvula de alívio que abre antes do necessário desperdiça energia, mas uma que abre tarde demais representa um sério risco à segurança.