Cavitação e Flashing em válvulas de controle. Como evitar?

O fenômeno da cavitação foi verificado pela primeira vez em 1894, pelo cientista e engenheiro irlandês Osborne Reynolds. Através de um tubo Venturi de ½ polegada de diâmetro interno e 6 polegadas de comprimento, ele observou a formação de bolhas em um fluxo de água; e a implosão dessas bolhas na parte a jusante do tubo. Lord Rayleigh estudou esse fenômeno mais tarde em 1917 para descobrir porque as hélices que operavam em alta velocidade na indústria náutica se desgastavam tão rápido.

Nas estações de tratamento de água, a cavitação é usada para quebrar as membranas de células bacterianas; para quebrar poluentes e separar minerais de materiais orgânicos. Ondas ultrassônicas podem gerar compressão e descompressão de fluídos gerando cavitação; tal recurso pode ser aplicado na medicina estética através da lipoaspiração sem cortes. Diversas outras aplicações então, têm como fundamento a cavitação controlada.

Quando se trata de fluxo de fluídos em hidrodinâmica, a cavitação pode surgir com a queda de pressão através de uma restrição nos equipamentos (a vena contracta) como nas válvulas de controle, rotores de bomba e alguns medidores de vazão. Nesses casos a cavitação é potencialmente destrutiva e se torna um fenômeno indesejável em diversos processos nas plantas industriais. Após ler esse artigo você será capaz de responder as seguintes perguntas:

O que é cavitação e quais suas consequências?

Quais as intensidades ou graus de cavitação?

Como posso evitar a cavitação em válvulas de controle?

O que é flashing?

Como posso evitar os danos causados pelo flashing?

Cavitação

A cavitação é um fenômeno definido como a formação de bolhas (fase de vapor) em um líquido devido a uma redução de pressão a uma temperatura constante; seguido da implosão dessas bolhas assim que a pressão se recupera acima da pressão de vapor do fluído. Vejamos com mais detalhes.

A cavitação nas válvulas de controle possui dois estágios. O primeiro é a vaporização do líquido devido à redução de pressão repentina juntamente com o aumento da velocidade e energia cinética do fluído devido à restrição causada pela válvula. A pressão na vena contracta (ponto de menor restrição da válvula) fica menor que a pressão de vapor do líquido vaporizando o mesmo a uma temperatura constante. Há então a formação de bolhas com o vapor desse mesmo fluído. Essas bolhas não são de ar. O segundo estágio é a implosão das bolhas formadas no primeiro estágio devido à recuperação da pressão após a vena contracta acima da pressão de vaporização a uma temperatura constante (Figura 1). Essas implosões liberam energia sob a forma de rápidos jatos de alta pressão que atingem as paredes internas da válvula e até mesmo da tubulação (Figura 2).

Cavitação e Flashing em válvulas de controle. Como evitar?


Figura 1 – Perfil da pressão do fluído ao cruzar uma válvula de controle







Figura 2 – Implosão das bolhas gerando jatos de pressão que atingem os internos da válvula de controle




Consequências da Cavitação

As consequências da cavitação para a válvula de controle, tubulação e para o processo a qual ela controla são geralmente destrutíveis e indesejáveis.

Ruído – A implosão das bolhas vem seguido de ruído que se assemelham a estalos que se assemelham a pequenas pedras chocando-se entre si. O som é mais audível quando o fenômeno é mais intenso. Esses ruídos podem ser altos e acima do máximo permitido pelas normas de SMS para que os operadores estejam expostos. Esse não é o tipo de ruído que se mitiga com gaiolas anti-ruído. É necessário tratar o fenômeno da cavitação em si.

Vibração – A cavitação pode gerar vibração nas tubulações e na válvula em si. Do ponto de vista construtivo, a válvula de controle é um conjunto de peças mecânicas aparafusadas e encaixadas cuidadosamente. A vibração tende a gerar diversos pontos de folgas na válvula o que pode comprometer o desempenho da mesma; gaxetas, o-rings e parafusos precisam ser trocados mais cedo. O mesmo vale para o posicionador que é um dispositivo eletromecânico. As juntas, parafusos e porcas entre as conexões da válvula com a tubulação também podem ter suas vidas úteis abreviadas com vibrações.

Desgaste por erosão dos componentes das válvulas – Como já foi dito, a implosão das bolhas na segunda etapa da cavitação gera jatos de pressão no fluído que atingem os internos das válvulas. Os internos das válvulas estão diretamente ligados a duas funções principais; definir uma característica de vazão em função do formato do plugue e garantir uma classe de vedação pré-determinada. Com o desgaste do plugue e da sede, a válvula de controle terá dificuldade de controlar o fluxo conforme planejado e de cortar o fluxo do processo quando for fechada. O corpo da válvula também é atingido e quando a cavitação é severa existe o risco de o corpo ser furado de dentro para fora, inutilizando a mesma. Isso pode levar a acidentes graves. A erosão devida à cavitação é visualmente identificada por uma superfície aspera composta por pequeninos buracos na superfície atingida. Ver figura 3.


Figura 3 – Obturador e gaiola desgastados pela cavitação.





Vazão Bloqueada (Choked Flow) – Normalmente a vazão em uma válvula de controle é proporcional a pressão diferencial sobre ela. Um aumento da pressão diferencial deve então gerar um aumento de vazão. Na cavitação, a formação de bolhas que ocupam um espaço maior que o líquido, diminui a capacidade nominal da válvula para a aplicação em líquido. Nessas condições, um aumento da pressão diferencial não gera um aumento de vazão e a essa condição damos o nome de vazão bloqueada. Obviamente não é desejado que a válvula tenha uma redução da sua capacidade nominal ou até mesmo seu range de controle comprometido.

Não menos indestrutível e indesejado, o flashing tem como consequências a vazão bloqueada devido a formação das bolhas e o desgaste da superfície dos internos devido a aceleração do fluído. O desgaste no flashing se assemelha a um metal que foi arranhado ou lixado. Ver figura 4.




Figura 4 – Obturador desgastado pelo flashing.






Todas as consequências citadas anteriormente têm potencial de causar, shutdown da planta, necessidade de manutenção não programada causando assim, indisponibilidade da planta e diminuição da produção. Essas consequências têm então um impacto financeiro inegável e não podem ser negligenciadas pelo engenheiro de instrumentação no momento da seleção e do dimensionamento da válvula de controle.

Índice e Níveis de Cavitação

O índice σ (sigma) é um índice amplamente utilizado para prever a ocorrência da cavitação em válvulas e é definido pela equação 1 a seguir:

(Equação 1)


Onde:

P1 = Pressão a montante em psi(a) medido a dois diâmetros nominais da tubulação a montante da válvula;

P2 = Pressão a jusante em psi(a) medido a seis diâmetros nominais da tubulação a jusante da válvula;

Pv = Pressão a vapor do líquido na temperatura de operação;

O Índice de Cavitação ( σ ) representa então a possibilidade da ocorrência de cavitação diante de certas condições operacionais. O numerador da fração representa o potencial das condições de processo não favoráveis a formação da cavitação, ou seja, quanto maior for a diferença entre P1 e Pv , menores são as chances de ocorrer cavitação. O denominador da fração representa o potencial das condições de processo favoráveis à ocorrência da cavitação, ou seja, quanto maior for a diferença, entre P1 e P2 , maiores são as chances de ocorrer a formação de bolhas e quanto maior P2 , maior é a recuperação de pressão sobre a válvula e também a possibilidade das bolhas implodirem.

Cabe ressaltar que a classificação relacionada ao Índice de Cavitação ( σ ) que será apresentada a seguir é aplicada com mais praticidade e eficiência entre as fases de projeto Básico e FEED, onde devemos começar a definir as soluções técnicas e orçar os custos de aquisição dos instrumentos, equipamentos e obviamente, as válvulas, baseado normalmente em uma quantidade de informação mais reduzida e as vezes imprecisa. No próximo tópico, mais fatores, dicas e observações serão apresentados afim de se orientar o engenheiro de instrumentação na especificação detalhada para a fase de projeto executivo.

As faixas determinadas abaixo foram levantadas por vários fabricantes em testes de laboratório e que também permitiram aos mesmos determinarem quais seriam os índices de cavitação destrutiva σdamage para abaixo do qual, o fabricante não recomenda o uso da válvula.

Os principais níveis de cavitação são: Incipiente, Constante e Severa.

Sem cavitação - σ maior ou igual a 2

Nenhuma medida precisa ser tomada.

Cavitação Incipiente ou Inicial - σ entre 1.7 e 2

É a cavitação em um nível de intensidade baixa, ou seja, formam-se poucas bolhas e a implosão das mesmas geram picos de pressão de baixo poder destrutivo. Pouco ruído pode ser escutado. Nesses casos a solução de longo prazo é fazer uso de internos endurecidos. Os aços inoxidáveis martensíticos (série AISI 400) têm resistência mecânica superior ao Austeniticos (série AISI 300). Considerar a sede em AISI-410 e plugue em AISI-410 com revestimento em Stellite 6 pode ser suficiente. Materiais como AISI-416 e AISI-420 também se comportam bem nesse cenário.

Cavitação Constante σ entre 1.5 e 1.7

Cavitação Constante é a cavitação em um nível de intensidade média. Nesse cenário já se faz necessário o uso de uma válvula não apenas endurecida, mas com um projeto específico para a mitigação do fenômeno da cavitação em si. Uma solução recomendada é o uso de internos com furos escalonados. Esses furos direcionam as bolhas para a linha de centro da passagem do fluído e fazem com que elas colidam e implodam entre si afim de evitar danos ao corpo da válvula.



Figura 5 – As bolhas são direcionadas para o centro da gaiola onde elas se chocam entre si e implodem afastadas das paredes internas da válvula. Cortesia Flowserve




Cavitação Severa σ entre 1.0 e 1.5 

 

Cavitação Severa é a cavitação em um nível de intensidade alta. Os picos de pressão têm alto poder destrutivo e o ruído alto e característico é facilmente identificável. Existem duas formas de atacar esse cenário. A reavaliação das condições operacionais e o uso de internos anti-cavitantes. A primeira que deve ser tentada é a reavaliação das condições operacionais junto a engenharia básica. Verificar se é possível diminuir a queda de pressão operacional, confirmar o valor da pressão de vapor do fluído e a que temperatura. Verificar se é possível aumentar o diâmetro nominal da tubulação ou se a vazão pode ser reduzida ou se mesmo o tipo construtivo da válvula pode ser alterado.

Caso a reavaliação das condições operacionais falhe na intenção de mitigar a cavitação severa; a solução com internos anti-cavitantes deve ser aplicada. Os internos anti-cavitantes são de eficiência comprovada e consistem em um plugue que altera o perfil da queda de pressão. Ver figura 6. Em vez da pressão interna na válvula reduzir de vez até o valor mais baixo na vena contracta, a pressão se reduzirá gradualmente através de estágios com o objetivo de que a pressão interna nunca caia a um valor inferior a pressão de vapor. Cada estágio consiste em uma pequena redução da pressão interna seguida de uma pequena recuperação pressão. Ver figura 7. A quantidade de estágios necessários pode variar de um a até seis estágios. A partir de quatro estágios, dizemos que a válvula é multi-estágios. Quanto maior for a cavitação motivada por queda de pressão, maior a quantidade de estágios que o interno necessita ter para solucionar o problema. Essas válvulas conseguem lidar com quedas de pressão de até 200Bar.

No tópico - Partindo para a prática - Software de dimensionamento – Vamos mostrar um exemplo com mais detalhes. Devemos avaliar cuidadosamente as condições operacionais primeiro, pois a solução com internos anti-cavitantes aumenta o custo e o prazo de aquisição da válvula de maneira substancial.




Figura 6 - Corte transversal de uma válvula com interno anticavitante de quatro estágios. Cortesia Emerson Process










Figura 7 - Perfil de pressão de uma válvula com internos anti-cavitantes de quatro estágios.











Flashing σ menor que 1.0 

O fenômeno de flashing é semelhante à cavitação com a diferença que as bolhas não implodem, pois, a pressão na saída não consegue se recuperar acima da pressão de vapor. Essas bolhas ficam intactas aumentando a velocidade em várias vezes da mistura líquido mais vapor o que provoca uma erosão tanto nas partes internas da válvula quanto na tubulação.

Como não há implosão das bolhas no flashing, não há o mesmo ruído característico da cavitação. Também ocorre desgaste no flashing. A superfície que sofre com o desgaste do flashing se assemelha a uma superfície lisa que foi lixada. Sendo assim, este fenômeno não deve ser negligenciado, pois o desgaste constante também provoca a necessidade de manutenção precoce.

Não há um projeto de válvula específico para lidar com o flashing. Observando novamente a equação 1 do índice de cavitação sigma; a menos que se possa elevar as pressões a montante e a jusante para que a queda de pressão na vena contracta, não seja inferior a pressão de vapor do fluído, o fenômeno de flashing não irá cessar.

Uma forma de amenizar os efeitos desgastantes do flashing é com a utilização de internos endurecidos assim como é recomendado para a cavitação insipiente. Novamente pode se adotar para o obturador e sede aços inoxidáveis como AISI-410 e demais da série AISI-400 com revestimento em Stellite.

Outra opção para amenizar as consequências do flashing é selecionar uma válvula angular com a conexão de saída maior que a de entrada afim de reduzir a velocidade do fluído na saída válvula e na tubulação a jusante.

O cenário de flashing pode ser agravado caso o fluído seja, corrosivo ou possua sólidos em suspensão. A alta velocidade do fluído combinado a um desses fatores fará o desgaste pelo flashing se acelerar.


Fator de Vazão Crítica CF - Fator de Recuperação FL

Alguns índices de cavitação podem ser usados para prever se ocorrerá cavitação e em que grau de severidade; entretanto, outros fatores podem agravar ou amenizar esses cenários. Dessa forma, é extremamente importante que o engenheiro de Instrumentação aponte as válvulas ainda durante a fase de seleção e dimensionamento que estão com possíveis cenários de cavitação para que estes cenários possam ser evitados ainda em fase de projeto ou para que a equipe de manutenção da planta industrial em que essas válvulas serão instaladas, possam acompanhar as mesmas com mais atenção. Sempre que possível, deve ser enviado um feedback para a engenharia de como cada válvula foi encontrada durante a manutenção para reavaliar de maneira pró-ativa as soluções que foram adotadas na fase de projeto.

O índice de cavitação, aponta apenas as condições de processo como fatores relevantes quando o que acontece é que outros fatores também são importantes e podem variar até mesmo de um fabricante para outro. Fator de recuperação da válvula, tipo de obturador, propriedades dos fluídos como partículas em suspensão, vazão e até mesmo a direção do fluxo definem o potencial de ocorrência de cavitação em uma válvula. Falaremos um pouco disso agora.

O fator de vazão crítica CF é uma grandeza adimensional que expressa a razão da recuperação de pressão em uma válvula de controle. É a capacidade da válvula de converter a energia cinética do fluído na vena contracta em aumento de pressão na saída da válvula. Ou em termos de fator de recuperação FL (nomenclatura conforme ISA) que é a capacidade da válvula recuperação a pressão do fluído na vena contracta para uma pressão superior na saída da válvula. O importante aqui é saber que:

§ Toda válvula tem uma queda de pressão entre sua entrada e saída;

§ Toda válvula possui um fator de recuperação de pressão entre a vena contracta e a sua saída;

§ As duas grandezas anteriores estão relacionadas com a geometria interna da válvula e dependem também dessa forma, da posição do obturador em relação a sede.

Quando consideramos os efeitos das reduções na tubulação chamamos esses índices de CFr e FLp. A equação 2 para CFr se aplica quando a tubulação tem diâmetro nominal maior em pelo menos 50% que o diâmetro da válvula.

(Equação 2)

Onde:

CF = fator de vazão crítica da válvula.

CFr = fator de vazão crítica do conjunto válvula mais redução da tubulação.

Cv = coeficiente de vazão da válvula

D = diâmetro da tubulação em cm

d = diâmetro da válvula em cm



Tabela 1 – Valores típicos de fatores de vazão crítica CF (FL) em função do tipo construtivo da válvula com a válvula totalmente aberta.





Partindo para a prática - Software de dimensionamento

A primeira recomendação é fazer uso de um software de dimensionamento de um fabricante de válvulas pelos motivos a seguir.

Primeiro, ele irá apontar qual o nível de cavitação em função, não só dos dados de processo, mas em função da geometria interna da válvula que varia em função do tipo construtivo do corpo. Conforme vimos anteriormente no estudo do índice de cavitação sigma, o índice de cavitação destrutiva - σdamage - de cada válvula poderá ser comparado com o sigma da aplicação. O software poderá então informar se a cavitação a que a válvula está sujeita, é aceitável ou não.

Segundo, ao usar um software de dimensionamento de um determinado fabricante, a solução simulada é de fato capaz de ser implementada. Há softwares genéricos que você pode escolher um determinado Cv e CF sem mesmo saber se algum fornecedor poderá fabricar a válvula com aquela capacidade de vazão e fator de recuperação. No caso da cavitação essa situação é altamente não recomendada.

Vamos considerar condições operacionais hipotéticas de uma válvula LV-001 conforme simulado no software ValSpeQ na figura 8. O dimensionamento da válvula irá se iniciar com a seleção de uma válvula com obturador comum como uma válvula globo linear, uma válvula borboleta ou obturador excêntrico (Ver campo Type na figura 8).


Figura 8 - Software ValspeQ alertando para ver índice de cavitação σ nas condições operacionais de vazão


O software indica no campo condição de vazão (Ver flowing cond.) para que se observe o sigma. Um duplo clique neste campo abre uma janela informando que a cavitação da aplicação para quela válvula está além dos limites recomendados. Ver figura 9.

Figura 9 – Janela do software ValspeQ informa se a cavitação da aplicação é aceitável ou não para a válvula.

No exemplo, ao se identificar a cavitação severa acima do recomendado pelo fabricante; os internos da válvula globo foram alterados para anti-cavitantes de 1 estágio e o resultado nas condições de vazão é que o sigma está ok. Ver figura 10.

Figura 10 – Ao optar pelos internos anti-cavitantes, a condição de vazão em se tratando do sigma está ok.

Uma dica inicial, caso o resultado demonstre que provavelmente ocorrerá cavitação, é tentar alterar o tipo construtivo da válvula pois, conforme vimos anteriormente, cada tipo de válvula possui uma geometria interna própria o que leva a diferentes fatores de recuperação. Para efeito de demonstração,

A cavitação nem sempre ocorre em todas as condições operacionais na qual uma válvula está submetida, pode acontecer da cavitação ocorrer apenas em uma ou duas condições. Antes de decidir então pelo uso de internos anti-cavitantes; é sempre recomendável verificar junto com a equipe de engenheiros de processo se a válvula poderá operar em uma faixa de vazão diferente do que foi exigido inicialmente.

O software não faz tudo. Mesmo identificado o cenário de cavitação, ele não irá te informar qual a válvula que deverá ser usada para mitigar essa situação indesejável. Você terá que por conta própria, selecionar outra válvula para verificar em uma nova simulação, se a cavitação foi mitigada ou não. Temos então outra recomendação que é conhecer a linha de produtos dos fabricantes de válvulas ou conhecer o engenheiro de aplicação desses fabricantes para te auxiliar nesse processo. Uma empreitada como essa, sem seguir esses conselhos, pode fazer você gastar diversas horas sem chegar em uma solução.

Sólidos em suspensão em um cenário de cavitação tendem a agravar a erosão que ocorrerá devido a cavitação e aos choques dos sólidos em suspensão que ajudarão a cavar as partes internas da válvula. Normalmente os softwares de um determinado fabricante não incluem esse agravante nos cálculos, então o engenheiro de instrumentação deverá avaliar a possibilidade de selecionar uma solução mais conservadora do que ele escolheria se não tivesse sólidos.

Vimos anteriormente que o índice de cavitação sigma tem suas grandezas introduzidas em termos de pressão absoluta. Quanto mais alto o ponto de instalação da válvula maior será a probabilidade de ocorrência de cavitação. Por vezes então deve se instalar a válvula nesses casos em um ponto mais baixo da tubulação.

A presença de ar na tubulação é outro fator que piora o cenário da cavitação, pois contribui para o aumento da velocidade do fluído dentro da válvula. As válvulas instaladas perto de pontos do processo que geram vácuos devem ter atenção especial à manutenção do sistema de engaxetamento e vedação para evitar a entrada de ar.

Conclusão

A cavitação e o flashing são fenômenos indesejáveis para os usuários finais de válvulas de controle, principalmente devido ao seu caráter destrutivo. Atualmente há uma série de soluções no mercado para tratar o fenômeno da cavitação e algumas recomendações quando a válvula está sob condição de flashing. Algumas soluções são caras e aumentam o prazo de fornecimento da válvula consideravelmente. É necessário assim, um estudo dedicado ao assunto e a adoção de práticas de engenharia para que o problema seja mitigado ainda em fase de projeto e resulte em uma solução de engenharia com valor agregado. Normalmente essa válvula nascerá dentro de um projeto multidisciplinar com diversos complicadores já conhecidos como prazo apertado e a necessidade de pouquíssimo retrabalho para se atingir o máximo de qualidade. Não é do interesse do usuário final se expor a acidentes, shutdown, indisponibilidade e queda de produção. Assim como também não é interessante adotar uma solução cara, de longo prazo de entrega, com sobressalentes que certamente serão fornecidos sob essas mesmas condições. É papel do engenheiro de instrumentação conseguir uma solução que atenda a todas as partes interessadas.

Hamilton Maranhão – Engenheiro Master de Instrumentação

Salvador, Maio de 2020

Bibliografia

https://automationforum.co/how-to-avoid-cavitation-in-control-valve/ visitado em 10/03/2020

https://www.valteksulamericana.com.br/art3-cavitacao visitado em 13/03/2020

Cavitation in Control Valves – Technical Information

http://www.imaha.cz/media/files/shop/microcav.pdf - Flowserve Cavitation Control – visitado em 17/03/2020

Válvulas: Industriais Segurança Controle – Tipos, Seleção, Dimensionamento – Artur Cardozo Mathias. Ed. Artliber 2008.

Masoneilan Handbook for Control Valve Sizing - Fifth Edition

Control Valve Sourcebook – Power & Severe Service - Fisher


DR JOSÉ MARCELO PEREIRA MOREIRA ATENDE TODAS AS QUINTAS-FEIRAS NA CLINICA Dr. MAIA, 83 3310 32 50 , Av. GETULIO VARGAS 474, CAMPINA GRANDE , PARAÍBA BRASIL

Experiência

Médico

em Clinica Dr. Maia

Janeiro 1996 - Atualmente

Paraíba

Graduação Bacharelado em Física (1984) UFPB Graduação em medicina (1990) UFPB Residencia em Psiquiatria (1993) UFPB Mestre em Neuro Psiquiatria ( 1996) UFPE Doutor em Medicina (1998) Granada España

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