Entendendo o ciclo de vida de uma válvula (e por que você deve se preocupar)

Um ciclo de válvula singular é definido como a abertura e o fechamento da válvula em um ambiente de processo instalado. O número total esperado de vezes que a válvula pode abrir/fechar em um ciclo em condições ideais é chamado de ciclo de vida da válvula. No entanto, o ciclo de vida de uma válvula não é fixo e varia muito, dependendo da temperatura, pressão, limpeza do meio, compatibilidade química com o meio, lubrificação, método de instalação, taxa de ciclo, qualidade dos materiais de construção e projeto da válvula.

Os fabricantes projetam os componentes da válvula para suportar uma ampla gama de condições. As aplicações podem variar de água limpa em temperatura ambiente a meios abrasivos de alta temperatura ou produtos químicos agressivos. O ciclo de vida de válvulas idênticas nessas condições muito diferentes pode não ser igual, o que significa que tipos diferentes de válvulas podem ser mais adequados do que outros para uma aplicação específica. Ao projetar um sistema, os engenheiros avaliarão as válvulas com base na aplicação ou no ambiente do processo. A frequência de operação da válvula (taxa de ciclo) dentro desse ambiente de processo ajudará os engenheiros a determinar o melhor tipo de válvula para atingir uma meta razoável de vida útil do ciclo.

Considerações sobre o teste de projeto inicial

A Asahi/America realiza testes de ciclo em nosso laboratório para validar projetos ou alterações de projeto, e esses testes são realizados em condições variadas.

• O teste de pulsação foi projetado para validar a durabilidade de uma válvula, como uma válvula borboleta, sob os efeitos de condições dinâmicas de pressão. O teste simula aplicações do mundo real, como “pulsações de uma bomba”, e pode ajudar a determinar a durabilidade do projeto ou dos materiais de construção de uma válvula. Normalmente, um valor-alvo de um número aceitável de ciclos é determinado antes do início do teste.
• O teste de ciclo de calor envolve submeter uma válvula a ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento e tem o objetivo de avaliar o desempenho e a resistência. Esse teste simula as condições do mundo real e valida o desempenho em condições extremas. Um grau-alvo de desempenho ou degradação da vedação é determinado antes do início do teste.

Esses dois testes costumam ser um componente essencial das reuniões de revisão de projeto, garantindo que os materiais de construção sejam adequados para a ampla gama de aplicações que uma válvula pode ter.

Uma pergunta comum é: “Quanto tempo minha válvula vai durar?”, mas a resposta não é tão simples assim. Embora possamos obter algumas informações presumidas a partir de dados de testes de desenvolvimento em laboratório, isso não dá uma imagem totalmente precisa do caso de uso no mundo real. As condições exatas de trabalho de uma válvula em uma determinada aplicação podem, muitas vezes, fornecer uma visão melhor da longevidade e ajudar a determinar o tipo de válvula que será escolhido. Infelizmente, essa não é uma ciência exata e, embora a Asahi/America recomende um tipo de válvula com base nos critérios de aplicação e em nossos recursos de suporte, em última análise, cabe ao cliente decidir o que deseja usar.

Vamos nos aprofundar um pouco mais no que afeta a vida útil do ciclo de uma válvula:

• Temperatura: Os extremos de temperatura terão um impacto significativo na vida útil do ciclo da válvula. Uma válvula em um ambiente com temperaturas instáveis ou extremas sofrerá estresse com base nos diferentes limites de temperatura dos vários materiais termoplásticos e elastoméricos usados. Um bom exemplo é uma válvula borboleta de PVC com sede/vedação de FKM. O FKM torna-se duro em temperaturas abaixo de 32° F, o que fará com que o ciclo de abertura/fechamento da válvula se torne mais difícil e estressante devido à sua rigidez. Naturalmente, as temperaturas de trabalho dentro da faixa fornecida resultarão em um ciclo de vida melhor.
• Pressão: Alterações ou picos de pressão, mesmo dentro de uma faixa de pressão nominal, podem causar desgaste nas vedações. Por exemplo, você pode danificar as sedes/vedações de FKM em válvulas borboleta durante picos de pressão. Ambientes de pressão estáveis dentro de uma determinada faixa de temperatura resultarão em um ciclo de vida melhor.
• Lubrificação: As válvulas requerem lubrificação e, embora o fluido do processo às vezes possa servir como lubrificante, um lubrificante separado é normalmente aplicado durante a montagem para garantir a operação suave da válvula. Há ambientes específicos em que o lubrificante não pode ser usado, pois contaminará o processo; por exemplo, gás cloro seco. Essas válvulas são normalmente rotuladas como “sem lubrificante” e, como regra geral, não devem ser acionadas antes da instalação do processo e da presença do meio.
• Taxa de ciclo: A taxa de ciclo é a frequência com que a válvula é acionada. Nem uma taxa de ciclo mais alta nem mais baixa equivale a uma vida útil mais longa; ambas as condições do processo têm suas respectivas influências. Uma válvula que é submetida a ciclos apenas uma vez por ano pode exigir “exercícios” periódicos para garantir uma operação suave quando um ciclo for necessário. Por outro lado, uma válvula que é submetida a ciclos repetidamente pode gerar calor e estressar as propriedades do material dos componentes de vedação.
• Limpeza do meio e compatibilidade química: Dependendo do tipo e do projeto da válvula, o aumento da limpeza do meio sempre equivalerá a uma melhor vida útil do ciclo. A escolha de materiais de construção com classificação adequada com base no meio de processo em que a válvula operará também resultará em melhor vida útil do ciclo. Meios com contaminação ou meios não destinados ao uso com os materiais de uma válvula reduzirão drasticamente a vida útil esperada do ciclo da válvula.
• Materiais de construção: O uso de resinas de qualidade para válvulas moldadas em termoplástico é um fator fundamental para a longevidade. Os plastificantes e os enchimentos usados no processo de moldagem podem afetar o desempenho geral do material, principalmente em condições mais extremas.

Projeto da válvula de esfera e vida útil do ciclo

As válvulas de esfera são normalmente usadas como válvulas de fechamento, destinadas ao uso em aplicações de fluidos limpos. A operação de abertura/fechamento de um quarto de volta (por meio de alavanca ou atuador pneumático ou elétrico) gira uma haste presa à esfera. Uma esfera lisa e polida com assentos de Teflon®, apoiada por almofadas de O-ring elastoméricas, cria uma vedação firme e um fechamento positivo. O ciclo repetido de uma válvula de esfera gera desgaste por meio do cisalhamento de micropartículas das sedes de Teflon®. Com o tempo, esse desgaste pode resultar em um caminho de vazamento. O número de ciclos que ele pode suportar antes de começar a vazar depende principalmente da limpeza do meio; as partículas abrasivas suspensas no fluido não só aceleram o desgaste das sedes de Teflon®, como também podem se incrustar no próprio Teflon®. Quando isso acontece, essas partículas são raspadas na face da esfera durante o ciclo de abertura/fechamento, criando marcas de pontuação na esfera e resultando em vazamento. Para esses tipos de aplicações, a Asahi/America pode recomendar um tipo diferente de válvula, como uma válvula borboleta.

Projeto e ciclo de vida das válvulas borboleta

As válvulas borboleta também são normalmente usadas como válvulas de fechamento, mas as válvulas borboleta são mais bem equipadas para lidar com partículas ou sólidos em suspensão devido ao seu projeto mais robusto. Essas válvulas de um quarto de volta apresentam uma haste de aço inoxidável conectada a um disco termoplástico. O ciclo de abrir/fechar faz com que o disco entre ou saia de uma sede ou revestimento elastomérico, gerando desgaste da sede da válvula ao longo de ciclos repetidos. O cisalhamento de micropartículas do assento pela força do disco à medida que o disco entra ou sai do assento durante o ciclo de abertura/fechamento cria caminhos de vazamento ao longo do tempo. Em uma aplicação que envolva água limpa e livre de partículas, espera-se que uma válvula de esfera dure mais do que uma válvula borboleta devido às diferenças de projeto. No entanto, quando você introduz sólidos em suspensão ou material particulado, a válvula borboleta passa a ser a preferência clara.

A atuação elétrica ou pneumática também pode acelerar o desgaste com base na frequência da atuação. Por exemplo, em uma aplicação de enchimento de garrafas em que ciclos rápidos e repetidos de abertura/fechamento são realizados durante um turno de horas, a escolha preferida seria a válvula de esfera. As propriedades autolubrificantes das sedes de Teflon® contra a esfera de termoplástico proporcionarão tensão mínima no atuador e na válvula. O resultado é uma operação mais suave e uma vida útil mais longa. A mesma aplicação de enchimento de garrafas para uma válvula borboleta seria muito mais extenuante. Da forma como o disco é encaixado na sede e se rompe, a força de assentamento necessária para abrir e fechar a válvula aceleraria o desgaste tanto do atuador quanto da válvula borboleta.

Fique atento à segunda parte, na qual abordaremos o ciclo de vida e os testes de desempenho realizados para os atuadores.

AVISO DO EDITOR: Observe que as informações contidas neste artigo são apenas para fins educacionais e não substituem nenhuma informação técnica ou especificação de produto da Asahi/America. Consulte o departamento técnico da Asahi/America pelo telefone 1-800-343-3618 ou pelo site [email protected] sobre todas as aplicações de produtos no que diz respeito à seleção de materiais com base na pressão, temperatura, fatores ambientais, produtos químicos, mídia, aplicação e muito mais.