COMO VEDAR A VÁLVULA
A vedação evita vazamentos e é projetada para preveni-los e contê-los.
Para garantir que a válvula possa interromper o fluxo de fluido adequadamente e evitar vazamentos, é necessário garantir que a válvula esteja bem vedada.
Existem muitas razões para vazamentos em válvulas, incluindo: projeto estrutural inadequado, superfícies de vedação defeituosas, peças de fixação soltas, ajuste incorreto entre o corpo da válvula e a tampa, e muitas outras.
A tecnologia de vedação de válvulas é pesquisada de forma sistemática e aprofundada, refletindo-se principalmente em dois aspectos: a vedação estática e a vedação dinâmica: a primeira geralmente se refere à vedação entre duas superfícies estáticas, enquanto a dinâmica é usada principalmente para vedar a haste da válvula, ou seja, o fluido na válvula não pode escapar com o movimento da haste da válvula.

Válvulas gaveta de haste ascendente tipicamente possuem cursos de abertura/fechamento mais longos, o que pode dificultar a vedação se operadas com mais frequência. Na maioria dos casos, estas válvulas não são operadas mais de uma vez por semana, às vezes apenas uma vez por ano.
A folga entre o prensa-estopas, a haste da válvula e o prensa-estopas é muito importante: se a folga for grande, o movimento linear pode fazer com que parte do elemento de vedação seja esmagada ou que partículas estranhas sejam arrastadas através do elemento de vedação. É, portanto, possível montar um anel de limpeza na parte inferior e, em alguns casos, na parte superior.
Válvula globo geralmente adota o modo de movimento de haste ascendente e rotativo, e sua vedação é a mais difícil, pois a haste da válvula se moverá em duas direções simultaneamente e o conjunto de gaxetas entrará em contato gradualmente com a superfície de toda a haste da válvula. Qualquer desalinhamento ou falta de circularidade da haste da válvula pode causar a quebra do elemento de gaxeta e vazamento. Semelhante ao caso das válvulas gaveta, o movimento linear arrasta partículas contaminantes através do elemento de vedação para o fluido de processo.
Válvulas esfera, borboleta e de castelo são válvulas comuns de quarto de volta. Quando a haste da válvula é girada noventa graus em relação ao elemento de vedação, a válvula pode completar todo o processo de abertura a fechamento.
Este padrão de movimento significa a vedação mais simples, pois possui um curso muito menor do que outros tipos de válvulas. Ao contrário dos modelos de movimento linear, o movimento de quarto de volta não arrasta facilmente partículas estranhas através do elemento de vedação. Vale a pena prestar atenção à excentricidade da haste da válvula. Alguns elementos de vedação são extremamente sensíveis ao desalinhamento do atuador, o que também pode levar à redução do desempenho da vedação da haste da válvula.
Existem muitos modelos diferentes de prensa-estopas para válvulas de quarto de volta, resultando frequentemente em uma seleção limitada de elementos de vedação. Em muitos casos, a caixa de gaxetas é muito rasa e é difícil obter uma vedação estanque sob condições de alta pressão.
Válvula de controle a vedação da haste é geralmente a mais difícil, principalmente devido à operação frequente e ao esforço de vedação da haste não poder ser muito alto. Se uma válvula de controle experimentar 100.000 ciclos de haste, outros tipos de válvulas no sistema tendem a experimentar apenas 1.500. A operação de alto ciclo pode causar desgaste dos elementos de vedação, o que pode degradar o desempenho da vedação ao longo do tempo. Para otimizar o desempenho do controle de fluidos, a haste da válvula de controle não pode suportar atrito excessivo, portanto, o esforço de vedação aplicado à válvula de controle é significativamente menor do que o da válvula manual. Se o elemento de vedação causar atrito excessivo na haste da válvula, a ação da válvula será retardada ou sofrerá desvio de velocidade, resultando em ação excessiva da haste da válvula e redução do desempenho do controle de fluidos. Válvulas de controle lineares são mais difíceis de vedar do que válvulas de controle rotativas. Semelhante à válvula de quarto de volta, a haste da válvula de controle rotativa possui apenas um modo de movimento circular e a superfície da haste da válvula que precisa ser vedada é significativamente menor do que a da válvula de controle linear.
O material da haste de válvulas metalúrgicas especiais é relativamente macio, portanto, deve-se ter cuidado ao selecionar componentes de vedação. Idealmente, o material do elemento de vedação é mais macio que o material da haste para minimizar o desgaste da haste. A tensão de escoamento dos parafusos do prensa-estopas de algumas válvulas metalúrgicas especiais é relativamente baixa e é necessário evitar que a carga do elemento de vedação esteja próxima da tensão máxima tolerável.
Para válvulas pequenas, a seção anular entre a haste da válvula e a parede interna da prensa-estopa é pequena, mas isso nem sempre é bom, pois limita a seleção de elementos de vedação em alguns casos. Válvulas pequenas geralmente têm uma seção transversal anular de apenas 0,125“, dificultando a instalação de elementos de vedação robustos e de design inovador. A válvula grande também pode causar problemas! O dimensionamento excessivo pode gerar cargas excessivas na haste e no conjunto de gaxetas. Quando a válvula vibra, as forças geradas podem ser muito grandes para elementos de vedação padrão. A diferença de temperatura entre as diferentes seções de válvulas grandes também é alta, o que pode levar a deformações estruturais.
Para a maioria dos tipos de válvulas, a relação ideal entre o tamanho da gaxeta e a altura da cavidade é de 3 a 5 vezes o diâmetro da seção transversal. Se for uma válvula de ¼ de volta com baixos requisitos de vedação, ela pode vedar eficazmente mesmo com uma caixa de gaxetas rasa. Uma prensa-estopa muito profunda no início significa que o conjunto de vedação tende a se consolidar, resultando em perda de tensão de vedação e consequente vazamento. O segundo é o alto atrito na haste da válvula, que pode se tornar um obstáculo em algumas aplicações. Dependendo das condições específicas dos vários sistemas de vedação, o elemento de vedação e o processo de tratamento de superfície do corpo da válvula devem ser razoavelmente combinados. Tomando os O-rings como exemplo, a superfície do corpo da válvula deve ser relativamente lisa, enquanto outros elementos de vedação podem exigir superfícies mais ásperas para uma melhor vedação. Em muitos casos, a superfície da haste de válvulas novas é muito lisa, resultando em atrito excessivo e um efeito de travamento e deslizamento com o elemento de vedação. Elementos de vedação de baixo atrito, como vedações de politetrafluoroetileno (PTFE), podem evitar esses fenômenos indesejados.
Fatores chave na embalagem e vedação de válvulas
EMBALAGEM COMPRIMIDA A embalagem é uma vedação mecânica especial entre dois ambientes diferentes e também é usada para um tipo de vedação empregado, por exemplo, em válvulas globo.
A prensa-estopa de uma
válvula reguladora merece atenção especial, pois seu uso incorreto pode comprometer o desempenho de toda a válvula.
As regras de manutenção, portanto, tornam-se muito importantes, pois operações de substituição ou ajuste não realizadas corretamente ou improvisadas podem tornar a válvula de controle ineficiente.
O princípio de operação da caixa de gaxetas é mostrado na Figura 1.

Figura 1
A força de prensagem resultante da compressão da prensa-estopa produz uma pressão radial que resulta em um efeito de vedação. A pressão radial é distribuída exponencialmente ao longo de todo o comprimento da embalagem. Para manter a embalagem “seca”, a pressão radial no anel interno deve ser pelo menos igual à pressão interna do sistema, o que significa que a pressão radial no anel externo é muito maior, o que é excessivo na maioria das aplicações (resultando em atrito excessivo, desgaste do eixo e falha da vedação pneumática). Portanto, na maioria
das aplicações, a força de compressão deve ser ajustada para permitir um leve vazamento da embalagem no último anel, ou seja, a pressão radial neste anel é ligeiramente menor que a pressão interna do sistema. No entanto, isso resultará em algum vazamento na maioria dos anéis de embalagem se a prensa-estopa for ajustada para a compressão mínima que não produz vazamento.
Outro fator que complica a questão da compactação ideal da gaxeta é que algumas gaxetas podem expandir durante o uso, por exemplo, quando a temperatura Adicionar uma pequena pré-carga pode ser necessário. Além disso, para compensar o desgaste e a folga da gaxeta e manter uma vedação satisfatória, é necessário reapertar periodicamente a prensa-gaxeta.
Quando comum
materiais de embalagem são utilizados, a relação entre a pressão radial gerada e a pressão axial aplicada ao prensar a gaxeta é de aproximadamente 0,6~0,7, e a pressão radial típica ao longo de toda a caixa de gaxetas é mostrada na Figura 2.

Figura 2
A gaxeta continua sendo a escolha principal para muitas aplicações, especialmente onde caixas de gaxetas grandes e cargas pesadas são utilizadas, como em bombas de processo, suprimento de vapor e tratamento de água por gravidade. As vedações de gaxeta também têm a vantagem de poderem ser usadas em aplicações rotativas, além das aplicações reciprocantes. Para muitos trabalhos reciprocantes, especialmente em aplicações grandes e de serviço pesado, um conjunto de vedação flexível ou uma vedação única pode substituir a gaxeta, a menos que seja necessária uma vazão mínima, e um selo mecânico de eixo pode ser mais apropriado. Vale notar, no entanto, que com o uso generalizado de selos mecânicos, não há sinal de redução na necessidade de vedações de gaxeta tipo cesto.
Os enchimentos são basicamente seções transversais macias (deformáveis), embora sua maciez varie amplamente. Alguns níveis da gaxeta sempre contêm lubrificante e, durante o uso, com pressão excessiva ou superaquecimento, o lubrificante será perdido, o volume da gaxeta diminuirá e a pressão radial cairá, causando vazamento pela superfície.
Onde a lubrificação é problemática, ou onde algum resfriamento da caixa de gaxetas é necessário, lubrificante/refrigerante adicional pode ser alimentado no centro da caixa de gaxetas, como mostrado em Figura 3.

Figura 3
O grau de refrigeração por este método é limitado e, em temperaturas mais altas, todo o corpo da caixa de gaxetas pode ter que ser resfriado operacionalmente para manter a temperatura de operação da caixa de gaxetas dentro dos limites de temperatura de serviço da gaxeta. Como as fibras requerem alta pressão de retração para causar maior atrito e superaquecimento devido à falta de lubrificação adequada, além do deslizamento acumulado/etc., uma série de problemas surgem disso, que podem ser resolvidos usando um enchimento à base de celulose aramida dispersa com revestimento de PTFE recentemente desenvolvido.
Tamanho do enchimento
As gaxetas de compressão geralmente possuem uma seção transversal aproximadamente quadrada (embora gaxetas trançadas com padrões possam ser usadas em hastes de pistão reciprocantes) e na haste da válvula; gaxetas a granel podem ser usadas para vedar válvulas e caixas de gaxetas de algumas bombas). Portanto, a maioria dos enchimentos é fabricada em tamanhos de seção transversal padrão acima de 6 mm (1/46 pol.) “quadrados”. O tamanho da seção é em grande parte arbitrário.
Mas, como uma diretriz geral, quando o diâmetro do eixo é de 12 mm (1/2 pol.), a largura da ranhura é de aproximadamente 25% do diâmetro do eixo (ou haste), e quando o diâmetro do eixo é de cerca de 150 mm (6 pol.), a largura da ranhura é reduzida para 10% do diâmetro do eixo.
Não há uma regra certa sobre quantas voltas de gaxeta são ideais, mas para trabalhos gerais, é típico usar 4 ou 5 voltas de gaxetas quadradas, como mostrado em Figura 4 e Figura 5.

Figura 4

Figura 5
Estrutura da caixa de gaxetas
Conforme mostrado na Figura 5a, a estrutura da caixa de gaxetas para manusear fluidos limpos, sem abrasivos, sob pressão é simples. O requisito específico é garantir que haja um cone guia adequado na boca da caixa de gaxetas, para não danificar a gaxeta durante a montagem, e também é exigido que a superfície da caixa de gaxetas tenha um acabamento superficial razoavelmente bom. Geralmente, acredita-se que 2,5 µm (64 µin) Ra atende à maioria dos requisitos de uso.
Nas aplicações onde o meio vedado contém partículas abrasivas, espera-se que as partículas abrasivas não entrem na área de vedação da gaxeta o máximo possível. Isso pode ser alcançado introduzindo um fluxo adequado através de um anel de orifício no centro da caixa de gaxetas, conforme mostrado na Figura 5b. Deve-se notar que a vazão controlada neste caso é a vazão do fluido de lavagem, que também retornará ao meio devido à distribuição da pressão meridional. Onde a lavagem com um fluido adequado não é possível, uma lavagem com graxa é uma opção, conforme mostrado na Figura 5c. Neste caso, a graxa deve ser limpa e compatível com o meio.

Figura 6
A Figura 6 mostra outras duas configurações de caixa de gaxetas. Na Figura 6a, a pressão do meio tratado está abaixo da pressão atmosférica, portanto, uma barreira de líquido é necessária para evitar que o ar entre no meio através da caixa de gaxetas. Essa barreira de líquido é retirada da saída do meio através do anel de orifício e alimentada na caixa de gaxetas. A vazão controlada neste caso é a vazão do meio.
O meio tratado na Figura 6b é tóxico ou perigoso, portanto, uma caixa de gaxetas tipo flush também é usada para fornecer a barreira primária. Isso é suportado por uma passagem de contenção (circuito de lavagem) na prensa-estopa e um bloco de gaxeta auxiliar para evitar vazamentos.
Material tradicional
Formas tradicionais de enchimento à base de cordas de fibra lubrificadas ainda são comuns e têm sido amplamente utilizadas. A gama de materiais usados para este enchimento é bastante ampla (ver Tabela 1A, apenas alguns dos quais estão listados), e essa gama é ainda mais expandida pela introdução de cordas sintéticas para melhorar algumas propriedades, no entanto, provou-se que as vantagens da seda e do nylon são limitadas. As fibras vegetais são geralmente adequadas para meios oleosos/aquosos e químicos não corrosivos com temperatura de trabalho não superior a
90 °C e velocidade de atrito moderada (não superior a 8m/s). Algodão e linho são as fibras mais utilizadas, seguidas pelo cânhamo. Ramie, juta e sisal desapareceram em grande parte. A corda de amianto é o material tradicional de escolha para condições de serviço de alta temperatura (até 320″C) e alta velocidade de atrito. Claro, o problema do amianto prejudicial à saúde humana é de fato uma preocupação, e a crocidolita, na verdade, foi descontinuada. No entanto, a crocidolita tem boa resistência à corrosão. Poucas pessoas levantaram objeções ao amianto branco (silicato de magnésio hidratado). O amianto branco tornou-se a corda mais importante usada para enchimentos de amianto. Especialmente como material fibroso, que é firmemente ligado por impregnação durante a fabricação dos enchimentos, não emite poeira de amianto, que é a principal fonte de perigos à saúde citados.
Lubrificante tradicional
Enchimentos de corda de fibra são sempre lubrificados, exceto em aplicações especiais onde enchimentos secos são realmente necessários. O grafite é um lubrificante frequentemente adicionado à seção transversal do enchimento, e ele pode fornecer boa autolubrificação em muitas aplicações que funcionam em condições secas ou em contato com fluidos não lubrificantes.
Portanto, lubrificantes de grafite são particularmente adequados para o fornecimento de equipamentos de vapor, água, especialmente água salgada. No entanto, em alguns casos, a presença de grafite solto pode ser prejudicial; ou quando a gaxeta opera contra a haste de aço inoxidável, o grafite pode causar corrosão localizada no aço devido à eletrólise. Outro impregnante lubrificante disponível que pode resolver este problema é a mica. Esses lubrificantes, juntamente com o dissulfeto de molibdênio e o teflon, ainda são os lubrificantes “secos” padrão até hoje.
Lubrificantes tradicionais “misturados”, como sebo, foram substituídos por óleo mineral, manteiga, parafina e sabão. Graxas de silicone são projetadas para aplicações de alta temperatura com enchimentos de amianto, mas atualmente são consideradas inadequadas para aplicações em contato com alimentos e água potável. Os lubrificantes usados nesses tipos de aplicações. As porcentagens de lubrificantes tipicamente usadas variam de aplicação para aplicação. Portanto, enchimentos preparados para movimento de alta velocidade, especialmente movimento rotativo de alta velocidade, devem geralmente ser mais macios, de modo a permanecerem flexíveis por muito tempo e poderem conter uma porcentagem maior de lubrificante. Enchimentos que funcionam apenas em condições de serviço estático geralmente não precisam de lubrificantes. Enchimentos usados em aplicações alternadas podem ser reforçados com fio resistente ao desgaste em vez de lubrificantes, talvez com uma cobertura de grafite. Outras variedades de enchimentos podem ser reforçadas com um fio macio resistente ao desgaste, ao mesmo tempo em que são imersas em um lubrificante. A quantidade de fio macio resistente ao desgaste deve garantir a lubrificação contínua da haste e ajudar a conduzir o calor da superfície de trabalho.
Embalagem em corda vs embalagem trançada
Enchimentos trançados são compostos por múltiplos fios trançados em forma de trança convencional ou modificada, com cada fio formando um espaço para reter o lubrificante. As camadas de corda podem ser combinadas de acordo com
condições de trabalho, por exemplo, quando usadas para selos rotativos, elas são trançadas de acordo com a rotação da haste, de modo que o desgaste de fibras individuais não afete seriamente o desempenho geral da seção de embalagem.
A embalagem trançada pode ser construída de duas maneiras diferentes. A embalagem trançada contínua consiste em fios únicos tecidos juntos em forma tubular, de maneira semelhante, camada por camada para fazer a seção transversal desejada. O outro é o método de tecelagem em sarja (como um método de deformação e malha), ambos os métodos podem ser feitos em enchimentos mais densos, que têm uma densidade superficial maior; mas mantêm o espaço do lubrificante pequeno, de modo que, no caso de o enchimento não descascar, ele tenha um desempenho melhor do que as fibras de corda trançadas (como um enchimento trançado).

Figura 7
A seção trançada pode ser tecida em um quadrado para formar um círculo. Neste último caso, a seção quadrada é geralmente feita simplesmente passando por uma matriz de polia após a tecelagem e imersão em lubrificante. Na prática, os fabricantes desenvolveram suas próprias formas especiais de estruturas de gaxetas trançadas ou entrelaçadas, como gaxetas trançadas em cruz (Crossley) ou gaxetas super trançadas (Latty International), projetadas para superar as desvantagens comuns ou “típicas” das gaxetas trançadas. A Figura 7 mostra um exemplo de duas seções transversais cuidadosamente
desenvolvidas que são duráveis, uniformes e impermeáveis, ao mesmo tempo em que exibem boa flexibilidade.
Enchimento de Lã Fóssil Grafizada Moderna
O surgimento dos enchimentos de lã fóssil grafizada tem sido atribuído a alguns trabalhos recentes na produção de uma mistura direta de grafite e amianto, em vez da fabricação de revestimentos superficiais. Baixo atrito, bom desempenho em altas temperaturas.
Gaxeta de Politetrafluoroetileno
O PTFE, com sua excelente resistência ao ataque químico e suas propriedades excepcionais como material de baixo atrito, o tornam uma escolha atraente para enchimentos. As desvantagens dessa propriedade do material são baixa resistência, má condutividade térmica e tendência a encolher com o aumento da temperatura (ou seja, ter um coeficiente de expansão térmica negativo). Quando este material é usado em combinação com um enchimento de corda (geralmente corda de amianto) como lubrificante, suas propriedades de encolhimento térmico limitam a velocidade máxima de atrito do material para cerca de 8~10m/s e a temperatura máxima de serviço para cerca de 250~290°C.
No entanto, a condutividade térmica pode ser melhorada pela adição de grafite. Enchimentos de PTFE/grafite feitos por extrusão estão entre os tipos de enchimento modernos mais atraentes e úteis, com melhores propriedades do que os enchimentos de corda comuns, especialmente em termos de longevidade e danos reduzidos ao eixo ou haste.
Orientação e localização da válvula
Válvulas montadas horizontalmente estão sujeitas a cargas laterais excessivas em comparação com válvulas montadas verticalmente. Algumas válvulas são instaladas em tubulações ou plataformas que vibram constantemente. Se um suporte auxiliar for fornecido à haste da válvula, é benéfico para manter seu desempenho de vedação. Algumas válvulas estão próximas a equipamentos de alta temperatura, e a radiação de calor tem um efeito negativo no desempenho da vedação.
Fluido de processo dentro da válvula
A compatibilidade química é importante; partículas em fluidos abrasivos podem degradar o desempenho do elemento de vedação. Geralmente, o elemento de vedação na parte inferior será menos eficaz do que a camada superior, pois apenas parte da carga aplicada pela prensa pode ser transmitida para a parte inferior. Neste caso, partículas no meio podem entrar no elemento de vedação e degradar seu desempenho. Fluidos contendo partículas em suspensão evaporarão e cristalizarão na lateral da gaxeta próxima ao ar externo, causando problemas com o atuador. Quando o fluido é hermeticamente isolado pelo elemento de vedação, ocorre uma queda de pressão em ambos os lados e o fluido pode sofrer uma mudança de fase. A expansão durante a transição de fase é muito severa, e o elemento de vedação deve ser forte o suficiente para suportar as forças criadas pela transição de fase. Tome como exemplo anéis O de baixa dureza, eles são mais propensos a serem danificados em tais fluidos, especialmente fluidos de moléculas pequenas.
Temperatura do fluido
Abaixo de 550°F, polímeros de alto peso molecular como politetrafluoroetileno (PTFE) e fibras de aramida podem ser usados. O-rings são frequentemente usados em serviços não críticos abaixo de 400°F. Embalagem de grafite de carbono é comumente usada para fluidos de alta temperatura acima de 550°F. Em temperaturas mais baixas, a embalagem de grafite de carbono requer maior estresse de vedação, resultando em maior atrito da haste. Comparada com outros materiais, pode suportar cargas cíclicas menores. Em temperaturas extremamente altas, acima de 850°F, a embalagem de grafite de carbono e os ingredientes ativos usados para melhorar as propriedades de vedação do material se deteriorarão em uma atmosfera oxidante. A contramedida é estender o castelo para abrir a folga entre a prensa-estopa e o corpo da válvula para reduzir a influência do fluido de alta temperatura na embalagem. Peças com baixa condutividade térmica também podem reduzir a temperatura do elemento de vedação, como a instalação de uma junta cerâmica entre a prensa-estopa e o elemento de vedação.
Pressão
Quanto maior a pressão, mais difícil será a vedação. Pela equação de Bernoulli, a variável de fluxo é proporcional ao quadrado da variável de pressão. É fácil entender que a dificuldade de vedação de uma válvula de 1500 lb é muito maior do que a de uma válvula de 150 lb. Em aplicações de alta pressão, é especialmente necessário garantir que os requisitos de carga, o projeto do elemento de vedação e o desempenho da vedação possam ser compatíveis.
Desempenho de vedação
O mais importante de todas as preocupações é, sem dúvida, o requisito de desempenho de vedação. Muitas indústrias, particularmente a indústria de tratamento de água, podem tolerar algum nível de vazamento visível. O material vazado carrega partículas sólidas que, uma vez acumuladas, podem obstruir o vazamento. Tais condições são aceitáveis, então pequenas perdas não são muito prejudiciais. Em algumas outras indústrias, perdas visíveis são um grande problema. No entanto, para vazamentos invisíveis, a detecção é geralmente limitada a métodos de fábrica de rotina. Os requisitos de vazamento fugitivo para elementos de vedação são muito mais altos e são frequentemente testados e/ou monitorados com frequência. A perda geralmente não é visível, a unidade de medida é partes por milhão (PPM), e os padrões estão se tornando cada vez mais rigorosos. Alguns fluidos são extremamente perigosos, como carcinógenos, e alguns são letais mesmo em quantidades vestigiais. Isso requer precauções adicionais, um sistema de backup, um sistema de vedação dupla e um orifício de vazamento entre os dois sistemas para monitoramento. Válvulas com vedação de fole possuem um sistema de vedação de backup e podem ser usadas
para fluidos tão perigosos.
Estas indicações e informações são usadas para
ajudá-lo a esclarecer as variáveis envolvidas em uma válvula,
para que você possa selecionar a tecnologia de vedação que melhor atenda às suas necessidades.
Quanto mais completas as informações que você tiver,
mais fácil será escolher a solução de vedação mais adequada.