Força de reação e suporte da tubulação de saída da válvula de segurança

O que a força de reação na saída de uma válvula de segurança realmente representa?

Quando o fluido aliviado sai de uma válvula de segurança ou de seu sistema de descarga,
mudanças no momento do fluido e na pressão no limite de descarga podem
criar uma reação mecânica. Em descarga aberta de fluido compressível, os métodos
de engenharia comumente utilizados consideram tanto os efeitos de momento quanto os de empuxo de pressão.
efeitos. O limite de descarga aberta e as limitações de uma fórmula em regime permanente
estão descritos no
capítulo de instalação do LESER Engineering Handbook,.

O limite importante é o que esse cálculo indica. Um
força de reação da descarga é uma carga de entrada associada
ao fluxo de alívio. Por si só, ela não estabelece:

• a reação em um determinado suporte de tubulação;
• a força ou o momento transmitido à conexão da válvula;
• a carga admissível dessa conexão da válvula;
• a carga em um vaso, coletor ou bocal de equipamento; ou
• o estado combinado de tensões da tubulação de descarga.

Essas grandezas dependem da geometria da tubulação instalada e de suas
restrições. Portanto, uma afirmação como “a válvula produz uma força X, então o
suporte mais próximo deve resistir a X” é incompleta. A reação
calculada precisa ser inserida no modelo mecânico da tubulação de
descarga real antes que as cargas nos suportes e bocais possam ser avaliadas.

Para requisitos mais amplos de entrada, drenagem, orientação e roteamento de descarga,
consulte o

Guia de Instalação de Válvulas de Segurança
.
Esta página permanece focada na força de reação e em sua interpretação
mecânica.

Quais entradas determinam a força de reação na saída?

Não comece pelo tamanho nominal da saída da válvula. Comece pelo
serviço de alívio e pela condição real de descarga.

Diferentes estados de fluido exigem tratamentos de engenharia distintos. O
tratamento de descarga aberta da LESER citado, por exemplo, define o limite de escoamento compressível da fórmula da API 520
Parte II. Ele não deve ser extrapolado
para fora desse limite e usado como equação universal para casos de líquido,
flashing ou linha de descarga conectada.

A implicação prática é simples: duas válvulas com a mesma conexão
de saída podem ter cargas de reação diferentes se seu fluxo de alívio,
estado do fluido, limite de pressão ou arranjo de descarga forem diferentes.

As premissas de fase exigem atenção especial. Um método desenvolvido para gás ou
vapor não deve ser aplicado à descarga de líquido apenas porque o
o tamanho da conexão é o mesmo. Da mesma forma, um método para líquidos que assume
serviço sem flashing não é automaticamente válido para líquido em flashing,
e um modelo homogêneo de duas fases permanece condicionado às suas premissas
declaradas.

Se a vazão de alívio requerida ainda não foi estabelecida,
conclua essa etapa primeiro. A

Guia de dimensionamento e capacidade de alívio certificada de válvulas de segurança

é responsável por essa tarefa; este artigo trata a vazão de alívio como uma entrada para a
análise mecânica.

Por que sistemas de descarga abertos e fechados exigem tratamento diferente

Antes de escolher um cálculo de força de reação, determine
onde a válvula de segurança descarrega.

Uma descarga aberta libera o fluido através de uma terminação definida para
atmosfera. Uma descarga fechada permanece conectada à tubulação de jusante,
a um header ou a outro sistema de descarte. Essa diferença altera o
limite de cálculo.
API 520 Parte II
é a família de autoridade de instalação API relevante, enquanto orientações
de engenharia do fabricante, como o
capítulo de instalação do LESER Engineering Handbook,
ilustram a distinção entre sistema aberto e fechado e suas limitações.

Sob uma condição estabelecida de fluxo em regime permanente, as forças dentro de alguns sistemas
fechados podem se equilibrar parcialmente. Isso não não justificar
a conclusão generalizada de que um sistema de alívio fechado não possui carga de reação mecanicamente
significativa.

Mudanças de seção, direção, pressão a jusante e escoamento transiente
ainda podem ser relevantes. A regra defensável é:

Defina o limite de descarga antes de selecionar o método de cálculo.

A contrapressão pertence à lógica de engenharia nas proximidades, mas não é
sinônimo de força de reação. A contrapressão descreve a condição de pressão
de saída que afeta o sistema de alívio; a análise de reação/suporte
pergunta como o comportamento resultante do fluido e da pressão carrega o
sistema mecânico.

Para uma discussão detalhada de contrapressão superimposta e acumulada, use
o dedicado

Contrapressão e fole

guia.

Cenário de engenharia ilustrativo: ventilação aberta versus linha de descarga conectada

Considere a mesma válvula de alívio em dois arranjos. Em um, um cotovelo e uma ventilação vertical terminam
abertos; no outro, a saída se conecta a uma linha de descarga fechada pressurizada. A reação calculada
com terminação aberta não é automaticamente o caso de carga para a linha de descarga conectada.
O segundo arranjo exige seu próprio limite de pressão, momento, geometria e regime transiente
revisão. Esta é uma comparação ilustrativa, não um cálculo para qualquer uma das instalações.

Quando uma força de reação em regime permanente não é suficiente?

Um cálculo de reação em regime permanente responde a uma pergunta específica:

qual reação está associada à vazão de alívio estabelecida?

Ele não responde necessariamente:

qual é o histórico completo de carga mecânica enquanto a válvula abre
e o sistema de descarga responde?

Durante a abertura, a pressão e a vazão variam com o tempo. Um estudo publicado
sobre blowdown de válvulas de segurança por Muschelknautz e Wellenhofer relatou
picos de força de reação de curta duração durante o processo de abertura nas
configurações que eles estudaram. Isso sustenta tratar o carregamento permanente e transitório
como questões de engenharia relacionadas, mas distintas, em vez de
assumindo que um único valor em regime permanente descreve todo o evento.
Veja o
Estudo de Wiley sobre forças de reação ao escoamento durante a descarga de válvulas de segurança.

Uma análise transiente ou dinâmica torna-se mais relevante quando, por exemplo:

• o evento de abertura da válvula é rápido em comparação com a resposta do
  sistema de tubulação;
• ondas de pressão ou escoamento não permanente na tubulação de descarga conectada podem
  afetar a resposta mecânica;
• o sistema é sensível a cargas de curta duração; ou
• a base normativa/de projeto aplicável exige um tratamento dinâmico.

Este é um limite de triagem, não uma afirmação de que toda válvula de segurança necessita
de uma análise de histórico no tempo. O atalho oposto também é inseguro: uma única
força em regime permanente não deve ser automaticamente tratada como a completa
carga do evento.

O método deve seguir o código de tubulação, a edição e a base do projeto que
realmente regem a instalação.
ASME B31.1,
por exemplo, é um código de Power Piping e não deve ser tratado como um
substituto universal para um código de tubulação regente diferente. Este
artigo, portanto, não publica um multiplicador universal de carga dinâmica.

Como a geometria da tubulação de saída altera o caminho de carga?

Uma vez calculada a força de reação, a próxima questão de engenharia
é:
para onde vai essa carga na tubulação instalada?

A geometria controla grande parte dessa resposta. A orientação técnica da Emerson Birkett
observa que uma tubulação de descarga sem suporte pode atuar como uma alavanca,
portanto, a carga mecânica aplicada à válvula depende tanto da
reação de descarga quanto da geometria da tubulação. Por isso, o comprimento do tubo,
as mudanças de direção e a localização dos pontos de restrição são importantes depois que a força de
reação local foi estabelecida.
Veja o
Dados técnicos da válvula de segurança e alívio Emerson Birkett.

As mudanças de direção acrescentam outra camada. Em um cotovelo, o momento do fluido
muda de direção, portanto o sistema de descarga deve ser considerado como um conjunto
de vetores de força, braços de momento, suportes e condições de contorno, em vez
de uma única força escalar que percorre a tubulação sem alteração.

Fluxo de alívio → vetor de reação → geometria da tubulação → mudanças
de direção e braços de momento → restrições → cargas na válvula/suporte/equipamento.

Um offset, cotovelo, chaminé de descarga, silenciador, redutor ou conexão para
a tubulação a jusante pode alterar o caminho de carga. A consequência exata depende
da geometria e das restrições reais.

Os suportes também fazem mais do que suportar peso. Um guia, ancoragem, batente de linha ou
outra restrição altera a condição de contorno mecânica do sistema de
tubulação. Não transforme isso em uma regra fixa de espaçamento de suportes: o arranjo
adequado depende da geometria real da tubulação, do modelo de restrição e das
cargas admissíveis.

A reação de alívio também é apenas um caso de carga. Dependendo do
projeto, o sistema instalado pode ter que acomodar peso próprio,
movimento térmico, carregamento relacionado à pressão, reação de descarga e
cargas transitórias ou ocasionais aplicáveis.

Um layout que funciona para peso não funciona automaticamente para alívio
de pressão. Por outro lado, adicionar restrição excessiva apenas para resistir ao empuxo
pode criar outras consequências mecânicas quando a tubulação se expande
termicamente.

Cenário de engenharia ilustrativo: a mesma força, um braço de momento diferente

Imagine dois respiros abertos com a mesma reação de fluxo definida em suas terminações. Um possui
um dispositivo de restrição projetado nas proximidades; o outro apresenta um trecho não suportado mais longo antes do
primeiro suporte. A reação local pode ser a mesma, mas o momento e a carga transmitidos à
conexão da válvula não precisam ser. A revisão de aceitação exige cada layout real,
a rigidez do dispositivo de restrição e os limites admissíveis aplicáveis da válvula e do equipamento. Nenhum espaçamento
genérico entre suportes ou limite admissível de bocal decorre deste exemplo.

Por que a força de reação não é o mesmo que a carga final no suporte ou no bocal

O cálculo da força de reação e a verificação final de aceitação
mecânica são marcos de engenharia distintos.

A diferença fica mais clara com um experimento mental simples.
Suponha que dois sistemas tenham a mesma reação de descarga calculada. Um tem
uma rota de saída curta e bem definida com um suporte projetado próximo.
O outro tem um desvio mais longo antes de a tubulação ser suportada.

A reação do escoamento pode ser a mesma, enquanto o momento fletor e as cargas
transmitidas à válvula ou aos suportes são diferentes.

É por isso que

as cargas admissíveis não podem ser inferidas a partir da equação da força de reação
.
Um limite admissível do bocal da válvula, do bocal do vaso, da capacidade do suporte ou
a carga admissível do equipamento deve vir da documentação aplicável à
válvula, ao equipamento, à estrutura ou ao projeto em questão.

Valores provenientes da válvula de outro fabricante ou de outra instalação
não são substitutos. Nenhuma carga admissível de saída/bocal específica de modelo ZOBAI
é estabelecida por este artigo, portanto nenhuma deve ser inferida a partir da
discussão genérica de engenharia.

O que deve ser verificado antes que o arranjo de suporte da tubulação de saída seja aceito?

As dez verificações abaixo são um referencial prático de análise de engenharia
para este artigo. Elas não são apresentadas como uma
sequência universal obrigatória da API ou da ASME. O código de projeto aplicável,
a documentação do equipamento e a base de projeto de tubulação/tensão permanecem a
autoridade para uma instalação real.

1. Estabeleça o regime de alívio.
   Confirme o caso de alívio governante e a base da vazão de alívio requerida.
   Se a vazão requerida ainda for desconhecida, o cálculo da reação
   mecânica é prematuro.
2. Estabeleça o fluido e o estado de fase.
   Identifique se a corrente de alívio é gás/vapor, vapor d'água,
   líquido não flashante, ou um caso que exija tratamento bifásico.
3. Defina o limite de descarga.
   Confirme se a válvula descarrega abertamente para a atmosfera ou para
   tubulação conectada a jusante. Para um sistema conectado, estabeleça também
   as informações relevantes de pressão e roteamento a jusante.
4. 
   Utilize um método de força de reação compatível com esse limite.
   
   Mantenha o resultado vinculado ao seu limite de cálculo em vez de
   tratá-lo imediatamente como a carga em um suporte.
5. Mapeie a geometria real da saída.
   Registre a orientação da saída da válvula, os comprimentos de tubo reto, as curvas,
   os deslocamentos, os redutores ou expansões quando relevantes, os silenciadores ou outros
   itens em linha quando presentes, e a conexão a qualquer respiro, coletor ou
   sistema de descarte.
6. Defina os restringimentos.
   Identifique os suportes, guias, ancoragens, batentes de linha, fixações
   estruturais e outras condições de contorno reais relevantes para a análise
   de tubulação.
7. Inclua os demais casos de carga aplicáveis.
   Determine quais cargas adicionais devem ser consideradas conforme a
   base de projeto do projeto, incluindo peso, movimentação térmica, pressão
   efeitos e qualquer caso ocasional ou dinâmico aplicável.
8. Obtenha as cargas admissíveis reais.
   Use a documentação específica da válvula, do equipamento, do suporte e do projeto.
   Se um bocal ou limite estrutural admissível crítico para a decisão estiver ausente, a
   aceitação mecânica não está completa.
9. Decida se o cálculo em regime permanente é suficiente.
   Confirme se a configuração instalada e a base de projeto aplicável
   exigem alguma avaliação transiente ou dinâmica adicional.
10. Encerre a análise de tubulação/tensões.
    Para um projeto real, a carga de alívio, o limite do cálculo, o layout da tubulação,
    os suportes, os casos de carga aplicáveis e as cargas admissíveis
    relevantes precisam ser definidos antes que a aceitação mecânica possa ser
    fechado.

Portanto, a entrega útil do projeto não é simplesmente
“força de reação = ___.” É:

condição de alívio + estado do fluido + contorno de descarga + base da força de reação
+ geometria real + modelo de restrição + cargas admissíveis aplicáveis +
status da análise dinâmica.

Esse pacote permite que as disciplinas de processo/alívio e de tubulação/tensões trabalhem
a partir da mesma base de projeto.

Cenário de engenharia ilustrativo: uma carga admissível ausente

Uma equipe de processo fornece a base da vazão de alívio e uma reação de descarga local, enquanto a
equipe de tubulação possui um isométrico, mas nenhuma carga admissível confirmada para o bocal conectado.
Esse pacote pode iniciar o modelo mecânico; ele não pode encerrar a aceitação. O projeto deve
obter o valor admissível aplicável do equipamento ou do fabricante e verificar as forças
e momentos modelados, incluindo as combinações de carga exigidas. Isto é ilustrativo e
não afirma que uma válvula ou bocal específico seja aceitável.

Perguntas Frequentes

A força de reação de descarga é igual à carga do suporte mais próximo?

Não. A reação de fluxo local é uma entrada para o modelo da tubulação instalada. As cargas nos suportes
dependem da geometria, rigidez, restrições, outros casos de carga e da condição de contorno da descarga.

Uma fórmula de ventilação aberta pode ser usada para um cabeçote de alívio fechado?

Não automaticamente. Um cabeçote conectado altera as condições de contorno de pressão e quantidade de movimento,
e pode ser necessária uma abordagem em nível de sistema ou transiente. Escolha o método para o arranjo
de descarga real e a base do projeto.

Uma força em regime permanente cobre a abertura da válvula?

Ela descreve uma condição de fluxo estabelecido, não necessariamente todo o histórico de cargas
do evento de abertura. Se uma avaliação transiente é necessária depende da instalação e
da base de projeto governante.

Quais informações são necessárias antes que o projeto dos suportes possa ser aceito?

Forneça o regime de alívio e o estado do fluido, a condição de contorno da descarga, a base da reação, a saída
isométrico, restrições, combinações de carregamento aplicáveis e valores admissíveis da válvula/equipamento/suporte
cargas. Um valor de força isolado não é suficiente para estabelecer a aceitação mecânica.