Válvulas de Segurança e Dispositivos de Segurança em Tanques Criogénicos

A válvula de segurança de um tanque criogénico impede o vaso de exceder a sua pressão máxima admissível de serviço. Um tanque completo não tem um único dispositivo, mas um sistema: válvulas de segurança primária e secundária sobre uma válvula de comutação, um disco de rutura e um dispositivo que protege o espaço anular.

Cada um destes dispositivos existe porque um líquido criogénico é armazenado muito abaixo do seu ponto de ebulição nas condições ambientes. A entrada de calor é contínua e inevitável, pelo que a subida de pressão é o estado normal do vaso e não uma avaria. O sistema de proteção contra sobrepressão é o que impede que essa subida normal se transforme numa falha estrutural.

Este artigo explica o que faz cada dispositivo, por que razão existe a válvula de comutação, por que motivo os dispositivos de segurança nunca podem ser isolados e o que inspecionar no sistema de proteção de pressão de um tanque usado antes de o comprar.

De que é composto o sistema de proteção de pressão de um tanque criogénico?

Um tanque criogénico isolado por vácuo são dois vasos num só. O vaso interior contém o líquido criogénico sob pressão. A camisa exterior é um invólucro de vácuo e está projetada para pressão externa, não para pressão interna. Os dois necessitam de proteções completamente distintas.

Uma configuração corrente inclui:

• Uma válvula de segurança primária no vaso interior, de mola e de rearme automático, regulada na pressão máxima admissível de serviço ou abaixo dela
• Uma válvula de segurança secundária de capacidade igual, para que uma delas possa ser retirada de serviço sem deixar o vaso desprotegido
• Uma válvula de comutação que suporta ambas as válvulas de segurança, disposta de modo a que pelo menos um caminho de alívio esteja sempre aberto
• Um disco de rutura, também chamado disco de rebentamento, no vaso interior, como dispositivo de reserva sem rearme
• Um dispositivo de segurança do espaço anular, por vezes designado por alívio da camisa de vácuo ou placa de rutura, que protege a camisa exterior
• Tubagem de descarga que conduz a um local seguro, afastado do pessoal e das tomadas de ar dos edifícios

As pressões de regulação são estabelecidas pelo fabricante segundo o código aplicável: PED 2014/68/EU com a EN 13458 para vasos estáticos na Europa, EN 13530 e a regulamentação de transporte para vasos transportáveis, ou ASME Section VIII para o mercado dos Estados Unidos. São gravadas ou registadas na documentação do vaso. Não são regulações ajustáveis no local.

O que faz a válvula de segurança primária?

A válvula de segurança primária é o dispositivo de trabalho. Abre quando a pressão no espaço de vapor atinge a sua pressão de regulação, descarrega vapor até a pressão descer e volta a fechar. Num tanque em serviço normal, sobretudo se estiver parado ou tiver uma avaria nos circuitos de controlo de pressão, esta válvula pode atuar periodicamente. É o sistema a cumprir a sua função.

Há dois pontos que os operadores interpretam mal com frequência:

• A pressão de regulação da válvula de segurança situa-se na MAWP do vaso interior ou abaixo dela, e não numa pressão mais alta escolhida pelo operador. Se um processo precisa de maior pressão de fornecimento, a resposta é um vaso de classe de pressão superior e não uma válvula de segurança diferente
• Uma válvula de segurança que abre com frequência é um sintoma, não um incómodo. As causas habituais são a entrada de calor por um vácuo degradado, um regulador de aumento de pressão preso em aberto ou um economizador que não está a funcionar, e cada uma delas deve ser investigada

As aberturas repetidas desgastam também a sede. Uma válvula que tem estado a atuar por causa de uma avaria a montante pode começar a gotejar a pressões abaixo do seu valor de regulação, o que parece depois uma segunda avaria. Corrija a causa da subida de pressão e mande avaliar a válvula.

Porque existem uma válvula de segurança secundária e uma válvula de comutação?

Uma válvula de segurança é um dispositivo mecânico com mola, sede e vedante macio. Precisa de ensaios periódicos e, mais cedo ou mais tarde, de substituição. Um equipamento sob pressão em serviço não pode ficar sem proteção contra sobrepressão enquanto esse trabalho decorre, e esvaziar e aquecer um tanque criogénico para trocar uma válvula seria uma operação de vários dias.

A válvula de comutação resolve isso. É uma válvula de três vias, por vezes descrita como coletor duplo ou válvula de transferência, com uma válvula de segurança montada em cada uma das duas saídas. O projeto interno faz com que o percurso para pelo menos uma válvula de segurança esteja sempre aberto. Na posição intermédia, ambas ficam ligadas. Não pode ser colocada numa posição que isole os dois dispositivos ao mesmo tempo.

A disciplina de operação é simples:

• Rode a válvula de comutação totalmente para um lado, colocando esse ramo de alívio em serviço, antes de retirar a outra válvula
• Nunca deixe o manípulo numa posição intermédia depois do trabalho, salvo se a instrução do fabricante definir especificamente essa posição como posição de serviço
• As duas válvulas de segurança têm de ter a mesma pressão de regulação e a mesma capacidade de descarga. Substituir uma não é uma questão de encontrar uma válvula com a ligação do tamanho certo
• Registe a manobra de comutação, para que o histórico de manutenção mostre que ramo esteve em serviço e quando

O mesmo princípio se aplica ao disco de rutura quando o tanque está equipado com conjuntos de disco duplicados.

Para que serve o disco de rutura num tanque criogénico?

O disco de rutura é um dispositivo sem rearme. É um diafragma metálico fino que rebenta a uma pressão definida e fica depois aberto até ser substituído. A sua pressão de atuação está acima da pressão de regulação da válvula de segurança, mas dentro do limite que o código permite face à MAWP, pelo que, numa sobrepressão normal, a válvula de segurança atua primeiro e o disco mantém-se intacto.

O disco existe para os acontecimentos que uma válvula de mola pode não conseguir resolver sozinha:

• Um caso de incêndio, em que o calor exterior gera vapor muito acima das taxas normais de evaporação
• Uma válvula de segurança que não abre, por exemplo por gelo na saída ou por avaria mecânica
• Uma subida de pressão rápida em que é necessária de imediato toda a área de descarga

Como um disco de rutura não volta a fechar, o tanque descarrega o seu conteúdo pelo disco aberto até o vaso ficar despressurizado. Esse é o comportamento previsto. O tanque tem depois de ser retirado de serviço e o conjunto do disco substituído pela peça correta, correspondente à pressão de rebentamento e ao suporte especificados pelo fabricante. Um disco de outro fabricante com uma classificação semelhante não é uma peça equivalente.

Um disco rebentado é também um indício. Se encontrar um disco rebentado ou substituído num tanque usado, pergunte o que o provocou. A resposta pertence ao dossiê documental.

O que protege o espaço anular sob vácuo?

Este é o dispositivo mais frequentemente ignorado e protege contra um dos modos de falha mais graves. O espaço anular entre o vaso interior e a camisa exterior está sob vácuo elevado. A camisa exterior é construída para resistir a essa carga atmosférica externa. Não é um recipiente sob pressão.

Se o vaso interior ou uma tubagem interna desenvolver uma fuga, entra líquido criogénico no espaço anular, que absorve calor e vaporiza. A expansão de volume de um líquido criogénico ao passar a gás é muito grande, pelo que o espaço de vácuo pode pressurizar-se rapidamente. Sem um caminho de alívio, a camisa exterior falharia.

O dispositivo de segurança do espaço anular é habitualmente uma placa mantida contra uma sede por uma mola, ou uma placa de rutura com vedante elastomérico, regulada para aliviar a uma pressão baixa, muito abaixo do que a camisa poderia suportar. Serve ainda um fim secundário em caso de incêndio, permitindo que a camisa alivie em vez de romper.

Regras para este dispositivo:

• Nunca pode ser pintado, coberto com fita, selado com vedante nem tapado por isolamento ou revestimento
• Nunca pode ser obstruído por neve, gelo, ninhos de aves ou materiais encostados ao tanque
• Não pode ser removido para verificar o vácuo. As leituras de vácuo fazem-se pela porta de evacuação dedicada e não pelo dispositivo de segurança
• Se tiver atuado, o vácuo perdeu-se e o tanque fica fora de serviço até a causa ser encontrada e o sistema de isolamento reposto
• Na inspeção, confirme desde logo que o dispositivo existe. Em unidades mais antigas, por vezes falta depois de uma reparação

Um dispositivo de alívio da camisa que tenha atuado é um forte indício de fuga no vaso interior. Trata-se de um problema diferente de uma degradação lenta do vácuo, e é abordado no nosso artigo sobre perda de vácuo em tanques criogénicos.

Porque é que os dispositivos de segurança nunca podem ser isolados ou obstruídos?

Esta é a regra que mais importa numa instalação criogénica. Um dispositivo de segurança que não consegue ler a pressão do vaso, ou que não consegue descarregar, não oferece proteção nenhuma, e o tanque não dá qualquer sinal exterior de que algo está mal até a pressão já ter subido.

Na prática, o isolamento acontece de formas que parecem inofensivas:

• Uma válvula de corte instalada a montante de uma válvula de segurança e fechada para travar uma válvula que goteja, em vez de a reparar
• Uma válvula de comutação deixada numa posição que o fabricante não define como posição de serviço
• Uma tampa, um cego ou um bujão colocado numa saída de descarga para impedir a entrada de chuva
• Tubagem de descarga prolongada com tubo longo ou de diâmetro insuficiente, acrescentando contrapressão para a qual a válvula não foi dimensionada
• Uma saída de descarga que congelou por estar voltada para cima e ter acumulado água, ou por descarregar para um espaço fechado
• Um dispositivo de segurança do espaço anular tapado durante uma pintura ou uma substituição de revestimento

O projeto da tubagem de descarga merece atenção em qualquer inspeção à instalação. A descarga tem de ser feita para um local seguro, afastado de passagens, portas, tomadas de ar e da posição de enchimento da cisterna, e tem de drenar livremente para que os condensados não se acumulem e congelem. As descargas de oxigénio e de azoto criam também um risco de enriquecimento ou de deficiência de oxigénio no ponto de descarga, pelo que a localização é uma decisão de segurança e não apenas um pormenor de tubagem.

Quando o projeto exige efetivamente uma válvula a montante de um dispositivo de segurança, o código e as instruções do fabricante definem como deve ser tratada, tipicamente bloqueada ou selada na posição aberta com um procedimento documentado. Nunca é uma decisão ao nível do operador.

Com que frequência devem as válvulas de segurança ser ensaiadas ou substituídas?

Não existe um intervalo universal único, e qualquer fornecedor que indique um sem perguntar pelo seu vaso e pela sua jurisdição está a adivinhar. A exigência vem de dois lados: o código aplicável e a regulamentação nacional para o vaso, e o manual de instruções do fabricante do dispositivo concreto. Nos vasos transportáveis, a regulamentação de transporte define o ciclo de inspeção periódica, e o trabalho sobre os dispositivos de segurança é executado dentro desse ciclo.

O que é constante entre regimes é a prática:

• A pressão de regulação da válvula de segurança é verificada em banco de ensaio por uma oficina competente, ou a válvula é substituída por uma unidade nova certificada, no intervalo definido pelo código e pelo fabricante
• Os dispositivos são selados depois da regulação. Um selo quebrado significa que a regulação já não está verificada e que a válvula tem de ser novamente certificada
• A pressão de regulação nunca é ajustada no local para resolver um problema operacional
• Os discos de rutura são substituídos num intervalo definido e também após qualquer rebentamento, porque o material do disco fadiga com os ciclos de pressão
• Todos os ensaios, substituições e manobras de comutação são registados, com os certificados guardados no dossiê do vaso
• As verificações visuais entre intervalos formais abrangem as saídas de descarga, o dispositivo do espaço anular, a corrosão no corpo da válvula e qualquer sinal de gotejamento ou de formação de gelo

Integre o plano dos dispositivos de segurança na rotina mais alargada de manutenção planeada do vaso, a par da leitura de vácuo que deve ser feita a cada 6 a 12 meses. O nosso artigo sobre o plano de manutenção de tanques criogénicos explica como estes intervalos se articulam.

O que verificar nos dispositivos de segurança de um tanque criogénico usado?

A proteção de pressão é uma das áreas em que a inspeção de um tanque usado ou gera confiança ou encerra a conversa. Percorra os pontos seguintes antes de se comprometer com a compra.

• A MAWP da chapa de características face à pressão de regulação gravada em cada válvula de segurança. Têm de ser coerentes entre si e com o serviço previsto
• As duas válvulas de segurança presentes, com pressão de regulação e capacidade coincidentes, selos do fabricante intactos e identificação legível
• A válvula de comutação presente e a funcionar suavemente em todo o seu curso, sem indícios de que uma das saídas tenha sido cegada
• O suporte do disco de rutura corretamente montado, com documentação da classificação do disco e uma explicação para qualquer substituição
• O dispositivo de segurança do espaço anular presente, sem pintura, desobstruído e sem danos
• A tubagem de descarga intacta, corretamente encaminhada e com drenagem livre, sem tampas nem prolongamentos improvisados
• Certificados do último ensaio ou substituição dos dispositivos de segurança no dossiê documental
• Prova do estado do vácuo, uma vez que um vácuo degradado mantém o sistema de segurança a trabalhar continuamente em serviço

A KAF Cryogenics vende tanques criogénicos em segunda mão certificados que passaram por inspeção, ensaios não destrutivos e ensaios de vácuo e de pressão, e que são fornecidos com dossiê documental e garantia escrita. Quando um vaso necessita de dispositivos de segurança novos, estes são especificados face à MAWP do vaso e ao código aplicável antes de a unidade ser libertada. Estão também disponíveis tanques novos construídos conforme especificação quando a classe de pressão ou a configuração exigidas não existem em stock.

Perguntas frequentes

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