Válvulas de GNL: 8 fatores de seleção para aplicações criogénicas

As válvulas de GNL são componentes essenciais para o controlo do fluxo, utilizados em todos os sistemas de produção, armazenamento, transporte, carga, descarga e regaseificação de gás natural liquefeito. As suas principais funções incluem o isolamento de condutas de GNL, a regulação do fluxo e da pressão, a prevenção do refluxo, o controlo de sequências de paragem de emergência e a proteção do equipamento contra condições de funcionamento inseguras.

O gás natural liquefeito é gás natural que foi arrefecido até aproximadamente −162 °C, ou −260 °F, para que possa ser armazenado e transportado na forma líquida. A esta temperatura, as válvulas industriais comuns podem sofrer fragilização do material, encolhimento das juntas, fugas excessivas, aumento do binário de funcionamento ou danos causados pela contração térmica.

As válvulas fiáveis para GNL devem, por conseguinte, ser concebidas como conjuntos criogénicos completos. Os materiais do corpo da válvula, as sedes, a vedação da haste, as extensões da tampa, os sistemas de alívio de pressão da cavidade, os atuadores, os procedimentos de ensaio e a orientação de instalação devem ser todos avaliados em função das condições reais do processo de GNL.

A Fujian JST Valve Manufacturing Co., Ltd. conta com quase 33 anos de experiência na engenharia de válvulas industriais. A JST Valve fornece soluções personalizadas de válvulas para aplicações industriais exigentes, tais como aplicações a baixa temperatura, corrosivas, de alta pressão, abrasivas e outras. As estruturas das válvulas, os materiais, os sistemas de vedação, os atuadores e os requisitos de ensaio podem ser configurados de acordo com as fichas técnicas dos clientes e as especificações do projeto.

O que são válvulas de GNL?

As válvulas para GNL são válvulas concebidas ou selecionadas para gás natural liquefeito e sistemas de processo criogénicos ou de baixa temperatura associados. Dependendo da sua localização, podem entrar em contacto direto com GNL, vapor frio de gás natural, gás de evaporação, refrigerantes, fluidos de serviço ou gás natural a temperaturas superiores à temperatura principal do processo criogénico.

Nem todas as válvulas num terminal de GNL funcionam a −162 °C. As linhas de tratamento de gás a montante, os sistemas de compressão, as unidades de gás de evaporação, as instalações de apoio e os gasodutos de gás regaseificado podem funcionar a temperaturas e pressões significativamente diferentes. A temperatura de projeto indicada na ficha técnica da válvula deve, por isso, refletir a localização real do processo, em vez da temperatura geral associada ao GNL.

Uma válvula de GNL devidamente selecionada deve garantir a integridade da pressão, a estanqueidade da sede, um binário de funcionamento aceitável, o bom desempenho da vedação da haste e um acionamento fiável durante o funcionamento normal, o arrefecimento, o arranque, o desligamento e em situações de emergência.

Onde são utilizadas válvulas para GNL

As instalações de GNL incluem várias etapas de processo, cada uma com funções de válvulas diferentes. As aplicações típicas incluem:

• Sistemas de pré-tratamento e remoção de contaminantes do gás natural
• Linhas de liquefação e circuitos de refrigerante
• Tanques criogénicos de armazenamento de GNL e tubagem associada
• Braços de carregamento de GNL e sistemas de carregamento marítimo
• Manifolds de carga e descarga de navios de transporte de GNL
• Estações de camiões, ferroviárias, de contentores e de abastecimento de combustível
• Sistemas de recolha de gases de evaporação e de compressão
• Bombas de GNL, vaporizadores e equipamento de regaseificação
• Condutas de abastecimento de gás combustível e de distribuição de gás
• Sistemas de paragem de emergência e de isolamento do processo

Por que é que o serviço de GNL criogénico é um desafio

A temperaturas criogénicas, os materiais das válvulas contraem-se. Os diferentes componentes podem contrair-se a ritmos diferentes, alterando as folgas entre a esfera, o disco, a sede, a haste, o corpo, a tampa, a gaxeta e os rolamentos. Uma válvula que veda corretamente à temperatura ambiente pode comportar-se de forma diferente após o arrefecimento.

A baixa temperatura pode também reduzir a tenacidade ou a flexibilidade de materiais inadequados. As sedes macias e as juntas elastoméricas devem ser cuidadosamente selecionadas, uma vez que nem todos os polímeros ou elastómeros mantêm propriedades adequadas às temperaturas do GNL.

Outra preocupação é o líquido retido. Se o GNL ficar isolado no interior de uma cavidade fechada e, posteriormente, absorver calor, pode vaporizar-se e provocar um aumento rápido da pressão na cavidade. As válvulas de esfera criogénicas podem, por isso, necessitar de um sistema de alívio de pressão da cavidade aprovado para o projeto, como um design de sede com alívio automático ou outro método de alívio de pressão especificamente concebido.

8 Fatores de seleção para válvulas de GNL

1. Temperatura mínima de projeto

A temperatura mínima de projeto é um dos primeiros parâmetros necessários na seleção de válvulas para GNL. Esta determina os materiais aceitáveis para o corpo, a tampa, a haste, os parafusos, a sede, a vedação, a junta e o atuador.

As especificações da válvula devem distinguir entre temperatura normal de funcionamento, temperatura mínima de funcionamento, temperatura mínima de projeto do metal, condições de arrefecimento e potencial exposição a vapor frio. Especificar apenas “serviço de GNL” não é suficiente para uma seleção precisa da válvula.

2. Materiais do corpo da válvula e dos componentes internos

Os aços inoxidáveis austeníticos são frequentemente considerados para utilização direta em aplicações criogénicas de GNL, uma vez que conseguem manter uma tenacidade útil a temperaturas muito baixas. Dependendo da aplicação, também podem ser especificadas determinadas ligas de níquel e outros materiais certificados para baixas temperaturas.

Os aços de carbono para baixas temperaturas podem ser utilizados em secções mais quentes de uma instalação de GNL, desde que os seus limites de temperatura certificados sejam adequados, mas não devem ser automaticamente utilizados em tubagens que possam atingir a temperatura máxima do GNL.

A seleção final do material deve basear-se na temperatura de projeto, na classe de pressão, na composição do processo, nos requisitos de resistência à corrosão, nos requisitos relativos aos ensaios de impacto, nas normas aplicáveis e na especificação do material aprovada pelo cliente.

3. Proteção alargada do capô e da vedação da haste

Muitas válvulas criogénicas de GNL utilizam uma configuração com castelo ou haste prolongados. A extensão ajuda a posicionar a gaxeta e os componentes de vedação da haste mais afastados da zona mais fria do processo.

O comprimento da extensão da tampa e a orientação da instalação devem ser selecionados com cuidado. O projeto deve também ter em conta a espessura do isolamento, a acessibilidade, a formação de gelo, a montagem do atuador, a condução térmica e a possibilidade de o vapor frio atingir a área da gaxeta.

4. Concepção da sede e desempenho em termos de fugas

O design da sede tem um efeito direto no desempenho de fecho, no binário de funcionamento, no desgaste, na pressão da cavidade e na vida útil. As sedes criogénicas têm de se adaptar às alterações dimensionais durante o arrefecimento, mantendo simultaneamente a carga de vedação necessária.

Dependendo do tipo de válvula e dos requisitos do projeto, o sistema de vedação pode utilizar sedes em polímero compatíveis com condições criogénicas, sedes em polímero reforçado, sedes metálicas, inserções resilientes ou configurações compostas. Os critérios de aceitação de fugas exigidos devem ser especificados antes da elaboração do orçamento e do fabrico.

5. Classe de pressão e pressão diferencial

A classe de pressão da válvula, por si só, não determina a adequação ao funcionamento. A pressão diferencial máxima influencia a carga sobre a sede, o binário da haste, as forças exercidas sobre o disco ou a esfera, o dimensionamento do atuador e a capacidade da válvula de abrir ou fechar em condições de emergência.

Os compradores devem indicar a pressão de projeto, a pressão de funcionamento, a pressão diferencial de fecho, o sentido do fluxo, os requisitos de alívio de pressão e a pressão máxima que pode ocorrer em condições de bloqueio ou de expansão térmica.

6. Requisitos de segurança contra incêndios e de emissões fugitivas

As instalações de GNL lidam com fluidos de hidrocarbonetos inflamáveis, pelo que as especificações do projeto podem incluir requisitos relativos a ensaios de resistência ao fogo, conceção antiestática, hastes resistentes a explosões, fugas externas controladas e desempenho em matéria de emissões fugitivas.

Estes requisitos devem ser confirmados para o tipo exato de válvula, dimensão, pressão nominal, configuração da sede e norma selecionada. Uma afirmação genérica de que uma válvula é “à prova de incêndio” não deve substituir a documentação específica do projeto nem os requisitos de ensaio.

7. Desempenho do atuador e do sistema de paragem de emergência

Para acionar as válvulas de GNL, podem ser utilizados atuadores pneumáticos, hidráulicos, elétricos ou eletro-hidráulicos. O atuador deve fornecer binário ou impulso suficientes nas condições de funcionamento mais exigentes, incluindo baixa temperatura ambiente, pressão diferencial máxima, atrito na haste prolongado e funcionamento em caso de paragem de emergência.

As especificações do atuador podem incluir:

• Ação de abertura em caso de falha, fecho em caso de falha ou manutenção da posição em caso de falha
• Horário de abertura e encerramento obrigatório
• Abastecimento mínimo disponível de ar, hidráulica ou eletricidade
• Ensaios de curso parcial ou curso total
• Indicação da posição local e remota
• Classificação elétrica para áreas perigosas
• Requisitos de proteção contra incêndios ou de proteção ambiental

8. Ensaios criogénicos e documentação

Os ensaios à pressão ambiente e de sede, por si só, podem não demonstrar o desempenho da válvula à temperatura do GNL. Por conseguinte, os requisitos do projeto podem especificar ensaios de produção a baixa temperatura, ensaios de tipo criogénicos, ensaios de emissões fugitivas, rastreabilidade dos materiais, relatórios de ensaios de impacto, exames não destrutivos e ensaios funcionais do atuador.

O âmbito dos ensaios deve identificar a temperatura de ensaio, o meio de ensaio, a orientação da válvula, os limites de fuga, o número de ciclos de funcionamento, os níveis de pressão, o método de medição, os requisitos relativos à presença de testemunhas e a documentação a apresentar juntamente com a válvula.

Tipos comuns de válvulas utilizadas em instalações de GNL

Nos dispositivos móveis, deslize o dedo horizontalmente para ver a tabela completa.

Considerações relativas aos materiais utilizados nas válvulas de GNL

A seleção de materiais para Válvulas de GNL deve ter em conta tanto a tenacidade a baixas temperaturas como a compatibilidade com o processo. Os materiais selecionados devem ser adequados para a temperatura e pressão de projeto especificadas, cumprindo simultaneamente os requisitos do projeto em matéria de resistência à corrosão, soldadura, tratamento térmico, ensaios de impacto, rastreabilidade e ensaios não destrutivos.

As recomendações relativas aos materiais devem ser verificadas com base na ficha técnica completa do projeto e nas normas aplicáveis.

Normas frequentemente referidas para válvulas de GNL

As normas aplicáveis dependem do tipo de válvula, da instalação, do sistema de processo, das especificações do cliente e da legislação local. A documentação do projeto pode fazer referência a normas que abrangem a conceção de válvulas para baixas temperaturas, válvulas para condutas, classificações de pressão e temperatura, ensaios criogénicos, ensaios de resistência ao fogo, emissões e equipamentos sob pressão.

• ISO 28921-1: conceção, materiais, fabrico e ensaios de produção para determinadas válvulas de isolamento e válvulas de retenção de baixa temperatura.
• ISO 28921-2: ensaios de tipo a baixa temperatura para válvulas de isolamento.
• ISO 21011: requisitos de conceção, fabrico e ensaio para válvulas utilizadas em recipientes criogénicos.
• ASME B16.34: valores nominais de pressão e temperatura, materiais, dimensões, ensaios, inspeção e marcação para válvulas industriais aplicáveis.
• Especificação API 6D: requisitos para válvulas de condutas e tubagens, conforme especificado pelo projeto.

Como a JST Valve apoia projetos de GNL

A JST Valve colabora com os clientes para avaliar as condições de funcionamento das válvulas e elaborar soluções específicas para cada projeto. Dependendo da aplicação e das especificações aprovadas, o âmbito do fornecimento pode incluir válvulas de esfera criogénicas, válvulas de guilhotina, válvulas de globo, válvulas de retenção, válvulas borboleta, conjuntos de válvulas com atuadores e produtos personalizados para controlo de caudal.

O apoio técnico da JST Valve pode incluir:

• Análise dos dados relativos ao fluido, à temperatura, à pressão e à pressão diferencial
• Seleção dos materiais do corpo, dos acabamentos, dos assentos, dos vedantes e das juntas
• Configurações com capô alongado e haste alongada
• Avaliação do alívio da pressão na cavidade e da orientação da sede
• Conjuntos de atuadores pneumáticos, elétricos, hidráulicos ou à prova de falhas
• Dimensões, ligações e configurações de funcionamento personalizadas
• Inspeção, ensaio, rastreabilidade e documentação de acordo com os requisitos de compra

Informações necessárias para a seleção de válvulas para GNL

Para obter uma recomendação técnica precisa e um orçamento para Válvulas de GNL, por favor, forneça:

• Meio de processo e composição completa do fluido
• Temperatura mínima, normal e máxima de funcionamento
• Temperatura mínima do metal prevista no projeto
• Pressão de funcionamento e pressão nominal
• Pressão diferencial máxima de corte
• Tipo de válvula, diâmetro nominal e classe de pressão
• Direção do fluxo e orientação de instalação necessárias
• Critérios de aceitação de fugas exigidos
• Requisitos relativos à carroçaria, acabamentos, bancos, enchimento e juntas
• Norma relativa às ligações terminais e à distância entre faces
• Tipo de atuador, posição de falha e tempo de funcionamento necessário
• Requisitos relativos a ensaios criogénicos, de incêndio, de emissões e funcionais
• Certificados, planos de inspeção, desenhos e documentação necessários
• Quantidade, prazo de entrega e destino do projeto

Perguntas frequentes sobre válvulas de GNL

Que temperatura devem as válvulas de GNL suportar?

O serviço direto de GNL pode atingir aproximadamente −162 °C. No entanto, a temperatura de projeto exigida para as válvulas depende da localização exata e das condições do processo. Algumas válvulas numa instalação de GNL funcionam em condições mais quentes, como em serviços de baixa temperatura, de vapor, de utilidades ou de gás regaseificado.

Por que razão as válvulas criogénicas de GNL utilizam tampas alongadas?

Um capuz ou haste prolongada ajuda a afastar a área da gaxeta e da vedação da haste da zona mais fria do processo. As suas dimensões e orientação devem ter em conta o isolamento, a condução térmica, o vapor frio, a acessibilidade e a instalação do atuador.

Por que razão é importante a descarga da pressão da cavidade nas válvulas de esfera de GNL?

O GNL retido no interior da cavidade de uma válvula fechada pode absorver calor, vaporizar-se e gerar um aumento da pressão. A disposição da sede da válvula de esfera e a direção da descarga de pressão devem, por conseguinte, ser analisadas à luz da filosofia de tubagem e isolamento do projeto.

Que válvulas são habitualmente utilizadas para o isolamento do GNL?

As válvulas de esfera e as válvulas de guilhotina criogénicas são normalmente consideradas para o isolamento. As válvulas borboleta podem ser selecionadas para determinadas aplicações de grande diâmetro, embora a escolha final dependa dos requisitos de estanqueidade, da queda de pressão, do binário de funcionamento, do espaço disponível, do peso e das normas do projeto.

As válvulas de GNL também podem regular o caudal e a pressão?

Sim. As válvulas de esfera, as válvulas de controlo, as válvulas de esfera segmentadas e algumas válvulas borboleta podem ser concebidas para a regulação do caudal ou da pressão. O dimensionamento das válvulas de controlo deve ter em conta o coeficiente de caudal, a queda de pressão, o flashing, a cavitação, o ruído, a gama de regulação necessária e a resposta do atuador.

A JST Valve pode fabricar válvulas de GNL personalizadas?

A JST Valve pode avaliar configurações personalizadas de válvulas com base nos dados de processo do cliente, nos desenhos, nos requisitos de materiais, nas normas aplicáveis, nas especificações dos atuadores, no plano de inspeção, no âmbito dos ensaios e nos requisitos de documentação.

Referências técnicas

Estão disponíveis informações técnicas adicionais em

Visão geral do GNL da Administração de Informação Energética dos EUA

na

Norma ISO 28921-1 para válvulas de baixa temperatura

o

Norma ISO 21011 para válvulas criogénicas

e

ASME B16.34