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11. Dispositivos de segurança

Toda caldeira deve possuir dispositivos de segurança para proteger o pessoal e os equipamentos de possíveis falhas que ocorram durante seu funcionamento. Um dispositivo de segurança pode se apresentar de diversas formas, como um simples alarme, um bloqueio de algum componente da caldeira, ou mesmo um desarme de toda a caldeira, parando de forma imediata a geração de vapor.

Todos os dispositivos de segurança de uma caldeira devem estar em serviço durante a operação.

A retirada de um dispositivo de segurança de serviço só poderá ser autorizada após minucioso estudo dos riscos envolvidos e da colocação em prática de técnicas que substituam temporariamente a proteção desativada.

Citaremos os principais dispositivos de segurança de uma caldeira:

Dispositivo de Purga

Todas as caldeiras possuem um sistema de purga que impede seu retorno a operação antes que um fluxo de ar seja passado por todos os circuitos de ar e gases por um período pré estabelecido, em geral de 5 minutos. Esta segurança tem por objetivo eliminar gases residuais provenientes de combustíveis que anteriormente tenham ficado no interior da caldeira, e que poderão provocar uma explosão quando a caldeira for reacesa. Em casos em que tenha havido derramamento de combustível na fornalha durante sua retirada de serviço, este dispositivo poderá ser insuficiente para remover todos os gases, e recomenda-se que uma limpeza mecânica seja efetuada no seu interior.

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Dispositivo de Nível da Caldeiras

A manutenção do nível de uma caldeira é uma preocupação constante para os operadores. Apesar dos modernos dispositivos para controle do nível do tambor, em algumas situações de variações bruscas de geração o nível de água do tambor poderá ser afetado e sair da faixa de controle.

Se o nível do tambor se tornar demasiado elevado, os dispositivos de separação de água /vapor serão cobertos e poderá ocorrer um arraste de água para os superaquecedores provocando graves distúrbios no controle de temperatura do vapor, ou até em casos mais críticos provocar o arraste de umidade para a maquina motriz provocando sua destruição. Em situações menos graves, a subida do nível da caldeira poderá possibilitar que concentrações de sólidos e sílica sejam lançadas no vapor em direção as turbinas.

Se o nível do tambor da caldeira ficar demasiado baixo, a convecção da água poderá ser reduzida ou mesmo paralisada, interrompendo a absorção de calor pela água no interior dos tubos de parede d'água, fazendo com que estes de imediato sejam danificados.

Sob nenhum pretexto uma caldeira deve continuar em serviço se não houver certeza de que o nível do tambor está na sua faixa normal de operação.

Todas as caldeiras devem possuir indicadores de nível junto ao tambor, alarmes sonoros de nível alto e baixo do tambor, e em alguns casos sistemas de desarme automático da caldeira para perda de nível do tambor.

Após uma parada por perda de nível do tambor, a realimentação deve ser efetuada de acordo com procedimentos existentes, evitando-se elevados gradientes térmicos entre a água e os metais do tambor.

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Dispositivo de Proteção Contra Pressão Elevada na Fornalha

Algumas caldeiras possuem dispositivos para supervisão da pressão da fornalha e em alguns casos eles são calibrados para desarmarem a queima. A pressão da fornalha é um parâmetro muito importante para a qualidade da queima. Seu aumento pode ser causado por deficiência do sistema de tiragem da caldeira, variação muito brusca na taxa de queima sem a devida reação da cadeia de controle, bloqueio do fluxo de saída dos gases da fornalha, ruptura de tubos da parede de água.

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Dispositivo de Proteção Contra Baixa Pressão ou Alta pressão do combustível

O controle da pressão adequada do combustível introduzido na caldeira é importante para que a reação de queima se processe de forma adequada. Os combustíveis líquidos quando em pressões demasiadamente baixas não atomizam totalmente, combustíveis gasosos em pressões muito elevadas provocam a perda de chama na saída do queimador. Em todas estas situações o riscos são grandes e a caldeira ou se for o caso o queimador, deve dispor de dispositivo de alarme e desarme.

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Dispositivo de Baixa Vazão de Ar

O fluxo de ar enviado para a caldeira deve ser adequado a quantidade de combustível a ser queimado. A insuficiência de vazão de ar fará com que parte do combustível saia da fornalha sem queimar provocando perda da eficiência do processo, depósitos, poluição ambiental, e riscos de explosões em dutos. As caldeiras possuem dispositivos que poderão alarmar ou provocar o seu desarme. Caso isto ocorra, quer seja por falha no controle da vazão ou por falha no equipamento de insuflação de ar como os ventiladores forçados.

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Dispositivo de Proteção Contra Pressões Elevadas do Vapor

Especificamente para este caso, todas as caldeiras devem possuir válvulas de segurança instaladas tanto no tambor superior, como nas saídas de vapor para os sistemas como, linhas de vapor principal, linha de vapor auxiliar, linha de vapor para os sopradores, etc. Falaremos sobre esta válvulas mais adiante.

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12. Válvulas e Tubulações

A caldeira é um equipamento dotado de um número muito grande de válvulas, com finalidades diversas, como bloqueio de fluxo, regulagem de fluxo, alívio, controle do sentido do fluxo, redução da pressão, etc. Para que a caldeira opere com segurança, é necessário que todas as suas válvulas estejam em bom estado tanto interna como externamente. As válvulas de maior porte ou sujeitas a maiores tensões requerem manutenções preventivas periódicas, devendo serem desmontadas para verificação da integridade de seus internos e de seu mecanismo de acionamento. As vedações das válvulas (gaxetas) devem ser mantidas sempre em bom estado pois vazamentos além de significarem perdas no processo, provocarão danos a haste. As sedes e contra sedes devem ser checadas contra passagem interna.

As válvulas que mais merecem atenção nas caldeiras são as de segurança por serem aquelas destinadas a impedir que a pressão ultrapasse ao valor de segurança estabelecido pelo projeto.

São válvulas especiais, cuja função é proteger elementos da caldeira que estão submetidos a pressão de vapor.

Estas válvulas são calibradas de modo a obedecerem uma determinada seqüência de funcionamento, de tal modo que uma válvula garanta a eliminação da situação de emergência, em caso de falha mecânica ou insuficiência da que operou ou deveria operar em primeiro lugar.

A calibração destas válvulas é feita com precisão e deve ser permanentemente observada além de serem as mesmas testadas periodicamente, para estarem em perfeitas condições de funcionamento.

A seqüência de disparo das válvulas de segurança se processa na direção inversa à do fluxo de vapor. A razão desta seqüência está em mantermos sempre um fluxo de vapor nos tubos do superaquecedor por ocasião da abertura da válvula, que por estarem em regiões de calor intenso, próximo à fornalha (região de radiação) e em regiões de troca de calor por convecção, estariam sujeitos a sérios danos por falta de refrigeração.

As caldeiras de grande e médio porte são projetadas de forma que o somatório das vazões de vapor através de todas as válvulas de segurança seja sempre igual ou superior à vazão máxima de vapor produzido pela caldeira já que, no caso de ocorrer uma rejeição deste valor utilizado, o fluxo seria mantido através daquelas válvulas, protegendo a caldeira contra uma sobrepressão acima dos valores estabelecidos pelo projeto, garantindo-se assim, além da integridade do equipamento, a integridade e segurança do pessoal envolvido em sua operação.

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13. Blowdown da Válvula de Segurança

O blowdown de uma válvula de segurança representa a rapidez ou eficiência de atuação da mesma e é expresso pelo percentual calculado em relação ao valor de abertura, da diferença entre a pressão de abertura e de fechamento.

Ao serem ajustadas as válvulas nos teste, este valor de blowdown deve ser ajustado para o percentual recomendado pelo fabricante.

Onde : Pa = Pressão de abertura

Pf = Pressão de fechamento

O tempo de abertura de uma válvula de segurança deve se limitar restritamente ao necessário para que medidas sejam tomadas para normalizar a produção de vapor em um valor adequado ao consumo, não se admitindo seu uso como elemento final de controle de pressão.

Em termos econômicos a permanência na posição aberta da válvula de segurança ou vazamentos periódicos se traduzem em grande desperdício de combustível, e pesados custos de reparos da própria válvula.

As válvulas de segurança requerem cuidadosa manutenção, sempre feitas por pessoal qualificado, que possuam ferramental especificado e conheçam todos os dados dimensionais e de acabamento superficial referente a válvula que está sendo reparada.

Os testes para verificação das características de operação das válvulas devem ser realizados sob condições que simulem àquelas que ocorrerão quando as válvulas atuarem em serviço. Por isto, sempre que possível as válvulas devem ser testadas na própria caldeira.

Sempre que uma válvula de segurança for reparada, deverá ser fixada uma plaqueta na válvula, indicando o nome do reparador e a data do reparo. Se a pressão de ajustagem for alterada, o novo valor dessa pressão , bem como a nova capacidade da válvula deverão ser indicados. Em instalações onde existam locais próprios e confiáveis para guarda de registros estas informações poderão lá serem mantidas.

Após qualquer tipo de reparo numa válvula de segurança, esta deverá ser retestada, selando-se todos os ajustes.

Como muitas válvulas só operam durante os testes e ficam expostas ao tempo e a elementos contaminantes, devem ser submetidas a inspeção visual antes que sejam testadas e ajustadas. Nesta inspeção visual devem ser observados:

Se a válvula estava travada

Se foi constatada alguma evidência de corrosão ou formação de pites

Se foi comprovado algum vazamento na válvula

Se as linhas de drenagens por gravidade, conectadas nas tubulações de descarga e na carcaça da válvula estavam desobstruídas e direcionadas para uma área segura

Se o capuz de proteção e a alavanca de acionamento manual estavam instaladas na válvula

Se a válvula estava adequadamente selada desde sua ultima inspeção

Se havia algum depósito de resíduo na válvula.

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14. Testes da Válvula de Segurança

Os testes das válvulas de segurança é uma atividade da manutenção que requer muita experiência e habilidade, além de cuidados para evitar acidentes durante sua execução.

Nos testes devem ser obtidos três características principais:

Pressão de abertura

Para a pressão de abertura são permissíveis as seguintes variações na pressão de disparo ajustada de acordo com a faixa de pressão de projeto estipulada.

Pressão Manométrica Prevista em Kpa (psig)	Variação Permissível Kpa (psig)
103 a 483 (15 a 70)	+ 14 (2)
> 483(70) até 2070 (300)	+ 3%
> 2070 (300) até 6900(1000)	+ 69(10)
> 6900 (1000)	+ 1%

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Os instrumentos utilizados para os testes devem ser de alta precisão e devem estar calibrados.

Pressão de Fechamento

É muito importante que o fechamento da válvula ocorra na faixa prevista pelo seu fabricante. Se o fechamento ocorre num valor muito próximo ao de disparo, a válvula poderá trepidar, operar inconsistentemente e até mesmo se danificar.

Capacidade da Válvula

A capacidade de uma válvula é uma característica de fabricação que praticamente não se altera com o tempo. Esta capacidade só será reduzida se houver algum impedimento físico que impeça a haste da válvula de se movimentar totalmente. É portanto importante que o inspetor observe se este levantamento ( curso) da haste foi satisfatório.

Observações e Cuidados Importantes Durante Um Teste.

A pressão de ajustagem de uma válvula de segurança não pode exceder a pressão máxima de trabalho admissível da caldeira e do sistema, exceto quando estes possuem mais de uma válvula instalada; nesse caso, os valores das pressões de abertura das válvulas instaladas não devem exceder os valores determinados pelas normas em vigor.

O diferencial de pressão entre a abertura e o fechamento de cada válvula não deve ser menor do que o valor marcado na válvula, para que seja possível assegurar a capacidade nominal e a operação satisfatória da válvula.

Se os testes das características de operação das válvulas de segurança forem efetuados com as válvulas instaladas na caldeira, será necessário aumentar a pressão de operação do sistema a um valor acima da pressão normal de operação. Devido aos riscos decorrentes, as atividades de inspeção da válvula devem ser desenvolvidas previamente aos testes, para assegurar que as válvulas terão um comportamento operacional apropriado.

Existem grampos adequados para o bloqueio de válvulas de segurança, durante a realização do teste hidrostático de uma caldeira. Entretanto, deve-se ter cuidado para que não ocorra um aperto excessivo no(s) parafuso(s) do grampo, evitando que a haste e/ou a sede da válvula sejam danificadas.

Quando recomendados pelo fabricante, devem ser usados bujões especiais para provas hidrostáticas. Durante o teste hidrostático, podem ocorrer pequenos vazamentos através das sedes das válvulas de segurança, porque estas são projetadas para serem estanques em operações com vapor, e não quando operadas com água fria.

Após o teste hidrostático, certifique-se de que as válvulas sejam recalibradas para as suas condições de serviço, e de que sejam removidos todos os grampos, bujões e tampas provisórias.

Se ocorrer alguma dúvida sobre a operação destas válvulas de segurança, estas devem ser testadas antes que a caldeira retorne a operar. Quando os testes forem realizados subseqüentemente à entrada da caldeira em serviço, será desejável que os testes sejam iniciados somente após a estabilização de temperaturas no sistema.

Não devem ser instalados grampos de testes nas válvulas de segurança antes que a pressão da caldeira tenha permanecido, durante um período mínimo de duas horas, num valor igual ou superior a 80% da pressão normal de operação. Esse cuidado faz-se necessário, para evitar danos à haste da válvula devido a dilatação térmica.

Se uma válvula não opera(dispara) na sua pressão de ajustagem e não responde adequadamente a uma reajustagem, não deverá ser tentada a sua correção mediante aplicação de golpes no seu corpo ou em outras partes da válvula; essa válvula deverá ser reparada.

Qualquer válvula que não operar exatamente de acordo com as indicações de placa de identificação, deverá ser recondicionada e retestada durante a partida da caldeira. Não deve ser tentada a eliminaçào de um vazamento da válvula, mediante a compressão da mola ou pela aplicação de um esforço excessivo de travamento.

Quando forem necessárias novas ajustagens nas válvulas de segurança, enquanto as mesmas estiverem montadas na caldeira, a pressão de operação do sistema deverá ser reduzida até um valor que seja no mínimo, 10% inferior ao da pressão de ajustagem da válvula, antes que as reajustagens sejam tentadas.

Deve ser instalado um grampo de travamento, antes de qualquer reajustagem, exceto se for tentado o restabelecimento da pressão normal de ajustagem. Todas as reajustagens devem ser graduais e efetuadas por pessoa qualificada.

Nas caldeiras de múltiplas válvulas de segurança, a medida que os testes forem sendo efetuados, torna-se necessário o travamento das válvulas de menor pressão de ajustagem. Com este travamento, entretanto, o sistema ficará desprotegido se a caldeira operar na sua condição de capacidade máxima. Por esta razão, deve ser eliminada à possibilidade de que a taxa de queima da caldeira seja excessiva em relação à capacidade das válvulas não travadas. Essa eliminação pode ser obtida, removendo-se os queimadores em excesso, ou seja, além dos que forem necessários para a elevação da pressão para o teste. No caso das caldeiras que possuam apenas um queimador, a quantidade de combustível para este deve ser limitada.

A atuação total da válvula ( disparo ), causada por pressão, é a técnica preferida e mais confiável para constatar que a válvula de segurança esteja operando de forma adequada.

Os manuais elaborados pelos fabricantes das válvulas, referentes à instalação, à manutenção e à ajustagem, deverão ser estritamente obedecidos, quando qualquer válvula for submetida à ajustagem ou aos testes.

Algumas válvulas de segurança podem ser testadas para a pressão de abertura enquanto a caldeira estiver operando em pressões reduzidas. Nesse caso, as válvulas são testadas após a instalação de um dispositivo hidráulico auxiliar de levantamento recomendado pelo fabricante, para causar um aumento no esforço de levantamento exercido pelo vapor. Esse dispositivo elimina a necessidade de aumento de pressão do sistema acima do nível de operação, para verificação da pressão de abertura ( ponto de ajustagem) da válvula.

O dispositivo auxiliar de levantamento não permite o levantamento total da válvula, nem fornece dados referentes ao diferencial de pressão entre abertura e fechamento, em conseqüência, o desempenho da válvula não pode ser verificado.

Os testes com levantamento auxiliado somente devem ser usados com válvulas projetadas para uso com tais dispositivos, a fim de estabelecerem uma ajustagem preliminar para válvulas novas ou quando existir incerteza quanto à concordância entre a pressão de ajustagem com os dados da placa de identificação.

A causa mais comum de falhas na abertura das válvulas de segurança, quando sujeitas à pressão de ajustagem, é a acumulação de depósitos corrosivos entre o disco da válvula e a respectiva sede. Estes depósitos ocorrem quando a válvula de segurança apresenta um ligeiro vazamento ou exsudação.

É preferível que cada válvula de segurança tenha um tubo de descarga separado, que deve ser o mais curto possível, afim de evitar tensões excessivas na válvula e na tubulação. Se for necessária a utilização de um distribuidor, este deverá ser dimensionado para limitar a contrapressão de acordo com as recomendações do fabricante; esse distribuidor deve estar provido de aberturas para inspeção e limpeza.

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