Dimensionamento de válvulas de alívio de emergência: um guia passo a passo (API 2000)

Dimensionamento de válvulas de alívio de emergência: um guia técnico passo a passo para tanques de armazenamento

Um abaixo do tamanho normal válvula de alívio de emergência é um dos poucos equipamentos de processo que pode falhar de forma catastrófica sem qualquer aviso prévio. Se a capacidade de ventilação de emergência de um tanque de armazenamento for menor do que a entrada de calor térmico ou proveniente de incêndio durante uma emergência, o tanque ficará sobrepressurizado, o invólucro se deformará e as consequências variam de um derramamento a um BLEVE. Este guia apresenta o processo completo dimensionamento de válvulas de alívio de emergência procedimento para tanques de armazenamento atmosféricos e de baixa pressão, com base em API 2000 (7ª edição), API 520/521, e ISO 23251.

O que é uma válvula de alívio de emergência e quando ela é acionada?

Uma válvula de alívio de pressão e vácuo (PVRV) controla a ventilação normal de entrada e saída. Uma válvula de alívio de emergência (ERV) é um dispositivo de ventilação separado e maior, que é acionado apenas durante eventos anormais em que a ventilação normal fica sobrecarregada. Os três principais cenários que exigem ventilação de emergência são:

• Exposição ao fogo — o líquido no tanque absorve calor proveniente de um incêndio em piscina ou de um incêndio por exposição, vaporiza-se, e o vapor deve ser descarregado mais rapidamente do que a válvula PVRV é capaz de suportar
• Saída entupida — um episódio de cavitação na bomba, uma válvula de isolamento fechada ou uma situação de expansão térmica que empurre o líquido para o espaço de vapor em alta vazão
• Reação descontrolada ou falha no sistema de energia — aplica-se principalmente a tanques com camisa de isolamento e ao armazenamento de produtos químicos; é menos comum em tanques de petróleo bruto ou de derivados

A API 2000 define três níveis de análise: Nível 1 (conservador, sem crédito por área molhada), Nível 2 (intermediário, área parcialmente molhada), e Nível 3 (modelagem rigorosa e abrangente das consequências). Para a maioria dos tanques atmosféricos com teto fixo, o Nível 1 ou o Nível 2 é suficiente e passível de auditoria.

Etapa 1 — Determinar o cenário de projeto

Caso com incêndio vs. caso sem incêndio

O cenário predominante de dimensionamento para quase todos os tanques de armazenamento atmosféricos é o caso de incêndio. A Tabela B.1 da API 2000 apresenta a equação de absorção de calor para tanques com área de superfície molhada inferior e superior a 260 m²:

• Superfície molhada ≤ 260 m²: Q = 43.200 × F × A^0.82 (sistema métrico, kJ/h)
• Superfície molhada > 260 m²: Q = 70.900 × F × A^0.5 (sistema métrico, kJ/h)

Onde F é o fator ambiental (1,0 para tanques de metal sem revestimento, 0,3 para tanques com isolamento aprovado que atenda aos critérios da API, 0,15 para sistemas de pulverização de água) e A é a área da superfície molhada em m².

Cálculo da área de superfície molhada

A área de superfície molhada é a superfície do tanque que pode entrar em contato com o líquido durante um incêndio. Para um tanque cilíndrico vertical, a convenção prevista na norma API 2000 é de 9,1 m (30 pés) da altura inferior do corpo do tanque, mais o fundo. Para tanques de teto flutuante com o teto na posição abaixada, inclua a área do teto. Para tanques horizontais, toda a parede até 9,1 m é molhada.

Etapa 2 — Calcular a taxa de alívio de vapor necessária

Depois de determinar a potência térmica do fogo Q (kJ/h), converta-a para o fluxo de vapor necessário utilizando o calor latente de vaporização do produto armazenado:

W = Q / H_v

Onde W é a vazão mássica necessária (kg/h) e H_v é o calor latente de vaporização nas condições de alívio (kJ/kg). Para produtos petrolíferos comuns:

Se o calor latente for desconhecido, utilize o valor mais conservador (mais baixo) para a família de produtos. Subestimar H_v aumenta o fluxo de vapor calculado W e leva à escolha de uma válvula maior e mais segura.

Etapa 3 — Converter o fluxo mássico em fluxo volumétrico nas condições de alívio

A capacidade da válvula de alívio de emergência é normalmente expressa em Nm³/h (metros cúbicos normais por hora) ou SCFH (pés cúbicos padrão por hora). Para converter o fluxo mássico W em fluxo volumétrico em condições padrão:

Q_std = L × A × P_std / (P_std × M)

Onde R é a constante dos gases (8.314 J/kmol·K), T_std é 273,15 K (padrão de 0 °C), P_std é 101.325 Pa, e M é o peso molecular do vapor. Para um produto petrolífero, M pode ser estimado a partir da curva de destilação da norma ASTM D86 ou da correlação da gravidade API.

Exemplo de cálculo: tanque de petróleo bruto de 2.000 m³

Diâmetro do tanque: 16 m, altura do líquido: 10 m (cheio), isolamento: nenhum (F = 1,0)

1. Área molhada: π × 16 m × 9,1 m + π/4 × 16² = 457 + 201 = 658 m² (acima de 260 m²)
2. Entrada de calor: Q = 70.900 × 1,0 × 658^0.5 = 70.900 × 25,65 = 1.818.000 kJ/h
3. Calor latente (petróleo bruto leve, 250 kJ/kg): W = 1.818.000 / 250 = 7.272 kg/h
4. Peso molecular (crude leve, M ≈ 85): Q_std = 7.272 × 8.314 × 273 / (101.325 × 85) ≈ 2.150 Nm³/h

O dispositivo de ventilação de emergência deve permitir a passagem de pelo menos 2.150 Nm³/h à pressão de projeto do tanque (normalmente entre 17 e 35 mbar para tanques atmosféricos).

Etapa 4 — Aplicar o crédito ambiental e de drenagem

A API 2000 permite uma redução na capacidade de alívio exigida quando o local possui nivelamento e drenagem que impedem que o líquido derramado se acumule a menos de 30 m do tanque. Isso é o crédito de drenagem: se a drenagem for adequada, a fórmula de entrada de calor utiliza um fator de 0,5 F em vez do valor padrão de 1,0. Muitos parques de tanques mais antigos não se enquadram nesse critério porque os canais de drenagem são compartilhados ou estão obstruídos.

Etapa 5 — Selecione a válvula de alívio de emergência

Válvula de ventilação de emergência x Ventilação da tampa do medidor x Telhado com costura fraca

Dados de capacidade certificados

Todas as válvulas de alívio de emergência devem possuir uma curva de capacidade de vazão certificada pelo fabricante, testada de acordo com a Norma API 2000, Anexo D, ou a Norma ISO 28300. O certificado indica a capacidade em Nm³/h para uma faixa de pressões de ajuste. Selecione uma válvula ou um conjunto de válvulas cuja capacidade certificada combinada exceda o valor W calculado na pressão de ajuste de projeto. Inclua uma margem de 10–25% acima da necessidade calculada para levar em conta futuros aumentos de capacidade ou mudanças no produto.

Etapa 6 — Verificar a tubulação de entrada e saída

As válvulas de alívio de emergência nos tanques de armazenamento são quase sempre instaladas na parte superior (em um bocal no teto do tanque), mas o diâmetro do bocal de entrada e a tubulação de saída são fundamentais:

• Bocal de entrada: dimensionada de forma que a queda de pressão na entrada seja inferior a 3% da pressão de ajuste no fluxo máximo. Para uma válvula ajustada a 17 mbar, a queda de pressão na entrada deve ser inferior a 0,5 mbar no fluxo nominal.
• Tubulação de saída: para válvulas com coletores de vapor, a contrapressão deve permanecer abaixo de 10% da pressão de ajuste para válvulas convencionais, ou abaixo de 50% para modelos com fole balanceado.
• Sem coletores de líquido: a tubulação de saída deve drenar de volta para o tanque. Qualquer sifão reduzirá a área efetiva de ventilação e poderá vedar a válvula, fechando-a durante uma emergência.

Etapa 7 — Requisitos de documentação e inspeção

Todas as válvulas de alívio de emergência dimensionadas e instaladas devem possuir uma Ficha Técnica da Válvula exibindo: número da etiqueta, identificação do tanque, pressão de ajuste, capacidade certificada na pressão de ajuste, cenário de projeto, calor latente do produto utilizado e fator ambiental aplicado. Os requisitos de inspeção da norma API 653 exigem a realização de testes funcionais a cada 5 anos para tanques de armazenamento atmosféricos, ou com maior frequência caso o produto seja corrosivo. Válvulas com carga de peso exigem inspeção da superfície de assentamento; válvulas com mola exigem verificação da tensão da mola.

Erros comuns no dimensionamento de válvulas de alívio de emergência

• Utilização dos coeficientes de fluxo PVRV para o dimensionamento de ERVs — As válvulas ERV apresentam valores de Cd diferentes; utilize sempre a curva de capacidade certificada da própria ERV
• Ignorando o superaquecimento do vapor — com alta carga térmica do fogo, o vapor de alívio pode estar significativamente acima do ponto de ebulição, reduzindo a densidade e aumentando o vazão volumétrica
• Aplicação do crédito de isolamento sem verificar a conformidade com a API — o isolamento deve atender aos critérios do Anexo C da norma API 2000 (resistente ao coque, à infiltração e ao fogo por 2 horas); as mantas padrão de lã mineral não se qualificam automaticamente
• Projeto com válvula única para tanques com vários produtos — se um tanque alternar entre produtos com diferentes calores latentes, dimensioná-lo para o produto mais leve (menor H_v)
• Esquecer que as válvulas operando em paralelo compartilham a capacidade — a capacidade de várias válvulas ERV instaladas em paralelo é aditiva apenas se todas as válvulas tiverem a mesma pressão de ajuste; ajustes escalonados reduzem a capacidade combinada efetiva

Integração com as válvulas de alívio de emergência Wanan

Da Wanan Technology válvulas de alívio de emergência são fabricadas de acordo com as normas API 2000 / ISO 28300 e estão disponíveis com certificação de capacidade de terceiros, emitida pela SGS ou pela TÜV. Para projetos de parques de tanques que exijam suporte no dimensionamento e fichas técnicas certificadas das válvulas, entre em contato com nossa equipe de engenharia, fornecendo a MSDS do produto armazenado, o diâmetro do tanque, o nível máximo de operação do líquido e a classificação de drenagem do local. Fornecemos cálculos de dimensionamento, seleção de válvulas e toda a documentação necessária para a análise HAZOP e para a apresentação de documentos regulatórios.

Para conhecer a metodologia de dimensionamento relacionada, consulte nosso Como funciona um PVRV? guia que aborda a ventilação normal de acordo com a norma API 2000, e nosso Dimensionamento de respiradouros para tanques de acordo com a norma API 2000 guia passo a passo para cálculos térmicos de inspiração e expiração.

Perguntas frequentes: Dimensionamento de válvulas de alívio de emergência

P: Posso usar uma válvula de segurança contra pressão (PSV) em conformidade com a Seção VIII da ASME em vez de uma válvula de alívio de emergência API 2000?
R: Não diretamente. As válvulas de segurança (PSVs) da ASME são projetadas para vasos de pressão, não para tanques de armazenamento atmosféricos. Suas pressões de ajuste começam em torno de 100 mbar, o que está muito acima da pressão operacional de um tanque atmosférico. Utilizar uma válvula de segurança ASME em um tanque com teto cônico significaria que o tanque ficaria sobrepressurizado a ponto de quase sofrer falha estrutural antes que a válvula se abrisse. As válvulas API 2000 / ISO 28300 são projetadas para pressões de ajuste tão baixas quanto 2–5 mbar, adequadas para armazenamento atmosférico.

P: Como posso verificar se a válvula de alívio de emergência de um fornecedor atende à capacidade exigida?
R: Solicite o relatório do teste de certificação de capacidade — não apenas a curva do catálogo. A capacidade certificada do ERV é medida em um banco de ensaio de vazão na pressão definida para a válvula, utilizando o tamanho e o conjunto interno reais da válvula. A certificação por órgãos independentes, como SGS, TÜV ou DEKRA, representa o mais alto nível de confiança. O Anexo D da API 2000 descreve o procedimento de teste; as válvulas certificadas de acordo com esse anexo podem ser utilizadas diretamente nos cálculos de dimensionamento da API 2000.

P: Qual é a diferença entre a capacidade de alívio de emergência e a capacidade normal de ventilação?
R: A ventilação normal abrange a respiração térmica e o movimento de líquidos — normalmente de dezenas a centenas de Nm³/h para a maioria dos tanques. A ventilação de emergência em caso de incêndio para o mesmo tanque pode ser de 10 a 100 vezes maior. Um tanque de petróleo bruto de 5.000 m³ pode precisar de 500 Nm³/h de capacidade de ventilação normal, mas de 8.000 a 15.000 Nm³/h de capacidade de ventilação de emergência durante um cenário de exposição a incêndio.

P: Um tanque de teto flutuante precisa de uma válvula de alívio de emergência?
R: Geralmente, não — o próprio teto flutuante se eleva e expõe a vedação da borda, funcionando como uma válvula de ventilação de emergência quando o teto atinge o curso máximo. No entanto, se o teto estiver na posição abaixada (tanque vazio, manutenção), é necessária uma válvula de ventilação de emergência. Muitas instalações instalam uma válvula de ventilação de emergência permanente na válvula de ventilação central para cobrir todas as situações.

P: Com que frequência as válvulas de alívio de emergência devem passar por testes de funcionamento?
R: A norma API 653 recomenda a realização de testes funcionais a cada 5 anos para válvulas ERV em tanques atmosféricos. Nas válvulas com carga de peso, deve-se verificar o lapidação da sede; nas válvulas com mola, deve-se verificar a pressão de ajuste em uma bancada de testes. Em serviços com petróleo bruto corrosivo ou com alto teor de enxofre, reduza o intervalo de inspeção para 2 a 3 anos, pois os compostos de enxofre atacam as superfícies de vedação das sedes e podem fazer com que as válvulas fiquem presas na posição aberta ou fechada.

P: Posso instalar uma válvula de alívio de emergência em um tanque com teto cônico sem um supressor de chamas?
R: Para a maioria dos produtos, isso não é obrigatório, mas para produtos com pontos de inflamação abaixo de 60 °C (líquidos inflamáveis das Classes I e II), recomenda-se fortemente a instalação de um supressor de deflagração em linha entre a ventilação e a saída. A norma API 2000 não o exige, mas a norma NFPA 30 e os códigos regulatórios locais na UE, no Reino Unido e no Oriente Médio geralmente o exigem. Verifique as regulamentações locais antes de tomar uma decisão.