A frequência de manobra das válvulas é um fator que muitas vezes recebe menos atenção do que pressão, temperatura, diâmetro ou tipo de fluido durante a especificação. No entanto, a quantidade de vezes que uma válvula abre, fecha ou muda de posição pode influenciar diretamente o desgaste da sede, das vedações, da haste, das gaxetas e do próprio sistema de acionamento.

Uma válvula que realiza poucas manobras por mês enfrenta uma condição mecânica muito diferente de outra que executa dezenas ou centenas de movimentos diariamente.

Isso não significa que válvulas utilizadas frequentemente terão necessariamente vida útil curta. Existem equipamentos, materiais e sistemas de acionamento desenvolvidos justamente para serviços de alta ciclagem. O problema aparece quando uma válvula selecionada para uma operação ocasional passa a trabalhar em um processo de manobras frequentes sem que essa condição tenha sido considerada na especificação.

Por isso, informar quantas vezes a válvula deverá operar pode ser tão importante quanto informar pressão, temperatura e vazão.

O que é a frequência de manobra de uma válvula?

A frequência de manobra representa quantas vezes a válvula realiza movimentos dentro de determinado período. Em uma aplicação on/off, normalmente falamos de operações de abertura e fechamento. Já uma válvula de controle pode realizar movimentos muito menores e mais frequentes para ajustar continuamente vazão, pressão, temperatura ou nível.

Uma válvula de bloqueio pode permanecer aberta durante semanas e realizar poucas manobras ao longo do ano. Por outro lado, uma válvula automatizada utilizada em um processo por bateladas pode abrir e fechar diversas vezes por hora.

Nas válvulas de controle, o número de movimentos pode ser ainda maior, pois o posicionador responde continuamente às necessidades do processo. Portanto, apenas informar que a válvula será “automatizada” não descreve suficientemente sua condição de trabalho.

É necessário saber se a aplicação terá:

• poucas operações;
• manobras diárias;
• ciclos repetitivos;
• abertura e fechamento rápidos;
• modulação contínua;
• pequenas correções de posição;
• longos períodos sem movimentação.

Cada condição gera exigências diferentes.

Por que cada manobra provoca desgaste?

Quando uma válvula se movimenta, diversos componentes entram em ação. Dependendo do modelo, existe contato ou movimento relativo entre:

• sede e elemento de fechamento;
• haste e gaxetas;
• eixo e vedações;
• buchas e mancais;
• esfera e sedes;
• disco e revestimento;
• lâmina e sedes;
• mangote e mecanismo de compressão;
• engrenagens do redutor;
• componentes do atuador.

Esses contatos geram atrito e esforços mecânicos. Uma única operação dificilmente representa um problema. Entretanto, quando o movimento se repete milhares de vezes, pequenas perdas de material, deformações e alterações nas superfícies podem se acumular.

A Emerson destaca a alta ciclagem como uma condição capaz de acelerar o desgaste das válvulas. Em aplicações de peneiras moleculares, por exemplo, onde determinadas válvulas realizam ciclos repetitivos durante a regeneração do processo, a fabricante trata a frequência de operação como um dos principais desafios para a vida útil do equipamento.

A questão, portanto, não é apenas quantas horas a válvula está instalada, mas também o que acontece durante essas horas.

Sede e elemento de fechamento estão entre os principais pontos de desgaste

A região responsável pela vedação é especialmente importante. Em uma válvula esfera, por exemplo, a esfera movimenta-se em relação às sedes durante a abertura e o fechamento. Em uma válvula borboleta, o disco passa pela região da sede durante sua rotação. Já uma válvula guilhotina movimenta sua lâmina através do conjunto de vedação.

Quanto maior o número de ciclos, maior é a quantidade de movimentos relativos realizados por essas superfícies. Entretanto, a taxa de desgaste depende também de outros fatores, entre eles:

• material da sede;
• material do elemento de fechamento;
• pressão diferencial;
• temperatura;
• partículas presentes no fluido;
• torque aplicado;
• velocidade da manobra;
• qualidade das superfícies;
• lubrificação, quando aplicável.

Portanto, duas válvulas realizando exatamente o mesmo número de ciclos podem apresentar vidas úteis completamente diferentes.

Fluidos abrasivos tornam a alta ciclagem ainda mais crítica

Em mineração, siderurgia e outros processos com sólidos em suspensão, a combinação entre abrasão e frequência de manobra merece atenção especial. Imagine uma válvula guilhotina operando em uma linha de polpa mineral.

Durante o fechamento, a lâmina precisa atravessar um meio contendo partículas. Dependendo da construção da válvula, essas partículas podem entrar em contato com a sede e com a própria lâmina.

Se essa operação ocorre poucas vezes, o desgaste acumulado pode permanecer relativamente baixo durante longos períodos.

Por outro lado, se a mesma válvula realiza sucessivas manobras todos os dias, o número de interações entre partículas, lâmina e elementos de vedação aumenta significativamente. O mesmo princípio se aplica a válvulas esfera utilizadas em fluidos contendo partículas.

Em determinadas construções, partículas podem ficar entre esfera e sede durante a operação. Projetos destinados a serviços severos utilizam diferentes geometrias, materiais e tratamentos justamente para reduzir danos provocados pelo contato repetitivo com contaminantes sólidos.

Assim, a frequência de manobra nunca deve ser analisada isoladamente das características do fluido.

Gaxetas também sofrem com o movimento repetitivo

A vedação ao redor da haste ou do eixo é outro ponto diretamente influenciado pela ciclagem. Nas válvulas de haste ascendente, a haste se movimenta através do conjunto de gaxetas. Esse sistema precisa cumprir duas funções que parecem contraditórias: impedir que o fluido escape para o ambiente e, ao mesmo tempo, permitir que a haste se movimente.

Quanto maior o número de movimentos, maior a importância da qualidade e da seleção desse conjunto. Documentação técnica da Emerson sobre vedação de hastes destaca justamente que manter baixos níveis de vazamento após milhares de ciclos mecânicos é muito mais difícil do que obter um bom resultado em uma válvula submetida a poucas manobras. O desgaste das gaxetas e os ciclos térmicos tornam essa condição mais exigente.

Por isso, alta ciclagem também pode ter relação com:

• aumento de emissões fugitivas;
• necessidade de reaperto;
• aumento de atrito na haste;
• desgaste das gaxetas;
• deterioração da superfície da haste;
• necessidade de manutenção mais frequente.

Em aplicações críticas, esse aspecto deve ser considerado ainda na seleção do sistema de vedação.

O excesso de aperto das gaxetas também pode gerar problemas

Quando surge um pequeno vazamento pela haste, uma reação comum é simplesmente aumentar o aperto sobre as gaxetas. Em alguns casos, um ajuste faz parte do procedimento de manutenção. Porém, apertar excessivamente pode aumentar muito o atrito.

Isso exige mais força do atuador para movimentar a válvula e pode prejudicar sua resposta, especialmente em aplicações de controle. O manual técnico da Emerson para sistemas de gaxetas destaca que a alteração do sistema de vedação modifica o atrito e pode exigir até mesmo uma revisão do dimensionamento do atuador.

Portanto, vazamento recorrente em uma válvula de alta ciclagem não deve ser tratado indefinidamente apenas com reapertos. É necessário investigar a condição das gaxetas, da haste e do próprio processo.

Atuadores também possuem limites de serviço

Quando a válvula é automatizada, a frequência de manobra não afeta somente o corpo e seus internos. O atuador também precisa ser compatível com a quantidade de operações.

Motores elétricos, engrenagens, pistões, diafragmas, molas, cilindros e elementos de transmissão estão submetidos a esforços repetitivos. Por isso, fabricantes estabelecem diferentes classificações de serviço.

Um exemplo aparece nas especificações da Rotork. Na linha analisada, atuadores elétricos destinados a serviço on/off e inching possuem uma classificação de operação diferente dos modelos destinados à modulação. Os modelos modulantes são projetados para um número significativamente maior de partidas por hora e para um regime de serviço diferente.

Esses números são específicos daquela linha de produtos e não devem ser utilizados como regra geral para todos os atuadores. A lição, entretanto, é importante: um atuador desenvolvido para abrir uma válvula ocasionalmente não deve ser automaticamente aplicado em um sistema que realizará movimentos contínuos.

Serviço on/off e serviço modulante são diferentes

Essa distinção precisa aparecer na especificação.

Válvula on/off

Uma válvula on/off normalmente possui duas posições principais: aberta ou fechada.

Pode ser utilizada para isolamento de equipamentos, direcionamento de fluxo, enchimento de tanques e diversos processos sequenciais. Entretanto, algumas aplicações on/off apresentam alta ciclagem.

Isso acontece, por exemplo, em processos:

• por bateladas;
• de carregamento e descarregamento;
• de dosagem;
• de transferência;
• com alternância entre equipamentos;
• automatizados por sequência.

Nesses casos, a quantidade de ciclos precisa ser conhecida.

Válvula de controle

A válvula de controle trabalha de maneira diferente. Ela pode alterar sua posição continuamente em resposta ao controlador.

Em uma malha estável, essas correções podem ser relativamente suaves. Porém, problemas de dimensionamento ou de sintonia podem fazer com que a válvula se movimente excessivamente. Nesse cenário, uma alta frequência de movimentos pode ser consequência de um problema do sistema, e não simplesmente uma característica normal do processo.

Uma válvula de controle que não para de se mover merece atenção

Imagine uma válvula responsável por controlar vazão. O sinal do controlador aumenta, a válvula abre. A vazão ultrapassa o valor desejado. O controlador corrige e manda fechar. Pouco depois, precisa abrir novamente. Esse ciclo continua repetidamente.

A válvula está trabalhando, mas sua movimentação excessiva pode indicar instabilidade da malha. Entre as possíveis causas estão:

• válvula superdimensionada;
• sintonia inadequada do controlador;
• atrito elevado;
• posicionador inadequado ou mal configurado;
• processo muito instável;
• folgas mecânicas;
• dimensionamento incorreto.

Portanto, substituir a válvula porque ela apresenta desgaste recorrente pode não eliminar o problema.

Se a causa for uma malha instável, a nova válvula poderá começar o mesmo ciclo de deterioração. Esse é um dos motivos pelos quais o número de movimentos também pode ser utilizado como informação de diagnóstico.

Ciclos térmicos podem aumentar a exigência

Nem todas as manobras acontecem sob temperatura constante. Em sistemas de vapor, processos térmicos e outras aplicações, a válvula pode alternar repetidamente entre diferentes condições de temperatura.

Nesse caso, ocorre uma combinação entre movimento mecânico e expansão térmica. Materiais metálicos, elastômeros, PTFE, grafite e outros componentes possuem diferentes coeficientes de expansão e comportamentos térmicos.

A documentação técnica relacionada à vedação de hastes destaca que a manutenção da estanqueidade se torna mais desafiadora quando milhares de ciclos mecânicos ocorrem juntamente com ciclos térmicos.

Portanto, frequência de manobra e temperatura também precisam ser avaliadas em conjunto.

A estanqueidade pode mudar ao longo dos ciclos

Uma válvula nova pode apresentar excelente desempenho no teste inicial. Porém, o desafio real é manter esse desempenho depois de milhares de operações.

Esse princípio é tão relevante que normas voltadas às emissões fugitivas consideram procedimentos de qualificação de válvulas e seus sistemas de vedação. A ISO 15848-1, por exemplo, estabelece procedimentos para avaliação de vazamentos externos em hastes ou eixos e juntas de válvulas industriais destinadas a determinados serviços.

Isso mostra que avaliar apenas a estanqueidade inicial não oferece uma visão completa para aplicações de alta exigência. Em serviços com grande número de ciclos, o comportamento ao longo do tempo precisa ser considerado.

Uma válvula que quase nunca opera também pode apresentar problemas

Frequência de manobra muito alta pode causar desgaste, mas o extremo oposto também merece atenção. Uma válvula instalada como bloqueio de emergência pode permanecer meses ou anos sem operar. Durante esse período podem ocorrer:

• corrosão;
• deposição de sólidos;
• incrustação;
• endurecimento de resíduos;
• degradação de componentes;
• aumento de atrito;
• travamento.

Quando finalmente existe necessidade de fechamento, a válvula pode não responder como esperado. Por isso, determinados equipamentos fazem parte de programas de inspeção e testes funcionais periódicos mesmo quando normalmente permanecem na mesma posição.

O ponto é que a vida útil não depende simplesmente de “movimentar menos”. Depende de operar o equipamento dentro das condições para as quais ele foi especificado e mantido.

Diferentes tipos de válvula respondem de formas diferentes à ciclagem

A construção influencia bastante a resposta aos movimentos repetitivos.

Válvula esfera

A válvula esfera realiza um movimento de um quarto de volta e pode oferecer acionamento rápido e boa capacidade de bloqueio. Em aplicações de alta frequência, devem ser avaliados principalmente:

• sede;
• superfície da esfera;
• haste;
• vedações;
• torque;
• atuador.

Quando existem sólidos, o risco de partículas entre esfera e sede também ganha importância.

Válvula borboleta

Na válvula borboleta, disco e sede participam diretamente da manobra. A frequência pode aumentar o desgaste dos elementos elastoméricos ou das superfícies de vedação, dependendo da construção.

Também é importante garantir que o atuador seja dimensionado para o número de operações esperado.

Válvula guilhotina

Em aplicações com polpas e sólidos, a lâmina precisa atravessar o meio durante as manobras.

Alta ciclagem pode aumentar a solicitação de sedes, lâmina, gaxetas e sistemas de acionamento.

Por isso, uma guilhotina para slurry não deve ser especificada somente pelo diâmetro e pela pressão.

Válvula mangote

Na válvula mangote, o elastômero sofre deformação durante cada fechamento. A frequência de ciclos, pressão, temperatura e características do fluido influenciam a vida do mangote.

Em aplicações de ciclagem elevada, o número esperado de operações deve fazer parte da consulta técnica ao fornecedor.

Válvula globo

Válvulas globo e válvulas de controle de haste deslizante possuem movimento entre haste, gaxetas, obturador e demais internos.

Quando aplicadas em modulação, estabilidade do posicionamento, atrito e desgaste dos internos tornam-se fatores importantes.

Como saber se a frequência de manobra está reduzindo a vida útil?

Alguns sinais podem indicar que a ciclagem está contribuindo para a deterioração. entre eles:

• vazamentos pela haste;
• perda progressiva de estanqueidade;
• aumento do torque;
• dificuldade para completar o fechamento;
• resposta mais lenta;
• ruído durante a movimentação;
• necessidade frequente de ajustar gaxetas;
• desgaste recorrente das sedes;
• falhas repetitivas do atuador;
• aumento de folgas;
• substituições em intervalos cada vez menores.

Entretanto, esses sintomas não provam isoladamente que a causa seja o número de manobras. Também devem ser investigados materiais, dimensionamento, alinhamento, fluido, pressão diferencial, temperatura e condições de instalação.

Registre o número de ciclos, não apenas as horas de operação

Em equipamentos rotativos, horas de funcionamento são um indicador conhecido. Para válvulas submetidas a muitas manobras, o número de ciclos também pode ser uma informação relevante para manutenção.

Uma válvula instalada há cinco anos, mas movimentada poucas vezes, possui um histórico mecânico diferente de outra instalada há apenas um ano e submetida continuamente a ciclos.

Sistemas de automação, atuadores inteligentes e registros operacionais podem ajudar a acompanhar essa informação. Com um histórico adequado, a equipe pode relacionar:

• número de movimentos;
• data das manutenções;
• troca de gaxetas;
• substituição de sedes;
• aumento do torque;
• vazamentos;
• falhas de acionamento.

Ao longo do tempo, esses dados permitem entender melhor o comportamento daquele equipamento na aplicação real.

Manutenção baseada em ciclos pode ser mais eficiente

Nem toda válvula precisa seguir o mesmo intervalo de manutenção. Imagine duas válvulas iguais: uma realiza poucas manobras por mês e outra trabalha em um processo automatizado com alta frequência de abertura e fechamento.

Definir a mesma periodicidade de inspeção para ambas pode não ser a melhor estratégia. Em aplicações de alta ciclagem, pode fazer sentido utilizar critérios baseados em:

• quantidade de ciclos;
• evolução do torque;
• condição das gaxetas;
• desempenho de vedação;
• tempo de resposta;
• diagnóstico do atuador.

Isso permite aproximar a manutenção da condição efetiva do equipamento.

O que informar na especificação de uma válvula de alta ciclagem?

Quando uma válvula terá operações frequentes, essa informação deve aparecer já na solicitação de orçamento. Além de fluido, pressão e temperatura, é recomendável informar:

• função da válvula;
• quantidade estimada de ciclos;
• frequência aproximada de operações;
• tempo de abertura e fechamento;
• serviço on/off ou modulante;
• percentual típico de abertura, quando aplicável;
• pressão diferencial;
• presença de sólidos;
• temperatura e variações térmicas;
• necessidade de estanqueidade;
• tipo de atuador;
• condição de falha;
• criticidade da aplicação.

Com essas informações, é possível analisar de forma mais adequada materiais, sedes, vedações e acionamento.

Nem sempre trocar a válvula por uma mais robusta resolve

Quando uma válvula apresenta vida curta, a primeira reação pode ser buscar um modelo mais pesado ou feito com materiais mais resistentes. Isso pode ser necessário em algumas aplicações. Entretanto, antes da substituição, vale investigar por que o equipamento está falhando.

Por exemplo, uma válvula pode realizar muito mais movimentos do que deveria porque está superdimensionada. Outra pode apresentar desgaste elevado porque partículas estão acumuladas na região da sede. Também pode existir:

• atuador incorretamente selecionado;
• excesso de torque;
• velocidade de manobra inadequada;
• instalação desalinhada;
• material incompatível;
• diferença de pressão superior à prevista.

Se a causa raiz permanecer, simplesmente instalar uma válvula mais cara pode apenas aumentar o custo da próxima falha.

Como aumentar a vida útil em aplicações de alta frequência?

Não existe uma única solução, mas algumas medidas ajudam a reduzir problemas:

• informar a frequência de manobra durante a especificação;
• selecionar o tipo de válvula adequado ao serviço;
• escolher sedes e vedações compatíveis;
• verificar a resistência dos materiais ao fluido;
• dimensionar corretamente o atuador;
• observar a classificação de serviço do acionamento;
• evitar superdimensionamento;
• acompanhar número de ciclos;
• monitorar torque e desempenho;
• inspecionar gaxetas e elementos de vedação;
• investigar aumentos inesperados de frequência;
• manter peças críticas disponíveis.

Além disso, alterações no processo devem ser comunicadas à manutenção e à engenharia. Uma válvula especificada para poucas operações diárias pode passar a executar muito mais ciclos depois de uma mudança na automação ou na estratégia produtiva. Quando isso ocorre, a condição original de projeto deixou de existir.

Vida útil começa na especificação da aplicação

A frequência de manobra das válvulas não deve ser tratada apenas como uma consequência da operação. Ela é uma informação importante para especificar corretamente o equipamento.

Quanto maior o número de ciclos, maior tende a ser a solicitação sobre sedes, hastes, gaxetas, elementos de fechamento e atuadores. Entretanto, a frequência sozinha não determina a vida útil.

Pressão diferencial, fluido, partículas, materiais, temperatura, velocidade de acionamento e qualidade da instalação também influenciam o resultado.

Da mesma forma, uma válvula que opera poucas vezes pode apresentar problemas caso permaneça longos períodos sujeita a corrosão, incrustação ou sedimentação.

Portanto, não existe uma frequência universal acima da qual uma válvula passa a ser inadequada. O correto é selecionar válvula, materiais, vedações e atuador para o regime de operação realmente esperado.

Quando essa informação entra na especificação desde o início, a empresa consegue reduzir falhas prematuras, planejar melhor a manutenção e aumentar a previsibilidade da operação.

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