Ruído Aerodinâmico em Válvulas de Controle Introdução A válvula de controle é uma das principais fontes de ruído em instalações industriais. O ruído em excesso pode causar transtornos á saúde e causar danos em equipamentos e tubulações. Unidades industriais de maior capacidade e a proximidade de zonas urbanas desafiam usuários e fornecedores a oferecerem equipamentos e instalações adequadas ás limitações impostas pelos órgãos de saúde das empresas e pelas agencias de controle ambientais. Qual o limite máximo de ruído recomendado para áreas industriais? Qual a norma a ser adotada para estimar o ruído aerodinâmico gerado por uma válvula de controle? Quais as técnicas disponíveis para a redução de ruído? Como selecionar a melhor m elhor opção?
Ruído em Válvulas de Controle O ruído gerado por equipamentos de processo em unidades industriais é um assunto que está permanentemente nas agendas dos gerentes responsáveis pelo meio ambiente, saúde ocupacional, engenharia e manutenção. Para controlar a poluição sonora as empresas estabelecem limites máximos de ruído que devem ser observados pelos fornecedores dos equipamentos industriais. Bombas, compressores, motores, trocadores de calor e fornalhas são alguns dos equipamentos que tradicionalmente requerem atenção. As válvulas de controle também são fontes de ruído. Para um melhor entendimento deste assunto devemos conhecer as diferentes fontes de ruído na válvula de controle. O ruído na válvula de controle pode ter origem em três fontes f ontes diferentes: Ruído Mecânico Ruído Hidrodinâmico Ruído Aerodinâmico O ruído mecânico é provocado pela vibração das partes internas da válvula de controle na presença de um fluido turbulento. O resultado é o desgaste e a fadiga destes componentes internos. A principal conseqüência neste caso são os danos causados nos internos. Várias soluções são recomendadas. Entre estas a modificação dos internos e o aumento do diâmetro da haste. O nível de ruído gerado por este fenômeno fica abaixo de 100 dBA. [2] e [3]. O ruído hidrodinâmico é associado á passagem de líquidos através do corpo da válvula de controle. As principais fontes de ruído hidrodinâmico são a cavitação e a vaporização (“flashing”). A cavitação gera ruído de maior intensidade, e pode chegar a valores acima de 90 dBA [3]. A cavitação é considerada um serviço severo e pode provocar danos nos internos da válvula, no corpo e até na tubulação. [1] e [3]. O cálculo do ruído hidrodinâmico é tratado especificamente pela norma IEC 60534-8-4 “Prediction of noise generated by hydrodynamic flow”, 2nd edition, 2005 [4]. Esta norma estabelece um método para previsão de ruído pela passagem de líquido através da válvula de controle e obtenção do ruído resultante medido á jusante da válvula e fora da tubulação. De acordo com a • • •
IEC (http://webstore.iec.ch/webstore), a revisão 3 desta norma está prevista para ser publicada em 2014. O ruído aerodinâmico é associado á turbulência da passagem de gases e vapores através da válvula. O ruído aerodinâmico é a principal fonte de ruído na válvula de controle. Ruídos acima de 105 dBA são potencialmente perigosos para a tubulação e pode resultar em falhas [3]. Ruídos acima de 130 dBA certamente provocarão ruptura da tubulação. Por este motivo Baumann [1] recomenda que não se deve tolerar mais que 110 dBA sem usar internos especiais de baixo ruído ou outras formas de redução de ruído. A amplitude do ruído aerodinâmico gerado dentro da válvula e da tubulação é função de diversas variáveis, entre elas, a velocidade do fluido, o diâmetro interno e a quantidade total de fluido. A transmissão do ruído gerado pela válvula através da tubulação é também função de diversas variáveis, como por exemplo, o diâmetro, a espessura e a geometria da tubulação. A norma IEC 60534-8-3 considera todos estes fatores para calcular o ruído gerado pelos internos, o ruído gerado na saída do corpo da válvula de controle e a combinação destes dois ruídos para o cálculo do ruído total. [5]
Figura 1. Cortesia Flowserve (Referencia: Gaseous Noise Control Figura 1.3)
Sobre a legislação brasileira acerca do ruído A válvula de controle é um dos principais equipamentos que contribuem para a geração de ruído em excesso em unidades industriais. A limitação do ruído é uma obrigação imposta por legislação especifica com o objetivo de proteger a
saúde do trabalhador. Por este motivo a especificação da válvula de controle deve conter informação sobre o limite de ruído a ser atendido pelo fornecedor. Na Folha de Dados padrão ISA o limite de ruído deve ser anotado na linha 11: Nível de ruído (máximo) admissível. Nesta mesma linha também deve ser anotado o ruído previsto (calculado) para cada condição operacional.
Figura 2 - Folha de Dados Válvula de Controle – Bloco Condições Operação Ref: Padrão ISA S20.50 Rev 1 Quando o cálculo preliminar do ruído indica um valor acima do valor máximo admissível, projetistas e fabricantes devem dedicar uma especial atenção durante o cálculo e seleção final do corpo. É provável que a limitação do ruído na válvula possa exigir a substituição do interno padrão por um interno especial. Neste caso, a válvula deverá ser submetida a novo cálculo para verificar se o limite de ruído estabelecido foi atendido. A busca de internos adequados para atender o limite máximo permitido requer a participação de especialistas em seleção de válvulas de controle, conhecimento das diversas técnicas de abatimento de ruído, domínio de softwares de cálculo e o envolvimento dos fornecedores. Por estes motivos, é freqüente a discussão e o questionamento sobre o limite máximo admissível determinado por critérios de projeto. A maioria das empresas industriais estabelece o limite máximo de 85 dB(A). Como justificar este valor? Para responder esta pergunta devemos considerar as condições de trabalho numa área industrial onde a válvula de controle e outros equipamentos geram ruído com alta intensidade. De acordo com a E.P.A. [8] o ruído pode provocar stress, aumento na pressão sangüínea, perdas de produtividade e distúrbios auditivos temporários e permanentes. Com o objetivo de proteger a saúde dos trabalhadores sujeitos á este tipo de poluição o governo federal emitiu uma serie de leis, decretos e portarias nos últimos anos regulamentando o nível de ruído máximo e o tempo de permanência nestes locais. Alem de proteger a saúde do trabalhador no dia a dia, a regulamentação dos limites e da medição do ruído tem dois objetivos: determinar os direitos de adicional de insalubridade e da aposentadoria especial. Em 08 de junho de 1978 o Ministério do Trabalho publicou a Portaria 3.214 contendo as Norma Regulamentadoras – NR - relativas à Segurança e Medicina do Trabalho. Uma destas normas regulamentadoras é a NR -15 [9], que contém os critérios para definir as atividades ou operações insalubres. A observância da NR-15 é de caráter obrigatório por parte de todas as empresas privadas e
publicas. Na tabela baixo podemos ver um resumo do Anexo No 1 da NR-15. Para cada nível de ruído entre 85 dB (A) e 115 dB (A) existe um determinado tempo máximo de exposição diário. O que define se o nível de ruído é insalubre é a combinação entre a intensidade do ruído e o tempo de exposição ao mesmo. Este é o objetivo da NR-15. Tabela 1: nível de ruído (dBA) x máxima exposição diária permissível (NR-15)
A forma de medição do nível de ruído em função do tempo de exposição deve ser feita de acordo com a “Norma de Higiene Ocupacional, Procedimento Técnico – NHO 01”, publicada pela Fundacentro, órgão do Ministério do Trabalho e Emprego. A NHO 01 segue metodologias consagradas por organismos internacionais como ISO, IEC, ANSI e OSHA. O nível de ruído com o tempo é determinado pela NR-15. A forma de medir o ruído com o tempo deve ser feito de acordo com a NHO 01. Resumindo, a NR-15 foi publicada para regulamentar as atividades ou operações insalubres. Foi criada uma tabela para definir os limites de ruído em função do tempo de exposição diária. De acordo com a Tabela 1, para um ruído de 85 dBA, a máxima exposição diária deve ser de 8 horas de trabalho. Para 90 dB(A) a máxima exposição deverá ser de 6 horas. A tabela prossegue até o máximo de 115 dB(A). Portanto a NR-15 não define um limite de ruído especifico. Depende do tempo de exposição. Em que base legal o valor máximo de ruído de 85 dB(A) foi selecionado? O Decreto Federal 3.048, de 06 de maio de 1999, publica no Anexo IV a relação dos agentes nocivos químicos, físicos, biológicos ou associação de agentes prejudiciais à saúde ou à integridade física, considerados para fins de concessão de aposentadoria especial. O Código 2.0.1 do Anexo IV deste decreto considera o ruído como um “agente nocivo” quando ocorre a exposição permanente a níveis de ruído acima de 90 dB (A). Em 18 de novembro de 2003 o Decreto 4.882 de 18 de novembro de 2003 modificou a redação do Código 2.0.1 e passou a considerar a exposição permanente de ruído acima de 85 dB(A)”. Este é o documento de referencia que justifica a definição do valor de ruído máximo admissível de 85 dB(A) nas Folhas de Dados. Os decretos sobre os níveis de ruído máximo já foram modificados
três vezes. O leitor deve estar atento ás possíveis modificações na legislação em vigor.
Métodos de previsão do ruído aerodinâmico Ao preencher a Folha de Dados da válvula de controle o profissional responsável determina o limite máximo de ruído admissível que deve ser atendido pelos fornecedores. Em algumas ocasiões, durante a analise das propostas recebidas, pode ser observado que os níveis de ruído apresentados pelos fornecedores são divergentes, mesmo considerando a similaridade entre as válvulas de controle ofertadas. Como decidir qual o valor ou faixa de valores corretos? Quando os fornecedores recebem a Folha de Dados de uma válvula de controle duas preocupações se manifestam em relação ao ruído. Primeiro, o fornecedor deve prever com razoável acuidade o nível de ruído para cada condição operacional. Em segundo lugar, o fornecedor deverá selecionar um interno especial, para reduzir o ruído ao mesmo tempo em que deve atender as condições operacionais informadas pelo cliente. Esta pode se transformar numa tarefa laboriosa para ruídos acima de 110 dB(A) [3]. Antes de 1989 os fornecedores usavam diferentes métodos empíricos para a predição de ruído nas válvulas de controle. Podiam ocorrer variações de até 30 dBA entre diversos fornecedores para uma mesma aplicação [3]. Baumann informa que a partir de 1972, com a publicação da OSHA sobre os limites de tempo de exposição, usuários e fornecedores começaram a demonstrar interesse pela determinação do ruído gerado pelas válvulas de controle [10]. O autor deste artigo participou de um projeto nos anos 1970 onde as Folhas de Dados das válvulas de controle não possuíam sequer um item de recomendação para o limite máximo de ruído. O cálculo do ruído era na pratica ignorado por ser considerado um assunto complexo e difícil de ser estimado. O numero de publicações sobre o assunto ainda hoje é restrito a alguns capítulos de poucos livros, uma dúzia de artigos e manuais técnicos publicados por fornecedores de ponta. Em 1989 a ISA publicou a norma S75.17, “Control Valve Aerodynamic Noise Prediction”. Esta norma apresentava pela primeira vez um método comprovado em laboratório para prever o ruído gerado numa válvula de controle para fluidos compressíveis. Em 1995, como resultado de um esforço de cooperação entre fabricantes e usuários, a IEC publicou a norma internacional IEC 534-8-3 para a predição de ruído aerodinâmico em válvulas de controle. A norma IEC adotou grande parte da metodologia da norma ISA S75.17-1989. A principal vantagem introduzida pela norma IEC é a possibilidade do usuário avaliar o ruído emitido por um determinado tipo de válvula de controle independente do modelo. O método IEC permite prever o ruído a ser gerado pela válvula de controle considerando apenas a geometria da válvula e as condições operacionais aplicadas á válvula. Não há necessidade de desenvolver um método empírico para cada modelo e diâmetro de válvula. Por este motivo o método desenvolvido pela IEC permite ao usuário uma avaliação objetiva das soluções propostas [11].
No entanto, a versão da norma IEC de 1989 tinha uma desvantagem: a predição era restrita ao uso gases com velocidade máxima de 0.3 Mach na saída da válvula. Esta limitação foi corrigida pela IEC 60534-8-3, 2ª edição, publicada no ano de 2000. Nesta edição foram introduzidas técnicas para o cálculo de ruído em válvulas de controle com numero Mach de 0.8 á jusante da tubulação e 1.0 na saída da válvula. Estes casos eram tratados especificamente no capitulo 7. Na introdução da 2ª edição havia uma nota recomendando que esta edição não deveria sofrer revisões até o ano 2007. Em 2007 esta norma deveria ser reconfirmada, retirada, substituída por uma edição revisada ou deveria receber emendas. Como veremos a seguir, a 2ª edição permaneceu em vigor até o final do ano de 2011. Em 2008 começaram a surgir indícios sobre a necessidade de uma revisão desta norma. Kisbauer e Domagoj, publicaram um artigo na revista Hydrocarbon Processing [12] revelando que testes de laboratório em válvulas de controle indicavam incertezas superiores àquelas previstas na 2ª edição. Os autores revelaram que testes realizados indicaram que 43% dos resultados estavam situados dentro de uma faixa entre 5 dB e 10 dB. Isto é, a incerteza indicada nos resultados de cálculo usando o método IEC estavam superestimados. Também informam que resultados semelhantes já tinham sido confirmados por outros fornecedores e usuários. Neste artigo foi apresentada uma proposta de método de cálculo em que a margem de erro de ± 5 dBA era garantida para 86 % das medições realizadas. No segundo semestres de 2011 o site da IEC, http://webstore.iec.ch/, retirou do catálogo a norma 60534-8-3, 2ª edição estampando a palavra “Withdrawn” (retirada). Durante alguns meses a comercialização desta norma ficou suspensa. No final de 2011 a 3ª edição foi publicada. De acordo com o prefácio a norma IEC 60534-8-3, 3ª edição, aumentou o nível de confiança do cálculo do ruído. Informa também que , alguns casos, os resultados de cálculo obtidos nas 1ª e 2ª edições eram mais conservadores. Em outras palavras, os resultados apontavam para valores acima dos valores reais. Resumindo, o método apresentado pela norma permite facilmente calcular o nível de ruído para qualquer tipo de válvula de controle, permite aos usuários a comparação entre os diferentes modelos ofertados, e é aceito por usuários e fornecedores globalmente.
Sobre a norma de ruído aerodinâmico Na Introdução da norma IEC 60534-8-3, 3ª edição encontramos a seguinte declaração sobre a incerteza deste método de cálculo: “Embora este método de predição não possa garantir resultados reais no campo, fornece predições calculadas dentro de (±) 5 dBA para a maioria dos resultados de medição de ruído obtidos em testes realizados sob condições de laboratório”. Destacamos neste parágrafo três informações fundamentais para a interpretação dos resultados obtidos pelo uso do método contido nesta norma: 1. Os testes foram realizados em laboratório, sob condições controladas de temperatura e pressão. 2. Não existe a garantia que os resultados sejam repetidos no campo. 3. A incerteza da medição de ruído obtida nos testes é de (±) 5 dBA.
Estas informações são, provavelmente, as mais importantes para os usuários. Alguns fabricantes que usam o método de predição de ruído da IEC incluem a informação sobre a incerteza da medição no resultado do cálculo do ruído nos seus respectivos softwares. Ver figura a seguir.
Figura 3 – Software ValvSpeq –Tabela de resultados de cálculo. Cortesia Masoneilan O escopo desta norma estabelece um método teórico para prever o nível de ruído externo gerado por uma válvula de controle pelo fluxo de fluidos compressíveis. Este método considera apenas gases e vapores secos monofásicos e toma como base a lei perfeita dos gases. Para ruídos hidrodinâmicos gerados por válvulas de controle consultar a norma IEC 605348-4. O método proposto pela norma IEC 60534-8-3 se aplica ás seguintes válvulas de controle: Globo convencional e globo angular Borboleta Esfera segmentada Disco (plug) excêntrico Internos com gaiola Foram intencionalmente excluídas desta norma as válvulas esferas de passagem plena onde o produto FP x C exceda 50% do coeficiente de vazão especificado (50% do CV com a válvula 100% aberta). Estas válvulas são normalmente usadas em serviços “On-Off”. Em outras palavras, esta norma deve ser usada apenas para as válvulas de controle tradicionais listadas acima. • • • • •
Tipos de tratamento de ruído A possibilidade de prever o ruído aerodinâmica gerado pela válvula de controle antes da aquisição é fundamental para selecionar o método correto de redução da intensidade do som. Nesta ocasião algumas perguntas devem ser respondidas antes de prosseguir. Qual o melhor método para determinada aplicação? O método selecionado será eficaz em toda a faixa de trabalho da válvula? Qual o custo de cada uma das opções técnicas recomendadas? Quem deve definir o método a ser aplicado, o usuário ou o fabricante? • • • •
O usuário que tem experiência comprovada de aplicação deve assumir a responsabilidade de definir o método mais adequado. O usuário que não tem experiência de aplicação deve solicitar ajuda dos fornecedores preferenciais. Existem dois métodos tradicionais para reduzir o ruído aerodinâmico em válvulas de controle: o tratamento do caminho e o tratamento na fonte. As diferentes técnicas contidas nestes métodos podem ser usadas separadamente ou em conjunto. Tratamento do caminho
O tratamento do caminho reduz o ruído gerado pela válvula de controle aumentando a resistência ao caminho percorrido pelo ruído. As principais técnicas usadas no tratamento do caminho são: o aumento da espessura (Schedule) da tubulação, o acréscimo de isolamento acústico ou térmico na tubulação e a instalação de silenciador em linha. A principal desvantagem do tratamento do caminho é que o fluido e a tubulação são bons condutores de som. Isto significa que a redução do ruído aumentando o Schedule e acrescentando isolamento na linha vai ocorrer apenas nos trechos onde o tratamento é aplicado. Os silenciadores devem ser instalados imediatamente após as válvulas de controle. Recomendamos que o silenciador seja adquirido pelo fabricante da válvula de controle que também deverá ser o responsável pela especificação e dimensionamento do conjunto. As principais desvantagens desta técnica é a restrição para uso em altas velocidades e a incompatibilidade do fluido de processo com o material usado para a absorção do som na parte interna do silenciador.
Figura 4. Silenciador para instalação em linha. Modelo MegaStream. Cortesia Flowserve Tratamento da Fonte
O tratamento na fonte é o método mais utilizado para a redução de ruídos provocados pela válvula de controle. O ruído é reduzido dentro do corpo da válvula de controle evitando a propagação para a tubulação. A depender da redução do ruído necessária este método também pode ser o mais econômico. O tratamento do caminho tem como principio eliminar a fonte do ruído enquanto que o tratamento do caminho elimina o sintoma.
Diversos tipos de gaiolas especiais são disponíveis para esta aplicação. Consultar os fabricantes para informação sobre a linha completa de produtos e orientação quanto á seleção adequada, Existem três tipos de construção de internos especiais para o tratamento ou controle do ruído na fonte: Estágio único e múltiplos caminhos (Figura 5) Único caminho e múltiplos estágios (Figura 6) Internos combinando as técnicas de Caminhos e de Estágios Múltiplos (Figura 7) • • •
Figura 5 Internos LoDB. Cortesia Masoneilan
Figura 6
Figura 7. Linha Stealth Trim. Cortesia Flowserve Conclusão
O ruído aerodinâmico é um fenômeno que ocorre pela passagem de gases e vapores através do corpo da válvula de controle. Freqüentemente o ruído gerado atinge níveis que podem afetar a saúde do trabalhador. Ruídos acima de 110 dB (A) podem provocar danos nos equipamentos. Normas internas das
empresas e a legislação brasileira exige o controle do nível de ruído no ambiente de trabalho. O limite de ruído máximo admissível determinado pela maioria das empresas é de 85 dB(A). A legislação trabalhista e os setores responsáveis pela gestão de saúde ocupacional e meio ambiente das empresas devem continuar nos próximos anos a exigir a redução de ruído nas áreas industriais. O grande desafio é prever na fase de projeto o nível de ruído gerado pela válvula de controle nas condições de operação. A norma IEC 60534-8-3 estabelece uma metodologia para o cálculo de ruído aerodinâmico permitindo ao usuário e fornecedor conhecer a intensidade do som gerado pela válvula na fase de projeto. Isto permite dimensionar e selecionar uma válvula de controle para atender as exigências contidas nos critérios de projeto das empresas e legislação federal. Investimentos em pesquisa e testes promovidos por fabricantes e laboratórios independentes tem permitido o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias gerando produtos cada vez mais eficientes na redução de ruído em válvulas de controle. Referencias:
[1] Baumann, Hans, D., Control Valve Primer, 4th Edition, 2009, ISA. [2] Masoneilan, Control Noise Manual, Bulletin OZ3000, 2005 [3] International Society of Automation, Control Valves, 1998, Chapter 8, Control Valve Noise, Arandt, James B. [4] International Electrotechnical Commission, 60534-8-4, Prediction of noise generated by hydrodynamic flow, 2a edição, 2005. [5] International Electrotechnical Commission, 60534-8-3, Control Valve Aerodynamic Noise Prediction Method, 3a edição, 2010-11. [6] International Society of Automation, ISA Standard S75.17, Control Valve Aerodynamic Noise Prediction, 1989 [7] Glenn, Alan H., “Control valve exit noise and its use to determine minimum acceptable valve size”, Valve World Conference, Maastricht, 2008. [8] U.S. Environmental Protection Agency – EPA, www.epa.gov/air/noise.html, acesso em 24 de junho de 2012. [9] Ministério do Trabalho. Portaria no 3214 de 08 de junho de 1978: Normas Regulamentadoras relativas á segurança e medicina do trabalho. NR-15 Atividades e operações insalubres. [10] Baumann, Hans D., “Peering Inside the Low-noise Valve”, Chemical Engineering Magazine, September 1, 2002. [11] Emerson/Fisher, Control Valve Handbook, 4 th edition, 2005
[12] Kisbauer, J. e Vnucec, D. “Improvement of IEC 60534-8-3 standard for noise prediction in control valves”, Hydrocarbon Process, January 2008. Autor: David Livingstone Villar Rodrigues, MsC, engenheiro eletricista, consultor e Presidente da Seção ISA Bahia para o exercicio 2012.
