Característica necessária para o ar de instrumentação Colaboração de GONÇALO APARECIDO PEREIRA, Assessor técnico de instrumentação da FOXBORO BRASILEIRA INSTRUMENTAÇÃO LTDA, de Salvador, BA. A beleza de um sistema automático é que ele funciona como projetado - ou falha.
Resumo O ar de instrumentos é fundamental para o bom funcionamento e a mínima manutenção da instrumentação pneumática. Embora isso seja tão simples e obvio, pela experiência dos autores, a maioria dos problemas de mau funcionamento dos instrumentos pneumáticos se deve a um mau ar de instrumentos. Com o presente trabalho mostramos os principais cuidados relacionados com o compressor, secador, linhas de distribuição, filtros-reguladores e alimentação individual e coletiva dos instrumentos, para a obtenção de ar comprimido satisfatório.
Palavras chave Instrumento Pneumático, Ar Comprimido, Filtro, Regulador, Distribuição de Ar. Salvador, BA, agosto de 1982
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Característica necessária para o ar de instrumentos
1. Introdução Duas fontes de alimentação são usadas em todos os sistemas de controle automático: ar e eletricidade. Mesmo os sistemas com instrumentação eletrônica necessitam de ar comprimido, pois é pratica universal a utilização de válvulas de controle com atuadores pneumáticos, os mais simples e econômicos em disponibilidade. Ou seja, mesmo que o transmissor e o controlador sejam eletrônicos, é necessário o uso do transdutor corrente-para-pneumático, para prover o sinal pneumático para acionar a válvula de controle convencional. A duas fontes de alimentação, ar e eletricidade, devem ser aproximadamente 100% confiável e da melhor qualidade que a tecnologia e os equipamentos disponíveis permitem. Isso significa sistemas com redundância de equipamentos para aumentar a integridade e também tratamentos especiais para garantir a alta qualidade do ar. Assim, os instrumentos pneumáticos, montados no campo ou no painel, necessitam do suprimento de ar comprimido. O ar atmosférico é processado, submetido à compressão, filtrado, resfriado, secado e distribuído pelos diversos locais da planta que necessitam da alimentação pneumática. É fundamental que o ar comprimido para os instrumentos seja seco e limpo. A maior linha de instrumentos pode ter seu funcionamento comprometido quando se tem um ar de instrumento com umidade, óleo ou sujeira. Os circuitos pneumáticos possuem orifícios tão pequenos quanto 0.075mm e as passagens raramente são maiores que 0,675mm. Como conseqüência, qualquer sujeira, umidade ou óleo, individualmente ou em combinação, pode entupir essas restrições pneumáticas, comprometendo o funcionamento do instrumento completo e de toda a malha. Em locais remotos, onde não é disponível o ar comprimido mas que manipulam gases hidrocarbonatos, como nos poços de exploração de petróleo, é
possível a utilização do próprio gás para o acionamento dos instrumentos pneumáticos. também nesse caso, onde o ar comprimido é substituído pelo gás natural pressurizado, devem ser tomados cuidados com filtragem, secagem e colocação de suspiros.
2. Compressor de ar comprimido O compressor é o coração do sistema pneumático. Ele comprime o ar ambiente e a pressão do ar supre a potencia para acionamento e funcionamento dos instrumentos pneumáticos. Comercialmente, há vários tipos de compressores disponíveis, sendo os mais importantes e usados os seguintes: pistão, reciprocante e a hélice. Foge ao objetivo do presente trabalho a especificação e dimensionamento de um compressor para ar comprimido para uma instrumentação pneumática. As principais idéias a serem consideradas na escolha do compressor são as seguintes: 1. o compressor deve fornecer um ar isento de óleo. Como o ar comprimido pode ser contaminado pelo óleo de lubrificação do compressor, preferivelmente o compressor não deve requerer lubrificação. 2. a pressão do ar para instrumento não precisa ser muito elevada. A pressão típica para a alimentação final do instrumento é de 140 kPa. Porem, antes da estação reguladora individual do instrumento é comum se ter a pressão de 700 kPa ou 1 MPa. Assim, devem ser calculadas as perdas e quedas de pressão com os equipamentos de filtro, secagem, resfriadores, etc. A queda da pressão é função também das distancias envolvidas, do diâmetro dos tubos de distribuição, do material dos tubos, da quantidade de acidentes da linha, como cotovelos, bifurcações, curvas e reduções. 3. a quantidade de ar consumido é também pequena para cada instrumento. O consumo típico de um controlador pneumático, tanto o caixa grande de campo como o miniaturizado de painel, é cerca de 0,5m3/h, quando em operação
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Característica necessária para o ar de instrumentos automática. Em operação manual o consumo é o dobro: 1,0 m3/h, sempre nas condições normais de temperatura e pressão ambientes. O consumo do transmissor pneumático, do computador analógico, é também cerca de 0,5 m3/h. Como regra: cada relé pneumático consome cerca de 0,5 m3/h de ar comprimido. Desse modo, para o dimensionamento do compressor para fornecer o ar de instrumento, deve-se levantar a quantidade de reles pneumáticos existentes e considerar o consumo de 0,5 m3/h para cada relé. Apenas como lembrança: todo instrumento que possui saída pneumática de 20-100 kPa aloja um relé pneumático. Consomem ar: transmissor, controlador, computador analógico, posicionador, transdutor corrente-para-pneumático. Não consomem ar: indicador de painel, a maioria dos registradores de painel, atuador pneumático da válvula. No levantamento da carga do compressor, lembrar que o controlador, quando possui alternativa para ação manual, consome o dobro de sua operação automática. 4. para aumentar a integridade do sistema, é recomendável a utilização de dois compressores para ar de instrumento, um sendo a reserva do outro. Obviamente, essa redundância aumenta os custos da instalação. Outra alternativa é prover alimentação reserva aos instrumentos de malhas criticas de gás inerte. O gás industrial mais utilizado é o nitrogênio. Quando há problema com o compressor de ar, o suprimento da pressão é feito pelos cilindros de gás. Ainda com relação a sistemas redundantes, há industrias que utilizam o gás inerte, proveniente de outro compressor e em grandes quantidades, como alimentação alternativa de todo o sistema pneumático. Nessa configuração, deve ser informado a todo o pessoal de manutenção o perigo que isso pode representar, pois é pratica comum a utilização do ar de instrumento para alimentação de mascara de proteção para trabalho em área com gases tóxicos.
3. Ar de entrada do compressor O cuidado para se ter ar limpo começa antes da compressão. Na instalação do compressor, deve se cuidar que o ar de admissão seja limpo, seco e frio. O melhor modo de se conseguir isso é colocando a tomada de ar fora da sala do compressor. A tomada deve ser protegida do tempo e mantida afastada de fumaças, poeiras e atmosferas contaminadas com gases petroquímicos e tóxicos. Em adição, a tomada de ar deve ser filtrada. Os filtros, geralmente de papel, devem ser capazes de remover grandes partículas. Quando o filtro está muito sujo, aumenta se muito a resistência à sucção. Por isso, os filtros devem ser periodicamente inspecionados e, quando necessário, trocados. Os contaminantes mais comuns encontrados em qualquer sistema pneumático incluem poeiras, umidade, óleo e gases. Eles podem ser provenientes de componentes sujos, de equipamentos que se desgastam durante a operação normal, podem cair no sistema quando há reparos de equipamentos. E quando não há cuidado de filtrar, os contaminantes entram através da tomada de ar do compressor. As poeiras podem ser duras e leves. Poeiras duras, geralmente metálicas, são abrasivas e podem danificar ou afetar o funcionamento dos instrumentos pneumáticos. As poeiras leves, tais como pigmentos de tinta seca, podem causar o entupimento dos orifícios e bocais, que possuem diâmetros capilares. Geralmente, essas sujeiras são maiores que os diâmetros internos dos bicos e restrições. Água e óleo entram, usualmente, no sistema pneumático através do compressor de ar. Esses contaminantes podem estragar os selos resilientes, ou seja, podem afetar a elasticidade dos componentes de borracha. A água também pode oxidar as pecas metálicas. Certos gases, oriundos da atmosfera que circunda o compressor, podem atacar vários tipos de materiais. Deve se ter o cuidado do local da tomada de sucção do compressor de ar. As vezes, deve se usar
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Característica necessária para o ar de instrumentos ventilador para afastar os gases nocivos da área de admissão do ar do compressor. O problema da contaminação de gases no ar de instrumentos cresce de importância porque, via de regra, o ar de instrumento é também utilizado para se fazer a purga de proteção para instrumentos elétricos usados em áreas classificadas. E também, como já mencionado, o ar de instrumentos é usado para alimentar as mascaras de proteção para o pessoal que trabalha em atmosferas tóxicas. Nessas duas aplicações nunca se pode ter gás inflamável ou tóxico em mistura com o ar comprimido.
4. Ar na saída do compressor O ar comprimido na saída do compressor está a uma temperatura elevada, pois o processo de compressão é exotérmico. A temperatura do ar pode chegar a mais de 200oC. Se o ar comprimido aquecido entra imediatamente na linha de transmissão, sua temperatura cai e o vapor d'água no ar é condensado. Essa água, condensada do ar, pode ser transportada pelas linhas de transmissão e pode atingir os instrumentos. A água aumenta o desgaste das pecas moveis e pode atacar as pecas metálicas. Para se evitar esse problema, o ar de saída do compressor passa por um resfriador, colocado logo apos o compressor. O resfriador deve abaixar a temperatura do ar comprimido aquecido para a temperatura de 40oC e deve eliminar a maioria da água condensada. Há três tipos de secadores, quanto ao principio de funcionamento: 1. secador do tipo refrigerador, que remove a umidade do ar comprimido pela redução do ponto de orvalho (dew point), de modo que a umidade é precipitada. As vantagens de sua utilização são sua confiabilidade de operação e seu pequeno tamanho. 2. secador deliqüescente ou químico que usa uma substancia higroscópica, como cloreto de sódio ou cloreto de cálcio. Industrialmente, é usada a sílica gel. São baratos, simples e podem ser recuperados regularmente.
3. secador adsorvente, geralmente confundidos com os anteriores, pois também são químicos. O principio de funcionamento é pouco diferente, são mais eficientes e como são mais caros, são menos utilizados.
5. Tanque receptor O ar comprimido, resfriado, relativamente seco, entra agora em um tanque receptor. Esse tanque armazenador de ar comprimido assegura um fornecimento regular, sem pulsações e sem picos de pressão, para os instrumentos alimentados pelo compressor. E para o compressor, o tanque receptor evita que ele se carregue ou descarregue excessivamente. Quando a demanda local é grande, aconselha-se o uso de tanque de armazenagem próximo ao painel de instrumentos. O tanque receptor deve ter um dreno para a remoção de contaminantes automático, em seu ponto mais baixo. O ar comprimido deve entrar no tanque receptor pela parte superior, de modo que os contaminantes caiam facilmente e permaneçam no tanque.
6. Sistema de distribuição O ar comprimido, resfriado, relativamente seco, amortecido, deve ser distribuído para todos os instrumentos montados e espalhados pela área industrial e para os painéis da sala de controle. O melhor sistema de distribuição de ar comprimido depende do capital disponível, da demanda e das distancias envolvidas. Podem ser considerados três tipos diferentes para a distribuição de ar: 1. grade ou terminal 2. unitário ou descentralizado 3. por malha O sistema por grade ou terminal é o mais simples e econômico. Ele consiste de uma central principal com pequenas linhas de alimentação. As saídas são acessíveis ao longo das linhas de alimentação.
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Característica necessária para o ar de instrumentos Os pontos entre os alimentadores podem ser servidos, por linhas cruzadas, de qualquer dois pontos adjacentes da grade. Desde que há apenas uma trajetória de vazão, os equipamentos no fim da linha de distribuição podem ficar sujeitos à insuficiência de ar, quando a demanda no inicio do sistema é grande. O sistema por malha prove múltiplas trajetórias de fluxo para cada instrumento. Essa distribuição assegura um suprimento mais constante. Geralmente há mais de um compressor, possibilitando a retirada ou colocação de compressores ao sistema. O sistema de distribuição descentralizado consiste de dois ou mais sistemas de malha ou de grade, cada um com seu compressor próprio. As unidades podem ser ligadas, se desejável. Como os compressores estão próximos ao sistema, as linhas de distribuição são curtas. Desse modo, a perda de carga das linhas é pequena, resultando em um suprimento de ar mais constante. São os sistemas mais flexíveis.
7. Filtros O ar comprimido, resfriado, relativamente seco, amortecido e distribuído ainda pode conter pequenas sujeiras e umidade. Finalmente, para a alimentação individual do instrumento de campo, o ar passa por um ultimo filtro. Quando se tem a alimentação do painel de controle inteiro, a idéia é a mesma, porem o filtro é coletivo e com maior capacidade. Quando o ar entra no reservatório que contem o filtro, ele passa através de uma placa defletora, gerando um turbilhonamento. Esse turbilhonamento lança as partículas de sujeira e de umidade contra a parede do corpo do filtro. Essas partículas estão livres para cair abaixo da placa do filtro, em uma região com ar tranqüilo e estagnado. Nesse ponto as partículas de contaminação e de água são coletadas. Quando o jato de ar atinge a placa defletora, sua direção é mudada outra vez. Essa placa redireciona o jato através do meio filtrante, onde as pequenas partículas de sujeira são removidas.
Existem dois tipos básicos de filtro: 1. filtro tipo profundamente, feito de bronze poroso sintetizado. O ar atravessa esse material, fazendo uma trajetória sinuosa. Como resultado, a sujeira fica retida no elemento filtrante. 2. filtro tipo canto, usualmente de fita de papel impregnado. O filtro oferece uma trajetória de vazão relativamente reta para o ar a ser filtrado. A poeira, porem, fica pressa na superfície ou canto do filtro, por onde o ar entra. Os filtros individuais dos sistemas de instrumentação pneumática geralmente removem partículas de 5 a 50 microns. Esse ar, limpo e seco, já está quase pronto para fazer funcionar o instrumento pneumático.
8. Regulador de pressão O ar comprimido, resfriado, relativamente seco, amortecido, distribuído e filtrado deve ser finalmente regulado para um valor adequado para o funcionamento do instrumento pneumático. Como logo apos o filtro deve haver o regulador de pressão, é pratica universal se fornecer o conjunto de filtro-regulador-indicador da pressão de saída, montado integralmente ao instrumento de campo. O regulador de ar deve garantir que não há desperdice de ar, nem há variações no valor da pressão de alimentação do instrumento. A pressão típica antes do regulador é de 700 kPa (100 psig), podendo assumir valores até 1 MPa (150 psig). O regulador abaixa e mantém constante a saída para 140-150 kPa. Para facilitar a regulagem ajustável, usa se um manômetro para indicar a pressão de saída. A escala do manômetro é de 200 kPa ou 30 psig. Alias, para evitar essa indecisão quanto à unidade de pressão, é comum o uso do manômetro com escala universal, que substitui os números e unidades por uma faixa verde. Há basicamente dois reguladores de pressão: 1. regulador ajustável, cuja saída é estabelecida manualmente para fornecer a pressão típica de 140 kPa.
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Característica necessária para o ar de instrumentos 2. regulador fixo, que já vem ajustado de fabrica para dar uma saída constante e igual a 140 kPa. Ele não possui o volante manual, normalmente não requer o manômetro de indicação da saída e seu custo é cerca de 5% a menos que o do ajustável. Os dois tipos de reguladores podem vir com ou sem o manômetro indicador da saída. A inclusão dos indicadores de pressão de entrada e de saída do regulador aumenta o preço de cerca de 10%. Há alguns instrumentos, tais como o repetidor pneumático de pressão e posicionadores especiais, que requerem outra pressão de alimentação, diferente de 140 kPa. Finalmente, o transmissor pneumático de velocidade não pode ser montado com o regulador integral ao instrumento, por causa das vibrações mecânicas.
9. Uso de gás para suprimento de instrumentos Quando o instrumento pneumático é usado em locais onde não se dispõe de ar comprimido, porem, existe um outro gás pressurizado, esse novo gás pode ser usado para acionar os instrumentos pneumáticos. Usualmente, isso ocorre com o gás natural de petróleo e nos lugares inóspitos de exploração. também por questões econômicas, em plantas que manipulem gases, podem se usar esses como acionamento. Quando o instrumento pneumático é de caixa grande (registrador, controlador, indicador), sua caixa deve ser equipada com uma conexão para suspiro, de modo que o gás retirado da caixa seja conduzido para um local seguro, onde é disperso. Essa retirada dos gases é necessária porque a unidade de controle, o relé pneumático, a unidade de transmissão estão continuamente exalando os gases para o interior da caixa. Esses gases devem ser retirados, para se evitar uma concentração elevada, que pode ser nociva e perigosa para os operadores.
Quando o instrumento pneumático é o transmissor, cuja caixa é pequena, basta haver um suspiro direto para a atmosfera, visto que o instrumento está geralmente montado em locais abertos. Alem dessa preocupação de prover suspiros às caixas dos instrumentos, deve se cuidar da pureza do gás natural. Assim, alem do conjunto convencional de filtroregulador, deve se prover um purificadorsecador adicional. O objetivo do secadorpurificador é o de eliminar o gás contaminante H2S (sulfeto de hidrogênio ou acido sulfídrico). Esse gás é exatamente nocivo e perigoso quando em contato com pecas metálicas, quando e onde pode haver o craqueamento de tensão do gás e/ou a formação do corrosivo acido solidifico. Assim, como norma, desde que a contaminação de H2S seja maior que 20 ppm (partes por milhão), deve se utilizar o secador-purificador de H2S. Quando o instrumento pneumático é alimentado por gás hidrocarboneto, não se pode utilizar circuito elétrico no interior do instrumento, tais como contato de alarme, acionamento elétrico de motor, iluminação. Ou quando se utilizar circuito elétrico, deve se adicionar ao instrumento uma técnica de proteção, como construir a caixa à prova de explosão. Ou seja, quando o instrumento é alimentado por gás combustível, o interior de sua caixa se torna uma Divisão 1.
10. Tubos pneumáticos O primeiro sistema de controle pneumático, montado em 1885, utilizou tubos de chumbo. Porem, como era pesado, caro, tóxico e susceptível de vazamento nas conexões, o tubo foi substituído por tubo de ferro galvanizado, aço inoxidável e cobre. Atualmente, é usado um grande numero de materiais metálicos e plásticos. Para a escolha do melhor material, devem ser considerados vários fatores: custo do material, custo da montagem, temperatura e pressão de trabalho, atmosferas corrosivas, inflamabilidade, compatibilidade de conexões e flexibilidade para dobras.
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Característica necessária para o ar de instrumentos Entre os materiais metálicos, o tubo de cobre é o mais usado. O alumínio é também usado, principalmente em atmosfera de cloro e amônia. Tubos de aço inoxidável, ANSI 304 e 316, são também comuns. Em altíssima temperaturas e atmosferas corrosivas, pode se usar tubo de Monel e Inconel, embora seja muito caro. Atualmente, são usados largamente os tubos plásticos, principalmente de polietileno. As vantagens de seu uso são: flexíveis, duráveis, resistentes quimicamente a varias atmosferas, insensíveis à umidade e são relativamente mais baratos. Para se contornar o problema com a queima, são fornecidos tubos de chama retardante. Material retardante é auto-extinguente. Ele continua sendo combustível: quando submetido a uma chama aberta, ele se queima. Porem, quando a chama é removida, o tubo não mantém a combustão e a chama se extingue. É comum o uso de multitubos plásticos. vários tubos plásticos paralelos são usados para a transmissão simultânea de vários sinais de instalação. As vantagens do uso multitubo são: 1. o multitubo é mais leve, cerca de 50%, que o mesmo numero de tubos individuais. 2. as conexões com as caixas de junção e de passagem são mais fáceis e rápidas, pois os tubos já estão retificados. 3. eles não acumulam água facilmente. Quando acumulam, ela é facilmente drenada. Quando se comparam os tubos metálicos com os tubos plásticos, há as seguintes considerações: 1. os tubos metálicos podem suportar pressões e temperaturas mais elevadas. Acima de 90oC devem se usar os tubos metálicos. A pressão, para o ar de instrumento, não é problemática, pois ela é naturalmente baixa, no máximo de 1 MPa. 2. os tubos plásticos podem se degradar quando submetidos à luz violeta. Obviamente, a resistência mecânica dos tubos plásticos é muito menor que a dos
tubos metálicos. Porem, os tubos plásticos não necessitam de dobras, pois são flexíveis. A dobra do tubo metálico pode introduzir tensão mecânica. Quando mal feita, inclusive, a dobra pode provocar quebra ou rachadura no tubo. 3. os tubos podem ser aéreos ou enterrados. Quando acima da terra cuidado com as vibrações das estruturas. Quando os tubos são enterrados, cuidado com as ferramentas e maquinas de cavar. 4. os custos dos tubos de metal são cerca de 2 a 5 vezes maiores que os equivalentes de plástico. A instalação dos tubos plásticos é também mais econômica. O material, o comprimento e o diâmetro dos tubos de transmissão pneumática influem no desempenho e no tempo de resposta desse sinal: 1. o tubo de cobre oferece menor resistência que o tubo de plástico, de mesmo comprimento e bitola. Por isso, a perda de carga no tubo de cobre é menor que a perda do tubo de plástico e de outros materiais metálicos. 2. o diâmetro do tubo também influi: menor o diâmetro, maior a resistência, maior a perda de carga e maior o atraso na resposta. É comum o suo de tubos, plásticos ou metálicos, com diâmetros externos de 1/4" e de 3/8". 3. as distancias máximas para a transmissão de sinais pneumáticos são de 150m, para tubo de 1/4". Quando se utiliza tubo de 3/8" a distancia pode chegar até 250m, respectivamente. Para se diminuírem os atrasos da resposta, pode se usar o sistema de controle com quatro tubos, quando se tem o controlador cego próximo ao processo, do transmissor e da válvula de controle, associado à estação de controle, no painel centralizado e distante. O uso do posicionador de válvula melhora o tempo de resposta. Quando é problema seu uso, pode se utilizar o reforçador de sinal pneumático (booster).
11. Conclusão Um bom sistema de ar comprimido para alimentar a instrumentação pneumática envolve:
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Característica necessária para o ar de instrumentos 1. a escolha de um ou mais compressores, tipo seco, de capacidade adequadas, 2. a filtragem do ar na tomada do compressor, 3. a manutenção da temperatura do ar de saída em um valor próximo a 40oC, 4. a escolha do sistema de distribuição adequado, 5. a armazenagem do ar comprimido para eliminar pulsações, 6. o uso de tubulações e conexões, com materiais, tamanhos e tipos corretos, 7. o filtro final dos contaminantes, 8. a regulação da pressão de suprimento individual. A qualidade de o ar estar dentro dos seguintes padrões: 1. o ponto de orvalho da linha pressurizada deve ser, no mínimo, 10oC abaixo da mínima temperatura ambiente registrada no local, 2. a contaminação de óleo deve ser menor que 1 ppm, 3. o máximo tamanho permitido de partícula é 3 microns, 4. o ar deve ser completamente livre de gases tóxicos, corrosivos e inflamáveis. E finalmente, através de estabelecimento de normas e procedimentos, deve-se garantir que o uso do ar de instrumentos é estritamente para os instrumentos do sistema de controle do processo.
12. Referencias bibliográficas 12.1. MAHOOD, R.F. & MARTIN, J.E., Improve automatic control system reliability, Hydrocarbon Processing, May 79. p. 215-221. =
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Apostilas DOC\Artigos
Ar Instrumento.doc 28 AGO 1982
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