Refinarias e petroquímica
COV · hidrocarbonetos · API 622 / API 624
Controlo de emissões fugitivas de compostos orgânicos voláteis em linhas de hidrocarbonetos. Cumprimento de API 622, API 624, ISO 15848-1.
Anilhas Belleville
para válvulas
Live loading sobre o empanque da bucim: mantêm a pressão de vedação apesar do desgaste do empanque, dos ciclos térmicos e da relaxação.
Gama térmica
−240 °C → +800 °C
Norma de referência
MSS SP-143
Apoio
Equipa técnica desde 1974
01
O que é o live loading de uma válvula
O live loading consiste em intercalar um ou vários empilhamentos de anilhas Belleville entre a porca e a bucim (gland follower) da válvula. Ao apertar os espárragos, as anilhas comprimem-se parcialmente e ficam num estado elástico pré-carregado.
Enquanto a válvula trabalha, o empanque desgasta-se, flui ou relaxa por efeito da temperatura. Sem live loading, a força de vedação cai até provocar fuga e exige reaperto manual periódico. Com anilhas Belleville, o empilhamento liberta a sua deflexão armazenada ao ritmo do desgaste do empanque, mantendo a força de fecho dentro da gama útil durante milhares de ciclos.
As vantagens são mensuráveis: a tensão de vedação mantém-se dentro da gama admissível ainda que o empanque flua ou se desgaste, reduzem-se os reapertos manuais, ajuda a cumprir normas de emissões fugitivas (API 622, API 624, ISO 15848-1, TA-Luft), absorve ciclos térmicos do conjunto espárrago-corpo-empanque e amortece a vibração prevenindo o desaperto da parafusaria.
A norma de referência para sistemas de empanque com live loading é a MSS SP-143 · Live-Loaded Valve Stem Packing Systems.
FIG · secção da bucim com stacks de Bellevilleanilhas → marcadas a verde
Secção técnica → o conjunto inclui a haste, os espárragos da bucim e os stacks de Belleville sob cada porca. O empanque (quadriculado, parte inferior) recebe a força axial através do gland follower.
Ciclo dinâmico → ao desgastar-se o empanque, a anilha liberta a sua deflexão armazenada e restitui a força de fecho sem reaperto manual.
02
Quando usar anilhas Belleville numa válvula
O live loading com anilhas Belleville é especialmente recomendável quando se cumpre alguma das seguintes condições. Quanto maior o número de condições cumpridas, maior é o benefício do live loading.
Dados do setor indicam que entre 50 % e 80 % das fugas em uniões aparafusadas industriais se devem a perda de pré-carga, e uma parte muito significativa das emissões fugitivas de COV em instalações petroquímicas provém de válvulas e flanges com vedação deficiente.
Não se aplicam em válvulas com vedação de fole metálico (bellow-sealed), onde não existe empanque sobre a haste. Também não em válvulas sem requisito de manutenção de carga (serviço estático sem ciclos térmicos).
Empanque
Válvula com empanque
Aplicável a todas as válvulas com empanque sobre a haste. Não se aplica a válvulas com vedação de fole metálico.
Frequência
Elevado número de ciclos
Válvulas de controlo com modulação constante ou serviço ON/OFF frequente — onde o desgaste do empanque é acelerado.
Atuação
Válvula motorizada (MOV)
Atuadores elétricos ou pneumáticos onde o ajuste manual da bucim é difícil de coordenar com a operação.
Acesso
Manutenção dispendiosa
Válvulas em zonas de acesso difícil, linhas calorifugadas ou isolamento criogénico onde cada reaperto exige paragem de instalação.
Serviço
Alta T° ou alta pressão
Ciclos térmicos amplos entre arranque e regime — o conjunto espárrago-corpo-empanque dilata de forma diferencial.
Criticidade
Segurança e continuidade
Linhas críticas para a segurança de processo, controlo de incêndio ou continuidade da instalação — onde uma fuga implica paragem ou risco.
Histórico
Fugas recorrentes
Válvulas com histórico de fugas por empanque — primeiro candidato para a conversão a live loading.
Normativa
Regulação de emissões
Aplicações sujeitas a LDAR, EPA, IED ou TA-Luft — onde a fuga fugitiva está sujeita a limite legal mensurável.
FOTO · válvula com live loading instalado
Conjunto em serviço · stacks visíveis sobre cada espárrago da bucim.
— Benefício operativo
Mantém a tensão de vedação dentro da gama admissível ainda que o empanque flua, se desgaste ou o conjunto sofra ciclos térmicos amplos.
O live loading reduz os reapertos manuais, amortece a vibração, ajuda a cumprir normas de emissões fugitivas e prolonga a vida útil do empanque.
Fonte · MSS SP-143 · API 622 · ISO 15848-1
03
Configurações de empilhamento
A capacidade de carga e a deflexão total da mola ajustam-se combinando várias anilhas em diferentes orientações. Há quatro configurações básicas — a escolha entre série, paralelo ou configuração mista é uma das decisões de projeto mais importantes num sistema de live loading.
paraleloMesma orientação
As anilhas empilham-se diretamente na mesma orientação. O deslocamento total é igual ao de uma só peça; a força multiplica-se pelo número de unidades. Há atrito entre pratos → curva com histerese.
sérieContrapostas
As anilhas colocam-se alternando a orientação. A força resultante é igual à de uma só peça; o deslocamento multiplica-se pelo número de unidades. Sem atrito entre anilhas → curva limpa.
paralelo-sérieCombinação
k grupos em paralelo empilhados em série alternada. Permite ajuste fino do compromisso entre carga e curso. A configuração mais habitual em válvulas médias e grandes.
FIG · configurações de empilhamento
FIG · esquema lateral · orientação de cada anilha
— Regras práticas para o dimensionamento
Pré-carga mínima recomendada
≥ 15 % do curso total — evita histerese e trabalho em zona mole
Carga dinâmica máxima recomendada
≤ 75 % do curso total — F(0,75 h₀), zona de fadiga prolongada
Perda por relaxação inicial
~ 5 % durante as duas primeiras semanas após a montagem
Mistura de espessuras
Permitida em série — gera curva F/s com troços de rigidez progressiva
A deflexão de trabalho recomendada para fadiga prolongada situa-se entre 15 % e 75 % do curso total da mola individual.
— Dados necessários para definir o stack
- Diâmetro do espárrago da bucim.
- Pré-carga objetivo (binário ou força) calculada pelo fornecedor do empanque.
- Folga radial (RC) disponível à volta do espárrago — define o diâmetro exterior máximo da mola.
- Folga axial (AC) disponível entre a porca e a bucim — define a altura máxima do stack.
Vamos falar do seu projeto?
Conte-nos o seu caso de uso e a nossa equipa de engenheiros aconselhá-lo-á na escolha da solução ótima.
04
Materiais para anilhas Belleville em válvulas
O material define a gama térmica, a resistência à corrosão e o comportamento à fadiga. A Surisa trabalha cinco ligas que cobrem a quase totalidade das aplicações industriais. A seleção depende da temperatura de serviço, da atmosfera de trabalho e da frequência da ciclagem térmica.
17-7 PH
X7CrNiAl17-7 · 1.4568 · AISI 631
−240 → +300 °C
Rm até 1.700 N/mm²
Standard de facto para válvulas industriais: alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e comportamento estável à fadiga.
Em ambientes marinhos ou com cloretos agressivos pode exigir revestimento adicional de prata-níquel.
Inconel 718
NiCr19NbMo · 2.4668 · AMS 5596
−240 → +600 °C
Não magnético · creep estável
Criogenia (LNG, H₂ líquido), corrosão severa, alta temperatura contínua. Substitui o 17-7 PH acima de 350 °C ou perante atmosferas agressivas.
Material de referência para serviços onde a vedação não admite reaperto: petroquímica, GNL, química severa.
H-13
X40CrMoV5-1 · 1.2344
até +500 °C
Dureza retida a alta T°
Aço para ferramenta de trabalho a quente, base Cr 5 %. Aplicação habitual em vapor sobreaquecido e linhas de processo a alta temperatura não corrosivas.
Não é inoxidável — limitado a atmosferas secas sem agentes corrosivos.
Inconel X-750
NiCr15Fe7TiAl · 2.4669 · AMS 5598
até +600 °C
Serviço prolongado
Liga de níquel endurecível por precipitação. Serviço contínuo prolongado a alta temperatura sem perda significativa de carga elástica.
Alternativa ao Inconel 718 quando prevalece a estabilidade dimensional a longo prazo.
Nimonic 90
NiCr20Co18Ti · 2.4632 · AMS 5829
até +800 °C
Casos extremos
Superliga base níquel-cobalto. Reservada a casos extremos: refinaria com serviço severo, turbinas, linhas de gases quentes.
Material de seleção final quando nenhum outro mantém propriedades elásticas em serviço.
O 17-7 PH é o material por defeito na maioria das válvulas industriais: combina resistência mecânica elevada (Rm até 1.700 N/mm²), bom comportamento à fadiga e resistência à corrosão suficiente para ambientes habituais.
Em ambientes marinhos ou com cloretos agressivos pode exigir um revestimento adicional de prata-níquel. Para serviço criogénico (LNG) ou vapor acima de 350 °C substitui-se por Inconel 718; em serviços oxidantes a temperatura muito elevada, o Nimonic 90 mantém propriedades até 800 °C.
As gamas são orientativas para projeto preliminar. A temperatura de serviço admissível depende também da carga, da frequência de ciclagem térmica e da atmosfera.
FIG · gamas de temperatura de serviço por material
05
Tipos de válvula compatíveis com live loading
As anilhas Belleville utilizam-se em praticamente qualquer válvula com empanque sujeita a ciclos. As configurações mais habituais:
CunhaGate
Válvulas de isolamento com empanque sobre haste ascendente. Live loading habitual em linhas de processo a temperatura.
GloboGlobe
Válvulas de regulação com haste linear. Aplicação mais comum — elevada frequência de ciclos e desgaste de empanque.
EsferaBall
Válvulas de um quarto de volta com stem packing. Live loading sobre a vedação do eixo do obturador.
BorboletaButterfly
Eixo vedado por empanque em válvulas de grande diâmetro. Aplicação habitual em linhas de tratamento de águas e ar.
ControloControl
Modulação automática contínua — o empanque trabalha em regime cíclico permanente e exige live loading.
MOVMotor-operated
Válvulas motorizadas em instalações de difícil acesso. O reaperto manual não é viável operacionalmente.
— Exceção
Não se aplicam em válvulas com vedação de fole metálico, onde não existe empanque sobre a haste. A vedação nestes casos depende do fole soldado e as Belleville não têm função.
06
Setores e aplicações industriais
As Belleville para válvulas são o standard quando a fuga do empanque tem consequências críticas — segurança, paragem de instalação, sanção ambiental — e o ambiente torna inevitável a perda de pré-carga inicial.
Oil & Gas (upstream · midstream)
Cabeças de poço · manifolds · transporte
Válvulas em cabeças de poço, manifolds e linhas de transporte onde o serviço prolongado sem manutenção acessível é a norma.
LNG · FLNG
Criogenia até −160 °C
Válvulas criogénicas onde a contração térmica do conjunto compromete a vedação. Solução standard com Inconel 718.
Indústria química e farmacêutica
Fluidos agressivos · alta pureza
Válvulas em contacto com corrosivos ou de alta pureza, onde uma fuga é inadmissível por segurança ou por contaminação cruzada.
Geração de energia
Vapor · térmicas · nucleares
Válvulas de vapor a alta temperatura em centrais térmicas e nucleares, dentro de programas de fiabilidade e redução de manutenção.
Tratamento de águas
Reguladoras · alta ciclicidade
Válvulas reguladoras com elevado número de ciclos diários onde o desgaste do empanque é a causa principal de fuga.
07
Preguntas frecuentes
01 Que material de anilha Belleville é mais utilizado em válvulas industriais?
O material mais utilizado é o aço inoxidável 17-7 PH (X7CrNiAl17-7 / 1.4568 / AISI 631), que trabalha entre −240 °C e +300 °C. Combina alta resistência mecânica, boa resistência à corrosão e custo competitivo, o que o torna o standard de facto para válvulas de serviço geral em petroquímica, química e instalações industriais. Para temperaturas superiores a 350 °C substitui-se por Inconel 718, H-13 ou Nimonic 90 consoante a gama.
02 Que configuração de empilhamento devo usar na minha válvula?
Depende da força e da deflexão necessárias. Como regra geral: o paralelo multiplica a força sem aumentar o curso, a série multiplica o curso sem aumentar a força, e a combinação paralelo/série permite ajustar ambos. Para definir o stack é necessário o diâmetro do espárrago, a pré-carga objetivo (calculada pelo fornecedor do empanque), a folga radial e a folga axial disponíveis. A nossa equipa técnica pode dimensionar o empilhamento a partir desses dados.
03 As anilhas Belleville ajudam a cumprir as normas de emissões fugitivas?
Sim. O live loading com anilhas Belleville é um dos métodos reconhecidos para reduzir as emissões fugitivas em válvulas industriais e ajuda a cumprir as normas API 622 (ensaio de empanques), API 624 (válvulas tipo rising stem para baixas emissões), ISO 15848-1/2 e TA-Luft VDI 2440. A norma específica para sistemas de empanque com live loading é a MSS SP-143, Live-Loaded Valve Stem Packing Systems.
04 Qual é a diferença entre live loading e uma bucim convencional?
Numa bucim convencional a força sobre o empanque depende do binário de aperto inicial e perde-se progressivamente por desgaste, fluência e dilatações, exigindo reapertos manuais periódicos. Num sistema live-loaded, as anilhas Belleville armazenam energia elástica ao serem instaladas e libertam-na progressivamente ao ritmo do desgaste, mantendo a força de vedação durante milhares de ciclos sem intervenção.
05 Podem usar-se anilhas Belleville em válvulas criogénicas ou de LNG?
Sim. Para serviço criogénico (até −240 °C), os materiais recomendados são o Inconel 718 e, em casos específicos, o 17-7 PH, que mantém propriedades mecânicas a temperaturas muito baixas. Em instalações de LNG/FLNG a contração térmica do conjunto válvula-empanque é um dos principais fatores de fuga, e o live loading com anilhas Belleville em Inconel 718 é a solução standard para manter a vedação sob esses gradientes térmicos.
06 Que dados precisa a Surisa para dimensionar o empilhamento para a minha válvula?
Quatro parâmetros que normalmente fornece o engenheiro de processo ou o fabricante do empanque: (1) diâmetro do espárrago da bucim, (2) pré-carga objetivo em binário ou força calculada pelo fornecedor do empanque, (3) folga radial disponível à volta do espárrago — define o diâmetro exterior máximo da mola, e (4) folga axial entre a porca e o gland follower — define a altura máxima do stack. Com esses dados selecionamos o material e a configuração.
07 O live loading aplica-se a válvulas de fole (bellow-sealed)?
Não. As válvulas de fole metálico não têm empanque sobre a haste, mas sim um fole soldado que atua como vedação primária. Não há empanque sobre o qual aplicar carga, pelo que as anilhas Belleville não têm função. Neste caso a vedação depende exclusivamente da integridade do fole.
Vamos falar do seu projeto?
Conte-nos o seu caso de uso e a nossa equipa de engenheiros aconselhá-lo-á na escolha da solução ótima.