REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARÍA BARALT” PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA PROYECTO: INGENIERÍA DE GAS
Integrantes:
Sánchez Adrian, C.I. Nº 19.545.823 Welsh Denny, C.I. Nº 20.257.315 Cueri Roxana, C.I. Nº 20.499.095 Pinto Génesis, C.I. Nº 19.436.872 López María, C.I. Nº 24.894.485 Suárez María José, C.I. Nº 19.934.869 García Mariana, C.I. Nº 20.429.565 Franco Ruber, C.I. Nº 20.622.097
Asignatura: Equipos de Procesos I
Profesora: Ing. Linne Perozo
Sección: 1
CIUDAD OJEDA, JUNIO DE 2011
ESQUEMA
INTRODUCCIÓN 1. Válv Válvula ulass de de Con Contr trol ol 1.1 Funciones de las válvulas 2. Tipo Tiposs de Vál Válvu vula lass 3. Sele Selecc cció ión n de Válv Válvul ulas as 4. Partes Partes interna internass y comp compone onente ntess 5. Corro Corrosi sión ón en en válv válvul ulas as 6. Ruidos en válvulas de control
7. Manten Mantenimi imient ento o de Válvula Válvulass 8. Múlt Múltip iple less de Produ Producci cción ón.. CONCLUSIÓN REFERENCIAS
INTRODUCCIÓN
En la industria existen muchos procesos que requieren estar en condiciones espe especí cífifica cass de presi presión ón y tempe tempera ratu tura, ra, nece necesar saria iass para para obte obtene nerr un produ product cto o determ determina inado do pues pues los compon component entes es involucr involucrado adoss se compor comportan tan de diferen diferentes tes maneras en diferentes escenarios. Otra de las condiciones que muchas veces deben ser controladas es el nivel de concentración de alguna sustancia, determinada por la cantidad entrante y saliente de algún fluido al sistema. Además Además se utilizan utilizan conductos para el transporte de compuestos, compuestos, materiales materiales naturales, industriales o residuales en diferentes cantidades hacia o fuera de las instalaciones industriales. Para todo lo anterior, donde los procesos deben ser controlados y se le presta importancia al flujo y cantidad de un fluido que interviene, es necesaria la implementación de las llamadas válvulas de control. En esta investigación el principal objetivo es indagar todo lo relacionado a estos estos elemen elementos tos finale finaless de contro control,l, pues pues éstas éstas constit constituyen uyen una herrami herramient enta a fund fundam amen enttal en todo todoss los los proc proce esos sos indu indust stri rial ales es.. Se hab hablara lara sobr sobre e sus sus componentes, sus tipos y su implementación, la selección de válvulas, según el serv servic icio io a cump cumplilir, r, los los acce acceso sori rios os que que pued pueden en tene tenerr las las válv válvul ulas as adem además ás conoceremos conoceremos otro de los elementos elementos ligados a los procesos de desplazamiento desplazamiento de fluidos, los múltiples de producción, que forma parte de las estaciones de flujo.
1. VÁLVULAS DE CONTROL Una válvula de control es un elemento o dispositivo cuya función es la de controlar el flujo de un fluido en una canalización o tubería; iniciando, deteniendo y regulando la circulación o paso de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. Estos son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de
diámetro.
Pueden
trabajar
con
presiones que van desde el vació hasta más
de
140
Mpa
(1.381
atm)
y
temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C).
1.1 Funciones de las Válvulas Las válvulas son, después de las bombas y los motores, los componentes más importantes de los circuitos hidráulicos. Operaciones de control múltiples, complejas y automáticas se consiguen incorporando al circuito las válvulas más adecuadas. Pueden servir para realizar tres funciones distintas:
Controlar la presión: limitan la presión del circuito para protegerlo o para reducir la fuerza o el par ejercido por el cilindro o un motor rotativo; limitan la presión en una rama de un circuito a un valor inferior a la presión de trabajo del circuito principal; controlan la sucesión de operaciones entre dos ramas de un circuito.
Controlar el caudal: controlan, por ejemplo, la velocidad con que se mueve un cilindro hidráulico.
Controlar la dirección: Bloquean el paso del fluido en un sentido, pero no en el sentido contrario.
2. TIPOS DE VÁLVULA Debido a las diferentes variables, no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de apriete, válvulas de diafragma, válvulas de macho, válvulas de retención y válvulas de desahogo (alivio). De acuerdo al servicio empleado, los tipos de válvulas se agrupan a su vez en tres categorías principales, cierre o bloqueo, estrangulación y retención. Las válvulas utilizadas para aislar equipo, instrumentos y componentes de la tubería cuando se necesita mantenimiento, son llamadas válvulas de bloqueo o cierre. Además se utilizan para desviar las corrientes a diversos lugares según se desee. Las válvulas utilizadas para este servicio son: válvulas de compuerta, válvulas de macho, válvulas de bola, válvulas de mariposa. Las válvulas de operación manual, y cuya finalidad es regular el flujo, la presión o ambos, se denomina válvula de estrangulación. Para este servicio, se utilizan las siguientes válvulas: de globo, de aguja, válvulas en Y, de ángulo y de mariposa. En cuanto a las válvulas que no permiten el flujo inverso, se conocen como válvulas de retención, actúan
en forma automática ante los cambios de presión para evitar que se invierta el flujo. Estas categorías básicas se describen a continuación. Sería imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta una descripción general de cada tipo en un formato general, se dan recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil para el lector.
Válvulas de compuerta La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento. •
Recomendada para
Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.
•
Para uso poco frecuente.
•
Para resistencia mínima a la circulación.
•
Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.
Aplicaciones
Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos. •
Ventajas
Alta capacidad.
•
Cierre hermético.
•
Bajo costo.
•
Diseño y funcionamiento sencillos.
•
Poca resistencia a la circulación.
Desventajas
•
Control deficiente de la circulación.
•
Se requiere mucha fuerza para accionarla.
•
Produce cavitación con baja caída de presión.
•
Debe estar cubierta o cerrada por completo.
•
La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.
Válvula de globo Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería.
Recomendada para
•
Estrangulación o regulación de circulación.
•
Para accionamiento frecuente.
•
Para corte positivo de gases o aire.
•
Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación.
Aplicaciones
Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. •
Ventajas
Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento.
•
Carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete.
•
Control preciso de la circulación.
•
Disponible con orificios múltiples.
Desventajas
•
Gran caída de presión.
•
Costo relativo elevado.
Variaciones
Normal (estándar), en “Y”, en ángulo, de tres vías.
Materiales
Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos.
Válvulas de bola Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto.
Recomendada para
•
Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación.
•
Cuando se requiere apertura rápida.
•
Para temperaturas moderadas.
•
Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.
Aplicaciones
Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. •
Ventajas
Bajo costo.
•
Alta capacidad.
•
Corte bidireccional.
•
Circulación en línea recta.
•
Pocas fugas.
•
Se limpia por si sola.
•
Poco mantenimiento.
•
No requiere lubricación.
•
Tamaño compacto.
•
Cierre hermético con baja torsión (par).
•
•
Desventajas
Características deficientes para estrangulación. Alta torsión para accionarla.
•
Susceptible al desgaste de sellos o empaquetaduras.
•
Propensa a la cavitación.
Variaciones
Entrada por la parte superior, cuerpo o entrada de extremo divididos (partidos), tres vías, orificio de tamaño total, orificio de tamaño reducido.
Materiales
Cuerpo: hierro fundido, hierro dúctil, bronce, latón, aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo, zirconio; plásticos de polipropileno y PVC.
Válvulas de mariposa La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación.
Recomendada para
•
Servicio con apertura total o cierre total.
•
Servicio con estrangulación.
•
Para accionamiento frecuente.
•
Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos.
•
Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería.
•
Para baja ciada de presión a través de la válvula.
Aplicaciones
Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.
Ventajas
•
Ligera de peso, compacta, bajo costo.
•
Requiere poco mantenimiento.
•
Número mínimo de piezas móviles.
•
No tiene bolas o cavidades.
•
Alta capacidad.
•
Circulación en línea recta.
•
Se limpia por sí sola.
•
Desventajas
Alta torsión (par) para accionarla.
•
Capacidad limitada para caída de presión.
•
Propensa a la cavitación.
Variaciones
Disco plano, disco realzado, con brida, atornillado, con camisa completa, alto rendimiento.
Válvulas de diafragma
Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación.
Recomendada para
•
Servicio con apertura total o cierre total.
•
Para servicio de estrangulación.
•
Para servicio con bajas presiones de operación.
Aplicaciones
Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos.
Ventajas
•
Bajo costo.
•
No tienen empaquetaduras.
•
No hay posibilidad de fugas por el vástago.
•
Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.
Desventajas
•
Diafragma susceptible de desgaste.
•
Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.
Variaciones
•
Tipo con vertedero y tipo en línea recta.
•
Materiales
•
Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno.
Válvulas de macho La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90°.
Recomendada para
•
Servicio con apertura total o cierre total.
•
Para accionamiento frecuente.
•
Para baja caída de presión a través de la válvula.
•
Para resistencia mínima a la circulación.
•
Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería.
Aplicaciones
•
Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos.
•
Ventajas
•
Alta capacidad.
•
Bajo costo.
•
Cierre hermético.
•
Funcionamiento rápido.
Desventajas
•
Requiere alta torsión (par) para accionarla.
•
Desgaste del asiento.
•
Cavitación con baja caída de presión.
Variaciones
•
Lubricada, sin lubricar, orificios múltiples.
•
Materiales
Hierro, hierro dúctil, acero al carbono, acero inoxidable, aleación 20, Monel,
•
níquel, Hastelloy, camisa de plástico.
Válvulas de apriete La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o más elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre sí para cortar la circulación.
Recomendada para
•
Servicio de apertura y cierre.
•
Servicio de estrangulación.
•
Para temperaturas moderadas.
•
Cuando hay baja caída de presión a través de la válvula.
•
Para servicios que requieren poco mantenimiento.
Aplicaciones
Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos.
Ventajas
•
Bajo costo.
•
Poco mantenimiento.
•
No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan.
•
Diseño sencillo.
•
No corrosiva y resistente a la abrasión.
•
•
Desventajas Aplicación limitada para vació. Difícil de determinar el tamaño.
Válvulas de retención (check) La válvula de retención está destinada a impedir una inversión
de la
circulación. La circulación del líquido en el sentido deseado abre la válvula; al invertirse la circulación, se cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de retención:
Válvulas de retención de elevación
Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.
Válvulas de desahogo (alivio) Una válvula de desahogo es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla. La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un “salto” para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles. El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.
Recomendada para
Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones.
Aplicaciones
Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores.
Ventajas
•
Bajo costo.
•
No se requiere potencia auxiliar para la operación.
Variaciones
•
Seguridad, desahogo de seguridad.
•
Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo.
Materiales
Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel. Componentes: diversos.
3. SELECCIÓN DE VÁLVULAS Las válvulas constituyen del 20 al 30% del costo de la tubería de una planta, según sea su proceso, el costo de un tipo y tamaño de válvula puede variar dependiendo de su construcción. Las válvulas se diseñan para funciones particulares y si se emplean en la forma correcta darán buen servicio durante largo tiempo. Alrededor del 50 % de las válvulas industriales se utiliza para servicio de paso y cierre, 40 % para estrangulación y 10 % son de retención. Hay muchas formas en las cuales controlan el flujo, con grados variables de exactitud. Conforme avanza la tecnología y aumenta la capacidad de las plantas, ha aumentado el tamaño y costo de las válvulas y cada vez es más importante el máximo cuidado en su selección. Ya que la selección de válvulas incluye muchos factores de diversa índole e importancia, es preferible tener como referencia un sistema que facilite la selección. Se deben tener en cuenta como mínimo, las siguientes características básicas:
Tipo de Válvula, tamaños, fabricantes y número de modelo de los fabricantes.
Capacidad de presión y temperatura de las válvulas.
Materiales de construcción.
Material para empaquetaduras y juntas.
Costo y disponibilidad.
Tipo de Válvula
El tipo de válvula dependerá de la función que debe efectuar, sea de cierre (bloqueo), estrangulación o para impedir el flujo inverso. Estas funciones se deben determinar después de un estudio cuidadoso de las necesidades de la unidad y del sistema para los cuales se destina la válvula, así como el tipo de fluido con el que se va a trabajar, en este contexto, se debe prestar atención a lo siguiente: Función de la válvula: •
Válvulas de cierre o bloqueo
•
Válvulas de estrangulación
•
Válvulas de retención
Tipo de Fluido: •
Líquidos
•
Gases
•
Líquidos con gases
•
Líquidos con sólidos
•
Gases con sólidos
•
Con o sin corrosión
•
Con erosión o sin erosión.
Una vez determinadas la función y el tipo de servicio, se puede seleccionar el tipo de válvula, según su construcción con el uso de la clasificación de válvulas
antes descrita, así como una guía para la selección de válvulas que se muestra en la Tabla 1.
Materiales de construcción
Después de establecer la función y de seleccionar el tipo de válvula, se debe tener en cuenta los materiales de construcción adecuados para el servicio a que se destinará la válvula. Todas las partes de la misma que están en contacto con el fluido deben tener la resistencia necesaria a la corrosión. Es de importancia primordial conocer las características químicas y físicas de los fluidos que se manejan. Para seleccionar los materiales adecuados y resistentes a la corrosión, se recomienda utilizar como guía los materiales recomendados por los fabricantes para los diversos tipos de servicio, así como los datos publicados. Si esa información resulta ser inadecuada, habrá que obtener datos de la corrosión mediante pruebas de laboratorio. Sin embargo, en general, y a menos que se trate de un proceso totalmente nuevo, no habrá problema en determinar los materiales de acuerdo a la información existente. En este orden de ideas, los siguientes son ejemplos de materiales utilizados comúnmente para la construcción de válvulas: Las válvulas hechas en su totalidad con resinas termoplásticas y las válvulas metálicas con las piezas que tienen contacto con el fluido, revestidas con plástico se han vuelto muy comunes en servicios con líquidos corrosivos. El hierro dúctil, por comparación con el hierro gris, soporta presiones y temperaturas más altas y tiene excelente resistencia a choques. Dado que el hierro dúctil es menos costoso y tiene mayor resistencia a la corrosión que algunos aceros, ha servido para sustituir éste en muchos casos.
Capacidades de presión y temperatura
Una vez determinadas las presiones y temperaturas máximas de operación, se podrá establecer la capacidad de presión requerida por la válvula. En este
punto, se recomienda comparar la selección realizada con las listas de los fabricantes respecto las capacidades de presión y temperatura con el fin de asegurarse que se ajuste a ella. Asimismo en la tabla 1, se muestra como los principales tipos de válvulas trabajan en un rango que va hasta los 10000 psi para válvulas de desahogo, aguja y retención, y temperaturas desde las criogénicas hasta los 2000° F en las de tipo Mariposa.
Materiales de empaquetadura y juntas
La selección del material adecuado para empaquetadura y juntas es tan importante como la de los materiales de la válvula para el servicio a que se destinan. La selección de una empaquetadura inadecuada puede permitir fugas en la válvula y requerir un paro del sistema para reemplazarla. Además, si el fluido que se escapa es tóxico o inflamable, puede ocurrir una grave situación, con posibles lesiones al personal y daños a la planta.
Costos y disponibilidad
Muchas veces se encontrará más de un tipo de válvula para un trabajo específico. Cuando todos los factores, como materiales de construcción, rendimiento, capacidad para presión y temperatura y disponibilidad, son iguales, se procede a seleccionar la válvula de menor costo, a través de los datos obtenidos de distribuidores y fabricantes. Es de resaltar que las características que más influyen en los precios son el tamaño, los materiales de fabricación y las capacidades de presiones de las válvulas. En base a lo descrito, se puede observar que existen muchos factores para llevar a cabo la selección de una válvula determinada. Aunque el grado de importancia asignado a cada una puede variar, la máxima prioridad, se otorga en general, a las funciones de la válvula. Si ésta va a ser para cierre, para estrangulación, para retención, o quizás una combinación de éstos.
Anteriormente, la selección de válvulas era un proceso de tanteo, efectuado de acuerdo con algunos aspectos básicos: las válvulas de compuerta son adecuadas para servicio de cierre y apertura, las de globo son las mejores para estrangulación y las de mariposa son útiles para graduar el flujo si las presiones son bajas. En la actualidad, cualquiera de estas válvulas puede ser adecuada para un trabajo particular gracias, principalmente a los adelantos en materiales de construcción, tal como se observa en la siguiente tabla, la cual contiene las características que influyen en la selección de los principales tipos de válvulas.
Tipo
Gamas de tamaño, in
Capacidad Temp. ºF
½ a 30
Capacidad Presión, psi Hasta 2500
Globo Angulo
1/8 a 10
Hasta 2500
Hasta 1000
Compu erta
½ a 48
Hasta 2500
Hasta 1800
Maripo sa
2 hasta 2 ft o mas
Hasta 2000 (caída limitada de presión)
Macho
Hasta 30
Hasta 5000
Bola
1/8 a 42
Hasta 10000
Desaho go
½ hasta 6
Hasta 10000
Aguja
1/8 a 1
Hasta 10000
Retenci ón
1/8 a 24
Hasta 10000
Hasta 1000
Material de construcción Bronce, hierro, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales. Bronce, hierro, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales. Bronce, hierro, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales.
Hasta 2000 Materiales para fundir o (temperaturas maquinar. Las camisas más bajas si pueden ser de plástico, tiene camisas o caucho o cerámica. asientos blandos) Hasta 600 Hierro, acero, acero inoxidable y diversas aleaciones. Disponibles con camisa completa de caucho o plástico. Criogénica hasta Hierro, acero, latón, 1000 bronce, acero inoxidable; plástico y aleaciones especiales. Camisa completa de plástico. Criogénica hasta Hierro, bronce, acero, 1000 acero inoxidable, acero al níquel y aleaciones especiales. Criogénicas Bronce, hierro, acero, hasta 500 acero inoxidable. Hasta 1200
Bronce, hierro, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales.
Servicio Estrangulación y cierre con líquidos limpios Estrangulación y cierre para líquidos limpios Cierre (estrangulación limitada), liquidos limpios y pastas aguadas. Estrangulación (cierre sólo con asientos o tipos especiales), líquidos limpios y pastas aguadas. Cierre (estrangulación en algunos tipos).
Estrangulación y cierre; líquidos limpios, materiales viscosos y pastas aguadas. Limitación de presión.
Estrangulación suave y cierre con líquidos limpios. Evitar circulación inversa (los tipos especiales evitan exceso de circulación).
Tabla 1. Guía para la selección de válvulas
4. PARTES INTERNAS Y COMPONENTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL.
Partes Internas
Como partes internas de la válvula se consideran generalmente piezas metálicas internas desmontables que están en contacto directo con el fluido. Estas piezas son el vástago, la empaquetadura, el collarín de lubricación en la empaquetadura (si se emplea), los anillos de guía del vástago, el obturador y el asiento o los asientos. Hay que señalar que el obturador y el asiento constituyen el “corazón de la válvula” al controlar el caudal gracias al orificio de paso variable que forman al variar su posición relativa, y que además tienen la misión de cerrar el paso del fluido. El obturador y los asientos se fabrican normalmente en acero inoxidable porque éste material es muy resistente a la corrosión y a la erosión del fluido. Cuando la velocidad del fluido es baja, pueden utilizarse PCV, fluorocarbonos y otros materiales blandos, solos o reforzados con fibras de vidrio o grafito. En algunas válvulas pueden utilizarse obturadores y asientos de cerámica.
Componentes
Las válvulas de control típicas se componen básicamente en dos partes: el cuerpo y el servomotor. El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador y los asientos y está provisto de roscas o bridas para conectar la válvula a la tubería. El obturador es quien realiza la función de control de paso del fluido accionado por el servomotor, pudiendo actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. El obturador esta unido a un vástago que pasa a través del cuerpo y que es accionado por el servomotor.
Cuerpo de la válvula
El cuerpo de la válvula debe resistir la temperatura y la presión del fluido sin perdidas, tener un tamaño adecuado para el caudal que debe controlar y ser resistente a la erosión o a la corrosión producida por el fluido. Suele estar constituido de hierro fundido, acero al carbono y acero inoxidable y en casos especiales los materiales pueden ser de monel, hastelloy B o C, bronce. Actualmente empiezan a utilizarse nuevos materiales termoplásticos para el cuerpo de las válvulas como cloruro polivinilo, cloruro polivinilo clorinado, polipropileno, y fluoruro polivinilideno. En las aplicaciones químicas hasta 140 °C y 10 bar, las válvulas termoplásticas son de elección en particular por su resistencia a la corrosión, abrasión y congelación, por su alta pureza y su bajo coste. Pero no son adecuadas en caso de fuerte vibración o en ambientes con posible abuso mecánico.
Roscas o bridas
El cuerpo y las conexiones a la tubería (bridas o roscas) están normalizadas de acuerdo a las presiones y temperaturas de trabajo en las normas DIN y ANSI. Cabe señalar los puntos siguientes: •
Las conexiones roscases se utilizan hasta 2’’
•
Las
bridas
pueden
ser
planas,
con
resalte,
machihembradas,
machiembradas con junta de anillo •
Las conexiones soldadas pueden ser con encaje o con soldadura a tope. Las primeras se emplean para tamaños de válvulas hasta 2’’ y las segundas desde 2 ½‘’ a tamaños mayores.
Tipos de Bridas
Servomotores
Los servomotores pueden ser neumáticos, eléctricos, hidráulicos y digitales, si bien se emplean generalmente los dos primeros por ser más simples, de actuación rápida y tener una gran capacidad de esfuerzo. Puede afirmarse que el 90% de las válvulas usadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los
actuadores
hidráulicos,
neumáticos eléctricos son usados para manejar aparatos mecatronicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos.
Sin
embargo,
los
hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las
aplicaciones
de
los
modelos
neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento. Los servomotores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatronicos, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento Servomotores Neumáticos
Un servomotor neumático consiste en una diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi (1 psi = 6.89 kPa). Al aplicar cierta presión sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal modo que el mecanismo empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que llega a un equilibrio entre la fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el resorte. Servomotores Eléctricos
El servomotor eléctrico es un motor electro acoplado al vástago de la válvula a través de un tren de engranajes. El motor se caracteriza fundamentalmente por su par y por el tiempo requerido (usualmente 1 minuto) para hacer pasar la posición abierta a cerrada o viceversa.
Servomotores Hidráulicos
Los servomotores hidráulicos consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que suministra fluido hidráulico a una
servoválvula. La señal del
instrumento de control actúa sobre la servoválvula que dirige el fluido hidráulico a los dos lados del pistón actuador hasta conseguir mediante una retroalimentación la posición exacta de la válvula. Se caracterizan por ser extremadamente rápidos, potentes y suaves, pero su coste es elevado, por lo que solo se emplean cuando los servomotores neumáticos no pueden cumplir con las especificaciones de servicio.
Servomotores Digitales
Las válvulas digitales disponen de compuertas neumáticas accionadas por electroválvulas que, a su vez, son excitadas por la señal de salida binaria de un microprocesador. Su respuesta es muy rápida y el grado de abertura depende de la combinación de las compuertas. Aunque estas válvulas están limitadas a fluidos limpios y no corrosivos, prestan interés para el mando digital directo, si bien su velocidad y apertura instantánea no representa una ventaja esencial frente a las válvulas neumáticas industriales y su coste es elevado.
5. CORROSIÓN EN VÁLVULAS La corrosión es el deterioro de las propiedades esenciales en un material debido a reacciones con su entorno. En términos generales desde el punto de
químico, esto significa la pérdida de un electrón cuando metales comunes reaccionan con agua u oxígeno. Este debilitamiento del metal debido a la oxidación de sus átomos es un ejemplo de corrosión electroquímica; y en el hierro o el acero es conocido coloquialmente como herrumbre. La corrosión usualmente afecta materiales metálicos y típicamente produce óxidos y/o sales del metal original. Los materiales cerámicos también se ven afectados por procesos de corrosión como la decoloración y el debilitamiento de polímeros debido a la luz ultravioleta del Sol. La mayoría de las aleaciones estructurales metálicas se corroen simplemente por la exposición al medio ambiente, donde encuentran suficiente humedad y oxígeno para comenzar el proceso de deterioro; más aún, dicho proceso puede verse acelerado por la exposición a otro tipo de substancias corrosivas como ácidos, sales, etc. La corrosión puede concentrarse localmente y formar hoyos o grietas, o puede extenderse a través de áreas amplias y producir un deterioro general. Mientras algunos esfuerzos para reducir la corrosión son simplemente dirigir el daño a formas menos visibles, tratamientos controlados de corrosión como el de galvanización o conversión crómica pueden incrementar la resistencia de un metal a la corrosión. En los territorios relacionados con cuerpos de agua como costas, lagos o ríos la corrosión es más agresiva. Esto se debe a grados de humedad más altos en el ambiente, y a elementos adicionales como altas concentraciones de sal, arena, nieve, hielo, etc. Además estas zonas por lo general son más ricas en flora y fauna y pueden generar un tipo particular de corrosión, llamada biocorrosión, producida por microorganismos o bacterias. También es posible que la biocorrosión se presente en industrias que trabajan con productos animales, orgánicos o alimentos.
Problemas relacionados a la corrosión Cuando una estructura metálica entra en un proceso de corrosión sus propiedades mecánicas se pierden y, por tanto, la seguridad y confianza en la
estructura también. El metal comenzará a debilitarse en las áreas afectadas; al mismo tiempo, se desgastarán sus partes móviles o de mayor uso. Y dependiendo del proceso mismo, la estructura puede deformarse, romperse o simplemente dejar de funcionar correctamente. Se volverá frágil e inadecuada para el trabajo, debido a las deformaciones o rupturas que pueda sufrir y fácilmente podrá convertise en una causa de accidentes. La reparación de estructuras para volverlas nuevamente espacios seguros, limpios y funcionales, requiere de inversiones en tiempo, mano de obra y dinero. Para daños sencillos o superficiales se debe eliminar la herrumbre, y aplicar imprimador y pintura. Pero en daños profundos, se requerirá retirar los elementos deteriorados, instalar los nuevos y pintarlos o acondicionarlos para los requerimientos laborales. Todas estas reparaciones generan costos adicionales a los originalmente presupuestados cuando se invirtió en la instalación de la estructura. Otros problemas indirectos tienen que ver con la eficiencia y la productividad. El deterioro en la imagen de las instalaciones se verá afectada al no percibirse como una unidad limpia, segura y confiable. La consecuencia directa es un decremento en la posición de imagen de la empresa o institución al exterior. Por otro lado, el rendimiento de las cadenas productivas disminuirá ya que las instalaciones no permitirán un trabajo eficiente y adecuado. Esto impactrá directamente en los procesos de manufactura u operación, y los hará lentos, poco confiables, o no darán los resultados esperados. Un producto de trabajo de menor calidad además de gastos innecesarios serán las consecuencias. Para prevenir los problemas anteriores es necesario realizar mantenimientos frecuentes a las estructuras metálicas. No hacerlo provocará su pronto deterioro y como consecuencia toda la problemática asociada.
Corrosión en pozos petroleros La corrosión de los equipos es uno de los problemas más costosos que plagan la industria del petróleo. El agua salada producida con petróleo es muy
corrosivo, y la mayoría de los petróleos crudos contienen cantidades variables de sulfuro de hidrógeno que también es muy corrosivo. Medidas anticorrosivas incluyen la inyección de un inhibidor de corrosión química por el casing/tubing, el uso de tubos recubiertos de plástico, y el uso de aleaciones especiales resistentes a la corrosión y la tubería de cemento revestidos. Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas. Con frecuencia, el costo de reducir la velocidad de corrosión es tan alta que no puede justificarse, en cuyo caso no hay medidas contra la corrosión de todo tipo se toman y se sustituye el equipo al final de su vida útil
Materiales resistentes a la corrosión No existe actualmente ningún material que resista la corrosión de todos los fluidos, por lo cual en muchos casos es necesario utilizar materiales combinados cuya selección dependerá del medio específico donde deban trabajar. Cuando el material resistente a la corrosion es caro o no adecuado, pueden utilizarse materiales de revestimiento, tales como plasticos, fluorocarbonos, elastómeros, vidrio, plomo y tantalio. Como es logico, el revestimiento no debe fallar pues el fluido atacaria el metal base y la valvula se perforaria. Los materiales termoplásticos son resistentes a la corrosión frente a muchos materiales químicos (acido sulfúrico, acido nítrico, etc.) y poseen unas buenas características dieléctricas (de 0,9 a 1,18 kV/m con el ensayo de ASTM 149). No resisten las vibraciones mecánicas, pero pueden ser el material de recubrimiento de los metales para manejar las dos condiciones, corrosión y vibraciones.
6. RUIDOS EN VÁLVULAS DE CONTROL En todos los procesos industriales intervienen diversos factores que contribuyen al mantenimiento de altos niveles de ruido, entre los cuales uno de los más importantes, es el ruido generado durante el funcionamiento de las válvulas de control instaladas en tuberías que transportan líquidos, gases y vapores. Se considera que las válvulas de control, son una fuente importante de ruido en cualquier ambiente industrial. El correcto diseño y dimensionamiento de las válvulas, ayuda a reducir de manera eficaz los niveles de ruido en el sistema, para esto, es necesario entender los conceptos asociados con el ruido y sus niveles acústicos, los fenómenos asociados con el funcionamiento de las válvulas de control, la manera en que éstos se manifiestan, y los métodos estandarizados para predecir cuando una válvula en un determinado sistema puede presentar problemas de ruido. En este artículo, se realiza una descripción de cada uno de estos aspectos relacionados con el funcionamiento de las válvulas de control industrial, con la finalidad de describir cuales son las causas más comunes de ruido en las válvulas y la manera de predecirlas y minimizarlas. Como se ha dicho anteriormente, las válvulas de control son una fuente de ruido en los procesos industriales sin embargo, conociendo los mecanismos de generación de ruido y estudiando los métodos para predecirlo y eliminarlo, estos problemas pueden minimizarse. El primer requisito es establecer un método para predecir el nivel de ruido esperado en las condiciones de operación. El segundo requisito importante es, identificar los métodos para reducir el nivel de ruido si éste es excesivo.
Causas de ruido en las Válvulas de Control La alta velocidad de los fluidos en las tuberías es una es una de las principales causas de ruido en las válvulas de control, sin embargo, no pueden darse reglas de velocidad por la gran cantidad de variables que influyen. Los tres mecanismos básicos para la generación de ruido en válvulas son:
1. Vibración mecánica 2. Ruido hidrodinámico 3. Ruido aerodinámica. Ruido por Vibración Mecánica
El ruido producido por vibración mecánica en las válvulas de control, es producido por dos mecanismos, el primero es la vibración mecánica inducida por las fluctuaciones aleatorias de presión dentro del cuerpo de la válvula, y las pulsaciones del fluido sobre las partes movibles o flexibles. El segundo mecanismo de vibración es el efecto de resonancia, la cual se produce cuando la vibración de las guarniciones de la válvula inducida por la turbulencia se aproxima a la frecuencia natural, de la combinación de obturador y vástago. Este efecto de resonancia ocurre a frecuencias por lo general entre 3000 y 7000 Hz, y es muy perjudicial, pues puede ocasionar la falla por fatiga mecánica del vástago o del poste del obturador y puede incluso desplazar las piezas de acero inoxidable macizo en unas fracciones de pulgada. El único aspecto aceptable del ruido de vibración, es que avisa al operador de una falla mecánica próxima a ocurrir. Reducción del ruido por Vibración Mecánica
El ruido por vibración mecánica rara vez ocurre al mismo tiempo que el de cavitación y el aerodinámico. Sin embargo, la mejora gradual en la calidad de fabricación de las válvulas de control, ha disminuido la importancia de la vibración mecánica frente a los fenómenos de cavitación y de turbulencia. Otras posibles correcciones de este tipo de ruido incluyen disminuir las holguras en las guías y aumentar el tamaño del vástago (un aumento de 40% en el diámetro del vástago duplica la frecuencia natural sin amortiguador de las guarniciones). Otro intento para la corrección puede ser el cambio de las condiciones de flujo o presión en la válvula.
Ruido Hidrodinámico
El ruido Hidrodinámico en las válvulas de control es producido por los líquidos al circular a través de la válvula. Existen tres clases de flujo o líquido en una válvula: en cavitación, sin cavitación y de vaporización instantánea. Estas tres clases de fluido son de importancia debido a la posibilidad de daños mecánicos, y de ruido excesivo de la válvula. Para flujo de líquidos sin cavitación y de vaporización instantánea, las pruebas de laboratorio indican que la intensidad de ruido es muy baja y no suele ser un problema. El diseño y selección correctos del material puede eliminar los daños mecánicos por esas dos causas. Por lo tanto, la principal fuente de ruido hidrodinámico es el flujo de líquidos en cavitación. El flujo con cavitación puede ocasionar un ruido considerable y daños que inutilizarán la válvula.
Cavitación La cavitación es la formación y aplastamiento de burbujas dentro de la corriente de líquido. Cuando el líquido pasa por el orificio de una válvula de control, éste aumenta su velocidad y reduce su presión estática. Las presiones en las cavidades en que ocurre este aplastamiento, puede ocasionar daños rápidos y serios en la válvula y la tubería, en algunos casos estas presiones pueden llegar a valores de 500.000 psi.
Ruido de los líquidos en cavitación Como se mencionó anteriormente, el ruido producido por los líquidos en cavitación es producido por la disipación de energía de las burbujas en implosión. El ruido producido por cavitación en una válvula tiene un rango de frecuencia pequeño, sin embargo, éste puede ser apreciable a frecuencias por debajo de 600 Hz. El ruido de la cavitación es a menudo descrito como un sonido de golpeteo, similar al que se produciría si hubiera piedras o grava en la masa de fluido. Se han logrado disminuir los efectos de cavitación en una válvula para estrangulación.
Ruido Aerodinámico Este ruido es el subproducto de la reconversión de energía cinética debido a la turbulencia en calor aguas abajo del orificio de estrangulación, sin embargo, una porción de esta energía es convertida en sonido. Existen dos factores básicos que contribuyen a este ruido. Uno es el frente final de choque de un flujo supersónico que se genera en la vena contracta en el orificio de la válvula, con una caída de presión mayor que la crítica. El segundo es la turbulencia general en los límites del fluido que actúa por arriba y por abajo del flujo estrangulado en el orificio de la válvula.
Reducción del Ruido en Válvulas de Control La forma más eficaz de combatir el ruido aerodinámico en una válvula es reducir la velocidad de estrangulación. . Esto ocurre porque el NPS varía casi a la octava potencia de la velocidad de estrangulación. También la reducción del ruido en las válvulas de control se logra atenuando la transmisión del sonido. Para el primer caso, un requisito importante es mantener la velocidad en la salida de la válvula por debajo de cierto límite, según sea el tipo y tamaño de la válvula, con la finalidad de evitar la aparición de una fuente secundaria de ruido que podría ser peor que el producido por la válvula en sí. Para ello, se suelen utilizar obturadores tipo jaula dotados de múltiples orificios de forma variada parecidos a paneles de abeja. Con un cuerpo de tamaño adecuado y con este tipo de obturador es fácil disminuir el ruido en unos 20 dB en comparación con una válvula de globo convencional seleccionada teniendo en cuenta sólo su capitación.
Obturador de la válvula
7. MANTENIMIENTO DE VÁLVULAS El Mantenimiento de Válvulas es un servicio que está dirigido a optimizar la funcionalidad de la válvula después de cierto período de utilización. Esta reparación implica mucho más que la limpieza y volver a pintar, es un proceso mediante el cual se reconstruyen válvulas para lograr características de funcionamiento iguales a las de una válvula nueva. Otra de las razones principales para reparar válvulas es el ahorro de tiempo y dinero, ya que el costo promedio del mantenimiento es de 65% menor al precio de una válvula nueva y el tiempo de entrega varía entre una a dos semanas dependiendo del tipo de válvula y la empresa o departamento encargado del mantenimiento. El mantenimiento de las válvulas en servicio suele estar limitado a apretar los tornillos de la unión entre el bonete y el cuerpo y los del estopero, aunque en caso de emergencia se pueden instalar nuevos anillos de empaquetadura. El reemplazo de ésta en una válvula que está en servicio siempre es peligroso y solo se debe intentar después de que el asiento posterior está asentado en forma hermética
contra el bonete; estos asientos solo se utilizan en las válvulas de compuerta y globo. El mantenimiento extenso de las válvulas de una tubería, aunque esté fuera de servicio, solo se hace en circunstancias inusitadas. A veces a las válvulas grandes se les puede dar servicio cuando están instaladas, pues puede ser difícil desmontarlas para llevarlas al taller. Las válvulas que se pueden repara sin desmontarlas, para corregir problemas con el asentamiento e instalar nuevos sellos de asiento, son las de compuerta, globo, retención, macho, bola de entrada superior y diafragma. Hay que desmontar la mayor parte de las válvulas de bola y de mariposa para tener acceso a los sellos de bola y de los asientos, Los asientos en las válvulas de globo y de retención por elevación se pueden rectificar por el lado del bonete con buenos resultados. La reparación de las válvulas de bola incluye instalar nuevos sellos de asiento, bola y vástago, si es necesario, así como empaquetaduras, juntas, tornillos y tuercas nuevas. Las válvulas de macho lubricadas se pueden reparar con relleno con soldadura y rectificación del cuerpo o del macho. En las válvulas de macho no lubricadas se requiere reemplazar la camisa, la empaquetadura, juntas y quizás, el macho. Para reparar las válvulas de mariposa se reemplazan el vástago, el disco y la camisa que suelen ser la razón para reparar.
MECANIZADO DE VÁLVULAS
Partes a las que comúnmente se les da mantenimiento: Empaquetadura:
La simple operación de maniobrar la válvula puede dar lugar a fugas a través de la empaquetadura. Para evitar las fugas se aprietan las tuercas de la prensa en ambos lados, repitiendo esta secuencia unas cuantas veces. Después de un período de tiempo, es posible que se tenga que agregar una o dos estopadas en la caja de la empaquetadura. Cambio de la empaquetadura:
Si la válvula está en servicio o en el almacén por un largo tiempo, como la empaquetadura está en posición comprimida por un largo tiempo, pierde su compresibilidad y se vuelve dura y ya no aguanta la presión, incluso después de un mayor ajuste. En este momento no hay otra alternativa que sustituir la empaquetadura por una nueva.
Limpieza y lubricación del vástago:
El vástago por encima del área de la empaquetadura está siempre expuesto al aire libre donde hay gran cantidad de polvo y las inclemencias del tiempo pueden dañar la superficie del vástago. Para el funcionamiento correcto de la válvula, la parte roscada del vástago debe ser protegida del polvo y la lubricación adecuada debe ser proporcionada de forma periódica.
Cuidados generales: La vida normal de la válvula está diseñada para años, pero hay algunos factores que reducen la vida de la válvula de forma considerable. El almacenamiento inadecuado, la contaminación de partículas duras en la tubería y la falta de un mantenimiento periódico pueden causar una reducción considerable en la vida de la válvula.
8. MÚLTIPLES DE PRODUCCIÓN Los múltiples de producción o manifold y de prueba, se utilizan para recolectar la producción de varios pozos a una planta centralizada donde los pozos se pueden ser colocados individualmente en producción y/o prueba. Pueden ser operados manualmente o automáticamente con válvulas y con contadores de tiempo automáticos. Están compuestos por tres líneas: La línea principal que es la línea de producción, es la más grande, generalmente de 8 pulgadas, siempre va a estar abierta, y es donde llegan todos los pozos. La línea de medida, en esta el petróleo es separado y conducido a través de un medidor de volumen a fin de medirlo. La línea caliente, se le llama línea caliente porque al ser los pozos de alta viscosidad se necesita estimular ya sea por inyección química o por inyección de vapor.
Esta equipa con diferentes válvulas, entre la cuales están: •
Válvula mecánica de compuerta, se encarga de la distribución entre las tres líneas.
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Válvula de retención (check), impide que el flujo se regrese.
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Válvula de desahogo (automática).
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Suiche de presión, se encargan de darle la señal a las válvulas para abrir y cerrar de acuerdo a X presión.
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Válvula de seguridad, se calibran por presiones y al vencer el limite abren para desplazar el crudo.
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Sensor de temperatura.
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Manómetro de presión.
CONCLUSIÓN Las válvulas y tuberías constituyen la inversión más importante entre los diversos componentes de una planta de procesamiento para hidrocarburos. Resulta, por lo tanto, de relevancia el obtener un conocimiento general de estos dispositivos que forman parte esencial de las instalaciones industriales existentes. Existen una variedad extensa de tipos de válvulas, y variaciones hechas a éstos para adecuarlas a servicios específicos, estos servicios pueden ser de bloqueo o cierre, estrangulación y retención, los tipos de válvulas existentes pueden cumplir con uno o varios de estos mecanismos. Asimismo, el buen funcionamiento de un sistema de tuberías depende en gran parte de la elección adecuada y de la situación de las válvulas que controlan y regulan la circulación de los fluidos en la instalación. Las válvulas además deben colocarse en lugares donde sea fácil su manejo y de modo que pueda atenderse la conservación de la instalación sin que interrumpa el funcionamiento de otros aparatos conectados. Una buena válvula debe diseñarse de manera que sus deformaciones debidas a las variaciones de temperatura y de presión, y las dilataciones de las tuberías conectadas, no deformen el asiento; su vástago y el collarín del prensaestopas deben permitir poner con facilidad y con rapidez la empaquetadura, y los discos y los asientos deben estar diseñados y hechos con materiales que permitan que la válvula siga cerrando bien durante un periodo razonable de servicio activo. También es importante tener presente los materiales adecuados para trabajar con fluidos corrosivos y las medidas adecuadas para lidiar con esta recurrente situación. El mecanismo de mantenimiento de cada válvula, según sea la situación, es otro de los puntos a tener en cuenta, así como las medidas a tomar para cada tipo de causa de ruidos en las válvulas, ya sea por vibración mecánica, estrangulación aerodinámica, o cavitación, uno de los problemas operacionales que ocurren
dentro de las válvulas, ocasionado por caídas de presión que dan lugar a la formación de burbujas de vapor. En otro orden de ideas, las válvulas de control, están relacionadas también con el funcionamiento de los llamados múltiples de producción, que son aquellos componentes de las estaciones de flujo, que facilitan el manejo de la producción total de los pozos, como también el aislamiento de pozos para pruebas individuales de producción. Por medio de las interconexiones del sistema y la disposición apropiada de válvulas, se facilita la distribución, el manejo y el control del flujo de los pozos. Así pues las válvulas, en su extensa variedad, cumplen con funciones esenciales dentro de cualquier tipo de instalación industrial, es por esto, que estos dispositivos desde sus aplicaciones domésticas hasta industriales son tan comunes de ver, y la comprensión de su utilidad y funcionamiento resulta ser un conocimiento de gran valor en nuestro campo de estudio.
