Dónde se utilizan las válvulas: ¡en todas partes!

08 de noviembre de 2017 Escrito por Greg Johnson

Hoy en día, las válvulas se pueden encontrar prácticamente en cualquier lugar: en nuestros hogares, debajo de la calle, en edificios comerciales y en miles de lugares dentro de plantas de energía y agua, fábricas de papel, refinerías, plantas químicas y otras instalaciones industriales y de infraestructura.
La industria de las válvulas es verdaderamente amplia, con segmentos que varían desde la distribución de agua hasta la energía nuclear y el petróleo y el gas upstream y downstream. Cada una de estas industrias de usuarios finales utiliza algunos tipos básicos de válvulas; sin embargo, los detalles de construcción y materiales suelen ser muy diferentes. Aquí hay una muestra:

OBRAS DE AGUA
En el mundo de la distribución de agua, las presiones son casi siempre relativamente bajas y las temperaturas ambiente. Esos dos hechos de aplicación permiten una serie de elementos de diseño de válvulas que no se encontrarían en equipos más desafiantes, como las válvulas de vapor de alta temperatura. La temperatura ambiente del servicio de agua permite el uso de elastómeros y sellos de goma que no son adecuados en otros lugares. Estos materiales blandos permiten equipar válvulas de agua para sellar herméticamente los goteos.

Otra consideración en las válvulas de servicio de agua es la elección de los materiales de construcción. Los hierros fundidos y dúctiles se utilizan ampliamente en sistemas de agua, especialmente en líneas de gran diámetro exterior. Las líneas muy pequeñas se pueden manejar bastante bien con materiales de válvulas de bronce.

Las presiones que ven la mayoría de las válvulas de abastecimiento de agua suelen estar muy por debajo de 200 psi. Esto significa que no se necesitan diseños de paredes más gruesas y de mayor presión. Dicho esto, hay casos en los que las válvulas de agua se construyen para soportar presiones más altas, hasta alrededor de 300 psi. Estas aplicaciones suelen realizarse en acueductos largos cerca de la fuente de presión. A veces, también se encuentran válvulas de agua de mayor presión en los puntos de mayor presión de una presa alta.

La Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas (AWWA) ha emitido especificaciones que cubren muchos tipos diferentes de válvulas y actuadores utilizados en aplicaciones de obras hidráulicas.

AGUAS RESIDUALES
La otra cara del agua potable dulce que ingresa a una instalación o estructura es la salida de aguas residuales o alcantarillado. Estas líneas recogen todos los fluidos y sólidos residuales y los dirigen a una planta de tratamiento de aguas residuales. Estas plantas de tratamiento cuentan con muchas tuberías y válvulas de baja presión para realizar su “trabajo sucio”. Los requisitos para las válvulas de aguas residuales en muchos casos son mucho más indulgentes que los requisitos para el servicio de agua potable. Las válvulas de compuerta y de retención de hierro son las opciones más populares para este tipo de servicio. Las válvulas estándar en este servicio se construyen de acuerdo con las especificaciones AWWA.

INDUSTRIA ENERGÉTICA
La mayor parte de la energía eléctrica generada en Estados Unidos se genera en plantas de vapor que utilizan combustibles fósiles y turbinas de alta velocidad. Quitar la cubierta de una central eléctrica moderna permitiría ver los sistemas de tuberías de alta presión y alta temperatura. Estas líneas principales son las más críticas en el proceso de generación de energía a vapor.

Las válvulas de compuerta siguen siendo la opción principal para aplicaciones de encendido/apagado de centrales eléctricas, aunque también se encuentran válvulas de globo con patrón en Y para usos especiales. Las válvulas de bola de alto rendimiento para servicios críticos están ganando popularidad entre algunos diseñadores de plantas de energía y están haciendo avances en este mundo que alguna vez estuvo dominado por las válvulas lineales.

La metalurgia es fundamental para las válvulas en aplicaciones de energía, especialmente aquellas que operan en rangos operativos de presión y temperatura supercríticos o ultrasupercríticos. F91, F92, C12A, junto con varias aleaciones de Inconel y acero inoxidable, se utilizan comúnmente en las centrales eléctricas actuales. Las clases de presión incluyen 1500, 2500 y, en algunos casos, 4500. La naturaleza moduladora de las centrales eléctricas de pico (aquellas que funcionan sólo cuando es necesario) también ejerce una enorme presión sobre las válvulas y tuberías, lo que requiere diseños robustos para manejar la combinación extrema de ciclos, temperatura y presión.
Además de las válvulas de vapor principales, las centrales eléctricas están cargadas con tuberías auxiliares, pobladas por una gran variedad de válvulas de compuerta, globo, retención, mariposa y bola.

Las centrales nucleares funcionan según el mismo principio de vapor/turbina de alta velocidad. La principal diferencia es que en una central nuclear, el vapor se crea mediante el calor del proceso de fisión. Las válvulas de las centrales nucleares son similares a sus primas que funcionan con combustibles fósiles, excepto por su pedigrí y el requisito adicional de absoluta confiabilidad. Las válvulas nucleares se fabrican con estándares extremadamente altos y la documentación de calificación e inspección ocupa cientos de páginas.

PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO Y GAS
Los pozos de petróleo y gas y las instalaciones de producción son grandes usuarios de válvulas, incluidas muchas válvulas de servicio pesado. Aunque ya no es probable que se produzcan chorros de petróleo arrojados a cientos de pies en el aire, la imagen ilustra la presión potencial del petróleo y gas subterráneos. Esta es la razón por la que se colocan cabezas de pozo o árboles de Navidad en la parte superior de la larga sarta de tuberías de un pozo. Estos conjuntos, con su combinación de válvulas y accesorios especiales, están diseñados para manejar presiones superiores a 10 000 psi. Si bien rara vez se encuentran en pozos excavados en tierra hoy en día, las presiones extremadamente altas a menudo se encuentran en pozos profundos en alta mar.

El diseño de equipos de boca de pozo está cubierto por especificaciones API como 6A, Especificación para equipos de boca de pozo y árboles de Navidad. Las válvulas cubiertas en 6A están diseñadas para presiones extremadamente altas pero temperaturas modestas. La mayoría de los árboles de Navidad contienen válvulas de compuerta y válvulas de globo especiales llamadas estranguladores. Los estranguladores se utilizan para regular el flujo del pozo.

Además de las propias bocas de pozo, muchas instalaciones auxiliares pueblan un campo de petróleo o gas. El equipo de proceso para pretratar el petróleo o el gas requiere varias válvulas. Estas válvulas suelen ser de acero al carbono clasificadas para clases inferiores.

Ocasionalmente, un fluido altamente corrosivo (sulfuro de hidrógeno) está presente en la corriente de petróleo crudo. Este material, también llamado gas amargo, puede ser letal. Para superar los desafíos del gas amargo, se deben seguir materiales especiales o técnicas de procesamiento de materiales de acuerdo con la especificación MR0175 de NACE International.

INDUSTRIA COSTA AFUERA
Los sistemas de tuberías para plataformas petrolíferas e instalaciones de producción en alta mar contienen una multitud de válvulas construidas con muchas especificaciones diferentes para manejar la amplia variedad de desafíos de control de flujo. Estas instalaciones también contienen varios circuitos de sistemas de control y dispositivos de alivio de presión.

Para las instalaciones de producción de petróleo, el corazón arterial es el sistema de tuberías de recuperación de petróleo o gas real. Aunque no siempre en la plataforma misma, muchos sistemas de producción utilizan árboles de Navidad y sistemas de tuberías que operan en las inhóspitas profundidades de 10,000 pies o más. Este equipo de producción está construido según muchos estándares exigentes del American Petroleum Institute (API) y se hace referencia en varias prácticas recomendadas (RP) de API.

En la mayoría de las grandes plataformas petroleras, se aplican procesos adicionales al fluido crudo proveniente de la boca del pozo. Estos incluyen separar el agua de los hidrocarburos y separar el gas y los líquidos del gas natural de la corriente de fluido. Estos sistemas de tuberías posteriores al árbol de Navidad generalmente se construyen según los códigos de tuberías B31.3 de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos y las válvulas están diseñadas de acuerdo con las especificaciones de válvulas API, como API 594, API 600, API 602, API 608 y API 609.

Algunos de estos sistemas también pueden contener válvulas de compuerta, de bola y de retención API 6D. Dado que cualquier tubería en la plataforma o barco de perforación es interna a la instalación, no se aplican los requisitos estrictos para usar válvulas API 6D para tuberías. Aunque se utilizan varios tipos de válvulas en estos sistemas de tuberías, el tipo de válvula elegido es la válvula de bola.

TUBERÍAS
Aunque la mayoría de las tuberías están ocultas a la vista, su presencia suele ser evidente. Los pequeños carteles que dicen “oleoducto” son un indicador obvio de la presencia de tuberías de transporte subterráneas. Estas tuberías están equipadas con muchas válvulas importantes a lo largo de su longitud. Las válvulas de cierre de emergencia de tuberías se encuentran a intervalos especificados por las normas, códigos y leyes. Estas válvulas cumplen el servicio vital de aislar una sección de una tubería en caso de fuga o cuando se requiere mantenimiento.

También se encuentran dispersas a lo largo de la ruta del oleoducto instalaciones donde la línea emerge del suelo y el acceso a la misma está disponible. Estas estaciones albergan el equipo de lanzamiento de “pigs”, que consiste en dispositivos insertados en las tuberías para inspeccionar o limpiar la línea. Estas estaciones de lanzamiento de cerdos suelen contener varias válvulas, ya sea de compuerta o de bola. Todas las válvulas en un sistema de tuberías deben tener puerto completo (apertura total) para permitir el paso de los cerdos.

Las tuberías también necesitan energía para combatir la fricción de la tubería y mantener la presión y el flujo de la línea. Se utilizan estaciones de compresores o bombeo que parecen versiones pequeñas de una planta de proceso sin las altas torres de craqueo. Estas estaciones albergan docenas de válvulas de compuerta, de bola y de retención para tuberías.
Las tuberías en sí están diseñadas de acuerdo con varios estándares y códigos, mientras que las válvulas para tuberías siguen las válvulas para tuberías API 6D.
También hay tuberías más pequeñas que alimentan casas y estructuras comerciales. Estas líneas proporcionan agua y gas y están protegidas por válvulas de cierre.
Los grandes municipios, particularmente en la parte norte de los Estados Unidos, proporcionan vapor para cubrir las necesidades de calefacción de los clientes comerciales. Estas líneas de suministro de vapor están equipadas con una variedad de válvulas para controlar y regular el suministro de vapor. Aunque el fluido es vapor, las presiones y temperaturas son más bajas que las que se encuentran en la generación de vapor de las centrales eléctricas. En este servicio se utiliza una variedad de tipos de válvulas, aunque la venerable válvula de tapón sigue siendo una opción popular.

REFINERÍA Y PETROQUÍMICA
Las válvulas de refinería representan un mayor uso de válvulas industriales que cualquier otro segmento de válvulas. Las refinerías albergan fluidos corrosivos y, en algunos casos, altas temperaturas.
Estos factores dictan cómo se construyen las válvulas de acuerdo con las especificaciones de diseño de válvulas API, como API 600 (válvulas de compuerta), API 608 (válvulas de bola) y API 594 (válvulas de retención). Debido al duro servicio que enfrentan muchas de estas válvulas, a menudo se necesita un margen de corrosión adicional. Esta tolerancia se manifiesta a través de mayores espesores de pared que se especifican en los documentos de diseño API.

Prácticamente todos los tipos principales de válvulas se pueden encontrar en abundancia en una gran refinería típica. La omnipresente válvula de compuerta sigue siendo la reina de la colina con la mayor población, pero las válvulas de cuarto de vuelta están acaparando una parte cada vez mayor de su cuota de mercado. Los productos de cuarto de vuelta que están logrando avances exitosos en esta industria (que alguna vez también estuvo dominada por productos lineales) incluyen válvulas de mariposa de triple desplazamiento de alto rendimiento y válvulas de bola con asiento metálico.

Las válvulas de compuerta, globo y retención estándar todavía se encuentran en masa y, debido a la solidez de su diseño y la economía de fabricación, no desaparecerán en el corto plazo.
Las clasificaciones de presión para válvulas de refinería abarcan toda la gama desde Clase 150 hasta Clase 1500, siendo la Clase 300 la más popular.
Los aceros al carbono simples, como el grado WCB (fundido) y A-105 (forjado), son los materiales más populares especificados y utilizados en válvulas para servicio de refinería. Muchas aplicaciones de procesos de refinación superan los límites de temperatura superiores de los aceros al carbono simples, y para estas aplicaciones se especifican aleaciones de temperaturas más altas. Los más populares son los aceros al cromo/molibdeno, como 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr y 9% Cr. Los aceros inoxidables y las aleaciones con alto contenido de níquel también se utilizan en algunos procesos de refinación particularmente severos.

QUÍMICO
La industria química es un gran usuario de válvulas de todo tipo y material. Desde pequeñas plantas por lotes hasta los enormes complejos petroquímicos que se encuentran en la costa del Golfo, las válvulas son una gran parte de los sistemas de tuberías de procesos químicos.

La mayoría de las aplicaciones en procesos químicos tienen una presión más baja que muchos procesos de refinación y generación de energía. Las clases de presión más populares para válvulas y tuberías de plantas químicas son las Clases 150 y 300. Las plantas químicas también han sido el mayor impulsor de la adquisición de cuota de mercado que las válvulas de bola han arrebatado a las válvulas lineales durante los últimos 40 años. La válvula de bola con asiento elástico, con cierre sin fugas, es perfecta para muchas aplicaciones de plantas químicas. El tamaño compacto de la válvula de bola también es una característica popular.
Todavía hay algunas plantas químicas y procesos de plantas donde se prefieren las válvulas lineales. En estos casos, las populares válvulas diseñadas según API 603, con paredes más delgadas y pesos más livianos, suelen ser la válvula de compuerta o de globo de elección. El control de algunas sustancias químicas también se logra eficazmente con válvulas de diafragma o de manguito.
Debido a la naturaleza corrosiva de muchos químicos y procesos de fabricación de químicos, la selección de materiales es crítica. El material de facto es el grado 316/316L de acero inoxidable austenítico. Este material funciona bien para combatir la corrosión causada por una gran cantidad de fluidos a veces desagradables.

Para algunas aplicaciones corrosivas más duras, se necesita más protección. En estas situaciones, a menudo se eligen otros grados de acero inoxidable austenítico de alto rendimiento, como 317, 347 y 321. Otras aleaciones que se utilizan de vez en cuando para controlar fluidos químicos incluyen Monel, Alloy 20, Inconel y 17-4 PH.

SEPARACIÓN DE GNL Y GAS
Tanto el gas natural licuado (GNL) como los procesos necesarios para la separación del gas dependen de extensas tuberías. Estas aplicaciones requieren válvulas que puedan funcionar a temperaturas criogénicas muy bajas. La industria del GNL, que está creciendo rápidamente en los Estados Unidos, busca continuamente modernizar y mejorar el proceso de licuefacción del gas. Para ello, las tuberías y válvulas se han vuelto mucho más grandes y los requisitos de presión han aumentado.

Esta situación ha obligado a los fabricantes de válvulas a desarrollar diseños que cumplan con parámetros más estrictos. Las válvulas de bola y mariposa de un cuarto de vuelta son populares para el servicio de GNL, siendo el 316ss [acero inoxidable] el material más popular. ANSI Clase 600 es el techo de presión habitual para la mayoría de las aplicaciones de GNL. Aunque los productos de cuarto de vuelta son los tipos de válvulas más populares, en las plantas también se pueden encontrar válvulas de compuerta, de globo y de retención.

El servicio de separación de gas implica dividir el gas en sus elementos básicos individuales. Por ejemplo, los métodos de separación del aire producen nitrógeno, oxígeno, helio y otros gases traza. La naturaleza de muy baja temperatura del proceso significa que se requieren muchas válvulas criogénicas.

Tanto las plantas de GNL como las de separación de gas tienen válvulas de baja temperatura que deben permanecer operativas en estas condiciones criogénicas. Esto significa que el sistema de empaquetadura de válvula debe elevarse lejos del fluido de baja temperatura mediante el uso de una columna de gas o de condensación. Esta columna de gas evita que el fluido forme una bola de hielo alrededor del área de empaquetadura, lo que impediría que el vástago de la válvula gire o suba.

EDIFICIOS COMERCIALES
Los edificios comerciales nos rodean, pero a menos que prestemos mucha atención a medida que se construyen, tenemos poca idea de la multitud de arterias fluidas escondidas dentro de sus paredes de mampostería, vidrio y metal.

Un denominador común en prácticamente todos los edificios es el agua. Todas estas estructuras contienen una variedad de sistemas de tuberías que transportan muchas combinaciones del compuesto de hidrógeno/oxígeno en forma de fluidos potables, aguas residuales, agua caliente, aguas grises y protección contra incendios.

Desde el punto de vista de la supervivencia de un edificio, los sistemas contra incendios son los más críticos. La protección contra incendios en los edificios se alimenta y llena casi universalmente con agua limpia. Para que los sistemas de agua contra incendios sean efectivos, deben ser confiables, tener suficiente presión y estar convenientemente ubicados en toda la estructura. Estos sistemas están diseñados para energizarse automáticamente en caso de incendio.
Los edificios de gran altura requieren el mismo servicio de presión de agua en los pisos superiores que en los inferiores, por lo que se deben utilizar bombas y tuberías de alta presión para llevar el agua hacia arriba. Los sistemas de tuberías suelen ser de Clase 300 o 600, dependiendo de la altura del edificio. En estas aplicaciones se utilizan todo tipo de válvulas; sin embargo, los diseños de las válvulas deben ser aprobados por Underwriters Laboratories o Factory Mutual para el servicio principal contra incendios.

Las mismas clases y tipos de válvulas utilizadas para las válvulas de servicio contra incendios se utilizan para la distribución de agua potable, aunque el proceso de aprobación no es tan estricto.
Los sistemas de aire acondicionado comerciales que se encuentran en grandes estructuras empresariales, como edificios de oficinas, hoteles y hospitales, suelen estar centralizados. Tienen una gran unidad enfriadora o caldera para enfriar o calentar el fluido utilizado para transferir frío o alta temperatura. Estos sistemas a menudo deben manejar refrigerantes como el R-134a, un hidrofluorocarbono o, en el caso de los principales sistemas de calefacción, vapor. Debido al tamaño compacto de las válvulas de mariposa y de bola, estos tipos se han vuelto populares en los sistemas de refrigeración HVAC.

En el lado del vapor, algunas válvulas de cuarto de vuelta han logrado avances en su uso, sin embargo, muchos ingenieros de plomería todavía dependen de válvulas de compuerta lineal y de globo, particularmente si la tubería requiere extremos soldados a tope. Para estas aplicaciones de vapor moderado, el acero ha reemplazado al hierro fundido debido a la soldabilidad del acero.

Algunos sistemas de calefacción utilizan agua caliente en lugar de vapor como fluido de transferencia. Estos sistemas funcionan bien con válvulas de bronce o hierro. Las válvulas de mariposa y de bola con asiento elástico de un cuarto de vuelta son muy populares, aunque todavía se utilizan algunos diseños lineales.

CONCLUSIÓN
Aunque es posible que la evidencia de las aplicaciones de válvulas mencionadas en este artículo no sea visible durante un viaje a Starbucks o a la casa de la abuela, algunas válvulas muy importantes siempre están cerca. Incluso hay válvulas en el motor del automóvil que se utilizan para llegar a esos lugares, como las del carburador que controlan el flujo de combustible hacia el motor y las del motor que controlan el flujo de gasolina hacia los pistones y hacia afuera. Y si esas válvulas no están lo suficientemente cerca de nuestra vida cotidiana, considere la realidad de que nuestros corazones laten regularmente a través de cuatro dispositivos de control de flujo vital.

Este es solo otro ejemplo de la realidad de que las válvulas están realmente en todas partes. máquina virtual
La Parte II de este artículo cubre industrias adicionales donde se utilizan válvulas. Visite www.valvemagazine.com para leer sobre pulpa y papel, aplicaciones marinas, represas y energía hidroeléctrica, energía solar, siderúrgica, aeroespacial, geotérmica y elaboración y destilación de cerveza artesanal.

GREG JOHNSON es presidente de United Valve (www.unitedvalve.com) en Houston. Es editor colaborador de la revista VALVE, ex presidente del Valve Repair Council y actual miembro de la junta de VRC. También forma parte del Comité de Educación y Capacitación de VMA, es vicepresidente del Comité de Comunicaciones de VMA y fue presidente de la Sociedad de Normalización de Fabricantes.