Dónde se utilizan válvulas: ¡En todas partes!

08 de noviembre de 2017 Escrito por Greg Johnson

Hoy en día, se pueden encontrar válvulas 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 muy diversa, con segmentos que abarcan desde la distribución de agua hasta la energía nuclear y las industrias de petróleo y gas, tanto upstream como downstream. Cada una de estas industrias utiliza algunos tipos básicos de válvulas; sin embargo, los detalles de construcción y los materiales suelen ser muy diferentes. A continuación, se presenta una muestra:

OBRAS HIDRÁULICAS
En el sector de la distribución de agua, las presiones son casi siempre relativamente bajas y las temperaturas ambiente. Estos dos factores de aplicación permiten el uso de diversos elementos de diseño de válvulas que no se encontrarían en equipos más exigentes, 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 entornos. Estos materiales blandos permiten que las válvulas de agua sellen herméticamente los goteos.

Otro factor a considerar 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 sin problemas con válvulas de bronce.

Las presiones que la mayoría de las válvulas de obras hidráulicas soportan suelen estar muy por debajo de los 200 psi. Esto significa que no se necesitan diseños de mayor presión con paredes más gruesas. Dicho esto, existen casos en los que las válvulas de agua se construyen para soportar presiones más altas, de hasta aproximadamente 300 psi. Estas aplicaciones suelen darse en acueductos largos cerca de la fuente de presión. En ocasiones, 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 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 numerosas tuberías y válvulas de baja presión para realizar su trabajo sucio. Los requisitos para las válvulas de aguas residuales son, en muchos casos, mucho más flexibles que los del servicio de agua limpia. Las válvulas de compuerta de hierro y de retención son las opciones más populares para este tipo de servicio. Las válvulas estándar para este servicio se fabrican de acuerdo con las especificaciones de la AWWA.

INDUSTRIA ENERGÉTICA
La mayor parte de la energía eléctrica generada en Estados Unidos se genera en centrales de vapor que utilizan combustibles fósiles y turbinas de alta velocidad. Al destapar una central eléctrica moderna, se pueden observar sistemas de tuberías de alta presión y alta temperatura. Estas tuberías 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 apertura y cierre en centrales eléctricas, aunque también se encuentran válvulas de globo con patrón en Y para propósitos especiales. Las válvulas de bola de alto rendimiento para servicios críticos están ganando popularidad entre algunos diseñadores de centrales eléctricas y se están consolidando en este sector, antes dominado por las válvulas lineales.

La metalurgia es fundamental para las válvulas en aplicaciones de energía, especialmente aquellas que operan en rangos 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 operan solo según sea necesario) también somete a una gran presión a las válvulas y tuberías, lo que requiere diseños robustos para soportar la combinación extrema de ciclos, temperatura y presión.
Además de las válvulas de vapor principales, las centrales eléctricas están equipadas con tuberías auxiliares, pobladas por una gran variedad de válvulas de compuerta, globo, retención, mariposa y bola.

Las centrales nucleares funcionan con el mismo principio de turbina de vapor de alta velocidad. La principal diferencia radica en 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 las de las que funcionan con combustibles fósiles, salvo por su origen y el requisito adicional de una fiabilidad absoluta. 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, así como las instalaciones de producción, utilizan válvulas de gran volumen, incluyendo muchas de alta resistencia. Si bien ya no es probable que se produzcan chorros de petróleo a cientos de metros de altura, la imagen ilustra la presión potencial del petróleo y el gas subterráneos. Por eso, se colocan cabezales de pozo o árboles de Navidad en la parte superior de la larga tubería del pozo. Estos conjuntos, con su combinación de válvulas y accesorios especiales, están diseñados para soportar presiones superiores a 10 000 psi. Si bien hoy en día es poco común encontrarlos en pozos excavados en tierra, las presiones extremadamente altas son frecuentes en pozos profundos en alta mar.

El diseño de equipos de cabezal de pozo se rige por especificaciones API como la 6A, Especificación para Equipos de Cabeza de Pozo y para Árboles de Navidad. Las válvulas contempladas en la 6A están diseñadas para presiones extremadamente altas y temperaturas moderadas. La mayoría de los árboles de Navidad contienen válvulas de compuerta y válvulas de globo especiales llamadas estranguladores. Estos estranguladores se utilizan para regular el caudal del pozo.

Además de los propios cabezales de pozo, existen numerosas instalaciones auxiliares en un yacimiento de petróleo o gas. Los equipos de proceso para el pretratamiento del petróleo o gas requieren varias válvulas. Estas válvulas suelen ser de acero al carbono de baja calidad.

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

INDUSTRIA OFFSHORE
Los sistemas de tuberías de las plataformas petrolíferas marinas y las instalaciones de producción contienen una gran cantidad de válvulas diseñadas con diversas especificaciones para afrontar los diversos desafíos de control de flujo. Estas instalaciones también incluyen diversos lazos de control y dispositivos de alivio de presión.

En las instalaciones de producción de petróleo, el corazón arterial es el propio sistema de tuberías de recuperación de petróleo o gas. Aunque no siempre se encuentran en la propia plataforma, muchos sistemas de producción utilizan sistemas de tuberías que operan en las inhóspitas profundidades de 3.000 metros o más. Estos equipos de producción se construyen según las exigentes normas del Instituto Americano del Petróleo (API) y se mencionan en varias Prácticas Recomendadas (PR) del API.

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

Algunos de estos sistemas también pueden incluir válvulas de compuerta, de bola y de retención API 6D. Dado que las tuberías de la plataforma o del buque de perforación son internas a la instalación, no se aplican los estrictos requisitos de uso de válvulas API 6D para tuberías. Si bien se utilizan varios tipos de válvulas en estos sistemas de tuberías, la válvula de bola es la preferida.

OLEODUCTOS
Aunque la mayoría de los ductos están ocultos a la vista, su presencia suele ser evidente. Los pequeños letreros que indican "ducto de petróleo" son un indicador obvio de la presencia de tuberías de transporte subterráneas. Estos ductos están equipados con numerosas válvulas importantes a lo largo de su recorrido. Las válvulas de cierre de emergencia se encuentran a intervalos especificados por las normas, códigos y leyes. Estas válvulas cumplen la función vital de aislar una sección del ducto en caso de fuga o cuando se requiere mantenimiento.

También se encuentran dispersas a lo largo del trazado de la tubería instalaciones donde la línea emerge del suelo y se puede acceder a ella. Estas estaciones albergan el equipo de lanzamiento de "pigs", que consiste en dispositivos que se insertan en las tuberías para inspeccionarlas o limpiarlas. Estas estaciones de lanzamiento de "pigs" suelen contener varias válvulas, de compuerta o de bola. Todas las válvulas de un sistema de tuberías deben ser de paso completo (apertura total) para permitir el paso de los "pigs".

Las tuberías también necesitan energía para combatir la fricción y mantener la presión y el caudal. Se utilizan estaciones de compresión o bombeo que parecen versiones reducidas de una planta de proceso, pero sin las altas torres de craqueo. Estas estaciones albergan docenas de válvulas de compuerta, de bola y de retención.
Las tuberías en sí están diseñadas de acuerdo con varias normas y códigos, mientras que las válvulas de tubería siguen las válvulas de tubería API 6D.
También existen tuberías más pequeñas que alimentan viviendas y locales comerciales. Estas líneas suministran agua y gas y están protegidas por válvulas de cierre.
Los grandes municipios, especialmente en el norte de Estados Unidos, suministran vapor para las necesidades de calefacción de clientes comerciales. Estas líneas de suministro de vapor están equipadas con diversas válvulas para controlar y regular el suministro. Aunque el fluido es vapor, las presiones y temperaturas son inferiores a las que se encuentran en la generación de vapor de las centrales eléctricas. En este servicio se utilizan diversos tipos de válvulas, aunque la clásica válvula de tapón sigue siendo una opción popular.

REFINERÍA Y PETROQUÍMICA
Las válvulas de refinería se utilizan más en la industria que cualquier otro segmento. Las refinerías albergan fluidos corrosivos y, en algunos casos, altas temperaturas.
Estos factores determinan cómo se construyen las válvulas según las especificaciones de diseño API, como API 600 (válvulas de compuerta), API 608 (válvulas de bola) y API 594 (válvulas de retención). Debido al riguroso servicio al que se someten muchas de estas válvulas, a menudo se requiere un margen adicional para la corrosión. Este margen se manifiesta en mayores espesores de pared, especificados en los documentos de diseño API.

Prácticamente todos los tipos principales de válvulas se encuentran en abundancia en una refinería grande. La omnipresente válvula de compuerta sigue siendo la reina de la industria con mayor número de válvulas, pero las válvulas de cuarto de vuelta están conquistando una cuota de mercado cada vez mayor. Los productos de cuarto de vuelta que están logrando éxito en esta industria (que antes también estaba dominada por productos lineales) incluyen válvulas de mariposa de triple excentricidad de alto rendimiento y válvulas de bola con asiento metálico.

Las válvulas de compuerta, de globo y de retención estándar aún se encuentran en masa y, debido a la solidez de su diseño y la economía de su fabricación, no desaparecerán en un futuro próximo.
Las clasificaciones de presión para válvulas de refinería varían desde la clase 150 a la clase 1500, siendo la clase 300 la más popular.
Los aceros al carbono simples, como el grado WCB (fundido) y el A-105 (forjado), son los materiales más comunes que se especifican y utilizan en válvulas para servicio en refinerías. Muchas aplicaciones en procesos de refinación superan los límites de temperatura de los aceros al carbono simples, por lo que se especifican aleaciones de mayor temperatura para estas aplicaciones. Los más populares son los aceros al cromo-molibdeno, como los de 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 exigentes.

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

La mayoría de las aplicaciones en procesos químicos requieren menor presión que muchos procesos de refinación y generación de energía. Las clases de presión más populares para válvulas y tuberías en plantas químicas son las clases 150 y 300. Las plantas químicas también han sido el principal impulsor de la cuota de mercado que las válvulas de bola han arrebatado a las válvulas lineales durante los últimos 40 años. La válvula de bola de asiento resiliente, con su cierre sin fugas, es ideal para muchas aplicaciones en plantas químicas. Su tamaño compacto también es una característica popular.
Aún existen algunas plantas químicas y procesos donde se prefieren las válvulas lineales. En estos casos, las populares válvulas diseñadas según la norma API 603, con paredes más delgadas y peso más ligero, suelen ser la válvula de compuerta o de globo preferida. El control de algunos productos químicos también se logra eficazmente con válvulas de diafragma o de manguito.
Debido a la naturaleza corrosiva de muchos productos químicos y procesos de fabricación, la selección del material es crucial. El material por excelencia es el acero inoxidable austenítico 316/316L. Este material es eficaz para combatir la corrosión causada por diversos fluidos, a veces nocivos.

Para aplicaciones corrosivas más exigentes, se requiere mayor protección. En estas situaciones, se suelen elegir otros grados de acero inoxidable austenítico de alto rendimiento, como el 317, el 347 y el 321. Otras aleaciones que se utilizan ocasionalmente 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 su separación requieren tuberías extensas. Estas aplicaciones requieren válvulas que puedan operar a temperaturas criogénicas muy bajas. La industria del GNL, en rápido crecimiento en Estados Unidos, busca continuamente mejorar el proceso de licuefacción de gas. Para ello, las tuberías y válvulas se han vuelto mucho más grandes y los requisitos de presión se han incrementado.

Esta situación ha obligado a los fabricantes de válvulas a desarrollar diseños que cumplan con parámetros más exigentes. Las válvulas de bola y de mariposa de cuarto de vuelta son populares para el servicio de GNL, siendo el acero inoxidable 316 el material más común. La clase ANSI 600 es el límite de presión habitual para la mayoría de las aplicaciones de GNL. Si bien las válvulas de cuarto de vuelta son los tipos de válvulas más populares, también se pueden encontrar válvulas de compuerta, de globo y de retención en las plantas.

El servicio de separación de gases implica la separación del gas en sus elementos básicos individuales. Por ejemplo, los métodos de separación por aire producen nitrógeno, oxígeno, helio y otros gases traza. La naturaleza de baja temperatura del proceso implica la necesidad de numerosas válvulas criogénicas.

Tanto las plantas de separación de GNL como las de gas cuentan con válvulas de baja temperatura que deben permanecer operativas en estas condiciones criogénicas. Esto significa que el sistema de empaque de la válvula debe elevarse, alejándolo del fluido a baja temperatura, mediante una columna de gas o de condensación. Esta columna de gas evita que el fluido forme una bola de hielo alrededor del área de empaque, lo que impediría que el vástago de la válvula gire o se eleve.

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

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

Desde la perspectiva de la supervivencia de un edificio, los sistemas contra incendios son cruciales. 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 eficaces, deben ser fiables, tener suficiente presión y estar convenientemente ubicados en toda la estructura. Estos sistemas están diseñados para activarse automáticamente en caso de incendio.
Los edificios de gran altura requieren la misma presión de agua en las plantas superiores que en las inferiores, por lo que se deben utilizar bombas y tuberías de alta presión para impulsar el agua hacia arriba. Los sistemas de tuberías suelen ser de clase 300 o 600, según la altura del edificio. En estas aplicaciones se utilizan todo tipo de válvulas; sin embargo, los diseños de las válvulas deben estar aprobados por Underwriters Laboratories o Factory Mutual para el servicio de tuberías contra incendios.

Las mismas clases y tipos de válvulas que se utilizan 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 ser centralizados. Cuentan con una gran unidad enfriadora o caldera para enfriar o calentar el fluido utilizado para transferir frío o alta temperatura. Estos sistemas suelen manejar refrigerantes como el R-134a, un hidrofluorocarbono, o, en el caso de los grandes sistemas de calefacción, vapor. Gracias al tamaño compacto de las válvulas de mariposa y de bola, estos tipos se han popularizado en los sistemas de enfriadores HVAC.

En el sector del vapor, se han popularizado algunas válvulas de cuarto de vuelta, pero muchos ingenieros de plomería aún utilizan válvulas de compuerta lineales y de globo, sobre todo si las tuberías requieren extremos soldados a tope. Para estas aplicaciones de vapor moderado, el acero ha sustituido al hierro fundido debido a su soldabilidad.

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

CONCLUSIÓN
Aunque no sea fácil ver las aplicaciones de las válvulas mencionadas en este artículo durante una visita a Starbucks o a casa de la abuela, siempre hay válvulas muy importantes cerca. Incluso hay válvulas en el motor del coche que se utilizan para acceder a lugares como el carburador, que controla 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 estas válvulas no están lo suficientemente presentes en nuestra vida diaria, pensemos que nuestro corazón late regularmente a través de cuatro dispositivos vitales de control de flujo.

Este es solo otro ejemplo de la realidad de que: las válvulas están realmente en todas partes. VM
La segunda parte de este artículo abarca otras industrias donde se utilizan válvulas. Visite www.valvemagazine.com para leer sobre pulpa y papel, aplicaciones marinas, presas y energía hidroeléctrica, energía solar, siderurgia, aeroespacial, geotermia y elaboración de cerveza y destilación artesanal.

GREG JOHNSON es presidente de United Valve (www.unitedvalve.com) en Houston. Es editor colaborador de la revista VALVE, expresidente del Consejo de Reparación de Válvulas y miembro de la junta directiva del VRC. También forma parte del Comité de Educación y Capacitación de la VMA, vicepresidente del Comité de Comunicaciones de la VMA y expresidente de la Sociedad de Normalización de Fabricantes.