¿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, bajo la calle, en edificios comerciales y en miles de lugares dentro de centrales eléctricas y plantas de tratamiento de agua, fábricas de papel, refinerías, plantas químicas y otras instalaciones industriales y de infraestructura.
La industria de las válvulas es verdaderamente diversa, con segmentos que abarcan desde la distribución de agua hasta la energía nuclear, pasando por la exploración y producción de petróleo y gas. Cada una de estas industrias usuarias finales utiliza algunos tipos básicos de válvulas; sin embargo, los detalles de construcción y los materiales suelen ser muy diferentes. He aquí algunos ejemplos:

PLANTAS DE AGUA
En el ámbito de la distribución de agua, las presiones suelen ser relativamente bajas y las temperaturas ambiente. Estas dos condiciones permiten el uso de elementos de diseño de válvulas que no se encuentran en equipos más exigentes, como las válvulas de vapor de alta temperatura. La temperatura ambiente del agua de servicio permite el uso de elastómeros y juntas de goma que no son adecuados para otros entornos. Estos materiales blandos permiten que las válvulas de agua estén equipadas para sellar herméticamente las fugas.

Otro aspecto a considerar en las válvulas de servicio de agua es la elección de los materiales de construcción. El hierro fundido y el hierro dúctil se utilizan ampliamente en sistemas de agua, especialmente en tuberías de gran diámetro exterior. Las tuberías muy pequeñas se pueden manejar sin problemas con válvulas de bronce.

Las presiones que soportan la mayoría de las válvulas de las redes de abastecimiento de agua suelen ser muy inferiores a 200 psi. Esto significa que no se necesitan diseños de mayor presión con paredes más gruesas. Sin embargo, existen casos en los que las válvulas de agua se construyen para soportar presiones más elevadas, de hasta aproximadamente 300 psi. Estas aplicaciones suelen encontrarse en acueductos largos cercanos a la fuente de presión. En ocasiones, también se encuentran válvulas de agua de alta presión en los puntos de mayor presión de una presa alta.

La Asociación Estadounidense de Obras Hidráulicas (AWWA, por sus siglas en inglés) ha publicado especificaciones que abarcan muchos tipos diferentes de válvulas y actuadores utilizados en aplicaciones de obras hidráulicas.

AGUAS RESIDUALES
La otra cara de la moneda del agua potable que llega a una instalación o estructura es la salida de aguas residuales o alcantarillado. Estas tuberías recogen todos los líquidos y sólidos residuales y los dirigen a una planta de tratamiento de aguas residuales. Estas plantas de tratamiento cuentan con una gran cantidad de tuberías y válvulas de baja presión para realizar su función. En muchos casos, los requisitos para las válvulas de aguas residuales son mucho menos estrictos que los requisitos para el servicio de agua limpia. Las válvulas de compuerta y de retención de hierro son las opciones más comunes 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 que se genera en Estados Unidos proviene de centrales térmicas que utilizan combustibles fósiles y turbinas de alta velocidad. Al observar el interior de una central eléctrica moderna, se aprecian sistemas de tuberías de alta presión y temperatura. Estas tuberías principales son fundamentales en el proceso de generación de energía térmica.

Las válvulas de compuerta siguen siendo la opción principal para aplicaciones de encendido/apagado en centrales eléctricas, aunque también se encuentran válvulas de globo en Y para usos especiales. Las válvulas de bola de alto rendimiento para aplicaciones críticas están ganando popularidad entre algunos diseñadores de centrales eléctricas y se están abriendo camino en este sector, antes dominado por las válvulas lineales.

La metalurgia es fundamental para las válvulas en aplicaciones de generación de energía, especialmente aquellas que operan en rangos de presión y temperatura supercríticos o ultrasupercríticos. Las aleaciones F91, F92 y 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 modulante de las centrales eléctricas de pico (aquellas que operan solo cuando es necesario) también somete a las válvulas y tuberías a una enorme tensión, lo que requiere diseños robustos para soportar la combinación extrema de ciclos de operación, temperatura y presión.
Además de las válvulas principales de vapor, las centrales eléctricas están equipadas con tuberías auxiliares, pobladas por una miríada de válvulas de compuerta, globo, retención, mariposa y bola.

Las centrales nucleares funcionan con el mismo principio de vapor y turbina de alta velocidad. La principal diferencia radica en que, en una central nuclear, el vapor se genera mediante el calor del proceso de fisión. Las válvulas de las centrales nucleares son similares a las de las centrales de combustibles fósiles, salvo por su origen y la exigencia adicional de una fiabilidad absoluta. Las válvulas nucleares se fabrican con estándares extremadamente altos, y la documentación de cualificación e inspección ocupa cientos de páginas.

PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO Y GAS
Los pozos de petróleo y gas, así como las instalaciones de producción, hacen un uso intensivo de válvulas, incluyendo muchas de alta resistencia. Si bien es poco probable que se produzcan chorros de petróleo que alcancen cientos de metros de altura, la imagen ilustra la presión potencial del petróleo y el gas subterráneos. Por ello, en la parte superior de la tubería del pozo se colocan cabezales de pozo o árboles de Navidad. Estos conjuntos, con su combinación de válvulas y accesorios especiales, están diseñados para soportar presiones superiores a 10 000 psi. Aunque hoy en día rara vez se encuentran en pozos terrestres, estas presiones extremadamente altas son frecuentes en pozos marinos profundos.

El diseño de los equipos de cabezal de pozo se rige por las especificaciones API, como la 6A, Especificación para equipos de cabezal de pozo y árbol de Navidad. Las válvulas contempladas en la 6A están diseñadas para presiones extremadamente altas, pero temperaturas moderadas. 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 cabezas de pozo, un yacimiento de petróleo o gas cuenta con numerosas instalaciones auxiliares. Los equipos de procesamiento para el pretratamiento del petróleo o el gas requieren varias válvulas. Estas válvulas suelen ser de acero al carbono y están clasificadas para clases inferiores.

En ocasiones, el petróleo crudo contiene un fluido altamente corrosivo: el sulfuro de hidrógeno. Este material, también conocido como gas ácido, puede ser letal. Para superar los riesgos que presenta el gas ácido, se deben utilizar materiales especiales o técnicas de procesamiento de materiales que cumplan con la especificación NACE International MR0175.

INDUSTRIA MARÍTIMA
Los sistemas de tuberías de las plataformas petrolíferas marinas y las instalaciones de producción contienen multitud de válvulas fabricadas según diversas especificaciones para hacer frente a la amplia variedad de desafíos de control de flujo. Estas instalaciones también incluyen varios circuitos de control y dispositivos de alivio de presión.

En las instalaciones de producción de petróleo, el corazón del sistema de tuberías para la recuperación de petróleo o gas es el sistema principal. Si bien no siempre se ubica en la plataforma, muchos sistemas de producción utilizan sistemas de tuberías y cabezales de pozo que operan a profundidades extremas de 10 000 pies o más. Estos equipos de producción se fabrican conforme a las estrictas normas del Instituto Americano del Petróleo (API) y se mencionan en varias Prácticas Recomendadas (PR) del API.

En la mayoría de las grandes plataformas petrolíferas, se aplican procesos adicionales al fluido crudo proveniente de la cabeza del pozo. Estos procesos incluyen la separación del agua de los hidrocarburos y la separación del gas y los líquidos del gas natural del flujo de fluido. Estos sistemas de tuberías posteriores al árbol de Navidad generalmente se construyen según el código B31.3 de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), y las válvulas se diseñan de acuerdo con las especificaciones de válvulas API, tales 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 las tuberías en la plataforma o el buque perforador son internas a la instalación, no se aplican los requisitos estrictos para el uso de válvulas API 6D en tuberías. Si bien se utilizan varios tipos de válvulas en estos sistemas de tuberías, la válvula de bola es la más utilizada.

GASODUCTOS
Aunque la mayoría de los oleoductos y gasoductos están ocultos a la vista, su presencia suele ser evidente. Unos pequeños letreros que indican «oleoducto» son un claro indicador de la presencia de tuberías de transporte subterráneas. Estos oleoductos y gasoductos cuentan con numerosas válvulas importantes a lo largo de su recorrido. Las válvulas de cierre de emergencia se encuentran a intervalos regulares, según lo estipulado por las normas, códigos y leyes. Estas válvulas cumplen la función vital de aislar una sección del oleoducto o gasoducto en caso de fuga o cuando se requiere mantenimiento.

A lo largo del trazado del oleoducto también se encuentran instalaciones donde la tubería emerge del suelo y se puede acceder a ella. En estas estaciones se ubican los equipos de lanzamiento de raspadores, que consisten en dispositivos que se insertan en las tuberías para inspeccionarlas o limpiarlas. Estas estaciones de lanzamiento de raspadores suelen contener varias válvulas, ya sean de compuerta o de bola. Todas las válvulas del sistema de oleoductos deben ser de paso total (de apertura completa) para permitir el paso de los raspadores.

Los oleoductos también necesitan energía para contrarrestar la fricción y mantener la presión y el flujo. Se utilizan estaciones de compresión o bombeo que se asemejan a versiones en miniatura de una planta de procesamiento, pero sin las altas torres de craqueo. Estas estaciones albergan decenas de válvulas de compuerta, de bola y de retención.
Las tuberías en sí están diseñadas de acuerdo con diversas normas y códigos, mientras que las válvulas de las tuberías cumplen con la norma API 6D para válvulas de tuberías.
También existen tuberías más pequeñas que abastecen de agua a viviendas y edificios comerciales. Estas líneas suministran agua y gas y están protegidas por válvulas de cierre.
Los grandes municipios, sobre todo en el norte de Estados Unidos, suministran vapor para la calefacción de sus clientes comerciales. Estas líneas de suministro de vapor están equipadas con diversas válvulas para controlar y regular el flujo. Si bien el fluido es vapor, las presiones y temperaturas son inferiores a las que se encuentran en la generación de vapor en centrales eléctricas. En este servicio se utilizan diversos tipos de válvulas, aunque la tradicional válvula de tapón sigue siendo una opción popular.

REFINERÍA Y PETROQUÍMICA
Las válvulas para refinerías representan el mayor uso de válvulas industriales de todos los segmentos. En las refinerías se manejan fluidos corrosivos y, en algunos casos, altas temperaturas.
Estos factores determinan cómo se fabrican 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 a las duras condiciones de servicio a las que están sometidas muchas de estas válvulas, a menudo se requiere un margen adicional contra 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 típica. La omnipresente válvula de compuerta sigue siendo la más común, pero las válvulas de cuarto de vuelta están ganando cada vez más terreno en el mercado. Entre los productos de cuarto de vuelta que están teniendo éxito en esta industria (que también estuvo dominada en el pasado por productos lineales) se incluyen las válvulas de mariposa de triple desplazamiento de alto rendimiento y las válvulas de bola con asiento metálico.

Las válvulas de compuerta, de globo y de retención estándar todavía se encuentran en grandes cantidades y, debido a la robustez de su diseño y a la economía de su fabricación, no desaparecerán en un futuro próximo.
Las clasificaciones de presión para las válvulas de refinería abarcan desde la Clase 150 hasta 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 utilizados en válvulas para refinerías. Muchas aplicaciones de refinación superan los límites de temperatura de los aceros al carbono simples, por lo que se especifican aleaciones de alta temperatura para estas aplicaciones. Las más populares son los aceros al cromo-molibdeno, como los de 1,25 % Cr, 2,25 % 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 una gran usuaria de válvulas de todo tipo y material. Desde pequeñas plantas de procesamiento hasta los enormes complejos petroquímicos de la costa del Golfo, las válvulas son una parte fundamental de los sistemas de tuberías para procesos químicos.

La mayoría de las aplicaciones en procesos químicos operan a presiones más bajas que muchos procesos de refinación y generación de energía. Las clases de presión más comunes para válvulas y tuberías en plantas químicas son las clases 150 y 300. Las plantas químicas también han sido el principal motor del auge de las válvulas de bola, que han arrebatado cuota de mercado a las válvulas lineales en los últimos 40 años. La válvula de bola con asiento elástico, gracias a su cierre hermético, resulta ideal para numerosas aplicaciones en plantas químicas. Su tamaño compacto es otra característica muy apreciada.
Todavía existen algunas plantas químicas y procesos industriales donde se prefieren las válvulas lineales. En estos casos, las válvulas diseñadas según la norma API 603, de paredes más delgadas y menor peso, suelen ser las de compuerta o globo preferidas. El control de algunos productos químicos también se logra eficazmente con válvulas de diafragma o de pellizco.
Debido a la naturaleza corrosiva de muchos productos químicos y procesos de fabricación, la selección del material es fundamental. El material más utilizado es el acero inoxidable austenítico de grado 316/316L. Este material ofrece una excelente resistencia a la corrosión causada por una gran variedad de fluidos, algunos de ellos corrosivos.

Para algunas aplicaciones corrosivas más exigentes, se requiere mayor protección. En estos casos, 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, la aleación 20, el Inconel y el 17-4 PH.

GNL Y SEPARACIÓN DE GAS
Tanto el gas natural licuado (GNL) como los procesos necesarios para su separación dependen de una extensa red de tuberías. Estas aplicaciones requieren válvulas capaces de operar a temperaturas criogénicas muy bajas. La industria del GNL, que experimenta un rápido crecimiento en Estados Unidos, busca constantemente modernizar y mejorar el proceso de licuefacción del gas. Para ello, las tuberías y válvulas se han vuelto mucho más grandes y se han incrementado los requisitos de presión.

Esta situación ha obligado a los fabricantes de válvulas a desarrollar diseños que cumplan con parámetros más exigentes. Las válvulas de bola y mariposa de cuarto de vuelta son populares para el servicio de GNL, siendo el acero inoxidable 316 el material más utilizado. 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 las más comunes, también se pueden encontrar válvulas de compuerta, globo y retención en las plantas.

El servicio de separación de gases consiste en dividir un gas en sus elementos básicos. Por ejemplo, los métodos de separación de aire permiten obtener nitrógeno, oxígeno, helio y otros gases traza. Debido a la bajísima temperatura que se alcanza durante el proceso, se requieren numerosas válvulas criogénicas.

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

EDIFICIOS COMERCIALES
Los edificios comerciales nos rodean, pero a menos que prestemos mucha atención a su construcción, no tenemos ni idea de la multitud de conductos que circulan por sus muros 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 múltiples combinaciones de este compuesto de hidrógeno y oxígeno en forma de fluidos potables, aguas residuales, agua caliente, aguas grises y sistemas contra incendios.

Desde el punto de vista de la supervivencia de un edificio, los sistemas contra incendios son fundamentales. La protección contra incendios en los edificios se basa casi universalmente en el suministro y llenado de agua limpia. Para que los sistemas de agua contra incendios sean eficaces, deben ser fiables, tener suficiente presión y estar ubicados estratégicamente 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 los pisos superiores que en los inferiores, por lo que se deben utilizar bombas y tuberías de alta presión para elevar el agua. 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, el diseño de las válvulas debe estar aprobado por Underwriters Laboratories o Factory Mutual para su uso en la red principal contra incendios.

Se utilizan las mismas clases y tipos de válvulas que para los sistemas contra incendios 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 edificios comerciales, como 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 calor. Estos sistemas a menudo deben manejar refrigerantes como el R-134a, un hidrofluorocarbono, o, en el caso de los sistemas de calefacción principales, vapor. Debido a su tamaño compacto, las válvulas de mariposa y de bola se han popularizado en los sistemas de refrigeración HVAC.

En el ámbito del vapor, algunas válvulas de cuarto de vuelta se han popularizado, pero muchos ingenieros de fontanería siguen utilizando válvulas de compuerta lineales y de globo, sobre todo si las tuberías requieren extremos para soldadura 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 funcionan bien con válvulas de bronce o hierro. Las válvulas de bola y de mariposa con asiento elástico y giro de un cuarto de vuelta son muy populares, aunque todavía se utilizan algunos diseños lineales.

CONCLUSIÓN
Aunque las aplicaciones de las válvulas mencionadas en este artículo no sean visibles durante una visita a Starbucks o a casa de la abuela, algunas válvulas muy importantes siempre están cerca. Incluso hay válvulas en el motor del coche 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 de vuelta. Y si esas válvulas no están lo suficientemente cerca de nuestra vida cotidiana, pensemos en que nuestro corazón late regularmente gracias a 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 trata sobre otras industrias donde se utilizan válvulas. Visite www.valvemagazine.com para leer sobre pulpa y papel, aplicaciones marinas, represas y energía hidroeléctrica, energía solar, hierro y acero, industria aeroespacial, energía geotérmica y elaboración artesanal de cerveza y destilación.

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 actual de la junta directiva del VRC. También forma parte del Comité de Educación y Capacitación de la VMA, es vicepresidente del Comité de Comunicaciones de la VMA y expresidente de la Sociedad de Estandarización de Fabricantes.