Válvulas de aislamiento - Movimiento lineal

Las válvulas de aislamiento se utilizan para desviar medios de proceso, facilitar el mantenimiento, la extracción de equipos y el apagado. En este tutorial se estudian el funcionamiento, aplicación y construcción de las válvulas de compuerta, globo, pistón y diafragma.

Válvulas de aislamiento - Movimiento lineal

Las válvulas de aislamiento son un componente clave en cualquier sistema de fluidos, ya que se utilizan para detener el flujo de fluido en un área particular del sistema. También se utilizan a veces para controlar manualmente el flujo del fluido. La norma europea EN 736-1:1995 distingue entre válvulas de aislamiento, regulación y control de la siguiente manera:

• Válvula de aislamiento - Una válvula destinada a usarse solo en la posición cerrada o completamente abierta.
• Válvula reguladora - Una válvula destinada a usarse en cualquier posición entre cerrada y completamente abierta.
• Válvula de control - Un dispositivo accionado por energía que modifica el caudal del fluido en un sistema de control de proceso. Las válvulas de aislamiento se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones donde se requiere control de encendido/apagado, estas incluyen:
• Desvío de medios de proceso.
• Aislamiento de flujo para:
• Facilitar el mantenimiento
• Permitir la extracción de equipos
• Permitir el apagado de la planta

Se han desarrollado una multitud de diferentes tipos y diseños de válvulas de aislamiento para cumplir con esta gama de aplicaciones y las diversas condiciones operativas en las que se utilizan. Las válvulas se clasifican comúnmente en dos grupos (ver Tabla 12.1.1), según el movimiento operativo del dispositivo de cierre (u obturador):

• Válvulas de movimiento lineal - El obturador se mueve en línea recta. Incluidas en esta categoría están las válvulas de compuerta, las válvulas de globo, las válvulas de diafragma y las válvulas de pinza. Estas válvulas se tratan con mayor profundidad dentro de este módulo.
• Válvulas de movimiento rotativo - El obturador rota sobre un eje perpendicular a la dirección del flujo. Las válvulas de bola y las válvulas de mariposa son las dos válvulas rotativas más importantes asociadas con aplicaciones de vapor y se tratan con mayor profundidad en el Módulo 12.2, Válvulas de aislamiento - Movimiento rotativo.

Válvulas de movimiento lineal

Las válvulas de movimiento lineal se han desarrollado a partir de las primeras formas de compuertas de esclusa utilizadas para controlar el flujo de agua en canales de riego. Desde entonces, se han desarrollado una gran cantidad de diseños y tipos diferentes para su uso en casi todo tipo de aplicaciones de flujo. Aunque las válvulas de movimiento lineal se caracterizan por el movimiento lineal del obturador, el flujo del fluido puede ser perpendicular a este movimiento (como en el caso de las válvulas de compuerta), o en la misma dirección, como con las válvulas de globo. La característica principal de la válvula de movimiento lineal es que se puede lograr un cierre hermético apretando el obturador en un vástago roscado.

Válvulas de compuerta

Las válvulas de compuerta son probablemente las válvulas más comunes en uso hoy debido a su uso generalizado en sistemas de agua domésticos, pero debe tenerse en cuenta que su popularidad en la industria ha disminuido en los últimos años. Sin embargo, todavía se utilizan donde se requiere un flujo sin obstrucciones, porque la compuerta se retrae completamente dentro de la tapa, creando una caída de presión mínima, cuando la válvula está en posición abierta. Las válvulas de compuerta están específicamente destinadas para uso en aplicaciones de aislamiento. Una válvula de compuerta consta de cuatro componentes principales: el cuerpo, la tapa, la compuerta y el vástago. Una válvula de compuerta típica se muestra en la Figura 12.1.1.

La compuerta, que se desliza entre los asientos, se levanta en una dirección perpendicular al flujo hasta quedar fuera de la trayectoria del flujo. El hecho de que la compuerta se retraiga completamente dentro de la tapa asegura que la caída de presión a través de la válvula sea baja.

Las válvulas de compuerta se dividen en varias clases diferentes, dependiendo del diseño de la compuerta y sus caras de asiento.

Válvula de compuerta cuña sólida

La compuerta tiene forma de cuña y se asienta en caras correspondientes en el cuerpo de la válvula. La ventaja mecánica de la rosca de activación, junto con el ángulo de la cuña, permite aplicar fuerzas de asiento adecuadas contra la presión del fluido sin un esfuerzo excesivo en la voluta. El asiento a veces puede recubrirse con PTFE para ayudar a un cierre de alta integridad. Una válvula de compuerta cuña sólida típica se muestra en la Figura 12.1.1.

Válvula de compuerta cuña flexible

Aunque hay varios tipos de válvulas de compuerta cuña flexible, todas utilizan un disco flexible de dos partes, que tiene la forma de dos ruedas en un eje muy corto. La flexibilidad del disco asegura un asiento hermético sobre una amplia gama de temperaturas y presiones. El tipo más común de válvula de compuerta cuña flexible utilizada en aplicaciones de vapor es la válvula de corredera paralela. Las dos placas que constituyen la compuerta se mantienen contra el asiento por un muelle, encerrado entre ellas. La presión del fluido mueve el disco aguas arriba de su asiento, y la fuerza se transfiere al disco aguas abajo, asegurando así un cierre hermético. El alto grado de flexibilidad en la compuerta permite la expansión y contracción cuando se somete a variaciones de temperatura, haciéndola adecuada para uso en sistemas de vapor.

Válvulas de globo

Las válvulas de globo constituyen una clase importante de válvulas de movimiento lineal; se han vuelto más populares que las válvulas de compuerta ya que hay una amplia variedad de configuraciones disponibles para adaptarse a la mayoría de las aplicaciones. El movimiento del fluido a través del asiento de la válvula es longitudinal al movimiento operativo del obturador; esto significa que para una válvula en la que la entrada y la salida están opuestas horizontalmente, el fluido debe seguir un curso cambiante. La ventaja principal de esta disposición es que una válvula de globo se abre más rápidamente que una válvula de compuerta, ya que el disco solo necesita moverse una pequeña distancia de su asiento para permitir el flujo completo. Esto es una ventaja cuando hay operación frecuente de la válvula. La desventaja es que el fluido debe cambiar de curso, aumentando la resistencia al flujo y generando turbulencia. Esto resulta en una mayor caída de presión a través de una válvula de globo que una válvula de compuerta.

Las válvulas de globo son menos propensas a fugas que las válvulas de compuerta, lo que significa que pueden usarse para aplicaciones de mayor presión o mayor volumen, por ejemplo en sistemas de vapor, o donde la pérdida de fluido puede ser peligrosa o costosa. El costo incrementado de las válvulas de globo sobre las válvulas de compuerta se compensa por la seguridad adicional que proporcionan, y una menor posibilidad de pérdida de fluido.

La presión del fluido que actúa sobre el área del disco genera una carga axial en el vástago. Esto dificulta el cierre de la válvula, tanto así, que limita el tamaño de una válvula de globo estándar a DN250. En sistemas cerrados de alta presión diferencial, pueden usarse tapones de equilibrado para superar este efecto, permitiendo el uso de válvulas con un diámetro nominal de hasta 500 mm (Figura 12.1.3(a)). El tapón de equilibrado contiene un tapón de pre-elevación que actúa como una válvula piloto. Cuando la válvula se abre, el tapón de pre-elevación se abre primero, permitiendo que el medio pase a través de él a una velocidad controlada (Figura 12.1.3(b)). Esto reduce la presión diferencial a través de la válvula, permitiendo que el disco se levante fácilmente de su asiento (Figura 12.1.3(c)). Para asistir el cierre de la válvula, las válvulas de aislamiento equipadas con un tapón de equilibrado deben instalarse en sentido inverso de modo que la parte superior del tapón sea accionada por la presión aguas arriba.

Válvulas de pistón

Una de las principales desventajas de las válvulas de movimiento lineal es que sus asientos son propensos a daños por suciedad y estricción por erosión (wiredrawing), y por lo tanto, dependiendo de la aplicación, pueden requerir mantenimiento regular. Aunque estos asientos son reemplazables en teoría, generalmente implica tiempo y costos significativos, y a menudo es más ventajoso reemplazar la válvula completa. Para superar este problema, se han desarrollado las válvulas de pistón. La válvula de pistón es una variante de la válvula de globo convencional, con el asiento y cono tradicionales reemplazados por un pistón y un casquillo de farol. El pistón está conectado al vástago de la válvula y la voluta, y pasa a través de dos anillos de sellado que están separados por un casquillo de farol. Cuando se ensamblan, los dos juegos de anillos de sellado se comprimen alrededor del pistón por la carga ejercida a lo largo del vástago. El juego superior de anillos de sellado actúa como empaquetadura de prensaestopas convencional, y el juego inferior actúa como el asiento. Además, la gran área de sellado entre el pistón y los anillos asegura un alto nivel de hermeticidad de cierre. La válvula de pistón no está diseñada para servicios de estrangulamiento y debe usarse en posiciones completamente abiertas o cerradas. Cuando la válvula está completamente abierta, solo la cara inferior del pistón está expuesta al fluido, ya que el resto del cuerpo está protegido por los anillos de sellado superiores. Esto significa que las superficies de sellado (los lados del pistón) están protegidas de la erosión por el flujo del fluido.

Si la válvula requiere mantenimiento, todos los componentes internos pueden extraerse fácilmente aflojando las tuercas de la tapa y retirando el pistón. Los anillos y el casquillo de farol pueden entonces retirarse usando una herramienta extractora. Esta operación es simple y puede realizarse sin tener que retirar la válvula de la tubería. En general, el pistón nunca debería necesitar ser reemplazado, pero los anillos de sellado pueden desgastarse durante un largo período con operación frecuente.

Válvulas de diafragma

Las válvulas de diafragma constituyen el tercer tipo principal de válvulas de movimiento lineal. El vástago de la válvula se usa para empujar hacia abajo un diafragma flexible, que a su vez bloquea el camino del fluido. Hay dos clasificaciones diferentes de válvulas de diafragma basadas en la geometría del cuerpo de la válvula:

• Tipo vertedero - Se funde un vertedero en el cuerpo, y cuando está cerrada, el diafragma se apoya sobre el vertedero, restringiendo el flujo (ver Figura 12.1.5 (a)).
• Tipo paso recto - El orificio corre lateralmente a través del cuerpo y se utiliza un diafragma con forma de cuña para hacer el cierre (ver Figura 12.1.5 (b)).

La ventaja principal de una válvula de diafragma es que el diafragma aísla las partes móviles de la válvula del fluido del proceso. Por lo tanto, son adecuadas para manejar fluidos agresivos y aquellos que contienen sólidos en suspensión. Además, como el conjunto de la tapa no está expuesto al fluido, puede fabricarse con materiales económicos como hierro fundido, reduciendo así el costo total. El desarrollo de nuevos materiales de diafragma permite que los diafragmas se usen en la mayoría de los fluidos. Sin embargo, su aplicación está limitada por la temperatura que el diafragma puede soportar - típicamente menos de 175°C. Las válvulas de diafragma se usan generalmente en aplicaciones de fluidos de proceso.

Opciones de vástago para válvulas de movimiento lineal

Las válvulas de movimiento lineal están disponibles con varias disposiciones de vástago diferentes:

• Vástagos ascendentes / no ascendentes - Si el vástago es ascendente, se moverá verticalmente hacia arriba cuando la válvula se abre, en comparación con solo rotar, como con un vástago no ascendente. El vástago ascendente indica el grado de apertura de la válvula, lo que a su vez refleja aproximadamente la cantidad de flujo a través de la válvula. Sin embargo, las válvulas con vástagos ascendentes requieren más espacio por encima de la tapa para acomodar el vástago en la posición completamente abierta. Se recomienda el uso de vástagos no ascendentes en válvulas con empaquetadura de prensaestopas, ya que reducen el desgaste del empaquetado.

• Roscas interiores/exteriores del vástago - En un vástago con rosca exterior, las roscas de accionamiento en el vástago están situadas fuera del cuerpo de la válvula y no están expuestas al fluido del proceso. Como las roscas son particularmente susceptibles a la corrosión, siempre deben usarse roscas exteriores en fluidos con propiedades corrosivas o erosivas. También son beneficiosas donde la válvula está expuesta frecuentemente a grandes variaciones de temperatura, ya que la expansión y contracción del vástago pueden causar agarrotamiento de las roscas dentro del cuerpo.

Sellado del vástago

Para prevenir la fuga del medio de proceso alrededor del vástago de una válvula, debe colocarse una barrera entre el fluido y el medio ambiente. El sellado del vástago generalmente se logra mediante uno de dos métodos, a saber, empaquetadura de prensaestopas y sellado con fuelle. La empaquetadura de prensaestopas consiste en un material polimérico, típicamente PTFE, empaquetado firmemente entre el vástago y la tapa de la válvula, impidiendo así que escape cualquier medio de proceso.

En las válvulas selladas con fuelle, se utiliza un fuelle metálico flexible. Está conectado en un extremo al vástago y el otro extremo está conectado a la tapa, produciendo efectivamente una barrera entre el fluido y el medio ambiente. Este fuelle se extiende y contrae a medida que el vástago se mueve hacia arriba y hacia abajo. El fuelle es tan efectivo que produce un sellado de ‘cero emisiones’. Al fuelle se le incorpora un dispositivo antitorsión, que evita que el fuelle rote con el vástago. Tal dispositivo es esencial, de lo contrario la torsión repetida del fuelle conduciría a la falla del sellado.

Aunque menos costosas que las válvulas selladas con fuelle, las válvulas con empaquetadura de prensaestopas no producen un sellado tan hermético como el fuelle. Si una válvula con empaquetadura de prensaestopas no se usa durante un período significativo, la empaquetadura puede endurecerse, y ocurrirán fugas la próxima vez que se use la válvula. La válvula sellada con fuelle no sufre este problema. Además, las válvulas con empaquetadura de prensaestopas requieren reempaquetado regular de la prensaestopas, mientras que un fuelle típico no requiere mantenimiento durante más de 10.000 ciclos.