Válvulas de aislamiento - Movimiento rotativo

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 abarcan el funcionamiento, aplicación y construcción de las válvulas de movimiento rotativo (cuarto de vuelta), incluyendo válvulas de bola y de mariposa.

Las válvulas de movimiento rotativo, a menudo llamadas válvulas de cuarto de vuelta, incluyen válvulas de bola y de mariposa. Independientemente del tipo de válvula de movimiento rotativo, el obturador rota sobre un eje perpendicular a la dirección del flujo. El fluido puede fluir a través del obturador, como es el caso de las válvulas de bola, o alrededor de él, como con las válvulas de mariposa. Las válvulas de movimiento rotativo tienden a tener un mecanismo de operación simple y por lo tanto son fáciles de automatizar y mantener.

Válvulas de bola

Las válvulas de bola se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y estaban inicialmente destinadas para su uso en sistemas de combustible de aeronaves, donde el peso y el espacio son primordiales. Consisten en un cuerpo que aloja una bola giratoria que tiene un orificio o perforación mecanizado directamente a través de ella. La bola se ubica en el cuerpo por dos anillos de sellado. La rotación de la bola 90° abre y cierra la válvula y permite que el fluido fluya directamente a través del orificio. En la posición cerrada, los lados ciegos de la bola bloquean la entrada y la salida impidiendo cualquier flujo. Hay dos diseños básicos de válvulas de bola: el diseño de bola flotante, que depende de los asientos de la válvula para soportar la bola, y la bola montada en muñón, que utiliza un muñón para soportar la bola. El montaje en muñón se usa en válvulas más grandes, ya que puede reducir el par operativo a aproximadamente dos tercios del proporcionado por una bola flotante. Convencionalmente, la manija que está unida a la bola está en línea con el eje de la tubería cuando la válvula está abierta; por el contrario, si está en ángulo recto con el eje de la tubería, esto indica que la válvula está cerrada.

Las válvulas de bola están disponibles como orificio reducido u orificio completo. Las válvulas de orificio completo tienen un orificio que es del mismo tamaño que el diámetro de la tubería, mientras que en las válvulas de orificio reducido, el diámetro del orificio es menor que el de la tubería. Las válvulas de orificio completo cuestan más que las de orificio reducido, y deben usarse donde la caída de presión a través de la válvula es crítica o donde las válvulas de bola se usan aguas arriba de caudalímetros.

Las válvulas de orificio completo pueden usarse en aplicaciones de caudalímetros para minimizar la turbulencia del fluido aguas arriba del dispositivo de medición. Para insertar la bola en el cuerpo, existen tres tipos diferentes de ensamblaje. No solo el tipo afecta la facilidad de ensamblaje, sino que también influye en la mantenibilidad de la válvula.

• Válvulas de dos y tres piezas - El cuerpo de la válvula se divide en uno o dos lugares en el mismo plano que la brida de la válvula, y estas piezas se atornillan juntas. Esto tiene la ventaja de un mantenimiento simplificado en línea.
• Válvulas de entrada superior - La bola se inserta a través de una tapa en la parte superior de la válvula. Esto facilita el mantenimiento en línea.
• Válvulas de una sola pieza - La bola se encierra en el cuerpo por un inserto montado a lo largo del eje de la válvula. Esto elimina la posibilidad de fuga en la junta del cuerpo y cualquier posibilidad de desconexión mientras está en servicio, pero cuando se requiere mantenimiento, toda la válvula debe retirarse de la tubería.

La elección del material del asiento determina las condiciones para las cuales una válvula de bola particular es más adecuada. Aunque se desarrollan continuamente nuevos materiales de asiento, la Tabla 12.2.1 enumera algunos de los materiales más comunes en uso hoy.

Tabla 12.2.1 Materiales de asiento comunes para válvulas de bola

Opciones de válvulas de bola

Las válvulas de bola pueden producirse con varias opciones para satisfacer las demandas de una amplia variedad de aplicaciones:

• Actuadores - Las válvulas de bola, y de hecho todas las válvulas rotativas, son adecuadas para automatización. Esto generalmente se logra mediante el uso de un actuador accionado eléctricamente o neumáticamente. El actuador se conecta a la válvula a través de un kit de enlace. Aunque no es esencial, un placa de montaje ISO estándar permite que el kit de enlace se instale sin desmontar la válvula, lo que mantiene la integridad de la válvula. Consultar el Módulo 6.6 para más información sobre actuadores.
• Resistente al fuego - Como las válvulas de bola se usan comúnmente en tuberías de gas y petróleo, es esencial que las válvulas usadas en tales aplicaciones sean resistentes al fuego. Una válvula se considera resistente al fuego si, cuando se expone a condiciones de incendio, continuará proporcionando fugas mínimas a través del asiento y el vástago, y proporcionará un cierre efectivo durante o después de un incendio o exposición a temperaturas excesivas. Las normas relacionadas con la seguridad contra incendios se establecen en BS 6755 y API RP 6FA. La principal preocupación es que las temperaturas de combustión destruirán los asientos y sellos blandos; se han desarrollado varios métodos para superar esto. Un enfoque es incluir superficies de sellado metálico secundarias detrás de los asientos poliméricos como parte integral del cuerpo. Cuando se expone a temperaturas de combustión, el asiento comienza a deformarse y la presión del medio de proceso desplaza la bola de modo que extruye el asiento polimérico (Figura 12.2.3(b)). Cuando el asiento ha sido completamente destruido, la bola se asentará contra la superficie de sellado metálico del cuerpo, proporcionando un cierre hermético (Figura 12.2.3(c)).

Además de la seguridad inherente del mecanismo de asiento, el sellado del vástago también debe ser capaz de prevenir fugas a la atmósfera bajo condiciones de ‘incendio’. Esto puede lograrse usando sellos de alta temperatura hechos de grafito flexible o Grafoil; alternativamente, puede usarse una disposición de fuelle sellado (ver Figura 12.2.4).

• Válvulas de vapor limpio - Existen varias aplicaciones que requieren que la válvula sea de diseño ‘limpio’; estas incluyen aplicaciones de vapor donde hay inyección directa de vapor en el producto y líneas de fluido de proceso en las industrias de biotecnología, alimentos y electrónica. El área principal de preocupación en tales aplicaciones es el espacio entre el cuerpo y la bola; el fluido del proceso puede acumularse en estos espacios llevando a contaminación y corrosión. Esto puede superarse insertando rellenos de cavidad en estos espacios. El relleno de cavidad puede ser una parte integral del asiento o un componente separado en el conjunto de la válvula. Además, las válvulas de bola usadas en aplicaciones de vapor limpio deben ser de acero inoxidable con un buen acabado superficial (se recomienda menos de 81 micras Ra).
• Aplicaciones de estrangulamiento - Cuando las válvulas de bola se usan en aplicaciones de estrangulamiento, el flujo de alta velocidad puede impactar contra un área localizada de la bola y los sellos, causando un deterioro prematuro del material del asiento. Se requieren modificaciones al diseño estándar para que las válvulas de bola se usen para estrangulamiento; estas incluyen el uso de asientos metálicos, recubrimientos duros y, a veces, modificaciones a la bola, para proporcionar un patrón de flujo caracterizado.

Válvulas de mariposa

Aunque hay muchos diseños diferentes de válvulas de mariposa, todas consisten en un disco que rota en un eje perpendicular al flujo del fluido. Cuando está abierta, el disco está de canto con respecto al flujo y el fluido pasa alrededor de ella, ofreciendo resistencia limitada. En la posición cerrada, el disco se rota contra un asiento en el cuerpo de la válvula. Las válvulas de mariposa generalmente ocupan poco más espacio que un par de bridas de tubería, y por lo tanto son una alternativa atractiva a la válvula de bola donde el espacio es limitado. De hecho, algunas válvulas de mariposa están diseñadas específicamente para inserción entre bridas de tubería, estas se conocen como válvulas de mariposa tipo wafer.

La principal desventaja de las válvulas de mariposa es que el cierre no es tan hermético como el logrado por otros tipos de válvulas. Esto puede aliviarse en cierta medida desplazando el eje de rotación del disco y usando asientos asistidos por presión. Al usar un eje de rotación desplazado, se genera una acción de ‘leva’, lo que significa que el disco crea un sello hermético con el asiento durante los últimos grados de cierre. Estas válvulas de mariposa de alto rendimiento o de tipo excéntrico tienen capacidades de cierre mejoradas y su diseño les permite usarse para estrangulamiento.

Para aplicaciones de vapor, las válvulas de mariposa han sido en gran medida superadas por las válvulas de bola. Las válvulas de mariposa se usan más comúnmente en sistemas de líquidos o donde el espacio es limitado. La compacidad de las válvulas de mariposa significa que se requiere menos material y por lo tanto son ideales donde la aplicación especifica el uso de materiales costosos, por ejemplo, en aplicaciones de agua de mar donde se especifica níquel.

Selección y dimensionamiento de válvulas de aislamiento

Un fluido de proceso debe estar completamente contenido en un sistema de tubería correctamente diseñado para evitar poner en peligro al personal y al medio ambiente, y la contaminación del propio fluido. El sistema de tubería puede tener muchas rutas de fuga potenciales, como juntas de tubería, costuras, conexiones de equipos y, lo más importante, válvulas. Las válvulas pueden ser uno de los mayores contribuyentes a problemas de planta si se seleccionan incorrectamente o están mal diseñadas o fabricadas. Además, una válvula, cuando se selecciona correctamente para la aplicación, debería durar al menos la vida de la planta, si se mantiene adecuadamente. Al seleccionar una válvula de aislamiento para una aplicación particular, se deben considerar varios factores; estos se muestran en la Tabla 12.2.2, junto con el parámetro de selección de la válvula que se ve afectado.

Tabla 12.2.2 Factores que afectan la selección de una válvula de aislamiento

La Tabla 12.2.3 resume las principales características de los diferentes tipos de válvulas de aislamiento.

Tabla 12.2.3 Tamaños típicos y rangos operativos de válvulas de aislamiento

1 Nota: Valores típicos para una válvula de orificio DN150 que pasa vapor saturado a 24 bar, fluyendo a 40 m/s. La Tabla 12.2.4 resume las aplicaciones de los tipos de válvulas de aislamiento más comunes en uso hoy.

Tabla 12.2.4 Aplicaciones de tipos de válvulas de aislamiento

La Tabla 12.2.5 es una guía generalizada para la selección de válvulas de aislamiento para aplicaciones particulares de vapor y condensado. Debe tenerse en cuenta que la elección de la válvula de aislamiento es subjetiva y diferentes industrias y regiones geográficas tienen sus preferencias únicas.

Tabla 12.2.5 Selección de válvulas para propósitos de aislamiento de vapor/condensado Nota: en esta tabla, sellado con fuelle se refiere a una válvula de globo sellada con fuelle y globo se refiere a una válvula de globo estándar con empaquetadura de prensaestopas.

Una vez que se ha elegido el tipo de válvula más adecuado, es necesario elegir el tamaño correcto. Las válvulas se dimensionan típicamente según el tamaño de la tubería. Sin embargo, es aconsejable verificar que la caída de presión a través de la válvula (cuando está completamente abierta) esté dentro de límites aceptables. La caída de presión es una función del coeficiente de flujo de la válvula (o valor Kvs), el caudal y la presión de entrada. Las hojas de especificación generalmente contienen datos sobre el valor Kvs cuando la válvula está completamente abierta.

Con el conocimiento de la presión operativa típica y el caudal másico, es posible determinar la caída de presión a través de una válvula elegida. Alternativamente, si se conoce la caída de presión máxima aceptable, es posible seleccionar un tamaño de válvula adecuado. Aunque hay muchas fórmulas y gráficos disponibles para predecir la relación entre caudal y caída de presión, la siguiente fórmula empírica simplificada (Ecuación 3.21.1) produce resultados confiables para vapor y por lo tanto se usa comúnmente:

Esta fórmula forma la base del gráfico mostrado en la Figura 12.2.7, que se introdujo por primera vez en el Bloque 3, Módulo 21.

Si la válvula de aislamiento se va a usar en un sistema de líquidos, la caída de presión a través de la válvula se determina usando la siguiente ecuación: