Onde se usan as válvulas: en todas partes!

8 de novembro de 2017 Escrito por Greg Johnson

Hoxe en día pódense atopar válvulas en case calquera lugar: nas nosas casas, debaixo da rúa, en edificios comerciais e en miles de lugares de plantas eléctricas e hidráulicas, fábricas de papel, refinerías, plantas químicas e outras instalacións industriais e de infraestruturas.
A industria das válvulas é realmente ampla, con segmentos que varían desde a distribución de auga ata a enerxía nuclear ata o petróleo e o gas augas arriba e abaixo. Cada unha destas industrias de usuarios finais usa algúns tipos básicos de válvulas; porén, os detalles de construción e materiais adoitan ser moi diferentes. Aquí tes unha mostra:

OBRAS DE AUGA
No mundo da distribución da auga, as presións son case sempre relativamente baixas e as temperaturas ambiente. Eses dous feitos de aplicación permiten unha serie de elementos de deseño de válvulas que non se atoparían en equipos máis desafiados, como válvulas de vapor de alta temperatura. A temperatura ambiente do servizo de auga permite o uso de elastómeros e selos de goma non axeitados noutros lugares. Estes materiais brandos permiten equipar válvulas de auga para selar firmemente as gotas.

Outra consideración nas válvulas de servizo de auga é a elección dos materiais de construción. Os ferros fundidos e dúctiles utilízanse amplamente nos sistemas de auga, especialmente en liñas de grandes diámetros exteriores. As liñas moi pequenas pódense manexar bastante ben con materiais de válvulas de bronce.

As presións que ven a maioría das válvulas de augas adoitan estar moi por debaixo dos 200 psi. Isto significa que non son necesarios deseños de paredes máis grosas e de maior presión. Dito isto, hai casos nos que as válvulas de auga están construídas para soportar presións máis altas, ata uns 300 psi. Estas aplicacións adoitan ser en acuedutos longos próximos á fonte de presión. Ás veces tamén se atopan válvulas de auga de maior presión nos puntos de maior presión nun encoro alto.

A American Water Works Association (AWWA) publicou especificacións que abarcan moitos tipos diferentes de válvulas e actuadores utilizados en aplicacións de obras hidráulicas.

AUGAS RESIDUAIS
A outra cara da auga potable doce que entra nunha instalación ou estrutura é a saída de augas residuais ou sumidoiros. Estas liñas recollen todos os fluídos e sólidos residuais e diríxenos a unha depuradora. Estas plantas de tratamento dispoñen dunha gran cantidade de tubaxes e válvulas de baixa presión para realizar o seu "traballo sucio". Os requisitos para as válvulas de augas residuais en moitos casos son moito máis indulgentes que os requisitos para o servizo de auga limpa. A porta de ferro e as válvulas de retención son as opcións máis populares para este tipo de servizo. As válvulas estándar neste servizo constrúense de acordo coas especificacións de AWWA.

INDUSTRIA ELÉCTRICA
A maior parte da enerxía eléctrica xerada nos Estados Unidos prodúcese en plantas de vapor mediante turbinas de combustibles fósiles e de alta velocidade. Retirar a cuberta dunha central eléctrica moderna permitiríase ver os sistemas de tubaxes de alta presión e alta temperatura. Estas liñas principais son as máis críticas no proceso de xeración de enerxía de vapor.

As válvulas de compuerta seguen sendo a principal opción para as aplicacións de conexión/desconexión das centrais eléctricas, aínda que tamén se atopan válvulas de globo con patrón Y de propósito especial. As válvulas de bola de alto rendemento e de servizo crítico están gañando popularidade entre algúns deseñadores de centrais eléctricas e están facendo incursións neste mundo que antes era dominado polas válvulas lineais.

A metalurxia é fundamental para as válvulas en aplicacións de potencia, especialmente aquelas que operan nos rangos de operación supercríticos ou ultrasupercríticos de presión e temperatura. F91, F92, C12A, xunto con varios Inconel e aliaxes de aceiro inoxidable úsanse habitualmente nas centrais eléctricas actuais. As clases de presión inclúen 1500, 2500 e, nalgúns casos, 4500. A natureza moduladora das centrais de potencia máxima (aquelas que funcionan só segundo sexa necesario) tamén supoñen unha enorme presión sobre as válvulas e as tubaxes, polo que requiren deseños robustos para manexar a combinación extrema de ciclos, temperatura e presión.
Ademais da válvula principal de vapor, as centrais eléctricas están cargadas de condutos auxiliares, poboados por unha infinidade de válvulas de compuerta, globo, retención, bolboreta e esfera.

As centrais nucleares funcionan co mesmo principio de turbina de vapor/alta velocidade. A principal diferenza é que nunha central nuclear, o vapor é creado pola calor do proceso de fisión. As válvulas das centrais nucleares son similares ás súas primas alimentadas con combustibles fósiles, agás polo seu pedigree e polo requisito adicional de fiabilidade absoluta. As válvulas nucleares están fabricadas con estándares moi altos, coa documentación de cualificación e inspección que enche centos de páxinas.

PRODUCIÓN DE PETRÓLEO E GAS
Os pozos de petróleo e gas e as instalacións de produción son grandes usuarios de válvulas, incluíndo moitas válvulas de alta resistencia. Aínda que xa non é probable que se produzan chorros de petróleo que botan centos de pés no aire, a imaxe ilustra a presión potencial do petróleo e do gas subterráneos. É por iso que as cabezas dos pozos ou as árbores de Nadal colócanse na parte superior da longa cadea de tubos dun pozo. Estes conxuntos, coa súa combinación de válvulas e accesorios especiais, están deseñados para soportar presións superiores a 10.000 psi. Aínda que raramente se atopan en pozos excavados na terra hoxe en día, as presións extremas altas adoitan atoparse en pozos profundos offshore.

O deseño do equipamento da cabeza de pozo está cuberto polas especificacións da API como 6A, especificación para o equipo de cabeza de pozo e árbore de Nadal. As válvulas cubertas en 6A están deseñadas para presións extremadamente altas pero temperaturas modestas. A maioría das árbores de Nadal conteñen válvulas de compuerta e válvulas globo especiais chamadas chokes. Os estranguladores úsanse para regular o fluxo do pozo.

Ademais dos propios pozos, moitas instalacións auxiliares poboan un campo de petróleo ou gas. Os equipos de proceso para tratar previamente o petróleo ou o gas requiren unha serie de válvulas. Estas válvulas adoitan ser de aceiro carbono clasificadas para as clases máis baixas.

En ocasións, un fluído altamente corrosivo, sulfuro de hidróxeno, está presente na corrente de petróleo en bruto. Este material, tamén chamado gas ácido, pode ser letal. Para superar os desafíos do gas ácido, débense seguir materiais especiais ou técnicas de procesamento de materiais de acordo coa especificación internacional MR0175 da NACE.

INDUSTRIA OFFSHORE
Os sistemas de tubaxes para plataformas petrolíferas offshore e instalacións de produción conteñen multitude de válvulas construídas con moitas especificacións diferentes para xestionar a gran variedade de desafíos de control de fluxo. Estas instalacións tamén conteñen varios lazos do sistema de control e dispositivos de alivio de presión.

Para as instalacións de produción de petróleo, o corazón arterial é o sistema de tubaxes de recuperación de petróleo ou gas real. Aínda que non sempre están na propia plataforma, moitos sistemas de produción usan árbores de Nadal e sistemas de canalizacións que operan nas profundidades inhóspitos de 10.000 pés ou máis. Este equipo de produción está construído segundo moitos estrictos estándares do American Petroleum Institute (API) e se fai referencia en varias prácticas recomendadas (RPs) da API.

Na maioría das grandes plataformas petrolíferas, aplícanse procesos adicionais ao fluído bruto que procede da cabeza do pozo. Estes inclúen separar a auga dos hidrocarburos e separar o gas e os líquidos do gas natural do fluxo fluído. Estes sistemas de tuberías posteriores á árbore de Nadal constrúense xeralmente segundo os códigos de tuberías da Sociedade Americana de Enxeñeiros Mecánicos B31.3 coas válvulas deseñadas de acordo coas especificacións de válvulas API, como API 594, API 600, API 602, API 608 e API 609.

Algúns destes sistemas tamén poden conter válvulas de compuerta, esfera e de retención API 6D. Dado que calquera canalización da plataforma ou do buque de perforación é interna á instalación, non se aplican os estritos requisitos para usar válvulas API 6D para canalizacións. Aínda que nestes sistemas de tubaxes se utilizan varios tipos de válvulas, o tipo de válvula que se elixe é a válvula de bola.

TUTOS
Aínda que a maioría das canalizacións están ocultas á vista, a súa presenza adoita ser evidente. Os pequenos letreiros que indican "odutoduto de petróleo" son un indicador obvio da presenza de tubaxes de transporte subterráneas. Estas conducións están equipadas con moitas válvulas importantes ao longo da súa lonxitude. As válvulas de corte de conducións de emerxencia atópanse a intervalos especificados polas normas, códigos e leis. Estas válvulas serven ao servizo vital de illar unha sección dunha canalización en caso de fuga ou cando se require mantemento.

Tamén se atopan espalladas ao longo dun trazado de canalizacións instalacións nas que a liña emerxe do chan e o acceso á liña está dispoñible. Estas estacións son o fogar dos equipos de lanzamento "porco", que consiste en dispositivos inseridos nas canalizacións para inspeccionar ou limpar a liña. Estas estacións de lanzamento de porcos adoitan conter varias válvulas, xa sexan de porta ou de bóla. Todas as válvulas dun sistema de canalizacións deben ser de porto completo (abertura total) para permitir o paso dos porcos.

As canalizacións tamén necesitan enerxía para combater a fricción da canalización e manter a presión e o fluxo da liña. Empréganse estacións de compresor ou bombeo que parecen versións pequenas dunha planta de proceso sen as torres de craqueo altas. Estas estacións albergan decenas de válvulas de comporta, de bola e de retención.
As conducións en si están deseñadas de acordo con varios estándares e códigos, mentres que as válvulas de canalización seguen as válvulas de canalización API 6D.
Tamén hai canalizacións máis pequenas que alimentan vivendas e estruturas comerciais. Estas liñas proporcionan auga e gas e están protexidas por válvulas de corte.
Os grandes municipios, especialmente na parte norte dos Estados Unidos, proporcionan vapor para as necesidades de calefacción dos clientes comerciais. Estas liñas de subministración de vapor están equipadas cunha variedade de válvulas para controlar e regular o subministro de vapor. Aínda que o fluído é vapor, as presións e temperaturas son inferiores ás que se atopan na xeración de vapor das centrais eléctricas. Neste servizo utilízanse unha variedade de tipos de válvulas, aínda que a venerable válvula de tapón segue sendo unha opción popular.

REFINERIA E PETROQUÍMICA
As válvulas de refinería representan máis uso de válvulas industriais que calquera outro segmento de válvulas. As refinerías albergan tanto fluídos corrosivos como, nalgúns casos, altas temperaturas.
Estes factores determinan como se constrúen as válvulas de acordo coas especificacións de deseño de válvulas API, como API 600 (válvulas de compuerta), API 608 (válvulas de bola) e API 594 (válvulas de retención). Debido ao duro servizo que atopan moitas destas válvulas, adoita ser necesaria unha tolerancia adicional de corrosión. Esta tolerancia maniféstase a través de maiores espesores de parede que se especifican nos documentos de deseño da API.

Practicamente todos os tipos de válvulas principais pódense atopar en abundancia nunha refinería grande típica. A omnipresente válvula de compuerta segue sendo o rei do outeiro con maior poboación, pero as válvulas de cuarto de volta están a ocupar unha cantidade cada vez maior da súa cota de mercado. Os produtos de cuarto de volta que teñen éxito nesta industria (que tamén estivo dominada por produtos lineais) inclúen válvulas de bolboreta de triple compensación de alto rendemento e válvulas de bola con asento metálico.

As válvulas de compuerta estándar, de globo e de retención aínda se atopan en masa e, debido á dinamidade do seu deseño e á economía de fabricación, non desaparecerán en breve.
As clasificacións de presión das válvulas de refinería van dende a Clase 150 ata a Clase 1500, sendo a Clase 300 a máis popular.
Os aceiros ao carbono lisos, como o grao WCB (fundición) e A-105 (forxado) son os materiais máis populares especificados e utilizados nas válvulas para o servizo de refinería. Moitas aplicacións de procesos de refinado empurran os límites superiores de temperatura dos aceiros de carbono lisos, e para estas aplicacións especifícanse aliaxes de temperatura máis alta. Os máis populares deles son os aceiros de cromo/molibdeno como 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr e 9% Cr. Os aceiros inoxidables e as aliaxes con alto contido de níquel tamén se utilizan nalgúns procesos de refino particularmente duros.

QUÍMICA
A industria química é un gran usuario de válvulas de todo tipo e materiais. Desde pequenas plantas de lotes ata os enormes complexos petroquímicos que se atopan na costa do Golfo, as válvulas son unha gran parte dos sistemas de tuberías de procesos químicos.

A maioría das aplicacións en procesos químicos teñen menor presión que moitos procesos de refino e xeración de enerxía. As clases de presión máis populares para válvulas e tubaxes de plantas químicas son as Clases 150 e 300. As plantas químicas tamén foron o principal impulsor da toma de cota de mercado que as válvulas de bola loitaron contra as válvulas lineais nos últimos 40 anos. A válvula de bola de asento elástico, co seu peche sen fugas, é perfecta para moitas aplicacións de plantas químicas. O tamaño compacto da válvula de bola tamén é unha característica popular.
Aínda hai algunhas plantas químicas e procesos de plantas onde se prefiren as válvulas lineais. Nestes casos, as populares válvulas deseñadas pola API 603, con paredes máis delgadas e pesos máis lixeiros, adoitan ser a válvula de compuerta ou de globo preferida. O control dalgúns produtos químicos tamén se realiza de forma eficaz con válvulas de diafragma ou de presión.
Debido á natureza corrosiva de moitos produtos químicos e procesos de elaboración de produtos químicos, a selección do material é fundamental. O material de facto é o grao 316/316L de aceiro inoxidable austenítico. Este material funciona ben para combater a corrosión dunha serie de fluídos ás veces desagradables.

Para algunhas aplicacións corrosivas máis duras, necesítase máis protección. Outras calidades de aceiro inoxidable austenítico de alto rendemento, como 317, 347 e 321 adoitan escollerse nestas situacións. Outras aliaxes que se usan de cando en vez para controlar fluídos químicos inclúen Monel, Alloy 20, Inconel e 17-4 PH.

SEPARACIÓN DE GNL E GAS
Tanto o gas natural líquido (GNL) como os procesos necesarios para a separación do gas dependen dunha ampla canalización. Estas aplicacións requiren válvulas que poidan funcionar a temperaturas crioxénicas moi baixas. A industria do GNL, que está a crecer rapidamente nos Estados Unidos, busca continuamente actualizar e mellorar o proceso de licuefacción de gas. Para iso, as tubaxes e as válvulas fixéronse moito máis grandes e os requisitos de presión aumentaron.

Esta situación obrigou aos fabricantes de válvulas a desenvolver deseños para cumprir con parámetros máis estrictos. As válvulas de bolboreta e de bola de cuarto de volta son populares para o servizo de GNL, sendo 316ss [aceiro inoxidable] o material máis popular. A clase ANSI 600 é o teito de presión habitual para a maioría das aplicacións de GNL. Aínda que os produtos de cuarto de volta son os tipos de válvulas máis populares, tamén se poden atopar válvulas de compuerta, de globo e de retención nas plantas.

O servizo de separación de gases consiste en dividir o gas nos seus elementos básicos individuais. Por exemplo, os métodos de separación do aire producen nitróxeno, osíxeno, helio e outros gases traza. A natureza do proceso a moi baixa temperatura fai que se necesiten moitas válvulas crioxénicas.

Tanto as plantas de separación de GNL como de gas teñen válvulas de baixa temperatura que deben permanecer operativas nestas condicións crioxénicas. Isto significa que o sistema de embalaxe da válvula debe elevarse lonxe do fluído de baixa temperatura mediante o uso dunha columna de gas ou de condensación. Esta columna de gas evita que o fluído forme unha bola de xeo ao redor da zona de empaquetado, o que evitaría que o vástago da válvula xire ou suba.

EDIFICIOS COMERCIAIS
Os edificios comerciais arrodéanos pero, a non ser que prestemos moita atención mentres se constrúen, pouca idea temos da multitude de arterias fluídas que se esconden entre os seus muros de cachotería, vidro e metal.

Un denominador común en practicamente todos os edificios é a auga. Todas estas estruturas conteñen unha variedade de sistemas de tubaxes que transportan moitas combinacións do composto hidróxeno/osíxeno en forma de fluídos potables, augas residuais, auga quente, augas grises e protección contra incendios.

Desde o punto de vista da supervivencia dos edificios, os sistemas contra incendios son os máis críticos. A protección contra incendios nos edificios é case universalmente alimentada e chea de auga limpa. Para que os sistemas de auga contra incendios sexan eficaces, deben ser fiables, ter suficiente presión e estar convenientemente situados en toda a estrutura. Estes sistemas están deseñados para energizarse automaticamente en caso de incendio.
Os edificios de gran altura requiren o mesmo servizo de presión de auga nos pisos superiores que nos pisos inferiores, polo que se deben usar bombas e tubaxes de alta presión para subir a auga. Os sistemas de canalización adoitan ser de clase 300 ou 600, dependendo da altura do edificio. Nestas aplicacións utilízanse todo tipo de válvulas; non obstante, os deseños das válvulas deben ser aprobados por Underwriters Laboratories ou Factory Mutual para o servizo principal contra incendios.

Para a distribución de auga potable utilízanse as mesmas clases e tipos de válvulas utilizadas para as válvulas de servizo contra incendios, aínda que o proceso de aprobación non é tan estrito.
Os sistemas de aire acondicionado comerciais que se atopan en grandes estruturas comerciais como edificios de oficinas, hoteis e hospitais adoitan estar centralizados. Teñen unha gran unidade de enfriamento ou caldeira para arrefriar ou quentar o fluído utilizado para transferir frío ou alta temperatura. Estes sistemas adoitan manexar refrixerantes como o R-134a, un hidrofluorocarbono ou, no caso dos principais sistemas de calefacción, o vapor. Debido ao tamaño compacto das válvulas de bolboreta e de bola, estes tipos fixéronse populares nos sistemas de refrigeración HVAC.

No lado do vapor, algunhas válvulas de cuarto de volta fixeron incursións no seu uso, aínda que moitos enxeñeiros de fontanería aínda confían en válvulas de compuerta lineal e de globo, especialmente se a tubaxe require extremos soldados a tope. Para estas aplicacións de vapor moderado, o aceiro tomou o lugar do ferro fundido debido á soldabilidade do aceiro.

Algúns sistemas de calefacción usan auga quente en lugar de vapor como fluído de transferencia. Estes sistemas son ben servidos por válvulas de bronce ou ferro. As válvulas de bola e de bolboreta de cuarto de volta son moi populares, aínda que aínda se utilizan algúns deseños lineais.

CONCLUSIÓN
Aínda que as probas das aplicacións de válvulas mencionadas neste artigo poden non ser visibles durante unha viaxe a Starbucks ou á casa da avoa, algunhas válvulas moi importantes sempre están preto. Incluso hai válvulas no motor do coche que se usan para chegar a eses lugares, como as do carburador que controlan o fluxo de combustible no motor e as do motor que controlan o fluxo de gasolina nos pistóns e saen de novo. E se esas válvulas non están o suficientemente próximas á nosa vida cotiá, considere a realidade de que os nosos corazóns latexan regularmente a través de catro dispositivos vitais de control de fluxo.

Este é só un exemplo máis da realidade de que: as válvulas están realmente en todas partes. VM
A parte II deste artigo abrangue industrias adicionais onde se usan válvulas. Vai a www.valvemagazine.com para ler sobre pasta e papel, aplicacións mariñas, presas e enerxía hidroeléctrica, solar, ferro e aceiro, aeroespacial, xeotérmica e elaboración e destilación de cervexa artesanal.

GREG JOHNSON é presidente de United Valve (www.unitedvalve.com) en Houston. É editor colaborador da revista VALVE, ex presidente do Valve Repair Council e actual membro do consello de VRC. Tamén forma parte do Comité de Educación e Formación de VMA, é vicepresidente do Comité de Comunicacións de VMA e expresidente da Sociedade de Normalización de Fabricantes.