Onde se usan as válvulas: En todas partes!

08 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 dentro de centrais eléctricas e de auga, fábricas de papel, refinerías, plantas químicas e outras instalacións industriais e de infraestruturas.
A industria das válvulas ten unha ampla gama de segmentos, que van dende a distribución de auga ata a enerxía nuclear, pasando polo petróleo e o gas augas arriba e augas abaixo. Cada unha destas industrias de usuario final emprega algúns tipos básicos de válvulas; non obstante, os detalles de construción e os materiais adoitan ser moi diferentes. Velaquí unha mostra:

OBRAS DE AUGA
No mundo da distribución de auga, as presións son case sempre relativamente baixas e as temperaturas ambiente. Estes dous feitos de aplicación permiten unha serie de elementos de deseño de válvulas que non se atoparían en equipos máis complexos, como as válvulas de vapor de alta temperatura. A temperatura ambiente da auga de servizo permite o uso de elastómeros e xuntas de goma que non son axeitadas noutros lugares. Estes materiais brandos permiten que as válvulas de auga estean equipadas para selar hermeticamente as goteiras.

Outra consideración nas válvulas de servizo de auga é a escolla dos materiais de construción. Os ferros fundidos e dúctiles úsanse amplamente nos sistemas de auga, especialmente nas liñas de gran diámetro exterior. As liñas moi pequenas pódense manexar bastante ben con materiais para válvulas de bronce.

As presións que soportan a maioría das válvulas das instalacións de abastecemento de auga adoitan estar moi por debaixo dos 200 psi. Isto significa que non se necesitan deseños de paredes máis grosas para maior presión. Dito isto, hai casos nos que as válvulas de auga se constrúen para soportar presións máis elevadas, de ata uns 300 psi. Estas aplicacións adoitan darse en acuedutos longos preto da fonte de presión. Ás veces, as válvulas de auga de maior presión tamén se atopan nos puntos de maior presión dunha presa alta.

A Asociación Americana de Obras Hidráulicas (AWWA) publicou especificacións que abarcan moitos tipos diferentes de válvulas e actuadores utilizados en aplicacións de obras hidráulicas.

AUGAS RESIDUALES
A outra cara da moeda 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 planta de tratamento de augas residuais. Estas plantas de tratamento contan con moitas 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 flexibles que os requisitos para o servizo de auga limpa. As válvulas de compuerta 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 da AWWA.

INDUSTRIA ENERXÉTICA
A maior parte da enerxía eléctrica xerada nos Estados Unidos xérase en centrais de vapor que empregan combustibles fósiles e turbinas de alta velocidade. Se se retira a cuberta dunha central eléctrica moderna, pódense ver sistemas de tubaxes de alta presión e alta temperatura. Estas liñas principais son as máis importantes no proceso de xeración de enerxía de vapor.

As válvulas de compuerta seguen sendo unha opción principal para aplicacións de acendido/apagado de centrais eléctricas, aínda que tamén se atopan válvulas de globo en patrón Y para fins especiais. As válvulas de bola de alto rendemento para servizos críticos están a gañar popularidade entre algúns deseñadores de centrais eléctricas e están a abrirse camiño neste mundo que antes estaba dominado polas válvulas lineais.

A metalurxia é fundamental para as válvulas en aplicacións de enerxía, especialmente aquelas que funcionan en rangos de operación supercríticos ou ultrasupercríticos de presión e temperatura. As aliaxes F91, F92, C12A, xunto con varias aliaxes de Inconel e aceiro inoxidable, úsanse habitualmente nas centrais eléctricas actuais. As clases de presión inclúen 1500, 2500 e, nalgúns casos, 4500. A natureza moduladora das centrais eléctricas de pico (aquelas que funcionan só cando é necesario) tamén exerce unha enorme presión sobre as válvulas e as tubaxes, o que require deseños robustos para manexar a combinación extrema de ciclos, temperatura e presión.
Ademais da válvula principal de vapor, as centrais eléctricas están equipadas con tubaxes auxiliares, poboadas por unha infinidade de válvulas de compuerta, de globo, de retención, de bolboreta e de bola.

As centrais nucleares funcionan co mesmo principio de turbina de vapor/alta velocidade. A principal diferenza é que nunha central nuclear, o vapor créase mediante a calor do proceso de fisión. As válvulas das centrais nucleares son similares ás súas curmás que funcionan con combustibles fósiles, agás polo seu pedigrí e o requisito adicional de fiabilidade absoluta. As válvulas nucleares fabrícanse con estándares extremadamente altos, e a documentación de cualificación e inspección ocupa centos de páxinas.

PRODUCIÓN DE PETRÓLEO E GAS
Os pozos de petróleo e gas e as instalacións de produción son grandes usuarios de válvulas, incluídas moitas válvulas de alta resistencia. Aínda que xa non é probable que se produzan chorros de petróleo que saen a centos de metros de altura, a imaxe ilustra a presión potencial do petróleo e o gas subterráneos. Por iso se colocan cabezas de pozo ou árbores de Nadal na parte superior da longa cadea de tubaxes dun pozo. Estes conxuntos, coa súa combinación de válvulas e accesorios especiais, están deseñados para soportar presións de máis de 10.000 psi. Aínda que hoxe en día raramente se atopan en pozos escavados en terra, as presións extremas atópanse a miúdo en pozos mariños profundos.

O deseño de equipos de boca de pozo está cuberto por especificacións da API como a 6A, Especificación para equipos de boca de pozo e árbore de Nadal. As válvulas tratadas na 6A están deseñadas para presións extremadamente altas pero temperaturas moderadas. A maioría das árbores de Nadal conteñen válvulas de compuerta e válvulas de globo especiais chamadas estranguladores. Os estranguladores utilízanse para regular o fluxo do pozo.

Ademais das propias bocas de pozo, hai moitas instalacións auxiliares que poboan un xacemento de petróleo ou gas. O equipo de proceso para pretratar o petróleo ou o gas require varias válvulas. Estas válvulas adoitan ser de aceiro ao carbono con clasificacións inferiores.

Ocasionalmente, un fluído altamente corrosivo (sulfuro de hidróxeno) está presente no fluxo de petróleo bruto. Este material, tamén chamado gas acedo, pode ser letal. Para superar os desafíos do gas acedo, 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 e instalacións de produción mariñas conteñen unha multitude de válvulas construídas con diferentes especificacións para xestionar a ampla variedade de desafíos de control de fluxo. Estas instalacións tamén conteñen varios bucles de sistemas 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. Aínda que non sempre se atopa na propia plataforma, moitos sistemas de produción empregan árbores de Nadal e sistemas de tubaxes que operan a profundidades inhóspitas de 10.000 pés ou máis. Este equipo de produción está construído segundo moitas normas esixentes do Instituto Americano do Petróleo (API) e fai referencia a el en varias prácticas recomendadas (RP) da API.

Na maioría das grandes plataformas petrolíferas, aplícanse procesos adicionais ao fluído bruto que provén da boca do pozo. Estes inclúen a separación da auga dos hidrocarburos e a separación do gas e dos líquidos de gas natural da corrente de fluído. Estes sistemas de tubaxes posteriores á árbore de Nadal constrúense xeralmente segundo os códigos de tubaxes B31.3 da Sociedade Americana de Enxeñeiros Mecánicos, 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, de bola e de retención API 6D. Dado que calquera tubaxe na plataforma ou na nave de perforación é interna ás instalacións, non se aplican os requisitos estritos para usar válvulas API 6D para as tubaxes. Aínda que se usan varios tipos de válvulas nestes sistemas de tubaxes, o tipo de válvula escollido é a válvula de bola.

TUBERÍAS
Aínda que a maioría das tubaxes están ocultas á vista, a súa presenza adoita ser evidente. Os pequenos sinais que indican "tubaxe de petróleo" son un indicador obvio da presenza de tubaxes de transporte subterráneas. Estas tubaxes están equipadas con moitas válvulas importantes ao longo da súa lonxitude. As válvulas de peche de emerxencia das tubaxes atópanse a intervalos especificados polas normas, os códigos e as leis. Estas válvulas cumpren o servizo vital de illar unha sección dunha tubaxe en caso de fuga ou cando se require mantemento.

Tamén se atopan dispersas ao longo da ruta dunha tubaxe, instalacións onde a liña sae do chan e hai acceso á liña. Estas estacións albergan o equipo de lanzamento de "pigs", que consiste en dispositivos inseridos nas tubaxes para inspeccionar ou limpar a liña. Estas estacións de lanzamento de pigs adoitan conter varias válvulas, xa sexan de compuerta ou de bóla. Todas as válvulas dun sistema de tubaxes deben ser de porto completo (apertura total) para permitir o paso de pigs.

As tubaxes tamén precisan enerxía para combater a fricción da tubaxe e manter a presión e o fluxo da liña. Úsanse estacións de compresión ou bombeo que parecen versións pequenas dunha planta de proceso sen as altas torres de craqueo. Estas estacións albergan ducias de válvulas de compuerta, de bola e de retención nas tubaxes.
As propias tubaxes están deseñadas de acordo con varias normas e códigos, mentres que as válvulas para tubaxes seguen as válvulas para tubaxes API 6D.
Tamén hai tubaxes máis pequenas que alimentan casas e estruturas comerciais. Estas liñas fornecen auga e gas e están protexidas por válvulas de peche.
Os grandes concellos, especialmente na parte norte dos Estados Unidos, fornecen 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 as temperaturas son máis baixas que as que se atopan na xeración de vapor das centrais eléctricas. Neste servizo utilízase unha variedade de tipos de válvulas, aínda que a venerable válvula de macho segue a ser unha opción popular.

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

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

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

QUÍMICO
A industria química é unha gran usuaria de válvulas de todo tipo e materiais. Desde pequenas plantas de produción de lotes ata os enormes complexos petroquímicos que se atopan na costa do Golfo, as válvulas constitúen unha parte fundamental dos sistemas de tubaxes para procesos químicos.

A maioría das aplicacións en procesos químicos teñen unha presión máis baixa que moitos procesos de refinado 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 maior impulsor da toma de control da cota de mercado que as válvulas de bola lle arrebataron ás válvulas lineais nos últimos 40 anos. A válvula de bola con asento elástico, co seu peche sen fugas, encaixa perfectamente en moitas aplicacións de plantas químicas. O tamaño compacto da válvula de bola tamén é unha característica popular.
Aínda existen algunhas plantas químicas e procesos de plantas onde se prefiren as válvulas lineais. Nestes casos, as populares válvulas deseñadas segundo a norma API 603, con paredes máis finas e pesos máis lixeiros, adoitan ser a válvula de compuerta ou de globo preferida. O control dalgúns produtos químicos tamén se consegue de forma eficaz con válvulas de diafragma ou de pinza.
Debido á natureza corrosiva de moitos produtos químicos e procesos de fabricación de produtos químicos, a selección do material é fundamental. O material de facto é o aceiro inoxidable austenítico de grao 316/316L. Este material funciona ben para combater a corrosión dunha serie de fluídos ás veces desagradables.

Para algunhas aplicacións corrosivas máis resistentes, necesítase máis protección. Nestas situacións, adoitan elixirse outras calidades de alto rendemento de aceiro inoxidable austenítico, como o 317, o 347 e o 321. Outras aliaxes que se empregan de cando en vez para controlar os fluídos químicos inclúen o Monel, a aliaxe 20, o Inconel e o 17-4 PH.

SEPARACIÓN DE GNL E GAS
Tanto o gas natural líquido (GNL) como os procesos necesarios para a separación de gases dependen de tubaxes extensas. Estas aplicacións requiren válvulas que poidan funcionar a temperaturas crioxénicas moi baixas. A industria do GNL, que está a medrar rapidamente nos Estados Unidos, busca continuamente actualizar e mellorar o proceso de licuefacción de gas. Con este fin, 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 que cumpran parámetros máis estritos. As válvulas de bola e de bolboreta de cuarto de volta son populares para o servizo de GNL, sendo o aceiro inoxidable 316 [316ss] o material máis popular. A clase ANSI 600 é o límite 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 implica dividir o gas nos seus elementos básicos individuais. Por exemplo, os métodos de separación de aire producen nitróxeno, osíxeno, helio e outros gases traza. A natureza de moi baixa temperatura do proceso significa que se requiren moitas válvulas crioxénicas.

Tanto as plantas de separación de GNL como as de gas teñen válvulas de baixa temperatura que deben seguir funcionando nestas condicións crioxénicas. Isto significa que o sistema de empaquetadura da válvula debe elevarse lonxe do fluído de baixa temperatura mediante o uso dunha columna de gas ou de condensación. Esta columna de gas impide que o fluído forme unha bóla de xeo arredor da área de empaquetadura, o que impediría que o vástago da válvula xirase ou subise.

EDIFICIOS COMERCIAIS
Os edificios comerciais rodéannos, pero a menos que prestemos moita atención mentres se constrúen, temos pouca idea da multitude de arterias de fluído agochadas dentro das súas paredes de mampostería, 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 de hidróxeno/osíxeno en forma de fluídos potables, augas residuais, auga quente, augas grises e protección contra incendios.

Desde o punto de vista da supervivencia dun edificio, os sistemas contra incendios son os máis importantes. A protección contra incendios nos edificios case universalmente abastécese e énchese de auga limpa. Para que os sistemas de auga contra incendios sexan eficaces, deben ser fiables, ter presión suficiente e estar convenientemente situados por toda a estrutura. Estes sistemas están deseñados para activarse automaticamente en caso de incendio.
Os edificios rañaceos 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 levar a auga cara arriba. Os sistemas de tubaxes 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 de condutores contraincendios.

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

No que respecta ao vapor, algunhas válvulas de cuarto de volta fixeron avances no seu uso, pero moitos enxeñeiros de fontanería aínda dependen de válvulas de compuerta lineais e de globo, especialmente se as tubaxes requiren extremos soldables a tope. Para estas aplicacións de vapor moderadas, o aceiro substituíu o ferro fundido debido á súa soldabilidade.

Algúns sistemas de calefacción empregan auga quente en lugar de vapor como fluído de transferencia. Estes sistemas funcionan ben con válvulas de bronce ou ferro. As válvulas de bóla e de bolboreta con asento elástico de cuarto de volta son moi populares, aínda que aínda se usan algúns deseños lineais.

CONCLUSIÓN
Aínda que pode que non se vexan probas das aplicacións das válvulas mencionadas neste artigo 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 cara ao motor e as do motor que controlan o fluxo de gasolina cara aos pistóns e cara a fóra. E se esas válvulas non están o suficientemente preto das nosas vidas cotiás, considere a realidade de que os nosos corazóns laten regularmente a través de catro dispositivos vitais de control de fluxo.

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

GREG JOHNSON é o presidente de United Valve (www.unitedvalve.com) en Houston. É editor colaborador da revista VALVE, expresidente do Valve Repair Council e actual membro da xunta directiva de VRC. Tamén forma parte do Comité de Educación e Formación da VMA, é vicepresidente do Comité de Comunicacións da VMA e expresidente da Manufacturers Standardization Society.