En cuestión de fugas: "NO SE PUEDEN APLICAR LOS MISMOS CRITERIOS A UNA VÁLVULA DE CONTROL (MODULANTE) QUE UNA VÁLVULA ON-OFF"
Este artículo surgió ante las frecuentes contradicciones encontradas en las especificaciones de ingenierías y clientes.
Es muy común que en un proyecto, se parta de unos requisitos que se exige cumplir, pero no se selecciona correctamente la válvula adecuada que pueda cumplir con esos requisitos. En otras ocasiones sucede lo contrario, se sabe que tipo de válvula se necesita instalar, pero no se selecciona correctamente los requisitos, ni la normativa que se le exigirá al fabricante.
El objetivo de este artículo, es presentar algunos conceptos básicos y ejemplos prácticos, que permitan seleccionar con criterio, que requisitos de fugas se deberían solicitar según la función, tipo, aplicación… de las válvulas on-off y manuales.
1. EMSIONES FUGITIVAS
1.1. Qué son las emisiones fugitivas
1.2. Aspectos a tener en cuenta en las Emisiones fugitivas
1.3. Soluciones para las emisiones fugitivas
1.4. Normativa y ejemplos reales
1.5. Sistemas de detección de fugas
2. FUGAS EN EL PROCESO
2.1. Qué son las fugas en el proceso
2.2. Test de estanquidad en cuanto al cierre
2.2.1. ANSI/FCI 70-2
2.2.2. API 598
2.2.3. MSS SP-61
2.2.4. MSS SP-81
3. RECOMENDACIONES PARA LA SELECCIÓN DEL TIPO DE VÁLVULA Y TEST DE FUGA
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Las fugas en válvulas se clasifican en dos tipos:
-Las emisiones fugitivas
-Las fugas en el proceso
1. EMSIONES FUGITIVAS
1.1. Qué son las emisiones fugitivas
Las emisiones fugitivas son las fugas del fluido de proceso hacia el exterior.
Se tomarán medidas para limitar las emisiones fugitivas de la válvula, principalmente por razones de seguridad y/o ambientales (fluidos tóxicos o que contaminan el medio ambiente).
Además de aislar el exterior de la válvula en algunas ocasiones, se busca aislar la válvula del exterior. Por ejemplo, se debe prestar especial atención en procesos que trabajen con presiones por debajo de la atmosférica (vacío), en este tipo de aplicaciones, suelen ser los gases del exterior, los que se podrían filtrar en el proceso.
El elemento que en la mayoría de los casos ejerce de aislamiento entre el fluido de proceso y el exterior, es el packing (empaquetadura).
El packing son unos anillos (normalmente de grafito, PTFE o una combinación de ambos), que rodea y aprieta el vástago (en válvulas lineales) o el eje (en válvulas rotativas), manteniendo aislando el proceso del exterior y permitiendo a su vez, que la válvula se mueva.
Las empaquetaduras hay que cambiarlas periódicamente (tendiendo especial atención si los fluidos que circulan son peligrosos).
Otro elemento que interviene en la estanquidad con el exterior, es la junta tapa cuerpo.
Para evitar fugas, durante la ingeniería se debe seleccionar adecuadamente el material de la junta.
Además es muy importante que el diseño del alojamiento de la junta, propuesto por el fabricante sea adecuado.
Durante la fabricación se debe exigir un buen acabado superficial.
Y una vez fabricada, se evitarán fugas si se realiza un montaje correcto en fábrica, proporcionando el par de apriete recomendado y usando los materiales de los tornillos adecuados.
En algunas ocasiones, se especifica un cordón de soldadura alrededor, para asegurarse que esta unión, no sea una fuente potencial de fugas.
1.2. Aspectos a tener en cuenta en las Emisiones fugitivas
El primer aspecto a tener en cuenta, es el tipo de válvula.
Se debe distinguir entre:
-Válvulas de desplazamiento rotativo (Bola, mariposa, macho…)
-Válvulas de desplazamiento lineal (Globo, compuerta, tajadera…)
Las válvulas rotativas tienen por lo general unas emisiones mucho más bajas, principalmente porque la empaquetadura sufre un menor desgaste durante el movimiento rotativo de 90º, que durante un movimiento lineal de traslación.
Por otro lado, en algunas válvulas rotativas (como por ejemplo las de bola flotante) las empaquetaduras no son la barrera principal que asila del exterior. Además de las empaquetaduras, en este tipo de válvula, los propios asientos de la válvula aísla la empaquetadura (mientras estos cierren bien).
Otro aspecto a considerar, es cuantos ciclos se estima que realizará la válvula al día.
El número de ciclos, está muy relacionado con el desgaste de los elementos que hacen de aislante con el exterior.
Por ejemplo, en las válvulas lineales o de vástago deslizante que se les vaya a exigir un elevado número de ciclos, si el fluido del proceso fuera perjudicial para las personas o para el medio ambiente, además de buscar una solución que garantice un bajo valor de emisiones fugitivas, se tendrá que hacer especial hincapié en realizar un adecuado mantenimiento de las empaquetaduras.
1.3. Soluciones para las emisiones fugitivas
Algunas soluciones técnicas que permiten limitar las emisiones fugitivas son:
- Instalar empaquetaduras de bajas emisiones. Estas empaquetaduras están especialmente diseñadas para reducir las posibles emisiones fugitivas.
Actualmente, la mejora continua en materiales y diseños, ha permitido que en muchas aplicaciones, las empaquetaduras de bajas emisiones, sean una de las mejores opciones.
Como inconveniente, en algunos casos podría ser el precio.
Con empaquetaduras de grafito el actuador puede requerir una mayor fuerza para poder desplazar el vástago adecuadamente.
Una de las empaquetaduras especiales más conocidas con los anillos en V (Packing V Rings).
Además de suponer un extra-coste, la vida útil de un fuelle está limitado a un número de ciclos (por ejemplo, 100.000-500.000 ciclos, según sean carreras completas o parciales), tras los cuales será recomendable cambiarlo.
- Presurizar la empaquetadura. En algunas aplicaciones con válvulas lineales, se presuriza la empaquetadura con un cajeado especial.
Se instala tubing transportando algún fluido (por ejemplo, agua de servicios o un gas inerte) para garantizar, que no sea el fluido del ambiente, el que se filtre en el proceso. El principal problema es que el fluido utilizado debe ser compatible con el que circula por el proceso y debe estar a mayor presión que este.
- Apretar las empaquetaduras. Cuando la empaquetaduras empiecen a fugar, en muchos casos se soluciona apretando la empaquetadura (sin pasarse del par de apriete, recomendado por el suministrador), hasta que no se pueda apretar más y se tenga que sustituir la empaquetadura.
1.4. Normativa y ejemplos reales
En muchas ocasiones, los requisitos de bajas emisiones se enfoca de una forma poco precisa, y se acaba resolviendo con una solución técnica, igual a lo aplicado en otros proyectos similares.
Cuando las emisiones fugitivas se consideren un punto crítico (por ejemplo que puedan poner en riegos la salud de las personas), se aconseja no buscar soluciones genéricas y estudiar más en detalle las distintas posibilidades y sus implicaciones (no limitarse a decir "se necesita una válvula que fugue poco").
Una vez concretado los requisitos, las ingenierías/clientes, deberían de colaborar con los suministradores/fabricantes, para seleccionar una solución técnica adecuada y después establecer las condiciones de verificación con un test de referencia que permita certificar la ejecución.
Se concretará que test (examen), se va a solicitar, para asegurar que esa válvula, disponga de una estanquidad mínima con un criterio objetivo (por ejemplo: ANSI/FCI-91.1, ISO-15848 (1 o 2) o API-622).
En función de las peculiaridades de cada aplicación (si la válvula es modulante o todo nada, si es rotativa o lineal, si el suministrador es un fabricante reconocido…), se pueden llegar a distintas solución.
Por ejemplo, muchas válvulas manuales (de desplazamiento lineal), instaladas en líneas que trabajaban en vacío severo (presión inferior a la atmosférica), era muy común presurizar las empaquetaduras llevando una toma de agua. Actualmente (si las válvulas no son muy grandes), se están usando principalmente fuelles.
En las válvulas de control o todo-nada (suministradas por fabricantes reconocidos), instaladas en servicios de vacío, es más común ver empaquetaduras de bajas emisiones.
Cuando se esté trabajando con fluidos tipo VOC o tipo HAP, normalmente se tendrá que buscar una solución, que asegure un buen nivel de estanquidad, como por ejemplo, una empaquetadura de bajas emisiones, como la que se mencionaba en el ejemplo anterior.
Nota: Cuando se habla de fluidos tóxicos, es común hablar de fluidos VOC (Compuestos Orgánicos Volátiles) estos compuestos son nocivos para la salud humana, y su emisión a la atmosfera suele estar limitada por la normativa ambiental de cada país (por ejemplo <500 ppm), lo mismo les ocurre a los compuestos clasificados como HAP (Hidrocarburos Aromáticos Polocíclicos), compuestos nocivos para la salud y el medio ambiente.
Además de los compuestos tóxicos, en una industria nos podemos encontrar con compuestos letales. Compuestos que incluso con una baja concentración, pueden causar la muerte para una persona. La limitación de emisiones para este tipo de compuesto, debería llevar a buscar la mejor solución técnica, que asegure casi una total estanquidad, como por ejemplo, el uso de fuelles.
1.5. Sistemas de detección de fugas
Hay varios métodos que pueden ayudar a detectar el fallo de estanquidad en el packing.
El método más sencillo, es ver a simple vista que hay una fuga de vapor o líquido por la empaquetadura. No se recomienda que este sea el método utilizado, porque normalmente esto sería ya una fuga demasiado grande.
Normalmente ver directamente la fuga no es posible, además tampoco será visible la entrada de aire cuando la válvula trabaje a vacío y por otro lado si el fluido es letal no es conveniente acercase para comprobar si la válvula fuga.
Otros métodos para detectar fugas, es tener identificadas ciertas anomalías en las variables de proceso que podrían estar relacionadas con un fallo en las empaquetaduras, valores anómalos de presión, caudal, etc...
Se pueden colocar transmisores de presión en los diafragmas cuyas variaciones de presión pueden ayudar detectar fallos en las empaquetaduras.
Estos métodos se pueden combinar con un sistema de análisis de sonidos. Se pueden colocar puntualmente sensores en las válvulas y tuberías que nos ayude a deducir si la válvula está fugando o no.
Muchas de estas herramientas, se pueden aplicar de forma muy similar para detectar las fugas en el proceso, que son las fugas que vamos a estudiar a continuación.
2. FUGAS EN EL PROCESO
2.1. Qué son las fugas en el proceso
Cuando se mencionan las fugas de una válvula, lo más habitual es que se esté haciendo referencia a las fugas de la válvula en el proceso, es decir como actúa la válvula como elementos de cierre.
Aunque la válvula intente estar cerrada, nunca es totalmente estanca, hay una cantidad de partículas que podrían pasar de un lado a otro de la tubería.
Según cada aplicación el ingeniero debe establecer si se debe limitar o no el nivel de fugas admisibles en la válvula.
2.2. Test de estanquidad en cuanto al cierre
Es muy común, leer como requisito de fuga en las hojas de datos de una válvula, “tight shutoff” o “fuga cero”. Sin embargo muchos pensamos que esto es un error muy extendido.
“Tight shutoff” es un término que no acota ningún criterio objetivo, y “fuga cero” es algo imposible de cumplir, no existe la válvula totalmente estanca.
Decir al suministrador “se exige una válvula tight shutoff”, y que responda “esta válvula es tight shutoff”, es lo mismo que decir: “se necesita una válvula que fugue poco” y que el suministrador responda “esta fuga poco”. Pero...¿Cuánto es poco?.
Poco, mucho, bastante,... no son términos ingenieriles, en ingeniería se exige ser precisos y tener criterios objetivos.
Para limitar de forma objetiva las fugas permitidas a cada válvula, hay varias normas que ayudarán a seleccionar el examen que deberían pasar la válvula, y así validar su aplicación en un proceso determinado.
No obstante estas pruebas se realizan antes de instalar la válvula en la tubería, con lo cual no tienen en cuenta la capacidad del equipo de mantener esta hermeticidad durante la operación real del equipo, causada por desgaste obstrucción del asiento, mal funcionamiento del equipo, etc.
2.2.1. ANSI/FCI 70-2
ANSI/FCI 70-2 o su equivalente IEC 534-4 es la norma más conocida que trata el tema de fugas de proceso. "Pero, esta norma, no se debería aplicar a válvulas manuales ni a válvulas ON-OFF"
Esta la norma ha sido desarrollada para válvulas de control modulantes (por ejemplo tipo globo, mariposa, bola excéntrica,..).
Dicha norma establece seis categorías, que denominan la clase del cierre (Clase I, II, III, IV, V o VI), siendo la “Clase I” el test menos restrictivo y la Clase VI la más restrictivas.
Lo más común en las especificaciones de los clientes, es que las válvulas que trabajen modulando se defina una clase IV, y las válvulas que tengan una función todo-nada (función de corte) se les defina una clase V, y en las válvulas cuya fuga sea un aspecto muy crítico se suele definir Clase VI”. Sin embargo, pese a lo que digan las obsoletas especificaciones, este criterio generalizado "NO ES RECOMENDABLE" y es en muchas ocasiones el origen de unas cuantas incongruencias.
Algunos clientes solicitan realizar estas pruebas a válvulas que ni son de control ni de globo ni de mariposa. Esto supone que para algunas válvulas de bola todo-nada, que tienen un test especifico (se podría decir más severo) se les solicita una clase según ANSI/FCI 70-2.
Muchos fabricantes de válvulas de bola estancas, no tiene la opción de realizar esta prueba pero si la hicieran seguramente muchos la pasarían, y sin embargo las válvulas de tajadera que tiene otra norma específica para analizar la calidad de su estanquidad, si tuvieran que pasar el test de clase IV según ANSI/FCI 70-2, seguramente muchas no cumplirían. En esto influye mucho el tamaño de la válvula que define el perímetro de cierre.
"No se debe seleccionar un test fugas, sin tener en cuenta el tipo de válvula"
2.2.2. API 598
Este norma puede aplicarse a válvulas de compuerta, bola, macho, globo, check y mariposa.
Principalmente se exige a las válvulas todo-nada. No es habitual solicitar este test a las válvulas de control.
2.2.3. MSS SP-61
Al igual que el API 598, esta norma está principalmente elaborada para válvulas todo-nada, no es habitual solicitar este test a las válvulas de control.
Es una norma bastante exigente y principalmente se exige a las válvulas de bloqueo o válvulas que deban mantener una severa estanquidad al cerrar.
Nota: Un ejemplo, donde se puede ver este requerimiento de estanquidad, aplicado a válvulas de control, es en la válvula de atemperación del vapor principal, en una plantas de energía.
En lugar de solicitar este requisito de fugas a la válvula de atemperación, se puede instalar una válvula todo-nada antes de la válvula de atemperación, que si pueda cumplir fácilmente con MSS SP-61.
2.2.4. MSS SP-81
En esta norma (que en presión de prueba y fugas refiere a SP-151) indica los requisitos para válvulas de tajadera (knife valves).
Los requisitos, para cumplir esta norma no son muy exigentes debido a que mecánicamente la estanquidad de este tipo de válvulas es muy limitada.
Nota: Se han mencionado sólo algunos de los distintos test que están normalizados. Sin embargo puede que en algún caso particular, no exista el test, que reamente satisfaga las necesidades de una determina instalación. En este caso, un buen ingeniero debe saber cuando saltarse el guión, y solicitar detalladamente, que pruebas más allá de la norma, considera necesarias realizar.
Cómo ejemplo, en una aplicación de una planta petroquímica en la prueba de fugas, al cliente no le pareció suficiente, el tiempo establecido por la norma. Por lo que contrató otro tiempo mínimo. Esto supuso un extra-coste, pero llegado el día de la prueba en lugar de realizar los pasos habituales, pusieron la válvula en el banco de prueba y transcurrido el tiempo preestablecido, comprobaron que la válvula mantenía su estanquidad.
3. RECOMENDACIONES PARA LA SELECCIÓN DE TIPO DE VÁLVULA Y TEST DE FUGA
Buscar una solución técnica para reducir las emisiones fugitivas podría ser relativamente sencillo aplicando algunas de las recomendaciones indicadas en el punto 1 de este artículo.
Sin embargo seleccionar la válvula adecuada que cumpla la estanquidad requerida por el proceso, quizás sea más complejo y en ciertos casos puede requerir de bastante experiencia. No obstante a continuación se enumeran algunas preguntas, que pueden ayudar a seleccionar la válvula y el test adecuado.
1º- ¿Qué función cumple la válvula?
La función que cumple la válvula, suele ser un factor relevante a la hora seleccionar los requisitos de estanquidad.
Una válvula de seguridad cuya función principal es estar cerrada mientras no hay sobrepresión, posiblemente los requisitos de fugas exigidos serán más estrictos que una válvula cuya función principal sea controlar modulando el paso del fluido durante la operación normal de la planta.
2º- ¿Qué presupuesto tenemos?
En la mayoría de los casos el presupuesto será limitado. Si tenemos un asiento metal metal y se propone instalar una válvula de mariposa, no es lo mismo que esa mariposa sea convencional a que sea triple-excéntrica.
En el caso de la válvula de mariposa triple excéntrica, se está llegando a unos valores de fugas muy bajos, pero el precio varía inversamente, casi en la misma magnitud.
3º- ¿Cuál es el tamaño de la línea?
El presupuesto, está muy ligado al tamaño de la válvula.
Nota: Normalmente, las válvulas manuales y las válvulas On-Off suelen especificarse del mismo tamaño de la línea donde van instaladas.
No es lo mismo buscar un tipo de válvula que fugue poco con un tamaño de 1", que para un tamaño superior de 6".
En tamaños de 2" o menores, si se requiere una buena estanquidad es muy común instalar válvulas de bola. Si embargo el precio de la bola se dispara cuando se habla de tamaños más grandes (por ejemplo >6"), en estos casos es más habitual seleccionar válvulas tipo mariposa.
4º- ¿Qué características tiene el fluido que queremos mantener estanco?
¿Es un gas, un líquido o con sólidos en suspensión? ¿Qué viscosidad tiene?
Por ejemplo, en papeleras se suele utilizar válvulas tajadera para la pasta viscosa con la que se fabricará el papel.
5º- ¿A qué temperatura trabaja el proceso?
Antes se comentaba, que una válvula de mariposa convencional con un asiento metal metal, costará bastante caro requerir una limitación de fugas muy exigente.
Sin embargo si la temperatura del proceso no es elevada, quizás se podría instalar un asiento blando y resulta bastante sencillo encontrar válvulas de mariposa con asientos blandos, y con alto grado de estanquidad.
Otro ejemplo son las válvulas de diafragma (muy utilizadas en el sector de alimentación y químico con fluidos corrosivos), en algunas aplicaciones este tipo de válvulas pueden lograr altos nivel de estanquidad, pero su uso está limitado por la temperatura de diseño.
6º- ¿Es un fluido abrasivo?
Además de la temperatura, la abrasividad del fluido puede llevar a instalar un asiento metálico (que además podría requerir un recubrimiento especial). Como se veía en el punto anterior, definir un tipo de asiento metal-metal, condicionará los requerimientos solicitados de fugas.
7º- ¿Es un fluido corrosivo?
Al igual que la abrasión otro aspecto a tener en cuenta será la corrosión.
Sin embargo, esta característica muchas veces puede jugar a favor de la fuga, porque dependiendo del tipo de fluido del proceso, puede ocurrir que los asientos blandos sean más resistentes a la corrosión que algunos asientos metálicos. En cuyo caso sería más sencillo encontrar una válvula con alto grado de estanquidad.
8º- ¿Hay sólidos en suspensión?
En muchas aplicaciones se requiere que la válvula no presente ninguna restricción en el paso del fluido. Esto es habitual en fluidos que tengan sólidos en suspensión.
Cuando las partículas tienen un tamaño considerable (peor aún cuando además son pegajosas), cualquier restricción podría retener progresivamente los sólidos, llegando a obstruir total o parcialmente el paso del fluido.
Para estas aplicaciones, hay muchos diseño de bola que tienen paso pleno y a su vez permiten uno bajos niveles de fugas (mientras no se depositen partículas sólidas entre la bola y el cuerpo).
Limitar las fugas normalmente requiere de mantener bastante apretado los internos, cuando el tamaño de la válvula es considerable esto podría requerir un esfuerzo excesivo. Para evitar estos esfuerzos con grandes tamaños de tuberías, se utiliza las válvulas tipo "Expanding plug". En estas válvulas el obturador se expande cuando la válvula tiene que permanecer cerrada. Este tipo de válvulas, tiene un paso prácticamente pleno y un nivel alto de estanquidad (se utiliza por ejemplo en el transvase de combustible en los aeropuertos).
Nota: Este tipo de válvula logran su estanquidad generalmente con juntas de goma, por lo que habrá que considerar si la temperatura de diseño permite su instalación.
En tamaños aún mayores y en algunas aplicaciones bastante particulares (por ejemplo transportando ciertos derivados del petróleo), se usan válvulas de compuerta de expansión.
9º- ¿Qué caída de presión se puede permitir?
El paso pleno, no sólo es requerido por la presencia de sólidos en suspensión, en muchas ocasiones vendrá requerido por la limitación de perdida de carga que se pueda aceptar con la válvula totalmente abierta.
Esta máxima perdida de carga admisible, limitará el tipo de válvulas que se pueden seleccionar.
Por ejemplo, las válvulas de globo (que son muy utilizadas como válvulas de control), pueden presentar una alta pérdida de carga incluso cuando están totalmente abiertas.
Resumen:
Todos estos puntos sólo son algunas de las consideraciones que habrá que tener en cuenta a la hora de seleccionar el tipo de válvula.
Visto esto, no es de extrañar que en la mayoría de los casos se decida instalar la misma válvula que se haya instalado en un proyecto similar. No obstante y tras haber analizado, como pueden afectar los requisitos de las fugas a la selección adecuada de la válvula, lo que realmente habría de preguntarse durante la especificación de estos equipos es:
“¿Realmente se necesita que… la válvula sea tan estanca…” (en algunos casos si, en otro puede que no)
Si se desea saber más sobre este tema recomendamos al lector el artículo “Fugas En Válvulas De Control”, o el libro de “Válvulas de Control. Selección y Cálculo” escritos por Antonio Campo.
Agradecemos las aclaraciones recibidas de Antonio Campo
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
Elaborado por: Julio César Fernández Losa 22/07/2017