On s'utilitzen les vàlvules: a tot arreu!

8 de novembre de 2017 Escrit per Greg Johnson

Avui dia, les vàlvules es poden trobar gairebé a qualsevol lloc: a les nostres cases, sota el carrer, als edificis comercials i a milers d'indrets dins de plantes d'aigua i d'energia, fàbriques de paper, refineries, plantes químiques i altres instal·lacions industrials i d'infraestructures.
La indústria de les vàlvules és realment àmplia, amb segments que varien des de la distribució d'aigua fins a l'energia nuclear fins al petroli i el gas aigües amunt i avall. Cadascuna d'aquestes indústries d'usuari final utilitza alguns tipus bàsics de vàlvules; tanmateix, els detalls de construcció i materials sovint són molt diferents. Aquí teniu una mostra:

OBRES D'AIGUA
En el món de la distribució d'aigua, les pressions són gairebé sempre relativament baixes i les temperatures ambientals. Aquests dos fets d'aplicació permeten una sèrie d'elements de disseny de vàlvules que no es trobarien en equips més desafiats, com ara vàlvules de vapor d'alta temperatura. La temperatura ambient del servei de l'aigua permet l'ús d'elastòmers i segells de cautxú no adequats en altres llocs. Aquests materials tous permeten equipar vàlvules d'aigua per segellar hermèticament els degoteigs.

Una altra consideració a les vàlvules de servei d'aigua és l'elecció dels materials de construcció. Les ferros colades i dúctils s'utilitzen àmpliament en sistemes d'aigua, especialment en línies de gran diàmetre exterior. Les línies molt petites es poden manejar força bé amb materials de vàlvula de bronze.

Les pressions que veuen la majoria de les vàlvules d'aigua són generalment molt per sota dels 200 psi. Això vol dir que no calen dissenys amb parets més gruixudes i a pressió més alta. Dit això, hi ha casos en què es construeixen vàlvules d'aigua per suportar pressions més altes, fins a uns 300 psi. Aquestes aplicacions solen ser en aqüeductes llargs propers a la font de pressió. De vegades, les vàlvules d'aigua de pressió més alta també es troben als punts de pressió més alta d'una presa alta.

L'American Water Works Association (AWWA) ha publicat especificacions que cobreixen molts tipus diferents de vàlvules i actuadors utilitzats en aplicacions d'aigua.

AIGÜES RESIDUALS
L'altra cara de l'aigua potable fresca que entra a una instal·lació o estructura és la sortida d'aigües residuals o clavegueram. Aquestes línies recullen tots els líquids i sòlids residuals i els dirigeixen a una depuradora. Aquestes plantes de tractament disposen de moltes canonades i vàlvules de baixa pressió per realitzar el seu "treball brut". Els requisits per a les vàlvules d'aigües residuals en molts casos són molt més indulgents que els requisits per al servei d'aigua neta. La comporta de ferro i les vàlvules de retenció són les opcions més populars per a aquest tipus de servei. Les vàlvules estàndard d'aquest servei es construeixen d'acord amb les especificacions AWWA.

INDÚSTRIA ELÈCTRICA
La major part de l'energia elèctrica generada als Estats Units es genera en plantes de vapor mitjançant turbines de combustible fòssil i d'alta velocitat. Retirar la coberta d'una central elèctrica moderna donaria una visió dels sistemes de canonades d'alta pressió i alta temperatura. Aquestes línies principals són les més crítiques en el procés de generació d'energia de vapor.

Les vàlvules de compuerta segueixen sent una opció principal per a les aplicacions d'encesa/apagada de centrals elèctriques, tot i que també es troben vàlvules de globus en Y amb propòsits especials. Les vàlvules de bola d'alt rendiment i de servei crític estan guanyant popularitat entre alguns dissenyadors de centrals elèctriques i estan fent incursions en aquest món abans dominat per les vàlvules lineals.

La metal·lúrgia és fonamental per a les vàlvules en aplicacions de potència, especialment aquelles que operen en els rangs de funcionament supercrítics o ultrasupercrítics de pressió i temperatura. F91, F92, C12A, juntament amb diversos Inconel i aliatges d'acer inoxidable s'utilitzen habitualment a les centrals elèctriques actuals. Les classes de pressió inclouen 1500, 2500 i, en alguns casos, 4500. La naturalesa moduladora de les centrals elèctriques de punta (les que funcionen només segons sigui necessari) també imposa una gran pressió a les vàlvules i canonades, i requereixen dissenys robustos per manejar la combinació extrema de cicles, temperatura i pressió.
A més de la vàlvula de vapor principal, les centrals elèctriques estan carregades de canonades auxiliars, poblades per una infinitat de vàlvules de porta, globus, vàlvules de retenció, de papallona i de bola.

Les centrals nuclears funcionen amb el mateix principi de turbina de vapor/alta velocitat. La diferència principal és que en una central nuclear, el vapor es crea per la calor del procés de fissió. Les vàlvules de les centrals nuclears són similars a les seves primeres alimentades amb combustibles fòssils, excepte pel seu pedigrí i el requisit afegit de fiabilitat absoluta. Les vàlvules nuclears es fabriquen amb uns estàndards extremadament elevats, amb la documentació de qualificació i inspecció que omple centenars de pàgines.

PRODUCCIÓ DE PETROLI I GAS
Els pous de petroli i gas i les instal·lacions de producció són grans usuaris de vàlvules, incloses moltes vàlvules de gran resistència. Tot i que ja no és probable que es produeixin brots de petroli que escullen centenars de peus a l'aire, la imatge il·lustra la pressió potencial del petroli i el gas subterranis. És per això que els caps de pou o arbres de Nadal es col·loquen a la part superior de la llarga cadena de canonades d'un pou. Aquests conjunts, amb la seva combinació de vàlvules i accessoris especials, estan dissenyats per manejar pressions superiors a 10.000 psi. Tot i que rarament es troben en pous excavats a terra en aquests dies, les altes pressions extremes es troben sovint en pous profunds en alta mar.

El disseny d'equips de cap de pou està cobert per les especificacions de l'API com ara 6A, especificació per a equips de cap de pou i arbre de Nadal. Les vàlvules cobertes en 6A estan dissenyades per a pressions extremadament altes però temperatures modestes. La majoria dels arbres de Nadal contenen vàlvules de comporta i vàlvules de globus especials anomenades chokes. Les boques s'utilitzen per regular el cabal del pou.

A més dels propis caps de pou, moltes instal·lacions auxiliars poblen un jaciment de petroli o gas. Els equips de procés per pretractar el petroli o el gas requereixen una sèrie de vàlvules. Aquestes vàlvules solen ser d'acer al carboni classificat per a classes inferiors.

De vegades, un fluid altament corrosiu (sulfur d'hidrogen) està present al corrent de petroli en brut. Aquest material, també anomenat gas àcid, pot ser letal. Per superar els reptes del gas àcid, s'han de seguir materials especials o tècniques de processament de materials d'acord amb l'especificació internacional MR0175 de la NACE.

INDÚSTRIA OFFSHORE
Els sistemes de canonades per a plataformes petrolieres i instal·lacions de producció en alta mar contenen una multitud de vàlvules construïdes amb moltes especificacions diferents per fer front a l'àmplia varietat de reptes de control de flux. Aquestes instal·lacions també contenen diversos llaços del sistema de control i dispositius d'alleujament de pressió.

Per a les instal·lacions de producció de petroli, el cor arterial és el sistema de canonades de recuperació de petroli o gas real. Encara que no sempre a la plataforma en si, molts sistemes de producció utilitzen arbres de Nadal i sistemes de canonades que operen a les profunditats inhòspites de 10.000 peus o més. Aquest equip de producció està construït segons molts estàndards exigents de l'American Petroleum Institute (API) i es fa referència a diverses pràctiques recomanades de l'API (RP).

A la majoria de plataformes petrolieres grans, s'apliquen processos addicionals al fluid en brut procedent del cap de pou. Aquests inclouen la separació de l'aigua dels hidrocarburs i la separació de gasos i líquids de gas natural del corrent de fluids. Aquests sistemes de canonades posteriors a l'arbre de Nadal es construeixen generalment segons els codis de canonades de la Societat Americana d'Enginyers Mecànics B31.3 amb les vàlvules dissenyades d'acord amb les especificacions de vàlvules API com ara API 594, API 600, API 602, API 608 i API 609.

Alguns d'aquests sistemes també poden contenir vàlvules de porta, de bola i de retenció API 6D. Com que les canonades de la plataforma o el vaixell de perforació són internes a la instal·lació, no s'apliquen els requisits estrictes per utilitzar vàlvules API 6D per a canonades. Tot i que s'utilitzen diversos tipus de vàlvules en aquests sistemes de canonades, el tipus de vàlvula escollit és la vàlvula de bola.

PIPELINES
Tot i que la majoria de canonades estan amagades a la vista, la seva presència sol ser evident. Petits rètols que indiquen "conducte de petroli" són un indicador evident de la presència de canonades de transport subterrànies. Aquestes canonades estan equipades amb moltes vàlvules importants al llarg de la seva longitud. Les vàlvules de tancament de les canonades d'emergència es troben a intervals tal com s'especifiquen per normes, codis i lleis. Aquestes vàlvules serveixen al servei vital d'aïllar una secció d'una canonada en cas de fuga o quan es requereix manteniment.

També es troben disperses al llarg d'un traçat de gasoductes les instal·lacions on la línia emergeix del sòl i hi ha accés a la línia. Aquestes estacions són la llar dels equips de llançament "porc", que consisteixen en dispositius inserits a les canonades per inspeccionar o netejar la línia. Aquestes estacions de llançament de porcs solen contenir diverses vàlvules, ja siguin de porta o de bola. Totes les vàlvules d'un sistema de canonades han de ser de port complet (obertura total) per permetre el pas dels porcs.

Les canonades també necessiten energia per combatre la fricció de la canonada i mantenir la pressió i el cabal de la línia. S'utilitzen compresores o estacions de bombeig que semblen versions petites d'una planta de procés sense les altes torres de cracking. Aquestes estacions acullen desenes de vàlvules de comporta, de bola i de retenció.
Les canonades estan dissenyades d'acord amb diversos estàndards i codis, mentre que les vàlvules de canonades segueixen les vàlvules de canonades API 6D.
També hi ha canonades més petites que alimenten cases i estructures comercials. Aquestes línies proporcionen aigua i gas i estan protegits per vàlvules de tancament.
Els grans municipis, especialment a la part nord dels Estats Units, proporcionen vapor per als requisits de calefacció dels clients comercials. Aquestes línies de subministrament de vapor estan equipades amb una varietat de vàlvules per controlar i regular el subministrament de vapor. Tot i que el fluid és vapor, les pressions i temperatures són inferiors a les que es troben en la generació de vapor de les centrals elèctriques. En aquest servei s'utilitzen diversos tipus de vàlvules, tot i que la venerable vàlvula d'obturació segueix sent una opció popular.

REFINERIA I PETROQUÍMICA
Les vàlvules de refineria representen més ús de vàlvules industrials que qualsevol altre segment de vàlvules. Les refineries acullen tant fluids corrosius com, en alguns casos, altes temperatures.
Aquests factors dicten com es construeixen les vàlvules d'acord amb les especificacions de disseny de vàlvules API, com ara API 600 (vàlvules de compuerta), API 608 (vàlvules de bola) i API 594 (vàlvules de retenció). A causa del dur servei que pateixen moltes d'aquestes vàlvules, sovint es necessita un marge de corrosió addicional. Aquesta tolerància es manifesta mitjançant gruixos de paret més grans que s'especifiquen als documents de disseny de l'API.

Pràcticament tots els tipus de vàlvules principals es poden trobar en abundància en una gran refineria típica. L'omnipresent vàlvula de compuerta segueix sent el rei del turó amb més població, però les vàlvules de quart de volta estan prenent una quantitat cada cop més gran de la seva quota de mercat. Els productes de quart de volta que van tenir èxit en aquesta indústria (que també va estar dominada en el passat pels productes lineals) inclouen vàlvules de papallona de triple compensació d'alt rendiment i vàlvules de bola de seient metàl·lic.

Les vàlvules estàndard de compuerta, globus i vàlvules de retenció encara es troben en massa i, a causa de la generositat del seu disseny i economia de fabricació, no desapareixeran aviat.
Les classificacions de pressió per a les vàlvules de refineria van des de la classe 150 fins a la classe 1500, amb la classe 300 la més popular.
Els acers al carboni senzills, com ara el grau WCB (fosa) i A-105 (forjat) són els materials més populars especificats i utilitzats en vàlvules per al servei de refineria. Moltes aplicacions de processos de refinament empenyen els límits superiors de temperatura dels acers al carboni senzills i s'especifiquen aliatges de temperatura més alta per a aquestes aplicacions. Els més populars d'aquests són els acers de crom/moli com ara 1-1/4% Cr, 2-1/4% Cr, 5% Cr i 9% Cr. Els acers inoxidables i els aliatges d'alt níquel també s'utilitzen en alguns processos de refinació especialment durs.

QUÍMICS
La indústria química és un gran usuari de vàlvules de tot tipus i materials. Des de petites plantes de lots fins als enormes complexos petroquímics que es troben a la costa del Golf, les vàlvules són una part important dels sistemes de canonades de processos químics.

La majoria de les aplicacions en processos químics tenen una pressió més baixa que molts processos de refinament i generació d'energia. Les classes de pressió més populars per a vàlvules i canonades de plantes químiques són les classes 150 i 300. Les plantes químiques també han estat el principal impulsor de la presa de possessió de la quota de mercat que les vàlvules de bola han lluitat amb les vàlvules lineals durant els darrers 40 anys. La vàlvula de bola de seient elàstic, amb el seu tancament sense fuites, s'adapta perfectament a moltes aplicacions de plantes químiques. La mida compacta de la vàlvula de bola també és una característica popular.
Encara hi ha algunes plantes químiques i processos de plantes on es prefereixen les vàlvules lineals. En aquests casos, les populars vàlvules dissenyades per API 603, amb parets més primes i pesos més lleugers, solen ser la vàlvula de compuerta o de globus preferida. El control d'alguns productes químics també s'aconsegueix amb eficàcia amb vàlvules de diafragma o de pessic.
A causa de la naturalesa corrosiva de molts productes químics i processos d'elaboració de productes químics, la selecció de materials és fonamental. El material de facto és el grau 316/316L d'acer inoxidable austenític. Aquest material funciona bé per combatre la corrosió d'una gran quantitat de fluids de vegades desagradables.

Per a algunes aplicacions corrosives més dures, es necessita més protecció. En aquestes situacions s'escullen sovint altres graus d'acer inoxidable austenític d'alt rendiment, com el 317, 347 i 321. Altres aliatges que s'utilitzen de tant en tant per controlar fluids químics inclouen Monel, Alloy 20, Inconel i 17-4 PH.

SEPARACIÓ DE GNL I GAS
Tant el gas natural líquid (GNL) com els processos necessaris per a la separació de gas depenen de canonades extenses. Aquestes aplicacions requereixen vàlvules que puguin funcionar a temperatures criogèniques molt baixes. La indústria del GNL, que està creixent ràpidament als Estats Units, busca contínuament actualitzar i millorar el procés de liqüefacció del gas. Amb aquesta finalitat, les canonades i les vàlvules s'han fet molt més grans i s'han augmentat els requisits de pressió.

Aquesta situació ha obligat els fabricants de vàlvules a desenvolupar dissenys per complir amb paràmetres més exigents. Les vàlvules de bola i papallona de quart de volta són populars per al servei de GNL, amb 316ss [acer inoxidable] el material més popular. La classe ANSI 600 és el sostre de pressió habitual per a la majoria d'aplicacions de GNL. Tot i que els productes de quart de volta són els tipus de vàlvules més populars, també es poden trobar vàlvules de compuerta, globus i vàlvules de retenció a les plantes.

El servei de separació de gasos consisteix a dividir el gas en els seus elements bàsics individuals. Per exemple, els mètodes de separació d'aire produeixen nitrogen, oxigen, heli i altres gasos traça. La naturalesa del procés a molt baixa temperatura fa que es requereixin moltes vàlvules criogèniques.

Tant les plantes de separació de GNL com de gas tenen vàlvules de baixa temperatura que han de romandre operatives en aquestes condicions criogèniques. Això significa que el sistema d'embalatge de la vàlvula s'ha d'elevar lluny del fluid de baixa temperatura mitjançant l'ús d'una columna de gas o de condensació. Aquesta columna de gas evita que el fluid formi una bola de gel al voltant de la zona d'embalatge, cosa que impediria que la tija de la vàlvula giri o pugi.

EDIFICIS COMERCIALS
Els edificis comercials ens envolten, però a menys que prestem molta atenció mentre es construeixen, no tenim cap idea de la multitud d'artèries fluides que s'amaguen dins les seves parets de maçoneria, vidre i metall.

Un denominador comú en pràcticament tots els edificis és l'aigua. Totes aquestes estructures contenen una varietat de sistemes de canonades que transporten moltes combinacions del compost hidrogen/oxigen en forma de fluids potables, aigües residuals, aigua calenta, aigües grises i protecció contra incendis.

Des del punt de vista de la supervivència de l'edifici, els sistemes d'incendis són els més crítics. La protecció contra incendis als edificis s'alimenta i s'omple gairebé universalment amb aigua neta. Perquè els sistemes d'aigua contra incendis siguin efectius, han de ser fiables, tenir la pressió suficient i estar convenientment ubicats a tota l'estructura. Aquests sistemes estan dissenyats per activar-se automàticament en cas d'incendi.
Els edificis de gran alçada requereixen el mateix servei de pressió d'aigua als pisos superiors que els pisos inferiors, de manera que s'han d'utilitzar bombes i canonades d'alta pressió per pujar l'aigua. Els sistemes de canonades solen ser de classe 300 o 600, depenent de l'alçada de l'edifici. En aquestes aplicacions s'utilitzen tot tipus de vàlvules; tanmateix, els dissenys de les vàlvules han de ser aprovats per Underwriters Laboratories o Factory Mutual per al servei principal d'incendis.

Les mateixes classes i tipus de vàlvules que s'utilitzen per a les vàlvules de servei d'incendis s'utilitzen per a la distribució d'aigua potable, tot i que el procés d'aprovació no és tan estricte.
Els sistemes d'aire condicionat comercials que es troben en grans estructures empresarials com ara edificis d'oficines, hotels i hospitals solen estar centralitzats. Disposen d'una gran unitat refrigeradora o caldera per refredar o escalfar el fluid utilitzat per transferir fred o alta temperatura. Aquests sistemes sovint han de manejar refrigerants com l'R-134a, un hidrofluorocarbur, o, en el cas dels principals sistemes de calefacció, el vapor. A causa de la mida compacta de les vàlvules de papallona i de bola, aquests tipus s'han popularitzat en els sistemes de refrigeració HVAC.

Pel que fa al vapor, algunes vàlvules de quart de volta han fet progressos en ús, però molts enginyers de fontaneria encara confien en vàlvules lineals de porta i globus, sobretot si la canonada requereix extrems de soldadura a tope. Per a aquestes aplicacions moderades de vapor, l'acer ha pres el lloc del ferro colat a causa de la soldabilitat de l'acer.

Alguns sistemes de calefacció utilitzen aigua calenta en lloc de vapor com a fluid de transferència. Aquests sistemes estan ben servits per vàlvules de bronze o ferro. Les vàlvules de bola i papallona d'un quart de volta són molt populars, tot i que encara s'utilitzen alguns dissenys lineals.

CONCLUSIÓ
Tot i que les proves de les aplicacions de vàlvules esmentades en aquest article poden no ser visibles durant un viatge a Starbucks o a casa de l'àvia, algunes vàlvules molt importants sempre són a prop. Fins i tot hi ha vàlvules al motor del cotxe que s'utilitzen per arribar a aquells llocs, com les del carburador que controlen el flux de combustible al motor i les del motor que controlen el flux de gasolina als pistons i de nou. I si aquestes vàlvules no estan prou a prop de la nostra vida quotidiana, tingueu en compte la realitat que el nostre cor batega regularment a través de quatre dispositius vitals de control de flux.

Aquest és només un exemple més de la realitat que: les vàlvules estan realment a tot arreu. VM
La part II d'aquest article cobreix indústries addicionals on s'utilitzen vàlvules. Aneu a www.valvemagazine.com per llegir sobre pasta i paper, aplicacions marines, preses i energia hidroelèctrica, solar, ferro i acer, aeroespacial, geotèrmica i cervesa i destil·lació artesanal.

GREG JOHNSON és president de United Valve (www.unitedvalve.com) a Houston. És editor col·laborador de la revista VALVE, expresident del Valve Repair Council i membre actual de la junta de VRC. També forma part del Comitè d'Educació i Formació de VMA, és vicepresident del Comitè de Comunicacions de VMA i és expresident de la Societat d'Estandardització de Fabricants.