On s'utilitzen les vàlvules: A tot arreu!

08 de novembre de 2017 Escrit per Greg Johnson

Avui dia, les vàlvules es poden trobar gairebé a qualsevol lloc: a les nostres llars, sota el carrer, en edificis comercials i en milers de llocs dins de centrals elèctriques i d'aigua, 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 van des de la distribució d'aigua fins a l'energia nuclear, passant pel petroli i el gas aigües amunt i aigües avall. Cadascuna d'aquestes indústries d'usuari final utilitza alguns tipus bàsics de vàlvules; tanmateix, els detalls de construcció i els 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 ambient. Aquests dos factors d'aplicació permeten diversos elements de disseny de vàlvules que no es trobarien en equips més complexos, com ara les vàlvules de vapor d'alta temperatura. La temperatura ambient del servei d'aigua permet l'ús d'elastòmers i juntes de goma que no són adequades en altres llocs. Aquests materials tous permeten equipar vàlvules d'aigua per segellar hermèticament els degoteigs.

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

Les pressions que veuen la majoria de vàlvules de les obres hidràuliques solen ser molt inferiors a 200 psi. Això significa que no calen dissenys de paret més gruixuda i pressió més alta. Dit això, hi ha casos en què les vàlvules d'aigua es construeixen per suportar pressions més altes, de fins a uns 300 psi. Aquestes aplicacions solen ser en aqüeductes llargs a prop de la font de pressió. De vegades, les vàlvules d'aigua de més pressió també es troben en els punts de pressió més alta d'una presa alta.

L'Associació Americana de Treballs d'Aigua (AWWA) ha publicat especificacions que cobreixen molts tipus diferents de vàlvules i actuadors utilitzats en aplicacions de treballs d'aigua.

AIGÜES RESIDUALS
La cara oposada de la moneda de l'aigua potable fresca que entra en una instal·lació o estructura és la sortida d'aigües residuals o clavegueram. Aquestes línies recullen tots els fluids i sòlids residuals i els dirigeixen a una planta de tractament d'aigües residuals. Aquestes plantes de tractament disposen de moltes canonades i vàlvules de baixa pressió per dur a terme la seva "feina bruta". 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. Les vàlvules de 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 de l'AWWA.

INDÚSTRIA ENERGÈTICA
La major part de l'energia elèctrica generada als Estats Units es genera en plantes de vapor que utilitzen combustibles fòssils i turbines d'alta velocitat. Si es treu la coberta d'una central elèctrica moderna, es podrien veure sistemes de canonades d'alta pressió i alta temperatura. Aquestes línies principals són les més importants en el procés de generació d'energia de vapor.

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

La metal·lúrgia és fonamental per a les vàlvules en aplicacions d'energia, especialment les que operen en rangs de pressió i temperatura supercrítics o ultrasupercrítics. L'F91, l'F92, el C12A, juntament amb diversos aliatges d'Inconel i 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 màxima potència (les que funcionen només quan cal) també posa una gran pressió sobre les vàlvules i les canonades, cosa que requereix dissenys robustos per gestionar la combinació extrema de cicles, temperatura i pressió.
A més de les vàlvules principals de vapor, les centrals elèctriques estan carregades de canonades auxiliars, poblades per una infinitat de vàlvules de comporta, de globus, de retenció, de papallona i de bola.

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

PRODUCCIÓ DE PETROLI I GAS
Els pous de petroli i gas i les instal·lacions de producció són un gran usuari de vàlvules, incloses moltes vàlvules de gran resistència. Tot i que ja no és probable que es produeixin dolls de petroli que surten a centenars de peus d'alçada, 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 suportar pressions de més de 10.000 psi. Tot i que rarament es troben en pous excavats a terra ferma avui dia, les pressions extremes i altes sovint es troben en pous profunds a alta mar.

El disseny d'equips de cap de pou està cobert per especificacions de l'API com ara la 6A, l'Especificació per a equips de cap de pou i l'arbre de Nadal. Les vàlvules cobertes a la 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 obturadors. Els obturadors s'utilitzen per regular el flux del pou.

A més dels caps de pou, hi ha moltes instal·lacions auxiliars que poblen un jaciment de petroli o gas. L'equip de procés per pretractar el petroli o el gas requereix diverses vàlvules. Aquestes vàlvules solen ser d'acer al carboni classificat per a classes inferiors.

Ocasionalment, un fluid altament corrosiu (sulfur d'hidrogen) és present al corrent de petroli cru. Aquest material, també anomenat gas àcid, pot ser letal. Per superar els reptes del gas àcid, cal 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 a alta mar contenen una multitud de vàlvules construïdes amb moltes especificacions diferents per fer front a la gran varietat de reptes de control de flux. Aquestes instal·lacions també contenen diversos bucles de sistemes 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. Tot i que no sempre es troba a la plataforma en si, molts sistemes de producció utilitzen arbres de Nadal i sistemes de canonades que operen a profunditats inhòspites de 3.000 metres 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 (RP) de l'API.

A la majoria de grans plataformes petrolieres, s'apliquen processos addicionals al fluid brut que prové del cap de pou. Aquests inclouen la separació de l'aigua dels hidrocarburs i la separació del gas i els líquids de gas natural del corrent de fluid. Aquests sistemes de canonades post-arbre de Nadal generalment es construeixen segons els codis de canonades B31.3 de l'American Society of Mechanical Engineers, 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 comporta, de bola i de retenció API 6D. Com que totes les canonades de la plataforma o del vaixell de perforació són internes a la instal·lació, no s'apliquen els requisits estrictes d'utilitzar vàlvules API 6D per a les 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.

canoductes
Tot i que la majoria de les canonades estan ocultes a la vista, la seva presència sol ser evident. Els petits rètols que indiquen "canonade 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 d'emergència de les canonades es troben a intervals especificats per les normes, els codis i les lleis. Aquestes vàlvules tenen el servei vital d'aïllar una secció d'una canonada en cas de fuita o quan es requereix manteniment.

També escampades al llarg de la ruta d'una canonada hi ha instal·lacions on la línia surt del terra i hi ha accés disponible. Aquestes estacions acullen els equips de llançament de "pigs", que consisteixen en dispositius inserits a les canonades per inspeccionar o netejar la línia. Aquestes estacions de llançament de pigs solen contenir diverses vàlvules, ja siguin de comporta o de bola. Totes les vàlvules d'un sistema de canonades han de ser de port complet (obertura completa) per permetre el pas de pigs.

Les canonades també necessiten energia per combatre la fricció de la canonada i mantenir la pressió i el flux de la línia. S'utilitzen estacions de compressió o bombament que semblen versions petites d'una planta de procés sense les torres de craqueig altes. Aquestes estacions alberguen desenes de vàlvules de comporta, de bola i de retenció de canonades.
Les canonades en si mateixes 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 protegides per vàlvules de tancament.
Els grans municipis, sobretot a la part nord dels Estats Units, proporcionen vapor per a les necessitats de calefacció dels clients comercials. Aquestes línies de subministrament de vapor estan equipades amb diverses vàlvules per controlar i regular el subministrament de vapor. Tot i que el fluid és vapor, les pressions i les 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 de vàlvula continua 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 alberguen fluids corrosius i, 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 comporta), API 608 (vàlvules de bola) i API 594 (vàlvules de retenció). A causa del servei dur al qual es troben moltes d'aquestes vàlvules, sovint es necessita una tolerança de corrosió addicional. Aquesta tolerança es manifesta a través de gruixos de paret més grans que s'especifiquen als documents de disseny de l'API.

Pràcticament tots els tipus importants de vàlvules es poden trobar en abundància en una gran refineria típica. La vàlvula de comporta omnipresent continua sent la rei del turó amb la població més gran, però les vàlvules de quart de volta estan ocupant una part cada cop més gran de la seva quota de mercat. Els productes de quart de volta que s'estan introduint amb èxit en aquesta indústria (que també estava dominada per productes lineals) inclouen vàlvules de papallona de triple desplaçament d'alt rendiment i vàlvules de bola amb seient metàl·lic.

Les vàlvules de comporta, de globus i de retenció estàndard encara es troben en massa i, a causa de la robustesa del seu disseny i l'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, sent la classe 300 la més popular.
Els acers al carboni simples, com ara el grau WCB (fos) i l'A-105 (forjat), són els materials més populars especificats i utilitzats en vàlvules per al servei de refineria. Moltes aplicacions de processos de refinació superen els límits de temperatura superiors dels acers al carboni simples, i s'especifiquen aliatges de temperatura més alta per a aquestes aplicacions. Els més populars són els acers al crom/molibdè com ara l'1-1/4% Cr, el 2-1/4% Cr, el 5% Cr i el 9% Cr. Els acers inoxidables i els aliatges amb alt contingut de níquel també s'utilitzen en alguns processos de refinació particularment durs.

QUÍMIC
La indústria química és una gran usuària de vàlvules de tot tipus i materials. Des de petites plantes de producció 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 refinació 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 control de la quota de mercat que les vàlvules de bola han arrabassat a les vàlvules lineals durant els darrers 40 anys. La vàlvula de bola amb seient resilient, amb el seu tancament sense fuites, és perfecta per 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 planta on es prefereixen les vàlvules lineals. En aquests casos, les populars vàlvules dissenyades per l'API 603, amb parets més primes i pesos més lleugers, solen ser la vàlvula de comporta o de globus preferida. El control d'alguns productes químics també es realitza de manera efectiva amb vàlvules de diafragma o de pinça.
A causa de la naturalesa corrosiva de molts productes químics i processos de fabricació de productes químics, la selecció del material és fonamental. El material de facto és l'acer inoxidable austenític de grau 316/316L. 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, sovint s'escullen altres graus d'alt rendiment d'acer inoxidable austenític, com ara 317, 347 i 321. Altres aliatges que s'utilitzen de tant en tant per controlar els 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 gasos depenen d'una extensa xarxa de canonades. 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 de gas. Amb aquesta finalitat, les canonades i les vàlvules s'han tornat molt més grans i els requisits de pressió s'han augmentat.

Aquesta situació ha obligat els fabricants de vàlvules a desenvolupar dissenys per complir amb paràmetres més estrictes. Les vàlvules de bola i de papallona de quart de volta són populars per al servei de GNL, i l'acer inoxidable 316ss [316ss] és el material més popular. L'ANSI Classe 600 és el límit 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 comporta, de globus i de retenció a les plantes.

El servei de separació de gasos implica 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 de molt baixa temperatura del procés fa que es requereixin moltes vàlvules criogèniques.

Tant les plantes de separació de GNL com les de gas tenen vàlvules de baixa temperatura que han de romandre operatives en aquestes condicions criogèniques. Això significa que el sistema d'empaquetament 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 impedeix que el fluid formi una bola de gel al voltant de la zona d'empaquetament, cosa que impediria que la tija de la vàlvula giri o pugi.

EDIFICIS COMERCIALS
Els edificis comercials ens envolten, però si no hi prestem molta atenció mentre es construeixen, tenim poca idea de la multitud d'artèries de fluid amagades dins de 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 d'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 d'un edifici, els sistemes contra 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 eficaços, han de ser fiables, tenir una pressió suficient i estar convenientment ubicats per tota l'estructura. Aquests sistemes estan dissenyats per activar-se automàticament en cas d'incendi.
Els edificis alts requereixen el mateix servei de pressió d'aigua a les plantes superiors que a les plantes inferiors, per la qual cosa s'han d'utilitzar bombes i canonades d'alta pressió per fer 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 tots els tipus de vàlvules; tanmateix, els dissenys de les vàlvules han de ser aprovats per Underwriters Laboratories o Factory Mutual per al servei de canonades contra 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 ser centralitzats. Tenen una gran unitat de refrigeració o caldera per refredar o escalfar el fluid utilitzat per transferir fred o alta temperatura. Aquests sistemes sovint han de gestionar refrigerants com l'R-134a, un hidrofluorocarboni o, en el cas dels grans sistemes de calefacció, vapor. A causa de la mida compacta de les vàlvules de papallona i 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 l'ús, però molts enginyers de lampisteria encara confien en vàlvules de comporta lineals i de globus, sobretot si la canonada requereix extrems soldats a topall. Per a aquestes aplicacions de vapor moderades, l'acer ha substituït la fosa 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 funcionen bé amb vàlvules de bronze o ferro. Les vàlvules de bola i papallona amb seient elàstic de 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 les vàlvules esmentades en aquest article poden no ser visibles durant una visita 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 aquests llocs, com ara les del carburador que controlen el flux de combustible al motor i les del motor que controlen el flux de gasolina als pistons i en surt. I si aquestes vàlvules no són prou a prop de la nostra vida quotidiana, considereu la realitat que els nostres cors bateguen regularment a través de quatre dispositius vitals de control de flux.

Aquest és només un altre exemple de la realitat que: les vàlvules són realment a tot arreu. VM
La part II d'aquest article tracta altres indústries on s'utilitzen vàlvules. Visiteu www.valvemagazine.com per llegir sobre pasta de paper i paper, aplicacions marines, preses i energia hidroelèctrica, energia 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 actual membre de la junta de VRC. També forma part del Comitè d'Educació i Formació de la VMA, és vicepresident del Comitè de Comunicacions de la VMA i expresident de la Manufacturers Standardization Society.