Válvulas industriales, glosario y definiciones
En este documento de nivel básico pretendemos realizar una primera aproximación al campo de las Válvulas industriales. Tiene un interés didáctico desde el punto de vista formativo para personal de reciente incorporación a Compañías comercializadoras de Válvulas.
Índice del Manual
1. Introducción
Las Válvulas ya se utilizaban en la época Romana y periodo de colonización islámica en España como demuestran vestigios encontrados de rudimentarios objetos de piedra que servían para interrumpir o desviar el flujo del agua. No obstante la verdadera aparición de las Válvulas en nuestro mundo data de la época de la Revolución Industrial y la utilización del vapor como forma de energía capaz de mantener las maquinas en funcionamiento. Es desde el Siglo XX cuando, al igual que sucede con el resto de aparatos de ingeniería e industriales, se produce el desarrollo de las Válvulas desde sus primitivos diseños a los sofisticados y específicos de la actualidad.
En nuestro entorno industrial no podríamos concebir la no existencia de Válvulas; en un sistema hidráulico de tuberías existen tres grandes elementos principales: la bomba que produce la presión necesaria para la impulsión de los fluidos, las tuberías que conducen estos fluidos y, naturalmente, las Válvulas, encargadas de controlar los fluidos. Sin la existencia de las Válvulas los fluidos viajarían a través de las tuberías sin posibilidad de ser utilizados para su propósito.
¿Cómo definiríamos las Válvulas?
Las Válvulas son dispositivos mecánicos cuya función es la de controlar los fluidos en un sistema de tuberías. El Comité Europeo de Normalización (CEN) en su Norma EN-736-2 define las Válvulas como aquel componente de tuberías que permite actuar sobre el fluido por apertura, cierre u obstrucción parcial de la zona del paso o por derivación o mezcla del mismo.
Algunas partes comunes de las válvulas:
Las Válvulas independientemente de su tipo disponen de algunas partes comunes necesarias para el desarrollo de su función:
* Observar las partes principales de una válvula en la siguiente válvula típica (Válvula de Globo)
1-Obturador: También denominado disco en caso de parte metálica, es la pieza que realiza la interrupción física del fluido.
2-Eje: También denominado husillo, es la parte que conduce y fija el obturador.
3-Asiento: Parte de la válvula donde se realiza el cierre por medio del contacto con el obturador.
4-Empaquetadura del eje: Es la parte que montada alrededor del eje metálico asegura la estanqueidad a la atmósfera del fluido.
5-Juntas de cierre: Es la parte que montada alrededor del órgano de cierre (en algunos caso) asegura una estanqueidad mas perfecta del obturador.
6-Cuerpo y Tapa: Partes retenedoras de presión, son el envolvente de las partes internas de las Válvulas.
7-Extremos: Parte de la válvula que permite la conexión a la tubería, pueden ser bridados, soldados, roscados, ranurados o incluso no disponer de ellos, es decir, permitir que la válvula se acople a la tubería tan solo por las uniones externas (Wafer).
8-Pernos de unión: Son los elementos que unen el cuerpo y tapa de la válvula entre si. Para asegurar la estanqueidad atmosférica hay que colocar juntas entre estas dos superficies metálicas,
9-Accionamiento: Es el mecanismo que acciona la válvula.
2. Tipos de válvulas industriales
En función de su propósito de aplicación podemos encontrar una primera clasificación de la siguiente forma:
- Aislamiento: Su misión es interrumpir el flujo de la línea en de forma total y cuando sea preciso.
- Retención: Su misión es impedir que el flujo no retroceda hacia la zona presurizada cuando esta decrece o desaparece.
- Regulación: Su misión es modificar el flujo en cuanto a cantidad, desviarlo, mezclarlo o accionarlo de forma automática.
- Seguridad: Utilizadas para proteger equipos y personal contra la sobre presión.
Ahora bien dentro de cada tipo de Válvulas por su función encontraremos otras clasificaciones que nos definirán diferentes tipos de Válvulas industriales de una forma más exhaustiva.
3. Válvulas de aislamiento
También llamadas Válvulas de cierre, de interrupción, de bloqueo o de corte en virtud de su propósito dentro del sistema de fluidos. Las Válvulas de aislamiento pueden ser clasificadas en dos grandes grupos en función del movimiento que realizan para la obstrucción del fluido:
Las Válvulas de aislamiento lineal son aquellas cuyo movimiento del eje se realiza de forma vertical desde arriba hacia abajo para la acción de cierre y de abajo hacia arriba para la acción de apertura. Se caracterizan por ser movimientos de cierre y apertura lentos y accionados por volante Multi vuelta. Son imprescindibles cuando se trate de manejar fluidos compresibles como el vapor con el fin de que el cierre lento no provoque fenómenos hidráulicos que pudiesen dañar la válvula y el sistema general.
Las Válvulas de aislamiento giratorio son aquellas cuyo movimiento del eje se realiza de forma rotatoria en 90º como carrera total. Se caracterizan por ser movimientos de cierre y apertura rápidos, Normalmente se utilizan para trasegar fluidos no compresibles en estado liquido y a presiones de ejercicio bajas. El mando de accionamiento suele ser una palanca de agarre.
3.1 Tipos de válvulas de aislamiento lineal
Dentro de las Válvulas de aislamiento lineal podemos detallar como las mas comunes los siguientes tipo de Válvulas.
- Válvulas de Globo
- Válvulas de Compuerta
- Válvulas de Diafragma
3.2 Tipos de válvulas de aislamiento rotatorias
Dentro de las Válvulas de aislamiento Rotatorias podemos detallar como las mas comunes los siguientes tipo de Válvulas.
- Válvulas de Bola
- Válvulas de Mariposa
3.3 Tipos de válvulas de aislamiento en función de su accionamiento
Las Válvulas accionadas manualmente son las más sencillas, deben de ser manipuladas por el operador de planta con la mano, por esta misma razón deben de ser accesibles y, normalmente, la acción no se realiza con mucha frecuencia ya que el proceso no lo requiere.
Las Válvulas auto accionadas son aquellas que el propio fluido de la línea o contenido dentro de la válvula alerce la acción de movimiento del eje u órgano de cierre. Normalmente se utilizan en lugares de menor accesibilidad y donde la repetición de ciclos es mas elevada y dependiente de algún parámetro del proceso (control de la temperatura, presión, nivel, caudal…).
Las Válvulas accionadas por energía auxiliar son aquellas que la acción de una fuente de alimentación externa provoca la acción de movimiento del eje. Esta puede ser eléctrica, neumática, hidráulica e hidroneumática como mas comunes. Son utilizadas para la automatización de procesos industriales de alta repetición y exactitud en el control.
4. Válvulas de retención
Las Válvulas de Retención son aquellas que accionadas por la propia presión del fluido permiten el paso del mismo e impiden el retroceso del mismo hacia la parte presurizada cuando la presión del sistema cesa. Son Válvulas unidireccionales que abren en un sentido del flujo y son cerradas en el sentido opuesto del flujo, (observar las normas de instalación en nuestros Manuales). Existen diversos tipos de Válvulas de Retención en función de su diseño:
- Válvulas de Retención de tipo Clapeta oscilante
- Válvulas de Retención con Clapeta excéntrica (“Tilt Check”)
- Válvulas de Retención de disco partido o doble plato
- Válvulas de Retención de disco con muelle
- Válvulas de Retención de bola
- Válvulas de Retención labiadas
- Válvulas de Retención de tipo pistón
Básicamente, la utilización de un diseño u otro y dado que todas desarrollan la misma función, se basa en los criterios de selección del usuario: conexiones a tuberías, materiales constructivos, menores perdidas de carga, naturaleza del fluido (por ejemplo fluidos cargados, viscosos, sucios…etc), mantenimiento, temperaturas y presiones.
5. Válvulas de regulación
Las Válvulas de Regulación, también llamadas Válvulas de Control, son aquellas que modifican la cantidad de fluido en un sistema. Las Válvulas de regulación más habituales son las accionadas por una fuente de energía externa (eléctrica o neumática por ejemplo). Estas Válvulas se consideran como el elemento final del sistema de control por donde el fluido circula y normalmente son empleadas en procesos donde sea necesaria la realización de movimientos continuos y de regulación precisa. Por supuesto no todas las Válvulas de regulación son accionadas por las fuentes de energía externa, las Válvulas de accionamiento manual que posean un obturador caracterizado, cónico o parabólico también serian consideradas como de regulación. En cambio, las Válvulas auto accionadas se consideran Válvulas de apertura y cierre (On/OF.) ya que no permiten modificaciones parciales del fluido aunque la función que realicen dentro del sistema sea la de “controlar” un proceso.
Las Válvulas de Control no pueden ser entendidas sin la observación del llamado “Lazo de Control” que compone el Sistema. Este Lazo se compone de un controlador electrónico que recoge la señal de entrada (parámetros de control deseados); el actuador de la válvula, la válvula en si misma y el elemento sensor del sistema.
El parámetro deseado a controlar se introduce en el controlador (1), el parámetro real medido en el sistema es alimentado al controlador, si estos parámetros no coinciden genera una señal de error que transfiere la acción al actuador (2) de la válvula (3) ejerciendo el cierre (disminución de caudal) u apertura (aumento de caudal). El elemento sensor (4) instalado aguas debajo de la válvula mide el caudal y emite la señal al controlador completando el lazo cerrado.
Las Válvulas de control pueden ser diseñadas en paso recto pero también con tres vías de paso para realizar funciones de mezcla o derivación:
Las válvulas mezcladoras son aquellas que están proyectadas para actuar sobre la proporción de dos o más fluidos de entrada para producir un fluido de salida común cambiando la posicion del obturador.
Las Válvulas desviadoras o de derivación son aquellas que están proyectadas para actuar sobre dos o más fluidos de salida a partir de un fluido de entrada común cambiando la posición del obturador.
6. Válvulas de seguridad y alivio de presión
Las Válvulas de Seguridad y Alivio son dispositivos auto accionados por el fluido que previenen la sobre presión en recipientes presurizados, líneas y otros equipos generales. Las Válvulas suelen ser diseñadas en ángulo de 90º para facilitar la evacuación del fluido del sistema. Las Válvulas se componen de un muelle pretarado a una determinada presión de disparo por encima de la cual actuara liberando el fluido del sistema una vez producida la evacuación del fluido y la presión de ejercicio restablecida en el sistema vuelven a su posición inicial cerrada. La utilización de Válvulas de seguridad es fundamental en recipientes presurizados ya que los fluidos compresibles provocarían, en caso de aumento de presión por encima de la concebida en el diseño, la deformación o rotura de los mismos con el peligro para personas y propiedades que ello conlleva.
Existen diversos tipos de Válvulas de seguridad diseñados bajo diversos códigos para satisfacer las necesidades de la industria actual.
7. Glosario de términos y definiciones
Tipos principales de válvulas de aislamiento lineales
Válvulas de Globo:
Son válvulas con diseño del cuerpo curvado para favorecer la circulación del fluido y cuyo órgano de cierre es un disco que cierra contra un asiento finamente mecanizado para conseguir la estanqueidad. El fluido entra en la válvula por debajo del disco siendo de sentido unidireccional. La estanqueidad atmosférica se realiza con anillos de empaquetadura situados alrededor del eje.
Válvulas de Fuelle:
Básicamente son válvulas del mismo diseño que las convencionales de globo pero caracterizadas por disponer de un fuelle metálico que realiza las funciones de estanqueidad atmosférica, no requiriendo así mantenimiento en planta.
Válvulas de Equilibrado de Flujo:
Son válvulas de asiento con característica de regulación disponiendo de medidor de caudal y tomas aguas arriba y debajo de la válvula para facilitar el equilibrio de caudales que circulan por la válvula.
Válvulas de Compuerta:
Son válvulas de aislamiento caracterizadas por realizar el cierre mediante un disco de caras planas (cuña) que se desliza verticalmente sobre los asientos fijos de la válvula situados en paralelo. Son válvulas bidireccionales, de gran capacidad y no aptas para servicios de regulación.
Válvulas de Guillotina:
Son una derivación de válvulas de compuerta pero con un órgano de cierre consistente en una placa plana con terminación de cuchilla para cortar el fluido viscoso. A diferencia de las anteriores estas son Unidireccionales y suelen estar diseñadas tipo WAFER o LUG para montaje entre bridas.
Válvulas de Diafragma:
Son Válvulas de cierre que se caracterizan por realizar el mismo mediante un órgano flexible y deformable (Diafragma), el cual es accionado por un pisador unido al eje. En posición cóncava el diafragma permite el paso del fluido estando la válvula abierta mientras que en posición convexa impide el paso del fluido estando la válvula cerrada.
8. Tipos principales de válvulas de aislamiento rotativas:
Válvulas de Mariposa:
Las válvulas de Mariposa son válvulas que poseen un disco circular el cual es girado sobre un eje obturando la sección de paso del conducto cuando está perpendicular al eje de éste y dejando paso libre cuando está paralelo. El disco consigue ángulos de aperturas parciales ó totales hasta 90º que permiten el paso del fluido.
La denominación común de “mariposa” es atribuida por la forma del disco consistente en un nervio central por cuyo interior atraviesa del eje con laos planos exteriores planos en semblanza al cuerpo del insecto con las alas.
Existen diversos tipos de válvulas de mariposa en función de la posición del eje en su giro accionado por el mando manual: Válvulas Concéntricas, Válvulas doble céntricas y Válvulas de geometría triple excéntricas. Información más detallada de cada uno de estos tipos de válvulas de mariposa puede ser obtenida en nuestros manuales y fichas técnicas descargables en nuestro sitio Web www.comeval.es
Válvulas de Esfera:
También conocidas como de “esfera”, es un mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza por tener forma de esfera perforada. El mecanismo regulador situado en el interior se abre mediante el giro del eje unido a la esfera perforada, de tal forma que permite el paso del fluido cuando está alineada la perforación con la entrada y la salida de la válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la salida. La posición de la maneta de actuación indica el estado de la válvula (abierta o cerrada).
Existen diversos tipos constructivos de válvulas de esfera en atención a su construcción, no obstante, las dos categorías comúnmente definidas son en función del movimiento combinado de la bola con el eje, siendo estas Válvulas de esfera flotante y Válvulas de esfera de eje guiado (TRUNNION). Las válvulas de esfera flotante son las más convencionales y en ellas el eje acciona la esfera por la parte superior únicamente. Las válvulas con diseño TRUNNION se caracterizan por un guiado superior e inferior de la esfera. Suele ser el diseño utilizado en los tamaños más grandes.
Válvulas de Macho:
Las válvulas de macho son una variante de las válvulas de esfera con un similar principio de funcionamiento pero siendo un macho troncocónico el cual permite el paso del fluido cuando está alineado con el eje de la conducción. Los machos pueden estar encamisados ó lubricados.
Nuestro Modulo M-3 analiza con más complejidad las Válvulas de Seguridad y Alivio, para más detalles acerca del mismo puedes indicarnos tu interés o lanzarnos tus consultas a nuestro buzón de formación.
Nuestros especialistas técnicos están a disposición de cualquier demanda general o particular sobre este capítulo. Comunica con nosotros a través del buzón de consultas formacion@comeval.es
9. Criterios básicos para la selección de válvulas
9.1 Elección del tipo de válvula de acuerdo a su función
Nuestra primera base de elección estará basada en la función de la válvula o equipo debe de realizar en la planta para ello distinguiremos las siguientes funciones:
- Aislamiento: Deseamos interrumpir el flujo de la línea en de forma total y cuando sea preciso.
- Retención: Necesitamos impedir que el flujo no retroceda hacia la zona presurizada cuando esta decrece o desaparece.
- Regulación: Queremos modificar el flujo en cuanto a cantidad, desviarlo, mezclarlo o accionarlo de forma automática.
- Seguridad: Necesitamos proteger equipos y personal contra la sobre presión.
Ahora bien dentro de cada tipo de válvula existen muy diferentes diseños que responden a exigencias de planta, instalación, tipos de materiales y disponibilidades.
9.2 Determinación de la presión nominal
El siguiente factor es determinar el Rating o Presión Nominal de Diseño de la válvula, este factor esta determinado por los datos de proceso en planta, fundamentalmente por la intersección entre presión de trabajo efectiva y temperatura de trabajo efectiva. Existen unas presiones de diseño o Rating de fabricación estándar sobre los que especificar, estos difieren entre las Normas DIN o ANSI, los más comunes se representan en la siguiente tabla con su equivalencia más cercana:
| DIN | ANSI |
|---|---|
| PN 10 | Clase 125 |
| PN 16 | Clase 150 |
| PN 25 | Clase 300 |
| PN 40 | Clase 600 |
| PN 64 | Clase 900 |
| PN 100 | Clase 1500 |
| PN 250 | Clase 2500 |
Estas clases de presión nominal no deben de tomarse más que como una selección de la válvula en función de la curva de intersección entre la presión y la temperatura máxima del proceso. Debemos de considerar siempre que la presión máxima decrece con el aumento de la temperatura y viceversa.
9.3 Determinación de los materiales constructivos
En función del factor anterior (presión x temperatura) así como la compatibilidad química y de resistencia a la corrosión y erosión de los fluidos, debemos de escoger los materiales constructivos de las diversas partes de la válvula.
Desde el punto de vista de selección de materiales de una válvula debemos de considerar siempre los siguientes:
- Cuerpo retenedor de presión, parte húmeda en contacto con el fluido.
- Partes blandas y empaques
- Tornillería de unión y recubrimientos exteriores.
Sobre el cuerpo observaremos que el material disponible sea compatible con el fluido en términos de compatibilidad química (Ver Buscador de Compatibilidad de Materiales ubicado en nuestra sección de Utilidades ubicada en el portal de entrada de nuestro Web). No solamente observaremos esta compatibilidad sino también otros factores encaminados a la abrasión (velocidad en línea o naturaleza del fluido), en estos casos podemos seleccionar un revestimiento interno que manteniendo el material metálico base impida el contacto entre el flujo y este (por ejemplo: revestimiento de Caucho natural blando en casos de fluidos “slurries” en minería).
Para determinar el material de empaques o sellado internos y externos será determinante la temperatura y la compatibilidad del material de sellado con el fluido. En este caso hay que observar los límites de temperatura recomendados por los fabricantes de las juntas y empaques. (Por ejemplo: no superar los 90ºC en el caso de NBR). El sellado de la válvula es fundamental, distinguimos dos tipos de sello: sellado al órgano de cierre (interno) y sellado atmosférico (externo).
Finalmente, aunque de menor importancia, observaremos el material de unión de las partes, entendiendo estos como la Tornillería y los recubrimientos de pintura exteriores. Este factor es de importancia a los únicos efectos de la corrosión ambiental en planta. (Por ejemplo: ambiente salino, corrosivo…etc.).
9.4 Selección del accionamiento
Las Válvulas pueden ser accionadas de diversas formas:
- Manualmente
- Auto accionadas por el propio fluido
- Accionadas por actuadores externos
La selección del tipo de accionamiento esta condicionada por las necesidades en planta; por ejemplo accesibilidad a la válvula, frecuencia de operación, disponibilidad de energía auxiliar, economía, grado de exactitud requerido en la operación…., estos factores quedan dentro de la casuística de cada proyecto.
9.5 Selección del tamaño (DN) de la válvula
Las válvulas están normalizadas a un tamaño o diámetro nominal de acuerdo a los estándares internacionales. El dimensionado de la válvula se realiza de acuerdo al caudal de circulación en línea y otros factores del proceso. Cuando seleccionemos la válvula tenemos que considerar aspectos como la cavitación y presión diferencial entre otros.