Piezas de válvulas 101: Componentes básicos de las válvulas industriales

Introducción a los fundamentos de las piezas de válvula

Las válvulas industriales están formadas por muchos componentes diferentes que les permiten regular el caudal. Las partes principales del diseño de una válvula pueden dividirse en el cuerpo, el embellecedor, los actuadores y los accesorios auxiliares. Esta tabla ofrece un breve resumen de los principales componentes de las válvulas y sus funciones:

Cuerpos de válvulas - La carcasa de contención de la presión

El cuerpo de la válvula, también llamado carcasa, caja o envoltura, es la principal barrera de presión de una válvula. Sirve de marco que mantiene unidas todas las demás piezas de la válvula en la alineación adecuada. Los cuerpos de las válvulas están diseñados para soportar la presión, la temperatura y las tensiones mecánicas de las tuberías. La entrada y la salida del cuerpo de la válvula se conectan al sistema de tuberías. Existen varios estilos y configuraciones de cuerpo, siendo los más comunes los globulares, rectos, en ángulo y en Y. La forma del cuerpo depende del tipo de válvula. La forma del cuerpo depende de la función de control de caudal prevista para la válvula. Las válvulas de compuerta, de globo, de retención, de bola, de macho y de mariposa tienen diseños de cuerpo distintivos adaptados a su aplicación única de control de caudal. Los cuerpos de las válvulas se funden o fabrican con materiales como acero al carbono, acero inoxidable, hierro fundido, acero aleado y acero forjado. El material se elige en función de la composición, presión y temperatura del fluido de proceso. Muchos cuerpos de válvula tienen extremos embridados para permitir la conexión a las tuberías. Otros pueden tener extremos roscados, soldados por encastre o soldados a tope. Independientemente del estilo, el cuerpo de la válvula debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar la presión del sistema cuando la válvula está en posición cerrada. También debe ser rígido y resistente a las deformaciones o grietas que podrían causar fugas.

Materiales del cuerpo de la válvula para distintos servicios

Existen varias opciones a la hora de seleccionar los materiales del cuerpo de la válvula en función de las condiciones de servicio. El acero al carbono es adecuado para agua, aceite y gas. El acero inoxidable es apto para fluidos más corrosivos, como ácidos o cloro gaseoso húmedo. Para temperaturas extremadamente altas, el acero aleado y el hierro fundido son las mejores opciones. Las válvulas criogénicas para líquidos frígidos como el GNL utilizan cuerpos de acero inoxidable o acero al carbono forjado. El material del cuerpo también afecta a los requisitos de mantenimiento. Por ejemplo, el acero al carbono es propenso a oxidarse o corrosionarse con el tiempo y puede necesitar reparaciones frecuentes. El acero inoxidable y el acero aleado tienen mayor resistencia a la corrosión, lo que alarga la vida útil. En aplicaciones muy abrasivas, se requiere un cuerpo de válvula endurecido para resistir el desgaste. Ningún material es ideal para todas las aplicaciones. Tenga en cuenta la composición del fluido, la presión, los rangos de temperatura y la vida útil deseada de la válvula a la hora de elegir el material del cuerpo. Asociarse con un proveedor de válvulas experimentado es clave para obtener el metal adecuado para un servicio fiable.

Estilos de bonete de válvula para acceso y montaje

En bonete de válvula es la tapa situada aguas arriba que completa la envoltura a presión del cuerpo de una válvula. También proporciona los medios para montar las piezas internas de la válvula y acceder a ellas para su mantenimiento. Existen tres configuraciones principales de bonete: roscado, atornillado y soldado. Un bonete roscado tiene roscas que encajan con el cuerpo y proporciona un medio compacto de montaje. Es fácil de abrir y cerrar para inspecciones rutinarias y reparaciones. Los capós atornillados tienen una cabeza embridada independiente que se conecta al cuerpo mediante tornillos largos. Esto permite montar válvulas muy grandes por secciones. Los bonetes atornillados son comunes en válvulas de compuerta, globo y retención de más de NPS 2. Los capós soldados tienen la tapa soldada permanentemente al cuerpo. No se utilizan roscas ni pernos, lo que crea un cierre hermético. Sin embargo, esto no permite acceder a las piezas internas sin cortarlas. Los capós soldados son preferibles para sistemas de alta presión y temperatura en los que los pernos o las roscas podrían tener fugas. También cuestan menos que los modelos atornillados. Al seleccionar un tipo de bonete, hay que tener en cuenta las necesidades de mantenimiento, los posibles riesgos de fugas, el tamaño de la válvula y el coste. El bonete debe resistir las fluctuaciones de presión y temperatura del sistema. A prueba de fugas y de fácil desmontaje y montaje, es ideal para la mayoría de las aplicaciones.

Materiales de corte para fluidos erosivos y corrosivos

Por guarnición de válvula se entienden las piezas móviles internas que modulan el flujo, como bolas, obturadores, discos y compuertas. El embellecedor entra en contacto con el fluido de proceso, por lo que su material debe soportar las características químicas, de temperatura y abrasión. Entre los materiales endurecidos de los embellecedores se encuentran el carburo de tungsteno, las aleaciones Stellite, el titanio, las aleaciones Inconel de alto contenido en níquel y el acero inoxidable 440C. Éstos resisten sustancias altamente erosivas o corrosivas. Los materiales más blandos, como el bronce, el aluminio, el Monel y el acero inoxidable 304, se adaptan a fluidos menos destructivos. El material del embellecedor depende realmente de la composición del fluido. Por ejemplo, una aleación con alto contenido en níquel es mejor para el ácido fluorhídrico que el acero inoxidable normal. Las válvulas criogénicas necesitan un embellecedor que resista temperaturas de congelación sin volverse quebradizo. Los lodos abrasivos requieren un embellecedor duradero que resista el desgaste. Asociarse con un proveedor experimentado es clave para obtener los materiales de internos adecuados para las condiciones específicas de su proceso. Esto garantiza una larga vida útil y unos daños mínimos por erosión.

Empaquetadura de válvula frente a métodos de sellado con junta

Las válvulas utilizan sistemas de sellado para evitar fugas de fluidos entre el cuerpo fijo y las piezas móviles. La empaquetadura y las juntas son los dos principales métodos de sellado. La empaquetadura consiste en anillos de material blando y deformable, como grafito, PTFE o grafito flexible. Los anillos se ajustan alrededor del vástago de la válvula y se comprimen cuando se aprieta el bonete o el seguidor del prensaestopas. La empaquetadura blanda se deforma para crear un cierre hermético. La empaquetadura puede tener fugas con el tiempo y debe apretarse o sustituirse periódicamente. Permite alguna fuga controlada para la lubricación. Las juntas proporcionan un sellado más permanente entre dos superficies de contacto. Los tipos más comunes son las de metal enrollado en espiral, las de junta anular, las de perfil kamm y las planas de papel o plástico. Las juntas requieren un mecanizado de mayor precisión para conseguir un rendimiento a prueba de fugas. Las empaquetaduras soportan mejor los desmontajes frecuentes, ya que las juntas pueden dañarse durante el mantenimiento. Para el control de las emisiones fugitivas, se prefieren las juntas metálicas a las empaquetaduras. Sin embargo, la empaquetadura facilita el movimiento del vástago y su ajuste regular. Tenga en cuenta las necesidades de mantenimiento, las fugas permitidas y la normativa sobre emisiones a la hora de elegir la empaquetadura o las juntas de estanqueidad.

Diseños de compuertas de cuña flexibles frente a sólidas

Las válvulas de compuerta utilizan compuertas de movimiento lineal para iniciar y detener el flujo. La compuerta y el disco de la válvula pueden ser flexibles o macizos. Las compuertas de cuña flexible tienen un borde superior macizo pero laterales flexibles hechos de fuelles metálicos o chapas laminadas. Esto permite que la compuerta coincida con el orificio al asentarse, creando un cierre hermético incluso en asientos de válvula desgastados. Sin embargo, los fuelles pueden romperse o las láminas separarse tras una flexión frecuente. Las compuertas de cuña maciza son compuertas macizas de una sola pieza que no pueden flexionarse. Proporcionan una compuerta más robusta, pero requieren un mecanizado de precisión para conseguir un sellado eficaz sin fugas. Las cuñas macizas son mejores para presiones altas o funcionamiento frecuente. Las compuertas flexibles son adecuadas para el control modulante de baja presión cuando se necesita un cierre hermético. Las compuertas deben ser resistentes al corte, rayado y deformación por fluidos. Las compuertas flexibles son adecuadas para líquidos y gases limpios. Las compuertas sólidas son adecuadas para vapor, gases con sólidos y fluidos contaminados en los que podría romperse un fuelle. Tenga en cuenta los requisitos de cierre, la presión, las propiedades del fluido y la vida útil deseada a la hora de elegir entre diseños de compuertas flexibles y sólidas.

Vástagos de válvula ascendentes y no ascendentes

El vástago de la válvula transmite el movimiento del actuador al elemento de control de caudal situado en el interior de la válvula. Puede tener un diseño ascendente o no ascendente. Los vástagos no ascendentes permanecen verticales mientras la válvula funciona. El vástago se enrosca en la compuerta, obturador o bola y la hace girar sin levantarse. Los vástagos ascendentes suben y bajan con el movimiento de la válvula mientras permanecen unidos al elemento de control de caudal. Los vástagos ascendentes indican la posición de la válvula y pueden automatizar el control mediante posicionadores. Los vástagos no ascendentes requieren indicadores de posición del eje independientes. Los vástagos ascendentes son comunes en válvulas de compuerta y de globo. Los vástagos no ascendentes son adecuados para válvulas de bola y obturador que requieren movimiento giratorio. Los vástagos no ascendentes son adecuados para válvulas enterradas o para fluidos corrosivos, donde los vástagos ascendentes podrían dañarse o atascarse. El vástago debe alinearse con el actuador y adaptarse a su par de salida. A la hora de elegir un diseño de vástago ascendente o no ascendente, hay que tener en cuenta las necesidades de mantenimiento, los requisitos de automatización y el entorno.

Finalidad y uso de los respaldos de válvula

El asiento trasero es una superficie de desgaste en el vástago de la válvula que entra en contacto con el capó cuando la válvula está completamente abierta. Tiene varias funciones. En primer lugar, proporciona un sellado adicional entre el vástago y el bonete. Esto aísla el bonete de la presión del sistema cuando se realiza el mantenimiento. También proporciona a la válvula una capacidad de cierre bidireccional, sellando tanto aguas arriba como aguas abajo. Los asientos traseros también permiten ajustar y sustituir la empaquetadura mientras la válvula está presurizada. Por último, los asientos traseros pueden actuar como punto de parada cuando están completamente abiertos, evitando daños en las superficies de asiento. Los asientos traseros son comunes en válvulas de compuerta, globo y retención. Deben tener suficiente superficie para evitar un desgaste excesivo. Los materiales de acero inoxidable, latón o grafito de carbono funcionan bien. A la hora de seleccionar las válvulas, tenga en cuenta si los asientos traseros facilitarían un mantenimiento más seguro. Pero no se recomiendan para las válvulas de cierre de emergencia que se accionan con poca frecuencia.

Tipos de actuadores de válvulas: Lineal, cuarto de vuelta, multivuelta

Los actuadores proporcionan la fuerza para abrir, cerrar y posicionar la válvula. Los tipos más comunes son los actuadores lineales, los actuadores de cuarto de vuelta y los actuadores multivuelta. Los actuadores lineales aplican un empuje a lo largo del eje del vástago para accionar compuertas, globos o diafragmas hacia arriba y hacia abajo. Suelen ser cilindros neumáticos o pistones hidráulicos. Los actuadores de cuarto de vuelta giran 90 grados para abrir/cerrar válvulas de bola, obturador y mariposa. Los brazos de palanca manuales, los motores eléctricos o los cilindros neumáticos son actuadores de cuarto de vuelta comunes. Los actuadores multivuelta utilizan engranajes para permitir múltiples rotaciones de 360 grados. Estos actuadores automatizan colocación de válvulas de globo y de compuerta. Otra ventaja del engranaje es el elevado par de salida de un pequeño motor eléctrico o volante manual. Al seleccionar actuadores de válvulas, tenga en cuenta los requisitos de par, velocidad, necesidades de automatización, limitaciones de espacio y clasificación para zonas peligrosas. La salida del actuador debe coincidir con las demandas de par de la válvula, especialmente para el cierre 100%.

Selección de componentes de válvulas para condiciones de uso especiales

Las válvulas contienen muchos componentes y la elección de los materiales depende de la aplicación. En los sistemas de vapor, los asientos metálicos, los casquetes y las empaquetaduras para vapor son adecuados para las altas temperaturas y evitan la oxidación. En aplicaciones criogénicas, el cuerpo, el embellecedor y las juntas requieren materiales que se mantengan dúctiles a temperaturas de congelación, como el acero inoxidable. Los fluidos altamente corrosivos requieren cuerpos y embellecedores de acero inoxidable o aleaciones, junto con sellantes inhibidores de la corrosión en las juntas. Para las válvulas de control de estrangulación, son esenciales componentes que permitan un movimiento suave del vástago y la caracterización del caudal. Esto incluye internos caracterizados, geometría de internos modificada, empaquetaduras de baja fricción y actuadores de alta resolución. Los principios son los mismos, pero los componentes deben adaptarse a las condiciones de funcionamiento. La asociación con un proveedor experimentado garantiza que todas las piezas de la válvula sean adecuadas para el servicio.

Cómo seleccionar correctamente las piezas de una válvula

La selección adecuada de los componentes de las válvulas requiere una cuidadosa consideración de las condiciones de servicio, los requisitos de rendimiento y el tipo de válvula deseado. A continuación se exponen algunas consideraciones importantes a la hora de elegir piezas de válvulas:

En el caso de las válvulas con extremos para soldar, asegúrese de que los extremos del cuerpo de la válvula y el diseño de la junta de soldadura se adaptan al sistema de tuberías y a los materiales. Los fluidos que requieren un cierre hermético pueden necesitar válvulas de bola de asiento metálico con roscas de vástago, tornillo exterior y yugos que eviten la carga lateral. Las aplicaciones de alta presión necesitan bonetes de válvula resistentes, empaquetaduras de vástago gruesas en el prensaestopas y casquillos de yugo resistentes.

Las válvulas de alivio requieren piezas de ajuste y diseños de ajuste precisos para proporcionar un control de presión exacto. Las válvulas de bola utilizadas para funciones de estrangulación requieren bolas y asientos caracterizados para controlar el caudal. El movimiento de rotación de las válvulas de bola y de obturador depende de la calidad de los cojinetes y las juntas de los elementos internos.

Las válvulas de control dependen de capós, juntas, empaquetaduras del vástago y otras piezas para evitar fugas y permitir un accionamiento suave. La parte superior de la horquilla y las tapas laterales aguas abajo de una válvula de retención oscilante son las que más se desgastan, por lo que los materiales duraderos son vitales.

La elección de las válvulas de control también implica adaptar el estilo y la salida del actuador para proporcionar el tipo de movimiento adecuado: rotativo para válvulas de bola de 90 grados o lineal para diseños de globo. Esto garantiza el posicionamiento adecuado de la válvula y un cierre hermético cuando está cerrada.

Independientemente del tipo de válvula, los requisitos de espaciado, instalación y mantenimiento guiarán la selección de diseños compactos con obleas, orejetas o bridas. La asociación con proveedores experimentados y el cumplimiento de las normas PMI garantizan una larga vida útil de las piezas seleccionadas.

Conclusión

Para los ingenieros, el personal de mantenimiento y los operarios de planta es fundamental comprender el funcionamiento conjunto de los distintos componentes internos de las válvulas. El cuerpo, el bonete, el embellecedor, el vástago, las juntas y los actuadores desempeñan un papel importante en el control seguro y fiable del flujo de fluidos. La selección de componentes debe basarse en las condiciones de servicio y los objetivos de rendimiento. Con el conocimiento adecuado de las funciones de los componentes y las diferencias de materiales, las válvulas industriales pueden mantenerse en condiciones óptimas de funcionamiento para su papel esencial en la gestión de fluidos.