Importancia de la Velocidad de los Fluidos y sus Efectos en las Válvulas de Control Automático

Ing. Joseph Shahda, GE Masoneilan, Principal Engineer Product Definition, Flow & Process Technologies, Division of Baker Hughes, a GE company. Joseph.Shahda@bhge.com

Adaptación al Español: Ing. Gerardo Ramírez, Senior Sales Operations Manager. Flow & Process Technologies Latinoamérica, Gerardo.Ramirez1@bhge.com

RESUMEN

Conocer las causas y remedios de ciertos daños en las válvulas de control; principalmente, este artículo se enfoca en aquellos  daños generados por velocidades y características de los fluidos que no se tomaron en cuenta al momento de la generación de las especificaciones de la válvula. La velocidad a través de la válvula así como a la salida de la misma, normalmente no es considerada para la selección apropiada tanto de la configuración de la válvula de control, misma que define el ángulo de incidencia del material erosivo, así como del tamaño mínimo que la válvula debe tener para evitar daños significativos por erosión. Estas dos variables, ángulo de incidencia y velocidad de salida, aunados al conocimiento del material erosivo: dureza, forma, cantidad y tamaño, ayudaran al ingeniero de aplicaciones, a selección la solución efectiva en costo, esto es, el equipo que cumple con los requerimientos de operación del lazo de control, con el mayor grado de confiabilidad y al menor precio posible.

PALABRAS CLAVE: Causas, Velocidad, Daños, Fluidos, Especificaciones.

INTRODUCCIÓN

En el cálculo, selección y especificación de las válvulas de control, las variables de proceso que intervienen en cada caso, deben ser consideradas cuidadosamente debido a que la composición y las propiedades termodinámicas del fluido que está controlándose, son de suma importancia. Los gases se calculan de forma diferente que los líquidos y por supuesto, los fluidos multi-fase requieren consideraciones especiales.

Otras propiedades de los fluidos también pueden ser causa de consideraciones especiales, como su corrosividad, la presencia de sólidos y la consiguiente erosión que pudiera resultar, o incluso si el fluido exhibe un cambio violento de fase y de-gasificación durante la operación comúnmente conocido como Off-Gassing o también como Out-Gassing. Algunas de estas características pueden generar cambios en el método de cálculo y selección, así como también el uso de algún diseño especial de válvula.

Un ejemplo sencillo es como un simple cambio de temperatura de proceso puede influir en el mecanismo de cavitación; para el  agua a 280°F, una caída de presión de 200 a 75 psia puede resultar en una cavitación severa, en cambio la misma caída de presión a 195°F no reporta cavitación alguna. Incluso un cambio en el tipo de válvula o en la dirección de flujo, pueden alterar la característica de recuperación de presión (Fl), propia del tipo de válvula, y eliminar o causar daños por el fenómeno de la cavitación.

GENERALIDADES

La velocidad del fluido en una válvula de control es un parámetro importante, pero no debe ser el único criterio de selección debido a que la alta velocidad por sí misma no causará erosión, desgaste de internos, vibración, ruido o falla de componentes; son los efectos coincidentes con la alta velocidad y las propiedades del fluido, quienes pueden ser la causa de estos fenómenos.

Figura 1. Concepto de la Velocidad a través de la Válvula de Control, siendo el flujo una constante, la restricción de área que representa a la válvula de control, es compensada por el aumento de velocidad a través de dicha restricción.

Los materiales seleccionados y la configuración de la válvula pueden mitigar los efectos destructivos y ser una solución aceptable. El buen juicio de ingeniería debe combinarse con las guías generales en el manejo de cualquier propiedad física y sus efectos (temperatura, presión, presión de vapor, peso molecular, ruido cavitación, etc.), siendo la velocidad uno de ellos. La figura 1 muestra el Concepto de Velocidad a través de la Válvula de Control.

Ningún estándar industrial internacional ha impuesto limitaciones a la velocidad de los fluidos, ya que existen variables que pueden variar los límites permisibles, tales como:

  • Tipo de fluido. Compresible o incompresible.
  • Calidad del fluido. Sucio o limpio.
  • Selección de los materiales de construcción.
  • Frecuencia y duración de condiciones extremas de servicio.
  • Tipo de válvula y patrón de flujo.

I. LÍMITE DE VELOCIDAD EN APLICACIONES CON LÍQUIDOS

Para un fluido limpio a través de una válvula de control, con cuerpo de acero al carbón, la velocidad de entrada máxima recomendable es 25 pies/segundo (7.625 metros/segundo). Para la misma válvula, si el fluido es sucio (hay presencia de partículas), la velocidad de entrada máxima recomendada, debe ser menor a 15 pies/segundo (4.575 metros/segundo), a fin de reducir la posibilidad de daños por erosión.

Para una válvula de acero inoxidable o acero de aleación y con fluido limpio, se puede manejar sin problema una velocidad de hasta 35 pies/segundo (10.675 metros/segundo); si el fluido es sucio, tal velocidad se deberá limitar a 20 pies/segundo (6.1 metros/segundo). Los límites pueden ser mayores si se utilizan materiales de mayor dureza, tanto en los internos como en el cuerpo y bonete.

La velocidad de salida de la válvula se puede determinar mediante la siguiente ecuación.

Donde:

La Velocidad es expresada en Pies/Segundo.
La Densidad es expresada en Libras/Pie cúbico.
Gf indica la Gravedad Específica del Líquido.
DP refiere a la caída de presión expresada en psi.

Para internos tipo Multi-etapas, la DP debe considerarse en cada una de las etapas para poder calcular la velocidad en cada etapa.

Figura 2. Muestra de daños típicos a tapón por causa inicial del Efecto alambre y posterior Cavitación. El efecto alambre ocurre cuando se opera a la válvula en aperturas muy restringidas, o bien cuando no se efectua el sello apropiado inherente en el diseño del equipo (clase de fuga según estándar ANSI FCI 70.2)

En general, se recomienda que la velocidad no exceda 200 pies/segundo (61 metros/segundo) a través de los internos en aplicaciones con líquidos. En caso que este límite fuese excedido, se deberá considerar en primer lugar, una válvula de mayor tamaño, en caso de no ser eso posible, entonces habrá que considerar un diseño especial, tanto en internos como en la geometría del cuerpo (trayectoria hidro-dinámica).

Algunos fabricantes recomiendan limitar la velocidad en los internos a un máximo de 75 pies/segundo (22.875 metros/segundo). Si aplicásemos ese límite a la ecuación antes mencionada, en una aplicación con agua, la caída de presión sería 70 psi a través de los internos o en la última etapa de los mismos, en el caso de ser válvula tipo multi-etapa de caída.

Esta limitante sería muy conservadora y a menudo innecesaria y muy costosa. Para probar este argumento, consideremos una aplicación con agua limpia, flujo= 800 gpm, P1= 200 psig, T= 70°F. Si se selecciona una válvula con una etapa de internos anti-cavitación, Cv= 70, la velocidad de salida es aproximadamente 20 pies/segundo y la velocidad en los internos es 155 pies/segundo.

Aplicando el método Sigma según estándar ISA RP75.23 para predicción de daños por cavitación, el resultado es que la válvula no sufrirá daños por este fenómeno, por lo que la selección de esta válvula es aceptable y recomendable, a pesar de que la velocidad a través de los internos excede los 70 pies/segundo y la caída de presión en los internos es mayor que 75 psi. La figura 2 muestra daños iniciales por Efecto Alambre y posteriormente por Cavitación.

II. LIMITACIONES DE LA VELOCIDAD EN APLICACIONES DE VAPOR DE AGUA Y GASES

Una práctica recomendada ha sido utilizar el número Mach a la salida de la válvula para determinar la limitante en aplicaciones de fluidos compresibles. El Mach se define como la relación entre la velocidad del fluido respecto a la velocidad del sonido en el medio donde va el fluido.

Números Mach altos en válvulas de control son indicativos de una alta energía en la corriente que puede generar niveles altos de ruido, vibración y erosión; por ello, se recomienda ciertas limitaciones en cuanto al resultado de este número Mach. Tales limitaciones varían según el tipo de fluido, su limpieza, material del cuerpo, así como la duración y frecuencia de operación a ciertas condiciones extremas.

Por ejemplo, para vapor saturado, la velocidad máxima recomendada de salida es 0.3 Mach con cuerpos de acero al carbón, mientras para cuerpos de acero inoxidable y aceros de aleación, el límite recomendado es 0.4 Mach. Es relevante notar que las especificaciones sobre nivel de ruido tienen prioridad sobre estas recomendaciones.

Figura 3. Muestra de exceso de partículas en tuberías e internos de válvulas de control

Se debe ser conservador en los casos de vapor saturado, debido a sus propiedades termodinámicas, ya que una ligera reducción en su temperatura, puede generar la formación de gotas de agua las cuales serían extremadamente erosivas a altas velocidades.

La reducción del número Mach se puede lograr aumentando el tamaño de la válvula, o bien mediante una contra-presión generada por la adición de un cartucho o plato atenuador de decibeles (Lo-dB)R,  o bien un silenciador (muffler).

Se debe evitar el uso de válvulas de control con altos números Mach, a menos que el usuario pueda garantizar por propia experiencia, que la duración de la operación es corta, de unos pocos minutos, y que la frecuencia de operación es mínima, esto es, muy pocas veces al año.

A menudo, los datos de operación varían respecto a los de diseño en la etapa de ingeniería, y la válvula debe trabajar en condiciones de mayor severidad a la especificada, siendo esto particularmente cierto en aplicaciones de venteo de vapor, donde los daños resultantes son erosión e incluso falla (fractura) de algún componente, típicamente el vástago, debido vibraciones muy altas. Obviamente, siempre es recomendable conocer todos los detalles posibles respecto a la operación para evitar tales problemas potenciales. La figura 3 como muestras de fluido con exceso de contenido de partículas, tanto en tubería como en la válvula de control.

CONCLUSIONES

Se han presentado limitaciones recomendadas en aplicaciones de fluidos compresibles e incompresibles, como guías para la selección de válvulas de control. Sin embargo, es de suma importancia tener en mente que cada aplicación tiene sus propias particularidades, por lo que el buen juicio de ingeniería debe aplicarse siempre.

REFERENCIAS

[1] Masoneilan TI-PBM VELOCITY, August 2002.

ACERCA DEL AUTOR

Ing. Joseph Shahda, GE Masoneilan, Principal Engineer Product Definition. Flow & Process Technologies, Division of Baker Hughes, a GE company. Maestría en Ingeniería Mecánica por la Universidad Northeastern de Boston, Massachusetts, USA. 22 años de experiencia en ingeniería de aplicaciones y diseño de válvulas de control automático, incluyendo servicio severo y especialidades. Especialista en diagnóstico y soluciones de casos y problemas de campo. Amplio dominio de los estándares internacionales como IEC, ISA, y ASME, así como todos aquellos relacionados a válvulas de control.

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