Reducción de Emisiones Fugitiva en Válvulas de Control utilizando Tecnología Inteligente

Por Fabián C. Gonzalez
Flowserve Corporation
México Automatización,
Edición Mayo – Julio 2009.

Actualmente hay una gran preocupación respecto al cuidado del medio ambiente. Por este motivo, las emisiones fugitivas en las válvulas de control demandan acciones prioritarias en todas las industrias. La mayoría de las empresas en los Estados Unidos de Norteamérica siguen y se ajustan a las directrices generadas por el Acta del Aire Limpio de la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés que ordena medir y reportar las fugas del proceso hacia el medio ambiente.

El Instituto de Control de Fluidos (FCI, por sus siglas en inglés), el mismo grupo que liberó la norma para fugas en válvulas de control (FCI-70-2) publicó en 1997 la norma FCI 91-1-1997 (R2003), con los lineamientos para evaluar los sellos del vástago de válvulas (empaque) por tipo de prueba.

Esta norma se basa en los requerimientos de los Estados Unidos por emisiones fugitivas en el orden de 500ppmv; no obstante, algunos Estados de la Unión Americana tienen requisitos más bajo de emisiones para los compuestos orgánicos volátiles (VOC, por sus siglas en inglés) del orden de 100 ppmv.

Este documento toma en cuenta diferentes tipos de empaques, los ciclos térmicos y reajustes del empaque, que es un método para mantener la integridad del empaque y los ciclos de vida proyectados.

La Organización Internacional para Normalización (ISO, por sus siglas en inglés) liberó la norma Iso-15848, que también considera el diseño de válvula Lineal (deslizante) y rotatoria con empaque basado en Politetrafluoretileno (PTFE, por sus siglas en inglés) y Grafito.

El problema actual es mantener un balance entre la fricción del empaque y la integridad del sello, ya que una excesiva fricción en el empaque provocará un pobre desempeño de la válvula por el incremento en la banda muerta. Por otro lado, un ajuste impropio del empaque podría permitir fugas y emisiones.

Algunas industrias, tales como la industria nuclear, han desarrollado pautas y procedimientos con los valores de esfuerzo de torsión recomendados para apretar la caja de embalaje en las válvulas de control críticas. Estos procedimientos se basan en la experiencia desarrollada en un cierto plazo usando equipos para diagnóstico de válvulas y son únicos al tipo de válvula y uso.

Debido a la complejidad y a la variación del diseño de la base de válvula de control, no hay metodología estándar para ajustar correctamente la caja de embalaje para alcanzar un equilibrio ideal entre la fricción y la integridad del sello.

La introducción de instrumentos inteligentes permite controlar al elemento de control final, con la ventaja de proveer “diagnósticos en línea” para supervisar en tiempo real la condición y la salud mecánicas de la válvula de control.

Para complementar a estos instrumentos, en la mayoría de los sistemas automatizados de administración de activos (AAMS, por sus siglas en inglés), hay software que puede estar integrado al sistema o independiente, que utiliza la tecnología de Herramienta para Dispositivos de Campo (FDT, por sus siglas en inglés) y Administrador de Tipo de Dispositivo (DTM por sus siglas en inglés).

La Interfaz Humano Máquina (HMI, por sus siglas en inglés), conjuntamente con el instrumento de campo que utiliza diagnóstico en línea, puede detectar y advertir al usuario final de la degradación en el funcionamiento de la válvula.

Al principio, el proceso puede sonar extremadamente complicado, pero en realidad es bastante simple. Durante el “comisionamiento” inicial del posicionador de la válvula inteligente se genera una “Firma de línea Base” que se almacena en el dispositivo. Esta firma de Línea-Base contiene variables dinámicas tales como:

  • Fricción inicial estática y dinámica.
  • Fuerzas mecánicas que influyen basadas en tipo de actuador (retorno por resorte, sin resorte). • Suministro de aire disponible.
  • Consumo de aire en estado estable.
  • Constante de tiempo de respuesta de la válvula (tiempo muerto, retraso neumático, retraso de desplazamiento).

Una vez que se genera la línea-base, el instrumento por sí mismo mide las variables actuales y las compara contra la línea-base. El instrumento tiene la capacidad de reportar un alto nivel de averías que se catalogan como “advertencia” o “alarma”. Un diferenciador clave es que todos las situaciones de falla se determinan a partir de la firma de la línea-base, lo que atenúa la necesidad de “conocimiento experto” por parte del usuario final.

En lo que concierne a reducir y evitar las emisiones fugitivas de la válvula de control, el dispositivo de campo puede detectar y difundir una condición descrita como “alarma de fricción baja” que implica una reducción de la fricción estática/dinámica en el vástago de la válvula.

El escalamiento de una “advertencia” a una “alarma” se basa en el porcentaje de la reducción de la fricción, en donde el desgaste del empaque desarrollaría un pequeño porcentaje, y una falla mecánica (conexión entre el actuador y el montaje de válvula), se manifestará como una “alarma”, donde el actuador ya no está regulando el dispositivo de cierre a la misma fricción dinámica, permitiendo que se pueda realizar una acción correctiva antes de que se desarrolle una emisión fugitiva.

El mantenimiento predictivo contra el proactivo es un asunto en que todos los usuarios finales se están vinculando mediante el uso de los recursos existentes en el lugar de trabajo. Con la jubilación de los técnicos experimentados en control e instrumentación, este es un reto mayor. Otra alternativa disponible es combinar la tecnología con un programa de mantenimiento preventivo existente para mejorar la productividad y proteger el medioambiente.

 Terminología

  • Resorte de Actuador.- Es un resorte o grupo de resortes recluidos en la caja del actuador que mueven el vástago del actuador (varilla del pistón) en una dirección opuesta a la que se crea por la presión del diafragma.
  • Administrador de Tipo de Dispositivo. Es un componente de software que representa un dispositivo. En él se encapsulan datos específicos del dispositivo, funciones y reglas.
  • Environmental Protection Agency (Agencia de Protección del medioambiente)
  • Fluid Control lnstitute (Instituto de Control de Fluidos).
  • Field Device Tool (Herramienta de Dispositivos de Campo).- Es una norma que estandariza las comunicaciones entre dispositivos de campo y los sistemas. Es Independiente de los protocolos de comunicación y de proveedores. Es una norma abierta establecida en ISA 103.
  • Fricción. Cualquier fuerza mecánica que tienda a retardar o a oponerse al movimiento entre los componentes. El frotamiento de un objeto o superficie contra otra.
  • Anillo de embalaje de Grafoil.- Un tipo de anillo de embalaje manufacturado sin grafito diseñado para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, induce una gran cantidad de “Fricción de Embalaje” con un alto coeficiente de fricción superficial.
  • La interfaz Humano-Máquina es una capa que separa al humano que opera una máquina de la máquina en sí.
  • Válvula linear. Diseño de válvula de control en el cual el dispositivo de cierre se mueve en una línea perpendicular al plano del asiento.
  • Caja de embalaje. El compartimiento situado en el área del bonete de la válvula de control, que rodea el vástago y contiene el embalaje y otros componentes de sellado del vástago.
  • Resorte del embalaje. La parte de la válvula que se utiliza para sellar contra fugas alrededor del vástago de la válvula.
  • El politetrafluoetileno es un fluoropolímero sintético del tetraflouroretileno que encuentra usos numerosos. PTFE es más bien conocido como Teflón de Du Ponto Es de uso más común en empaques de sellado para válvulas de control.
  • Válvula (válvula de control).- Es un dispositivo usado para el control de fluidos.
  • Los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) se emiten como gases de ciertos sólidos o líquidos. VOCs incluye una variedad de productos químicos, algunos de ellos pueden tener efectos adversos sobre la salud a corto y largo plazo.
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