Tipos de válvulas en aplicaciones criogénicas  

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07/02/2023
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Las aplicaciones de alta presión requieren válvulas criogénicas. Las válvulas criogénicas proporcionan un sellado eficaz de acuerdo con los requisitos de ensayo pertinentes. Los fabricantes crean y prueban cuidadosamente estas válvulas teniendo en cuenta todas las precauciones de seguridad para que su empresa pueda confiar en ellas sin problemas. 

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¿Qué son las válvulas criogénicas?

Válvulas criogénicas son válvulas únicas que resultan funcionar fenomenalmente en condiciones de temperatura extremas. Estas válvulas deben fabricarse con materiales capaces de soportar las temperaturas extremadamente bajas asociadas a los materiales y fluidos criogénicos, que se manipulan por debajo de -101 °C.

El intervalo de temperatura que válvulas criogénicas puede soportar es de 37°F a -320°F. Cada válvula tiene un rango de temperatura diferente. Válvulas criogénicas suelen tener vástagos largos. Esto es para que el sello del vástago de la válvula pueda evitar el contacto con el fluido frío. En válvula criogénica ofrece características superiores de corte hermético a las burbujas para evitar a toda costa las fugas. Las fugas pueden tener efectos desastrosos porque los fluidos que suministran estas válvulas y tuberías son productos químicos.

¿Cómo funcionan las válvulas criogénicas?

Válvula criogénica
Fuente: Dombor

Las válvulas criogénicas se mantienen cerradas de forma natural para proteger y retener adecuadamente los gases criogénicos u otros medios. A válvula criogénica responde a la alta presión empujando hacia la posición abierta, permitiendo que el gas u otro medio pase fácilmente. El flujo abierto durará hasta que la presión disminuya una vez más, momento en el que bascula hacia atrás y se sella con un cierre hermético a las burbujas de asiento metálico único para detener cualquier fuga.

La presión externa tiene cierta influencia en el funcionamiento de una válvula criogénica. Una válvula criogénica suele mantenerse en estado cerrado. Como resultado, el medio dentro de la válvula se mantendrá dentro y no se filtrará a la atmósfera. Estas válvulas están fabricadas con precisión para responder a los aumentos de presión. La válvula se empuja a la posición abierta al aumentar la presión, lo que hace que el medio fluya. Este flujo continuará hasta que la presión disminuya.

Tipos de válvulas criogénicas según su diseño

Se pueden utilizar muchos tipos diferentes de válvulas en diversas aplicaciones, cada una con sus ventajas. Por ello, es fundamental elegir el tipo que mejor se adapte a cada aplicación.

  • Válvula de alivio de presión

En la neumática se utiliza un componente de seguridad denominado válvula limitadora de presión. tuberías o buques. Las válvulas de alivio regulan los niveles de presión del aire comprimido en los sistemas para que no superen un punto definido y dañen a las personas o los equipos. Por lo tanto, estas válvulas se emplean para evitar la sobrepresurización, que se produce cuando la presión del aire es superior a la permitida para ese sistema.

Las válvulas de alivio liberan la presión extra, evitando que los sistemas de aire comprimido se sobrepresuricen. Cuando se aplica presión al asiento de la válvula, una fuerza abre la válvula en oposición a la tensión del muelle. El mando de control puede modificar la tensión del muelle, lo que también modificará la presión necesaria para abrir la válvula.

En el sector del GNL, las válvulas limitadoras de presión son un requisito para la protección contra sobrepresiones. Sin embargo, con temperaturas de diseño de hasta -320 F, no todas las válvulas limitadoras de presión son iguales en lo que respecta a su rendimiento en entornos criogénicos. Para soportar las condiciones de congelación y cumplir su propósito de seguridad en estos aplicaciones criogénicaslas válvulas limitadoras de presión deben tener mejores propiedades de estanqueidad.

  • Válvula de bola criogénica
Válvula de bola industrial
fuente:Válvula de bola Dombor

La función de válvulas de bola industriales es cerrar el paso de líquidos, gases y vapores a través de un sistema de tuberías haciendo girar una bola con un orificio en el interior de la válvula. Un eje que conecta la bola al mecanismo operativo y de control hace girar la bola, que se coloca contra dos asientos. Se prohíbe el paso del fluido a través de la válvula cuando la sección transversal del orificio es perpendicular a la región de flujo. La cantidad de orificios expuestos al suelo determina la cantidad de fluido que pasa por la válvula y la rapidez con que lo hace.

Válvulas de bola criogénicas ofrecen una capacidad de cierre rápida y segura, evitando fugas cuando se manipulan fluidos criogénicos. Según el diseño del asiento, hay dos tipos diferentes de válvulas de bola para servicio con fluidos criogénicos. Las válvulas de bola diseñadas para su uso con fluidos criogénicos tienen vástagos y bonete más largos. Con esta disposición, el canal del fluido criogénico queda por encima de la empaquetadura del vástago. El vástago alargado crea una columna de aislamiento. 

El líquido frío se convierte en vapor caliente al aplicar presión a la columna. Después, el vapor forma un espacio gaseoso bajo las juntas, protegiendo la válvula de los daños provocados por la congelación localizada. La columna aislante protege el fluido de servicio del calor del aire que, de otro modo, desestabilizaría las características físicas del criógeno. Existen varias válvulas de bola en el mercado, como válvulas de bola de doble bloqueo y purga.

  • Válvula de compuerta criogénica
Válvula de compuerta
fuente:Válvula de compuerta Dombor

Una válvula de control criogénica denominada válvula de compuerta criogénica permite o prohíbe totalmente el flujo de medios. Las válvulas de compuerta criogénicas detienen el flujo entre las bridas de las tuberías, que emplean una compuerta plana. Debido a su diseño de puerto completo, una válvula de compuerta y la tubería de instalación tienen el mismo diámetro. Las válvulas de compuerta minimizan las pérdidas de presión del fluido, a diferencia de las válvulas de mariposa, cuando están totalmente abiertas. Además, las válvulas de compuerta permiten que los cerdos se desplacen para realizar procedimientos de limpieza e inspección en el interior de la tubería debido a la misma anchura de la tubería y de la válvula.

Una válvula de compuerta criogénica se utiliza principalmente en sistemas de licuefacción de gas y funciona con éxito a temperaturas inferiores a -40oC en determinadas circunstancias de servicio. Sus capós expandidos pueden parecer diferentes a primera vista, ya que mantienen el empaquetado del vástago lo suficientemente alejado como para seguir funcionando a pesar de las temperaturas extremadamente bajas del flujo. Sin embargo, este diseño único ayuda a reducir la transferencia de calor del exterior al interior de la válvula, lo que se traduce en un ahorro de energía y en sistemas más eficaces.

  • Válvula de mariposa criogénica
Válvula de mariposa criogénica
fuente:Válvula de mariposa Dombor

El disco redondo del núcleo del válvula de mariposa criogénica les confiere una longitud más corta que los tipos de válvulas criogénicas mencionados anteriormente. Cumplen una función beneficiosa cuando son necesarias operaciones inmediatas de apertura y cierre. Además, son más sencillas de usar, más ligeras y más baratas. 

Debido a la gran sensibilidad de los gases criogénicos, una fuga no detectada puede acarrear riesgos significativos y grandes daños. Las válvulas estándar pueden desarrollar grietas en la junta debido a la exposición a temperaturas extremadamente calientes o frías, ya que se contraen y dilatan a ritmos diferentes. Compre a una empresa de confianza proveedor de válvulas de mariposa para las mejores válvulas.

  • Válvula de globo criogénica
Válvula de globo en Y 1
Fuente: Dombor

Mediante un elemento de cierre de disco, las válvulas de cierre de movimiento lineal, también conocidas como válvulas de globo, pueden iniciar, detener o regular el flujo. Todas las empresas tienen la opción de retirar totalmente el disco de la válvula de globo o cerrar completamente el flujo. La abertura del asiento se ajusta proporcionalmente al movimiento del disco, lo que la hace perfecta para tareas de gestión de caudal. Las válvulas de globo se utilizan con frecuencia y son muy eficaces para estrangular y controlar el flujo de fluidos. Funcionan mejor con tuberías de pequeño tamaño.

La mayoría de las tareas que requieren los sistemas de tuberías para los procesos de manipulación de fluidos pueden ser realizadas por válvulas de globo. A pesar de su versatilidad como válvula de bloqueo o aislamiento, la función principal de la válvula de globo es controlar el caudal en posición parcialmente abierta, a diferencia de las válvulas de compuerta, que pueden utilizarse en posición totalmente abierta o totalmente cerrada. Las válvulas de globo criogénicas ofrecen rendimiento y durabilidad a largo plazo. El sellado que proporcionan estas válvulas también es duradero.

Materiales utilizados en la fabricación de válvulas criogénicas

El aluminio, el acero inoxidable, el latón, el Incoloy, el bronce, el circonio, etc., son materiales de construcción típicos de las válvulas criogénicas. Normalmente, el material de la junta es de grafito o Material PTFE.

La selección del material de la válvula depende del rango de temperatura que pueda soportar. El diseño de la válvula provocará grietas, fugas internas y externas y otros problemas graves si no está fabricada con un material adecuado.

Componentes de una válvula criogénica

A continuación se enumeran los componentes de una válvula criogénica:

  • El cuerpo

El cuerpo es un componente esencial porque alberga las piezas móviles que entran en contacto con el fluido y debe soportar la presión del sistema de tuberías. Para crear el cuerpo se puede fundir o forjar acero de distintas formas, patrones y grados de material. Los cuerpos fundidos y forjados se utilizan siguiendo las normas ASTM A352 LCB/LCB y ASTM A350 LF2/LF3, respectivamente, para uso a baja temperatura.

Válvula criogénica 2
Fuente: Dombor
  • Capó

El prensaestopas, crucial para la válvula criogénica, puede protegerse de los daños causados por las bajas temperaturas gracias al bonete ampliado. La estructura ampliada del bonete evita la pérdida de energía del frío envolviendo convenientemente la válvula con materiales específicos. 

  • Actuador

El dispositivo que abre y cierra la válvula se llama actuador. Está unido al conjunto de disco y vástago. 

  • Disco

El disco es el componente que, dependiendo de su ubicación, permite, estrangula o detiene el flujo. Cuando hay un obturador o una válvula de bola, el disco se denomina obturador o bola. Los discos de válvula pueden ser de fundición, forjados o manufacturados. Cuando la válvula está cerrada, un disco se coloca contra el asiento o asientos de la válvula estacionaria.

  • Asiento

Se trata de uno de los elementos críticos del sistema que influye directamente en la rapidez con la que la válvula presenta fugas. Los anillos forjados metálicos o no metálicos son componentes esenciales del cuerpo de la válvula. En cualquier válvula puede haber uno o varios asientos. Sólo hay un asiento para la válvula de retención oscilante y la de globo. El asiento aguas abajo está en el lado opuesto del asiento aguas arriba de la válvula de compuerta, y viceversa. Los asientos múltiples son posibles en el club multipodal y válvulas de bolaen función del número de orificios de la válvula o del obturador.

  • Vástago

Según el vástago expandido, la empaquetadura debe estar suficientemente caliente y por encima de 8°C. Garantizará que la válvula no tenga fugas y funcione eficazmente.

  • Embellecedor de válvula

El embellecedor de válvula es el nombre colectivo de los componentes internos desmontables y sustituibles de la válvula que entran en contacto con el fluido. Dado que los distintos materiales requieren distintas calidades para resistir a diferentes tensiones y circunstancias, las piezas de guarnición de las válvulas pueden estar fabricadas con diversos materiales.

Normas de las válvulas criogénicas

Aunque algunas empresas tienen especificaciones exclusivas para el servicio de válvulas criogénicas, la mayoría de estas especificaciones se basan en normas de ingeniería como ASME 16.34, BS 6364 e ISO 21011.

  • ASME 16.34

En la norma ASME 16.34 se incluyen criterios críticos sobre los componentes relacionados con las válvulas, incluidos el roscado, la brida y el extremo de soldadura. Algunos de los criterios específicos son: 

  • Exigir pruebas de cierre de válvulas, dispositivos de detección de fugas y pruebas de revestimiento de válvulas. 
  • Descripción de los criterios de marcado de los tubos y de su tamaño nominal. 
  • Criterios de retirada de bridas, continuidad eléctrica y especificaciones de selección de materiales.

  • BS 6364

Esta norma británica establece las especificaciones de diseño, producción y ensayo de las válvulas utilizadas en servicios criogénicos. A continuación se enumeran sus requisitos:

  • El diseño de la válvula criogénica debe incluir bonetes y prensaestopas ampliados. La longitud de la extensión también debe ser suficiente para mantener la empaquetadura del vástago a una temperatura adecuada. De este modo, podrá funcionar dentro del intervalo de temperatura habitual del material de empaquetadura.
  • Los discos de asiento plano no están permitidos para las válvulas de globo, según BS 6364. En su lugar, deben ser cónicos o ahusados. 
  • La norma BS 6364 también incluye procedimientos para la producción y ensayo de prototipos de válvulas. 
  • El diseño de la válvula criogénica para servicio combustible debe proporcionar continuidad eléctrica para evitar la acumulación de electricidad estática.
  • Las válvulas utilizadas en servicio de líquidos deben poder funcionar con su vástago a una altura de al menos 45 grados sobre la horizontal. Del mismo modo, las válvulas para gas deben poder abrirse y cerrarse con el vástago.
  • ISO 21011

Esta norma internacional establece las especificaciones de diseño, producción y ensayo de las válvulas utilizadas en el funcionamiento de fluidos criogénicos. Las normas incluyen el tratamiento del funcionamiento a temperaturas criogénicas y ambientales. A continuación se enumeran sus principales recomendaciones:

  • Según esta norma, las piezas de las válvulas fabricadas con materiales metálicos y no metálicos deben cumplir la norma ISO 21028-1 e ISO 21028-2. 
  • Las válvulas criogénicas deben funcionar con seguridad entre su temperatura nominal más baja y los 65 °C para llevar a cabo su función prevista. Además, tienen un rango de presión específico en el que deben trabajar. 
  • La norma ISO 21011 prohíbe las cavidades que puedan provocar una acumulación de presión y el atrapamiento de líquidos.
Válvula de retención
Fuente: Dombor

Aplicaciones de válvulas criogénicas 

Las instalaciones industriales son las principales ubicaciones de las válvulas criogénicas, que aprovechan los procedimientos que pueden llevarse a cabo a temperaturas extremadamente bajas. Como resultado, varias de estas aplicaciones de válvulas criogénicas se destacan en las secciones siguientes.

  • Industria del petróleo y el gas

Válvulas criogénicas gestionan gases licuados como metano, nitrógeno líquido y helio en la industria del petróleo y el gas. Estas sustancias se enfrían a temperaturas criogénicas y se mantienen en estado líquido gracias a su sencillez y seguridad de almacenamiento y transporte sin presión. De este modo, se pueden mover o mantener almacenadas cantidades más importantes durante un periodo prolongado mientras el sistema de tuberías funciona a niveles de presión significativamente más bajos y garantiza la generación de energía. Para evitar problemas de corrosión más adelante, hay que eliminar el condensado, la humedad y el CO2 antes de que estos gases se enfríen y pasen a estado líquido.

  • Industria química y petroquímica

En la industria de transformación química, varios productos, como el oxígeno líquido, el etileno y el nitrógeno líquido, deben manipularse a temperaturas muy bajas. Válvulas criogénicas son la opción ideal para este uso. También son excelentes para transportar líquidos, como el GLP.

  • Separación del aire

Se utilizan varias técnicas de presión para separar los distintos gases del aire. Estas plantas hacen un uso excelente de las válvulas criogénicas.

  • Industria alimentaria

Las válvulas criogénicas se utilizan mucho en fábricas que producen alimentos y bebidas procesados. Mediante tuberías y válvulas criogénicas, estos productos entran y salen de los congeladores.

  • Industria sanitaria

Las aplicaciones de las válvulas criogénicas no dejan de crecer y se utilizan incluso en el sector médico: tanto los almacenes donde se guardan equipos médicos como las tuberías que transfieren gases como el oxígeno las contienen.

¿Por qué las válvulas desempeñan un papel esencial en las aplicaciones criogénicas?

Aplicación criogénica
Fuente: unsplash

Válvulas criogénicas se utilizan en la manipulación, almacenamiento y transporte de criógenos, así como de fluidos a alta presión y a temperaturas extremadamente bajas. Las válvulas especializadas diseñadas para soportar circunstancias de presión y temperatura severas se conocen como válvulas criogénicas.

Las válvulas criogénicas se utilizan con frecuencia en diversas industrias, como la del GNL, la petroquímica, la alimentaria y muchas otras. Estas válvulas se utilizan en diversas industrias gracias a su capacidad para transportar fluidos a baja temperatura. Válvulas criogénicas se crean utilizando los materiales adecuados para garantizar que puedan tolerar los productos químicos, así como los cambios de temperatura y presión.

Dado el precio de convertir el gas en criógeno, las fugas de criógeno son arriesgadas y caras. Aislar las válvulas y las tuberías es esencial cuando se trabaja con criógenos, ya que la ganancia de calor ambiental es un problema persistente. Las características físicas de los gases de procesamiento incluyen el trabajo con gases como el GNL, el oxígeno, el nitrógeno y el helio. Al ser inestables a presión atmosférica, estos líquidos tienen el potencial de cambiar de forma brusca y violenta a la fase gaseosa.

Válvulas industriales estándar son vulnerables a temperaturas severas porque se expanden y contraen a ritmos diferentes en entornos fríos y calientes, lo que rompe el sellado y permite fugas involuntarias. Los procesos de estudio, transporte y almacenamiento de gases criogénicos llevan mucho tiempo sufriendo estos aumentos de calor.

¿Cómo elegir una válvula criogénica?

Elegir válvulas para aplicaciones criogénicas puede ser todo un reto. Los compradores deben tener en cuenta las circunstancias de las fábricas y los barcos. Además, las propiedades únicas de los fluidos criogénicos a baja temperatura exigen un rendimiento individualizado de las válvulas. Una selección adecuada garantiza la protección de los equipos, la fiabilidad de la planta y la seguridad operativa.

  • Materiales utilizados

Válvula criogénica Los fabricantes deben tener en cuenta los materiales que eligen porque el cuerpo del dispositivo debe soportar las fluctuaciones de temperatura y los posibles movimientos de dilatación y contracción que se produzcan, evitando la deformación de su montaje. En este sentido, cabe destacar que el acero inoxidable austenítico puede utilizarse a temperaturas inferiores a -100 °C y el acero inoxidable ferrítico por encima de esa cifra. Por el contrario, las válvulas de pequeño diámetro y baja presión se fabrican con aleaciones de cobre o aluminio.

  • Seguridad

Priorice siempre su seguridad. Recuerde que los líquidos pueden experimentar dilataciones extremas a la hora de elegir una válvula para una aplicación criogénica. Por ello, asegúrese de que la válvula tenga algún tipo de ventilación.

  • Tipos de válvulas

A pesar de la falta de normativa específica sobre el tipo de válvula en servicio criogénico, Válvula de bola de 3 víasdebido a su capacidad para proporcionar un cierre hermético. Además, válvulas de mariposa de triple offset y alto rendimiento se mueven en cuartos de vuelta. Válvula de compuerta criogénica se utiliza con frecuencia en lugar de las válvulas de bola para válvulas de mayor tamaño porque las válvulas de bola pueden ser más caras. Las válvulas de bola pueden ser más caras de entrada, pero pueden ahorrar dinero con el tiempo debido a su mayor longevidad y rendimiento. Aunque la selección del cliente suele dictar qué tipo se utiliza, las versiones con bridas y soldadas se emplean principalmente para conexiones de tuberías criogénicas.

  • Temperatura 

El uso de válvulas de ultra baja temperatura no ha dejado de aumentar en los últimos años. Son uno de los tipos de maquinaria más cruciales en los sectores de separación de aire, petroquímica, gas natural y otros. Los medios de trabajo son principalmente venenosos, combustibles y explosivos, además de de baja temperatura. Además, la considerable permeabilidad dicta varios requisitos únicos para los materiales y el diseño de las válvulas. No sólo debe funcionar en general a la temperatura designada, sino que también debe garantizar un funcionamiento correcto a temperatura ambiente.

La válvula de baja temperatura tiene un componente de empaquetadura más alto y un vástago más largo que la válvula de temperatura estándar. Sus objetivos son disminuir la cantidad de calor que entra en el dispositivo desde el exterior, mantener el prensaestopas por encima de cero grados centígrados para que el prensaestopas pueda funcionar con normalidad y evitar que el prensaestopas se congele demasiado en el vástago de la válvula de la pieza del prensaestopas y en la tapa superior de la válvula. Hay componentes congelados o escarchados.

  • Mantenimiento 

Debe utilizarse una cámara limpia para montar las válvulas para servicio criogénico, y las propias válvulas deben estar exentas de lubricantes o utilizar lubricantes adecuados para servicio en frío. No debe haber aceite de máquina, grasa, suciedad u otras sustancias extrañas en las válvulas para servicio limpio. A temperaturas criogénicas, cualquier material extraño puede perjudicar el funcionamiento de la válvula. Para asegurarse de que el fabricante ha seguido los procesos correctos al ensamblar la válvula, el operario debe solicitar instrucciones de limpieza documentadas cuando adquiera una válvula para servicio criogénico. Cameron tiene el cuidado necesario para mantener los componentes de la válvula libres de contaminantes y los prepara meticulosamente para el montaje en sala limpia.

Conclusión

Para garantizar la seguridad y la correcta manipulación de los líquidos criogénicos, las válvulas criogénicas son un componente crucial a la hora de su instalación. Contactar con Dombor si su empresa está interesada en válvulas criogénicas y desea transformar sus procesos logrando un equilibrio entre calidad y asequibilidad. 

Dombor puede ayudar a los empresarios a comprender la aplicación de una válvula criogénica, al tiempo que les asiste en la fabricación de un producto que ha sido fabricado para cumplir las normas mundiales. Por lo tanto, es fundamental que se ponga en contacto con profesionales para todas sus necesidades de válvulas criogénicas a fin de implementar sus procesos empresariales sin problemas.

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