El principio de funcionamiento de las válvulas globo de patrón recto es que el flujo llega al centro de la válvula, donde se encuentran el asiento y el tapón. Dos rotaciones de 90 grados del fluido dentro de la válvula globo, aguas arriba y aguas abajo del tapón (Figura 1), generan una caída de presión significativa.
Figura 1Figura 1. Trayectoria de flujo dentro de la válvula globo de patrón recto
La caída significativa de presión de los servicios líquidos en la válvula globo por debajo de la presión de vapor hace que el vapor salga del líquido. Las burbujas recuperarán la presión y colapsarán, creando ondas de presión. En consecuencia, las ondas de presión pueden dañar el asiento, el tapón y el cuerpo de las válvulas globosas. La cavitación puede crear hoyos irregulares y erosión en el embellecedor (asiento y tapón), la carrocería y las tuberías aguas abajo. La Figura 2 muestra daños por cavitación en forma de pequeñas fosas muy similares al daño por corrosión en los tapones de las válvulas globo.
Figura 2Figura 2. Daño por cavitación
La cavitación tiene otros efectos negativos además de la corrosión y la erosión:
Ruido fuerte
Vibración fuerte
Asfixia del flujo debido a la formación de vapor
Cambio de las propiedades del fluido
Cierre de la planta
MEDICIÓN DE LA GRAVEDAD DE LA CAVITACIÓN
La gravedad de la cavitación se mide mediante el índice de cavidad, que se calcula mediante esta fórmula:
Fórmula
La gravedad y extensión de la cavitación para las válvulas basándose en los valores del índice de cavidad se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1
La Figura 3 muestra el resultado del ensayo de flujo y el desarrollo de coeficientes de cavitación para válvulas de cuarto de vuelta, incluyendo válvulas de bola, mariposa y válvulas de tapa.
Figura 3. Cavitación característica de las válvulas
El riesgo de cavitación no solo depende del índice de cavitación, sino que también se ve afectado por el porcentaje de apertura de la válvula. De hecho, abrir menos la válvula aumenta la probabilidad de cavitación. Existen otros parámetros que afectan a la cavitación:
Tamaño de la válvula: El tamaño de las válvulas más grande aumenta el riesgo de cavitación.
Clase de presión: Las válvulas en clases de presión más altas tienen la posibilidad de mayor caída de presión y riesgo de cavitación.
Material: Los materiales más duros como el dúplex de 22Cr tienen menos riesgo de cavitación en comparación con las opciones de materiales más blandos como los aceros inoxidables austeníticos. Además, materiales duros para molduras como Stellite 6 (UNS R30006) o Stellite 21 como forma de sólido o recubrimiento, y aceros inoxidables martensíticos de 13Cr como UNS S41000 o 415000 tienen mayor resistencia a la cavitación.
Fuga: La fuga desde el asiento de la válvula cuando la válvula está cerrada aumenta el riesgo de cavitación.
Régimen de flujo: La velocidad turbulenta y alta aumenta el riesgo de cavitación.
Diseño de molduras: Por ejemplo, el diseño de molduras en varios pasos crea una caída de presión en dos o más etapas para evitar una caída alta en una sola etapa. Otra ventaja del diseño de molduras multietapa es que hay una gran caída de presión desde las zonas de sellado del asiento y las bujías.
SOLUCIONES PROPUESTAS
Existen diferentes enfoques para evitar la cavitación. Incluyen cambiar la válvula y reducir la selección de válvulas de globo. Otras soluciones abordan la selección de la válvula globo de patrón recto más robusta.
Nuevo estándar
La primera edición estándar 623 del American Petroleum Institute (API), publicada en 2013, incluye requisitos para válvulas globo para evitar fugas, vibraciones y cavitaciones. La norma API 623 especifica el recubrimiento duro tanto en el asiento como en el enchufe y en el disco guiado, especialmente para clases de alta presión. El diámetro del vástago especificado en API 623 sigue los principios del estándar API 600 Cast Steel Steel Gate Valves, con valores diferentes. Los valores del diámetro del vástago en API 623 son mayores que otros estándares de válvula globo, incluyendo la BS 1873, para evitar rupturas como la separación de vástago y tapón. Esta norma cubre válvulas de 2 a 24 pulgadas de diámetro y clases de presión de 150 a 2500. La stellita es una aleación de cobalto-cromo que se utiliza ampliamente para el recubrimiento duro de los componentes internos de la válvula globo, incluyendo el asiento y la bujía, para evitar la erosión y la cavitación.
Selección alternativa de válvulas
Las válvulas globo tipo Y (también conocidas como válvulas oblicuas) y las válvulas axiales (Figura 4) son tipos alternativos de válvulas que pueden utilizarse para evitar la erosión y la cavitación. El camino de flujo dentro de la válvula de globo tipo Y es más recto que el globo recto.
Las válvulas axiales, como nueva generación de válvulas globo, presentan muchas ventajas como baja caída de presión, velocidad rápida de cierre y apertura, característica de flujo suave, bajo par de funcionamiento y larga vida útil del diseño. Sin embargo, las válvulas axiales y las de tipo Y son más caras que las válvulas de globo de patrón recto en cuanto al coste de gasto (CAPEX). Además, las válvulas mariposa pueden ser la opción preferida para la regulación en servicios públicos como el agua, en lugar de las válvulas globo. Una razón para elegir válvulas mariposa en lugar de válvulas globo para la regulación en servicios de agua marina es que las válvulas mariposa son menos costosas, aunque la cavitación puede producirse dentro de las válvulas mariposa como ocurre en las válvulas globo.
Figura 4. Válvulas tipo Y y axiales
CONCLUSIÓN
La cavitación es el principal problema operativo en las válvulas de globo convencionales tipo T. Se recomienda seleccionar materiales duros para molduras como Stellite, usar molduras anticavitación como el tipo de varios pasos y aplicar la norma API 623 para diseñar válvulas globais tipo T. Sin embargo, seleccionar válvulas como las de tipo Y o las axiales también puede ser una buena solución para reducir o evitar el riesgo de cavitación.
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