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Las válvulas de globo de patrón recto se utilizan ampliamente en la industria del petróleo y el gas para regular y controlar el flujo de fluidos. Durante el funcionamiento, estas válvulas están expuestas a problemas como la cavitación.

El principio de funcionamiento de las válvulas de 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 de globo aguas arriba y aguas abajo del tapón (Figura 1) crean una caída de presión significativa.

Figura 1Figura 1. Trayectoria de flujo dentro de la válvula de globo de patrón recto

La caída de presión significativa de los servicios líquidos en la válvula de 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 de globo. La cavitación puede crear hoyos irregulares y erosión en la moldura (asiento y tapón), el cuerpo y las tuberías aguas abajo. La Figura 2 muestra el daño por cavitación en forma de pequeños hoyos muy similar al daño por corrosión en los tapones de las válvulas de globo.

figura 2Figura 2. Daños por cavitación

La cavitación tiene otros efectos negativos además de la corrosión y la erosión:

Ruido fuerte
Fuerte vibración
Obstrucción del flujo debido a la formación de vapor
Cambiar las propiedades del fluido
Planta cerrada
MEDICIÓN DE LA GRAVEDAD DE LA CAVITACIÓN
La severidad de la cavitación se mide a través del índice de cavidad, que se calcula a través de esta fórmula:

fórmula

La severidad y extensión de la cavitación de las válvulas en función de los valores del índice de cavidad se indica en la Tabla 1.

Tabla 1
La Figura 3 muestra el resultado de la prueba de flujo y el desarrollo del coeficiente de cavitación para válvulas de cuarto de vuelta, incluidas las válvulas de bola, mariposa y tapón.

figura 3Figura 3. Característica de cavitación 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, una menor apertura de la válvula aumenta la posibilidad de cavitación. Existen otros parámetros que afectan a la cavitación:

Tamaño de la válvula: Los tamaños más grandes de las válvulas aumentan el riesgo de cavitación.
Clase de presión: Las válvulas en una clase de presión más alta tienen la posibilidad de una 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, los materiales de moldura duros como Stellite 6 (UNS R30006) o Stellite 21 como forma de sólido o recubrimiento y los aceros inoxidables martensíticos 13Cr como UNS S41000 o 415000 tienen una mayor resistencia a la cavitación.
Fugas: Las fugas del asiento de la válvula cuando la válvula está cerrada aumentan el riesgo de cavitación.
Régimen de flujo: La velocidad de flujo turbulenta y alta aumenta el riesgo de cavitación.
Diseño de moldura: Por ejemplo, el diseño de moldura de varios pasos crea una caída de presión en dos o más etapas para evitar una alta caída de presión en una etapa. La otra ventaja del diseño de molduras de varias etapas es que tiene una alta caída de presión lejos del asiento y las áreas de sellado del tapón.
SOLUCIONES PROPUESTAS
Existen diferentes enfoques para evitar la cavitación. Incluyen el cambio de la válvula y la reducción de la selección de válvulas de globo. Otras soluciones abordan la selección de la válvula de globo de patrón recto más robusta.

Nuevo estándar

La primera edición de la norma 623 del Instituto Americano del Petróleo (API), publicada en 2013, incluye requisitos para que las válvulas de globo eviten fugas, vibraciones y cavitaciones. La norma API 623 especifica el revestimiento duro tanto en el asiento y el tapón como en el disco guiado, especialmente para las clases de alta presión. El diámetro del vástago especificado en API 623 sigue los principios de la norma de válvulas de compuerta de acero fundido API 600, con diferentes valores. Los valores de diámetro del vástago en API 623 son mayores que los de otros estándares de válvulas de globo, incluida la norma BS 1873, para evitar roturas como la separación del vástago y el tapón. Esta norma cubre válvulas de 2 a 24 pulgadas de diámetro y clases de presión de 150 a 2500. La estelita es una aleación de cobalto-cromo que se usa ampliamente para el revestimiento duro de los componentes internos de la válvula de globo, incluidos el asiento y el tapón, para evitar la erosión y la cavitación.

Selección de válvulas alternativas
Las válvulas de globo tipo Y (también conocidas como válvulas oblicuas) y las válvulas axiales (Figura 4) son tipos de válvulas alternativas que se pueden usar para evitar la erosión y la cavitación. La trayectoria del flujo dentro de la válvula de globo con patrón tipo Y es más recta que el globo con patrón recto.

Las válvulas axiales, como la nueva generación de válvulas de globo, tienen muchas ventajas, como una baja caída de presión, una velocidad rápida de cierre y apertura, una característica de flujo suave, un bajo par de funcionamiento y una larga vida útil. Sin embargo, las válvulas axiales y de tipo Y son más caras que las válvulas de globo de patrón recto en cuanto al coste de los gastos (CAPEX). Además, las válvulas de mariposa pueden ser la opción preferida para el estrangulamiento en servicios públicos como el agua, en lugar de las válvulas de globo. Una razón para seleccionar válvulas de mariposa en lugar de válvulas de globo para el estrangulamiento en los servicios de agua de mar es que las válvulas de mariposa son menos costosas, aunque la cavitación puede ocurrir dentro de las válvulas de mariposa como lo hace en las válvulas de globo.

figura 4Figura 4. Válvulas axiales y tipo Y

CONCLUSIÓN
La cavitación es el principal problema operativo en las válvulas de globo convencionales tipo T. Para el diseño de válvulas de globo tipo T se recomienda seleccionar materiales de moldura duros como la estelita, utilizar molduras anticavitación como las de varios pasos y aplicar la norma API 623. Sin embargo, la selección de válvulas como las válvulas de globo o axiales tipo Y también puede ser una buena solución para reducir o evitar el riesgo de cavitación.