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Requisitos para Válvulas de Mariposa Criogénicas
Creado 07.23
Capítulo 1: Requisitos Técnicos para Válvulas de Mariposa Criogénicas
1. Configuración Estructural y Principios de Diseño
Las válvulas de mariposa criogénicas deben adoptar una estructura de sellado con asiento metálico de triple offset para garantizar un sellado confiable y una larga vida útil en condiciones de servicio criogénico. Los tres desplazamientos de la válvula de mariposa de triple offset se definen de la siguiente manera:
- Desplazamiento del eje:
- Desplazamiento esférico:
- Desplazamiento de la superficie de sellado:
El disco debe estar equipado con un anillo de sellado de acero inoxidable, y el asiento debe construirse de acero inoxidable con tratamiento de endurecimiento superficial aplicado. Tanto el anillo de sellado del disco como el asiento deben fabricarse de material de acero inoxidable macizo.
El cuerpo de la válvula debe estar equipado con una bandeja de goteo para evitar el flujo incontrolado de condensado, proteger la capa de aislamiento, aumentar la superficie de intercambio de calor, reducir la longitud del cuello extendido y garantizar el funcionamiento adecuado del prensaestopas.
2. Soldadura de sello blando entre el cuerpo de la válvula y el extremo de empalme
La válvula debe suministrarse con una longitud mínima de extremo de empalme de 100 mm. La longitud del extremo de empalme debe garantizar que las operaciones de soldadura en campo en ambos extremos no afecten los materiales de sellado. El extremo de empalme debe fabricarse con tubería sin costura, tubería soldada longitudinalmente o forjados, con la soldadura y la protección contra la corrosión completadas en la fábrica. Los requisitos de protección contra la corrosión para el extremo de empalme deben ser idénticos a los del cuerpo de la válvula.
El diámetro exterior de la válvula y el extremo de espiga debe coincidir con el de la tubería de conexión, y el material del extremo de espiga debe ser consistente con el material de la tubería.
Para válvulas suministradas con extremos para soldar a tope, la prueba de presión del cuerpo se realizará primero a 1,5 veces la presión máxima de trabajo permitida a 20 °C. Después de una prueba exitosa, se soldarán los extremos para soldar a tope, seguido de una prueba de presión integral del cuerpo del conjunto de la válvula y el extremo para soldar a tope a 1,5 veces la presión de diseño del extremo para soldar a tope.
3. Vástago Extendido
El diseño de la conexión entre el vástago y el disco debe garantizar que no se produzca ninguna deformación permanente durante la apertura bajo presión diferencial total a la presión de diseño. En caso de fallo, el primer punto de fallo debe ocurrir fuera del cuerpo de la válvula, y la fuerza de carga de fallo secundaria debe ser significativamente mayor que la carga de fallo primaria.
Para válvulas de apertura y cierre equipadas con actuadores, el diseño del vástago debe adaptarse al par de salida máximo del actuador. El vástago debe incorporar un diseño a prueba de soplado y adoptar una configuración de eje pasante integral.
Para válvulas con prensaestopas, se aplicarán requisitos estrictos de acabado superficial tanto a la superficie del vástago como al diámetro interior de la cámara de empaquetadura. La holgura entre el accesorio del prensaestopas y la cámara de empaquetadura será menor que la holgura entre el accesorio del prensaestopas y el vástago.
4. Cuello Extendido del Bonete
La longitud del cuello extendido del bonete se refiere a la extensión desde el punto de soporte más alto hasta la caja de empaquetadura del bonete, la cual debe satisfacer los requisitos de espacio de vapor. Las conexiones del bonete se realizarán mediante empernado, soldadura o construcción de bonete integral. Los bonetes integrales solo están permitidos para válvulas DN50 y menores; no se permiten conexiones de bonete roscadas.
El diseño del cuello extendido del bonete debe garantizar que el empaque funcione a temperatura ambiente. La función principal del cuello extendido es mantener la caja de empaque a distancia del medio criogénico, asegurando que el empaque permanezca dentro del rango de temperatura ambiente, garantizando así un rendimiento confiable de sellado del vástago.
5. Asiento
El par de sellado de la válvula de mariposa debe adoptar una geometría de doble o triple excentricidad para cumplir con los requisitos de sellado unidireccional o bidireccional. Se debe depositar una aleación endurecida mediante soldadura en las superficies de sellado tanto del elemento de cierre como del asiento. El espesor de la capa endurecida después del mecanizado no debe ser inferior a 1,6 mm. Para temperaturas de servicio por debajo de -100 °C, los componentes endurecidos deben someterse a un tratamiento criogénico después de la soldadura.
6. Requisitos de materiales
La selección de materiales para válvulas de mariposa criogénicas es fundamental para garantizar un funcionamiento seguro de la válvula. Los requisitos principales son los siguientes:
- No se aceptarán materiales fundidos como sustitutos de los materiales forjados.
- El contenido de carbono en el acero al carbono utilizado para piezas que soportan presión no debe exceder el 0,23%; para forjados y fundiciones, esto puede relajarse hasta el 0,25%.
- No se debe utilizar cobre ni aleaciones de cobre.
- Los materiales de acero inoxidable austenítico deben suministrarse en condición de recocido en solución.
- Los pernos y tuercas para el disco y la prensaestopas de válvulas construidas de acero inoxidable austenítico, aleación Monel y aleaciones a base de níquel deben tener composiciones químicas idénticas a las del cuerpo de la válvula.
- Los materiales de la caja de empaquetadura y la brida del yugo deben ser idénticos o equivalentes al material del cuerpo de la válvula.
- El empaque de grafito debe ser grafito puro resistente a la corrosión (pureza ≥ 99.8%).
- Los materiales de los pernos deben cumplir con los requisitos de ASTM A320 B8M Clase 2.
- Las juntas utilizadas en entornos corrosivos con niebla salina deben suministrarse con informes de prueba de niebla salina para los materiales metálicos.
- Las piezas fundidas de acero inoxidable austenítico destinadas a servicio de temperatura ultra baja (por debajo de -101 °C) deben someterse a pruebas de impacto.
- Todos los materiales de acero inoxidable deben cumplir con el requisito de doble certificación 304/304L, cumpliendo tanto con la composición química de 304L como con las propiedades mecánicas de 304.
- El proveedor debe proporcionar documentación de PMI (Identificación Positiva de Materiales) para todas las válvulas de aleación, incluidos el cuerpo y la tapa.
Principio de diseño de materiales criogénicos: El acero al carbono y otros metales con red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) son susceptibles a la fragilidad en frío a bajas temperaturas, mientras que la tenacidad al impacto del acero inoxidable austenítico y otros metales con red cúbica centrada en las caras (FCC) no se ve afectada esencialmente por las bajas temperaturas. En el diseño se aplican comúnmente tres grados de temperatura criogénica: -46°C (acero al carbono para baja temperatura), -101°C y -196°C (aceros inoxidables austeníticos de la serie 300).
7. Diseño a prueba de fuego y antiestático
La válvula debe incorporar características de diseño a prueba de fuego y antiestático. La resistencia máxima de toda la ruta de descarga estática no debe exceder los 10² Ω. El diseño antiestático debe proporcionar continuidad eléctrica entre el vástago y el cuerpo de la válvula para disipar la carga estática y eliminar posibles peligros. Todas las válvulas con asiento resiliente deben estar equipadas con dispositivos antiestáticos.
Cuando se requieren rendimiento de fuga cero y resistencia al fuego, la válvula debe diseñarse de acuerdo con API 607 (excepto para válvulas revestidas de caucho). La superficie de sellado del asiento emplea típicamente una configuración de doble sello de material no metálico y metal:
- Sello Primario:
- Sello Secundario:
Las pruebas de fuego se realizarán de acuerdo con BS 6755 o API 607, y el fabricante deberá proporcionar certificados de seguridad contra incendios API 6FA o API 607.
8. Sellado y Operación
El proveedor deberá proporcionar dibujos detallados de todas las áreas de sellado de la válvula. Se dará preferencia a los sellos de junta tórica. Cuando se utilice empaquetadura, se deberá proporcionar empaquetadura con carga de resorte.
Las válvulas de mariposa de 8 pulgadas y mayores se suministrarán con accionamientos de engranajes. Para válvulas operadas manualmente, la fuerza máxima de operación en el borde del volante o la palanca durante la operación criogénica y las pruebas de rendimiento no deberá exceder los 360 N.
La válvula deberá funcionar suavemente en todas las posiciones durante una vida útil de cinco (5) años.
9. Bloqueo de la Válvula
Se deberán proporcionar dispositivos de bloqueo tanto en las posiciones completamente cerrada como completamente abierta. Las válvulas operadas manualmente deberán poder bloquearse con un candado.
La caja de engranajes para válvulas de accionamiento manual será de tipo helicoidal, completamente cerrada y llena de lubricante adecuado.
10. Soldadura y Examen No Destructivo (END)
No se aceptará soldadura de encaje. No se aceptarán bridas soldadas directamente al cuerpo de la válvula.
Requisitos de END:
Tipo de válvula | Requisito de examen |
Válvulas de acero inoxidable fundido de clase 900 y superiores | 100% RT |
Válvulas de acero inoxidable fundido o forjado de clase 600 y superiores | 100% MT o PT |
Todas las demás válvulas | Mínimo 10% de cada lote, al menos una válvula; 100% RT + 100% PT para extremos soldados a tope |
Superficies de asiento post-soldadura | 100% PT |
11. Pruebas de presión y fugas
Los elementos de prueba de la válvula incluirán:
- Prueba de carcasa
- Prueba de operación sin carga
- Prueba de fuga del asiento
- Prueba de capacidad de resistencia a la presión del disco
Requisitos de prueba según el tipo de válvula:
Tipo de válvula | Prueba del cuerpo | Prueba del asiento trasero* | Prueba del asiento a baja presión | Prueba del asiento a alta presión |
Válvula de compuerta | Requerido | Requerido | Requerido | Opcional |
Válvula de globo | Requerido | Requerido | Opcional | Requerido |
Válvula de tapón | Requerido | N/A | Requerido | Opcional |
Válvula de retención | Requerido | N/A | Opcional | Requerido |
Válvula de Bola Flotante | Requerido | N/A | Requerido | Opcional |
Válvula de Mariposa / Válvula de Bola con Muñón | Requerido | N/A | Requerido | Opcional |
Nota: Todas las válvulas con capacidad de sellado de asiento trasero (excepto las válvulas de fuelle sellado) deben someterse a pruebas de asiento trasero.
Las pruebas de presión hidráulica deben realizarse utilizando aceite hidráulico o agentes de emulsión de agua para evitar la oxidación. Después de la prueba hidrostática, la válvula debe purgarse y secarse completamente hasta que el punto de rocío cumpla con los requisitos especificados. Se puede aplicar trazado térmico eléctrico al cuerpo de la válvula durante la etapa de purga para acelerar la evaporación del agua residual.
Criterios de fuga:
- 1.1 × Prueba de presión neumática:
- Válvulas con asiento blando: Según ISO 5208 Tasa A.
- Válvulas con asiento metálico: El doble de la Tasa D de ISO 5208.
- Prueba de gas a baja presión:
- Válvulas con asiento blando: Según ISO 5208 Tasa A.
- Válvulas con asiento metálico: Según ISO 5208 Tasa D.
La prueba de baja fuga se realizará de acuerdo con ISO 15848-1. Para válvulas de mariposa con asiento metálico, los requisitos de tasa de fuga cumplirán con API 598.
12. Prueba criogénica
Después de la prueba a temperatura ambiente, se realizará una prueba de temperatura ultra baja (a -196 °C) de acuerdo con BS 6364, que incluye:
- Prueba de rendimiento operativo criogénico
- Prueba de rendimiento de sellado criogénico (empaquetadura + juntas de brida + asiento)
- Prueba de vida cíclica criogénica
Procedimiento de prueba criogénica:
- Sumergir la válvula en un tanque de nitrógeno líquido (con el bonete y la prensaestopas ubicados por encima del nivel de nitrógeno líquido).
- Mantener la inmersión durante el tiempo suficiente para asegurar un equilibrio térmico estable del cuerpo de la válvula.
- Monitorear las temperaturas en varios puntos utilizando termopares.
- Realizar pruebas de presión con gas helio a temperatura criogénica.
- Ciclar la válvula a través de 20 operaciones de apertura y cierre, midiendo el par de operación en el primer y último ciclo.
- Presurizar gradualmente hasta la presión de trabajo máxima permitida e inspeccionar todos los puntos de sellado.
- Mantener la presión durante 15 minutos, seguido de una despresurización lenta.
Precauciones de seguridad:
- Prevenir quemaduras criogénicas; el personal operativo debe estar equipado con ropa protectora, zapatos de seguridad y guantes criogénicos.
- Asegurar una ventilación adecuada durante la descarga de gas helio para evitar riesgos de asfixia.
- Establezca una zona de peligro restringida durante las pruebas de presión neumática y prohíba la entrada de personal no autorizado.
Capítulo 2: Válvulas de mariposa de triple excéntrica para baja temperatura en servicio de GNL
1. Concepto de triple excéntrica y características estructurales
Las tres excentricidades de la válvula de mariposa de triple excéntrica para baja temperatura en servicio de GNL se definen como la excentricidad del eje, la excentricidad esférica y la excentricidad de la superficie de sellado:
- Excentricidad del eje:
- Excentricidad esférica:
- Desviación de la superficie de sellado:
2. Características de rendimiento
- Rendimiento de sellado superior:
- Funcionamiento sin fricción:
- Alta Capacidad de Flujo:
- Carrera de Operación Corta:
- Amplio Rango de Aplicación:
- Larga Vida Útil:
- Capacidad de Modulación:
3. Configuración de Entrada Superior
Las válvulas de mariposa de temperatura ultra baja para GNL se clasifican en dos configuraciones de entrada superior:
(1) Válvula de Mariposa de Entrada Superior Verdadera
El disco es de diseño de entrada superior, permitiendo que todo el conjunto del disco, vástago y anillo de sellado se retiren desde la parte superior del cuerpo de la válvula para mantenimiento. El mantenimiento en línea es posible independientemente del tamaño de la válvula. La conexión entre el cuerpo y la tapa es una junta única, con solo una posible ruta de fuga externa.
(2) Válvula de Mariposa de Entrada Superior Lateral
El disco adopta una disposición de entrada lateral, con el cuerpo extendido en un lado y equipado con una abertura de acceso para mantenimiento. El mantenimiento requiere que el personal alcance o ingrese a la cámara de acceso, lo que resulta en una menor capacidad de mantenimiento. Esta configuración tiene dos conexiones (cuerpo a bonete y abertura de acceso a tapa), creando dos posibles rutas de fuga externa.
Capítulo 3: Válvula de Retención de Mariposa Controlada Hidráulicamente
1. Especificaciones de Aplicación y Rendimiento
La válvula de mariposa de retención controlada hidráulicamente combina las funciones de cierre y retención en una sola válvula, reemplazando dos válvulas separadas. Se cierra en dos etapas —cierre rápido y cierre lento— según un programa preestablecido, eliminando y suprimiendo eficazmente los efectos del golpe de ariete causados por cortes de energía repentinos o paradas de emergencia de la bomba, así como evitando la inversión del rodete de la bomba inducida por el flujo inverso.
Especificaciones de rendimiento:
Parámetro | Valor |
Diámetro nominal (DN) | DN600 ~ DN3000 |
Presión nominal (PN) | 0,6 ~ 1,6 MPa |
Temperatura de operación | ≤ 80°C |
Medios adecuados | Agua, productos derivados del petróleo y otros fluidos no corrosivos |
2. Construcción y principio de funcionamiento
El conjunto de la válvula consta de tres componentes principales: el cuerpo de la válvula, el actuador hidráulico, la unidad de potencia hidráulica y el gabinete de control eléctrico. El diseño del acumulador reemplaza el contrapeso convencional, ofreciendo una estructura compacta, liviana y simple con funcionalidad integral.
Parámetros de tiempo de operación de la válvula:
Parámetro | Valor |
Tiempo de apertura | 20 ~ 120 segundos |
Tiempo de cierre rápido | 2 ~ 30 segundos (ángulo aprox. 65° ± 10°) |
Tiempo de cierre lento | 2 ~ 60 segundos (ángulo aprox. 25° ± 10°) |
Principio de funcionamiento hidráulico:
- Operación normal:
- Apertura de la válvula:
- Cierre de la válvula:
- Mantenimiento de posición:
- Operación manual:
3. Instalación, operación y mantenimiento
Precauciones de instalación:
- Limpie el cuerpo de la válvula, las superficies de sellado del disco y el orificio interno antes de la instalación.
- Los pernos de la brida deben apretarse de manera uniforme y en una secuencia simétrica.
- Asegúrese de que la superficie de sellado esté orientada aguas arriba y el eje de la válvula esté posicionado aguas abajo con respecto a la dirección del flujo.
Mantenimiento del acumulador:
- No cargar con oxígeno, aire comprimido ni ningún gas inflamable.
- Presión de carga de nitrógeno:
- DN ≤ 600: 6,5 ~ 8,5 MPa
- DN ≥ 700: 7,0 ~ 9,0 MPa
- Inspeccionar la presión del gas de la vejiga semanalmente durante el primer mes, luego mensualmente.
Gestión del aceite hidráulico:
- Utilice aceite hidráulico No. 20 o No. 30, o aceite hidráulico antidesgaste No. 46.
- Se realizarán muestreos y análisis trimestralmente; los filtros se limpiarán periódicamente.
- El tanque de aceite se limpiará a fondo durante los cambios de aceite; se prohíbe estrictamente la mezcla de diferentes grados de aceite.
Capítulo 4: Códigos y normas técnicas
Los requisitos técnicos para válvulas de mariposa criogénicas especificados aquí cumplirán con las siguientes normas:
Número de norma | Título |
API 609 | Válvulas de Mariposa: Tipos de Brida Doble, Orejeta y Wafer |
59A (NFPA) | Norma para la Producción, Almacenamiento y Manipulación de Gas Natural Licuado (GNL) |
ISO 14313 | Industrias del Petróleo y Gas Natural — Sistemas de Transporte por Tuberías — Válvulas para Tuberías |
ISO 5208 | Válvulas Industriales — Pruebas de Presión de Válvulas Metálicas |
BS 6364 | Válvulas para Servicio Criogénico |
BS 6755 | Pruebas de Válvulas |
MESC SPE 77/200 | Válvulas para Servicio de Baja Temperatura y Criogénico |
ISO 15848-1 | Válvulas Industriales — Procedimientos de Medición, Prueba y Calificación para Emisiones Fugitivas |
Conclusión
Después de décadas de desarrollo, la tecnología de válvulas de mariposa ha evolucionado desde válvulas de mariposa convencionales hasta válvulas de mariposa con asiento metálico de triple offset, desde servicio a temperatura ambiente hasta servicio criogénico, y desde funciones de cierre simple hasta funciones combinadas de cierre y retención. Las filosofías de diseño, los sistemas de materiales y las metodologías de prueba se han perfeccionado continuamente.
Las válvulas de mariposa criogénicas de triple offset, con su rendimiento de sellado superior y características libres de fricción, se han convertido en la solución preferida para GNL y otras aplicaciones criogénicas. Las válvulas de mariposa de retención controladas hidráulicamente, mediante tecnología de acumuladores y secuencias de cierre escalonado, garantizan eficazmente la operación segura de los sistemas de estaciones de bombeo.
Los profesionales de ingeniería en los procesos de selección y diseño de válvulas deben cumplir estrictamente con los códigos y normas aplicables, considerando plenamente las condiciones de servicio y la idoneidad de los materiales, para garantizar el funcionamiento seguro, confiable y a largo plazo de las válvulas.
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