Válvulas de globo de ultra alta presión tipo Y autosellado

Los avances recientes en tecnología química han impulsado requisitos de equipos más estrictos, particularmente en temperatura, presión y resistencia a la corrosión. Este documento presenta el rendimiento y las características de la válvula de globo autosellante tipo Y de ultra alta presión de 4500LB. En ausencia de estándares de diseño específicos, analizamos la estructura de la válvula y calculamos la resistencia del mecanismo autosellante de acuerdo con los estándares GB / T 150. El diseño preliminar se verificó utilizando análisis de resistencia ANSYS y simulaciones de fluidos CFD. Además, se incorporó un diseño de alivio de presión de seguridad durante la fase de diseño para garantizar un funcionamiento confiable en condiciones extremas, formando la base para una adopción más amplia y la fabricación local de válvulas de globo autosellantes tipo Y de ultra alta presión.

En procesos industriales como la conversión de gas natural a acetileno, la producción de formaldehído y el refinado de petróleo, ciertos sistemas industriales funcionan en condiciones de alta temperatura, alta presión o ricas en hidrógeno. Estos entornos presentan riesgos significativos e implican requisitos operativos complejos, lo que hace que las válvulas sean componentes cruciales del sistema de tuberías, especialmente importantes. La válvula de globo de 4500LB generalmente se importa y requiere especificaciones técnicas avanzadas y estándares de calidad estrictos. Actualmente, la mayoría de los fabricantes de válvulas nacionales han realizado investigaciones limitadas sobre estas válvulas y las aplicaciones prácticas son escasas. Los estándares de diseño de válvulas API ampliamente adoptados no definen parámetros de diseño específicos ni proporcionan cálculo y verificación para válvulas autosellantes de 4500LB de presión ultra alta. Además, la documentación relevante sobre estas válvulas es escasa en la literatura nacional. Para mantenerse competitivo y asegurar una posición de liderazgo en el mercado global, la industria de válvulas doméstica debe acelerar su desarrollo. Este documento explora las características de diseño y los aspectos de confiabilidad de la válvula de globo tipo Y de presión ultra alta de 4500LB.

La selección deVálvulas de globo Está determinada por su función prevista dentro del sistema de tuberías. Para aplicaciones de cierre general, se suelen utilizar válvulas de globo tipo T convencionales. Sin embargo, cuando se requiere regulación de flujo o reducción de presión para mejorar el rendimiento de flujo, se prefieren las válvulas de globo tipo Y. Durante la fase de diseño, el rendimiento de las válvulas en condiciones reales de funcionamiento se simula utilizando un software de modelado 3D y se valida mediante pruebas de fluidos durante la producción. Los estudios han demostrado que las válvulas de globo tipo Y logran de 1,5 a 2 veces el rendimiento de flujo de las válvulas de tipo T convencionales (Figura 1). Como resultado, las válvulas de globo tipo Y se utilizan con frecuencia en aplicaciones que exigen un rendimiento de flujo superior. En tuberías sujetas a condiciones de alta temperatura, alta presión o ricas en hidrógeno, donde las presiones de funcionamiento suelen oscilar entre 30 y 40 MPa, se requieren válvulas con una potencia de 4500LB. La válvula de 4500LB está diseñada para funcionar en entornos exigentes caracterizados por altas presiones, condiciones complejas y estrictos requisitos de seguridad. Para garantizar un funcionamiento confiable, las válvulas dobles a menudo se instalan en serie (Figura 2). Si una válvula falla, la otra se puede activar rápidamente, proporcionando un mecanismo de seguridad redundante.

Figura 1 Comparación del rendimiento de flujo entre válvulas de globo tipo Y y tipo T

Figura 2 Aplicación de la válvula de globo autosellante tipo Y de ultra alta presión

La válvula de globo autosellante tipo Y de ultra alta presión de 4500LB consta de varios componentes clave, que incluyen el cuerpo de la válvula, el núcleo de la válvula, el capó de la válvula, el anillo de sellado, el anillo anticizalla, la correa, la placa de presión, el soporte, el actuador y otros componentes auxiliares. Como los estándares industriales como API 600, API 623, API 594 y API 6D no especifican parámetros para válvulas en esta clase de presión, los parámetros de diseño se derivan de estándares establecidos en la industria de calderas, tanto a nivel nacional como internacional. Las clasificaciones de temperatura y presión de la válvula cumplen con con la norma ASME B16,34. Dado que la longitud estructural de la válvula 4500LB supera las dimensiones ASME B16,10, su diseño se basa en la norma NB-T47044. Los requisitos de inspección de la válvula son más estrictos que los especificados en API 598, y su rendimiento de baja fuga debe cumplir con los estándares establecidos por ISO 15848 y API 624.

1. Cuerpo de la válvula 2. Núcleo de la válvula 3. Tapa de la válvula 4. Anillo de sellado 5. Anillo anticizalla 6. Correa 7. Placa de presión

Figura 3 Válvula de globo autosellante tipo Y de ultra alta presión

(1) Diseño del núcleo de la válvula: el núcleo de la válvula está diseñado para una alineación coaxial precisa con del eje de la válvula para reducir la fuerza operativa y mejorar la eficiencia del sellado. Al manipular medios complejos o diferenciales de alta presión, se utiliza el análisis de fluidos para determinar la estructura óptima, prevenir daños en los componentes, minimizar la vibración de la tubería y mejorar la estabilidad general del sistema.
(2) Estructura del cuerpo de la válvula: El cuerpo de la válvula está forjado, con el grosor de la pared del canal de flujo cumple con con ASME B16,34 Tabla 3A22. El grosor de la pared de la cavidad media coincide con el del canal de flujo y el diseño general cumple con con las normas API 600-1997. El diseño de la válvula de presión ultra alta de 4500LB incorpora un mayor margen de seguridad para la resistencia de los componentes.
(3) Diseño del capó de la válvula: El capó de la válvula está diseñado de acuerdo con con GB / T150, con esfuerzo de flexión longitudinal sometido a análisis y optimización, como se muestra en la figura adjunta.
(4) Tratamiento de superficie de sellado: El anillo de sellado está soldado con acero inoxidable de la serie 300, de acuerdo con con los estándares MSS SP-144, para mejorar el rendimiento del sellado y prolongar la vida útil.

Figura 4 API 600-1997 Figura A-1

Durante la operación, cuando el núcleo de la válvula cambia a la posición de la cavidad media, se forma una cavidad cerrada, conocida como cavidad A, entre el núcleo de la válvula y el cuerpo de la válvula, como se muestra en la Figura 5. Si la presión o el medio en la cavidad A no se alivia de manera efectiva a medida que la válvula continúa abriéndose, esto puede llevar a dificultades en la operación, lo que requiere una fuerza excesiva y puede causar una apertura incompleta, vibración o ruido anormal en el núcleo de la válvula. Para válvulas de alta presión de 4500LB, el riesgo de retención de presión en la cavidad de la válvula debe controlarse cuidadosamente. El proceso de diseño debe incorporar características diseñadas para abordar las condiciones específicas de funcionamiento del medio de tubería.

Para válvulas que ya están instaladas en tuberías y no se pueden reemplazar, el alivio de presión se puede lograr deteniendo el sistema, abriendo la válvula (como se muestra en la Figura 6) y soldando en una tubería de derivación. Después de la soldadura, se aplica un tratamiento térmico para aliviar el estrés y garantizar la calidad de la soldadura. Este procedimiento permite la descarga de medio o presión en la cavidad A durante el funcionamiento normal de la tubería, lo que garantiza el funcionamiento suave y seguro de la válvula de globo autosellante de presión ultra alta tipo Y. Teniendo en cuenta la interacción entre el núcleo de la válvula y el cuerpo de la válvula, los esquemas de alivio de presión para la cavidad cerrada deben integrarse durante la etapa inicial de diseño para garantizar un alivio de presión efectivo dentro de la cavidad de la válvula, reduciendo los riesgos de seguridad para la tubería. Diferentes diseños de alivio de presión producen características de flujo variables. El análisis de fluidos, basado en las especificaciones de la válvula, es crítico para seleccionar un diseño de caída de baja presión y garantizar el funcionamiento seguro y de alto rendimiento del canal de flujo de la cavidad de la válvula.

Figura 5 Cavidad Cerrada

Figura 6 Esquema del canal de desvío, orificio de alivio de presión y núcleo de la válvula de encaje

Históricamente, las plantas petroquímicas nacionales dependían de las válvulas de globo autosellables de ultra alta presión 4500LB importadas debido a la experiencia limitada y la ausencia de procesos documentados de verificación de diseño entre los fabricantes chinos. Después de que el diseño de la válvula se desarrolla en base al enfoque propuesto, se somete a un análisis de resistencia utilizando el software de simulación ANSYS y análisis de fluidos a través de CFD. Los resultados de estas verificaciones se muestran en la Figura 7. Los diseños de válvulas se clasifican típicamente en diseños convencionales y analíticos. Este último incluye análisis de tensión elástica, análisis de carga límite y análisis de tensión elástico-plástico, de los cuales el análisis de tensión elástica es el más comúnmente utilizado. Este método clasifica el estrés en categorías primaria, secundaria y pico, cada una con criterios de evaluación distintos. En comparación con el diseño convencional, este método a menudo produce un equipo más rentable. Sin embargo, tiene ciertas limitaciones:

Aunque generalmente es confiable, puede no ofrecer márgenes de seguridad adecuados para ciertas estructuras.

(2) Se requiere experiencia técnica avanzada en análisis de estrés. Las diferencias de juicio con respecto a las posiciones y la categorización del estrés entre los ingenieros pueden conducir a resultados inconsistentes. La clasificación errónea del estrés primario como estrés secundario podría conducir a diseños inseguros.

La complejidad de la estructura del canal de flujo en forma de Y hace que sea difícil evaluar las tensiones primarias y secundarias. El método de carga límite proporciona un análisis más preciso y minimiza el riesgo de clasificación errónea. Este método ofrece una alternativa al análisis de tensión tradicional al eliminar la necesidad de una evaluación de tensión primaria y evaluar directamente las condiciones de equilibrio en el estado límite final.

Figura 7 Análisis elástico y análisis plástico

El coeficiente de fricción de la superficie de sellado afecta significativamente el par de la válvula. Reducir este coeficiente reduce efectivamente la fuerza operativa necesaria para abrir o cerrar la válvula. Para cumplir con los requisitos operativos, se deben seleccionar equipos de molienda de alto rendimiento. Además, los componentes utilizados en la válvula de globo autosellante deben cumplir con estándares de seguridad más altos. Después del montaje, la válvula se somete a un riguroso proceso de inspección. La prueba de sellado excede los requisitos de API 598, asegurando cero fugas y 100% de sellado, superando los estándares actuales de inspección de válvulas. La válvula también debe cumplir con los requisitos de sellado de baja fuga especificados en ISO 15848 y API 624. El sistema de detección de baja fuga se ilustra en la Figura 8.

Figura 8 Dispositivo de detección de fugas bajas

La coaxialidad de los componentes es un factor crítico que influye en el rendimiento de sellado y la fuerza de operación de la válvula de globo autosellante tipo Y de ultra alta presión. La coaxialidad de los componentes clave, como el núcleo de la válvula, la cavidad del cuerpo de la válvula, la caja de relleno y el manguito de accionamiento, es crucial. Para minimizar el impacto de los errores de coaxialidad, se utilizan herramientas específicas y se minimiza el desajuste de las piezas. Las superficies de sellado, desde el núcleo de la válvula hasta el anillo de sellado del cuerpo de la válvula, se procesan utilizando un método de "formación de un solo paso". Esto asegura que la coaxialidad permanezca dentro de las especificaciones de diseño, utilizando la misma referencia de herramientas y posicionamiento.

Los estándares técnicos para las válvulas utilizadas en aplicaciones de alto riesgo, como las sometidas a altas temperaturas y presiones, son más estrictos que los de las válvulas de alta presión en general. En muchos casos, seleccionar la estructura adecuada de la cavidad de la válvula y optimizar el diseño del componente puede mejorar la eficiencia del flujo, lo que resulta en un diseño más rentable para la válvula de globo autosellante de tipo Y de ultra alta presión. El diseño debe abordar los diversos riesgos de seguridad asociados con el uso en el mundo real e incorporar las modificaciones necesarias para mitigar las posibles fluctuaciones de presión.

Para la verificación del diseño de la válvula de globo autosellante de ultra alta presión, las simulaciones ANSYS y CFD son esenciales para garantizar la seguridad de la válvula cuando las presiones superan los estándares de referencia. Al incorporar equipos de automatización de alta eficiencia y alta precisión en el proceso de producción, mejorar el acabado de la superficie de sellado del núcleo de la válvula y reducir el coeficiente de fricción, la fuerza de operación de la válvula puede reducirse significativamente, haciendo que la válvula de globo autosellante tipo Y de ultra alta presión sea más fácil de operar y más eficiente en mano de obra.