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Aug 06, 2023

Prácticas recomendadas para el sellado adecuado de vástagos de válvulas

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Antes de profundizar en los detalles de la selección de un método de sellado de válvulas, es mejor comprender los desafíos de sellar un vástago de válvula y explicar cómo se puede hacer esto. Las válvulas de control y de bloqueo se clasifican en una de dos categorías principales: de vástago deslizante o rotativas.

Una válvula de vástago deslizante tiene una varilla que sobresale del cuerpo que sube y baja para abrir y cerrar la válvula. Una válvula rotativa tiene un eje que se extiende por el lado de la válvula que está conectado a un tapón, disco o bola. A medida que gira el eje, la válvula rotatoria se abre y se cierra. En cualquier diseño, el vástago de la válvula debe salir del cuerpo y ser capaz de moverse relativamente sin fricción, mientras contiene el proceso y evita fugas.

El conjunto de sellado del vástago de la válvula lo hace posible. El sellado generalmente se logra de una de dos maneras: empaque convencional o sellos de fuelle. Los detalles de cómo funcionan estos métodos, junto con los pros y los contras de cada método, se encuentran a continuación.

Los sellos de vástago de válvula deben lograr dos objetivos contradictorios. Primero, deben sellar completamente el vástago de la válvula y reducir, e idealmente eliminar, cualquier emisión fugitiva del proceso. En segundo lugar, deben lograr esta hazaña mientras permiten que el vástago de la válvula se mueva libremente y continúe sellando, incluso cuando el vástago de la válvula gira miles de veces. Varios estándares industriales abordan estos requisitos, pero el rendimiento requerido y los métodos de prueba varían significativamente.

Los tres principales estándares de emisiones fugitivas son TA Luft, FCI 91-1 e ISO 15848. TA Luft es el menos completo de los tres y ofrece estándares de tasa de fuga basados ​​en el tamaño de la junta y la temperatura del proceso. Sin embargo, carece de parámetros de prueba específicos para la cantidad de ciclos de prueba requeridos o la distancia de recorrido, por lo que es difícil comparar los resultados de fuga entre diferentes diseños de válvulas.

FCI 91-1 fue creado por el Fluid Control Institute y está más alineado con los requisitos de detección y reparación de fugas exigidos por la Agencia de Protección Ambiental (EPA). Utiliza el Método 21 de la EPA para "olfatear" el empaque de la válvula y determinar la tasa de fuga (figura 1). Esta norma proporciona detalles sobre cómo probar una válvula. El diseño de un sello de vástago de válvula logra varias calificaciones de clasificación en función de la tasa de fuga resultante después de un número específico de ciclos mecánicos y térmicos.

Con diferencia, la norma más completa es la ISO 15848. Tiene una variedad de índices de clasificación de fugas para válvulas de control y de aislamiento en función de los ciclos mecánicos, los ciclos térmicos y el tamaño del vástago. También permite realizar pruebas con helio o metano, y dicta dos formas diferentes de medir la fuga de helio en el sello del vástago, cada una de las cuales es mucho más complicada que una simple prueba de olfato. Específicamente, la parte superior de la válvula se encierra en un recinto hermético y se enjuaga con un gas de prueba o se somete a un vacío total, mientras que el interior de la válvula se presuriza con helio. Entonces se puede medir con precisión la cantidad de fuga.

Al evaluar el rendimiento de una disposición de sello de vástago de válvula, es importante determinar cómo se probó la válvula y qué clasificación específica cumplió. Es relativamente fácil lograr índices de fuga muy bajos si la válvula se cicla mecánicamente una pequeña cantidad de veces. Es mucho más difícil lograr y mantener índices de fuga muy bajos cuando la válvula se somete a ciclos mecánicos miles de veces, al mismo tiempo que soporta ciclos térmicos. Los ciclos térmicos afectan el sellado debido a la alta tasa de expansión del PTFE (un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno, también conocido como teflón) y la baja tasa de recuperación del grafito, lo que dificulta el diseño del empaque.

El método más común de sellado del vástago de la válvula emplea una serie de anillos de PTFE o grafito que rodean el eje de la válvula (figura 2 a la izquierda). Los anillos se comprimen con una combinación de un seguidor de empaque, una brida de empaque y pernos para empujar hacia abajo y apretar los anillos de empaque contra el eje. Los anillos comprimidos permiten que el vástago de la válvula se mueva mientras mantienen un sello contra el cuerpo y el eje de la válvula para evitar que los fluidos del proceso pasen a través del vástago y se escapen. En ciertas aplicaciones, el empaque solo necesita proteger contra fugas de proceso importantes, por lo que las emisiones fugitivas relativamente menores no son una preocupación y el movimiento libre del vástago se considera un requisito más importante.

Para lograr y mantener bajas emisiones, el empaque debe tener "carga viva" para mantener una presión constante en los anillos de sellado (figura 2 a la derecha). Esto generalmente se logra usando resortes tipo Belleville comprimidos. Estos resortes mantienen una fuerza constante en la empaquetadura, asegurando que se selle con el tiempo, incluso cuando los anillos se desgastan por el movimiento del vástago. Desafortunadamente, el aumento de la presión tiende a restringir el movimiento de la válvula, por lo que los materiales de sellado y el acabado del vástago de la válvula deben elegirse cuidadosamente para minimizar las emisiones fugitivas y, al mismo tiempo, permitir el movimiento del vástago de la válvula.

Una alternativa al empaque de válvula es un sello de fuelle de válvula. Un sello de fuelle usa una barrera de metal soldada o formada mecánicamente alrededor del vástago de la válvula que puede comprimirse y estirarse como un acordeón (figura 3). Debido a que el sello está hecho de metal con una tasa muy baja de deformación en áreas críticas, los sellos de fuelle logran prácticamente cero fugas.

Ambos diseños pueden estirarse aproximadamente la misma distancia por pliegue, pero debido a que el fuelle formado tiene muchos menos pliegues por pulgada, su longitud total suele ser tres veces mayor (figura 4). Sin embargo, el número reducido de soldaduras y la tensión mecánica correspondiente permiten que los fuelles formados duren significativamente más en la mayoría de las aplicaciones.

Debido a que los sellos de fuelle están construidos con un metal relativamente delgado y están sujetos a estrés mecánico y corrosión, pueden agrietarse y fallar con el tiempo. Por esta razón, una válvula de sello de fuelle generalmente tiene un empaque estándar encima para contener el proceso en caso de que el fuelle falle durante la operación.

Cada método de sellado del vástago de la válvula tiene ventajas y desventajas, por lo que la mejor opción depende de la aplicación. Quizás la mayor ventaja del empaque estándar o ambiental es su costo comparativamente bajo, junto con una amplia variedad de materiales y diseños de empaque de válvulas que se adaptan a la mayoría de las aplicaciones. Los empaques de válvula también se pueden ajustar y reemplazar sin desmontar la válvula.

La mayor ventaja de un diseño de fuelle es su capacidad para ofrecer cero fugas. Tal especificación es fundamental para las aplicaciones de servicios letales. Los materiales de los fuelles también se pueden elegir para manejar temperaturas más altas y aplicaciones corrosivas. Debido a que la vida operativa de un sello de fuelle se basa en el número y la longitud de las carreras, el tiempo estimado de falla se puede predecir con cierta precisión, por lo que se puede planificar el reemplazo.

Cada diseño también tiene desventajas. El rendimiento y la vida útil del empaque se basan en muchas variables, que no siempre son fáciles de predecir. Por lo general, las fugas pequeñas se pueden solucionar ajustando la empaquetadura, pero en algún momento se debe reemplazar la empaquetadura. Además, el acabado de la superficie del vástago de la válvula puede tener un gran impacto en la vida útil y el rendimiento del diseño de una empaquetadura. De todos modos, todo el empaque de la válvula tendrá fugas hasta cierto punto, y esto puede no ser aceptable en ciertas aplicaciones.

Como se mencionó anteriormente, los sellos de fuelle se fatigarán y eventualmente fallarán. Cuando eso ocurra, la válvula debe desmontarse por completo para reemplazar el sello del fuelle. Por esta razón, el costo total de propiedad de un sello de fuelle suele ser más alto que el del empaque.

Una planta química china tenía una aplicación de cianuro de hidrógeno de servicio letal que requería prácticamente cero fugas mientras estaba en funcionamiento, por lo que se seleccionó un diseño de sello de fuelle. Al momento de la puesta en marcha, la planta reportó cero emisiones medibles, y después de seis años, todavía no tenía fugas reportadas. Las válvulas pasaron por 50.000 ciclos completos y más de 10.000 ciclos parciales al año.

La selección adecuada del sellado del vástago de la válvula es un componente crítico del proceso de especificación de la válvula. Cuando se elige sabiamente, el diseño funcionará de manera confiable a largo plazo, lo que se traducirá en reducciones significativas en las emisiones ambientales, pérdidas de productos y costos de mantenimiento. Perder menos producto mejora la eficiencia y es un componente clave de la gestión de la energía.

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Lisa Miller es gerente senior de ingeniería de válvulas de vástago deslizante Fisher en Emerson Automation Solutions. Ha sido la consultora técnica principal para el empaque y los fuelles de Fisher durante más de 20 años, y tiene 25 años de experiencia en el diseño, las pruebas y la fabricación de válvulas criogénicas. Miller es el presidente del comité ISA75.27.01, Pruebas criogénicas y de fugas de asiento a baja temperatura de válvulas de control, y ha sido miembro de ISA durante 10 años. Tiene una licenciatura en ingeniería mecánica de la Universidad de Iowa.