Diseño conceptual y Básico de una válvula bidireccional ...

Diseño conceptual y Básico de una válvula bidireccional anti-retorno (Check Valve)

Proyecto de grado

León Dario Ramírez Ovalle

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Profesor asesor

Juan Pablo Casas Rodriguez, PhD

Bogotá D.C Colombia

Diciembre 2020

2

Agradecimientos

Quiero iniciar agradeciendo a Dios por darme la perseverancia para poder hoy estar escribiendo esta página, una vez culminados mis estudios de pregrado, en la carrera que elegí y que fue un gran reto. Gracias a mis padres, hermanos y abuela por su apoyo y confianza, fundamental para sentirme respaldado y a pesar de las adversidades levantarme y continuar, a mi papa también por su asesoría en mi carrera y en este proyecto de grado. Gracias al PhD Juan Pablo Casas Rodríguez, director del departamento de Ingeniería mecánica es un gran honor para mí que sea el asesor de este proyecto de grado, a todos mis docentes pues generaron en mí un sentido de pertenencia y orgullo de ser Uniandino. A mis amigos les agradezco todo el tiempo que pudimos compartir, divertirnos, en estos años de estudio, de gran sacrificio y esfuerzo, momentos necesarios de esparcimiento, complemento de la vida de un joven como yo. No puedo pasar por alto mencionar el COVID-19 que tanta tristeza ha traído a tantas familias, tantos retos para adaptarnos en esta nueva normalidad, en una realidad que no esperaba y que cambió de tantas maneras nuestra cotidianidad, que nos enseñó a amar en la diferencia a reconocernos como familia a valorar y agradecer el esfuerzo de todos y que de una u otra manera nos hizo madurar y nos llenó de miedo e incertidumbre al respecto de lo que nos espera en la vida laboral. Agradezco a mis profesores, que aceptaron seguirnos enseñando a distancia, sin el calor del aula que tanto aman, frente a la cámara que seguramente incomoda y superando la frustración de no saber si les estamos atendiendo con la dedicación que merecen.

Nunca pensé escribir estas palabras, tan sentidas llenas de tanta gratitud y cariño, esta es la nueva realidad

hombres inteligentes que aceptamos retos, luchadores, que le apostamos al futuro, pero con un gran

toque de sensibilidad que ayudara a construir un mundo mejor.

Leon Dario Ramirez Ovalle.

3

Tabla de Contenido

Pág. 1 PRELIMINARES 5

1.1 INTRODUCCIÓN 5 1.2 OBJETIVOS 6

1.2.1 Objetivo General 6 1.2.2 Objetivos Específicos 6

2 MARCO TEORICO 7 2.1 Introducción 7 2.2 Válvulas 7

2.2.1 Válvulas Anti-retorno 8 2.2.2 Válvulas de Bola 9 2.2.3 Válvula TOM WEATLEY 10 2.3 Herramientas Inteligentes y Raspadores 11 2.4 Normas y Estándares 12

2.4.1 API 6D 12 2.4.2 ASME B 16.5 12 2.5 Fluido de Trabajo 14 2.6 Computacional Fluid Dynamics (CFD) 15 3 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA CONCEPTUAL 16

3.1 Introducción 16 3.2 Definición de Objetivos 14 3.3 Definición de Medidas, Geometría y Materiales 19 3.4 Modelo 1 22 3.5 Modelo 2 23 3.6 Modelo 3 25 3.7 Selección del Modelo 27 4 DESARROLLO DE LA INGENIERÍA BÁSICA 28

4.1 Introducción 28 4.2 Sistemas de O-Ring 28 4.3 Desarrollo de Sistema de Sujeción de Compuerta 30 4.4 Análisis CFD 32

4.4.1 Definición de Geometría 32 4.4.2 Generación de Malla 34 4.4.3 Definición de Propiedades del Fluido 34 4.4.4 Condiciones de Frontera 35

5 RESULTADOS 36 5.1 Introducción 36 5.2 Computacional Fluid Dynamic - CFD 36 5.3 6

Validación de Objetivos Conclusiones

39 40

4

Anexos 1.1 Ingeniería Básica de la Válvula 40

1.1.1 Mecanismo de Rotación 40 1.1.1.1 PALANCA 40 1.1.1.2 EJE PALANCA 40 1.1.1.3 TUERCA PALANCA 41 1.1.2 Mecanismo de Compuerta 41

1.1.2.1 BRAZO 41 1.1.2.2 COMPUERTA 42 1.1.2.3 EJE 42 1.1.2.4 BUJE 43 1.1.3 Mecanismo de Aseguramiento de Compuerta 43

1.1.3.1 MANIJA 43 1.1.3.2 TORNILLO HUECO 44 1.1.3.3 VOLANTE 44 1.1.4 Mecanismo de Cono Truncado 45

1.1.4.1 TAPA CONO TRUNCADO 45 1.1.4.2 CONO TRUNCADO 45 1.1.5 Cuerpo 46

1.1.5.1 CUERPO 46 1.1.5.2 TAPA SUPERIOR 46 1.1.6 Modelo Final 47

2 LISTADO DE ILUSTRACIONES 48 3 LISTADO DE TABLAS 49 4 REFERENCIAS 49

5

1. PRELIMINARES

1.1. INTRODUCCIÓN

Algunos de los oleoductos y poliductos de Colombia funcionan bidireccionalmente1, en razón a

necesidades operativas o como medidas contingentes debido a los atentados terroristas. Los encargados

de estos ductos enfrentan las dificultades propias de operar el ducto de manera alternativa en una u otra

dirección, lo cual está asociado con la configuración correcta de las válvulas, lo que en la actualidad

requiere que personal entre directamente a los sitios en donde se encuentran instaladas válvulas de

control flujo anti-retorno, cuyo propósito es contener las columnas de fluido y retirar los dispositivos que

evitan el flujo en la dirección contraria; muchas veces en territorios alejados, de difícil acceso, lo cual es

un proceso dispendioso y por supuesto arriesgado.

La ubicación de válvulas de bloqueo y válvulas de flujo anti-retorno es propia de cada ducto y depende

mucho de la topografía del trazado, por lo que tomar la decisión de operar un ducto de manera

bidireccional implica en primer lugar el análisis de las columnas de fluido que se requiere contener para

evitar derrames, en caso de fallas de los ductos o atentados terroristas; por supuesto existen otras razones

técnicas para la instalación de válvulas de bloqueo y de flujo en los ductos, pero tal vez la de más impacto

en Colombia sea la eventualidad de un ataque al ducto y la potencialidad del daño al medio ambiente.

El oleoducto Caño Limón Coveñas ha sido el blanco por excelencia de los atentados terroristas, enormes

cantidades de crudo han sido derramados en las inmediaciones del ducto y en las cañadas y ríos de Arauca

y Norte de Santander. El Oleoducto Transandino (OTA) ubicado en el departamento de Nariño también es

blanco de atentados terroristas de manera frecuente; de acuerdo con la revista Dinero2, en los últimos 30

años, en Colombia se han perpetrado alrededor de 3600 atentados a la infraestructura petrolera.

Cada válvula que se decida instalar implica un punto de falla, implica además la instalación de equipos

adicionales como actuadores electrohidráulicos, sensores de flujo, indicadores de posición, sistemas de

transmisión de datos, red de alimentación eléctrica, sistemas de control y obras civiles de magnitud

considerable.

De otra parte, el negocio Oil & Gas es cada día más dinámico, es posible que en un futuro muy cercano la

infraestructura actualmente instalada deba ser aprovechada para otros propósitos y sea necesario tener

los medios para reversar los ductos para recibir en vez de despachar o viceversa.

Para un país con recursos limitados como Colombia, la optimización de la infraestructura es vital y los

proyectos de bi-direccionalidad de ductos siempre están en la agenda.

Sorprende que no existan este tipo de dispositivos disponibles en el mercado y de verdad espero

contribuir con una solución que facilite el desarrollo de proyectos de conversión de ductos para optimizar

el valor del activo haciéndolo más versátil y permitiendo su operación aún en casos en que un segmento

quede fuera de servicio por la razón que sea, sobre todo si la nueva configuración puede lograrse de

manera expedita, a través de un comando remoto.

1 D&E-CRUDOS-MME-481-2017, DOCUMENTO COMPILADO DIAGNOSTICO Y PROPUESTAS METODOLÓGICAS, Delvasto y Echavarría Asociados, 18/Dic/2017 2 https://www.dinero.com/noticias/atentados-terroristas-a-oleoductos/10186

6

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo general

Desarrollar la ingeniería Conceptual y Básica para una válvula de control de flujo anti-retorno (“Check

Valve”) bidireccional.

1.2.2. Objetivos específicos

• Desarrollo de una válvula estandarizada bajo la norma API 6D y la norma ANSI B 16.5.

• Desarrollo de planos de taller para la válvula Bidireccional anti-retorno.

• Verificación de funcionalidad por medio de análisis CFD, por medio de la aplicación FLUENT de

ANSIS.

• Debe ser de paso completo, que permita la corrida de raspadores.

7

2. MARCO TEÓRICO

2.1. Introducción

El desarrollo de un tema tan especializado como la ingeniería conceptual y básica de una válvula de control

de flujo bidireccional para líneas de flujo u oleoductos, requiere de precisar los tipos de válvulas

relacionadas con el tema, las implicaciones que este nuevo elemento a ser instalado en el ducto puede tener

sobre otros dispositivos que van a interactuar. Esta es la principal razón por la que dentro del marco teórico

se tratará el tema de las válvulas que fue necesario estudiar para el desarrollo del proyecto, aclarando por

supuesto que no se pretende cubrir todos los tipos de válvulas que existen.

Los dispositivos que evidentemente podrían impactarse al pretender instalar una válvula diferente a las que

usualmente se instalan en las líneas de flujo y oleoductos, son las herramientas inteligentes que se utilizan

para diagnosticar daños en las tuberías y los raspadores, menos sofisticados pero igualmente importantes y

necesarios para la limpieza y retiro de sedimentos.

Igualmente necesario resulta precisar las principales normas y estándares que tienen relación con el

desarrollo de la válvula en cuestión. La intención es poner de manifiesto que el desarrollo del dispositivo

debe hacerse dentro del marco de los estándares que utiliza la industria Oil & Gas para los equipos propios

de una línea de flujo o de un oleoducto y destacar los aspectos relevantes de cada estándar en cuestión.

Para propósitos de centrar el desarrollo del proyecto y ante la diversidad de posibilidades que tiene la

aplicación del producto, se especifica el producto en el cual se fundamenta el proyecto.

Finalmente y cerrando el marco teórico, se precisa el software mediante el cual harán los análisis de las

condiciones simuladas de la válvula.

2.2. Válvulas

Las válvulas son mecanismos que permiten controlar o regular un fluido en movimiento dentro de un ducto;

generalmente estos componentes regulan el flujo y en otros casos pueden regular la presión del fluido.

La instalación de estos dispositivos en un proceso determinado, obedece a un análisis técnico riguroso que

permite la optimización de su número, ubicación, forma de operación y propósito. Una vez se decida su

instalación, debe analizarse el impacto sobre la lógica del proceso y actuar en consecuencia.

Usualmente, este tipo de dispositivos se instalan con el objetivo de detener el flujo totalmente, evitar el

retorno de fluido y en algunos casos y aplicaciones más específicas, permite realizar mantenimiento a

tuberías, reducción de caudal, control de presión entre otras. [8]3

Existen muchos tipos de válvulas y los estándares solo cubren la generalidad. Las aplicaciones específicas

toman apartes de éstos para facilitar su instalación y aprovechan el camino recorrido en temas como

materiales y dimensionamiento.

Se procedió a listar el máximo de características deseables en el producto final y a comparar los diferentes

tipos de válvulas para determinar cuál de éstas se ajusta más para seleccionarla como modelo base del

desarrollo del proyecto.

Como se muestra a continuación en la “Casa de Calidad”4, donde se toman diversos tipos de válvulas y se

analizan las funciones que llevan a cabo cada una de ellas, en su mayoría las válvulas cumplen una función,

3 P. Smith and R. Zappe, Valve Selection Handbook, 5th ed., vol. 33. Burlington, MA: Elsevier, 2004. 4 https://eduardorafael.weebly.com/67-la-casa-de-la-calidad.html

8

ya sea la de detener totalmente el flujo, evitar que se retorne el fluido, reducir la presión del fluido o cambiar

su dirección.

Ilustración 1. Comparación de válvulas en el mercado

Del ejercicio anterior se justifica el modelo de válvula de bola para el inicio del ejercicio de ingeniería

conceptual y el desarrollo de las diferentes alternativas de diseño.

En el mundo actual las válvulas suplen diversos objetivos de diferentes industrias entre las cuales se

encuentran la minería, las centrales hidroeléctricas, el sector Oil & Gas entre otros. Es importante notar que

para las diversas funciones se han desarrollado diversidad de mecanismos para controlar el flujo. En el caso

específico de este proyecto, se busca desarrollar una aplicación para el sector Oil & Gas, por esta razón es

importante identificar algunas de las válvulas que se emplean en este sector.

2.2.1. Válvulas anti-retorno

Este tipo de válvulas, estandarizadas en el código API 6D (American Petroleum Institute)5, generalmente

se componen por un sistema de compuerta que funciona con gravedad, de manera que mientras un fluido

se mantenga en la dirección correcta y a la presión adecuada, este sistema permitirá el paso, en caso

contrario, que por diversidad de razones, el fluido intente regresar por la tubería, la compuerta cae y la

misma presión del fluido mantiene sellada la válvula, impidiendo el flujo en el sentido opuesto.

Al especificar una válvula para oleoductos, debe tenerse en cuenta que el ducto requiere el paso de

herramientas inteligentes6 y que esta característica implica que no pueden ser de paso reducido y que

preferiblemente se requiere que la compuerta pueda asegurarse en la posición abierta, de manera que ni la

herramienta, ni la válvula sufran daños ocasionados por golpes, en el momento en que se están haciendo

las operaciones de limpieza.

5 https://www.api.org/~/media/files/publications/whats%20new/6d_e24%20pa.pdf 6 http://limpronacional.com/wp-content/uploads/2016/07/Introducci%C3%B3n-a-las-Herramientas-de-Limpieza-de-Ductos.pdf

9

El estándar API 6D establece las condiciones genéricas para las válvulas de control de flujo y dado que el

universo de proveedores de válvulas es bastante amplio, no resulta fácil optimizar la decisión de balancear

el costo con las condiciones técnicas requeridas, especialmente porque las válvulas no reconocidas ofrecen

valores muy atractivos, pero el riesgo de decidirse por una válvula que no cumplirá totalmente las

expectativas es alto.

Ilustración 2. Válvula de cheque de paso completo

Estas válvulas se clasifican dependiendo del tipo de compuerta y de las características del orificio,

identificándose si son de paso completo o si son de paso reducido, esto tiene implicaciones en el

mantenimiento de los oleoductos. Para este proyecto específico, se pretende desarrollar una válvula de

paso completo que permita el paso de herramientas inteligentes y raspadores.

2.2.2. Válvulas de bola

Este tipo de válvulas funcionan gracias a un elemento esférico de donde viene su nombre, el cual tiene un

orificio cilíndrico en el centro; funcionan bajo un estándar básico ya que tiene dos posiciones, la primera

es abierta con el orificio cilíndrico orientado con la tubería y la posición cerrada que es simplemente con

la bola orientada a la tubería. Existen códigos API para todos los tipos de válvulas que se utilizan en el

sector Oil & Gas; en este documento estaremos enfocados en las válvulas para oleoductos, es decir de las

que trata el estándar API 6D.7

Ilustración 3. Válvula de bola Top-Entry

7 https://www.api.org/~/media/files/publications/whats%20new/6d_e24%20pa.pdf

10

Las válvulas de bola se clasifican dependiendo del tipo de cuerpo que tiene la válvula, existen de tres tipos

de válvulas de bola estandarizadas en el API 6D, de Cuerpo Soldado, de entrada superior (Top Entry) y de

entrada lateral (Side Entry); la que se muestra en la ilustración 3 es una válvula de entrada superior (Top

Entry). En la industria Oil & Gas, en los oleoductos y en el proceso interno de una planta de producción o

bombeo, es muy raro que estas válvulas se empleen con actuadores manuales, ya que en la mayoría de

las ocasiones están ubicadas en lugares de difícil acceso o cumplen funciones críticas, por lo que se

emplean actuadores de tipo eléctrico o neumático; también debe considerarse el tamaño de la válvula y

la presión del ducto. Considere lo que implicaría operar manualmente una válvula de un diámetro superior

a 10” y una presión superior a 300 psi.

2.2.3. Válvula TOM WEATLEY 8

Esta marca de válvula es especialmente importante en la industria OIL & GAS, en el sector de oleoductos,

ya que posee una característica particular. La Válvula TOM WEATLEY es una válvula de cheque anti-

retorno de paso completo, con una característica especial, que además de ser de paso completo, permite

bloquear la compuerta en la posición de máxima apertura, de manera que es posible el uso de un marrano

raspador y de otros tipos de herramientas inteligentes que se usan para la evaluación y monitoreo de los

ductos, inhibiendo temporalmente su función anti-retorno y permitiendo que la herramienta pase sin ser

golpeada contra la compuerta, por supuesto, esto también evita daños prematuros en la válvula.

Ilustración 4. Válvula TOM WEATLEY

8 https://www.slb.com/valves/gate-globe-and-check-valves/tom-wheatley-swing-check-valve

11

Ilustración 5. Sistema de aseguramiento de compuerta de la Válvula TOM WEATLEY

2.3. Herramientas Inteligentes y Raspadores9

Es una práctica común de los mantenedores de oleoductos, la de usar elementos mecánicos que se

mueven en el interior de la tubería, con el objeto de retirar los sedimentos y parafina que se adhiere a las

paredes del ducto (raspadores) y para verificar la integridad de la línea de tuberías (Herramientas

inteligentes). Este tipo de herramientas inteligentes, permiten revisar diferentes características como la

rugosidad interna, nivel de corrosión, curvatura, georeferenciamiento, abolladuras, defectos del ducto,

etc. Este tipo de procesos se pueden llevar a cabo en ductos desde un NPS de 2”.

Ilustración 6. Herramienta Inteligente

En la ilustración 6, se puede observar un marrano raspador inteligente, esta herramienta permite analizar

el diámetro de la tubería en toda su longitud, la curvatura, dobleces, la temperatura interior, la presión

9 http://limpronacional.com/wp-content/uploads/2016/07/Introducci%C3%B3n-a-las-Herramientas-de-Limpieza-de-Ductos.pdf

12

interior y la corrosión de la tubería. Este elemento en específico es costoso y delicado, por esta razón para

que un sistema como éste funcione, todos los elementos deben ser de paso completo y las compuertas

de las válvulas de control de flujo (cheque) se deben poder asegurar, de manera que no se dañe al llegar

a las válvulas y recibir un golpe contra la compuerta.10

2.4. Normas y Estándares

2.4.1. API 6D - SPECIFICACION FOR PIPELINE VALVES11

Esta norma detalla uno los tipos de válvulas que se emplean en el sector OIL & GAS, específicamente en

los oleoductos. Especifica válvulas de compuerta, válvulas de tapón, válvulas cheque y válvulas de bola.

Entre las especificaciones que menciona, están las medidas generales para diseñar una válvula,

específicamente menciona la longitud total y su altura máxima, dependiendo de la clase y el NPS de la

válvula. También especifica las pruebas mínimas que deben hacerse a los dispositivos. Otro aspecto que

menciona esta norma es la especificación de materiales, partes soldadas, uniones pernadas y algunos

ensayos para verificar su empleabilidad, ensayos de dureza, presión, impacto, pruebas de integridad

hidrostática entre otras.

Tal vez el aspecto más importante que menciona éste y otros estándares es la documentación que debe

hacer parte del proceso de manufactura de las válvulas, lo cual permite establecer la trazabilidad del

proceso de fabricación, lo cual es esencial en los procesos de investigación de fallas.

2.4.2. ASME B16.5 - PIPE FLANGES AND FLANGES FITTINGS12

Esta norma tiene como principal objetivo garantizar que las válvulas y otros elementos encajen

perfectamente en las tuberías ya existentes, para esto, este estándar especifica las medidas de las bridas,

para garantizar la conexión sin mayores problemas en las tuberías ya existentes. Además de esto, este

estándar también contiene las tablas de operación de una válvula, dependiendo de su clase.

Los dispositivos fabricados bajo el estándar ASME B16.5 podrán acoplarse unos con otros y se podrá

garantizar que están siendo utilizados de manera segura de conformidad con la presión y temperatura de

operación, incluyendo factores de seguridad que permiten garantizar la integridad de las personas e

instalaciones.

El estándar asegura que los materiales de fabricación de los dispositivos sean compatibles con los

productos para los que serán utilizados.

El conocimiento de los materiales de fabricación de los accesorios permite a su vez determinar otras

características como la soldabilidad con las tuberías que se tienen disponibles.

10 Tiratsoo, "Pipeline Pigging & Integrity Technology", LiMPRO, no. 4, 2020. 11 https://www.api.org/~/media/files/publications/whats%20new/6d_e24%20pa.pdf 12 https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b16-5-pipe-flanges-flanged-fittings-nps-1-2-nps-24-metric-inch-standard

13

Tabla 1. Presiones de operación para diferentes clases y temperaturas.

La tabla 1. Indica la presión máxima a la cual debe operar un accesorio o dispositivo a diferentes

temperaturas, de acuerdo con su clase o ANSI. Para el caso de una válvula, Brida o Spool13 Clase o ANSI

150#, NPS 4”, la máxima presión es de 285 psi, si el rango de operación se encuentra entre -20 y 100°F.

Ilustración 7. Brida B16.5

13 http://docshare02.docshare.tips/files/25432/254321561.pdf

14

Tabla 2. Medidas de brida con base en el NPS

La tabla anterior muestra las dimensiones de una brida para el uso en diferentes NPS, pero todas de clase

#150. En el caso de este proyecto, las bridas tienen las medidas especificadas en la tabla para NPS 4” y de

Clase 150#.

Nótese que esta tabla es independiente del rango de temperaturas y que el uso de los accesorios debe

estar supeditado al entendimiento y aplicación de la Tabla 1.

2.5. Fluido de trabajo 14

El fluido considerado para el proyecto es petróleo crudo. Este líquido es una mezcla compleja de

hidrocarburos y comprende tres grupos principales: Parafínicos, Nafténicos y Aromáticos. Las

características del crudo están comprendidas dentro de los siguientes rangos.

Crudos

Variable valor unidad

Densidad 800 - 980 kg/m3

Viscosidad cinemática 3 - 100 cSt Tabla 3. Características del fluido

14 "El petróleo y su comportamiento", Miteco.gob.es, 2020. [Online]. Disponible:

https://www.miteco.gob.es/es/costas/temas/proteccion-medio-marino/plan-ribera/contaminacion-marina-

accidental/petroleo_y_comportamiento.aspx. [Recuperado: 24- Nov- 2020].

15

Para las simulaciones se utilizaron las siguientes características de fluido:

variable valor unidades

Temperatura 10 C

Densidad 996 kg/m^3

Viscosidad cinemática 9,70E-06 m^2/s

Viscosidad dinámica 0,010 kg/ms Tabla 4. Características para simulación.

2.6. CFD (Computacional Fluid Dynamics) 15

La dinámica computacional de fluidos consiste en analizar el comportamiento del flujo de un fluido, la

transferencia de calor y otros fenómenos asociados. Esto se logra mediante simulaciones e iteraciones

matemáticas.

Los modelos CFD se pueden llevar acabo en diferentes herramientas de computación como FLUENT,

PHOENIX y CFX de ANSIS; para el caso particular de este proyecto se utilizó el software FLUENT de ANSIS.

Este programa permite simular las cosas en un orden especifico, primero se debe definir la geometría del

flujo del fluido, para este caso específico, la geometría se llevará a cabo usando el programa

AUTODESK/INVENTOR. Después de esto se debe generar la malla y definir los dominios del fluido, así

como las entradas, salidas y las paredes que lo contienen. Lo siguiente es definir las características del

fluido, junto con los modelos de turbulencia y las propiedades del flujo, como velocidad. Por último, se

realiza el post- procesamiento, en donde se pueden analizar las distribuciones de presión, la distribución

de velocidad y las líneas de flujo.

CFD se ajusta perfectamente al caso de diseño y nos permite analizar la dinámica del fluido dentro del

dispositivo a diseñar. Permite simular el desempeño de la válvula en términos de velocidad y pérdida de

presión del fluido y la viabilidad de la compuerta (apertura y cierre).

Cabe anotar que con herramientas similares podría analizarse la malla dinámica del sistema compuerta-

fluido y la interacción de la válvula en un proceso en particular, interactuando con otros dispositivos como

válvulas de compuerta, un “by-pass”, una presión y una temperatura dadas y cualquier otra variable que

se le imponga al proceso.

15 H. K. Versteeg and W. Malaskekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, vol. M. 2007, http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM702/Versteeg_Malalasekera_2ed.pdf

16

3. DESARROLLO DE LA INGENIERÍA CONCEPTUAL

3.1. Introducción

Una vez se establezcan los objetivos del Proyecto, acordes con lo que se espera del producto a desarrollar,

se procederá con el acotamiento de las características del producto a desarrollar; las alternativas son muchas.

El siguiente paso es el análisis de las alternativas de diseño que se han identificado, verificando en cada

caso las características que se desean y los aspectos técnicos de cada diseño en cuanto a mantenibilidad,

procedimientos de fabricación y favorabilidad del diseño.

Una vez sea establecido el modelo seleccionado, serán tratados aspectos puntuales de dicho, de manera que

pueda asegurarse la funcionalidad del diseño.

Finalmente, se presentan los análisis computacionales del producto desarrollado

3.2. Definición de objetivos

Para orientar correctamente las ideas del objetivo general, se realizó un procedimiento conocido como la

“Casa de la Calidad”16, cuyos resultados se encuentran en la Tabla 5, la cual se presenta en varias secciones

para que pueda ser visualizada.

Este proceso consiste en relacionar las características preferidas del consumidor final, con los métodos para

lograr estas características. De esta forma, se realizó una lista de características generales que se dividieron

en 4 subgrupos que son: Fabricación, Operación, Ensamblaje y Mantenibilidad. Después de hacer estos

grupos que contienen características específicas que los clientes requieren, se relacionaron con los métodos

para llevar acabo estos requerimientos, concluyendo que los objetivos específicos que deben estar

comprendidos en el proyecto son:

1. Diseño bajo norma API 6D

2. Instrucciones de funcionamiento

3. ANSI definido (4”, #150, T° ambiente)17

4. Diseño bajo estándar ASME B16.5

5. Paso completo de la válvula

Con esto en mente, el proyecto ya estaría delimitado correctamente, así que todos los modelos deben

cumplir estas características para estar completos.

Cabe anotar que con el propósito de delimitar el proyecto, la válvula se especificó de manera arbitraria en

4”, 150# y que las temperaturas de operación se establecieron de acuerdo con la información que se tiene

para la operación de los oleoductos en Colombia por los diferentes operadores.

Los demás parámetros obedecen a las condiciones que requiere una válvula funcionando en un oleoducto

construido bajo los estándares de API, operando bajo los parámetros mínimos indicados por Pipeline and

Hazardous Materials Safety Administration – PHMSA en el documento Part 195 TRANSPORTATION OF

HAZARDOUS LIQUIDS BY PIPELINE18, el cual se ha adoptado en lo que aplica particularmente en la

mayor parte de los países del mundo, incluido Colombia.

16 https://eduardorafael.weebly.com/67-la-casa-de-la-calidad.html 17 D&E-CRUDOS-MME-481-2017, DOCUMENTO COMPILADO DIAGNOSTICO Y PROPUESTAS METODOLÓGICAS, Delvasto y Echavarría Asociados, 18/Dic/2017 18 https://www.phmsa.dot.gov/pipeline/annotated-regulations/49-cfr-195

17

La mantenibilidad del ducto en donde se instale la válvula hizo parte de los requerimientos del diseño, dado

el impacto que tiene sobre la eficiencia del ducto y las implicaciones sobre la vida útil del mismo.

Para el análisis en particular existen 27 variables identificadas entre los objetivos del diseño, el ejercicio

consiste en revisar la correlación de cada uno de estas variables tiene con el resto de las variables listadas,

entonces por ejemplo, el primer ítem que es “Diseño bajo norma B16.5” se compara con las demás variables

y determinamos que tanto se relaciona y a cada relación se le asigna un numero de 1 a 5, luego se suma

todo y se divide en el ítem que tenga menos puntos. De esta forma se llega a un valor que se puede clasificar

según la tabla verde de la “casa de la calidad”, que indica el nivel de relevancia de esta variable desde 1

hasta 5.

Tabla 5.Casa de la calidad

18


19



20

3.3. Definición de medidas, geometría y materiales

Teniendo presente que el modelo estaría definido por la norma API 6D, las medidas generales de la válvula

están descritas en esta norma, aclarando que solamente se consideraron la válvula de bola y la válvula

de control de flujo (cheque). El modelo está dado por las medidas generales de una válvula de bola tipo

Top Entry, 150#, NPS 4”, esas medidas son las siguientes:

Medidas estándar para una Válvula de bola 150#, API 6D

Ilustración 8. Válvula de bola dimensionada

Tabla 6. Medidas de válvula de bola para diferentes NPS

La razón de utilizar la válvula de bola como referencia para las medidas es por la naturaleza de la idea

inicial, que consiste en introducir un sistema de compuerta cheque, en el interior de un sistema de bola.

Esta idea estuvo justificada en la intención de diseñar un dispositivo que no sobrepasara en exceso las

medidas de un dispositivo estándar y que en un momento dado pudiera ser intercambiable.

21

Por esta razón se toman las medidas generales de la válvula de bola. Como se observa en la ilustración 4,

estas medidas ya comprenden las medidas de las bridas con base en el estándar ASME B16.5, que

estandariza los sistemas de unión en las líneas de tuberías.

Para definir la geometría general del sistema se utilizaron principios que rigen los métodos de fundición,

esto dado que el método de manufactura mediante el cual generalmente se fabrican los cuerpos de las

válvulas de bola es la fundición.

Este método requiere de moldes y de una solidificación homogénea, por esta razón es importante

controlar los cambios de diámetro y las geometrías cerradas, por este motivo los cuerpos de las válvulas

generalmente son circulares en su base. Si se dejan los bordes inferiores cúbicos se presentarían cambios

de geometría bruscos y, puntos calientes que serían perjudiciales para la fundición.19

Conservar los parámetros de fabricación y las dimensiones de las válvulas existentes facilita la adopción

de la nueva válvula entre los usuarios, incluso podría pensarse en la intercambiabilidad de manera directa

entre las válvulas de control de flujo actualmente instaladas y los dispositivos desarrollados para cumplir

con la función actual y con la nueva función deseada de bi-direccionalidad, la cual se espera que agregue

valor a un activo en particular.

Para el caso de nuevos proyectos de ductos bidireccionales también es deseable contar con un dispositivo

que se ajuste a las normas existentes, que pueda establecerse la trazabilidad de su fabricación de una

manera conocida y que en un momento dado permita su intercambiabilidad por dispositivos que existan

comercialmente.

Ilustración 9.Características de diseño de elementos para fundición

Finalmente, los materiales más comunes en los cuales se fabrican este tipo de elementos mecánicos son

aceros fundidos como WCB, WC6, WC9 entre muchos otros, específicamente estos materiales son

caracterizados por tener una excelente soldabilidad.

19 Schey, Introduction to manufacturing processes, 3rd ed. Mexico D.F: McGraw Hill, 2002, pp. 245-247

22

3.4. Modelo 1

Ilustración 10. Explosionado modelo 1

Ilustración 11. Modelo 1

El modelo inicial surge de la idea de combinar la válvula de bola API 6D tipo Top Entry y la válvula cheque

API 6D de paso completo, la primera permite un paso bidireccional, ya que estando en posición abierta,

permite el paso del fluido en cualquier dirección. Por otro lado, la válvula cheque de paso completo, solo

permite el paso en una dirección y una vez instalada, solo es posible el paso para la dirección en la cual

quedo ensamblada. De esta manera el primer acercamiento al proyecto se basó en la idea de introducir

un sistema de compuerta en el interior de la bola de una válvula Top Entry.

23

Cuando se intentó llevar a cabo esto, se presentó un inconveniente que es que el interior de una bola es

de difícil acceso, de este inconveniente surgen los dos primeros modelos. Para solucionar este

inconveniente se propuso dividir la bola en dos secciones iguales, que serían ensambladas nuevamente

mediante uniones pernadas. Como se observa en la ilustración 8, esto permitía un acceso simple al interior

de la bola para el maquinado y posterior ensamble.

Ilustración 12. Modelo explosionado de bola seccionada

Una vez desarrollado el diseño y consultado un fabricante de válvulas en Colombia20 y un especialista en

maquinado21, se concluyó que no es realmente viable separar la bola en dos secciones, ya que las válvulas

de bola requieren de unos acabados superficiales y una geometría muy precisa que no es posible lograr,

si se separa la esfera.

El maquinado se concibió en los siguientes pasos, partiendo de una esfera forjada: partirla en dos partes,

maquinar todos los detalles en las mitades para el ensamble de la compuerta, maquinar los detalles para

el ensamble de las dos partes, ajustándolas entre ellas con tornillos, maquinar el conjunto ensamblado

hasta llevarla a la condición de esfericidad requerida para el ensamble dentro del cuerpo de la válvula tipo

Top Entry.

Esta opción no permitiría la adquisición de esferas estándar en el mercado, por el contrario sería necesario

el desarrollo de todo el conjunto, de manera que pudieran ajustarse las medidas finales.

Este proceso se consideró extremadamente complejo y por esta razón este modelo se descartó, dando

paso al modelo 2, que corregía este problema de la esfera dividida.

3.5. Modelo 2

Ya con el conocimiento apropiado del modelo anterior y con la conclusión de que no resultaba viable el

seccionamiento de la bola, se llevó a cabo el segundo modelo:

20 https://en.savalvalves.com/ 21 Engicast Ltda, Autopista Medellín - Bogotá Km 2.7, Bodega 9 Parque Nogales, Cota, Cundinamarca,

+57 (1) 8966162

24

Ilustración 13. Modelo 2 vista frontal

Ilustración 14. Modelo 2 vista posterior

Como se puede observar en las imágenes anteriores, la bola es un solo elemento. La forma en la que se

logró introducir la compuerta al interior de la bola fue ampliando el agujero de la bola por una de sus

entradas, de esta forma se logra colocar la compuerta en su interior.

Si se observa la ilustración 15, se puede notar una rampa en forma cónica, esta rampa aparece como solución

a dos nuevos problemas, el primero consiste en el cambio de diámetro de la tubería que luego no encaja

correctamente a la salida de la válvula. El otro problema es por temas de mantenimiento e integridad de la

tubería, ya que uno de los objetivos específicos del proyecto es lograr que sea de paso completo, para poder

pasar un marrano raspador y para esto, no pueden existir esos cambios bruscos en el diámetro.

25

Ilustración 15. Vista de sección lateral de la bola del modelo 2

La solución que se muestra en la vista seccionada como una rampa, tiene complicaciones en términos de

manufactura. Si se analiza el cono que va en el interior, se puede ver cómo la parte más pequeña está en el

interior de la bola, esto hace ese punto un lugar de difícil acceso. Este lugar de difícil acceso vuelve casi

imposible el maquinado del cono y por esta razón este modelo se descartó.

3.6. Modelo 3

Para lograr clarificar la creación del tercer modelo es importante mostrar de donde surgen las ideas base de

este modelo. Con el modelo 2 se llegó a la conclusión que realizar una bola con un cheque interior

representaba un reto mayor al que se esperaba. Al investigar un poco más sobre válvulas bidireccionales de

cheque, se encontró una patente que contenía un modelo similar que cumplía ciertas características con el

modelo objetivo de este proyecto.22

Ilustración 16. Vista de sección de válvula patentada

22 R. Hugues, M. Castillo and J. Hertenberger, "Bidirectional sleeved/plug ball check valve", US

8,584705 B2, 2010

26

Ilustración 17. Vista superior y de diferentes configuraciones de la válvula patentada

En la ilustración 17 se puede observar un sistema tipo cono truncado, que también tiene por intención

cambiar de dirección totalmente. Esta válvula funciona con una esfera que evita que el fluido regrese por

la tubería, de manera que si el fluido se regresa, este mismo sube la esfera y la misma presión del fluido

sella la válvula. Con este invento como base, se desarrolló un nuevo sistema que logra satisfacer todos los

objetivos específicos de este proyecto.

Ilustración 18. Vista de sección en perspectiva del modelo 3

27

Ilustración 19. Vista de sección lateral del modelo 3

En la ilustración 19 se muestra el modelo 3 con un plano de corte en la sección azul, se puede notar el cono

truncado que rota. Ya que el sistema del cono truncado tiene la sección superior plana, es posible introducir

todo el sistema de compuerta desde la sección superior. De esta forma el diámetro nominal de la válvula en

ambos sentidos, se mantiene constante y se soluciona el problema del modelo 2.

El modelo final también cuenta con tres posiciones donde por su capacidad de rotar permite ubicar el

mecanismo de cheque, ya sea para un flujo de derecha a izquierda como para el flujo contrario. La última

posición es la de sellado completo.

La forma cónica permite mejor ajuste dentro del cuerpo de la válvula y el sellado se concibió utilizando o-

ring tanto en la parte superior como en la parte inferior.

El ensamble del conjunto cono truncado, compuerta, pasador y bujes se hace en el exterior, antes de

ensamblarlo dentro del cuerpo de la válvula.

3.7. Selección del Modelo

El Modelo 3 se considera el más adecuado en razón a que cumple con todos los criterios que mediante el

ejercicio de la “casa de la calidad” se determinaron como objetivos del diseño.

La facilidad en la manufactura resulta determinante en la decisión.

Cabe destacar que el modelo seleccionado mantiene los objetivos específicos del proyecto y satisface los

requerimientos de un dispositivo que será instalado en un ducto de condiciones estándar de la industria Oil

& Gas.

28

4. DESARROLLO DE LA INGENIERÍA BÁSICA

4.1. Introducción

Una vez contextualizado el modelo a desarrollar dentro del proyecto, se procedió con el dimensionamiento

de cada una de las partes de la válvula y se analizó la operación de la misma. Se hizo evidente que debían

especificarse algunos componentes y diseñar otros, necesarios para que el dispositivo cumpliese totalmente

con los objetivos propuestos. En los numerales siguientes se presentan estos elementos y se presenta el

análisis del comportamiento del fluido dentro de la válvula.

4.2. Sistemas de O-RINGS

Con el objetivo de sellar el cono truncado en el cuerpo de la válvula y evitar pérdidas de presión, se

posicionaron algunos sellos tipo O-RING y, se seleccionaron gracias a una aplicación dada por un

fabricante en particular. Esta aplicación se llama O-Ring Master y con base en la medida del diámetro

requerido del o-ring, muestra las demás medidas y los materiales que ellos comercializan. 23

Ilustración 20. Interfaz O-ring Master

En la ilustración anterior se observa la interfaz de la aplicación, en la parte superior se coloca el diámetro

del O-Ring y en la parte inferior coloca las referencias comerciales que existen y en la imagen central están

las demás medidas del sello.

Otro tema importante es el material del cual se fabrican, para esto, el fabricante también maneja una

aplicación que permite saber si el material es apto para ciertas temperaturas y para algunos productos.

23 O-ring Master. GMORS, 2020, https://es.gmors.com/list/o-ring-master.htm

29

Ilustración 21. Comportamiento de diferentes materiales a diferentes temperaturas.

La ilustración 21 muestra diversos materiales y su resistencia a algunas temperaturas, como se observa, el

FKM (Viton) y la silicona son los materiales que mejor soportan las altas temperaturas. La aplicación

Material master permite evaluar la factibilidad de usar ciertos materiales con algunos fluidos.24

Ilustración 22. Interfaz de la aplicación material master

En la ilustración 22 se observa la interfaz de la aplicación que permite seleccionar materiales para

manufacturar los O-Ring, como se observa, el material que aplica dadas las condiciones de operación y las

propiedades del fluido utilizadas en la simulación, es el FKM (Comercializado como VITON). Este material

es común en este tipo de elementos en la industria Oil & Gas.

24 "Material de GMORS", Es.gmors.com, 2020. [Online]. Available: https://es.gmors.com/gmors-

material.htm. [Accessed: 24- Nov- 2020], https://es.gmors.com/gmors-material.htm

30

Es importante recalcar que la temperatura de operación de los oleoductos en Colombia es de 300 °K o por

lo general se encuentran a temperatura ambiente, a pesar de esto, se tomó un rango amplio en términos de

temperatura.

La selección de o-rings como elemento de sellado se hizo en razón a que es un elemento estándar en este

tipo de dispositivos, de fácil instalación y que adecuadamente especificado garantiza las condiciones de

sellado de la válvula.

4.3. Desarrollo de sistema de sujeción de compuerta

Por temas de mantenimiento las compuertas de las válvulas cheque deben estar totalmente abiertas para que

los marranos raspadores o las herramientas inteligentes, que requieren ser pasadas por los ductos no se

golpeen al ingresar a las válvulas, por esta razón una de las válvulas de compuerta cheque anti-retorno más

utilizada es la válvula TOM WEATLEY de Cameron25, esta válvula tiene la capacidad de bloquear la

compuerta en la posición abierta, para dar paso completo. Para este modelo el problema era más complejo,

ya que la compuerta puede estar en dos posiciones y no está quieta.

La solución a este problema se dio con ayuda de un sistema que permite mediante un volante, ubicar un

dispositivo, compuesto de un tornillo de avance y uno de rotación. El tonillo de avance permite que el

dispositivo alcance la ubicación del pin. El tornillo de rotación se acopla con el pin de la compuerta,

permitiendo levantarla y asegurarla en una posición que deja la válvula de paso completo.

El cuerpo de la válvula permite la instalación del dispositivo por ambos lados, pudiéndose asegurar la

compuerta independientemente de la dirección que tenga el fluido.

Ilustración 23. Sistema de aseguramiento de compuerta para mantenimiento

En la ilustración 23 se puede observar la sección de color amarillo (tornillo de rotación) instalada dentro de

un tornillo hueco (tornillo de avance) y gracias a esto, es posible rotar sin seguir avanzando axialmente

hacia el interior de la válvula, de esta forma es posible sostener la compuerta en la posición de paso

25 https://www.slb.com/valves/gate-globe-and-check-valves/tom-wheatley-swing-check-valve

31

completo. El sistema requiere de cierta precisión ya que debe ser encajado para su funcionamiento en el pin

de la compuerta, por esta razón fue necesario diseñar un sistema de acople que permite varias encajar el

tornillo de rotación y el pin de la compuerta en varias posiciones.

Ilustración 24. Sección de seguro del eje

Ilustración 25. Seguro de compuerta

Ilustración 26. Unión de seguro y eje de la compuerta

32

Esta sección, similar a una hélice, se encuentra justo con el pin de la compuerta del cheque y permite

bloquear el movimiento de la compuerta, levantarla y asegurarla.

El diseño del dispositivo que permite levantar y asegurar la compuerta resultó del análisis que se hizo de

los modelos existentes de válvulas anti-retorno para ser instalados en oleoductos y al hecho de la preferencia

que existe en la selección de aquellas que tienen esta posibilidad frente a otros modelos que no la tienen.

Además de resultar lógica esta característica para evitar daños en las herramientas inteligentes y raspadores

que deben ser introducidos dentro del ducto para propósitos de mantenimiento.

4.4. Análisis CFD

Para el análisis CFD se utilizó el software FLUENT de ANSYS26, este programa permite modelar el

comportamiento de un fluido y predecir su comportamiento. El software utiliza modelamiento

matemático con elementos finitos.

En este caso el modelo se idealizó como tubería que tiene en la mitad de su recorrido la válvula diseñada.

Mediante formulación se calcularon los diámetros aguas arriba y aguas abajo de la válvula, de manera

que se asegurara que ya estuviera estabilizado el comportamiento del flujo.

4.4.1. Definición de la geometría del flujo

La forma correcta de definir la geometría del flujo es generando una pieza sólida, que tenga exactamente la misma geometría del conjunto que se pretende analizar. Este proceso se llevó acabo utilizando el software AUTODESK INVENTOR27.

Ilustración 27. Geometría del flujo

26 https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent 27 https://latinoamerica.autodesk.com/products/inventor/overview?plc=INVPROSA&term=1-YEAR&support=ADVANCED&quantity=

33

Ilustración 28. Vista de sección del modelo 3 para notar el flujo

Como se observa en las ilustraciones 27 y 28 se recreó el agujero de la válvula como una geometría sólida, esto para poder analizar el flujo en FLUENT. El software AUTODESK INVENTOR permite exportar el diseño de la geometría del flujo al software FLUENT de ANSYS para propósitos de análisis. En la siguiente ilustración se observa el modelo cableado (No sólido) de la geometría del flujo.

Ilustración 29. Modelo cableado en ANSYS

34

4.4.2. Generación de malla

Ilustración 30. Malla para análisis

La ilustración 30 muestra la malla utilizada para analizar el flujo, esta malla tiene un tamaño por elemento de 0,005 m y esta refinada a 0,001 m en los bordes, en donde las geometrías son más complejas, de esta forma quedan bien definidos los bordes y no se solapan las caras. La generación de la malla se hace de manera automática para toda la geometría del flujo, posteriormente y a criterio del diseñador, se seleccionan las secciones más complejas y se procede a refinar la malla para garantizar la precisión en los cálculos del modelo.

4.4.3. Definición de propiedades del fluido

variable valor unidades

densidad 996 kg/m^3

viscosidad cinemática 9,70E-06 m^2/s

viscosidad dinámica 0,010 kg/ms Tabla 7. Propiedades del fluido

Adicionalmente, es importante defirnir la longitud adicional de la tubería aguas arriba y aguas abajo para garantizar que el fluido alcance a desarrollar un perfil estable, para esto se debe definir inicialmente un número de Reynolds para el fluido, que se lleva a cabo mediante la siguiente formula:

𝑅𝑒 =𝜌𝐷𝑉

𝜇

Esta fórmula da como resultado que el Reynolds del fluido a una velocidad de 1 m/s es de 10474, con este valor se puede estimar la longitud de la tubería:

𝐿𝐷 = 4.4𝐷𝑅𝑒16 𝑅𝑒 < 107

35

Finalmente se tiene que la longitud de la tubería aguas arriba y aguas abajo debe ser como mínimo de 2,13 m en cada lado. Junto con estas propiedades se debe estimar la intensidad de la turbulencia, este valor se puede hallar usando el número de Reynolds calculado, generalmente la intensidad de turbulencia de un fluido en una tubería circular está entre el 5% y el 10%, en este caso da:

𝐼 = 0.16 ∗ 𝑅𝐸−18 ∗ 100

𝐼 = 5,03%

Adicionalmente el programa FLUENT pide el diámetro hidráulico del sistema, como se muestra en la

Ilustración 31 el diámetro hidráulico para una tubería de perfil circular es igual al NPS de la tubería.

𝐷ℎ = 𝑁𝑃𝑆 = 0.1016 𝑚

Ilustración 31. Diámetros hidráulicos para diferentes geometrías

4.4.4. Condiciones de Frontera

Para las condiciones de frontera se definieron 4 espacios: el primero es el ingreso del fluido (INLET), el

segundo es la salida del fluido (OUTLET), el tercero son las paredes del cilindro (OUTER CYLINDER) y

por último, el cuarto es como tal, todo el conjunto objeto de análisis (FLUID DOMAIN), con estas fronteras

establecidas es posible configurar el software para proceder con el análisis y obtener los resultados a

interpretar.

Ilustración 32. Condiciones de frontera en la geometría del flujo

36

5. RESULTADOS

5.1. Introducción

La validación del comportamiento de los componentes internos de la válvula mediante el análisis de

elementos finitos da una idea muy precisa de la funcionalidad del dispositivo desarrollado, que resulta

además bastante confiable.

Los planos presentados y que hacen parte de la ingeniería básica de la válvula permiten ver los detalles de

la funcionalidad de la válvula. Permiten establecer que es totalmente viable su manufactura y que realmente

presenta una alternativa de solución para el caso propuesto por el proyecto.

5.2. Computacional Fluid Dynamic - CFD

Con ayuda del software de FLUENT de ANSIS se logró conocer el comportamiento de la compuerta cheque, mediante el modelo especificado.

Se realizó un análisis estático en diferentes configuraciones de la compuerta entre las cuales están 45 grados, 30 grados, 20 grados y 10 grados; esta última es la apertura máxima de la compuerta.

Para conocer la presión sobre la compuerta se creó un plano central en la aplicación que define la distribución de presión, con este valor y con el área de la compuerta, se puede conocer la fuerza de presión en cada una de las caras de la compuerta, adicionalmente, gracias a AUTODESK INVENTOR es posible hallar el centro de masa de la compuerta en las diferentes configuraciones, con esto y la formula de sumatoria de momentos, se puede hallar el ángulo de equilibrio de la compuerta.

∑ 𝑀𝑜 = (𝐹𝑔 ∗ 𝑑𝑥) + (𝐹𝑝𝑥 ∗ 𝑑𝑦) − (𝐹𝑝𝑦 ∗ 𝑑𝑥)

𝐹𝑔 = 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑠𝑜

𝑑𝑥 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑥 𝑑𝑦 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑦

𝐹𝑝𝑥 = 𝑐𝑜𝑛𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑥 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛

𝐹𝑝𝑦 = 𝑐𝑜𝑛𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑦

Ilustración 33. Distribución de presión ángulo de 45º

37



38


ANGULO Deg SUMATORIA DE MOMENTOS (Nm)

45 534

30 225

20 63

10 2 Tabla 8. Resultados sumatoria de momentos

Si se analizan los datos anteriores se puede observar como el sistema tiende a 0 Nm, pero según las

geometría del dispositivo y la existencia de un tope en el cuerpo del cono truncado, la compuerta no

puede estar en una posición de cero grados de apertura y el sistema como tal no puede llegar a un estado

de equilibrio de 0 Nm, en la condición simulada de operación.

Otro aspecto que es importante destacar es que al comparar la ilustración 33 (45°) con la ilustración 36

(10°) se observa como la presión en los sectores inferior y superior de la compuerta es igual en el modelo

de 10 grados.

En la configuración de 45 grados, la presión en el lado inferior de la compuerta es significativamente más

alta que la sección superior de la compuerta, tendiendo a empujar la compuerta hacia la posición abierta,

lo que indica que el dispositivo no está en equilibrio.

De esta forma se puede concluir que para las condiciones de operación simuladas, en el caso de análisis

propuesto, de un ducto, con una válvula 150# NPS 4”, la compuerta funcionaria correctamente sin causar

mayores inconvenientes en el flujo.

39

5.3. Validación de los Objetivos

El dispositivo desarrollado no resultó producto de la adecuación de una válvula de bola a las necesidades

del proceso, pero resultó un equipo que cumple con prácticamente todos los objetivos propuestos.

Algunas de las características deseadas no fueron incluidas en el diseño, pero es claro que es totalmente

posible incluirlas en un diseño detallado de la válvula; no se incluyeron porque no se consideró determinante

tenerlas para la válvula desarrollada en el proyecto.

El diseño presentado se ajusta a los requerimientos de una válvula para oleoductos, cumpliendo el propósito

anti-retorno, permitiendo el paso de herramientas inteligentes sin que se presente riesgo para la integridad

de las mismas, totalmente ajustada al estándar B16.5 y con la característica que fue el objeto de este

proyecto de ser totalmente bi-direccional, lo que permite ser instalada en ductos o líneas de flujo que por

razones operaciones o simplemente por optimización del activo, requieren ser operados en ambas

direcciones.

Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3

Materiales bajo norma ASME B16.5 SI SI SI

Manufactura simple NO NO SI

Bola totalmente esférica SI SI NO

Sello en las dos caras SI SI SI

Pinturas SI SI SI

ANSI definido SI SI SI

Restricción de posición de la válvula SI SI SI

Costos de producción NO NO SI

Funcionamiento estándar API 6D SI SI SI

Indicadores de posición SI SI SI

Operación simple SI SI SI

Bidireccional SI SI SI

Antirretorno SI SI SI

Sello completo sin fugas NO NO SI

Indicadores de presión Posible Posible Posible

Indicador de temperatura Posible Posible Posible

Ficha técnica de operación SI SI SI

Bridas bajo estándar ASME B16.5 SI SI SI

Ensamblaje simple NO NO SI

No pivotada SI SI SI

Medidas con base en API 6D SI SI SI

Unión pernada SI SI SI

Paso de marrano raspador SI NO SI

Fácil desarme NO NO SI

Lubricación SI SI SI

Drenajes Posible Posible Posible

Controles de presión NO NO NO

Fab

rica

ció

nO

per

ació

n

Ensa

mb

laje

M

ante

nim

ien

to

CUMPLE

40

6. CONCLUSIONES - Después de desarrollar el diseño de la válvula es posible afirmar que el prototipo es viable para

una implementación en un oleoducto diseñado bajo el estándar API y con uniones según la norma ANSI B 16.5

- Con el desarrollo de la ingeniería básica de la válvula fue posible desarrollar los planos de taller para cada una de las piezas que se requieren para la manufactura de una válvula bidireccional antirretorno como se evidencia en los anexos de este documento

- Por medio de la simulación es posible concluir que para las condiciones de operación normales de un oleoducto de NPS 4” el sistema de compuerta antirretorno tipo check funcionara de una manera optima y no presentara inconvenientes en la operación del oleoducto.

- Gracias a el mecanismo de sujeción y aseguramiento de compuerta se puede concluir que la válvula tiene la capacidad de retener la compuerta en su máxima apertura con el objetivo de evitar averías a las herramientas de mantenimiento de ductos (raspadores)

Anexos

1.1 Ingeniería Básica de la Válvula

1.1.1 Mecanismo de rotación

1.1.1.1 PALANCA

1.1.1.2 EJE PALANCA

41

1.1.1.3 TUERCA PALANCA

1.1.2 Mecanismo de compuerta

1.1.2.1 BRAZO

42

1.1.2.2 COMPUERTA

1.1.2.3 EJE

43

1.1.2.4 BUJE

1.1.3 Mecanismo de aseguramiento de compuerta

1.1.3.1 MANIJA

44

1.1.3.2 TORNILLO HUECO

1.1.3.3 VOLANTE

45

1.1.4 Mecanismo de Cono Truncado

1.1.4.1 TAPA CONO TRUNCADO

1.1.4.2 CONO TRUNCADO

46

1.1.5 Cuerpo

1.1.5.1 CUERPO

1.1.5.2 TAPA SUPERIOR

47

1.1.6 Modelo Final

48

2 LISTADO DE ILUSTRACIONES

49

Ilustración Descripción Página

1 Comparación de válvulas en el mercado 8

2 Válvula de cheque de paso completo 9

3 Válvula de bola Top-Entry 9

4 Válvula TOM WEATLEY 10

5 Sistema de aseguramiento de compuerta de la Válvula TOM WEATLEY 11

6 Herramienta Inteligente 11

7 Brida B16.5 13

8 Válvula de bola dimensionada 20

9 Características de diseño de elementos para fundición 21

10 Explosionado modelo 1 22

11 Modelo 1 22

12 Modelo explosionado de bola seccionada 23

13 Modelo 2 vista frontal 24

14 Modelo 2 vista posterior 24

15 Vista de sección lateral de la bola del modelo 2 25

16 Vista de sección de válvula patentada 25

17 Vista superior y de diferentes configuraciones de la válvula patentada 26

18 Vista de sección en perspectiva del modelo 3 26

19 Vista de sección lateral del modelo 3 27

20 Interfaz O-ring Master 28

21 Comportamiento de diferentes materiales a diferentes temperaturas 29

22 Interfaz de la aplicación material master 29

23 Sistema de aseguramiento de compuerta para mantenimiento 30

24 Sección de seguro del eje 31

25 Seguro de compuerta 31

26 Unión de seguro y eje de la compuerta 31

27 Geometría del flujo 32

28 Vista de sección del modelo 3 para notar el flujo 33

29 Modelo cableado en ANSIS 33

30 Malla para análisis 34

31 Diámetros hidráulicos para diferentes geometrías 35

32 Condiciones de frontera en la geometría del flujo 35

33 Distribución de presión ángulo de 45º 36




3 LISTADO DE TABLAS

50

Tabla Descripción Página

1 Presiones de operación para diferentes clases y temperaturas 13

2 Medidas de brida con base en el NPS 14

3 Características del fluido 14

4 Características para simulación 15

5 Casa de la calidad 17-19

6 Medidas de válvula de bola para diferentes NPS 20

7 Propiedades del fluido 34

8 Resultados sumatoria de momentos 38

4 REFERENCIAS

[1] D&E-CRUDOS-MME-481-2017, DOCUMENTO COMPILADO DIAGNOSTICO Y PROPUESTAS

METODOLÓGICAS, Delvasto y Echavarría Asociados, 18/Dic/2017

[2] https://www.dinero.com/noticias/atentados-terroristas-a-oleoductos/10186

[3] P. Smith and R. Zappe, Valve Selection Handbook, 5th ed., vol. 33. Burlington, MA: Elsevier, 2004

[4] https://eduardorafael.weebly.com/67-la-casa-de-la-calidad.html

[5] https://www.api.org/~/media/files/publications/whats%20new/6d_e24%20pa.pdf

[6] http://limpronacional.com/wp-content/uploads/2016/07/Introducci%C3%B3n-a-las-

Herramientas-de-Limpieza-de-Ductos.pdf


[8] https://www.slb.com/valves/gate-globe-and-check-valves/tom-wheatley-swing-check-valve

[9] http://limpronacional.com/wp-content/uploads/2016/07/Introducci%C3%B3n-a-las-

Herramientas-de-Limpieza-de-Ductos.pdf

[10] Tiratsoo, "Pipeline Pigging & Integrity Technology", LiMPRO, no. 4, 2020


[12] https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b16-5-pipe-flanges-flanged-

fittings-nps-1-2-nps-24-metric-inch-standard

[13] http://docshare02.docshare.tips/files/25432/254321561.pdf

[14] "El petróleo y su comportamiento", Miteco.gob.es, 2020. [Online]. Disponible:

https://www.miteco.gob.es/es/costas/temas/proteccion-medio-marino/plan-ribera/contaminacion-

marina-accidental/petroleo_y_comportamiento.aspx. [Recuperado: 24- Nov- 2020]

[15] H. K. Versteeg and W. Malaskekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, vol. M. 2007,

http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM702/Versteeg_Malalasekera_2ed.pdf

[16] https://eduardorafael.weebly.com/67-la-casa-de-la-calidad.html

51

[17] D&E-CRUDOS-MME-481-2017, DOCUMENTO COMPILADO DIAGNOSTICO Y PROPUESTAS

METODOLÓGICAS, Delvasto y Echavarría Asociados, 18/Dic/2017

[18] https://www.phmsa.dot.gov/pipeline/annotated-regulations/49-cfr-195

[19] Schey, Introduction to manufacturing processes, 3rd ed. Mexico D.F: McGraw Hill, 2002, pp. 245-

247

[20] https://en.savalvalves.com/

[21] Engicast Ltda, Autopista Medellín - Bogotá Km 2.7, Bodega 9 Parque Nogales, Cota,

Cundinamarca, +57 (1) 8966162

[22] R. Hugues, M. Castillo and J. Hertenberger, "Bidirectional sleeved/plug ball check valve", US

8,584705 B2, 2010

[23] O-ring Master. GMORS, 2020, https://es.gmors.com/list/o-ring-master.htm

[24] "Material de GMORS", Es.gmors.com, 2020. [Online]. Available: https://es.gmors.com/gmors-

material.htm. [Accessed: 24- Nov- 2020], https://es.gmors.com/gmors-material.htm

[25] https://www.slb.com/valves/gate-globe-and-check-valves/tom-wheatley-swing-check-valve

[26] https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent

[27] https://latinoamerica.autodesk.com/products/inventor/overview?plc=INVPROSA&term=1-

YEAR&support=ADVANCED&quantity=

https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent

https://latinoamerica.autodesk.com/products/inventor/overview?plc=INVPROSA&term=1-YEAR&support=ADVANCED&quantity=

https://latinoamerica.autodesk.com/products/inventor/overview?plc=INVPROSA&term=1-YEAR&support=ADVANCED&quantity=

Diseño conceptual y Básico de una válvula bidireccional ...

Documents

Transcript of Diseño conceptual y Básico de una válvula bidireccional ...