Manual Diseño Tuberías Sesión VIII.2

Curso Diseño de Tuberías

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5.1. VÁLVULAS

La instalación de válvulas en tuberías requiere cumplir con una serie de requisitos,

tanto en lo que respecta a su posición, orientación de volantes, actuadores y tramos

rectos requeridos.

5.1.1. Posición:

Dado que la fuerza de la gravedad ejerce un papel fundamental en el funcionamiento

de las válvulas antiretorno, habrá que poner especial atención en la localización y

orientación de las mismas:

• Swing check valves: NUNCA deberán situarse en una línea vertical con flujo

descendente, ya que la clapeta estaría permanentemente abierta.

Swing check valve (Válvula de retención de clapeta)

• Ball /piston lift check valves: SIEMPRE deberán situarse en una línea horizontal

hacia arriba ya que bien el pistón o bien la esfera, necesitan de la gravedad para

volver a su posición inicial si el flujo no circula en el sentido previsto. (Se admite

una inclinación de hasta 15º con respecto a la vertical)

Como excepción estarían las “in-line ball check valves”, que podrían instalarse en

líneas horizontales o verticales, ya que están dotadas de un muelle que posibilita


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su cierre en caso de que la válvula esté montada en una posición que imposibilita

el cierre del elemento elevador por efecto de la gravedad.

Ball lift check valve Lift check valve

5.1.2. Distancia rectas:

Se seguirán las siguientes recomendaciones de espacio a no ser que se especifique lo

contrario:

• Válvulas de mariposa: 5D de la tubería aguas arriba. Cuando exista un codo

aguas arriba, el vástago debe orientarse en el mismo sentido que el codo, es

decir que si el codo está en el plano vertical, el eje se oriente también en el eje

vertical para evitar pares excesivos debido al perfil asimétrico de velocidades que

produce el codo dando lugar a vibraciones mayores en la válvula.

• Válvulas antiretorno: No debe instalarse inmediatamente aguas abajo de una

fuente de turbulencia como bomba, codo, válvula de control o tee. Deben

seguirse las indicaciones del fabricante aunque como regla general se deben

dejar de 4/6D de tubería recta aguas arriba.


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5.1.3. Orientación de volantes y actuadores:

Hay ciertas válvulas que requieren el actuador en una determinada posición para

garantizar su adecuado funcionamiento y operación, sin embargo, no existen unas

directrices claramente establecidas al respecto, por lo que es objeto de discusión /

consulta con los suministradores o bien el cliente.

Generalmente en los proyectos se intenta fijar un criterio (junto con el cliente) al inicio

de los mismos para fijar unas directrices y evitar posibles modificaciones una vez el

diseño de la tubería se encuentra en un estado avanzado.

A continuación se indica el seguido recientemente en una CTCC:

• Todas las válvulas automáticas (neumáticas, motorizadas) se instalarán en

tubería horizontal con el actuador vertical (aceptándose una inclinación de hasta

30º con la vertical). En el caso de válvulas mayores de 6” y/o rating superior a

300#, el actuador deberá estar en posición vertical hacia arriba. Si se da el caso

donde no se pueda cumplir esta regla, se consultará al suministrador.

• Las válvulas manuales de compuerta y globo de diámetro mayor o igual a 12” en

ratings 150# y mayores, o de diámetro mayor o igual a 8” en ratings superiores o

iguales a 600# se instalarán igualmente en tubería horizontal con el actuador en

posición vertical, preferiblemente hacia arriba, sobre todo en el caso de

productos que puedan depositarse en el fondo (fluidos sucios) y en válvulas de

compuerta de sistemas en los que no se desea acumulación de producto. De la

misma manera que en anteriores casos, se considerará admisible una desviación

con respecto a la vertical de 30º.

• En el resto de los casos (mariposa o bola, ya sean automáticas, o manuales,

compuerta o globo no incluidas en los puntos anteriores) no se considerarán

restricciones en cuanto a la posición del actuador.


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Como ya se ha comentado anteriormente, no existen reglas fijas para todos los

proyectos y recientemente, un cliente rechazó que el actuador de todas las válvulas

(independientemente de su diámetro) estuviera dispuesto verticalmente y hacia abajo;

aducía problemas en la lubricación del mismo.

A continuación se indican algunas otras consideraciones a tener en cuenta:

• En el caso de válvulas de compuerta se evitará la instalación del vástago en

posición horizontal o hacia abajo, ya que la cavidad del bonete pudiera acumular

condensado u otras sustancias:

- Una vez realizada la prueba hidráulica.

- Una vez realizada limpieza química.

- Condensación de vapor cuando la planta se detiene.

En el caso de que no fuera posible la instalación de la válvula con el vástago en

vertical y hacia arriba, sería conveniente estudiar la necesidad de drenaje o

venteo en el bonete de la válvula.

• Las válvulas que por interferencia requieran posición abatida de sus

accionamientos, deberán ser reflejadas en los isométricos cuidando el ángulo de

abatimiento en función de la posición normal de la tornillería de la brida. Es decir,

habrá que tener en cuenta que no se puede girar el ángulo deseado, ya que en

función del diámetro y rating de la brida, hay un número determinado de

agujeros/tornillos.

Asimismo, en todos los casos, habrá que seguir las recomendaciones del fabricante si

las hubiere y establecer una consulta en caso de duda acerca de la validez de un

diseño.

Los problemas más comunes en caso de no seguirse las reglas anteriormente

indicadas son los siguientes:


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• Daños en las válvulas en caso de que el actuador se encuentre en voladizo

debido al peso del mismo.

• Válvula automática con actuador en vertical y hacia abajo que no se cierra debido

a que no ha sido calculada para que cierre con el peso del actuador.

• En caso de aplicaciones especiales, por ejemplo, gases con partículas de azufre

líquido en los mismos, no se siguen las recomendaciones del fabricante y no es

posible abrir una válvula porque el azufre solidificado lo impide.

5.1.4. Válvulas reductoras de presión:

Las válvulas reductoras de presión, se emplean para reducir la presión variable del

fluido de entrada y mantener una presión constante y predeterminada a la salida. Para

ello es necesario regular el fluido a través del mismo a partir de las posibles

fluctuaciones de presión a la salida.


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Hay dos tipos generales de válvulas reductoras de presión: de acción directa y

pilotadas. En ambos casos, es necesario un picaje en la línea de salida para poder

controlar esas fluctuaciones de presión aguas abajo de la válvula. Asimismo, las

válvulas deben localizarse siempre en un tramo de tubería horizontal con su eje en

sentido vertical.

En ambos casos, los requisitos para la localización del picaje de control de presión

son los siguientes:


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• En caso de que la válvula reductora sea del mismo diámetro que la tubería, se

ubicará en un tramo recto de entre 1 y 1.5m.

Si el diámetro del cuerpo de la válvula es menor al de la línea y se requieren

reductores o swages nipples, el picaje se localizará a una distancia igual a 10

veces el diámetro de la línea aguas abajo de los reductores (que serán

excéntricos)

• No se localizará en un codo, reductor o cualquier otro cambio en la configuración

de la línea donde puedan darse turbulencias o velocidades anormales de la

tubería.

• No se localizará en un tanque (como pudiera ser un desgasificador) situado

inmediatamente aguas abajo de la válvula de control. Se ubicará en la línea que

desemboca en el tanque.

• La pendiente de la línea de control se dará de tal manera que los condensados

se recojan en la línea principal y no en la válvula.

Por otra parte, a continuación se presenta el esquema típico de montaje recomendado

por los suministradores de válvulas reductoras de presión:

1 – 1.5 m

10D


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• Se recomienda instalar un filtro aguas arriba de la válvula reductora con el fin de

proteger los internos de la misma, y válvulas de aislamiento y medidores de

presión aguas arriba y aguas abajo.

• En sistemas de vapor también se recomienda la inclusión de una trampa de

vapor para evitar condensado en la válvula.

• El tramo recto entre el primer codo y la válvula reductora de presión será de 10D

y aguas abajo, también entre la válvula y el primer codo, de 20D.

Es decir, la válvula tiene que estar en un tramo recto de 30D y en dicho tramo recto

pueden instalarse las válvulas de compuerta, filtros, etc.


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5.1.5. Válvulas de seguridad:

La instalación de válvulas de seguridad requiere un diseño especial tanto en las líneas

de entrada como de salida, con el fin de lograr el funcionamiento adecuado del

sistema.

En primer lugar señalar que la válvula deberá instalarse en posición vertical, ya que de

lo contrario su funcionamiento podría verse negativamente afectado. En caso de que

no fuera posible, debiera consultarse al suministrador para aprobación.

5.1.5.1. Requisitos de instalación de las líneas de entrada:

o Se deben situar en la parte superior de la línea a no menos de 1D del colector

desde cualquier soldadura Buttweld.


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o La válvula se situará 8-10D aguas arriba y aguas abajo de cualquier elemento

causante de flujo inestable: codo, placa de orificio, válvula reductora de presión,

T o derivación en Y.

o En la misma sección circunferencial donde se sitúa la válvula de seguridad, no

se debe instalar ningún otro picaje.

o Cuando exista más de una válvula de seguridad en un colector, el espacio entre

los picajes de las válvulas debe ser de 600mm ó 3 veces la suma del radio

interior de los picajes. (Lo mayor de los dos criterios)

o Cuando existan más de dos válvulas de seguridad en un colector, la distancia

entre válvulas deberá ser similar o diferenciarse como máximo en un valor igual

al diámetro de los picajes.

A~B≥600mm ó ≥3d (lo mayor de los dos)

A y B como máximo podrán diferenciarse en 1d.

o Se evitará instalar la válvula al final de una tubería horizontal de gran longitud

por la cual no circule fluido habitualmente, ya que podría haber acumulación

bien de líquido o residuos, que pudieran interferir en el buen funcionamiento de

la válvula o bien requerir un mantenimiento más frecuente de la misma.

A B

d


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o Siguiendo con la directriz anterior, la línea de entrada a la válvula de seguridad

será “free drain” es decir de forma que no puedan originarse bolsas de

condensado y que al entrar en funcionamiento la válvula dicho condensado

llegue a la válvula y perjudique el funcionamiento de la misma.

o La conexión de la válvula de seguridad a la tubería principal será la más

próxima posible a la tubería principal evitando en la medida de los posible los

tramos intermedios. Serán instaladas de forma que en ningún caso la pérdida

de carga del ramal hasta la válvula supere el 5% de la presión de tarado.

De hecho, la norma ASME Sección VIII (no obligatoria) recomienda que la

pérdida de carga sea inferior al 3% de la presión de tarado.

Esta pérdida de carga englobaría tanto las pérdidas en la tubería como en la

válvula de corte si es que la hubiera.

En caso de no cumplirse las recomendaciones anteriores, el sistema sería

susceptible de sufrir lo que se conoce como “chattering”.

5.1.5.2. Chattering

El “chattering” se da cuando la presión a la entrada de la válvula disminuye al

inicio de la descarga de la válvula.


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Antes del comienzo de la descarga, la presión en el tanque/tubería es la misma

que a la entrada de la válvula (PVS= PS); por el contrario, una vez que comienza

la descarga, debido a la pérdida de carga en la línea, la presión en la entrada

de la válvula es inferior a la existente en el tanque/tubería. (PVF= PS – Inlet loss)

Como la presión es menor, la válvula cerrará ya que no se alcanza la presión

de tarado.

Cuando el flujo cesa, no hay pérdida de carga en la línea y por lo tanto la

presión vuelve a subir en la entrada de la válvula, igualándose nuevamente a la

del tanque/línea.

Si la presión en el tanque/línea es igual o superior a la presión de tarado, la

válvula volverá abrirse y cerrarse nuevamente. Estos ciclos o “chattering”

reducen la capacidad de descarga y destruyen los internos de la válvula.

Por otra parte, aun en el caso de que la válvula no sufriera chattering pero la

pérdida de carga en la línea fuera excesiva, se vería afectada la capacidad de

descarga de la válvula, ya que esta es proporcional a la presión de entrada.


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5.1.5.3. Recomendaciones de instalación Al diseñar las instalaciones, se tratará de mantener el ratio L/D (longitud tubería

/ diámetro tubería) equivalente de la tubería de entrada aguas arriba de la

válvula de seguridad inferior o igual a 5.

En la figura siguiente, se pueden observar algunos arreglos de tuberías y

tanques y sus ratios L/D equivalentes:

Tal y como se puede observar, únicamente el arreglo correspondiente a tubería

recta con reductor concéntrico, cumple con el ratio deseado.


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En el caso de que no se pueda obtener el ratio debido a la geometría de la tubería

o los accesorios a emplear, se deberían seleccionar tuberías y accesorios de

diámetro mayor que el diámetro de entrada de la válvula de seguridad.

5.1.5.4. Arreglo típico

El arreglo preferido es el siguiente:

o La línea de entrada en del mismo diámetro o mayor que la entrada de la

válvula de seguridad.

o La longitud de la tubería de entrada, no es mayor que la distancia entre

caras de una tee estándar.

o La línea de entrada no permite la acumulación de condensados, con lo cual

evitamos el efecto perjudicial de los mismos en caso de que llegaran a la

válvula de seguridad.


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5.1.5.5. Requisitos de instalación de las líneas de salida:

o El diámetro de la tubería de descarga debe mantenerse, no permitiéndose

ninguna reducción. Por el contrario, se aconseja pasar a uno o dos diámetros

mayores. (Se encontrará definido en el P&ID)

o La línea será diseñada de forma que no puedan originarse bolsas de

condensado.

o La orientación de la salida de la válvula será preferiblemente paralela a la

dirección longitudinal de la línea principal.

o Cuando la válvula de seguridad no disponga de autodrenado, se realizará un

orificio de 10mm. de diámetro en el fondo de la línea de descarga, próximo a la

válvula de seguridad. Este orificio servirá para la evacuación de agua de lluvia u

otras humedades que pudieran recogerse en la tubería de descarga.

o Las conexiones de tubería de descarga al colector al cual de conectan varias

válvulas de seguridad serán siempre a 45º por encima del colector y en el

sentido del flujo.

o El rutado de la descarga debe ser lo mínimo posible evitándose en la medida

de lo posible cualquier cambio de dirección para transmitir el mínimo esfuerzo y

momento al cuerpo de la válvula. En caso necesario, se emplearán codos de

radio largo. De todas formas, el trazado se verificará también desde el punto de

flexibilidad.


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o Las válvulas de seguridad que descarguen en puntos elevados o alejados de la

válvula, lo harán a una elevación de 3m. como mínimo por encima del equipo

más próximo en un radio de 15m. y a una altura mínima sobre el suelo de 6m.

o Fundamental el diseño de soportación adecuada para evitar problemas

derivados de:

- Efectos térmicos.

- Cagas estáticas debidas al peso de la tubería.

- Cargas debidas a la fuerza de descarga de la válvula de seguridad.

5.1.5.6. Arreglo típico línea de salida

• Descarga a la atmósfera.

Existen dos posibilidades: descarga mediante conexión directa o bien mediante venteo

no conectado directamente a la línea (umbrella type). El tipo de conexión deberá ser

definido desde el departamento de proceso, ya que afecta al dimensionamiento de las

líneas.


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A continuación se estudian más detenidamente los dos tipos de caso:

Válvulas de seguridad descargando directamente a la atmósfera mediante conexión

directa:

o Soporte para resistir la fuerza de descarga de la válvula.

o Codo de radio largo.

o Sombrerete para impedir la entrada de agua de lluvia en caso de que la

descarga se de en el exterior.


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Válvulas de seguridad descargando a la atmósfera mediante tubería de venteo,

“umbrella type”:

o Codo de radio corto conectado a la brida de salida de la válvula de seguridad

para minimizar los momentos y fuerzas en el cuerpo de la misma.

o El venteo, debería ser un tramo recto de tubería lo más corto posible. En caso

de ser necesario un cambio de dirección debería limitarse éste como máximo a

30º.

o Donde se intentarán respetar las siguientes dimensiones:

l ≤ 4D

m ≤ 6D D = Diámetro tubería de descarga de la válvula de seguridad

l


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• Descarga a depósito de recogida.

Válvulas de seguridad descargando a depósito de recogida.

No hay un arreglo típico ya que dependerá del punto donde se efectúa la descarga,

sin embargo se intentará minimizar el rutado en lo posible y emplear codos de radio

largo en los cambios de dirección.

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