Valvulas de Control de Presion

VALVULAS DE CONTROL DE PRESIONTABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION________________________________________________ 1Propósitos del Módulo __________________________________________ 2

SECCION 1 - TAMAÑO Y SELECCION DE VALVULASIntroducción __________________________________________________ 3Propiedades de los Líquidos ______________________________________ 5Tasas de Flujo ________________________________________________ 5Eligiendo El Tamaño Correcto ____________________________________ 5El Tipo de Válvula y Las Características de Flujo ____________________ 7Consideraciones para los Requisitos de la Válvula ____________________ 9Repaso 1 ____________________________________________________ 11

SECCION 2 - VALVULAS DE CONTROL DE PRESIONIntroducción __________________________________________________ 13Estrangulación y Válvulas de Control de Presión ______________________ 14Tipos de Válvulas de Control de Presión ____________________________ 14Repaso 2 ____________________________________________________ 20

SECCION 3 - ACTUADORES DE LAS VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

Introducción __________________________________________________ 21Actuadores Electrohidráulicos ____________________________________ 22Repaso 3 ____________________________________________________ 25

SECCION 4 - APLICACIONES Y CONFIGURACIONES DE LA VALVULA DE CONTROL

Introducción __________________________________________________ 27Aplicaciones de las Válvulas de Control de Presión ____________________ 28Configuraciones de la Válvula de Control __________________________ 30Repaso 4 ____________________________________________________ 32

SECCION 5 - CAVITACION, GOLPETEO Y RECUPERACION DE PRESION EN LAS VALVULAS

Introducción __________________________________________________ 35Cavitación ____________________________________________________ 36Golpeteo (Flashing) ____________________________________________ 38Evitando Cavitacion y Golpeteo __________________________________ 40Repaso 5 ____________________________________________________ 42

RESUMEN ______________________________________________________ 43

GLOSARIO ____________________________________________________ 45

RESPUESTAS ____________________________________________________ 47

VALVULAS DE CONTROL DEPRESIONEquipos de Oleoductos

© 1995 IPL Technology & Consulting Services Inc.Reproducción Prohibida (November, 1995)

IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC.7th Floor IPL Tower10201 Jasper AvenueEdmonton, AlbertaCanada T5J 3N7

Telephone +1 - 403-420-8489Fax +1 - 403-420-8411

Reference: 2.9 SP press ctrl valves November, 1997

ATENCIONEl personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. Un objetivo clave del programa de entrenamiento espromover la comprensión de la tecnología que el personal operativo,usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza larelacion trabajo-habilidades mediante el suministro de informaciónadecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedanaplicar in mediatamente.

La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento dela información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos losesfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios científicospuros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunoscasos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. Lautilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridadmas importante durante el desarrollo de los temas en el Programade Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

HABILIDADES DE ESTUDIO

Para que el aprendizaje de los módulos sea más efectivo, se sugieretener en cuenta las siguientes recomendaciones.

1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiará durantelos cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe lostiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cincominutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semanade auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Porejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio,deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener elritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje.

2. Cuando usted esté estudiando establezca conexiones entrecapítulos y tareas. Entre más relaciones logre hacer le será másfácil recordar la información.

3. Hay cuestionarios de autoevaluación al final de cada sección delmódulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementará su habilidad para recordar la información.

4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, primero de unvistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lecturadetallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final decada sección. A continuación como una tarea separada estudie losencabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelentetécnica de revision previa, usted estará familiarizado con la formacomo está organizado el contenido. Después de la lectura rápidacontinue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza loque ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientrasusted este realizando esta lectura deténgase al final de cada sub-sección y pregúntese “¿Que es lo que he acabado de leer?”

5. Otra técnica de estudio útil es escribir sus propias preguntasbasadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de losmódulos.

6. Cuando esté tomando notas en el salón de clases considere lasiguiente técnica. Si usa un cuaderno de de argollas escriba solo enlas página de la derecha. Reserve las página de la izquierda para suspropias observaciones, ideas o áreas en las que necesit e aclaraciones. Importante: escriba las preguntas que su instructorhace, es posible que usted las encuentre en el custrionario final.

7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentará enormemente su capacidad de recordar.

8. El uso de tarjetas para notas, le ayudará a identificar rápidamenteáreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen.Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cadasesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala enuna cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto esaplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolosquímicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla(acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y seeste preaparando para una prueba, ordénelas con el lado quecontiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificarsi usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por quégastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque lastarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cualesnecesita reforzar su estudio.

9. Adicionalmente estos módulos tienen identificados métodos deenseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y surevisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen ennegrilla están en el glosario. Para relacionar la información de lostérminos y su significado, los números de las páginas aparecen enlas definiciones del glosario con el objeto de identificar dondeapareció el término por primera vez en el téxto. Las definicionesque en el glosario no tienen ningún número de página es importantede igual manera entenderlas, pero están completamente explicadasen otro módulo.

VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

1

El uso y la operación correcta de las válvulas es esencial para ejecutarexitosamente todos los procedimientos y maniobras en el sistema deloleoducto. El módulo AISLAMIENTO Y SECCIONALIZACION DE

VALVULAS describe las válvulas ABRIR/CERRAR, y válvulasespecializadas como las válvulas de retención, las válvula de alivio decontrol y accesorios para entaponar. El módulo presente estudia a lasválvulas de control de presión (PCVs). Estas son válvulas cuyaconstrucción hace posible dejar la válvula en una posiciónparcialmente abierta para estrangular la presión del líquido en eloleoducto.

En el oleoducto, las bombas y las válvulas de control de presión sonlas dos partes del equipo que se usan para operar y controlar eloleoducto. La bomba es el aparato principal usado para producirpresión y flujo. La PCV es usada para hacer un ajuste preciso de eseflujo y presión. Bombas que trabajan a electricidad aumentan lapresión a pasos fijos y grandes. A menudo, la presión necesaria seencuentra entre esos pasos fijos. Si uno cierra una bomba específicala presión va a ser muy baja, mientras que si uno deja la bombatrabajar, la presión de descarga va a ser muy alta. Para producir lapresión necesaria, los operadores ponen las bombas a funcionar parauna presión que sea lo más cercana posible, pero más alta que lapresión requerida. Entonces una válvula de control de presión (PVC)es usada para “estrangular” o reducir la presión a la presión requerida.

Cuando las válvulas no son seleccionadas y operadas correctamente,ellas pueden ser susceptibles a cavitación, desgaste rápido y fuga.Esto conduce a mantenimiento o reemplazo antes de lo necesario. Siuno cierra una válvula de control demasiado rápido el resultado puedeser una severa oscilación hidráulica momentánea. De todas maneras,el uso efectivo de válvulas de control de presión minimiza losproblemas de mantenimiento y los efectos de ondas de oscilacionesmomentáneas en la línea y puede controlar con precisión el flujo dellíquido a través del oleoducto.

Este módulo discute las propiedades características de las válvulas decontrol de presión, y los principios básicos de tamaño y selección.Sobre la base de las características y los principios, el módulocontinúa con la discusión de los componentes y la operación de lasválvulas de control de presión y los actuadores electrohidráulicoscontrolados a control remoto, mostrando el rol de esos mecanismosde control de presión que aparecen en el proceso de toma dedecisiones de los operadores.

INTRODUCCION

2

Este módulo presenta información sobre los siguientes aspectos:• Describe el criterio de selección de las válvulas de control de

presión.• Explica la razón por la cual los artefactos que controlan la presión

son de importancia fundamental para que oleoducto opere demanera segura y eficiente.

• Describe los tipos comunes de válvulas de control de presión.

Los módulos en la sección Comportamiento de Fluidos

VALVULAS DE AISLAMIENTO Y SECCIONALIZACION

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

PROPOSITOS DELMODULO

REQUISITOS


3

Diferentes tipos de válvulas son usados en un sistema de oleoducto.Cada una de las válvulas es seleccionada de entre miles de válvulasdisponibles. Seleccionar el tipo y la medida correcta de una válvulapara cada uso es un aspecto crítico en el diseño de la tubería. Porejemplo, válvulas de control que son más grandes de lo deseado, sondifíciles de controlar y requieren más mantenimiento que una válvulade la medida correcta, porque van a ser usadas casi siempre en unaposición casi cerrada.

En su posición de operador, usted no participa directamente en laselección del equipo o su tamaño. Pero, un conocimiento de la teoríade selección y de la medida correcta de las válvulas aumentará suhabilidad para detectar condiciones de operación que son anormales,como asi mismo el poder comunicar problemas específicos a losingenieros y al equipo mecánico/eléctrico.

Esta sección presenta una introducción breve a algunas de lasimportantes características de la válvula y explica como ellas serelacionan a la válvula elegida para el sistema de tuberías,incluyendo consideraciones de:• propiedades de los fluidos• tasas de flujo• coeficiente de tamaño de la válvula• tipo de válvula y características de flujo• característica de apertura rápida • característica lineal, y• característica de igual porcentaje.

SECCION 1

TAMAÑO Y SELECCION DE VALVULAS

INTRODUCCION

4

Al finalizar la presente sección usted va a poder completar losobjetivos siguientes:• Enumerar tres condiciones de tasa de flujo que se deben tomar en

consideración en la selección de válvulas de control de presión.• Reconocer el coeficiente de tamaño de la válvula. (Cv)• Explicar la función Cv.• Identificar el carácter de la válvula de apertura rápida. • Identificar el carácter de la válvula de movimiento lineal.• Identificar el carácter de la válvula de igual porcentaje. • Enumerar los requerimientos para cada una de las siguientes

características de la válvula:- máxima caída de presión- limitaciones de estrangulación - fuga de asiento - igual porcentaje, y- posición de falla.


OBJETIVOS

5

Los factores claves para determinar cual válvula se deberá seleccionarson las “propiedades” de los líquidos que van a fluir a través de laválvula. Las propiedades de los líquidos incluyen:• si el líquido es corrosivo o no• densidad• viscosidad• presión de vapor• porcentaje de sedimentos y agua, y• aditivos para el acondicionamiento del flujo.

Además, la gama de temperaturas en la que opera la tubería debe serestablecida, pues la temperatura afecta las otras propiedades. Laspropiedades lubricadoras de los líquidos y la presencia de agua ypartículas abrasivas también se tienen que tomar en cuenta en laselección del tipo de válvula de control y sus materiales. Para unaexplicación completa de como densidad, viscosidad y presión devapor influyen en el comportamiento del fluido en la tubería, refiéraseal programa de entrenamiento: Introducción al Comportamiento deFluidos.

La interrelación entre las propiedades de los líquidos y la tasa de flujodetermina como un líquido específico se comportará en una válvula.Para estar seguro que se elige la válvula correcta, cinco condicionesdeben ser establecidas para las tasas de flujo:• flujo mínimo en condiciones de estado estable de temperatura y

presión• flujo máximo en condiciones de estado establede temperatura y

presión• el mínimo de flujo necesario para la recuperación de una

interrupción• parada (no flujo), y• tasa de flujo promedia.

Algunas normas de ingeniería recomiendan que la válvula de controlde presión de estación tenga una medida mínima de caída de presiónde 5 psi y una medida máxima de caída de presión de 10 psi en laposición totalmente abierta cuando la tubería se encuentra con lacapacidad de flujo planeada transportando el crudo más viscoso.


TASAS DE FLUJO

ELIGIENDO ELTAMAÑOCORRECTO

PROPIEDADES DELOS LIQUIDOS


6

Algunas normas de ingeniería también hacen notar que cuando unodecide la medida de una válvula de control, las propiedades de ladesempeño dinámico de las válvulas de control deberá considerarsemás importante que el consumo de unos pocos psi de presión a travésde una válvula abierta. La caída de presión a través de una válvula decontrol totalmente abierta es un pequeño porcentaje de la pérdida depresión entre dos estaciones de bombeo.

Cuanto más grande es la válvula de control, más se deberá cerrarpara crear adecuada caída o control de presión. Si la válvula decontrol de presión es demasiado grande, va a traer como resultadouna reducción en la estabilidad y escaso control.

El coeficiente de clasificación por tamaño de la válvula es calculadoa partir de la tasa de flujo establecida, discutido anteriormente. Elcoeficiente de tamaño de válvula (Cv) es un número equivalente alnúmero de galones E.U. de agua que van a fluir a través de unaválvula totalmente abierta cuando la presión diferencial a través dela válvula es una libra por pulgada cuadrada y la temperatura está a60°F (15.6°C). Cv varía con el tamaño y tipo de válvula, yproporciona un índice conveniente para comparar capacidades deválvulas diferentes en condiciones estándar.

Los valores de coeficientes de la válvula, son normalmente dadospara válvulas que están abiertas en un 100%, con valores individualespara cada medida. El coeficiente de la válvula varía con el tamañofísico de la válvula, el tipo de diseño y su nivel de apertura.

Una vez que se conoce el Cv, este puede ser usado para calcular latasa de flujo para cualquier caída de presión, o la caída de presiónpara cualquier tasa de flujo. A veces estos cálculos deben sercorregidos, ya que los Cvs se basan en informaciones obtenidas enpruebas que usan agua como medio de flujo. La viscosidad más altade los petróleos crudos y los productos derivados del petróleo, puedetraer como resultado errores de tamaño. Si la viscosidad del crudo esmás alta que 80 cs, se aplica el factor de corrección de la viscosidad.

La información calculada a base del Cv, se usa para determinar eltamaño apropiado de cada válvula para cada uso, pero de todasmaneras, los valores calculados representan solamente modelosteóricos.

EL COEFICIENTE DECLASIFICACION POR

TAMAÑO DE VALVULA


7

Hay elementos subjetivos que se tienen en cuenta en la selección dela válvula, entre otros:• el aumento o disminución futuro estimado del rendimiento• los cambios futuros estimados en los tipos de petróleo crudo

enviado y,• costos relativos para soluciones diferentes.

Es importante elegir válvulas que tenga el tamaño correcto. Unaválvula que es demasiado grande puede aumentar los requerimientos de mantenimiento causados por la estrangulacióncuando la válvula se encuentra casi cerrada.

Elegir el tamaño apropiado de la válvula para cada aplicación essolamente la primera consideración. Los diseñadores deben tambiénelegir el estilo de la válvula que se va a usar, y establecer laguarnición adecuada.

La guarnición de la válvula determina las características del flujo.Recuerde en el módulo VALVULAS DE AISLAMIENTO YSECCIONALIZACION, la guarnición de las válvulas consiste de las partesinternas que son desmontables. La característica de flujo de laválvula de una válvula de control es la relación que existe entre elrecorrido de la válvula, y el flujo a través de la válvula, cuando elrecorrido varía de 0% a 100%. Existen tres categorías principales decaracterísticas de flujo en las válvulas:

• apertura rápida• lineal y• de igual porcentaje.

Figura 1Curvas de flujo paraválvulas con diferentescaracterísticas de flujoLa línea de apertura rápidamuestra un alto incremento enel flujo una vez que la válvulase comienza a abrir. La línealinear muestra que elincremento del flujo semantiene constante a travésde todo el recorrido de laválvula. Finalmente la líneade porcentajes igualesmuestra una disminuciónmáxima en flujo cuando laválvula se comienza a cerrar.

0 20 40 60 80

20

40

60

80

100

100

AperturaR pida Lineal

IgualPorcentaje

Porc

enta

je d

e Fl

ujo

Mxim

o

Porcentaje de Recorrido

EL TIPO DEVALVULA Y LASCARACTERISTICASDE FLUJO

8

La característica de la válvula de apertura rápida proporciona elmayor cambio en el tasa de flujo cuando la válvula comienza aabrirse. Válvulas que se abren rápido son usadas paraABRIR/CERRAR en casos donde el flujo debe establecerserápidamente cuando la válvula comienza a abrirse. En la Figura 1, lapendiente abrupta de la curva muestra la apertura rápida del flujo; lasválvulas solamente tienen que estar abiertas en un 40% paraestablecer un 75% de flujo máximo a través de la válvula.

Figura 2Válvula de Apertura RápidaEl disco redondo y plano levanta un anillo de asiento y deja adescubierto una abertura de forma cilíndrica para el flujo. Aún unpequeño desplazamiento de la válvula resulta en una gran área de flujoalrededor de la circunferencia del anillo de asiento y el tapón deválvula.

La característica de válvula lineal provee un cambio constante en latasa de flujo a través de la válvula durante todo el recorrido.Válvulas con la característica lineal son perfiladas para reducir lacaracterística de apertura rápida. Refiérase nuevamente a la Figura 1.Note que la curva de flujo es relativamente lineal. Cuando la válvulaestá abierta en un 30%, un 30% del flujo ha sido restablecido; cuandola válvula está abierta en un 70%, aproximadamente un 70% del flujoes restablecido.


LINEAL

APERTURA RAPIDA

9

Figura 3Válvula LinealLa forma cónica del tapón dela válvula reduce lapropiedad de apertura rápidaa través de todo el recorridode la válvula, pues una áreamenor de flujo es creada porun incremento en el recorrido.Incrementos iguales derecorrido de la válvula resultaen incrementos iguales en elflujo.

La válvula de igual porcentaje provee la disminución máxima en latasa de flujo cuando la válvula comienza a cerrarse. Idealmente, latasa de flujo debería reducirse en un 50% cerrando la válvulasolamente en un 20% (vea Figura 1), pero cuando la válvula está enposición casi cerrada, la tasa de cambio en el flujo es mucho máslenta que con válvulas que son lineales o de apertura rápida.

Requisitos de la válvula: las válvulas que se elijan para operar en elsistema de oleoducto debe cumplir con los requisitos que estánespecificados en el diseño del oleoducto, como por ejemplo:

Máxima Caída de Presión - Válvulas de alivio y actuadores tienenque ser evaluadas abriendo o cerrando contra una presión diferencialigual a la máxima presión operativa.

Limitaciones de estrangulación - Para evitar cavitación, nunca sedeberá requerir que las válvulas de control de presión estrangulencontinuamente más del 70% de la presión de entrada.


Tap n dela V lvula

Seat Ring

PORCENTAJESIGUALES

CONSIDERACIONESPARA LOSREQUISITOS DE LAVALVULA

10

Asiento de fuga - Para reducir la severidad potencial de presionestransientes que se inician durante el cierre de la válvula, las válvulasde alivio no deberán ser selladas. Típicamente, cuando se cierra lafuga en válvulas de globo y en válvulas de bola y de estrangulación,debe estar alrededor del 1% de la capacidad máxima de la válvula.Además, el recorrido de la válvula ha estado históricamente limitadoa un 95% del cierre.

Porcentajes Iguales - Válvulas de Control de Presión deben poseerlas propiedades de las válvulas de porcentaje igual. Si uno cierra laválvula 20% de una posición totalmente abierta (vea Figura 1) el flujoa través de la válvula deberá reducirse en un 50%.

Posición de Falla - Cuando la comunicación se ha perdido, si lapresión hidráulica cae por debajo del valor mínimo, el actuador debemantener la válvula de alivio en la última posición controlada.


11

1. La elección de válvulas para un sistema de tuberíasdebe tener en consideración la ___________de loslíquidos que deben ser transportados a través de latubería.a) viscosidadb) densidadc) presión del vapord) todos los nombrados anteriormente

2. Las válvulas de control de presión de una estación sonelegidas para dar una caída en la presión en la tuberíade 5-10 psi en la posición totalmente abierta con la másalta tasa de flujo, con petróleo crudo con la más alta_______________.a) densidadb) viscosidadc) presión del vapord) gravedad específica

3. Un número igual al número de galones (E.U.) de aguaque va a fluir a través de una válvula cuando la presióndiferencial a través de la válvula es 1psi a 60°F (15°C) sellama el ________________.a) igual porcentaje b) coeficiente de clasificación por tamaño por válvulac) índiced) guarnición de la válvula

4. La relación entre el movimiento de la válvula y el flujo através de la misma se llama ______________ de la válvula.a) coeficiente de clasificación por tamañob) índicec) propiedades del flujod) diseño

PIPELINE OPERATIONS TRAINING PROGRAM

REPASO 1

12

5 Para evitar cavitación, la PCV nunca deberáestrangular más que el ____________ de presión deadmisión en forma contínua.a) 30%b) 50%c) 70%d) 90%

6. Una característica de flujo de válvula de aperturarápida provee _______________.a) un incremento máximo en el tasa de flujo cuando la válvula

comienza a abrirseb) un cambio constante en el tasa de flujo a través de todo el

recorrido en la válvulac) un incremento mínimo en el tasa del flujo cuando la válvula

comienza a abrirsed) una disminución máxima en el tasa del flujo cuando la válvula

comienza a cerrarse

7 Cuál característica del flujo está ilustrada en esta curvade flujo?a) apertura rápidab) lineal c) igual porcentaje

Las respuestas están al final del módulo.


0 20 40 60 80

20

40

60

80

100

100

Porc

enta

je d

e Fl

ujo

Mxim

o

Porcentaje de Tasa de Recorrido

13


Válvulas de control de presión difieren de las válvulas deABRIR/CERRAR en que las válvulas de control de presión puedenser dejadas parcialmente abiertas en condiciones normales deoperación. PCVs regulan la presión por medio de cambios en lamedida de la apertura por la cual los líquidos se desplazan. Laspropiedades de los líquidos y su comportamiento a través de latubería están detalladamente discutidos en la sección Introducción alComportamiento de los Fluidos. En esta sección es importanterecordar que la reducción en la trayectoria del flujo produce unincremento en la velocidad del flujo y una reducción en la presión delflujo. Alargando la trayectoria del flujo se reduce la tasa del flujo yaumenta la presión del flujo. Los operadores controlan la PVC acontrol remoto de manera que sea posible llevar a cabo esos cambiossin parar totalmente el flujo o causar cavitaciones.

Esta sección describirá los tipos principales de válvulas usadas paracontrolar la presión, y las ventajas y desventajas de cada una de ellas.

Al finalizar esta sección, usted va a poder completar los siguientesobjetivos: • Identificar la función de una válvula de control de presión.• Aprender la relación entre velocidad y presión.• Reconocer tres tipos de válvulas de control de presión (válvula de

globo básica y sus variaciones, válvula mariposa y válvula de bolay estrangulación).

• Comparar la ventajas y desventajas de cada tipo de válvula decontrol de presión.

• Enumerar las características generales para todas las válvulas decontrol de presión.

OBJETIVOS

SECCION 2


14


El costo más grande en la mayoría de los sistemas de oleoductos es laenergía usada para hacer funcionar las principales unidades de líneasde bombeo.

La energía eléctrica es transformada en energía mecánica, que elmotor y la bomba transforman en presión. La válvula de control depresión es usada para estrangular la presión al nivel requerido. Laenergía que se pierde en la estrangulación nunca puede serrecuperada. Debido a que la estrangulación gasta energía eléctrica yaumenta los costos de operación, los operarios deberán estrangularsolamente la cantidad absolutamente necesaria para optimizar elsistema de oleoducto. Así mismo una estrangulación minimizadareduce la posibilidad de daño debido a cavitación.

Cuando nosotros nos referimos a válvulas de control de presión(PVC’s), nos estamos refiriendo en realidad a dos componentesseparados pero integrales, la válvula misma (cuerpo y guarnición), ysu actuador, el dispositivo electrohidráulico que pone la válvula enposición.

La función de la válvula de control de presión es regular el flujo deun líquido cuando cambia la posición del tapón o esfera de la válvulapor una fuerza que viene del actuador. Para llevar a cabo la función,el cuerpo de la válvula debe contener el líquido sin fugas, debe tenerla capacidad adecuada, debe ser resistente a erosión y corrosión, ydebe estar equipada con un tapón o esfera de válvula que puede serpuesta en posición adecuadamente por el actuador para controlar elflujo.

Normalmente, en muchos sistemas de oleoductos, las PCV regulan lapresión en las estaciones de bombeo principales, limitando el flujopor medio de un tapón o esfera colocada por un actuador electrohidráulico. PCV están colocadas en cada estación de bombeoen la parte de descarga de la planta y operadas a control remoto por eloperador en el centro de control.

ESTRANGULACIONY VALVULAS DE

CONTROL DEPRESION

15


Hay tres tipos de válvulas generalmente usadas para estrangulaciónen las tuberías que transportan productos de petróleo:• válvula de globo• válvula mariposa, y • válvula de bola y de estrangulación.

A diferencia de las válvulas de ABRIR/CERRAR, usadas para dirigirel flujo del líquido, las válvulas PCV están diseñadas para operarcuando están parcialmente abiertas. Esto significa que la medida delorificio de la válvula varía para controlar con precisión el flujo y lapresión a través de la válvula.

La válvula de globo se llama así por la forma de globo de la cavidadalrededor de la zona de salida. La figura 5 muestra una válvula deesfera de salida única de forma derecha. El tapón se mueve haciaarriba y hacia abajo para controlar la cantidad líquido que pasa através del orificio. Cuando está completamente cerrado, el tapón odisco reposa sobre el asiento, parando el flujo casi totalmente. Unproblema con las válvulas de globo es que sedimentos tienden ajuntarse en la zona del asiento, lo cual impide que la válvula se cierrecorrectamente. En sistemas de colección, donde los líquido no hansido tratados aún, sedimentos podrían causar problemas en lasválvulas de globo.

El asiento de la válvula de globo es paralelo a la dirección del flujo através de la línea. Esto hace quela válvula de globo sea muyadecuada para situaciones deestrangulación, porque laresistencia del flujo a través deun cambio de 90° en direcciónreduce la presión. Dentro de unaválvula de globo, la direccióncambia cuatro veces,permitiendo una reducciónsubstancial en la presión.

Figura 4Válvula de Globo de FormaDerechaLa válvula de globo usa un tapóno disco que reposa sobre elasiento para controlar el flujo.Válvulas de globo son muy adecuadas para aplicaciones de control depresión porque ellas requieren líquidos para llevar a cabo cuatrocambios de direcciones dentro de la válvula, cada cambio reduciendola presión.

VALVULA DE GLOBO

TIPOS DEVALVULAS DECONTROL DEPRESION

16


La figura 5 muestra una variación de la válvula de globo - válvula deglobo con doble salida. Válvula de globo de doble salida tiene dostapones ubicados de tal manera que el flujo se divide entre losorificios del tapón. Las fuerzas contrarias de los líquidos a través delárea del tapón se balancean la una contra la otra, de manera que senecesita un actuador menos potente.

La ventaja principal de la válvula de globo de doble salida es elescaso mantenimiento y las excelentes propiedades de estrangulacióndebido al complejo curso del flujo a través de la válvula. En estasválvulas hay una menor posibilidad de cavitación que en una válvulade globo de forma derecha, porque el curso complejo del flujo reducela recuperación de la presión. Las desventajas de las válvulas deglobo con doble salida son que son grandes y pesadas, y tienen unacapacidad de flujo menor cuando están totalmente abiertascomparadas con válvulas de control como por ejemplo la válvula de

bola y de estrangulación. Además,ambas salidas deben estar alineadasmecánicamente. Desgastamiento enuna de las salidas causa unafiltración que solamente puede serreparada maquinando la válvula.

Figura 5Válvula de Globo de Doble Salida.Los dos tapones están ubicados de talmanera que la mitad del flujo fluye através de cada orificio del tapón. Lafuerza contraria de los fluidosgeneralmente balancea el uno contrael otro, de manera que un actuadormenos potente sea necesario,permitiendo significantes ahorros en elconsumo de energía.

Las válvulas mariposa tienen un diseño muy simple. La válvulamariposa es un disco relativamente plano, que rota montado sobre unrodamiento que le permite rotar su línea central. Cuando está abierta,el disco ofrece una resistencia mínima al flujo, ya que es paralelo a ladirección del flujo. Cuando se cierra, el disco rota hasta que seencuentra al mismo ángulo con la dirección del flujo. Esto permitemúltiples posibilidades para colocar orificios. Las válvulas mariposasson muy económicas en términos de su capacidad de flujo por dólarinvertido.

VALVULA DE GLOBODE DOBLE SALIDA

VALVULAS MARIPOSA

17


Típicamente, las válvulas mariposas son usadas en estacionesterminales con facilidades de medición para controlar o modificar conprecisión aproximada flujos y presiones en los medidores ycalibradores.

Figura 6Válvula Mariposa enPosición abierta. Cuando la válvula mariposaestá abierta permite pocaresistencia al flujo porque estáparalela a la dirección delflujo.

A pesar de que las válvulas mariposa ofrecen control de estrangulación con una rotación de disco de hasta un 40%, ellas nopermiten un control exacto de estrangulación como la válvula deglobo o la válvula de bola modificada.

Válvulas mariposas requieren solamente un poco más espacio que lasbridas (flanges) de las tuberías. De hecho, válvulas mariposa waferestán específicamente diseñadas para ser insertadas entre las bridas(flange) de la tubería en las líneas existentes. La escala completa demovimiento, desde abierto hasta cerrado, es solamente a través uncuarto de rotación (90°). El diseño es tan simple que hace que estaválvula sea una de las menos costosas que se pueden conseguir.

El mayor inconveniente de la válvula mariposa es que, en su formamás simple, la ausencia de toda acción de acuñamiento hace que seadifícil cerrarla completamente. Este problema puede ser fácilmentesuperado asentando el disco sobre un anillo de sello plástico, que va aofrecer suficiente resistencia para sellar la válvula, o para compensarlevemente el disco sobre el eje de la válvula, de manera que el discoofrece su propia acción de acuñamiento. Usando cualquiera de esasmodificaciones, o ambas, es posible obtener un fuerte cierrehermético y mantenerlo por un largo período de tiempo antes de quesea necesario reemplazar el sello. Sellos son un material elásticousado para prevenir fugas alrededor de los ejes y partes internas delas válvulas.

Anillo Asiento

Disco

18


La válvula mariposa no proporciona el control exacto de una válvulade bola y estrangulación o una válvula de bola, pero es la menoscostosa de las válvulas de control disponible. Las válvulas mariposasmuestran aproximadamente un porcentaje igual de las propiedadesde flujo y ofrece un control de estrangulación de hasta 40° derotación del disco. Válvulas mariposas son usadas en terminales confacilidades de medición para regular y alterar flujos y presionesdentro de los medidores y calibradores con el propósito demediciones de petróleo. Las válvulas mariposas son controladas oactuadas por medio de actuadores hidráulicos.

Válvulas mariposas son válvulas efectivas de estrangulación, perono deben ser usadas en casos de grandes caídas de presión debidoal alto torque de operación. Cuando la válvula estrangula a unaposición casi cerrada, la presión de los líquidos tiende a presionarla válvula a una posición totalmente cerrada, bloqueando el flujocompletamente.

Válvulas de bola estándar son discutidas en detalle en el móduloVALVULAS DE AISLAMIENTO Y SECCIONALIZACION. Normalmente nose usan para estrangulación. Esto es así porque el flujo de altavelocidad que pasa través de la válvula de bola parcialmente abierta,no simplemente pasa a través de la bola, pero la empuja contra elsello de aguas abajo. Si una válvula de bola estándar es usadafrecuentemente para estrangulación, el excesivo desgaste en el selloy en la bola puede traer como resultado daño en el asiento y unaumento en los requerimientos de mantenimiento.

Una válvula de bola y estrangulación es una válvula de control depresión que es una esfera parcial con paso de flujo del fluido enforma de V. Esta es una válvula de control de presión de altarecuperación.

La válvula de bola y estrangulación con la muesca V tiene unaapertura esférica con un dispositivo de cierre semiesférico como lomuestra la Figura 7. La pérdida de presión que se experimenta esmuy baja cuando está en la posición totalmente abierta pero, estaválvula puede ser usada para alta estrangulación cuando es necesario.Debido a la flexibilidad de la válvula de bola y estrangulación, ellaes una buena elección para líneas de petróleo crudo, donde loslíquidos pueden variar ampliamente en viscosidad, y es ahora laelección preferida para todas las nuevas instalaciones de PCV.

VALVULAS DE BOLA YDE ESTRANGULACION

19


Variando la forma de la muesca-V en la esfera, se pueden obtener casitodas las característica que se requieren. Para estaciones de control depresión, esta propiedad es siempre “igual porcentaje”.

Figura 7Válvula de Bola y EstrangulaciónLa muesca - V en la válvula de bola y estrangulación tiene una aperturaesférica con un dispositivo de cierre semiesférico. Esta válvula permite,flujo continuo cuando esta abierta con muy poca caída en la presión.

20


1. Los operadores usan válvulas de control de presión pararegular presión en la línea ________________.a) abriéndolas y cerrándolasb) variando la medida de la apertura a través de la cual los

fluidos se deslizanc) usándolos para enviar fluidos a través de las líneas con

diferente diámetrosd) usándolos para disminuir la velocidad de los fluidos

2. La desventaja de las válvulas de bola esque_____________________.a) son sensibles a alta temperaturab) pueden lograr solamente una mínima de caída de presión.c) no son apropiadas para sólidos en suspensiónd) tienen una trayectoria de flujo que es directa

3. De las válvulas enumeradas a continuación, cual es laque causa el mínimo de resistencia a un líquidofluyendo cuando está completamente abierta?a) válvula de bola de forma derechab) válvula diafragmac) válvula mariposad) doble salida

4. Válvulas mariposa no se deberán usar para estrangularlíquidos en tuberías de alta presión porque________________________.a) son muy difíciles de abrir contra líquidos de alta presiónb) si están casi cerradas, la presión del líquido las empuja a

cerrarsec) la cavitación es muy severad) están diseñadas para aplicaciones de ABRIR/CERRAR.


REPASO 2

21


En las tuberías las válvulas se pueden encontrar a miles de millas dedistancia de los operadores que las controlan. Los actuadores electro-hidráulicos reciben los comandos en la forma de señales electrónicasenviadas por operadores que se encuentran muy lejos. Los actuadoresllevan a cabo los comandos operando un sistema hidráulico quecontrola la válvula de control de presión (PCV).

La función del actuador y la unidad de potencia es la de suministrarfuerza de golpeteo en la válvula en respuesta a una señal de controlelectrónico. Actuadores electrohidráulicos son usados para ponerrápidamente y con precisión la válvula de presión en su posición,como es necesario. El actuador electrohidráulico está montado sobrela válvula y conectado a través de mangueras hidráulicas flexibles, auna unidad de potencia hidráulica separada, la cual provee la presiónde fluido hidráulica para operar la válvula. En diseños más recientes,que gradualmente están reemplazando las unidades existentes, eltanque hidráulico y la bomba son ambos autónomos y estándirectamente con el actuador montados sobre la válvula.

Cuando usted finalice esta sección, usted va a poder completar losobjetivos siguientes:• Reconocer el principio de operación del actuador electrohidráulico.• Definir el término velocidad de golpeteo.• Identificar las consecuencias de grandes cambios en puntos de

ajuste de la válvula del control de presión.• Reconocer la relación entre actuadores que son manuales y a

control remoto.

OBJETIVOS

SECCION 3

ACTUADORES DE LAS VALVULAS DECONTROL DE PRESION

INTRODUCCION

22


El comando para abrir o cerrar las PCV va al controlador lógicoprogramable (PLC) que controla la válvula y es convertido en unaseñal electrónica que activa un actuador electrohidráulico. Elactuador electrohidráulico convierte energía hidráulica enmovimiento de la válvula (recorrido de la válvula) en respuesta a laseñal electrónica. Actuadores electrohidráulicos son usados para unposicionamiento rápido y exacto del tapón, bola o disco dentro de lasválvulas de control.

El actuador trabaja conjuntamente con un controlador y una unidadde energía hidráulica. El controlador nota y compara el:• punto de ajuste de succión contra la

presión de succión • punto de ajuste de descarga contra la

presión de descarga.

Figura 8Actuador ElectrohidráulicoLa presión hidráulica diferencial entre elcilindro superior e inferior, mantenida deacuerdo al regulador (controlador) depresión, sube o baja la posición de laválvula, y al hacerlo así, abre o cierra laválvula.

El controlador entonces, responde a las diferencias de presión entresucción y descarga y sus respectivos puntos de ajuste activando launidad hidráulica para abrir o cerrar la válvula. El actuador estámontado sobre la válvula y está conectado a una unidad de potenciahidráulica independiente a través de mangueras hidráulicas flexibles.Como se ha mencionado anteriormente, unidades más nuevas tienenla bomba hidráulica y el tanque montado directamente sobre laválvula. La unidad de potencia provee el torque que eventualmenteva a ser transformado en el movimiento rotatorio de la bola o discodentro de la PCV. En válvulas de bola, el cilindro hidráulico en elactuador está directamente conectado al tapón de la válvula.

ACTUADORESELECTRO-

HIDRAULICOS

Cilindro

Reguladorde Presi n

23


El cilindro del actuador está dividido por un pistón en dos partes: altay baja. Un chorro activa las válvulas solenoides que dirigen el fluidohidráulico dentro de una u otra sección del cilindro. Esto causa unadiferencia de presión dentro del cilindro. Si la presión aumenta másarriba del pistón, el vástago del pistón se mueve hacia abajo,cerrando la válvula. Si la presión aumenta más abajo del pistón, laválvula se abre.

Cambiando los puntos de ajuste de descarga en una válvula decontrol de presión, no significa que la presión de descarga cambiainmediatamente al nuevo punto de ajuste. Si usted elige un punto deajuste de descarga a 600 psi para una PCV que tiene un punto deajuste de descarga de 615 psi, el actuador va a hacer que la válvula secierre un poco. Esto puede resultar en una nueva presión de descargaque puede ser tan bajo como a 580 psi. La presión, finalmente se va aajustar a los 600 psi requeridos por medio de un regulador de presióninterno que reajusta la posición incremental de la válvula hasta quealcanza la presión de 600 psi.

Velocidad de golpe (stroke) es el tiempo que le va a llevar a laválvula a abrirse o cerrarse totalmente. Los golpes de velocidad de laválvula está usualmente puesta a 3 segundos para cerrar y 10segundos para abrir. Válvulas de control de presión que se encuentraen los puntos de entrega y despacho tienen ambos velocidades de 10segundos para abrir y cerrar las válvulas. La velocidad de cierre máslenta en los múltiples en los puntos de entrega y despacho reduce lossaltos de la presión que son causados por grandes señales delcontrolador en la dirección de cierre. La disminución en la velocidadde cierre puede también mejorar la estabilidad del sistema,reduciendo la tendencia a “fluctuar ” por el punto determinado. Launidad de potencia hidráulica debe ser capaz de estar en serviciocontinuamente en respuesta a todo cambio en las señales de control.

Deberán evitarse amplios cambios en los puntos de ajuste (setpoints). Un amplio cambio en los puntos de ajuste enviado a unactuador que está mal calibrado o defectuoso puede causar que laválvula oscile al tratar de alcanzar el punto de ajuste demasiadorápido. Esto resulta en perturbaciones de flujo y presión a lo largo dela línea. Un mantenimiento constante del actuador y de los sistemasde válvula minimizan el riesgo, pero si uno aplica una serie depequeños cambios de puntos de ajuste al sistema, si es posible, unova a minimizar el riesgo de perturbaciones y desgaste en el sistemaválvula-actuador.

VELOCIDAD DEGOLPE (STROKE) YSERVICIO

CONSIDERACIONESPARA OPERAR LOSACTUADORESHIDRAULICOS

24


Supongamos que usted elige un punto de descarga de 500 psi, y lapresión existente es 550 psi. La señal de la válvula de control delcontrolador de presión, va a ocasionar que la unidad hidráulicasuministre fluido hidráulico al actuador para cerrar la válvula,resultando en un cierre de la válvula más rápido. Aunque la válvuladisminuya la presión a un mínimo de 485 psi, la presión se va aajustar a sí misma, eventualmente, a 500 psi a través regulación depresión interna, ajustando la posición de la válvula hacia adelante yhacia atrás hasta que la posición correcta de 500 psi sea establecida.

Los sistemas hidráulicos a control remoto más viejos, tienen bombasdobles para minimizar el riesgo de pérdida de potencia hidráulica a laPVC. En diseños más nuevos, el actuador hidráulico tiene solamenteuna bomba. La bomba siempre está prendida para reducir las posibil-idades de falla. Si una falla de potencia hidráulica ocurre, todas lasPVC pueden ser operadas manualmente a través del uso de ruedasmanuales a no ser que el torque que necesita la bomba es muy grandepara hacerlo manualmente. Cuando ocurre una pérdida de potenciahidráulica, el actuador se queda en su última posición.

OPERACIONMANUAL Y DEEMERGENCIA

25


1. Los actuadores para controlar las PVC que se usan encasi todos los sistemas de control son ________________.a) neumáticosb) electrohidráulicosc) electrónicosd) manuales

2. Cuando los operadores quieren cambiar un punto deajuste desde una posición remota, ellos __________.a) llaman por teléfono al operador local y le piden al operador

que cambie el punto de ajuste. b) entran un comando en la computadora de la PCS.c) aprietan la botón ABRIR de su teclado numérico.d) dan vuelta al volante manualmente.

3. El controlador en el actuador detecta y compara elpunto de succión de ajuste a el/la _______________.a) presión de succión b) último punto de ajuste de succiónc) presión de descargad) punto de ajuste de descarga

4. El objetivo de la unidad de potencia es_______________________activar la unidad hidráulica.a) activar la unidad hidráulicab) suministrar una plataforma de montaje para el actuadorc) dirigir el fluido hidráulico dentro de la sección superior del

cilindro d) suministrar el torque que mueve el disco o bola en la PCV

5. El término velocidad de golpe se refiere a__________________.a) el numero de veces por minuto que una válvula puede abrirse

o cerrarse.b) el tiempo necesario para que la válvula se abra o se cierre

totalmente.c) el número de metros cúbicos de fluido que puede fluir a través

de la válvula en un minuto.d) el tiempo necesario para efectuar un reducción de presión de

43.5 psi (300 kPa).

REPASO 3

26


6. Un actuador que no está bien calibrado o esdefectuoso puede causar una oscilación de la válvulaal tratar de alcanzar un nuevo punto de ajustedemasiado rápido cuando ____________.a) la PCV esta casi totalmente cerradab) la PCV está casi totalmente abiertac) se lleva a cabo un pequeño cambio en el punto de ajusted) se lleva a cabo un gran cambio en el punto de ajuste


27


El tipo y la configuración de las válvulas en un sistema de tuberíasdepende del uso, ubicación y los requerimientos de control de presiónpara cada válvula. Esta sección discute los diferentes usos del controlde presión en un sistema de tuberías, y cómo las válvulas estánconfiguradas para optimizar su eficacia y la simplicidad de sumantenimiento.

Al finalizar esta sección usted va a poder completar los siguientesobjetivos:• Reconocer la función de las válvulas de control de presión (PCVs).• Identificar cuatro usos específicos de válvulas de control de

presión.• Reconocer la configuración de las válvulas de control de presión.• Diferenciar entre válvulas de control/derivación y válvula de

control de configuración paralela.

SECCION 4

APLICACIONES Y CONFIGURACIONES DELA VALVULA DE CONTROL

OBJETIVOS

28


En una estación típica de bombeo, los cuerpos de la PCV songeneralmente de globo de doble salida, bola de estrangulación o dedisco excéntrico/diseño mariposa. Existen otros diseños de válvulasde control, pero se usan en la mayor parte de los casos en situacionesespeciales como alta presión o uso de material que es corrosivo. LasPVC están localizadas en cada estación de bombeo en el lado dedescarga de las bombas y son operadas a control remoto por eloperador en el centro de control.

Las Válvulas de Control de Presión (PCV) regulan presiones en lasestaciones de la bomba principal, limitando el flujo por medio de unabola, tapón o disco colocado por un actuador electrohidráulico.

En el siguiente sistema de tuberías hay cuatro usos diferentes para laválvula de alivio:

1. Servicio de control de presión en una estación de bombeo - las válvulas de control de presión están localizadas en el lado dedescarga de las unidades de bombeo. En las estación, las válvulasy equipo de control relacionado permiten una selección remota yel control de los puntos de ajuste de succión aguas arriba ydescarga aguas abajo.

Figura 9Diagrama de

Bombas en SerieEste diagrama

muestra el esquemade una bomba básica

de velocidadconstante, dispuestaen configuración enserie con control depresión de succión y

descarga.

Válvula deDescarga deEstación

Válvula deSucción de

Estación

Descarga para la

Próxima Estación

Tubería

Válvula de Derivaciónde la Estación (NC)

NCVálvula deControl dePresión

Unidad deSucción deVálvula

Unidad deVálvula deRetención

N.C. - Normalmente Cerrada

Bombas

Unidad deDescarga deVálvula

APLICACIONESDE LAS VALVULASDE CONTROL DE

PRESION

29


2. Servicio de control del diferencial de presión en una bombaparalela - una válvula de control de presión está localizada en ellado de descarga de cada unidad de bomba paralela. La válvula yel equipo relacionado protegen la bomba y su motor de flujosaltos o condiciones sobrecargadas. El control del diferencial esobtenido controlando la producción de presión diferencial de lasbombas y manejando la válvula para asegurar que el diferencialnunca caiga debajo del valor mínimo especificado, manteniendola bomba dentro de su propio ámbito de flujo.

3. Servicio de control de entrega o control de presión “holding” - una válvula de control de presión está ubicada entre la líneaprincipal y la localidad de entrega o terminal. La válvula y elequipo relacionado generalmente permiten a ambas protección depresión para las tuberías de aguas abajo con un índice de presiónbaja y la (opcional) selección a control remoto de la líneaprincipal de aguas arriba o el punto de ajuste de la presión“holding”. Este uso es el de más alta posibilidad de cavitacióndebido a la muy baja presión aguas abajo o el lado de la válvula,que va al manifold del tanque durante despacho de “limpieza”(strip) o “ corriente lateral”

4. Presión de proteccion del “manifold” - una válvula de presión está ubicada dentro de la caja/múltiple deinstrumentos de medida, aguas abajo de los medidores y/ocalibradores. Esta válvula es usada para proveer presión constanteque es requerida para mantener la medida precisa del medidorestándar

Nota: Presión “holding” es la presión aguas arriba de la válvula de control quecontrola la presión de la línea que llega al terminal de entregas.

30


Cada PCV es instalada en combinación con una derivación (bypass)totalmente aislada, para minimizar el impacto del mantenimiento dela válvula y falla de la válvula sobre la eficiencia total de la línea. Unpar de válvulas de compuerta de presión compatibles, una aguasarriba y otra aguas abajo de la PCV, puede ser cerrada para cortar elflujo a través de la PCV. Para mantener un flujo relativamente ininter-rumpido a través del sistema, otra válvula de compuerta puede serabierta, dando acceso a la derivación (baypass). La derivación mismaofrece una regulación limitada de la presión pues el líquido fluye através de cuatro ángulos rectos.

Figura 10Derivación (Baypass) SimpleLa derivación simple muestra como las válvulas de compuerta cierran acada lado de la válvula de control de presión, aislándola del flujo dellíquido. La válvula de derivación se abre, permitiendo que el líquidofluya a través de la derivación.

La configuración paralela PCV consiste en una válvula de aperturarápida y una válvula de igual porcentaje, como se muestra en lafigura 11. La caída de presión a través de toda la estación es igual a lacaída de presión a través de cada una de las PCVs. La válvula deigual porcentaje controla la presión con exactitud, por lo tantopermite un muy exacto control de la caída de la presión a través de laconfiguración paralela. Pero, la válvula de bola causa una gran caídaen la presión debido a la compleja trayectoria del flujo a través de laválvula. Por eso, la válvula de bola crea grandes pérdidas de presiónque no son necesariamente deseadas cuando el líquido trata de fluir auna tasa alta a través de la válvula. Si un operador necesita tasas altas

CONFIGURACIONESDE LA VALVULA DE

CONTROL

VALVULAS DECONTROL PARALELAS

NC

NONO

V lvula deDerivaci n

V lvula deControl de

Presi n

A

B

C

B

NO = Normalmente AbiertaNC = Normalmente Cerrada

V lvula deCompuerta

V lvula deCompuerta

31


de flujo con una baja caída en la presión la válvula de apertura seabre. La mayoría de los líquidos fluyen a través de la válvula deapertura rápida, pero la caída de presión a través de toda la estaciónes aún controlada con exactitud por la válvula de globo de doblesalida. Por eso, la configuración paralela permite exactos controlesde presión y grandes tasas de capacidad de flujo. Recuerde asimismo,que la válvula de apertura rápida es aún capaz de controlar el flujo,pero no permite un control tan preciso como el de la válvula de igualporcentaje.

Un sistema de instrumentos electrónico detecta las presiones en laestación y automáticamente pone en funcionamiento las válvulas decontrol para mantenerse dentro del mínimo de presión de succión yun máximo de descarga de presión. Puntos de ajuste locales yremotos enviados por el operador a la instrumentación de control depresión hace generar una señal de un miliamperio. Esta es usada paralas válvulas de control a potencia hidráulica a sus requeridasposiciones.

Figura 11Configuración de una TípicaVálvula ParalelaDos transmisores de presión, unomide presión de succión y el otro lapresión de descarga, envían susseñales a dos controladores. Estasseñales son comparadas a lospuntos de ajuste del operador y elresultado es enviado a un circuitoque alimenta la PCV. La señal altaque se envió al selector esentonces utilizada para controlar laválvula de control de presión en laestación. Válvulas de controlparalelas operan sobre un rangodividido. La válvula 1 opera de 12-20 miliamperios; está totalmentecerrada a 20 miliamperios ytotalmente abierta a 12. Estaválvula tiene una característica deigual porcentaje. La válvula 2opera de 4 -12 miliamperios y estátotalmente abierta a 4miliamperios.

Típicamente, el sistema de control de presión de configuraciónparalela emplea PCVs paralelas conectadas por una sola derivación.Esto permite un control de presión más preciso y un flujo ininterrumpido durante el servicio de mantenimiento y reparación deuna de las dos válvulas paralelas

Unidad dePotencia

Hidráulica

PCV 1

Igual Porcentaje

12-20mA

Abierta-Cerrada

Derivación

PCV 2

Apertura Rápida

4-12 mA

Abierta-Cerrada

32


1. La función de la válvula de control es regular la tasa deflujo de un líquido cuando la posición del tapón de laválvula es cambiada por una fuerza ejercida por el/la_______________________.a) botónb) actuadorc) flujo del fluidod) bomba

2. Las válvulas de control de presión usadas en unaestación típica son válvulas de bola y estrangulación y________________.a) válvulas mariposasb) válvulas de bola estándarc) válvulas de globo de doble salidad) válvula de retención

3. En cada estación de bombeo, las PCVs están ubicadasen el lado de _________de la válvula.a) succiónb) descarga

4. ¿Cuál tipo de servicio de válvula de control de presióntiene todas las características siguientes?• La PCV está ubicada entre la línea principal y un lugar

terminal.• La válvula y el equipo relacionado generalmente permite la

protección de presión a la tubería corriente abajo contra unrango de presión menor como tambien permite la selección acontrol remoto de la línea principal aguas arriba ó punto deajuste de la presión “holding”.

• La aplicación tiene la más alta posibilidad de cavitacióndebido a presiones muy bajas aguas abajo.

a) servicio de control de una estación de bombeob) servicio de control de una bomba paralela diferencialc) servicio de control de presión de despacho o presión

“holding”d) servicio de protección del manifold

REPASO 4

33


5. El número total de válvulas usadas en configuracióntípica de válvula/derivación (bypass) (incluyendo laválvula de control) es __________________________.a) 3b) 4c) 5d) 6


35


El fenómeno físico de la cavitación y golpeteo fueron introducidospor primera vez en el módulo PRESION DE VAPOR. Esta seccióndescribe como ocurren las cavitaciones y los destellos en las válvulas,y sugiere algunos procedimientos operativos que van a ayudar aprevenir cavitación y golpeteo en las válvulas.

Al finalizar esta sección usted va a poder completar los siguientesobjetivos:• Reconocer las causas y efectos de cavitación en las válvulas.• Identificar la definición del chorro contraído (vena contracta).• Definir el término golpeteo.

• Reconocer las causas y efectos de golpeteo en las válvulas.• Reconocer la diferencia entre cavitación, golpeteo y recuperación

de presión.• Identificar maneras de prevenir cavitación y golpeteo en válvulas.

OBJETIVOS

SECCION 5

CAVITACION, GOLPETEO Y RECUPERACIONDE PRESION EN LAS VALVULAS

36


La cavitación ocurre cuando burbujas de vapor producidas por unacaída en la presión debajo de la presión de vapor de fluido sedesintegran violentamente cuando el fluido recobra presión aguasabajo. Válvulas de control de presión tienen salidas más angostas quelas tuberías. Al ser las salidas más angostas, la velocidad del líquidoque pasa a través de ellas aumenta. La presión cae cuando lavelocidad aumenta. Si la presión cae debajo de la presión del vapor delíquido, parte del líquido se comenzará a vaporizar, y dependiendo delas circunstancias, va a haber cavitación o golpeteo.

La válvula puede ser representada por una simple restricción en lalínea. Esta no es una representación perfecta, pero nos va a ayudar avisualizar lo que sucede a la presión del líquido y la tasa de flujocuando el líquido pasa a través de la válvula. Cuando el flujo dellíquido pasa a través de la restricción, el flujo de la corriente sereduce. La mínima área de la sección transversal de flujo de lacorriente, la cual ocurre a una corta distancia aguas abajo de laactual restricción en un punto llamado chorro contraído (venacontracta) (vea figura 12).

Figura 12Restricción en el Flujo Mostrando el Chorro Contraído (VenaContracta)La válvula de control puede ser representada por una simple restricciónen la línea. El chorro contraído es el área mínima de la seccióntransversal del flujo de la corriente, la cual ocurre a una distancia cortaaguas abajo de la restricción física.

A B C D

Flujo de Líquido

P1

P2

Alta Recuperación

37


Antes de hablar sobre lo que sucede en el chorro contraído, nosotrostenemos que entender la relación entre velocidad, presión y energía:• La energía total es “conservada” (se mantiene constante) y es igual

a la cantidad de energía cinética + energía potencial. Energíacinética es la energía que tiene un objeto por que está enmovimiento. Energía potencial es la cantidad de energía un objetotiene por su posición (en el sentido de elevación o cabeza).

• En un sistema de tuberías, cambios en velocidad corresponde acambios en energía cinética, mientras que cambios en presióncorresponde a cambios en energía potencial.

• Al ser la energía cinética + la energía potencial = energía total, si laenergía cinética aumenta, la energía potencial disminuye. De lamisma manera, si la energía potencial aumenta, la energía cinéticadisminuye. Cambios en velocidad y presión corresponden acambios en energía cinética y potencial respectivamente. Por eso, sila velocidad del flujo del líquido aumenta, hay una correspondientereducción en presión. A la inversa, si la presión aumenta, lavelocidad disminuye.

En el chorro contraído, donde la sección transversal es más pequeña,la velocidad deberá ser la más rápida para mantener un tasa de flujoestable para los líquidos que fluyen a través de la restricción. Ya queaumenta la velocidad, la presión en el chorro contraído disminuye.

Figura 13Daño Causado por CavitaciónLas fuerzas creadas por las pequeñas desintegraciones de burbujashacia adentro contra el metal durante cavitación puede alcanzar100,000 psi. Ningún material es conocido en ingeniería que pueda resistircavitación regular.

38


Aguas abajo de la restricción, la corriente del fluido se expande a unárea más grande y reduce la velocidad. A pesar que una reducción enla velocidad significa un aumento en presión, la presión de aguasabajo nunca recupera el nivel de presión que existía aguas arriba de laválvula porque la energía se pierde con turbulencia y fricción en laválvula. La presión difundida a través de la válvula es una mediciónde la cantidad de energía absorbida por la acción de estrangulación.Cuanto más energía se difunde en la válvula, mayor es la presióndiferencial para la válvula. La diferencial de presión crítica es ladiferencia entre la presión en la entrada de la válvula y la presión enel chorro contraído (vena contracta).

Por el aumento en la velocidad del líquido en el chorro contraído, lapresión podría caer debajo de la presión de vapor de los líquidos y sepodrán formar burbujas en la corriente del flujo. Cuanto más grandeel aumento en velocidad, más grande va a ser la caída en presión.

El cambio entero de fase/estado líquido - vapor - líquido loconocemos como cavitación. La violenta desintegración haciadentro de las burbujas durante la recuperación de presión es particularmente dañina.

Al igual que la cavitación, el golpeteo comienza con una baja en lapresión, lo que causa que se formen burbujas en el líquido. Pero paraque ocurra golpeteo, la presión a la salida de la válvula debepermanecer por debajo de la presión del vapor del líquido, y lasburbujas se mantienen en el sistema aguas abajo.

El golpeteo daña la tubería y las válvulas, dejando marcas en lassuperficies con rayas largas y suaves que se parecen a limpieza conchorro de arena (sandblasting). Si la recuperación de la presión aguasabajo más allá de las válvulas es suficiente para causar que lasburbujas violentamente se desintegren, el resultado es cavitación.

Una válvula de baja recuperación, como una válvula de globo dedoble salida va a tener una tendencia mayor a destellos que unaválvula de alta recuperación, como la válvula de bola y estrangulación. Típicamente, en tuberías de gran diámetro, va a sermás común que haya cavitación que golpeteo. También, hay menosposibilidades que haya golpeteo con petróleo crudo y más posibilidades que ocurra con LPG.

GOLPETEO(FLASHING)

39


Figura 14GolpeteoGolpeteo ocurren cuando lapresión aguas abajo de lasalida de la válvula semantiene debajo de lapresión de vapor del líquido ylas burbujas formadas por lacaída de presión a través dela válvula continúan a travésde la tubería

Figura 15Aspecto Típico del Daño

Ocasionado porGolpeteo

Daño de erosión al tapón dela válvula. Las áreas

erosionadas se vencomopicados suaves y brillosos y

se van a acumular en elpunto demás alta velocidad.

Claramente el concepto de recuperación de presión juega un rolfundamental para caracterizar una válvula como apropiada. Unaválvula que recupera un porcentaje significativo de la presióndiferencial desde la entrada al chorro contraído es llamada válvulade alta recuperación, mientras una válvula que recupera solamenteporcentaje mínimo de la presión diferencial se llama válvula de bajarecuperación. La válvula de bola y de estrangulación es una válvulade alta recuperación, y la válvula de globo es una válvula de bajarecuperación.

La figura 16 muestra que no solamente que se debe evitar lacavitación, sino que se debe evitar también la vaporización. Esosignifica que, aunque la cavitación no haya ocurrido en la válvula debaja recuperación, golpeteo tienen lugar. Las burbujas de vapor sesiguen produciendo en el chorro contraído, pero ellas se mueven aguaabajo sin la desintegración violenta hacia dentro causada por lapresión de recuperación. En destellos, el líquido aguas abajo semantiene parcialmente en estado de vapor.

Flujo de L quido

P1

P2

40


El apropiado tamaño y selección de las válvulas de control se deberátomar en cuenta para evitar la ocurrencia de cavitación y golpeteo através del servicio de flujo y ámbito de presión. Asimismo, hay unaumento significativo en la posibilidad de destellos y cavitación paraparar o enviar aplicaciones de presión. Excesiva estrangulación causagolpeteo y cavitación. Finalmente, si el potencial de cavitación odestellos existe durante la operación normal, una o más de lasacciones siguientes se deberá considerar:

1. Guarnición de válvula especial para reducir cavitación (se muestraen la figura 17). El tipo más común de control de cavitación deguarnición en el uso de una válvula de globo es un armazónperforado.

Figura 16El Armazón para el Control de la Cavitación y su Ubicación enuna Válvula de GloboArmazones para el control de cavitación consisten de uno o mássecciones concéntricas de forma cilíndricas. El número de secciones ofases que se necesitan en un armazón depende de la presión deentrada y la caída de presión. Cuanto más alto sean esos valores parauna determinada válvula, más fases son requeridas. Un armazón decontrol de cavitación con una sola fase tiene agujeros opuestosdiametralmente que dirigen corrientes en fluidos en el cual haycavitación al centro donde ellas hacen impacto la una contra la otra.De esta manera se evita que las burbujas de vapor se precipiten contralas superficies de metal de la válvula.

2. Agregando un armazón de control de cavitación de fase múltiple,se fuerza al líquido a hacer parte de la caída de presión total encada etapa. Esto evita que la presión del líquido caiga debajo delpunto de vaporización en cada fase, eliminando completamentecavitación y golpeteo dentro de la válvula.

EVITANDOCAVITACION Y

GOLPETEO

Presi n

Trim Parts

P1

P2

Pv

41


3. Agregando un segundo reductor de presión en serie con la válvulapara limitar la caída de presión y reducir el potencial decavitación. El otro aparato puede ser otra válvula, tuberíareducida, o una guarnición de válvula de control especial parareducir cavitación.

Cuanto más grande es la válvula de control, más se deberá cerrar paracrear una caída adecuada en la presión. Una válvula de tamaño másgrande del requerido deberá ser controlando frecuentemente en unaposición casi totalmente cerrada. Esto resulta en una reducción en laestabilidad, posibilidad de cavitación y aumento de ruido.

Vibración excesiva a través una válvula de control en la líneaprincipal debido a cavitación puede dañar la válvula y el actuador, ypuede causar que la válvula se cierre.

Para evitar cavitaciones, nunca se deberá hacer que las PVCsestrangulen continuamente más del 70% de la presión de entradaen unidades individuales. La presión de aguas abajo deberá siempreser mayor que el 30% de la presión de entrada de la válvula.

Si cavitación o destellos ocurren en una válvula que controla elflujo a los medidores, la medición va a ser inexacta.

42


1. La cavitación se define como _________.a) la formación rápida y desintegración de bolsillos de vapor en

un líquido que fluye en regiones de baja presión.b) la área mínima de sección transversal de la corriente de flujo

en una restricciónc) la cantidad de energía que tiene un objeto debido a su

posiciónd) la cantidad de presión del chorro contraído

2. Si la velocidad del flujo del líquido aumenta, la presión__________.a) aumentab) disminuyec) fluctúa d) no es afectada

3. Si la cavitación ocurre en una válvula que regula el flujoa medidores, la medición va a ser inexacta.a) verdaderob) falso

4. ¿Cuál de las siguientes estrategias no es usada paracorregir la cavitación?a) disminuir la tasa de flujo de aguas abajo, transfiriendo parte

de la estrangulación a la PVC en la próxima estación de aguasabajo.

b) parar la unidad de bombeo en el lugar de estrangulación.c) disminuir tasa de flujo de aguas arriba, transfiriendo parte de

la estrangulación a una estación de aguas arriba.d) reducir el porcentaje del punto de ajuste de control en el lugar

de estrangulación.


REPASO 5

43


SECCION 1 - TAMAÑO Y SELECCION DE VALVULAS

• Cuando se eligen las válvulas para una tubería, se debe tomar enconsideración la densidad del líquido planeada, la viscosidad ypresión de vapor, juntamente con las temperaturas extremas deoperación.

• Para estar seguro/a que se ha elegido la válvula correcta, las tasasde flujo deben ser establecidas para mínimo en condicionesestándar de temperatura y presión, máxima en condicionesestándar de temperatura y presión el máximo de flujo necesariopara la recuperación de una interrupción y parada (no flujo)

• El coeficiente de tamaño de válvula (Cv) es un númeroequivalente al número de galones (E.U.) de agua que van a fluir através de una válvula cuando la presión diferencial a través de laválvula es 1 psi y la temperatura esta a 60°F (15.6°C). El Cv varíacon el tamaño y tipo de válvula, y proporciona un índiceconveniente para comparar capacidades de válvulas diferentes encondiciones estándar. El Cv tiene que ser corregido para líquidosde alta viscosidad.

• La válvula de flujo con apertura rápida proporciona el aumentomáximo en el tasa de flujo cuando la válvula comienza a abrirse.La válvula lineal ofrece un cambio constante en el tasa de flujo através de la válvula durante todo el recorrido. La válvula de igualporcentaje ofrece la máxima reducción en la tasa de flujo cuandola válvula comienza a cerrarse.

SECCION 2 - VALVULAS DE CONTROL DE PRESION• Válvulas de control de presión difieren de las válvulas

ABRIR/CERRAR en que las válvulas de control de presiónpueden ser dejadas parcialmente abiertas en condiciones normalesde operación. PCVs regulan la presión por medio de cambios enla medida de la apertura por la cual los líquidos se desplazan.

• Los tipos más comunes de PCV son las válvulas de globo,válvulas mariposa, y la válvula de bola modificada.

SECCION 3 - ACTUADORES DE LAS VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

• Actuadores electrohidráulicos proveen la fuerza que abre, cierra ymantiene la posición de las PVCs.

RESUMEN

44


• Un amplio cambio en los puntos de ajuste enviado a un actuadorque esta no sintonizado o defectuoso puede causar que la válvulaoscile al tratar de alcanzar muy rápido el punto de ajuste. Estoresulta en perturbaciones de flujo y presión a lo largo de la línea.

• Velocidad de golpe o stroke es la cantidad de tiempo que necesitala válvula para abrir o cerrar totalmente.

• Todas las PVC tienen actuadores manuales, lo que hace posible deoperarlas en caso de un fallo mecánico.

SECCION 4 - APLICACIONES Y SISTEMA DE CONFIGURACIONES DE LAS VALVULAS DE CONTROL

• En la mayoría de los sistemas de oleoducto, las válvulas decontrol de presión son usadas para:

• control de presión en una estación de bombeo.

• control del diferencial de presión de la bomba paralela.

• control del diferencial de presión para parar o enviar.

• medidor múltiple de presión en contra o calibradores de controldel flujo.

• Cada PCV es instalada en combinación con válvula de derivacióntotalmente aislada.

• En algunos casos, configuraciones de control paralela son usadascomo alternativa a la instalación de una sola válvula/derivación.

SECCION 5 - CAVITACION, GOLPETEO Y RECUPERACION DE LA PRESION EN LAS VALVULAS

• El cambio entero de la fase/estado líquido - vapor - líquido loconocemos por cavitación. Es la desintegración violenta de lasburbujas durante la recuperación de presión y es particularmentedañino.

• Para evitar cavitación nunca se deberá hacer que las PVCestrangulen continuamente más del 70% de la presión de entradaen unidades individuales.

45


actuador electrohidráulico equipo que convierte energía hidráulica a movimiento de la válvula.(recorrido de la válvula) en respuesta a una señal electrónica. (p.22)

característica de flujo de la válvula es la relación que existe entre el flujo de la válvula y recorridos de lamisma a medida que el recorrido varía desde cero hasta 100%. (p.15)

característica de válvula de apertura rápidaflujo característico que provee el mayor cambio en tasa de flujo amedida que la válvula comienza a abrirse. Se utiliza para abrir y cerraren casos donde el flujo debe ser establecido rápidamente cuando laválvula comienza a abrirse (p.8).

cavitación proceso que ocurre cuando burbujas de vapor producidas por una gotacon presión por debajo de la presión de vapor del fluido, violen-tamente se desintegran cuando el fluido recupera su presión aguasabajo. (p.36)

chorro contraído (vena contracta)es la mínima area de la sección transversal del flujo de la corriente lacual ocurre a una distancia corta, aguas abajo de la restricción física.(p.36)

coeficiente de clasificación por tamaño de la válvula (Cv)cv es numéricamente igual al número de galones E.U. de agua a 60°F(15°C). que fluye a través de la válvula en un minuto cuando lapresión diferencial a través de la misma es una libra por pulgadacuadrada. Cv varía con el tamaño y el tipo de válvula, pero da uníndice para comparar la capacidad para líquidos de distintas válvulasbajo condiciones estándar. (p.6)

golpeteo (Flashing)proceso que comienza con una baja de presión, la cual ocasiona que seformen burbujas en el líquido. Para que un destello ocurra, la presiónen la salida de la válvula debe permanecer por debajo de la presión devapor del líquido y las burbujas se mantienen en el sistema aguasabajo. (p.38)

presión crítica diferencialdiferencia entre la presión en la entrada de la válvula y la presión en elchorro contraído (vena contracta). (p.38)

GLOSARIO

46


sellocomponente de una válvula, usualmente fabricado de un materialelástico que permite que las partes de cierre de la válvula esténajustadas contra los asientos. Se utiliza para prevenir fugas en lasválvulas. (p.17)

válvula de bola y de estrangulaciónla válvula PCV tiene una esfera parcial con paso de flujo del fluido enforma de V. Esta es una válvula PCV de alta recuperación. (p.18)

válvula de control de alta recuperación de presiónválvula que recupera un porcentaje significativo de la presióndiferencial desde la entrada hasta el chorro contraído. (p.39)

válvula de control de baja recuperación de presiónválvula que recupera solamente un porcentaje mínimo de la presióndiferencial desde la entrada hasta el chorro contraído. (p.39)

válvula de control de presiónválvula que regula presiones en las estaciones de la bomba principal,limitando el flujo por medio de una bola o tapón, colocado por unactuador electrohidráulico. (p.28)

válvula de globoválvula que abre o cierra cuando un tapón unido al vástago se muevelinealmente en una cavidad esférica o en forma de globo. (p.15)

válvulas de globo de doble salidason válvulas arregladas de tal manera que el flujo se separa entre losorificios del tapón. (p.16)

válvula de igual porcentaje.válvula que provee la disminución máxima en la tasa de flujo cuandola válvula comienza a abrirse. (p.9)

válvula linealválvula que provee el mismo cambio en la tasa de flujo a través de surecorrido total. (p.8)

válvula mariposaes una válvula con disco relativamente plano y rotatorio instaladosobre un rodamiento que le permite rotar su línea central. (p.16)

47

REPASO 1 REPASO 2 REPASO 3 REPASO 4 REPASO 5

1. d 1. b 1. b 1. b 1. a

2. b 2. c 2. b 2. c 2. b

3. b 3. c 3. a 3. b 3. a

4. c 4. b 4. d 4. c 4. c

5. c 5. b 5. b

6. a 6. d

7. c


RESPUESTAS

Valvulas de Control de Presion

Documents

Transcript of Valvulas de Control de Presion