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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