Valvulas de Control de Presion

VAL ALVULAS VULAS DE CONTROL CO NTROL DE D E PRESION PRES ION TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCION__________ INTROD UCCION___________________ _________________ _________________ __________________ ____________ ___ 1 Propósitos del Módulo ________ _________________ __________________ _________________ ________________ ________ 2

SECCION 1 - TAMAÑO Y SELECCION SEL ECCION DE VAL ALVULAS VULAS Introducción ______________________ _______________________________ __________________ _________________ __________ __ 3 Propiedades de los los Líquidos Líquidos ______________________ _______________________________ ________________ _______ 5 Tasas de Flujo _________________ __________________________ __________________ _________________ _____________ _____ 5 Eligiendo El Tamaño Tamaño Correcto _________________ __________________________ __________________ __________ _ 5 El Tipo de Válvula y Las Características de Flujo _________________ ____________________ ___ 7 Consideraciones para los Requisitos de la Válvula _________________ ____________________ ___ 9 Repaso 1 _________________ _________________________ _________________ __________________ __________________ _________ 11 11

SECCION 2 - VALVULAS VALVULAS DE CONTROL DE PRESION Introducción __________________ __________________________ _________________ __________________ _______________ ______ 13 Estrangulación y Válvulas de Control de Presión __________________ ______________________ ____ 14 Tipos de Válvulas Válvulas de Control de Presión __________________ __________________________ __________ __ 14 Repaso 2 _________________ _________________________ _________________ __________________ __________________ _________ 20

SECCION 3 - ACTUADORES DE LAS VAL ALVULAS VULAS DE CONTROL DE PRESION Introducción __________________ __________________________ _________________ __________________ _______________ ______ 21 Actuadores Electrohidráulicos Electrohidráulicos _________________ __________________________ _________________ __________ __ 22 Repaso 3 _________________ _________________________ _________________ __________________ __________________ _________ 25

SECCION 4 - APLICA APLICACIONES CIONES Y CONFIGURACIONES DE LA VALVULA DE CONTROL Introducción __________________ __________________________ _________________ __________________ _______________ ______ 27 Aplicaciones de las Válvulas de Control de Presión _________________ ____________________ ___ 28 Configuraciones de la Válvula de Control _________________ __________________________ _________ 30 Repaso 4 _________________ _________________________ _________________ __________________ __________________ _________ 32

SECCION 5 - CAVITA CAVITACION, CION, GOLPETEO Y RECUPERACION DE PRESION EN LAS VALVULAS Introducción __________________ __________________________ _________________ __________________ _______________ ______ 35 Cavitación _________________ _________________________ _________________ __________________ __________________ _________ 36 Golpeteo (Flashing) (Flashing) _________________ __________________________ __________________ __________________ _________ 38 Evitando Cavitacion y Golpeteo Golpeteo __________________ ___________________________ ________________ _______ 40 Repaso 5 _________________ _________________________ _________________ __________________ __________________ _________ 42

RESUMEN ______________________________________________________ 43 GLOSARIO ____________________________________________________ 45 RESPUESTAS ____________________________________________________ 47

ATENCION El personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. específicas . Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensión de la tecnología que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de información adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar in mediatamente. La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado encaminado para que reflejen los principios científicos científicos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

VALVULAS DE CONTROL DE PRESION Equipos de Oleoductos

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

IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Tower 10201 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 3N7 Telepho Telephone ne Fax

+1 - 403-42 403-420-8 0-8489 489 +1 - 403-420-8411

Reference: 2.9 SP press ctrl valves November, 1997

ATENCION El personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. específicas . Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensión de la tecnología que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de información adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar in mediatamente. La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado encaminado para que reflejen los principios científicos científicos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

VALVULAS DE CONTROL DE PRESION Equipos de Oleoductos

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

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+1 - 403-42 403-420-8 0-8489 489 +1 - 403-420-8411

Reference: 2.9 SP press ctrl valves November, 1997

HABILIDADES DE ESTUDIO Para que el aprendizaje de los módulos sea más efectivo, se sugiere tener 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 durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje.

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

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

4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, módulo, primero de un vistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final de cada sección. A continuación como una tarea separada estudie los encabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelente técnica de revision previa, usted estará familiarizado con la forma como está organizado el contenido. Después de la lectura rápida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientras usted 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 preguntas preguntas basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los módulos.

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

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

8. El uso de tarjetas para notas, le le ayudará a identificar rápidamente rápidamente áreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cada sesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto es aplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolos químicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla (acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordénelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qué gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cuales necesita reforzar su estudio.

9. Adicionalmente estos módulos módulos tienen tienen identificados identificados métodos métodos de enseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y su revisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla están en el glosario. Para relacionar la información de los términos y su significado, los números de las páginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareció el término por primera vez en el téxto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningún número de página es importante de igual manera entenderlas, pero están completamente explicadas en otro módulo.

VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

El uso y la operación correcta de las válvulas es esencial para ejecutar exitosamente todos los procedimientos y maniobras en el sistema del ISLAMIEN MIENTO TO Y SECCIONA ECCIONALIZACIO LIZACION N DE oleoducto. El módulo AISLA VALVULAS describe las válvulas ABRIR/CERRAR, y válvulas especializadas como las válvulas de retención, las válvula de alivio de control y accesorios para entaponar. El módulo presente estudia a las válvulas de control de presión (PCVs). Estas son válvulas cuya construcción hace posible dejar la válvula en una posición parcialmente abierta para estrangular la presión del líquido en el oleoducto.

INTRODUCCION

En el oleoducto, las bombas y las válvulas de control de presión son las dos partes del equipo que se usan para operar y controlar el oleoducto. La bomba es el aparato principal usado para producir presión y flujo. La PCV es usada para hacer un ajuste preciso de ese flujo y presión. Bombas que trabajan a electricidad aumentan la presión a pasos fijos y grandes. A menudo, la presión necesaria se encuentra entre esos pasos fijos. Si uno cierra una bomba específica la presión va a ser muy baja, mientras que si uno deja la bomba trabajar, la presión de descarga va a ser muy alta. Para producir la presión necesaria, los operadores ponen las bombas a funcionar para una presión que sea lo más cercana posible, pero más alta que la presión 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. Si uno cierra una válvula de control demasiado rápido el resultado puede ser una severa oscilación hidráulica momentánea. De todas maneras, el uso efectivo de válvulas de control de presión minimiza los problemas de mantenimiento y los efectos de ondas de oscilaciones momentáneas en la línea y puede controlar con precisión el flujo del líquido a través del oleoducto. Este módulo discute las propiedades características de las válvulas de control de presión, y los principios básicos de tamaño y selección. Sobre la base de las características y los principios, el módulo continúa con la discusión de los componentes y la operación de las válvulas de control de presión y los actuadores electrohidráulicos controlados a control remoto, mostrando el rol de esos mecanismos de control de presión que aparecen en el proceso de toma de decisiones de los operadores.

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PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

PROPOSITOS DEL MODULO

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 de manera segura y eficiente. • Describe los tipos comunes de válvulas de control de presión.

REQUISITOS

Los módulos en la sección Comportamiento de Fluidos VALVULAS DE AISLAMIENTO Y SECCIONALIZACION

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SECCION 1

TAMAÑO Y SELECCION DE VALVULAS

Diferentes tipos de válvulas son usados en un sistema de oleoducto. Cada una de las válvulas es seleccionada de entre miles de válvulas disponibles. Seleccionar el tipo y la medida correcta de una válvula para cada uso es un aspecto crítico en el diseño de la tubería. Por ejemplo, válvulas de control que son más grandes de lo deseado, son difíciles de controlar y requieren más mantenimiento que una válvula de la medida correcta, porque van a ser usadas casi siempre en una posición casi cerrada.

INTRODUCCION

En su posición de operador, usted no participa directamente en la selección del equipo o su tamaño. Pero, un conocimiento de la teoría de selección y de la medida correcta de las válvulas aumentará su habilidad para detectar condiciones de operación que son anormales, como asi mismo el poder comunicar problemas específicos a los ingenieros y al equipo mecánico/eléctrico. Esta sección presenta una introducción breve a algunas de las importantes características de la válvula y explica como ellas se relacionan 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.

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OBJETIVOS

Al finalizar la presente sección usted va a poder completar los objetivos 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.

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Los factores claves para determinar cual válvula se deberá seleccionar son las “propiedades” de los líquidos que van a fluir a través de la válvula. Las propiedades de los líquidos incluyen: • si el líquido es corrosivo o no

PROPIEDADES DE LOS LIQUIDOS

• 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 ser establecida, pues la temperatura afecta las otras propiedades. Las propiedades lubricadoras de los líquidos y la presencia de agua y partículas abrasivas también se tienen que tomar en cuenta en la selección del tipo de válvula de control y sus materiales. Para una explicación completa de como densidad, viscosidad y presión de vapor influyen en el comportamiento del fluido en la tubería, refiérase al programa de entrenamiento: Introducción al Comportamiento de Fluidos.

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

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 control de presión de estación tenga una medida mínima de caída de presión de 5 psi y una medida máxima de caída de presión de 10 psi en la posición totalmente abierta cuando la tubería se encuentra con la capacidad de flujo planeada transportando el crudo más viscoso.

ELIGIENDO EL TAMAÑO CORRECTO 5


Algunas normas de ingeniería también hacen notar que cuando uno decide la medida de una válvula de control, las propiedades de la desempeño dinámico de las válvulas de control deberá considerarse más importante que el consumo de unos pocos psi de presión a través de una válvula abierta. La caída de presión a través de una válvula de control totalmente abierta es un pequeño porcentaje de la pérdida de presión entre dos estaciones de bombeo. Cuanto más grande es la válvula de control, más se deberá cerrar para crear adecuada caída o control de presión. Si la válvula de control de presión es demasiado grande, va a traer como resultado una reducción en la estabilidad y escaso control.

EL COEFICIENTE DE CLASIFICACION POR TAMAÑO DE VALVULA

El coeficiente de clasificación por tamaño de la válvula es calculado a partir de la tasa de flujo establecida, discutido anteriormente. El coeficiente de tamaño de válvula (Cv) es un número equivalente al número de galones E.U. de agua que van a fluir a través de una válvula totalmente abierta cuando la presión diferencial a través de la válvula es una libra por pulgada cuadrada y la temperatura está a 60°F (15.6°C). Cv varía con el tamaño y tipo de válvula, y proporciona un índice conveniente para comparar capacidades de válvulas diferentes en condiciones estándar. Los valores de coeficientes de la válvula, son normalmente dados para válvulas que están abiertas en un 100%, con valores individuales para cada medida. El coeficiente de la válvula varía con el tamaño físico 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 la tasa de flujo para cualquier caída de presión, o la caída de presión para cualquier tasa de flujo. A veces estos cálculos deben ser corregidos, ya que los Cvs se basan en informaciones obtenidas en pruebas que usan agua como medio de flujo. La viscosidad más alta de los petróleos crudos y los productos derivados del petróleo, puede traer como resultado errores de tamaño. Si la viscosidad del crudo es más alta que 80 cs, se aplica el factor de corrección de la viscosidad. La información calculada a base del Cv, se usa para determinar el tamaño apropiado de cada válvula para cada uso, pero de todas maneras, los valores calculados representan solamente modelos teóricos.

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Hay elementos subjetivos que se tienen en cuenta en la selección de la 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. Una válvula que es demasiado grande puede aumentar los requerimientos de mantenimiento causados por la estrangulación cuando la válvula se encuentra casi cerrada.

Elegir el tamaño apropiado de la válvula para cada aplicación es solamente la primera consideración. Los diseñadores deben también elegir el estilo de la válvula que se va a usar, y establecer la guarnición adecuada. La guarnición de la válvula determina las características del flujo. Recuerde en el módulo VALVULAS DE AISLAMIENTO Y SECCIONALIZACION , la guarnición de las válvulas consiste de las partes internas que son desmontables. La característica de flujo de la válvula de una válvula de control es la relación que existe entre el recorrido de la válvula, y el flujo a través de la válvula, cuando el recorrido varía de 0% a 100%. Existen tres categorías principales de características de flujo en las válvulas:

EL TIPO DE VALVULA Y LAS CARACTERISTICAS DE FLUJO

• apertura rápida • lineal y • de igual porcentaje. Figura 1 Curvas de flujo para válvulas con diferentes características de flujo

100

80 Apertura R pida

o m i x 60 M o j u l F e 40 d e j a t n e c r 20 o P

0

20

Lineal

40

60

Porcentaje de Recorrido

Igual Porcentaje

80

100

La línea de apertura rápida muestra un alto incremento en el flujo una vez que la válvula se comienza a abrir. La línea linear muestra que el incremento del flujo se mantiene constante a través de todo el recorrido de la válvula. Finalmente la línea de porcentajes iguales muestra una disminución máxima en flujo cuando la válvula se comienza a cerrar.

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APERTURA RAPIDA

La característica de la válvula de apertura rápida proporciona el mayor cambio en el tasa de flujo cuando la válvula comienza a abrirse. Válvulas que se abren rápido son usadas para ABRIR/CERRAR en casos donde el flujo debe establecerse rápidamente cuando la válvula comienza a abrirse. En la Figura 1, la pendiente abrupta de la curva muestra la apertura rápida del flujo; las válvulas solamente tienen que estar abiertas en un 40% para establecer un 75% de flujo máximo a través de la válvula.

Figura 2 Válvula de Apertura Rápida El disco redondo y plano levanta un anillo de asiento y deja a descubierto una abertura de forma cilíndrica para el flujo. Aún un pequeño desplazamiento de la válvula resulta en una gran área de flujo alrededor de la circunferencia del anillo de asiento y el tapón de válvula.

LINEAL

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


Figura 3 Válvula Lineal

Tap n de la V lvula Seat Ring

La forma cónica del tapón de la válvula reduce la propiedad de apertura rápida a través de todo el recorrido de la válvula, pues una área menor de flujo es creada por un incremento en el recorrido. Incrementos iguales de recorrido de la válvula resulta en incrementos iguales en el flujo.

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

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

Máxima Caída de Presión - Válvulas de alivio y actuadores tienen que ser evaluadas abriendo o cerrando contra una presión diferencial igual a la máxima presión operativa.

PORCENTAJES IGUALES

CONSIDERACIONES PARA LOS REQUISITOS DE LA VALVULA

Limitaciones de estrangulación - Para evitar cavitación, nunca se deberá requerir que las válvulas de control de presión estrangulen continuamente más del 70% de la presión de entrada.

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Asiento de fuga - Para reducir la severidad potencial de presiones transientes que se inician durante el cierre de la válvula, las válvulas de alivio no deberán ser selladas. Típicamente, cuando se cierra la fuga 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 limitado a un 95% del cierre. Porcentajes Iguales - Válvulas de Control de Presión deben poseer las propiedades de las válvulas de porcentaje igual. Si uno cierra la válvula 20% de una posición totalmente abierta (vea Figura 1) el flujo a través de la válvula deberá reducirse en un 50%. Posición de Falla - Cuando la comunicación se ha perdido, si la presión hidráulica cae por debajo del valor mínimo, el actuador debe mantener la válvula de alivio en la última posición controlada.

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PIPELINE OPERATIONS TRAINING PROGRAM

1. La elección de válvulas para un sistema de tuberías debe tener en consideración la ___________de los líquidos que deben ser transportados a través de la tubería. a) b) c) d)

REPASO 1

viscosidad densidad presión del vapor todos los nombrados anteriormente

2. Las válvulas de control de presión de una estación son elegidas para dar una caída en la presión en la tubería de 5-10 psi en la posición totalmente abierta con la más alta tasa de flujo, con petróleo crudo con la más alta _______________. a) b) c) d)

densidad viscosidad presión del vapor gravedad específica

3. Un número igual al número de galones (E.U.) de agua que va a fluir a través de una válvula cuando la presión diferencial a través de la válvula es 1psi a 60°F (15°C) se llama el ________________. a) b) c) d)

igual porcentaje coeficiente de clasificación por tamaño por válvula índice guarnición de la válvula

4. La relación entre el movimiento de la válvula y el flujo a través de la misma se llama ______________ de la válvula. a) b) c) d)

coeficiente de clasificación por tamaño índice propiedades del flujo diseño

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Para evitar cavitación, la PCV nunca deberá estrangular más que el ____________ de presión de admisión en forma contínua. a) b) c) d)

30% 50% 70% 90%

6. Una característica de flujo de válvula de apertura rápida provee _______________. a) un incremento máximo en el tasa de flujo cuando la válvula comienza a abrirse b) un cambio constante en el tasa de flujo a través de todo el recorrido en la válvula c) un incremento mínimo en el tasa del flujo cuando la válvula comienza a abrirse d) una disminución máxima en el tasa del flujo cuando la válvula comienza a cerrarse

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Cuál característica del flujo está ilustrada en esta curva de flujo? a) apertura rápida b) lineal c) igual porcentaje 100

80 o m i x 60 M o j u l F40 e d e j a t n20 e c r o P

0

20

40

60

Porcentaje de Tasa de Recorrido

Las respuestas están al final del módulo.

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80

100


SECCION 2


Válvulas de control de presión difieren de las válvulas de ABRIR/CERRAR en que las válvulas de control de presión pueden ser dejadas parcialmente abiertas en condiciones normales de operación. PCVs regulan la presión por medio de cambios en la medida de la apertura por la cual los líquidos se desplazan. Las propiedades de los líquidos y su comportamiento a través de la tubería están detalladamente discutidos en la sección Introducción al Comportamiento de los Fluidos. En esta sección es importante recordar que la reducción en la trayectoria del flujo produce un incremento en la velocidad del flujo y una reducción en la presión del flujo. Alargando la trayectoria del flujo se reduce la tasa del flujo y aumenta la presión del flujo. Los operadores controlan la PVC a control remoto de manera que sea posible llevar a cabo esos cambios sin parar totalmente el flujo o causar cavitaciones. Esta sección describirá los tipos principales de válvulas usadas para controlar la presión, y las ventajas y desventajas de cada una de ellas.

Al finalizar esta sección, usted va a poder completar los siguientes objetivos:

OBJETIVOS

• 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 bola y estrangulación). • Comparar la ventajas y desventajas de cada tipo de válvula de control de presión. • Enumerar las características generales para todas las válvulas de control de presión.

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ESTRANGULACION Y VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

El costo más grande en la mayoría de los sistemas de oleoductos es la energía usada para hacer funcionar las principales unidades de líneas de bombeo. La energía eléctrica es transformada en energía mecánica, que el motor y la bomba transforman en presión. La válvula de control de presión es usada para estrangular la presión al nivel requerido. La energía que se pierde en la estrangulación nunca puede ser recuperada. Debido a que la estrangulación gasta energía eléctrica y aumenta los costos de operación, los operarios deberán estrangular solamente la cantidad absolutamente necesaria para optimizar el sistema de oleoducto. Así mismo una estrangulación minimizada reduce 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 componentes separados pero integrales, la válvula misma (cuerpo y guarnición), y su actuador, el dispositivo electrohidráulico que pone la válvula en posición. La función de la válvula de control de presión es regular el flujo de un líquido cuando cambia la posición del tapón o esfera de la válvula por una fuerza que viene del actuador. Para llevar a cabo la función, el cuerpo de la válvula debe contener el líquido sin fugas, debe tener la capacidad adecuada, debe ser resistente a erosión y corrosión, y debe estar equipada con un tapón o esfera de válvula que puede ser puesta en posición adecuadamente por el actuador para controlar el flujo. Normalmente, en muchos sistemas de oleoductos, las PCV regulan la presión en las estaciones de bombeo principales, limitando el flujo por medio de un tapón o esfera colocada por un actuador electrohidráulico. PCV están colocadas en cada estación de bombeo en la parte de descarga de la planta y operadas a control remoto por el operador en el centro de control.

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Hay tres tipos de válvulas generalmente usadas para estrangulación en 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 dirigir el flujo del líquido, las válvulas PCV están diseñadas para operar cuando están parcialmente abiertas. Esto significa que la medida del orificio de la válvula varía para controlar con precisión el flujo y la presión a través de la válvula.

La válvula de globo se llama así por la forma de globo de la cavidad alrededor de la zona de salida. La figura 5 muestra una válvula de esfera de salida única de forma derecha. El tapón se mueve hacia arriba y hacia abajo para controlar la cantidad líquido que pasa a través del orificio. Cuando está completamente cerrado, el tapón o disco reposa sobre el asiento, parando el flujo casi totalmente. Un problema con las válvulas de globo es que sedimentos tienden a juntarse en la zona del asiento, lo cual impide que la válvula se cierre correctamente. En sistemas de colección, donde los líquido no han sido tratados aún, sedimentos podrían causar problemas en las válvulas de globo.

TIPOS DE VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

VALVULA DE GLOBO

El asiento de la válvula de globo es paralelo a la dirección del flujo a través de la línea. Esto hace que la válvula de globo sea muy adecuada para situaciones de estrangulación, porque la resistencia del flujo a través de un cambio de 90° en dirección reduce la presión. Dentro de una válvula de globo, la dirección cambia cuatro veces, permitiendo una reducción substancial en la presión. Figura 4 Válvula de Globo de Forma Derecha La válvula de globo usa un tapón o disco que reposa sobre el asiento para controlar el flujo. Válvulas de globo son muy adecuadas para aplicaciones de control de presión porque ellas requieren líquidos para llevar a cabo cuatro cambios de direcciones dentro de la válvula, cada cambio reduciendo la presión.

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VALVULA DE GLOBO DE DOBLE SALIDA

La figura 5 muestra una variación de la válvula de globo - válvula de globo con doble salida. Válvula de globo de doble salida tiene dos tapones ubicados de tal manera que el flujo se divide entre los orificios del tapón. Las fuerzas contrarias de los líquidos a través del área del tapón se balancean la una contra la otra, de manera que se necesita un actuador menos potente. La ventaja principal de la válvula de globo de doble salida es el escaso mantenimiento y las excelentes propiedades de estrangulación debido al complejo curso del flujo a través de la válvula. En estas válvulas hay una menor posibilidad de cavitación que en una válvula de globo de forma derecha, porque el curso complejo del flujo reduce la recuperación de la presión. Las desventajas de las válvulas de globo con doble salida son que son grandes y pesadas, y tienen una capacidad de flujo menor cuando están totalmente abiertas comparadas con válvulas de control como por ejemplo la válvula de bola y de estrangulación. Además, ambas salidas deben estar alineadas mecánicamente. Desgastamiento en una de las salidas causa una filtración que solamente puede ser reparada maquinando la válvula.

Figura 5 Válvula de Globo de Doble Salida. Los dos tapones están ubicados de tal manera que la mitad del flujo fluye a través de cada orificio del tapón. La fuerza contraria de los fluidos generalmente balancea el uno contra el otro, de manera que un actuador menos potente sea necesario, permitiendo significantes ahorros en el consumo de energía.

Las válvulas mariposa tienen un diseño muy simple. La válvula

VALVULAS MARIPOSA mariposa es un disco relativamente plano, que rota montado sobre un rodamiento que le permite rotar su línea central. Cuando está abierta, el disco ofrece una resistencia mínima al flujo, ya que es paralelo a la dirección del flujo. Cuando se cierra, el disco rota hasta que se encuentra al mismo ángulo con la dirección del flujo. Esto permite múltiples posibilidades para colocar orificios. Las válvulas mariposas son muy económicas en términos de su capacidad de flujo por dólar invertido.

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Típicamente, las válvulas mariposas son usadas en estaciones terminales con facilidades de medición para controlar o modificar con precisión aproximada flujos y presiones en los medidores y calibradores.

Disco

Anillo Asiento

Figura 6 Válvula Mariposa en Posición abierta. Cuando la válvula mariposa está abierta permite poca resistencia al flujo porque está paralela a la dirección del flujo.

A pesar de que las válvulas mariposa ofrecen control de estrangulación con una rotación de disco de hasta un 40%, ellas no permiten un control exacto de estrangulación como la válvula de globo o la válvula de bola modificada. Válvulas mariposas requieren solamente un poco más espacio que las bridas (flanges) de las tuberías. De hecho, válvulas mariposa wafer están específicamente diseñadas para ser insertadas entre las bridas (flange) de la tubería en las líneas existentes. La escala completa de movimiento, desde abierto hasta cerrado, es solamente a través un cuarto de rotación (90°). El diseño es tan simple que hace que esta válvula sea una de las menos costosas que se pueden conseguir. El mayor inconveniente de la válvula mariposa es que, en su forma más simple, la ausencia de toda acción de acuñamiento hace que sea difícil cerrarla completamente. Este problema puede ser fácilmente superado asentando el disco sobre un anillo de sello plástico, que va a ofrecer suficiente resistencia para sellar la válvula, o para compensar levemente el disco sobre el eje de la válvula, de manera que el disco ofrece su propia acción de acuñamiento. Usando cualquiera de esas modificaciones, o ambas, es posible obtener un fuerte cierre hermético y mantenerlo por un largo período de tiempo antes de que sea necesario reemplazar el sello. Sellos son un material elástico usado para prevenir fugas alrededor de los ejes y partes internas de las válvulas.

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La válvula mariposa no proporciona el control exacto de una válvula de bola y estrangulación o una válvula de bola, pero es la menos costosa de las válvulas de control disponible. Las válvulas mariposas muestran aproximadamente un porcentaje igual de las propiedades de flujo y ofrece un control de estrangulación de hasta 40° de rotación del disco. Válvulas mariposas son usadas en terminales con facilidades de medición para regular y alterar flujos y presiones dentro de los medidores y calibradores con el propósito de mediciones de petróleo. Las válvulas mariposas son controladas o actuadas por medio de actuadores hidráulicos. Válvulas mariposas son válvulas efectivas de estrangulación, pero no deben ser usadas en casos de grandes caídas de presión debido al alto torque de operación. Cuando la válvula estrangula a una posición casi cerrada, la presión de los líquidos tiende a presionar la válvula a una posición totalmente cerrada, bloqueando el flujo completamente.

VALVULAS DE BOLA Y DE ESTRANGULACION

Válvulas de bola estándar son discutidas en detalle en el módulo VALVULAS DE AISLAMIENTO Y SECCIONALIZACION . Normalmente no se usan para estrangulación. Esto es así porque el flujo de alta velocidad que pasa través de la válvula de bola parcialmente abierta, no simplemente pasa a través de la bola, pero la empuja contra el sello de aguas abajo. Si una válvula de bola estándar es usada frecuentemente para estrangulación, el excesivo desgaste en el sello y en la bola puede traer como resultado daño en el asiento y un aumento en los requerimientos de mantenimiento. Una válvula de bola y estrangulación es una válvula de control de presión que es una esfera parcial con paso de flujo del fluido en forma de V. Esta es una válvula de control de presión de alta recuperación.

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

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

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

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REPASO 2

1. Los operadores usan válvulas de control de presión para regular presión en la línea ________________. a) abriéndolas y cerrándolas b) variando la medida de la apertura a través de la cual los fluidos se deslizan c) usándolos para enviar fluidos a través de las líneas con diferente diámetros d) usándolos para disminuir la velocidad de los fluidos

2. La desventaja de las válvulas de bola es que_____________________. a) b) c) d)

son sensibles a alta temperatura pueden lograr solamente una mínima de caída de presión. no son apropiadas para sólidos en suspensión tienen una trayectoria de flujo que es directa

3. De las válvulas enumeradas a continuación, cual es la que causa el mínimo de resistencia a un líquido fluyendo cuando está completamente abierta? a) b) c) d)

válvula de bola de forma derecha válvula diafragma válvula mariposa doble salida

4. Válvulas mariposa no se deberán usar para estrangular líquidos en tuberías de alta presión porque ________________________. a) son muy difíciles de abrir contra líquidos de alta presión b) si están casi cerradas, la presión del líquido las empuja a cerrarse c) la cavitación es muy severa d) están diseñadas para aplicaciones de ABRIR/CERRAR.


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SECCION 3

ACTUADORES DE LAS VALVULAS DE CONTROL DE PRESION En las tuberías las válvulas se pueden encontrar a miles de millas de distancia de los operadores que las controlan. Los actuadores electrohidráulicos reciben los comandos en la forma de señales electrónicas enviadas por operadores que se encuentran muy lejos. Los actuadores llevan a cabo los comandos operando un sistema hidráulico que controla la válvula de control de presión (PC V).

INTRODUCCION

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

Cuando usted finalice esta sección, usted va a poder completar los objetivos siguientes:

OBJETIVOS

• 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.

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ACTUADORES ELECTROHIDRAULICOS

El comando para abrir o cerrar las PCV va al controlador lógico programable (PLC) que controla la válvula y es convertido en una señal electrónica que activa un actuador electrohidráulico. El actuador electrohidráulico convierte energía hidráulica en movimiento de la válvula (recorrido de la válvula) en respuesta a la señal electrónica. Actuadores electrohidráulicos son usados para un posicionamiento rápido y exacto del tapón, bola o disco dentro de las válvulas de control. El actuador trabaja conjuntamente con un controlador y una unidad de energía hidráulica. El controlador nota y compara el: • punto de ajuste de succión contra la presión de succión

Regulador de Presi n

• punto de ajuste de descarga contra la presión de descarga. Cilindro

Figura 8 Actuador Electrohidráulico La presión hidráulica diferencial entre el cilindro superior e inferior, mantenida de acuerdo al regulador (controlador) de presión, sube o baja la posición de la válvula, y al hacerlo así, abre o cierra la válvula.

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

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El cilindro del actuador está dividido por un pistón en dos partes: alta y baja. Un chorro activa las válvulas solenoides que dirigen el fluido hidráulico dentro de una u otra sección del cilindro. Esto causa una diferencia de presión dentro del cilindro. Si la presión aumenta más arriba del pistón, el vástago del pistón se mueve hacia abajo, cerrando la válvula. Si la presión aumenta más abajo del pistón, la válvula se abre. Cambiando los puntos de ajuste de descarga en una válvula de control de presión, no significa que la presión de descarga cambia inmediatamente al nuevo punto de ajuste. Si usted elige un punto de ajuste de descarga a 600 psi para una PCV que tiene un punto de ajuste de descarga de 615 psi, el actuador va a hacer que la válvula se cierre un poco. Esto puede resultar en una nueva presión de descarga que puede ser tan bajo como a 580 psi. La presión, finalmente se va a ajustar a los 600 psi requeridos por medio de un regulador de presión interno que reajusta la posición incremental de la válvula hasta que alcanza la presión de 600 psi.

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

VELOCIDAD DE GOLPE (STROKE) Y SERVICIO

Deberán evitarse amplios cambios en los puntos de ajuste (set points). Un amplio cambio en los puntos de ajuste enviado a un actuador que está mal calibrado o defectuoso puede causar que la válvula oscile al tratar de alcanzar el punto de ajuste demasiado rápido. Esto resulta en perturbaciones de flujo y presión a lo largo de la línea. Un mantenimiento constante del actuador y de los sistemas de válvula minimizan el riesgo, pero si uno aplica una serie de pequeños cambios de puntos de ajuste al sistema, si es posible, uno va a minimizar el riesgo de perturbaciones y desgaste en el sistema válvula-actuador.

CONSIDERACIONES PARA OPERAR LOS ACTUADORES HIDRAULICOS

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

OPERACION MANUAL Y DE EMERGENCIA

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Los sistemas hidráulicos a control remoto más viejos, tienen bombas dobles para minimizar el riesgo de pérdida de potencia hidráulica a la PVC. En diseños más nuevos, el actuador hidráulico tiene solamente una bomba. La bomba siempre está prendida para reducir las posibilidades de falla. Si una falla de potencia hidráulica ocurre, todas las PVC pueden ser operadas manualmente a través del uso de ruedas manuales a no ser que el torque que necesita la bomba es muy grande para hacerlo manualmente. Cuando ocurre una pérdida de potencia hidráulica, el actuador se queda en su última posición.


1. Los actuadores para controlar las PVC que se usan en casi todos los sistemas de control son ________________. a) b) c) d)

REPASO 3

neumáticos electrohidráulicos electrónicos manuales

2. Cuando los operadores quieren cambiar un punto de ajuste 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 el punto de succión de ajuste a el/la _______________. a) b) c) d)

presión de succión último punto de ajuste de succión presión de descarga punto de ajuste de descarga

4. El objetivo de la unidad de potencia es _______________________activar la unidad hidráulica. a) activar la unidad hidráulica b) suministrar una plataforma de montaje para el actuador c) 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).

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6. Un actuador que no está bien calibrado o es defectuoso puede causar una oscilación de la válvula al tratar de alcanzar un nuevo punto de ajuste demasiado rápido cuando ____________. a) b) c) d)

la PCV esta casi totalmente cerrada la PCV está casi totalmente abierta se lleva a cabo un pequeño cambio en el punto de ajuste se lleva a cabo un gran cambio en el punto de ajuste


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SECCION 4

APLICACIONES Y CONFIGURACIONES DE LA VALVULA DE CONTROL El tipo y la configuración de las válvulas en un sistema de tuberías depende del uso, ubicación y los requerimientos de control de presión para cada válvula. Esta sección discute los diferentes usos del control de presión en un sistema de tuberías, y cómo las válvulas están configuradas para optimizar su eficacia y la simplicidad de su mantenimiento.

Al finalizar esta sección usted va a poder completar los siguientes objetivos:

OBJETIVOS

• 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.

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APLICACIONES DE LAS VALVULAS DE CONTROL DE PRESION

En una estación típica de bombeo, los cuerpos de la PCV son generalmente de globo de doble salida, bola de estrangulación o de disco excéntrico/diseño mariposa. Existen otros diseños de válvulas de control, pero se usan en la mayor parte de los casos en situaciones especiales como alta presión o uso de material que es corrosivo. Las PVC están localizadas en cada estación de bombeo en el lado de descarga de las bombas y son operadas a control remoto por el operador en el centro de control. Las Válvulas de Control de Presión (PCV) regulan presiones en las estaciones de la bomba principal, limitando el flujo por medio de una bola, tapón o disco colocado por un actuador electrohidráulico.

En el siguiente sistema de tuberías hay cuatro usos diferentes para la válvula de alivio: 1. Servicio de control de presión en una estación de bombeo las válvulas de control de presión están localizadas en el lado de descarga de las unidades de bombeo. En las estación, las válvulas y equipo de control relacionado permiten una selección remota y el control de los puntos de ajuste de succión aguas arriba y descarga aguas abajo. Bombas

Unidad de Descarga de Válvula

Unidad de Succión de Válvula

Unidad de Válvula de Retención

Figura 9 Diagrama de Bombas en Serie Este diagrama muestra el esquema de una bomba básica de velocidad constante, dispuesta en configuración en serie con control de presión de succión y descarga.

NC

Válvula de Succión de Estación Tubería

Descarga para la Válvula de Derivación de la Estación (NC)

N.C. - Normalmente Cerrada

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Válvula de Descarga de Estación Próxima Estación

Válvula de Control de Presión


2. Servicio de control del diferencial de presión en una bomba paralela - una válvula de control de presión está localizada en el lado de descarga de cada unidad de bomba paralela. La válvula y el equipo relacionado protegen la bomba y su motor de flujos altos o condiciones sobrecargadas. El control del diferencial es obtenido controlando la producción de presión diferencial de las bombas y manejando la válvula para asegurar que el diferencial nunca caiga debajo del valor mínimo especificado, manteniendo la 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 línea principal y la localidad de entrega o terminal. La válvula y el equipo relacionado generalmente permiten a ambas protección de presión para las tuberías de aguas abajo con un índice de presión baja y la (opcional) selección a control remoto de la línea principal de aguas arriba o el punto de ajuste de la presión “holding”. Este uso es el de más alta posibilidad de cavitación debido 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 de instrumentos de medida, aguas abajo de los medidores y/o calibradores. Esta válvula es usada para proveer presión constante que es requerida para mantener la medida precisa del medidor estándar

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

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CONFIGURACIONES DE LA VALVULA DE CONTROL

Cada PCV es instalada en combinación con una derivación (bypass) totalmente aislada, para minimizar el impacto del mantenimiento de la válvula y falla de la válvula sobre la eficiencia total de la línea. Un par de válvulas de compuerta de presión compatibles, una aguas arriba y otra aguas abajo de la PCV, puede ser cerrada para cortar el flujo a través de la PCV. Para mantener un flujo relativamente ininterrumpido a través del sistema, otra válvula de compuerta puede ser abierta, dando acceso a la derivación (baypass). La derivación misma ofrece una regulación limitada de la presión pues el líquido fluye a través de cuatro ángulos rectos. NC

A

B

B NO V lvula de Compuerta

C V lvula de Derivaci n

V lvula de Control de Presi n

NO V lvula de Compuerta

NO = Normalmente Abierta NC = Normalmente Cerrada

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

VALVULAS DE CONTROL PARALELAS

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


de flujo con una baja caída en la presión la válvula de apertura se abre. La mayoría de los líquidos fluyen a través de la válvula de apertura rápida, pero la caída de presión a través de toda la estación es aún controlada con exactitud por la válvula de globo de doble salida. Por eso, la configuración paralela permite exactos controles de 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 igual porcentaje. Un sistema de instrumentos electrónico detecta las presiones en la estación y automáticamente pone en funcionamiento las válvulas de control para mantenerse dentro del mínimo de presión de succión y un máximo de descarga de presión. Puntos de ajuste locales y remotos enviados por el operador a la instrumentación de control de presión hace generar una señal de un miliamperio. Esta es usada para las válvulas de control a potencia hidráulica a sus requeridas posiciones. Figura 11 Configuración de una Típica Válvula Paralela Dos transmisores de presión, uno mide presión de succión y el otro la presión de descarga, envían sus señales a dos controladores. Estas señales son comparadas a los puntos de ajuste del operador y el resultado es enviado a un circuito que alimenta la PCV. La señal alta que se envió al selector es entonces utilizada para controlar la válvula de control de presión en la estación. Válvulas de control paralelas operan sobre un rango dividido. La válvula 1 opera de 12- 20 miliamperios; está totalmente cerrada a 20 miliamperios y totalmente abierta a 12. Esta válvula tiene una característica de igual porcentaje. La válvula 2 opera de 4 -12 miliamperios y está totalmente abierta a 4 miliamperios.

Unidad de Potencia Hidráulica PCV 1

PCV 2

Igual Porcentaje

Apertura Rápida

12-20mA

4-12 mA

Abierta-Cerrada

Abierta-Cerrada

Derivación

Típicamente, el sistema de control de presión de configuración paralela 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 de una de las dos válvulas paralelas

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REPASO 4

1. La función de la válvula de control es regular la tasa de flujo de un líquido cuando la posición del tapón de la válvula es cambiada por una fuerza ejercida por el/la _______________________. a) b) c) d)

botón actuador flujo del fluido bomba

2. Las válvulas de control de presión usadas en una estación típica son válvulas de bola y estrangulación y ________________. a) b) c) d)

válvulas mariposas válvulas de bola estándar válvulas de globo de doble salida válvula de retención

3. En cada estación de bombeo, las PCVs están ubicadas en el lado de _________de la válvula. a) succión b) descarga

4. ¿Cuál tipo de servicio de válvula de control de presión tiene 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 un rango de presión menor como tambien permite la selección a control remoto de la línea principal aguas arriba ó punto de ajuste de la presión “holding”. La aplicación tiene la más alta posibilidad de cavitación debido a presiones muy bajas aguas abajo.

a) servicio de control de una estación de bombeo b) servicio de control de una bomba paralela diferencial c) servicio de control de presión de despacho o presión “holding” d) servicio de protección del manifold

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5.

El número total de válvulas usadas en configuración típica de válvula/derivación (bypass) (incluyendo la válvula de control) es __________________________. a) b) c) d)

3 4 5 6


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SECCION 5

CAVITACION, GOLPETEO Y RECUPERACION DE PRESION EN LAS VALVULAS El fenómeno físico de la cavitación y golpeteo fueron introducidos por primera vez en el módulo PRESION DE VAPOR. Esta sección describe como ocurren las cavitaciones y los destellos en las válvulas, y sugiere algunos procedimientos operativos que van a ayudar a prevenir cavitación y golpeteo en las válvulas.

Al finalizar esta sección usted va a poder completar los siguientes objetivos:

OBJETIVOS

• 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.

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La cavitación ocurre cuando burbujas de vapor producidas por una caída en la presión debajo de la presión de vapor de fluido se desintegran violentamente cuando el fluido recobra presión aguas abajo. Válvulas de control de presión tienen salidas más angostas que las tuberías. Al ser las salidas más angostas, la velocidad del líquido que pasa a través de ellas aumenta. La presión cae cuando la velocidad aumenta. Si la presión cae debajo de la presión del vapor de líquido, parte del líquido se comenzará a vaporizar, y dependiendo de las circunstancias, va a haber cavitación o golpeteo.

La válvula puede ser representada por una simple restricción en la línea. Esta no es una representación perfecta, pero nos va a ayudar a visualizar lo que sucede a la presión del líquido y la tasa de flujo cuando el líquido pasa a través de la válvula. Cuando el flujo del líquido pasa a través de la restricción, el flujo de la corriente se reduce. La mínima área de la sección transversal de flujo de la corriente, la cual ocurre a una corta distancia aguas abajo de la actual restricción en un punto llamado chorro contraído (vena contracta) (vea figura 12). Flujo de Líquido A

B

C

D

P1 P2 Alta Recuperación

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

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Antes de hablar sobre lo que sucede en el chorro contraído, nosotros tenemos 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. Energía cinética es la energía que tiene un objeto por que está en movimiento. Energía potencial es la cantidad de energía un objeto tiene por su posición (en el sentido de elevación o cabeza). • En un sistema de tuberías, cambios en velocidad corresponde a cambios en energía cinética, mientras que cambios en presión corresponde a cambios en energía potencial. • Al ser la energía cinética + la energía potencial = energía total, si la energía cinética aumenta, la energía potencial disminuye. De la misma manera, si la energía potencial aumenta, la energía cinética disminuye. Cambios en velocidad y presión corresponden a cambios en energía cinética y potencial respectivamente. Por eso, si la velocidad del flujo del líquido aumenta, hay una correspondiente reducción en presión. A la inversa, si la presión aumenta, la velocidad disminuye. En el chorro contraído, donde la sección transversal es más pequeña, la velocidad deberá ser la más rápida para mantener un tasa de flujo estable para los líquidos que fluyen a través de la restricción. Ya que aumenta la velocidad, la presión en el chorro contraído disminuye.

Figura 13 Daño Causado por Cavitación Las fuerzas creadas por las pequeñas desintegraciones de burbujas hacia adentro contra el metal durante cavitación puede alcanzar 100,000 psi. Ningún material es conocido en ingeniería que pueda resistir cavitación regular.

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Aguas abajo de la restricción, la corriente del fluido se expande a un área más grande y reduce la velocidad. A pesar que una reducción en la velocidad significa un aumento en presión, la presión de aguas abajo nunca recupera el nivel de presión que existía aguas arriba de la válvula porque la energía se pierde con turbulencia y fricción en la válvula. La presión difundida a través de la válvula es una medición de la cantidad de energía absorbida por la acción de estrangulación. Cuanto más energía se difunde en la válvula, mayor es la presión diferencial para la válvula. La diferencial de presión crítica es la diferencia entre la presión en la entrada de la válvula y la presión en el chorro contraído (vena contracta). Por el aumento en la velocidad del líquido en el chorro contraído, la presión podría caer debajo de la presión de vapor de los líquidos y se podrán formar burbujas en la corriente del flujo. Cuanto más grande el aumento en velocidad, más grande va a ser la caída en presión. El cambio entero de fase/estado líquido - vapor - líquido lo conocemos como cavitación. La violenta desintegración hacia dentro de las burbujas durante la recuperación de presión es particularmente dañina.

GOLPETEO (FLASHING)

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

El golpeteo daña la tubería y las válvulas, dejando marcas en las superficies con rayas largas y suaves que se parecen a limpieza con chorro de arena (sandblasting). Si la recuperación de la presión aguas abajo más allá de las válvulas es suficiente para causar que las burbujas violentamente se desintegren, el resultado es cavitación. Una válvula de baja recuperación, como una válvula de globo de doble salida va a tener una tendencia mayor a destellos que una válvula de alta recuperación, como la válvula de bola y estrangulación. Típicamente, en tuberías de gran diámetro, va a ser más común que haya cavitación que golpeteo. También, hay menos posibilidades que haya golpeteo con petróleo crudo y más posibilidades que ocurra con LPG.

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Figura 14 Golpeteo

lujo de Lquido

Golpeteo ocurren cuando la presión aguas abajo de la salida de la válvula se mantiene debajo de la presión de vapor del líquido y las burbujas formadas por la caída de presión a través de la válvula continúan a través de la tubería

P

1

P

2

Figura 15 Aspecto Típico del Daño Ocasionado por Golpeteo Daño de erosión al tapón de la válvula. Las áreas erosionadas se vencomo picados suaves y brillosos y se van a acumular en el punto demás alta velocidad.

Claramente el concepto de recuperación de presión juega un rol fundamental para caracterizar una válvula como apropiada. Una válvula que recupera un porcentaje significativo de la presión diferencial desde la entrada al chorro contraído es llamada válvula de alta recuperación, mientras una válvula que recupera solamente porcentaje mínimo de la presión diferencial se llama válvula de baja recuperación. La válvula de bola y de estrangulación es una válvula de alta recuperación, y la válvula de globo es una válvula de baja recuperación. La figura 16 muestra que no solamente que se debe evitar la cavitación, sino que se debe evitar también la vaporización. Eso significa que, aunque la cavitación no haya ocurrido en la válvula de baja recuperación, golpeteo tienen lugar. Las burbujas de vapor se siguen produciendo en el chorro contraído, pero ellas se mueven agua abajo sin la desintegración violenta hacia dentro causada por la presión de recuperación. En destellos, el líquido aguas abajo se mantiene parcialmente en estado de vapor.

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EVITANDO CAVITACION Y GOLPETEO

El apropiado tamaño y selección de las válvulas de control se deberá tomar en cuenta para evitar la ocurrencia de cavitación y golpeteo a través del servicio de flujo y ámbito de presión. Asimismo, hay un aumento significativo en la posibilidad de destellos y cavitación para parar o enviar aplicaciones de presión. Excesiva estrangulación causa golpeteo y cavitación. Finalmente, si el potencial de cavitación o destellos existe durante la operación normal, una o más de las acciones siguientes se deberá considerar: 1. Guarnición de válvula especial para reducir cavitación (se muestra en la figura 17). El tipo más común de control de cavitación de guarnición en el uso de una válvula de globo es un armazón perforado. P1

Presi n

P2 Pv Trim Parts

Figura 16 El Armazón para el Control de la Cavitación y su Ubicación en una Válvula de Globo Armazones para el control de cavitación consisten de uno o más secciones concéntricas de forma cilíndricas. El número de secciones o fases que se necesitan en un armazón depende de la presión de entrada y la caída de presión. Cuanto más alto sean esos valores para una determinada válvula, más fases son requeridas. Un armazón de control de cavitación con una sola fase tiene agujeros opuestos diametralmente que dirigen corrientes en fluidos en el cual hay cavitación al centro donde ellas hacen impacto la una contra la otra. De esta manera se evita que las burbujas de vapor se precipiten contra las 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 en cada etapa. Esto evita que la presión del líquido caiga debajo del punto de vaporización en cada fase, eliminando completamente cavitación y golpeteo dentro de la válvula.

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3. Agregando un segundo reductor de presión en serie con la válvula para limitar la caída de presión y reducir el potencial de cavitación. El otro aparato puede ser otra válvula, tubería reducida, o una guarnición de válvula de control especial para reducir cavitación. Cuanto más grande es la válvula de control, más se deberá cerrar para crear una caída adecuada en la presión. Una válvula de tamaño más grande del requerido deberá ser controlando frecuentemente en una posición casi totalmente cerrada. Esto resulta en una reducción en la estabilidad, posibilidad de cavitación y aumento de ruido. Vibración excesiva a través una válvula de control en la línea principal debido a cavitación puede dañar la válvula y el actuador, y puede causar que la válvula se cierre. Para evitar cavitaciones, nunca se deberá hacer que las PVCs estrangulen continuamente más del 70% de la presión de entrada en unidades individuales. La presión de aguas abajo deberá siempre ser mayor que el 30% de la presión de entrada de la válvula. Si cavitación o destellos ocurren en una válvula que controla el flujo a los medidores, la medición va a ser inexacta.

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REPASO 5

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 restricción c) la cantidad de energía que tiene un objeto debido a su posición d) la cantidad de presión del chorro contraído

2. Si la velocidad del flujo del líquido aumenta, la presión __________. a) b) c) d)

aumenta disminuye fluctúa no es afectada

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

4. ¿Cuál de las siguientes estrategias no es usada para corregir la cavitación? a) disminuir la tasa de flujo de aguas abajo, transfiriendo parte de la estrangulación a la PVC en la próxima estación de aguas abajo. 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.


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SECCION 1 - TAMAÑO Y SELECCION DE VALVULAS •

Cuando se eligen las válvulas para una tubería, se debe tomar en consideración la densidad del líquido planeada, la viscosidad y presión de vapor, juntamente con las temperaturas extremas de operación.

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

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El coeficiente de tamaño de válvula (Cv) es un número equivalente al número de galones (E.U.) de agua que van a fluir a través de una válvula cuando la presión diferencial a través de la válvula es 1 psi y la temperatura esta a 60°F (15.6°C). El Cv varía con el tamaño y tipo de válvula, y proporciona un índice conveniente para comparar capacidades de válvulas diferentes en condiciones estándar. El Cv tiene que ser corregido para líquidos de alta viscosidad.

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La válvula de flujo con apertura rápida proporciona el aumento máximo en el tasa de flujo cuando la válvula comienza a abrirse. La válvula lineal ofrece un cambio constante en el tasa de flujo a través de la válvula durante todo el recorrido. La válvula de igual porcentaje ofrece la máxima reducción en la tasa de flujo cuando la válvula comienza a cerrarse.

RESUMEN

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 presión pueden ser dejadas parcialmente abiertas en condiciones normales de operación. PCVs regulan la presión por medio de cambios en la medida de la apertura por la cual los líquidos se desplazan.

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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 y mantiene la posición de las PVCs.

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Un amplio cambio en los puntos de ajuste enviado a un actuador que esta no sintonizado o defectuoso puede causar que la válvula oscile al tratar de alcanzar muy rápido el punto de ajuste. Esto resulta en perturbaciones de flujo y presión a lo largo de la línea.

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

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Todas las PVC tienen actuadores manuales, lo que hace posible de operarlas 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 de control de presión son usadas para:

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control de presión en una estación de bombeo.

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control del diferencial de presión de la bomba paralela.

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control del diferencial de presión para parar o enviar.

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medidor múltiple de presión en contra o calibradores de control del flujo.

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Cada PCV es instalada en combinación con válvula de derivación totalmente aislada.

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

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

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El cambio entero de la fase/estado líquido - vapor - líquido lo conocemos por cavitación. Es la desintegración violenta de las burbujas durante la recuperación de presión y es particularmente dañino.

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Para evitar cavitación nunca se deberá hacer que las PVC estrangulen continuamente más del 70% de la presión de entrada en unidades individuales.


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

GLOSARIO

característica de flujo de la válvula es la relación que existe entre el flujo de la válvula y recorridos de la misma a medida que el recorrido varía desde cero hasta 100%. (p.15) característica de válvula de apertura rápida flujo característico que provee el mayor cambio en tasa de flujo a medida que la válvula comienza a abrirse. Se utiliza para abrir y cerrar en casos donde el flujo debe ser establecido rápidamente cuando la válvula comienza a abrirse (p.8). cavitación proceso que ocurre cuando burbujas de vapor producidas por una gota con presión por debajo de la presión de vapor del fluido, violentamente se desintegran cuando el fluido recupera su presión aguas abajo. (p.36) chorro contraído (vena contracta) es la mínima area de la sección transversal del flujo de la corriente la cual 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 la presión diferencial a través de la misma es una libra por pulgada cuadrada. Cv varía con el tamaño y el tipo de válvula, pero da un índice para comparar la capacidad para líquidos de distintas válvulas bajo condiciones estándar. (p.6) golpeteo (Flashing) proceso que comienza con una baja de presión, la cual ocasiona que se formen burbujas en el líquido. Para que un destello ocurra, la presión en la salida de la válvula debe permanecer por debajo de la presión de vapor del líquido y las burbujas se mantienen en el sistema aguas abajo. (p.38) presión crítica diferencial diferencia entre la presión en la entrada de la válvula y la presión en el chorro contraído (vena contracta). (p.38)

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sello componente de una válvula, usualmente fabricado de un material elástico que permite que las partes de cierre de la válvula estén ajustadas contra los asientos. Se utiliza para prevenir fugas en las válvulas. (p.17) válvula de bola y de estrangulación la válvula PCV tiene una esfera parcial con paso de flujo del fluido en forma de V. Esta es una válvula PCV de alta recuperación. (p.18) válvula de control de alta recuperación de presión válvula que recupera un porcentaje significativo de la presión diferencial desde la entrada hasta el chorro contraído. (p.39) válvula de control de baja recuperación de presión válvula que recupera solamente un porcentaje mínimo de la presión diferencial desde la entrada hasta el chorro contraído. (p.39) válvula de control de presión válvula que regula presiones en las estaciones de la bomba principal, limitando el flujo por medio de una bola o tapón, colocado por un actuador electrohidráulico. (p.28) válvula de globo válvula que abre o cierra cuando un tapón unido al vástago se mueve linealmente en una cavidad esférica o en forma de globo. (p.15) válvulas de globo de doble salida son válvulas arregladas de tal manera que el flujo se separa entre los orificios del tapón. (p.16) válvula de igual porcentaje. válvula que provee la disminución máxima en la tasa de flujo cuando la válvula comienza a abrirse. (p.9) válvula lineal válvula que provee el mismo cambio en la tasa de flujo a través de su recorrido total. (p.8) válvula mariposa es una válvula con disco relativamente plano y rotatorio instalado sobre un rodamiento que le permite rotar su línea central. (p.16)

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Valvulas de Control de Presion

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