Ligar el tipo de válvula a su función: un tutorial en selección de válvulas

La mayoría de las válvulas cumplen una de las cinco funciones básicas: cierre, control de caudal, control direccional, protección contra sobrepresión o protección contra exceso de caudal. Ligar el tipo de válvula a su función es el primer y más importante paso en el proceso de selección. Y no es extraño ver en campo válvulas incorrectamente usadas, como el ejemplo frecuente de válvulas de bola usadas para regular o estrangular caudal. En algunos casos, el error puede ser peligroso, como por ejemplo usar una válvula de bola en un sistema de oxígeno de alta presión: una fuente de ignición, junto con la súbita irrupción de oxígeno provocada por la rápida apertura de la válvula, puede causar un incendio.

Figura 1: Válvula de bola.

Lo que sigue a continuación es un tutorial que repasa los tipos básicos de válvulas, cómo trabajan, qué funciones realizan, y qué debemos considerar cuando seleccionamos una u otra. Si alguna vez ha tenido dudas al respecto, o simplemente necesita darle un repaso, siga leyendo.

Abrir y cerrar es la función más básica de una válvula: deben parar y reanudar el flujo del fluido del sistema. Las válvulas básicas de apertura y cierre son las válvulas de bola, compuerta, diafragma y fuelle.

Las válvulas de bola (ver Figura 1) son quizá el tipo más común, y están diseñadas para control de apertura y cierre. Una actuación de un cuarto de vuelta del mando inicia o para el flujo orientando la posición de una bola metálica en un paso de caudal recto. La bola tiene un orificio a través de su centro que, cuando se alinea con el paso de caudal, permite el flujo; cuando se gira 90º respecto al paso de caudal, para el flujo. Si lo que necesita es una válvula de apertura y cierre, de actuación rápida y alta capacidad de caudal, la válvula de bola es una gran opción. La posición del mando nos da una indicación del estado abierto o cerrado de la válvula. Y si se busca seguridad, las válvulas de bola son fácilmente consignables (bloqueables con candado) e identificables con una etiqueta. Son también las más prácticas y económicas en tamaños entre 6 y 50 mm (1/4 pulg. a 2 pulg.).

Típicamente usadas para control de proceso más que para aplicaciones de instrumentación, las válvulas de compuerta son normalmente elegidas para abrir y cerrar líneas por encima de las 2 pulg. También son frecuentemente usadas como la válvula raíz de la línea en instrumentación de proceso, a menudo en una configuración de doble cierre y venteo. Son un diseño antiguo de válvula, típicamente especificadas en aplicaciones de industria general, como por ejemplo en líneas de transmisión o de proceso. Pueden llegar a tamaños superiores a las 100 pulg. (2.540 mm). A través de múltiples giros del mando, se eleva o desciende un mecanismo de cierre en un paso de caudal recto. Ofrece un cierre gradual.

En una válvula, la empaquetadura es el elemento que posibilita el cierre al exterior, rodeando al vástago y evitando que el fluido del sistema escape a la atmósfera por entre el vástago y el cuerpo de la válvula. Las válvulas que cierran a la atmósfera con cierres metal-metal son denominadas ‘válvulas sin empaquetadura’, porque no tienen el típico material blando de empaquetadura, como por ejemplo plásticos y juntas planas o tóricas que se encuentran en otros diseños. El vástago de la válvula es el componente cilíndrico que une el mando (o actuador) con el mecanismo interno de cierre, control de caudal o control direccional. Normalmente, el vástago gira deslizándose verticalmente.

El cierre del vástago o empaquetadura está sujeto a desgaste, lo cual puede ser causa de fugas. Las válvulas con empaquetadura tienen que mantenerse o ser sustituidas cada cierto tiempo, aunque es cierto que algunos diseños de empaquetadura consiguen cierres más efectivos y duraderos que otros, como por ejemplo el diseño ‘chevron’ en dos piezas.

Figura 2: Válvula de diafragma.

Al contrario que las válvulas con empaquetadura, las válvulas de diafragma (ver Figura 2) no tienen empaquetadura, y proporcionan una velocidad de actuación rápida y precisa. En algunos casos, también pueden conseguir entregar cantidades exactas de fluido de proceso. Las válvulas de diafragma se emplean típicamente en aplicaciones de alta pureza, en la industria de biofarmacia y la del semiconductor. Entre todos los tipos de válvulas, son las que ofrecen la vida de ciclado más larga, gracias a su diseño: cada válvula contiene un delgado diafragma metálico o plástico, que flexiona arriba y abajo creando un cierre estanco a la salida de la válvula. Aunque robusta suele ser de pequeño tamaño, con un orificio o paso interno no superior a 50 mm (2 pulg.)

Al igual que las de diafragma, las válvulas de fuelle no tienen empaquetadura, lo que las convierte en una buena elección cuando el cierre a la atmósfera es crítico y son poco accesibles para mantenimiento. Es una válvula típica en áreas de contención en la industria nuclear. Un sello soldado separa la mitad inferior de la válvula, donde circula el fluido del sistema, de la parte superior, donde se realiza la actuación. El vástago, totalmente confinado dentro del fuelle metálico, se desplaza verticalmente sin girar, creando el cierre a la salida.

Las válvulas de fuelle y diafragma tienen un paso de caudal comúnmente denominado de globo. En las válvulas de globo, el fluido no fluye en un solo plano como en las válvulas de bola. El fluido entra en la válvula por debajo del asiento y sale por encima del asiento. Las válvulas de globo tienen coeficientes de caudal más bajos que las válvulas de paso recto, para un mismo diámetro de orificio de paso.

Las válvulas de control de caudal (o regulación) permiten al operador aumentar o disminuir el caudal del sistema girando el mando de la válvula. Se puede ajustar el caudal al valor deseado, y la válvula mantendrá ese caudal con fiabilidad. Algunas válvulas de control de caudal también ofrecen posibilidades de cierre, pero se necesitarán muchos giros del mando para llevar la válvula de una posición totalmente abierta a posición cerrada.

Las válvulas más habituales de control de caudal son las válvulas de aguja, micro-regulación, macho cilíndrico y macho cónico.

Figura 3: Válvula de aguja.

Las válvulas de aguja (ver Figura 3) ofrecen un excelente control de caudal y, según su diseño, también pueden proporcionar posibilidad de cierre estanco. Tienen un largo vástago con un obturador de geometría cuidadosamente diseñada (en forma de ‘v’ o aguja) que encaja con precisión en un asiento sobre la salida. El vástago tiene una rosca de paso muy fino, lo que permite un control de caudal muy preciso. La empaquetadura del vástago es la responsable del cierre a la atmósfera.

Algunos diseños tienen un cierre metal-metal, lo que los hace apropiados para aplicaciones de alta temperatura. Como se ha dicho anteriormente, la capacidad de caudal está limitada por el paso en forma de globo. Por eso las válvulas de aguja son más recomendables para aplicaciones de fluidos ligeros, no viscosos.

Para la mayor precisión de control de caudal, tenemos las válvulas de regulación fina o micro-regulación, típicas en ambientes de laboratorio. Son un tipo de válvula de aguja con un largo y fino vástago que se aloja en un prologado y estrecho asiento. Esta geometría le da un diseño de globo muy pronunciado, ideal para conseguir cambios de caudal muy precisos. Algunas válvulas de regulación fina no pueden usarse para cerrar.

Las válvulas de macho cilíndrico de cuarto de vuelta son válvulas para servicio general, normalmente de precio más económico. La actuación de cuarto de vuelta gira un macho cilíndrico en el interior de un paso de caudal recto. El macho cilíndrico tiene un orificio a través del cual se produce el flujo. Normalmente se usan en aplicaciones de baja presión que requieren una regulación basta o estrangulamiento del caudal, además de cierre.

Otro tipo de válvula de macho es la válvula de macho cónico. Como una válvula de aguja, el macho cónico se introduce en un orificio para reducir el caudal. Pero en lugar de tener un diseño de globo, el paso de caudal es recto. Esta característica hace que no tenga una capacidad de control de caudal tan precisa, pero por el contrario la hace baquetable, muy apropiado para aplicaciones donde el fluido del sistema puede obstruir el paso de caudal.

Un tercer tipo de válvulas direcciona el flujo del caudal. Las válvulas de retención o anti-retorno (ver Figura 4), aseguran el caudal en un solo sentido. En la mayoría de diseños, la fuerza del fluido aguas arriba empuja un obturador actuado por muelle, permitiendo el paso del caudal. Si aumenta la contrapresión aguas abajo, el obturador apoyado por el muelle vuelve a cerrar contra el asiento, evitando el flujo hacia atrás. Las válvulas de retención están disponibles con presiones de disparo fijas o ajustables.

Figura 4: Válvula de retención o anti-retorno.

Algunas válvulas de bola y diafragma están disponibles con múltiples puertas de conexión. La mayoría de válvulas multi-puerta tienen una entrada común y varias salidas, y pueden tener o no una posición central cerrada (ver Figura 5).

Las válvulas de esta categoría evitan la acumulación de presión más allá de un cierto valor de disparo, y hay diferentes tipos.

Las válvulas de alivio de presión proporcional (ver Figura 6) ventean a la atmósfera cuando la presión del sistema supera un valor de ajuste tarado por el operador. El obturador actuado por muelle permite aliviar el fluido proporcionalmente a medida que va aumentando la presión, cerrando cuando la presión vuelve a un valor inferior al de ajuste.

Figura 6: Válvula de alivio de presión proporcional.

Las válvulas de seguridad están diseñadas para abrir rápidamente, liberando gran cantidad de fluido del sistema. Debido a su función crítica de seguridad, son un requerimiento por código en algunas aplicaciones. No deben confundirse las válvulas de alivio o seguridad con las válvulas de retención, ya que son tres funciones muy diferentes.

Los discos de ruptura se usan principalmente para proteger cilindros de toma de muestra de un accidente de sobrepresión que pudiera darse, por ejemplo, en caso de aumento de temperatura durante el transporte de la muestra. De manera similar a las válvulas de alivio, los discos de ruptura ventean a la atmósfera. Un diafragma metálico revienta cuando la presión alcanza cierto valor fijado por el fabricante del disco. Una vez ha actuado, el disco de ruptura tiene que ser reemplazado. Las normativas de equipos de presión transportables exigen que los cilindros o botellas con gas a presión estén protegidos con un elemento de alivio de presión. El disco de ruptura es una opción económica para esta función.

Las válvulas de exceso de caudal evitan emisiones incontroladas de fluido del sistema en caso de roturas de líneas aguas abajo. En condiciones normales, un muelle mantiene el obturador en posición totalmente abierta. Pero si se da un exceso de caudal aguas abajo, el obturador se desplaza a posición cerrada, deteniendo casi todo el flujo. Cuando el sistema se repara, ese pequeño paso de caudal devuelve la válvula a su posición abierta, de manera automática. Están disponibles con diferentes rangos de caudal de cierre.

Una vez hemos ligado el tipo de válvula a su función, ya hemos avanzado mucho en el proceso de selección de una válvula. Sin embargo, todavía nos quedan muchos detalles. Habrá que prestar atención cuidadosa a cada uno de los siguientes apartados, si no se ha hecho antes:

• Aspectos de instalación, accesibilidad y programas de mantenimiento
• Requerimientos de códigos y seguridad
• Parámetros del sistema, tales como la presión, temperatura, caudal y fluido del sistema

Finalmente, habrá que determinar:

• Tamaño de la válvula y tipo de actuación
• Materiales de construcción, incluyendo materiales de cierre y juntas tóricas, que deben ser compatibles con la composición química del fluido del sistema, presión y temperatura.

Consejos útiles

Conocer la aplicación: al seleccionar una válvula, debemos tener a mano información tal como la composición química del fluido del sistema y los rangos completos de presión y temperatura a los que estará sujeta la válvula durante su vida de servicio. Hay que estar seguros de que nuestra opción puede trabajar con estos parámetros. Y no hay que jugársela con aproximaciones, vale la pena consultar la información del producto.

Comprobar la compatibilidad de los materiales: es posible tener la válvula correcta pero con materiales de construcción incorrectos. Las válvulas vienen normalmente con unos materiales estándar, pero suelen haber alternativas. Debemos comprobar en el catálogo del producto los rangos de presión y temperatura, así como la compatibilidad química con diferentes fluidos de sistema. En caso de duda, hay que consultar al representante del fabricante.

Conocer los programas de mantenimiento: válvulas diferentes pueden tener programas de mantenimiento distintos, y los parámetros del sistema, incluyendo el número de veces que la válvula es actuada, influirán en este programa. Este punto, aunque obvio, pasa a menudo inadvertido. ¿Estamos dispuestos a mantener cada 20 días una válvula que está situada a 30 metros de altura?

Conocer la caída de presión: una válvula produce una caída de presión en el sistema. Necesitamos conocer las pérdidas de carga acumuladas, ya que de otro modo podemos acabar con una presión insuficiente en un determinado punto de la línea. Cada válvula tiene un coeficiente de caudal (Cv), que describe la relación entre la pérdida de carga a través del orificio de paso y un determinado caudal. A mayor Cv, menor pérdida de carga. Una válvula de bola y una válvula de aguja del mismo diámetro producirán caídas de presión muy diferentes: la válvula de bola provoca muy poca pérdida de carga, mientras que la de aguja (o cualquier válvula de globo) producirá una caída de presión muy significativa.

Coste total de propiedad: el coste real de una válvula no es el precio de adquisición. El coste real es el precio de compra más el coste de posesión, mantenimiento y recambio al cabo del tiempo. Para calcular el coste total de propiedad, hay que conocer cuánto tiempo operará la válvula en nuestro sistema particular, entre comprobaciones de mantenimiento. Los costes de mantenimiento no sólo deben incluir las piezas de recambio, sino también los tiempos de mano de obra y parada. Algunas válvulas pueden ser mantenidas en campo, pero otras deben retirarse de la línea. Además hay que considerar también la posibilidad de reparaciones no previstas y tiempos de parada inesperados.

Válvulas de cierre

Válvulas de control de caudal