Com triar una vàlvula de bola per reduir emissions

Les emissions fugitives es defineixen de maneres diverses i poden referir-se a una àmplia gamma d'emissions que no es limiten a xemeneies o venteos, sinó que inclouen emissions procedents de la manipulació i processament de matèries primeres, pols i altres processos industrials.

Respecte a les emissions en general, i les emissions fugitives en particular, la tendència és cap a regulacions més estrictes i més control. Les emissions fugitives estaran en l'avantguarda a mesura que els legisladors intenten imposar el proper nivell de normes regulatòries, especialment en el que concerneix als compostos orgànics volàtils molt reactius (HRVOC).

No totes les fugides es consideren emissions fugitives. Les fugides poden ser internes o externes. En el cas d'una vàlvula de bola, una fugida interna significa una fugida a través del seient, d'aigües a dalt a aigües a baix. Mentre la vàlvula no ventee a l'atmosfera, una fugida interna no es consideraria una emissió fugitiva. Per contra, una fugida externa significa una fugida des de l'interior de la vàlvula al medi ambient, per exemple, a través del plançó o del tancament del cos. Mentre les fugides suposen un perill per al medi ambient, són emissions fugitives.

Segons un article de la publicació Sealing Technology, les emissions fugitives a tot el món sumen més d'un milió de tones mètriques per any. En un estudi recent, dut a terme per l'Associació Europea de Tancaments, les emissions de fugides en vàlvules, bombes i bridas en les plantes d'EUA són responsables de pèrdues benvolgudes en 300.000 tones per any només en la indústria química i petroquímica. El mateix estudi indica que un terç de totes les emissions són emissions fugitives, i la meitat d'elles provenen de vàlvules.

Les fugides externes de ràcords, vàlvules i altres components de sistemes de fluids poden convertir-se a mesura que transcorre l'any en pèrdues financeres quantioses. Per exemple, per a una planta amb 50.000 ràcords, el cost mitjana anual a causa de fugides s'estima en més de 25.000 dòlars. Aquests exemples advoquen per un enfocament de cost total en el disseny, selecció de producte i manteniment de sistemes de fluids.

En est articulo, ens centrarem en fugides de components individuals, particularment de fugides en vàlvules de bola, un tipus de vàlvula àmpliament usat i que permet tancaments efectius i de gran capacitat de cabal en moltes indústries, com la química, petroquímica, exploració de petroli i gas, energia i combustibles alternatius.

Per controlar les emissions fugitives en vàlvules de bola, és crític seleccionar la vàlvula correcta per a l'aplicació. Cal començar amb una informació adequada sobre l'aplicació: rangs de pressió i temperatura, neteja del mitjà, freqüència de ciclado, freqüència desitjada de manteniment, màxim cabal de fugida admissible, requisits de cabal i possible contaminació. Després, cal triar la tecnologia més adequada als paràmetres de treball, prestant l'atenció deguda a característiques de disseny i funcionament així com a la compatibilitat de materials. Aquest article no pot cobrir tots els tipus de vàlvules de bola, sinó que ens centrarem en dues característiques de disseny que són especialment importants en el control d'emissions i en el cost total de propietat: el disseny del tancament del cos i el disseny del tancament del plançó.

Els dos sistemes més comuns de tancament del cos són el de tipus roscat i mitjançant brida. Mentre que el tipus roscat és un tancament més resistent i permet pressions de servei més altes, el tancament mitjançant brida permet un manteniment més fàcil i ràpid amb la vàlvula en línia, la qual cosa és un avantatge important.

El tipus roscat consisteix en un o dos terminals roscats que es roscan en el cos de la vàlvula després d'haver introduït la bola i el tancament del seient. L'àrea de tancament del terminal roscat és relativament petita i per aquesta raó és un tancament molt eficient, permetent estanqueïtat fins a pressions de 689 o 1.378 bar (10.000 o 20.000 psig). A més, la naturalesa d'aquest disseny permet al fabricador oferir una gamma àmplia de connexions finals.

En les vàlvules que empren el tancament tipus brida, el cos de la vàlvula consisteix de tres parts que s'uneixen mitjançant bridas, juntes i perns (Figura 1). Ja que l'àrea de tancament en aquests components és major, aquest disseny implica normalment pressions de servei més baixes. Com les bridas tanquen mitjançant junta, hi ha menys restriccions geomètriques en el material de tancament, amb el que tenim una gamma més àmplia de materials disponibles.

El material de tancament estàndard del fabricant no és sempre la millor opció. Els dissenyadors del sistema han de tenir especial cura a investigar la compatibilitat del material de tancament amb les condicions de treball del seu sistema, considerant totes les opcions com a material de juntes, diferents tipus de juntes tóricas o empaquetaduras de Grafoil que poden aportar un disseny de vàlvula més robust. Els perns del tancament bridado haurien de ser d'un material de qualitat, com a acer inoxidable 316 de gra endurit, per assegurar que es manté una força de tancament adequada.

Més enllà dels materials de tancament, un avantatge del tipus bridado és la facilitat de manteniment. Quan es retiren els perns, el cos de la vàlvula es pot abatre, la qual cosa facilita el manteniment i evita haver de desmuntar la vàlvula del sistema per tenir accés als tancaments del seient i del cos. A mesura que les normatives sobre emissions es fan més estrictes, la facilitat de manteniment i reparació es converteixen en factors més importants.

Les fugides poden donar-se no només a través dels punts de tancament, sinó a través dels materials del cos, com els de cos fos. En especificar una vàlvula, el dissenyador hauria de preguntar-se sobre la integritat del material del cos, com ha estat inspeccionat, si és de fosa o mecanitzat. Quines especificacions de metall exigeix el fabricant? Quins controls de qualitat té implantats? Un Certificat d'Assaig de Materials (CMTR) proporciona moltes respostes a les preguntes més crítiques sobre la qualitat del material del cos.

En una vàlvula de bola, ha d'haver-hi un mitjà d'assegurar que el fluid del sistema, sigui líquid o gas, no escapoleix entre el plançó i el cos. Aquesta és la funció del tancament del plançó. Si hi ha un ciclado suficientment freqüent, tots els tancaments del plançó acabaran desgastant-se, i aquest desgast provocarà una fugida. No obstant això, alguns tancaments són més efectius que uns altres per a certes aplicacions. Segons l'aplicació hauria de prendre's una decisió deliberada quant al tipus de plançó.

La tecnologia més bàsica i primitiva és la que aporta una junta d'una sola peça que envolta al plançó. Quan s'estreny la rosca de l'empaquetadura cap avall, la junta, normalment de politetrafluoroetileno (PTFE) es comprimeix, emplenant els espais que hi ha entre el plançó i la carcassa del cos.

Desgraciadament, el PTFE i altres materials d'empaquetadura similars poden arribar a fluir (cold flow o tendència de certs materials a canviar la seva forma en el temps). Aquesta circumstància pot agreujar-se amb la pressió o la temperatura. En alguns casos, el material pot arribar a extrudir en àrees en les quals no estava previst, minant la seva efectivitat i causant la fugida del fluid del sistema.

Per compensar aquesta extrusió en fred, pot ser necessari estrènyer la rosca de l'empaquetadura més sovint per augmentar la força de compressió en el tancament del plançó, sobretot si la pressió o temperatura canvien o a mesura que se cicla la vàlvula. Aquest estrenyi addicional augmenta la pressió contra el plançó, elevant el parell d'actuació de la vàlvula —mano més dur. Fins i tot pot ser que la rosca del plançó faci fons sobre el cos de la vàlvula, punt en el qual ha de canviar-se l'empaquetadura.

Aquesta tecnologia tan bàsica requereix freqüents inspeccions i ajustos; si no, hi haurà fugida. A més, per a un operador no expert, no sempre és clar quan cal ajustar l'empaquetadura.

Per reduir el risc d'emissions fugitives, el disseny d'empaquetadura d'una sola peça hauria de reservar-se per a aplicacions on els canvis de temperatura o pressió són mínims, el ciclado és limitat, o on hi haurà una inspecció freqüent i regular.

Una empaquetadura de dues peces tipus Chevron és una millora respecte del disseny d'una sola peça, i permet rangs de pressió o temperatura més amplis així com una actuació regular sense un excessiu desgast.

Una empaquetadura tipus Chevron consisteix en dues juntes encaixades, una dins de l'altra. La secció transversal de les dues juntes té forma triangular. Però unides, les dues juntes formen una secció rectangular (veure Figura 2). A mesura que la rosca de l'empaquetadura del plançó transmet la seva força, les dues juntes s'empenyen una a l'altra en la diagonal on s'ajunten, la qual cosa transmet la força horitzontal i uniformement contra el plançó i la carcassa del cos. Amb una pressió mínima de la rosca de l'empaquetadura, es crea un tancament entre el plançó i el cos.

Perquè el tancament Chevron segelli correctament, les dues juntes de PTFE han de mantenir-se en el seu lloc sense extruir durant els possibles ciclados tèrmics. L'empaquetadura Chevron ha de, per tant, estar ben continguda i suportada pels discos de suport, que distribueixen la pressió uniformement a l'empaquetadura.

Per reduir la necessitat d'inspecció i ajustos, el tancament Chevron ha d'incloure també uns discos Belleville, que actuen com a molls que creen una força constant sobre l'empaquetadura. Aquesta força constant permet una pressió uniforme sobre l'empaquetadura encara que hi hagi canvis en la pressió o temperatura. Aquests molls proporcionen una força permanent contra el tancament i el cos per assegurar la correcta quantitat de força de tancament. A altes temperatures, els molls es comprimeixen i deixen espai perquè l'empaquetadura s'expandeixi. A temperatures baixes, els molls es dilaten i mantenen la correcta pressió sobre l'empaquetadura. Aquest sistema d'empaquetadura autocompensante permet al Chevron mantenir sempre una pressió constant a partir de la força exercida pels molls. Com a resultat, s'obté una actuació suau i un mínim desgast de l'empaquetadura. Sense els molls, l'empaquetadura hauria d'expandir-se i contreure's en un espai relativament fix. Quan es dilatés a altes temperatures, la càrrega en el plançó augmentaria i podria extruir. El resultat seria un desgast més alt i actuació més dura.

Alguns dissenys de vàlvules poden permetre que la pressió del sistema empenyi el plançó cap amunt, i un mecanisme autocompensante compensa aquest moviment, així com la dilatació i contracció de l'empaquetadura, assegurant la pressió constant.

Les vàlvules amb tancament d'una sola peça poden tenir molls i pretendre ser autocompensantes, però no són efectives. Els molls poden permetre contreure's o expandir-se a l'empaquetadura de PTFE fins a cert punt, però sense el disseny Chevron no poden assegurar una força constant sobre el plançó. Per definició, una vàlvula amb tancament d'una sola peça requereix una força del moll sobre l'empaquetadura molt elevada, el bastant perquè pugui deformar-la cap a fora i crear un tancament. Amb actuacions repetides, el desgast de l'empaquetadura és considerable. El desgast comportarà canviar sovint l'empaquetadura i pot ocasionar fugides.

Una altra tecnologia eficient de tancament és la junta tórica. Quan està dissenyada correctament, aquesta tecnologia ofereix flexibilitat per a aplicacions que requereixin alta, baixa o rangs amplis de pressió, per exemple, en un cilindre pren de mostra, en el qual la pressió pot caure des dels 158,5 bar (2.300 psig) quan està ple, als 6,9 bar (100 psig) quan estigui gairebé buit.

La junta tórica està normalment feta d'un material molt elàstic, com fluorocarbono FKM. Com la junta Chevron de dues peces, el disseny de junta tórica no requereix de molta pressió de la rosca d'empaquetadura; al contrari, la pròpia pressió del sistema transfereix energia a la junta tórica, ja que quan la pressió augmenta, la junta es deforma i augmenta la seva pressió sobre el plançó. A l'inrevés, quan la pressió del gas disminueix, la junta es relaxa, omplint els espais entre el plançó i el cos. Gràcies a la seva elasticitat, la secció transversal de la junta tórica es deforma i reforma per crear el tancament.

Un disseny adequat de plançó amb configuració de junta tórica precisa d'una junta de suport o un altre mecanisme, normalment fabricant amb PTFE, que contindrà la junta sota alta pressió. Aquesta junta de suport està dissenyada per reduir l'extrusió de la junta tórica i mantenir-la continguda. Si es permetés extruir a la junta més enllà dels seus límits, es trencaria durant l'actuació de la vàlvula. Aquesta extrusió excessiva podria provocar fugides i dificultar l'actuació.

El disseny de junta tórica és molt eficaç a altes pressions. Quant a la temperatura, pressió o atac químic, el disseny està limitat per les especificacions de l'elastòmer. L'usuari ha d'assegurar-se de la compatibilitat química entre el fluid del sistema i l'elastòmer.

Més enllà dels problemes relatius al disseny del tancament del plançó, hi ha altres causes de fugides en el plançó. Tenen a veure amb l'alineació del plançó. Si per qualsevol raó la manxa fos empesa o forçat lateralment, podria donar-se un desgast desigual en el tancament del plançó, causant fugides. Hi ha dues causes bàsiques de desalineació.

En el primer cas, pot ser conseqüència d'una instal·lació incorrecta de l'actuador. Si l'eix de l'actuador pneumàtic i l'eix del plançó no estan correctament alineats, el plançó quedarà descentrat, causant un desgast no uniforme del tancament.

En el segon cas, un seient desgastat a l'interior de la vàlvula pot causar aquest desplaçament del plançó. Per entendre aquest fet, devem primer repassar l'anatomia bàsica de les vàlvules de bola. Aquestes vàlvules poden usar un disseny de bola flotant o un disseny de trunnion.

En el disseny de bola flotant, la bola no està fixa dins del cos sinó que sura entre dos seients. En la posició tancada (Figura 3), la bola tanca contra el seient en el costat de baixa pressió, empesa aigües a baix per una pressió diferencial positiva.

Per contra, el disseny trunnion empra una bola també, però la seva geometria conté dos cilindres —aquesta figura geomètrica rep el nom de trunnion— fixats a la bola en la seva part superior i inferior (Figura 4). Aquest component està allotjat a l'interior de la vàlvula i no pot desplaçar-se en el sentit del cabal (no sura). Quan la bola gira cap a les posicions de tancat o obert, gira solidàriament amb els trunnions, que queden subjectes mitjançant casquillos i rodaments.

En el cas de pressions diferencials molt altes a través del seient, una bola flotant és empesa aigües a baix… amb massa força. Si no hi ha un disseny de seient avançat —com un seient compensat amb molls, amb junta i moll en cada costat—, és possible que la bola no torni a la seva posició central. En conseqüència, el plançó queda desplaçat lateralment i, amb el temps, provocarà un desgast desigual del tancament del plançó.

El disseny trunnion evita un desplaçament excessiu de la bola aigües a baix. Els trunnions, que es mantenen en el seu lloc, mantenen la bola centrada i el plançó alineat correctament. Fins i tot amb un cop d'ariet, en el qual un fluid no comprimible com l'aigua produeix una pujada brusca de pressió, el trunnion romandrà centrat.

L'objectiu d'aquest article no és advocar per un disseny o un altre, per un disseny de bola flotant o trunnion, per exemple. Cada disseny té la seva aplicació adequada. Aquest article intenta mostrar que els diferents dissenys tenen els seus punts forts i aquests tenen un efecte directe sobre les emissions fugitives. En triar una vàlvula, el dissenyador del sistema ha de considerar la compatibilitat de materials, pressions, temperatures, freqüència d'inspecció i ajustos desitjada, i freqüència d'actuació. A més, quan el cost és un factor determinant per seleccionar una vàlvula, el dissenyador del sistema ha de conèixer els inconvenients que pot estar introduint en el sistema. El cost real d'una vàlvula no és el preu de compra sinó el seu cost total de propietat. Amb costos de matèria primera a l'alça i amb sancions més severes per incompliments mediambientals, han de considerar-se tots els costos directes i indirectes associats amb el manteniment, fallada i recanvi.