Lligar el tipus de vàlvula a la seva funció: un tutorial en selecció de vàlvules

La majoria de les vàlvules compleixen una de les cinc funcions bàsiques: tancament, control de cabal, control direccional, protecció contra sobrepressió o protecció contra excés de cabal. Lligar el tipus de vàlvula a la seva funció és el primer i més important pas en el procés de selecció. I no és estrany veure en camp vàlvules incorrectament usades, com l'exemple freqüent de vàlvules de bola usades per regular o escanyar cabal. En alguns casos, l'error pot ser perillós, com per exemple usar una vàlvula de bola en un sistema d'oxigen d'alta pressió: una font d'ignició, juntament amb la sobtada irrupció d'oxigen provocada per la ràpida obertura de la vàlvula, pot causar un incendi.

Figura 1: Vàlvula de bola.

El que segueix a continuació és un tutorial que repassa els tipus bàsics de vàlvules, com treballen, quines funcions realitzen, i què hem de considerar quan seleccionem una o una altra. Si alguna vegada ha tingut dubtes sobre aquest tema, o simplement necessita donar-li un repàs, segueixi llegint.

Obrir i tancar és la funció més bàsica d'una vàlvula: han de parar i reprendre el flux del fluid del sistema. Les vàlvules bàsiques d'obertura i tancament són les vàlvules de bola, comporta, diafragma i manxa.

Les vàlvules de bola (veure Figura 1) són potser el tipus més comú, i estan dissenyades per a control d'obertura i tancament. Una actuació d'una cambra de tornada del comandament inicia o per al flux orientant la posició d'una bola metàl·lica en un pas de cabal recte. La bola té un orifici a través del seu centre que, quan s'alinea amb el pas de cabal, permet el flux; quan es gira 90º respecte al pas de cabal, per al flux. Si el que necessita és una vàlvula d'obertura i tancament, d'actuació ràpida i alta capacitat de cabal, la vàlvula de bola és una gran opció. La posició del comandament ens dóna una indicació de l'estat obert o tancat de la vàlvula. I si es busca seguretat, les vàlvules de bola són fàcilment consignables (bloqueables amb cadenat) i identificables amb una etiqueta. Són també les més pràctiques i econòmiques en grandàries entre 6 i 50 mm (1/4 pulg. a 2 pulg.).

Típicament usades per a control de procés més que per a aplicacions d'instrumentació, les vàlvules de comporta són normalment triades per obrir i tancar línies per sobre de les 2 pulg. També són freqüentment usades com la vàlvula arrel de la línia en instrumentació de procés, sovint en una configuració de doble tancament i venteo. Són un disseny antic de vàlvula, típicament especificades en aplicacions d'indústria general, com per exemple en línies de transmissió o de procés. Poden arribar a grandàries superiors a les 100 pulg. (2.540 mm). A través de múltiples girs del comandament, s'eleva o descendeix un mecanisme de tancament en un pas de cabal recte. Ofereix un tancament gradual.

En una vàlvula, l'empaquetadura és l'element que possibilita el tancament a l'exterior, envoltant al plançó i evitant que el fluid del sistema escapi a l'atmosfera entre el plançó i el cos de la vàlvula. Les vàlvules que tanquen a l'atmosfera amb tancaments metall-metall són denominades ‘vàlvules sense empaquetadura’, perquè no tenen el típic material tou d'empaquetadura, com per exemple plàstics i juntes planes o tóricas que es troben en altres dissenys. El plançó de la vàlvula és el component cilíndric que uneix el comandament (o actuador) amb el mecanisme intern de tancament, control de cabal o control direccional. Normalment, el plançó gira lliscant-se verticalment.

El tancament del plançó o empaquetadura està subjecte a desgast, la qual cosa pot ser causa de fugides. Les vàlvules amb empaquetadura han de mantenir-se o ser substituïdes cada cert temps, encara que és cert que alguns dissenys d'empaquetadura aconsegueixen tancaments més efectius i duradors que uns altres, com per exemple el disseny ‘chevron’ en dues peces.

Figura 2: Vàlvula de diafragma.

Al contrari que les vàlvules amb empaquetadura, les vàlvules de diafragma (veure Figura 2) no tenen empaquetadura, i proporcionen una velocitat d'actuació ràpida i precisa. En alguns casos, també poden aconseguir lliurar quantitats exactes de fluid de procés. Les vàlvules de diafragma s'empren típicament en aplicacions d'alta puresa, en la indústria de biofarmacia i la del semiconductor. Entre tots els tipus de vàlvules, són les que ofereixen la vida de ciclado més llarga, gràcies al seu disseny: cada vàlvula conté un prim diafragma metàl·lic o plàstic, que flexiona a dalt i a baix creant un tancament estanco a la sortida de la vàlvula. Encara que robusta sol ser de petita grandària, amb un orifici o pas intern no superior a 50 mm (2 pulg.)

Igual que les de diafragma, les vàlvules de manxa no tenen empaquetadura, la qual cosa les converteix en una bona elecció quan el tancament a l'atmosfera és crític i són poc accessibles per a manteniment. És una vàlvula típica en àrees de contenció en la indústria nuclear. Un segell soldat separa la meitat inferior de la vàlvula, on circula el fluid del sistema, de la part superior, on es realitza l'actuació. El plançó, totalment confinat dins de la manxa metàl·lica, es desplaça verticalment sense girar, creant el tancament a la sortida.

Les vàlvules de manxa i diafragma tenen un pas de cabal comunament denominat de globus. En les vàlvules de globus, el fluid no flueix en un sol plànol com en les vàlvules de bola. El fluid entra en la vàlvula per sota del seient i surt per sobre del seient. Les vàlvules de globus tenen coeficients de cabal més baixos que les vàlvules de pas recte, per a un mateix diàmetre d'orifici de pas.

Les vàlvules de control de cabal (o regulació) permeten a l'operador augmentar o disminuir el cabal del sistema girant el comandament de la vàlvula. Es pot ajustar el cabal al valor desitjat, i la vàlvula mantindrà aquest cabal amb fiabilitat. Algunes vàlvules de control de cabal també ofereixen possibilitats de tancament, però es necessitaran molts girs del comandament per portar la vàlvula d'una posició totalment oberta a posició tancada.

Les vàlvules més habituals de control de cabal són les vàlvules d'agulla, micro-regulació, mascle cilíndric i mascle cònic.

Figura 3: Vàlvula d'agulla.

Les vàlvules d'agulla (veure Figura 3) ofereixen un excel·lent control de cabal i, segons el seu disseny, també poden proporcionar possibilitat de tancament estanco. Tenen un llarg plançó amb un obturador de geometria acuradament dissenyada (en forma de ‘v’ o agulla) que encaixa amb precisió en un seient sobre la sortida. El plançó té una rosca de pas molt fi, la qual cosa permet un control de cabal molt precís. L'empaquetadura del plançó és la responsable del tancament a l'atmosfera.

Alguns dissenys tenen un tancament metall-metall, la qual cosa els fa apropiats per a aplicacions d'alta temperatura. Com s'ha dit anteriorment, la capacitat de cabal està limitada pel pas en forma de globus. Per això les vàlvules d'agulla són més recomanables per a aplicacions de fluids lleugers, no viscosos.

Per a la major precisió de control de cabal, tenim les vàlvules de regulació fina o micro-regulació, típiques en ambients de laboratori. Són un tipus de vàlvula d'agulla amb un llarg i fi plançó que s'allotja en un prologat i estret seient. Aquesta geometria li dóna un disseny de globus molt pronunciat, ideal per aconseguir canvis de cabal molt precisos. Algunes vàlvules de regulació fina no poden usar-se per tancar.

Les vàlvules de mascle cilíndric de cambra de tornada són vàlvules per a servei general, normalment de preu més econòmic. L'actuació de cambra de tornada gira un mascle cilíndric a l'interior d'un pas de cabal recte. El mascle cilíndric té un orifici a través del com es produeix el flux. Normalment s'usen en aplicacions de baixa pressió que requereixen una regulació basta o estrangulamiento del cabal, a més de tancament.

Un altre tipus de vàlvula de mascle és la vàlvula de mascle cònic. Com una vàlvula d'agulla, el mascle cònic s'introdueix en un orifici per reduir el cabal. Però en lloc de tenir un disseny de globus, el pas de cabal és recte. Aquesta característica fa que no tingui una capacitat de control de cabal tan precisa, però per contra la fa baquetable, molt apropiat per a aplicacions on el fluid del sistema pot obstruir el pas de cabal.

Un tercer tipus de vàlvules adreça el flux del cabal. Les vàlvules de retenció o anti-tornada (veure Figura 4), asseguren el cabal en un sol sentit. En la majoria de dissenys, la força del fluït aigües a dalt empeny un obturador actuat per moll, permetent el pas del cabal. Si augmenta la contrapresión aigües a baix, l'obturador recolzat pel moll torna a tancar contra el seient, evitant el flux cap a enrere. Les vàlvules de retenció estan disponibles amb pressions de tret fixes o ajustables.

Figura 4: Vàlvula de retenció o anti-tornada.

Algunes vàlvules de bola i diafragma estan disponibles amb múltiples portes de connexió. La majoria de vàlvules multi-porta tenen una entrada comuna i diverses sortides, i poden tenir o no una posició central tancada (veure Figura 5).

Les vàlvules d'aquesta categoria eviten l'acumulació de pressió més enllà d'un cert valor de tret, i hi ha diferents tipus.

Les vàlvules d'alleujament de pressió proporcional (veure Figura 6) ventean a l'atmosfera quan la pressió del sistema supera un valor d'ajust tarado per l'operador. L'obturador actuat per moll permet alleujar el fluid proporcionalment a mesura que va augmentant la pressió, tancant quan la pressió torna a un valor inferior al d'ajust.

Figura 6: Vàlvula d'alleujament de pressió proporcional.

Les vàlvules de seguretat estan dissenyades per obrir ràpidament, alliberant gran quantitat de fluid del sistema. A causa de la seva funció crítica de seguretat, són un requeriment per codi en algunes aplicacions. No han de confondre's les vàlvules d'alleujament o seguretat amb les vàlvules de retenció, ja que són tres funcions molt diferents.

Els discos de ruptura s'usen principalment per protegir cilindres de presa de mostra d'un accident de sobrepressió que pogués donar-se, per exemple, en cas d'augment de temperatura durant el transport de la mostra. De manera similar a les vàlvules d'alleujament, els discos de ruptura ventean a l'atmosfera. Un diafragma metàl·lic rebenta quan la pressió aconsegueix cert valor fixat pel fabricant del disc. Una vegada ha actuat, el disc de ruptura ha de ser reemplaçat. Les normatives d'equips de pressió transportables exigeixen que els cilindres o ampolles amb gas a pressió estiguin protegits amb un element d'alleujament de pressió. El disc de ruptura és una opció econòmica per a aquesta funció.

Les vàlvules d'excés de cabal eviten emissions incontrolades de fluid del sistema en cas de trencaments de línies aigües a baix. En condicions normals, un moll manté l'obturador en posició totalment oberta. Però si es dóna un excés de cabal aigües a baix, l'obturador es desplaça a posició tancada, detenint gairebé tot el flux. Quan el sistema es repara, aquest petit pas de cabal retorna la vàlvula a la seva posició oberta, de manera automàtica. Estan disponibles amb diferents rangs de cabal de tancament.

Una vegada hem lligat el tipus de vàlvula a la seva funció, ja hem avançat molt en el procés de selecció d'una vàlvula. No obstant això, encara ens queden molts detalls. Caldrà parar esment acurada a cadascun dels següents apartats, si no s'ha fet abans:

• Aspectes d'instal·lació, accessibilitat i programes de manteniment
• Requeriments de codis i seguretat
• Paràmetres del sistema, tals com la pressió, temperatura, cabal i fluid del sistema

Finalment, caldrà determinar:

• Grandària de la vàlvula i tipus d'actuació
• Materials de construcció, incloent materials de tancament i juntes tóricas, que han de ser compatibles amb la composició química del fluid del sistema, pressió i temperatura.

Consells útils

Conèixer l'aplicació: en seleccionar una vàlvula, hem de tenir a mà informació tal com la composició química del fluid del sistema i els rangs complets de pressió i temperatura als quals estarà subjecta la vàlvula durant la seva vida de servei. Cal estar segurs que nostra opció pot treballar amb aquests paràmetres. I no cal jugar-la-hi amb aproximacions, val la pena consultar la informació del producte.

Comprovar la compatibilitat dels materials: és possible tenir la vàlvula correcta però amb materials de construcció incorrectes. Les vàlvules vénen normalment amb uns materials estàndard, però solen haver-hi alternatives. Hem de comprovar al catàleg del producte els rangs de pressió i temperatura, així com la compatibilitat química amb diferents fluïts de sistema. En cas de dubte, cal consultar al representant del fabricador.

Conèixer els programes de manteniment: vàlvules diferents poden tenir programes de manteniment diferents, i els paràmetres del sistema, incloent el nombre de vegades que la vàlvula és actuada, influiran en aquest programa. Aquest punt, encara que obvi, pansa sovint inadvertit. Estem disposats a mantenir cada 20 dies una vàlvula que està situada a 30 metres d'altura?

Conèixer la caiguda de pressió: una vàlvula produeix una caiguda de pressió en el sistema. Necessitem conèixer les pèrdues de càrrega acumulades, ja que d'una altra manera podem acabar amb una pressió insuficient en un determinat punt de la línia. Cada vàlvula té un coeficient de cabal (Cv), que descriu la relació entre la pèrdua de càrrega a través de l'orifici de pas i un determinat cabal. A major Cv, menor pèrdua de càrrega. Una vàlvula de bola i una vàlvula d'agulla del mateix diàmetre produiran caigudes de pressió molt diferents: la vàlvula de bola provoca molt poca pèrdua de càrrega, mentre que la d'agulla (o qualsevol vàlvula de globus) produirà una caiguda de pressió molt significativa.

Cost total de propietat: el cost real d'una vàlvula no és el preu d'adquisició. El cost real és el preu de compra més el cost de possessió, manteniment i recanvi al cap del temps. Per calcular el cost total de propietat, cal conèixer quant temps operarà la vàlvula en el nostre sistema particular, entre comprovacions de manteniment. Els costos de manteniment no només han d'incloure les peces de recanvi, sinó també els temps de mà d'obra i parada. Algunes vàlvules poden ser mantingudes en camp, però unes altres han de retirar-se de la línia. A més cal considerar també la possibilitat de reparacions no previstes i temps de parada inesperats.

Vàlvules de tancament

Vàlvules de control de cabal