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críticas en refinerías

Artícu o pu ica o en:„HYDROCARBON PROCESSING“

Junio de 2001

por:Dr.-Ing. Jörg Kies auer

A

4



Válvulas ara condiciones deroceso críticas en re inerías

J. Kiesbauer, SAMSON AG, Frankfurt, Alemania

En refinerías se emplean a menudo válvulas de controlpara líquidos. Con líquidos nos podemos encontrar constados de operación críticos, resultado de la cavitación

o el flashing. Esto se manifiesta por ejemplo con la emisiónde ruido, la erosión en partes de la válvula y tubería o en

vibraciones mecánicas de baja frecuencia en la válvula ytubería conectada. Si estas influencias no se comprenden ytoman en serio desde un principio, pueden manifestarse deorma negativa y afectar al funcionamiento del proceso y dela planta, además de elevar los llamados „costs of owner-hip“. Por desgracia hoy en día, se dedican usualmente

recursos insuficientes al seleccionar las válvulas, porque lasases de planificación, oferta y pedido se encuentran bajouertes presiones de coste y tiempo.

Este artículo presenta los principios fundamentales dedichos problemas y muestra soluciones partiendo de ejemp-los prácticos de refinerías. En especial se presenta un nove-doso elemento de restricción adecuado para la reducción deruido producido por la cavitación y que se está instalandocon éxito en refinerías cada vez más a menudo.

Con iciones e proceso t picas en re iner as. En laig. 1a se muestran datos de proceso usuales para una refi-nería. La típica curva característica de una bomba centrífugacon velocidad constante y pérdidas normales de presión enel sistema hidráulico, se caracteriza por:

la disminución de la presión en la entrada de la válvulap1 con el caudal másico W y el aumento de la presión en laalida de la válvula p2. La presión de vapor p v depende de

la temperatura del medio.Los fenómenos de la cavitación y el flashing tienen su

origen en la evaporación del líquido en la zona de la restric-

ción [1,3]. La cavitación aparece cuando la relación de ladiferencia de presión

p1 - p2 x F ––––––––p1 - p v

(según IEC 60534-8-4 [1,5]) es mayor que el coeficientecaracterístico de la válvula x Fz para el inicio de cavitación.En la válvula se forman burbujas de vapor que se destruyentambién allí por implosión debido a que p2 p . El índice decavitación i en [6] para inicio de la cavitación equivale alinverso del valor x Fz. Si la presión a la salida p2 es menor ala presión de vapor Pv, aparece flashing y la evaporación se

mantiene hasta en la tubería después de la válvula (flujo endos fases).

En la fig. 1b en relación con la fig. 1a, se muestra como x F disminuye cuando el caudal másico W aumenta. Los tresdiferentes estados de flujo en la válvula se representan con lossiguientes colores:

flujo turbulento cuando x F x Fz (zona verde en fig. 1b)cavitación cuando x F x Fz y x F < 1 (zona azul en

fig. 1b)• flashing cuando x F 1 (zona amarilla en fig. 1b)La presión de vapor junto con las presiones de proceso p1

Fig. 1: Condiciones típicas de una refinería: datos de proceso (a), relacióne i erencias e presión y cavitación as ing ( ), nive e rui o (c)



a

b

y p2 y el coeficiente característico de la válvula x Fz deter-minan si aparecerán y cuando los fenómenos de la cavita-ción y el flashing. Para presiones de vapor relativamentepequeñas la válvula cavitará y desarrollará ruido de cavita-ción para pequeños y medianos caudales. La fig. 1b muestraen relación con la fig. 1a y para la presión de vapor menorP v= 50 kPa, que x F es inversamente proporcional a W (curva

verde x F W . Entre 80 y 100 t n/h el flujo en la válvula nocavita, pero por el contrario por debajo de 80 t n h si cavita.Por consiguiente el nivel de ruido entre 10 y 70 t /h estáentre 80 y 88 dB(A) (fig. 1c, curva de ruido verde). Para laotra presión de vapor P v = 2000 kPa de la fig. 1a el flujocavita en la zona de caudales superiores (fig. 1b, curva azul)

y aproximadamente bajo 80 t n/h se presenta flashing. Comoel nivel de ruido en cavitación es claramente superior al nivelde ruido en flashing [1], aquí la válvula es más ruidosa entrelas 70 y 100 t h, con valores entre 85 y 93 dB(A) (fig. 1c,curva de ruido azul).

Para evaluar las condiciones de flujo y poder seleccionarla válvula de control adecuada en cada caso, es absoluta-

mente necesario conocer los datos de proceso lo más exaamente posible. Es especialmente importante conocer presión real a la salida de la válvula. La pérdida de presión las tuberías y codos entre la válvula y por ejemplo uanque a presión constante, influyen la presión en la salide la válvula y en consecuencia el tipo de flujo. Cuando londiciones de trabajo están cerca del punto de transicióntre los fenómenos de cavitación y flashing en x F= 1, puede

xistir tanto flashing como cavitación.

Los en menos e cavitaci n y as ing. Todos los xámenes de estos fenómenos se basan en el estudio de

variación de la presión y de la velocidad de flujo del medtravés de la válvula (figs. 2a y b, [1]).

avitación. Para una presión de entrada p1 constante, alumentar la diferencia de presión en la válvula, disminuy

la presión mínima en la zona de restricción, zona generamente denominada como vena contracta, vc, hasta el valoe la presión de vapor del líquido, p v , para x F > x Fz Y como

p2 > p v las burbujas formadas en el elemento de restricció

Fig. 2: Evolución de la presión y velocidad con cavitación y flashing (1: ent-ra a vá vu a, vc: vena contracta, 2: sa i a vávu a)

Fig. 3: Visualización de la cavitación (a) y flashing (b) con el flujo lleganes e a ajo



b

a

colapsan aguas abajo de la c de la válvula. En la fig. 3a se

visualiza el flujo en cavitación en la válvula aguas abajo dela vena contracta, vc.Según la intensidad de la cavitación pueden ocurrir los

iguientes problemas:Emisión de ruido debido a la cavitación, con niveles

máximos de 100 dB(A) (fig. 1c, [1])Daños en partes de la válvula o tubería debido a la ero-

ión por la cavitación (fig. 5, [1]) Vibraciones en el obturador y en el conjunto de la vál-

vula (fig. 8)„Choked flow“, limitación del caudal, que tiene que

considerarse al calcular el K s , [4].Flashing. La cavitación termina y se convierte en flashing

cuando la diferencia p2 - p v es≤ 0. Las burbujas de vapor dellujo en dos fases que sale de la válvula no implosionan, sinoque permanecen intactas (figs. 3b y 4a y b). El resultado esuna densidad de la mezcla de líquido/vapor bastante menoraguas abajo de la válvula en comparación con la densidaden la entrada de la válvula (la cual es una única fase líquida).Esto conduce en el caso de flashing, a un aumento de la velo-cidad de flujo promedio, en comparación a la velocidad enla entrada de la válvula. En la fig. 2b, por ejemplo, la veloci-dad en la salida es aprox. 40 m/s, claramente superior a la

velocidad en la entrada, 2 m/s. Cuanto mayor sea la veloci-dad de flujo promedio en la salida de la válvula, mayor es el

desequilibrio entre las fases líquido y vapor. Las figs. 4a y b

ilustran claramente la propagación de las ondas de choqueproducidas por el colapso de las burbujas, por lo que el com-pleto sistema de tuberías puede ser afectado por vibracionesmecánicas de baja frecuencia (<10 Hz).

En aplicaciones donde la presión en la entrada de la vál- vula es sólo ligeramente superior a la presión de vapor, existe ya en la entrada de la válvula una mezcla de dos faseslíquida y vapor. Como resultado se intensifican los efectosanteriormente descritos. Igual que la cavitación, el flashing oflujo de 2 fases, puede causar grandes problemas como:

Emisión de ruido, pero en niveles claramente inferioresque el causado por cavitación intensa (fig. 1c).

• Daños en partes de la válvula o tubería debido a la ero-sión por el impacto de las gotas de fase líquida, cuyo efectose puede empeorar por partículas corrosivas del medio.

Vibraciones del conjunto de tuberías debido a la pro-pagación de las ondas de choque provenientes de la salidade la válvula, resultado del desequilibrio entre las faseslíquida y vapor (figs. 4a y b).

• „Chocked flow“, limitación del caudal por flashing,además de una reducción sustancial de caudal en caso detener dos fases en la entrada de la válvula, [2].

Medidas contra la erosión por cavitación. La ero-sión producida por la cavitación (fig. 5) es más probable

Fig. 4: Tipo e on as e c oque urante e as ing que provocan vi racio-nes en las tuberías (a: onda de choque inicial, b: onda de choque final)

Fig. 5: Erosión en e cuerpo e una vá vu a rotativa e i o a a cavitación



p1 - p2 · p1 - p y p1 - p2 ∆pcrit, cav (ver tabla 1):ningún problema

p1 - p2 ≥ K · (p1 - p v ) y p1 - p2 >∆pcrit, cav (ver tabla 1):problemas con válvulas en una etapa.

p1 - p2 ≥ c · p1 - p v y p1 - p2 > 25 bar: se recomien-an válvulas de globo en multietapas (por ejemplo con obt

rador axial, fig. 6).

edidas contra el ruido excesivo causado poravitaci n. Cuando las imposiciones de ruido son mustrictas la válvula de control se selecciona de forma que l

valores de x Fz, que dependen de la apertura del obturadore la válvula, sean suficientemente grandes para las condiones de proceso, es decir x Fz > x F.

ientras que el valor de K c nos indica el inicio de la limitaión de caudal y depende esencialmente del tipo de válvulomo puede ser válvula de globo o de mariposa, el valoe x Fz, aunque también de lo anterior, depende mucho

más de la forma geométrica del elemento de restricción. E[1] se enumeran valores típicos para x Fz según la posición

del obturador de la válvula. Numerosasmediciones demuestran que el númerode Reynolds de la válvula juega un papeimportante. Esto se contempla en el diagrama de la fig. 7 con la variable F xFz,que se utiliza para aproximar a unacurva los valores de x Fz de los diferentestipos y tamaños de válvula. La curvnegra representa una aproximación queformará parte de la nueva revisión de lanorma IEC 534-8-4 5 por sugerenciadel autor. De esto se derivan las dos ten-

cuando hay limitación de caudal debido a la elevada veloci-dad de formación de las burbujas de vapor [1] y cuandola energía cinética de las burbujas arrastradas por el flujo

en cavitación (fig. 3a) desde la vena contracta es suficien-temente alta. En este caso los parámetros decisivos son elíndice de cavitación K (Tabla 1) correspondiente al ratio depresión diferencial [3,6 aquí 1/ ], a partir del cual empiezala limitación de caudal, y la diferencia de presiones p1 - p2,que está directamente ligada a la energía cinética del flujo encavitación.

Por lo general, la velocidad a la salida debería de estarentre 2 y 3 m/s y se deberían utilizar obturadores con cons-trucción de bajas vibraciones. En base a esto, se pueden darlos siguientes valores experimentales para eliminar los pro-blemas de cavitación (reglas empíricas):

p1 - p2 < c · p1 - p v ): ningún problema

Fig. 8: Diferentes comportamientos de vibración (horizontales a la direcce vástago) e o tura ores V-Port y para ó ico

Fig. 7: XZ en función de F xFz = 0,93 · √1/FL C v · Fd

Fig. 6: Ejecución de válvula multietapa con obturador axial para evitar laerosión por cavitación (vá vu as e SAMSON serie 255 y 251)

Sensores de aceleración

Obturador V-Port

Obturador parabólico

Ta a 1: Límites para evitar a erosión por cavitaciónTipo de válvula

Vá vu a e g o o e 1 etapa, conasiento y obturador estellitados o deacero en ureci o

Válvula de globo de 1 etapa conmateriaes están ar

Válvula rotativa Válvula de mariposa y válvula de bola

K [-]

,7

,7 ,4

0,2...0,3

∆pcrit, cav [bar]

25

15105

Tabla 2: Comportamiento del ruido en diferentes válvulas de globoe 1 etapa

Tipo de válvula de

globoObturador parabólicoObt. V-Port

O t. e pistónon jaula

t. per ora o

omportamiento vibraciones

malo, para válvulason gu a superior

muy bueno

buenoueno

ensibilidad ampurezas en

l fluido

peque apequeña

grandegran e

x z paraapertura del

75%

,25...0,35,25...0,35

,25...0,35,35

Disminuciónde x z para

apertura <75%claramentehasta 0,8hasta 0,5

hasta 0,5muy peque a



dencias fundamentales que se nombran a continuación:El valor de x Fz disminuye al aumentar el valor de K v El valor de x Fz aumenta al disminuir el factor de forma

4En el factor de forma F se manifiestan los detalles geomé-

tricos de diseño del elemento de restricción. Este factor es máspequeño, cuanto menor es el diámetro hidráulico. El menordiámetro hidráulico se da en orificios anulares con simetríade rotación, como el orificio existente por ejemplo en obtu-radores parabólicos en posición abierta. Para una posiciónabierta, el valor de x Fz será mayor cuanto mayor sea el diá-metro del asiento y cuanto menor sea la apertura del orificioentre asiento y obturador (directamente proporcional al diá-metro hidráulico). En cambio, válvulas con obturador tipopistón con jaula muestran diámetros hidráulicos y factores F ensiblemente mayores, lo cual afecta negativamente a los

valores de x Fz.Las válvulas de globo con diámetro nominal mayor que

2“ tienen por norma general, para una apertura del 75%, valores de x Fz entre 0,2 y 0,35. Dependiendo del tipo de ele-mento de restricción, el valor de x Fz aumenta más o menos aldisminuir la apertura. Esto está directamente relacionado conla mayor o menor disminución del factor F .

En la tabla 2 se ilustra claramente como, a parte del obtu-rador parabólico, los otros tipos de obturador en aplicacio-

nes típicas de refinerías como las de las fig. 1 y 2, puedenproducir altos niveles de ruido producidos por la cavitación auna diferencia de presión de operación x F > , a , . quíel obturador parabólico tiene ventajas debido a sus altos

valores de x Fz cuando la apertura de la válvula es menorque el 75%. Su desventaja son las vibraciones mecánicas quepuede causar la cavitación, hasta el límite de provocar larotura de la unión del obturador con el vástago cuando éste

va guiado solo desde la parte superior del cuerpo de la vál- vula. El obturador en V-Port elimina al máximo las vibracio-nes por su geometría asimétrica de apertura (fig. 8).

En válvulas con jaula y obturadores con orificios, la elimi-nación de vibraciones es también bastante buena, pero conla desventaja de ser susceptibles a impurezas en los fluidos.

¿Cómo podemos combinar las ventajas de cada uno delos tipos de obturador para reducir la cavitación al mínimo?

La fig. 9 presenta un nuevo sistema de restricción inte-grado en un cuerpo de válvula estándar. Este sistema ha sidooptimizado mediante simulaciones de flujo por ordenador

(CFD) y realizando una serie de experimentos. Y tiene lassiguientes ventajas:• El tamaño del asiento no se reduce, para mantener una

apertura entre asiento y obturador lo más pequeña posible.Como consecuencia el diámetro hidráulico y el factor F sonpequeños, lo cual afecta positivamente al comportamientodel valor x Fz. Además conduce a un descenso contínuo de lapresión en un amplio margen de la carrera, como se puede

ver en la fig. 10.Para evitar vibraciones mecánicas, el obturador está

doblemente guiado: en la parte superior y en el asiento,cerca de dónde se producen las vibraciones (fig. 9, señali-zado con A).

• El asiento tiene un canto de cierre elevado (cierreasiento/obturador fig. 9, señalizado con B), que hace aumen-tar el valor de x Fz para grandes aperturas de la válvula,porque influye positivamente la estructura de las turbulenciasen la zona por debajo del obturador (fig. 10).

• El canto de cierre en el obturador esta destalonado(fig. 9, señalizado con C). Este diseño aumenta el valor de

x Fz para pequeñas aperturas de la válvula, porque influyepositivamente la estructura de las turbulencias en la zona porencima del obturador (fig. 10).

• Adicionalmente se pueden integrar en el asiento placasde orificio por debajo del obturador, que aumentan el valor

Fig. 9: Sistema nuevo e restricción para a re ucción e rui o e cavita-ción mediante A, B, C y D (A: evita vibraciones, B[C]: aumento del valor x zpor a teoría e inámica e ui os para una mayor [menor] apertura ela válvula, D: aumento del valor x Fz por reducción de la presión por etapaspara mayores aperturas de la válvula)

Fig. 10: Valores de x F medidos para un asiento de diámetro 80 mm consistema de restricción como en fig. 9 y obturador V-Port como en fig. 8



de x Fz para grandes aperturas de la válvula (fig. 9, señali-zado con D) y conduce a una reducción adicional del ruido.

El obturador también puede ser diseñado con compen-sación de presiones, es decir mediante un tubo cilíndrico enla parte superior del obturador, un pistón fijo en la partesuperior de la válvula y entre ellos una junta, que forman unespacio que está a presión de entrada (mediante un orificiode conexión a la presión antes del obturador) y compensa lapresión p1. Este sistema es menos propenso a los problemasderivados de posibles impurezas en el fluido que el sistematípico de compensación de presión de la construcción tipojaula.

Fig. 11: Simuación CFD para os aperturas e o tura or (K v 5: a,c y K v 80: , ): iso aras y vectores e veoci a

Para diferencias de presión por encima de 1000 kPaon cavitación severa x F > 0,7) el asiento y obturador debener estellitados o bien de acero endurecido.

n la fig. 11 se muestra claramente por los valores de x Fzmedidos, que en uno de estos sistemas el ruido producid

por la cavitación se desarrolla a diferencias de presión signicativamente mayores en comparación con los obturador V-Port o tipo pistón o jaula.

ste novedoso elemento de restricción ha sido probado euna aplicación típica de refinería (carga de cisternas dondhay personal trabajando) para mantener el nivel de ruidobajo los 70 dB(A) en los puntos de trabajo dados (fig. 12La aplicación práctica confirmó las medidas realizadas enbanco de pruebas.

n otra refinería había una válvula de obturador rotativue causaba niveles de ruido elevados y problemas de eroión con presión en la entrada de la válvula p1 = 1500 kPa

y valores x F = 0,5 hasta 0,9. Después de 1 año el cuerpoe la válvula estaba gravemente erosionado debido a laavitación (ver fig. 5, cavitación crítica) y se reemplazo ptra válvula rotativa igual. Un instituto técnico independie

midió en intervalos regulares de tiempo, el espesor del cuere la válvula nueva mediante equipo de visualización te

mográfica. Después de otro 1 año y costes de mantenimiento (cost of ownership) incluso superiores al propio vae compra, la válvula rotativa presentó los mismos probleme desgaste que la primera válvula y finalmente fue reem

plazada por una válvula de globo con obturador y asientoon el nuevo diseño, anteriormente descrito. Esta nueva v

vula eliminó también aquí con éxito los problemas.

Fig. 12: Ejemplo práctico de una refinería (carga de cisterna) con eleva-dos requerimientos de reducción de ruido (p1 = 1100 kPa, p2 = 400 kPa,Q = 30...144 m3 petró eo, x = 0,64, L A,a < 70 B(A)!)



a

Medidas contra el flashing. En el caso del flashing olujo en 2 fases lo más importante es elegir un diámetro nomi-nal de válvula lo suficientemente grande para limitar la velo-cidad media de flujo en la salida de la válvula, y así reduciral máximo los problemas que se presentan. Por experienciano se debería superar los 60 m/s [2]. En aplicaciones dondeademás el medio es corrosivo, es importante seleccionar elmaterial de la válvula correctamente. Además, se deberíareducir como mínimo un grado el tamaño del asiento, paraproporcionar instantáneamente el máximo espacio posible allujo en el lado de p2.

En una refinería una válvula de 4“ con los siguientes datosde proceso, conducía a los siguientes problemas:

Había problemas de erosión combinado con corrosiónen la válvula y en los codos antes y después de la válvula(fig. 13a). Al evaluar los datos de proceso existentes,incluyendo los datos de entalpía, se demostró que la veloci-dad de salida promedio para un flujo normal y con aprox.13% de evaporación alcanzaba los 250 m/s. Por eso, eldesgaste por erosión producido por el impacto de gotas eraprácticamente inevitable.

Una desventaja adicional era la colocación de la válvulaentre dos codos en una distancia corta.

El problema se solucionó instalando una válvula de 8“ conun obturador V-Port, de bajas vibraciones, K s 80 lineal (deHastelloy para evitar la corrosión). La válvula se montó cen-trada en un tramo largo de tubería antes del primer codo(fig. 13b). En este caso los costes, incluyendo paros de laplanta, modificaciones y „caras“ facturas de instituciones deasesoramientos, fueron como mínimo 10 veces superiores ala inversión inicial para la válvula de 4“, hasta instalar lanueva válvula.

En otro lugar de la misma refinería había problemas de vibraciones masivas, que incluso condujeron a la rotura deunos soportes de tubería. La válvula rotativa instalada origi-nalmente era demasiado pequeña (diámetro nominal 12“).Como resultado de la velocidad de flujo excesiva se pro-ducían las condiciones de flujo representadas en las figs. 4a

y b, lo que causaba en la tubería fuertes vibraciones, efectoque se intensificaba con la elevada recuperación de presiónintrínseca a las válvulas rotativas. Con la instalación de una

válvula de globo de diámetro nominal mayor (20“, fig. 14)con un obturador V-Port se resolvió el problema. Igual queen los ejemplos descritos anteriormente, aquí los costes demantenimiento fueron significativamente elevados, debido ala mala selección inicial de la válvula.

Fig. 13: Cambios en la válvula e isometría de la tubería de una refinería(a: antes, : espués)

Fig. 14: Válvula de globo con obturador V-Port de bajas vibraciones(SAMSON tipo 3254)

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EC 65B WG 9 Secretary) 130B, 2000[6] Considerations for Evaluating Control Valve Cavitation, Instrument Society of America Recomended Practice, ISA-RP75.23

Dr. Jörg Kiesbauer je e e epartamento eI+D en SAMSON AG, Mess- und Regeltech-ni , Fran urt Main, A emania. Sus campos einvestigación van desde las válvulas de controlinc ui o os accesorios, asta as autoopera-as (estu io e cau a es, emisiones e rui o,

diagnósticos, métodos de predicción). Desde1999, e Dr. Kies auer es un experto invita oal comité IEC 65B WG 9.

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