Diseño y análisis de válvulas de retención y parada de aleación de titanio para aplicaciones marinas de operación extendida

Para cumplir con los requisitos de operación prolongada de una embarcación válvula de retención de parada de aleación de titanioEste artículo describe las características estructurales de la válvula de operación extendida rediseñada. El análisis teórico indica que el diseño propuesto ofrece una mayor estabilidad del vástago y confiabilidad operativa en comparación con el enfoque convencional de alargar directamente el vástago de la válvula. Además, se examinan los procesos de fabricación del bonete y el vástago extendidos de la válvula, lo que proporciona una referencia técnica para el diseño estructural de válvulas marinas de operación extendida.

La válvula de retención de aleación de titanio combina las funciones de cierre y prevención de reflujo. Con excelente resistencia a la corrosión, construcción ligera y alta confiabilidad, se usa ampliamente en sistemas de tuberías de agua de mar a bordo. Al diseñar e instalar sistemas de tuberías de barcos, a menudo es necesario extender el mecanismo de accionamiento de la válvula, que puede incluir volantes, reductores o actuadores eléctricos, a una ubicación más segura y accesible que permanezca operativa y tenga menos probabilidad de sumergirse en agua de mar durante situaciones de emergencia. Las especificaciones establecen claramente que el volante o dispositivo de operación manual de la válvula principal de fondo marino a cada lado debe ubicarse al menos 450 mm por encima de la cubierta de rejilla. La toma de agua de emergencia del motor principal generalmente debe conectarse a la bomba principal de agua de refrigeración y estar equipada con una válvula de retención. El vástago de la válvula debe extenderse adecuadamente para garantizar que el volante alcance 450 mm por encima de la rejilla.

Actualmente, los astilleros informan que, para válvulas que requieren un funcionamiento prolongado, los proveedores suelen extender directamente el vástago de la válvula. Sin embargo, este enfoque suele presentar riesgos, como un rendimiento de sellado deficiente y dificultades para la operación manual. En respuesta tanto a los requisitos operativos a bordo como a los comentarios de los clientes, este documento utiliza un producto específico como caso práctico para explorar el diseño y la fabricación de una válvula de retención de aleación de titanio fiable y de funcionamiento prolongado.

Diámetro nominal: DN125

Presión nominal: 2,5 MPa

Temperatura aplicable: 0 a 36 °C

Medio: Agua de mar

Material: titanio y aleación de titanio

Tamaño de operación extendida: cuando la válvula está en estado cerrado, la distancia desde la línea central del canal de flujo hasta la parte superior del volante es de 830 mm.

1. Cuerpo de la válvula 2. Disco de la válvula 3. Vástago de la válvula 4. Tapa de la válvula 5. Manguito de presión 6. Placa de presión 7. Volante

Figura 1: Válvula de retención de tipo convencional y vástago extendido

Como se muestra en la Figura 1, se ilustran tanto una válvula de retención marina convencional como una válvula de retención con vástago extendido. Se puede observar que la válvula de retención con vástago extendido se basa esencialmente en el diseño convencional, con el vástago extendido para cumplir con el requisito de altura del volante, mientras que las demás estructuras permanecen inalteradas. Actualmente, los astilleros han informado que este tipo de válvula de retención con vástago extendido presenta baja rigidez estructural y baja confiabilidad operativa. Con el tiempo y el uso frecuente, es probable que surjan problemas como vibraciones del vástago de la válvula y fugas en el sello.

Para solucionar los problemas asociados con el vástago extendido, se diseñó una válvula de retención de operación extendida con vástago extendido y estructura de bonete. Los componentes principales se basan en la estructura mostrada en la Figura 1, con la adición de un manguito guía (número de artículo 8). La estructura actualizada se ilustra en la Figura 2.

1. Cuerpo de la válvula 2. Disco de la válvula 3. Vástago de la válvula 4. Tapa de la válvula 5. Manguito de presión 6. Placa de presión 7. Volante 8. Manguito guía

Figura 2: Válvula de retención de tipo bonete de válvula y vástago extendido

Inspirado en la estructura de válvula de cuello largo, comúnmente utilizada en aplicaciones de baja temperatura, el bonete de válvula extendido se suelda a partir de una pieza fundida de brida, tubería y soporte. El bonete de válvula extendido, fabricado en aleación de titanio, no adopta un diseño de fundición integral. Si se fundiera como una estructura hueca, el rendimiento de la fundición sería deficiente debido a su gran longitud y paredes delgadas. Además, los defectos en el orificio interior serían difíciles de detectar o reparar. Por otro lado, fundirlo como una estructura sólida incrementaría los costos de material. Además, debido a la longitud extendida del bonete de válvula, la varilla de la herramienta tendría que ser excesivamente larga durante el mecanizado del orificio interior, lo que generaría vibraciones significativas durante el mecanizado, dificultades para mantener la precisión del mecanizado y un aumento general de la dificultad del mecanizado.

1. Soporte 2. Tubo 3. Brida

Figura 3 Estructura del capó extendido

Como se muestra en la vista parcial ampliada de la Figura 2, tras extender el vástago de la válvula, el sello superior del bonete adopta una estructura ascendente. Este diseño evita que la cavidad del bonete forme un área cerrada, lo que mejora el sellado del sello superior y permite el reemplazo en línea de la empaquetadura. Además, el aumento del diámetro de la sección bajo el sello superior del vástago mejora la rigidez del vástago extendido.

1. Vástago de la válvula 2. Manguito guía 3. Tapa de la válvula extendida

Figura 4: Estructura del manguito guía

Como se muestra en la Figura 4, el manguito guía se instala en la parte inferior del bonete de la válvula, lo que proporciona un soporte intermedio para el vástago. Al aumentar la restricción, este diseño evita que el vástago se doble o deforme, mejorando así su estabilidad.

Cuando la válvula de retención de cierre está cerrada, el vástago de la válvula se somete a presión axial. La estructura del vástago de la válvula de retención de cierre de operación extendida es delgada, y su estabilidad debe verificarse mediante los principios de estabilidad del vástago de presión. Se compara y analiza la estabilidad del vástago de la válvula para tres configuraciones estructurales: la estructura convencional, la extensión solo del vástago de la válvula (Esquema 1) y la extensión tanto del vástago como del bonete de la válvula (Esquema 2).

La relación de esbeltez λ se calcula utilizando la siguiente fórmula:

​

Dónde:

dF es el diámetro del vástago de la válvula (mm).

lF​ es la longitud calculada del vástago de la válvula. En el caso del vástago de elevación rotatorio, se refiere a la distancia desde el punto más alto de la rosca de la tuerca del vástago de la válvula hasta la cara inferior del vástago (en milímetros).

l0​ es la distancia desde el soporte inferior hasta el soporte central. Para el vástago de elevación rotatorio, esta es la distancia desde la cara inferior del vástago de la válvula hasta el punto de soporte central (mm).

μλ es el coeficiente de longitud, que depende de la forma del soporte. Su valor se determina mediante la relación Fl0/lF.

La estructura de soporte para el diseño convencional y el Esquema 2 presenta un soporte intermedio, con un soporte de bisagra en un extremo y restricciones angulares y lineales en el otro. La estructura se muestra en la Figura 5(a). La forma del soporte para el Esquema 1 se muestra en la Figura 5(b), donde el segmento lF tiene una restricción libre en un extremo y un soporte de bisagra en el otro (μλ = 1); el segmento lF2 sigue la misma configuración de soporte que la Figura 5(a). Los coeficientes de longitud del vástago de la válvula y los valores de flexibilidad para las tres formas estructurales se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Coeficiente de longitud del vástago de la válvula (μλ) y relación de esbeltez (λ)

(a) Estructura convencional y formulario de soporte para el Esquema 2 (b) Formulario de soporte para el Esquema 1
Figura 5: Estructura de soporte

Las flexibilidades máximas para la estructura convencional (Esquema 1) y el Esquema 2 se calculan en 15,2, 60,3 y 45,2, respectivamente. La flexibilidad calculada del vástago de la válvula bajo la estructura convencional es inferior al valor de diseño admisible de 30, por lo que generalmente no se requiere verificación de estabilidad. Se observa que la flexibilidad del vástago de la válvula en el Esquema 1 es mayor que en el Esquema 2. A mayor flexibilidad, menor estabilidad del vástago de la válvula. Por lo tanto, se analiza la estabilidad de los vástagos de las válvulas en los Esquemas 1 y 2.

Dónde:
λL = relación de esbeltez crítica, relacionada con las propiedades del material
E = módulo elástico del material, en MPa
σp = límite proporcional del material, en MPa

Las propiedades físicas de la aleación de titanio TA31 se enumeran en la Tabla 2. Con base en los cálculos para el vástago de la válvula fabricado con TA31, se determina que la relación de esbeltez crítica λL es 38,3.

Tabla 2: Propiedades físicas de la aleación de titanio TA31

Cuando la relación de esbeltez (λ) es mayor o igual que la relación de esbeltez crítica (λ _L ), el vástago de la válvula se considera un miembro de compresión de alta flexibilidad (alta esbeltez) y se utiliza la fórmula de Euler para evaluar su estabilidad.

Dónde:

n _w — Factor de seguridad de estabilidad, tomado como 2,5

[σ _y ] _w2 — Tensión admisible para elementos de compresión de alta esbeltez (MPa)

σ _y — Esfuerzo de compresión en el vástago de la válvula (MPa)

F — Fuerza axial total sobre el vástago de la válvula cuando la válvula está cerrada (N)

Para una válvula de retención de aleación de titanio PN25 DN125, la fuerza axial total sobre el vástago de la válvula durante el cierre es de aproximadamente 45 000 N. Sustituyendo este valor en la ecuación (3) se obtienen los resultados que se muestran en la tabla 3.

Los cálculos demuestran que ambos diseños de extensión cumplen con los criterios de estabilidad del vástago de la válvula. Sin embargo, el Esquema 2, que implica extender tanto el vástago como el bonete de la válvula, reduce la tensión de compresión, aumenta significativamente la tensión admisible y mejora notablemente la estabilidad general del vástago.

Tabla 3. Resultados de la comprobación de la estabilidad del vástago de la válvula

En general, al operar manualmente una válvula pequeña, la palma de la mano debe estar perpendicular al eje de rotación del volante. Para válvulas grandes, ambas manos deben sujetar los lados opuestos del volante y aplicar la fuerza uniformemente. Sin embargo, las condiciones de instalación de las válvulas en buques suelen ser complejas, incluyendo configuraciones en ángulo y de montaje lateral. Además, considerando las condiciones de operación durante emergencias o entornos hostiles, suele ser difícil para el personal mantener una fuerza circunferencial equilibrada al girar el volante. Esto suele provocar la aplicación de una fuerza excéntrica F en el borde exterior del volante. Como se ilustra en la Figura 6, esta fuerza excéntrica, al simplificarse a lo largo del eje del vástago de la válvula, se descompone en un componente de par FD/2 y una fuerza lateral F. Estas fuerzas combinadas provocan que el vástago de la válvula experimente deformación tanto por flexión como por torsión.

En el Esquema 1, donde solo se extiende el vástago de la válvula, la estructura sobre el bonete de la válvula forma un voladizo. Bajo la acción de la fuerza excéntrica, el vástago de la válvula se somete a un momento de flexión máximo FL en la tuerca del vástago, lo que genera una tensión de flexión adicional en la interfaz tuerca-vástago. Esto afecta negativamente la fiabilidad de la conexión entre el vástago de la válvula y la tuerca del vástago. Cuanto mayor sea el voladizo, es decir, cuanto mayor sea L, mayor será la tensión adicional resultante.

En cambio, el Esquema 2, que extiende tanto el vástago como la tapa de la válvula, sitúa la tuerca del vástago más cerca del volante. En este caso, L se aproxima a cero y el momento de flexión causado por la fuerza excéntrica puede ignorarse en gran medida. Esta estructura se ve menos afectada por la orientación de instalación de la válvula o por el funcionamiento irregular del volante, lo que garantiza una alta fiabilidad operativa en condiciones variables.

Figura 6 Volante sometido a fuerza excéntrica

El bonete de válvula extendido de aleación de titanio se fabrica mediante una combinación de mecanizado de desbaste, soldadura y mecanizado de acabado. Durante la soldadura del soporte, la tubería y la brida, las posiciones de soldadura deben ajustarse para evitar la zona de sellado superior. Como se indica en las dimensiones d1 y h de la Figura 7, para minimizar la deformación durante la soldadura, las uniones entre la tubería, el soporte y la brida están diseñadas con una estructura de "fondo fijo". El manguito del tubo se inserta tanto en el soporte como en la brida para garantizar una alineación precisa del conjunto y reducir el impacto de la deformación por soldadura. Se utiliza un método de soldadura de baja corriente para controlar la temperatura entre capas y el espesor de cada cordón de soldadura. Después de cada soldadura, se debe medir y supervisar la coaxialidad de los orificios internos en ambos extremos del bonete de válvula extendido. Los pasos de procesamiento del bonete de válvula se muestran en la Figura 8.

Figura 7: Diagrama de ranura de soldadura

Figura 8: Procesamiento del bonete de la válvula

En comparación con el acero y el aluminio, la aleación de titanio tiene una conductividad térmica significativamente menor. Durante el corte, el calor no se disipa rápidamente, lo que provoca la acumulación de altas temperaturas en la zona de corte. Esto puede provocar problemas como una menor precisión de mecanizado y desgaste o daños en la herramienta. Por lo tanto, para garantizar la estabilidad térmica durante el mecanizado de aleaciones de titanio, es fundamental considerar cuidadosamente la selección de la herramienta, la velocidad de avance y el fluido de corte.

El vástago de válvula extendido de aleación de titanio tiene una longitud de 788 mm y un diámetro de 37 mm, lo que le otorga una relación de aspecto de aproximadamente 21. Esta geometría esbelta lo hace propenso a deformarse durante el mecanizado. Para mantener la cilindricidad y la coaxialidad del vástago de válvula, se introducen procesos de mecanizado de desbaste y semiacabado para aliviar gradualmente la tensión de mecanizado. Además, se aplica un envejecimiento natural antes de la etapa final de mecanizado para liberar completamente la tensión interna. Estas medidas combinadas garantizan la precisión dimensional y la integridad estructural del vástago de válvula extendido.

Figura 9: Procesamiento del vástago de la válvula

Se ha desarrollado un diseño para una válvula de retención de operación extendida, cuya estructura extiende simultáneamente tanto el bonete como el vástago de la válvula. El análisis teórico muestra que, en comparación con una solución que solo extiende el vástago, este diseño proporciona una mayor estabilidad del vástago y una mayor fiabilidad operativa. La investigación describe el proceso de fabricación del bonete y el vástago de la válvula extendidos de aleación de titanio. Tras el ensamblaje, el producto es flexible y ha superado con éxito diversas pruebas de fábrica y evaluaciones de aplicaciones reales. Los comentarios sobre el servicio de campo han sido positivos.