Resumen: Este artículo presenta los parámetros clave y los desafíos técnicos en el desarrollo de un sistema NPS24 Clase 900 de alta presión, gran diámetro, sellado bidireccional y controlado por programa. válvula de bola de vástago ascendentePara superar las limitaciones de los diseños convencionales, como el sellado bidireccional insuficiente, el rayado del vástago y el difícil mantenimiento del asiento, se implementaron optimizaciones estructurales. Los análisis de resistencia del cuerpo y el bonete de la válvula, realizados según las directrices ASME B16.34 y el método de elementos finitos, confirmaron su seguridad estructural. Los cálculos del ángulo de torsión y la rigidez en la ranura espiral del vástago confirmaron su resistencia suficiente, mientras que las optimizaciones del proceso en la fundición LC1 mejoraron sustancialmente la tenacidad al impacto a baja temperatura, cumpliendo el requisito de ≥27 J a –52 °C. El mecanizado optimizado del vástago garantizó una durabilidad de hasta 750 ciclos al año, mientras que la superficie de sellado de la bola, creada mediante un proceso de fusión por pulverización de llama, formó una unión metalúrgica con el sustrato, mejorando la resistencia al desgaste y la erosión. Las pruebas de sellado bidireccional de líquido a alta presión, gas a alta presión y gas a baja presión cumplieron con las normas GOST 9544 Clase A, y la válvula funcionó sin problemas tanto en vacío como con la presión diferencial máxima, sin atascamientos, bloqueos ni vibraciones. Pruebas exhaustivas confirman el éxito del desarrollo nacional de la válvula. Las válvulas de bola de vástago ascendente (también llamadas válvulas de bola orbital) combinan las ventajas de las válvulas de bola, compuerta, globo y macho, ofreciendo un funcionamiento sin desgaste y un sellado positivo. Las válvulas de bola de vástago ascendente controladas por programa se accionan neumáticamente e integran sistemas DCS o PLC para su control remoto por computadora. Con una fiabilidad demostrada en condiciones de funcionamiento frecuente y fluctuaciones de temperatura, estas válvulas se utilizan ampliamente en unidades de tamiz molecular, isomerización, deshidrogenación de propano, deshidratación de gas natural y procesos de purificación. Este estudio se centra en el desarrollo y la aplicación de estas válvulas en una unidad de tamiz molecular en una planta de procesamiento de gas natural en Rusia.
Especificaciones de la válvula: NPS 24
Clasificación de presión: Clase 900
Ubicación de aplicación: Salida de secadora de gas natural
Medio de proceso: gas natural seco
Estado medio: gas/vapor
Presión diferencial máxima de cierre: 8,34 MPa
Temperatura de diseño: –52 °C a 350 °C
Construcción: Paso completo, entrada superior, sello de hardware
Material del cuerpo y del bonete: ASTM A352-2021 LC1
Material del asiento: ASTM A182-2023 Japón F316 + Ni60
Material de la bola: ASTM A351-2018 Japón CF8M + Ni65
Material del vástago: ASTM A564-2019a 630
Material de embalaje: Empaquetadura compuesta de grafito de baja fuga
Clase de asiento: Bidireccional, GOST 9544-2015 Clase A
Conexión final: ASME B16. Mayo de 2020, RTJ
Actuador: Neumático (con depósito de aceite de reserva), doble efecto
Posición de falla de la fuente de aire: Mantener en su lugar
Tiempo máximo de apertura/cierre: ≤150 segundos
Los desafíos clave en el desarrollo de esta válvula de bola de vástago ascendente de control programático, de sellado bidireccional, de gran diámetro y alta presión NPS 24 Clase 900 son:
· La válvula debe lograr un rendimiento bidireccional sin fugas.
· Debe funcionar de manera confiable en un amplio rango de temperaturas de –52 °C a 350 °C.
· Debe cumplir un requisito de actuación de alta frecuencia de 750 ciclos por año.
· El mecanizado del vástago de la válvula y el recubrimiento por pulverización deben satisfacer requisitos estrictos para la superficie de sellado de bola de gran diámetro y alta presión.
· Tanto el cuerpo de la válvula como el actuador neumático deben mantener la integridad a bajas temperaturas de hasta –52 °C.
Durante el desarrollo, se optimizó la estructura de la válvula para resolver problemas clave de las válvulas de bola de vástago ascendente convencionales, como el sellado bidireccional inadecuado, la menor tensión en el eje de soporte y las dificultades para el mantenimiento del asiento. La estructura de la válvula de bola de vástago ascendente de alta presión, gran diámetro, sellado bidireccional y controlada por programa se ilustra en la Figura 1.
Figura 1. Esquema estructural de la válvula de bola programable de vástago ascendente, de alta presión, gran diámetro y sellado bidireccional.
1. Cuerpo de la válvula 2. Buje 3. Retenedor del asiento 4. Asiento de la válvula 5. Bola 6. Vástago 7. Rodillo 8. Junta 9. Bonete 10. Espárrago
11. Tuerca 12. Empaquetadura compuesta de baja fuga 13. Anillo espaciador 14. Prensaestopas 15. Brida de empaque 16. Pasador guía 17. Conjunto de actuador neumático
(1) Área de contacto endurecida entre la tapa de la válvula y el vástago
Como se muestra en la Figura 2, la superficie de contacto entre el extremo inferior de la tapa de la válvula y el vástago de la válvula está endurecida con carburo de estelita, lo que reemplaza el manguito superior convencional presente en las válvulas de bola tradicionales de vástago ascendente. Este tratamiento mejora significativamente la resistencia al desgaste y garantiza un funcionamiento fiable hasta 750 ciclos al año.
Figura 2. Área de contacto endurecida entre la tapa de la válvula y el vástago
(2) Bola fundida con eje de soporte inferior integrado
Como se muestra en la Figura 3, el eje de soporte inferior está fundido integralmente con la bola, lo que proporciona alta resistencia, un funcionamiento suave y un par reducido. Además del recubrimiento de aleación a base de níquel en la superficie de sellado de la bola, el eje de soporte inferior está endurecido con carburo de estelita, lo que mejora la resistencia al desgaste y previene la deformación del eje.
Figura 3. Diseño de eje de soporte inferior integrado
(3) Diseño de asiento flotante
Como se muestra en la Figura 4, la válvula presenta un diseño de asiento flotante. Durante el sellado inverso, la presión del medio actúa sobre el subasiento, presionándolo ligeramente contra la superficie de la bola. Esto garantiza un contacto firme entre el asiento y la bola. A medida que aumenta la presión del medio, aumenta la tensión de contacto entre las superficies de sellado, logrando un sellado bidireccional eficaz.
Figura 4. Diseño de asiento flotante
(4) Diseño de reemplazo de asientos en línea
El asiento de la válvula se puede reemplazar en línea sin necesidad de herramientas especiales, lo que permite un mantenimiento rápido y reduce el tiempo de inactividad. Al aflojar el anillo de retención del asiento y desengancharlo de las roscas del cuerpo, el asiento se puede retirar y reemplazar rápidamente, minimizando los costos de mantenimiento y el tiempo de inactividad.
(5) Actuador neumático con depósito de inercia
El actuador neumático, equipado con un depósito de compensación, reduce la velocidad de apertura del pistón, elimina el ruido y garantiza un funcionamiento suave de la válvula. Este diseño minimiza la tensión y la deformación del vástago, a la vez que cumple con el requisito de accionamiento de alta frecuencia de 750 ciclos al año.
El cuerpo y el bonete de la válvula, como componentes principales que soportan la presión de esta válvula de bola de vástago ascendente programable, bidireccional, de gran diámetro, de alta presión y clase 900 NPS 24, son fundamentales para su integridad estructural. El cuerpo de la válvula presenta una compleja estructura de tres vías, mientras que el bonete presenta una configuración extendida en forma de T. Ambos componentes son propensos a la concentración de tensiones. Para garantizar la integridad de la barrera de presión, se evaluó la resistencia del cuerpo y el bonete de la válvula según la norma ASME B16.34-2020 y se verificó mediante análisis de elementos finitos (FEA).
El espesor de la pared del cuerpo de la válvula y del bonete se calculó utilizando el método ASME B16.34-2020:
t=0,10449d+2,54=62,1 mm
En este caso, el df se considera de 570 mm, de acuerdo con la norma API 6D-2021. Considerando las cargas adicionales de la tubería y las fuerzas operativas, los espesores de pared mínimos reales se establecen en 75 mm para el cuerpo de la válvula y 69 mm para el bonete.
La resistencia del cuerpo de la válvula se analizó utilizando el método de elementos finitos (FEM) de acuerdo con ASME BPVC VIII-2:2023.
Malla
La malla se generó utilizando técnicas de refinamiento adaptativo y local, dando como resultado 721.895 nodos y 486.666 elementos, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5: Engranaje del cuerpo de la válvula
Cargar aplicación
Además de la presión interna, se aplicaron las siguientes cargas:
Fuerzas de perno aplicadas a las bridas cerca del plano central.
Fuerza de sellado ejercida por la junta anular sobre las dos superficies inclinadas.
Fuerzas del perno aplicadas a la brida central en la conexión del capó.
Según API 6D-2021, Sección 5.1 (“Criterios de Diseño y Cálculos”), si la especificación o norma de diseño elegida especifica una presión de prueba inferior a 1,5 veces la presión máxima de trabajo admisible, la presión de cálculo debe incrementarse para tener en cuenta las pruebas hidrostáticas. Por consiguiente, el factor de amplificación de presión utilizado en el análisis FEM fue:
Cargas y restricciones
Como se muestra en la Figura 6, las cargas y restricciones aplicadas fueron:
Presión interna: 17,29 MPa
Fuerza del perno por perno cerca de la brida del plano central: 818 393 N
Fuerza de sellado de la junta anular: 16.367.860 N
Fuerza de perno por perno en la brida central de conexión del capó: 860.987 N
El centro de gravedad del cuerpo de la válvula se fijó con restricciones de contorno.
Análisis de tensión y deformación
La distribución de tensión equivalente se muestra en la Figura 7. La tensión máxima de 657,35 MPa se produce en la unión del plano superior del orificio del asiento de la válvula con la cavidad interna, una discontinuidad estructural típica. La distribución de deformación equivalente se muestra en la Figura 8, con una deformación máxima de 1,3559 mm ubicada en la superficie del arco simétrico cerca de la parte delantera y trasera de la brida central.
Figura 6: Cargas y restricciones del cuerpo de la válvula
Figura 7: Distribución de tensión equivalente del cuerpo de la válvula
Figura 8: Distribución de deformación equivalente del cuerpo de la válvula
La tensión máxima superó los 160 MPa admisibles especificados para el material del cuerpo de la válvula en la norma ASTM A352-2021 ICI. Por lo tanto, se realizó la linealización de la tensión de acuerdo con la norma ASME BPVC VIII-2, como se muestra en la Figura 9.
Elemento de evaluación 1: Estrés local primario de membrana P=158,99 MPa<1,5S=240,0 MPa Resultado: Calificado.
Ítem de evaluación 2: P+Pb+Q=313,01 MPa<3S=480,0 MPa Resultado: Calificado.
Figura 9: Linealización de la tensión en el punto de máxima tensión en el cuerpo de la válvula
La resistencia del bonete se evaluó mediante análisis de elementos finitos (FEA) siguiendo ASME BPVC VIII-2:2023.
Malla
Se utilizaron técnicas de refinamiento adaptativo y local para generar la malla, dando como resultado 242.203 nodos y 84.409 elementos, como se muestra en la Figura 10.
Figura 10: Engranaje del capó
Cargas y restricciones
Además de la presión interna, se aplicaron las siguientes cargas al bonete: fuerzas de perno en la superficie superior de la brida inferior que se conecta al cuerpo de la válvula y fuerzas de perno en la superficie inferior de la brida superior que se conecta al actuador neumático.
Cargas y restricciones
Como se muestra en la Figura 11, el cuerpo de la válvula está sometido a una presión interna de 17,29 MPa en la cavidad del bonete. Se aplica una fuerza de 860.987 N a cada perno de la brida inferior que conecta con el cuerpo de la válvula, y de 84.594 N a cada perno de la brida superior que conecta con el actuador neumático. El centro de gravedad del bonete está fijo para proporcionar una restricción límite.
La Figura 12 muestra la distribución de tensiones equivalentes del bonete. La tensión máxima se produce en el borde del orificio central de la brida, una ubicación típica de discontinuidades estructurales.
La tensión máxima en el bonete es de 281,26 MPa. La Figura 13 muestra la distribución de la deformación equivalente, con una deformación máxima de 0,79396 mm en el diámetro exterior de la brida que conecta al actuador neumático.
Figura 11: Cargas y restricciones del capó
Figura 12: Distribución de la tensión equivalente del capó
Figura 13: Distribución de la deformación equivalente del capó
La tensión máxima en el bonete supera la tensión admisible de 160 MPa para el material, según lo especificado en la norma ASTM A352 2021 IC1. Por lo tanto, se requiere la linealización de la tensión antes de la evaluación de la resistencia, como se muestra en la Figura 14. Esta evaluación se realiza de acuerdo con la norma ASME BPVC Sección VIII, División 2 (2023).
Figura 14: Contorno de tensión equivalente linealizado en el punto de tensión máxima en el capó
Elemento de evaluación 3: La tensión local primaria de la membrana (Pm) debe ser inferior a 1,5 Sm.
Cálculo: Pm = 73,544 MPa; 1,5 Sm = 240,0 MPa.
Resultado: Requisito cumplido.
Elemento de evaluación 4: La combinación de la tensión primaria de membrana (Pm), la tensión primaria de flexión (Pb) y la tensión secundaria de flexión (Q) debe ser inferior a 3 Sm.
Cálculo: Pm + Pb + Q = 169,01 MPa; 3 Sm = 480,0 MPa.
Resultado: Requisito cumplido.
Los cálculos y análisis de resistencia confirman que tanto el cuerpo de la válvula como el bonete son estructuralmente sólidos, lo que garantiza la integridad del límite de presión entre ellos.
El vástago de la válvula, un componente crítico de la válvula de bola de vástago ascendente programable, de alta presión, gran diámetro, sellado bidireccional y clase 900 NPS 24, es susceptible a la concentración de tensiones y daños en la ranura espiral, lo que lo convierte en la parte más vulnerable del vástago. Durante el funcionamiento de la válvula, el par se transmite al vástago, causando deformación en la ranura espiral. Por lo tanto, calcular el ángulo de torsión y la rigidez torsional en esta ubicación es esencial para verificar la integridad estructural del vástago.
Se calculó que el ángulo de torsión de la ranura en espiral del vástago con respecto a la parte superior del vástago era de 0,093°.
La rigidez torsional en la ranura espiral del vástago se calculó como 0,098°/m.
Evaluación del ángulo de torsión
Criterio de evaluación: θ ≤ ω
Según el Apéndice de MSS SP-134-2012-10, “Válvulas de baja temperatura con cuerpo y bonete extendidos” (Sección XI.1.6), el ángulo de torsión permitido es de 2°.
El ángulo de torsión calculado en la parte inferior de la ranura en espiral del vástago con respecto a la parte superior del vástago está muy por debajo del límite permitido, lo que confirma que el requisito de ángulo de torsión se cumple por completo.
Evaluación de la rigidez torsional
Criterio de evaluación: θ ≤ β
Según la Mecánica de Materiales, la rigidez torsional admisible para los ejes utilizados en maquinaria de precisión es de 0,25 a 0,5°/m.
El cálculo indica que la rigidez torsional de la ranura espiral del vástago se encuentra dentro del rango permitido, lo que confirma que se cumple el requisito de rigidez torsional.
Para garantizar un funcionamiento fiable a temperaturas ambiente de hasta –52 °C, el cuerpo de la válvula y el actuador neumático se fabricaron con acero ASTM A352-2021 LC1. Según la norma, la resistencia media al impacto Charpy con entalla en V de las piezas fundidas LC1 a –59 °C debe superar los 18 J, y ninguna muestra individual puede ser inferior a 14 J. Sin embargo, para garantizar un funcionamiento seguro en las regiones frías y de gran altitud de Rusia, donde la fractura frágil podría provocar una falla catastrófica de la válvula, el cliente requirió una energía de impacto mínima de 27 J a –52 °C. Este requisito supera con creces la norma ASTM A352, lo que hace esencial optimizar el proceso de fundición LC1.
Fusión de EAF + LF
El uso de un horno de arco eléctrico (EAF) combinado con un horno de refinación de cuchara (LF) mejora la pureza del acero al minimizar la cantidad y el tamaño de las inclusiones, mejorando así significativamente la tenacidad al impacto, particularmente a bajas temperaturas.
Control de la composición de la aleación
Además de controlar cuidadosamente el carbono, el manganeso, el fósforo, el azufre y el molibdeno, el contenido de níquel debe mantenerse entre el 0,30 % y el 0,40 % en masa. Esta composición optimiza el efecto de refuerzo del níquel, a la vez que mejora la plasticidad y la tenacidad del acero, especialmente su resistencia al impacto a baja temperatura.
Optimización del tratamiento térmico
El temple y revenido proporcionan una tenacidad al impacto a baja temperatura significativamente mayor que el normalizado y revenido, lo que lo convierte en el método de tratamiento térmico preferido.
Prueba de impacto
Cada colada de piezas fundidas debe someterse a pruebas de impacto a baja temperatura y los resultados a –52 °C deben cumplir el requisito especial de ≥27 J.
Pruebas químicas y mecánicas
La composición química y las propiedades mecánicas de cada lote, producido bajo las mismas condiciones de calor y tratamiento térmico, deben verificarse para cumplir plenamente con la norma ASTM A352-2021.
Inspección radiográfica
Todas las piezas fundidas se someten a pruebas radiográficas y los resultados deben cumplir con la norma ASME B16.34-2020.
Inspección visual
Todas las piezas fundidas se inspeccionan visualmente para garantizar el cumplimiento de la norma MSS SP-55-2011, Grado 4B.
Resultado:
Después de optimizar el proceso de fundición, la tenacidad al impacto a baja temperatura de las piezas fundidas LC1 mejoró significativamente, logrando constantemente ≥27 J a –52 °C, satisfaciendo plenamente los requisitos mejorados del cliente.
El mecanizado convencional de vástagos de válvulas de bola de vástago ascendente a menudo no cumple con las tolerancias y rugosidad superficiales requeridas para la ranura de la guía, la superficie de cuña y las superficies planas inferiores izquierda y derecha. Si bien estos vástagos pueden ser adecuados para válvulas de bola de vástago ascendente de accionamiento manual o eléctrico, las válvulas de bola de vástago ascendente de alta presión, gran diámetro y controladas por programa experimentan un desgaste significativo en estas zonas. Esto puede provocar el agarrotamiento de la válvula y fallos de accionamiento. Además, los vástagos fabricados con métodos convencionales no están endurecidos; tras un uso repetido, la superficie cilíndrica exterior, la superficie de cuña, las superficies planas delantera y trasera, y las superficies planas inferiores izquierda y derecha suelen presentar deformación y agarrotamiento, lo que perjudica aún más el rendimiento de la válvula.
Para cumplir con el requisito de accionamiento de alta frecuencia de 750 ciclos al año, se optimizó el proceso de mecanizado del vástago de la válvula. Las mejoras clave incluyen:
Fresado simultáneo de ranuras de vía
Un centro de taladrado y fresado de cuatro ejes mecaniza las ranuras de la pista simultáneamente con una orientación del vástago de 0°, lo que garantiza una simetría precisa entre las dos ranuras.
Mecanizado de precisión relativo a la ranura de la pista
Se utiliza electroerosión por hilo de baja velocidad, con la ranura de la pista como referencia, para mecanizar la superficie de la cuña y los planos inferiores izquierdo y derecho. Esto garantiza tolerancias de posición precisas y el acabado superficial requerido para estas áreas críticas.
Tratamiento de endurecimiento
El diámetro exterior del vástago, la superficie cónica inferior, la superficie de cuña, la cara del extremo inferior, los planos frontal y trasero y los planos inferiores izquierdo y derecho están todos endurecidos para evitar tensiones, agarrotamientos y desgaste prematuro.
La superficie de sellado de la bola de gran diámetro y alta presión se recubre mediante un proceso de fusión por pulverización de llama, lo que forma una unión metalúrgica entre el recubrimiento y el sustrato. Se aplica una fórmula especial de KIIOY, que produce un espesor de recubrimiento de ≥1,0 mm con una dureza de 63-65 HRC. Este proceso mejora significativamente la resistencia al desgaste y la erosión de la válvula en condiciones de funcionamiento de alta presión y gran diámetro.
Las pruebas de rendimiento de la válvula incluyen pruebas de carcasa, sellado bidireccional de líquido y gas a alta presión, sellado bidireccional de gas a baja presión, accionamiento sin carga y accionamiento bajo presión diferencial máxima de cierre. Las pruebas de carcasa y sellado se realizaron en estricta conformidad con las normas GOST 9544-2015 y GOST 33257-2015. Las pruebas de sellado bidireccional de líquido a alta presión, gas a alta presión y gas a baja presión cumplieron con los requisitos de Clase A de GOST 9544-2015. Durante las pruebas de accionamiento en vacío y a presión diferencial máxima, la válvula funcionó con suavidad, sin atascamientos, deslizamientos ni vibraciones. Abrió en 117-120 segundos y cerró en 88-90 segundos, cumpliendo con el requisito de tiempo máximo de apertura/cierre de ≤150 segundos.
Este artículo presenta los parámetros clave de diseño y los desafíos de desarrollo de una válvula de bola programable de vástago ascendente, de alta presión, gran diámetro, sellada bidireccionalmente y NPS 24 Clase 900. Las principales conclusiones se resumen a continuación:
(1) El diseño convencional de la válvula de bola de vástago ascendente se optimizó con éxito para abordar problemas críticos que incluían fallas en el sellado bidireccional, rigidez insuficiente del eje de soporte y difícil mantenimiento del asiento.
(2) Las mejoras estructurales clave incluyeron: endurecimiento de la superficie del área de contacto entre el capó y el vástago, implementación de una bola fundida de una sola pieza con eje de soporte integrado y adopción de un diseño de asiento flotante con capacidad de reemplazo en línea.
(3) El sistema de actuación se mejoró mediante la incorporación de un actuador neumático con tanque de reserva, garantizando un funcionamiento confiable y programabilidad.
(4) La integridad del límite de presión se verificó mediante análisis de elementos finitos y cálculos de cumplimiento de ASME B16.34-2020, lo que confirma la idoneidad estructural de los componentes del cuerpo de la válvula y del bonete.
(5) La resistencia del vástago y la rigidez torsional se validaron mediante cálculos especializados de la geometría de la ranura en espiral, demostrando la idoneidad para los requisitos de torque operativo máximo.
(6) El rendimiento del material se mejoró significativamente mediante la optimización del proceso de fundición LC1, logrando una tenacidad al impacto a baja temperatura mejorada que supera los ≥27 J requeridos a -52 °C.
(7) El enfoque de diseño integrado resolvió con éxito los desafíos técnicos del sellado bidireccional, la integridad estructural y la accesibilidad para el mantenimiento, manteniendo al mismo tiempo la capacidad total de contención de presión.
(8) La válvula desarrollada cumple con todos los requisitos de rendimiento especificados para aplicaciones de alta presión y representa un avance significativo en la tecnología de válvulas de bola de alta presión y gran diámetro.
Estas mejoras integrales garantizan un funcionamiento confiable en condiciones extremas al tiempo que proporcionan márgenes de seguridad mejorados y flexibilidad de mantenimiento en comparación con los diseños convencionales.
