Optimización de válvulas de bola de cierre de emergencia para separadores térmicos de alta presión de hidrocraqueo de diésel

Resumen: Como componente crítico en las unidades de hidrocraqueo de diésel, la válvula de bola de cierre de emergencia utilizada en la separación térmica a alta presión desempeña un papel decisivo para garantizar la operación segura y estable del proceso. Este estudio investiga la fuga que se produce en la costura central del cuerpo de la válvula de cierre de emergencia. válvulas de bola de cierre Operando en condiciones de separación térmica a alta presión. Se analizan sistemáticamente la estructura de la válvula, sus principios de funcionamiento y las posibles causas de fugas externas. Se proponen tres esquemas de optimización para la estructura de sellado del cuerpo de la válvula y, mediante un análisis detallado de las características estructurales de la válvula y una evaluación exhaustiva del rendimiento del material de sellado, se desarrolla una solución práctica y fiable. La implementación exitosa de esta solución proporciona un sólido soporte técnico y garantiza el funcionamiento estable a largo plazo de las unidades de hidrocraqueo de diésel. En las unidades de hidrocraqueo de diésel, la válvula de bola de cierre de emergencia utilizada en la separación térmica a alta presión es un componente de seguridad crítico, diseñado para evitar la entrada de fluidos de alta presión en los sistemas de baja presión y, por lo tanto, garantizar el funcionamiento seguro y estable de todo el proceso de reacción a alta presión. Por consiguiente, esta válvula es un elemento clave del sistema de protección de seguridad general de la unidad. Tras casi un año de funcionamiento continuo, una unidad de hidrocraqueo de diésel de una planta petroquímica que utiliza el proceso AXENS experimentó una fuga anormal en las juntas del cuerpo de dos válvulas de bola de cierre de emergencia del sistema de separación térmica a alta presión. A medida que la unidad continuaba operando y las cargas de producción se ajustaban dinámicamente, la fuga empeoró gradualmente, lo que representaba una amenaza significativa para la operación segura y estable de la unidad. Para abordar este problema, se realizó un análisis exhaustivo del diseño estructural de la válvula, junto con una evaluación sistemática de los materiales utilizados en sus componentes de sellado. Con base en estas investigaciones, se desarrolló una solución práctica y eficaz que ofrece un sólido soporte técnico para la operación estable, a largo plazo, a plena capacidad y de alta calidad de la unidad de hidrocraqueo de diésel.

En los procesos de hidrocraqueo de diésel, la válvula de bola de cierre térmico de emergencia de alta presión se instala principalmente en la unidad de reacción de hidrocraqueo para satisfacer los requisitos operativos específicos de este servicio. El fluido del proceso es altamente corrosivo y las operaciones se realizan continuamente en condiciones rigurosas, incluyendo altas temperaturas, altas presiones, entornos ricos en hidrógeno y diferenciales de presión significativos. La función principal de la válvula de bola de cierre térmico de emergencia de alta presión para hidrocraqueo es evitar la entrada accidental de fluidos de alta presión en las secciones de baja presión del sistema durante la operación. Esta función es crucial para mantener la seguridad general y la estabilidad del proceso. Durante el hidrocraqueo, un control insuficiente de los fluidos de alta presión puede causar daños graves a los equipos y presentar riesgos directos para la seguridad del personal. Por lo tanto, la válvula de bola de cierre térmico de emergencia de alta presión para hidrocraqueo debe ser altamente confiable, permitiendo un aislamiento rápido y seguro de los fluidos de alta presión en situaciones de emergencia, minimizando así eficazmente los posibles riesgos operativos.

La válvula de bola de cierre de emergencia para hidrocraqueo térmico de alta presión de esta unidad de hidrocraqueo diésel presenta un diseño de paso completo con sellado bidireccional de doble flujo y configuración de doble asiento. La válvula utiliza un diseño de bola fija y cuerpo dividido, cuyo cuerpo se fabrica mediante forjado integral para garantizar una alta resistencia mecánica e integridad estructural. Tanto la bola como los asientos de la válvula están endurecidos superficialmente con carburo de tungsteno para mejorar la resistencia al desgaste. El recubrimiento se aplica mediante pulverización, lo que garantiza una fuerte unión metalúrgica entre la capa de recargue y el sustrato, previniendo eficazmente la delaminación durante el servicio. Además, la bola de la válvula está diseñada intencionalmente para ser más dura que el asiento, minimizando el riesgo de desgaste por rozamiento o agarrotamiento entre las superficies de sellado.

La inspección de la válvula averiada reveló que la junta de sellado proporcionada por el fabricante original no cumplía con los requisitos de sellado a largo plazo en condiciones de alta temperatura, presentando una evidente degradación con el tiempo. Una revisión de los planos de montaje de la válvula y la lista de componentes proporcionada por el fabricante reveló que la costura central del cuerpo de la válvula estaba sellada con un elastómero de junta tórica Kalrez®. La literatura técnica publicada indica que este tipo de elastómero posee, en general, excelentes propiedades materiales, con compatibilidad con sulfuro de hidrógeno, hidrógeno y diésel, cumpliendo con los requisitos operativos nominales de diseño. La compatibilidad de los diferentes elastómeros con diversos medios se resume en la Tabla 1.

Tabla 1. Clasificaciones de compatibilidad de diferentes materiales elastómeros para diversos medios

Notas:

R: El elastómero se ve mínimamente afectado por el medio, con una expansión volumétrica típica inferior al 10 %. En condiciones severas, puede producirse una ligera hinchazón o una ligera degradación del rendimiento, pero la funcionalidad general no suele verse afectada.

C: El elastómero tiene una resistencia química limitada y no se recomienda para servicio continuo en este medio.

U: El elastómero se ve afectado significativamente por el medio y su idoneidad debe verificarse mediante pruebas específicas.

Además, las características de rendimiento de diversos materiales elastoméricos se resumen en la Tabla 2. Las juntas tóricas elastoméricas son componentes críticos en los sistemas de sellado de alta presión. Sin embargo, una revisión detallada de los parámetros clave de rendimiento, como la resistencia al desgarro, la deformación permanente por compresión y la resistencia al agrietamiento por flexión, reveló que estas propiedades no están documentadas exhaustivamente en la literatura técnica disponible. Además, el fabricante de la válvula no pudo proporcionar los datos experimentales correspondientes para respaldar la validación. En consecuencia, no se puede demostrar de forma concluyente que los materiales elastoméricos enumerados en la Tabla 2 sean adecuados para el servicio a largo plazo en condiciones de hidrogenación a alta temperatura y alta presión. La selección de materiales elastoméricos para válvulas de control y cierre debe basarse en una comprensión completa de las condiciones de servicio y las propiedades inherentes de los materiales. Los factores clave incluyen la temperatura y la presión de operación, los diferenciales de presión, las características del flujo, el modo de actuación de la válvula y la composición química del medio de proceso. Por consiguiente, los datos de compatibilidad presentados en la Tabla 2 deben considerarse solo como una guía general, porque las variaciones en la formulación y los aditivos pueden afectar marcadamente el rendimiento real y la confiabilidad a largo plazo de los materiales elastómeros.

Una revisión de la literatura nacional e internacional relevante destaca una importante limitación inherente de este tipo de junta tórica de elastómero. Bajo exposición prolongada a altas temperaturas, sus propiedades mecánicas clave, en particular la resistencia a la tracción y el alargamiento de rotura, se deterioran gradualmente, provocando finalmente la falla completa de la junta tórica. El rendimiento de envejecimiento térmico a largo plazo de los perfluoroelastómeros, que se muestra en la Tabla 3, se valida aún más con los datos operativos de las válvulas en campo. En condiciones reales de servicio, las fugas en la costura central del cuerpo de la válvula se desarrollan típicamente entre 6 y 12 meses de operación, progresando desde una filtración inicial mínima hasta una fuga grave de aceite. Esta observación proporciona evidencia directa de la degradación del rendimiento del elastómero bajo condiciones prolongadas de alta temperatura, lo que demuestra que estas juntas tóricas no son adecuadas para el servicio a largo plazo en esta aplicación. Comparaciones exhaustivas con válvulas de cierre y control que operan en condiciones similares indican que, en servicios de alta temperatura y alta presión con aceite de cera y aceite residual, las válvulas de cierre MOGAS de las series CA-1AS, VELAN R y AST HB-1 utilizan juntas metálicas para sellar la costura central del cuerpo de la válvula. De igual manera, las válvulas de control Masoneilan de las series 21, 41, 77 y 78 emplean universalmente juntas espiraladas de metal-grafito en las costuras del cuerpo de la válvula. Cabe destacar que ninguna de estas válvulas ha presentado fallas en el sellado de la costura central ni fugas externas durante su funcionamiento prolongado. Estas observaciones confirman además que el material de sellado utilizado actualmente para la costura central del cuerpo de la válvula en las válvulas de bola de cierre de emergencia de alta temperatura es inadecuado para las condiciones reales de operación de esta unidad.

Durante un giro importante de la unidad, se desmontó una válvula de bola de cierre de emergencia que presentaba fugas externas para su inspección. El examen reveló que el elemento de sellado del anillo tórico en la costura central del cuerpo de la válvula se había fracturado a intervalos de aproximadamente 30 cm, con múltiples roturas observadas a lo largo de la circunferencia del sellado. Este hallazgo valida además el análisis anterior, identificando de manera concluyente la causa raíz de la fuga de la costura central y proporcionando una dirección clara para la optimización técnica posterior. Actualmente, las válvulas de bola de cierre de emergencia utilizadas en unidades de hidrocraqueo diesel emplean generalmente una estructura de sellado diseñada para evitar el desgarro O la extrusión del anillo tórico resultante de una fuerza de sellado excesiva. Específicamente, se forma una estructura de acoplamiento similar a una brida entre el cuerpo de válvula principal y el cuerpo de válvula auxiliar, como se muestra en la figura 1. Sin embargo, el funcionamiento práctico indica que este diseño no proporciona prácticamente ninguna posibilidad para el apriete o ajuste de la línea. Como resultado, su aplicabilidad en condiciones de hidrocraqueo a alta temperatura y alta presión, particularmente durante el arranque, el apagado o las fluctuaciones de carga, es severamente limitada, y no cumple con los requisitos operativos reales.

Figura 1. Diagrama esquemático de la estructura de sellado de la costura central del cuerpo de la válvula

Basándose en las características de funcionamiento de la unidad de hidrocraqueo diesel, específicamente de alta temperatura, alta presión y condiciones de servicio severas, se proponen tres esquemas de mejora alternativos para la estructura de sellado de la costura central del cuerpo de válvula, como se describe a continuación.

Teniendo en cuenta las condiciones de alta temperatura y alta presión del proceso de hidrocraqueo diésel, se recomienda que los fabricantes de válvulas adopten juntas metálicas octogonales tipo BX de acuerdo con la especificación API 6A. La junta de tipo BX y su configuración de sellado asociada se muestran en la figura 2. Esta junta proporciona una excelente resistencia a altas presiones, adecuada para presiones de hasta 42 MPa y un rango de temperatura de-196 a 1000°C. La junta tipo BX aumenta la tensión de contacto en la superficie de asiento, y la presión interna del sistema genera además un efecto de autosellado energizado por presión, asegurando un funcionamiento seguro y estable de la válvula. En caso de fugas menores durante el servicio, el espacio libre entre la brida y la junta permite eliminar eficazmente la fuga mediante el apriete en línea a un par constante. Las juntas octogonales tipo BX se utilizan ampliamente en equipos de presión estándar API, particularmente para bridas de gran diámetro, y proporcionan consistentemente un sellado confiable en una gama de condiciones de presión permitidas.

Figura 2. Diagrama esquemático de la junta octogonal tipo BX y la estructura de sellado correspondiente

La segunda solución utiliza una junta autosellante de presión anular triangular de doble cono, como se muestra en la Figura 3. Esta estructura de sellado presenta un diseño relativamente simple, excelente resistencia a altas temperaturas y altas presiones, y una precarga inicial de perno menor en comparación con con juntas planas convencionales. Con un rango de presión de 1 a 42 MPa y una temperatura de funcionamiento de 0 a 1000 ° C, la junta anular triangular de doble cono proporciona un sellado confiable a través de su mecanismo activado por presión, incluso en condiciones de funcionamiento variables.

Figura 3. Diagrama esquemático de la junta autosellante de presión anular triangular de doble cono

La tercera solución utiliza tecnología de sellado de juntas de lentes de metal, como se muestra en la Figura 4. La junta tiene una geometría en forma de lente con dos superficies esféricas, creando una interfaz de sellado de contacto de línea entre la superficie de la junta esférica y la superficie de asiento cónica. Produce una alta presión de sellado específica para una excelente confiabilidad y puede adaptarse automáticamente a pequeñas irregularidades de la superficie en las caras de acoplamiento, ofreciendo una buena autoalineación. La junta de lente de metal también proporciona propiedades de autocentrado y un efecto de autoapriete de semi-presión. Con una temperatura máxima de 800 ° C y una presión permitida de 42 MPa, esta estructura de sellado es adecuada para el servicio de hidrocraqueo de alta presión y alta temperatura.

Figura 4. Diagrama esquemático de la estructura de sellado de la junta de la lente metálica

En condiciones de alta temperatura y alta presión, las juntas metálicas demuestran claras ventajas como materiales de sellado. Conservan la integridad estructural y el rendimiento de sellado confiable bajo las fluctuaciones extremas de temperatura y presión propias de la apertura y cierre de la unidad. Por lo tanto, las juntas metálicas son ideales para entornos de servicio hostiles que involucran altas temperaturas y presiones, donde los materiales de sellado no metálicos no pueden funcionar de manera confiable. Además, las juntas metálicas brindan estabilidad operativa a largo plazo sin envejecimiento, degradación o pérdida del rendimiento de sellado. Para la selección de materiales, se recomienda acero inoxidable como requisito mínimo para garantizar suficiente resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Para condiciones de servicio más exigentes, se pueden usar Inconel 718 (In718) o Inconel 750 (In750), con In718 particularmente preferido por su excelente resistencia a altas temperaturas, alta presión y estrés mecánico. Para aplicaciones que requieren un rendimiento aún mayor, Inconel 750 (In750) con una superficie chapada en oro se puede utilizar para mejorar aún más la resistencia a la corrosión y al desgaste, extendiendo así la vida útil y mejorando la confiabilidad del sellado en condiciones de funcionamiento extremas.

Después del incidente de fuga de la válvula, el personal técnico llevó a cabo una revisión exhaustiva de la literatura nacional e internacional relevante y comparó los hallazgos con los datos del fabricante original para el sello tórico. Este análisis identificó un defecto crítico en el modelo de anillo tórico originalmente utilizado en la costura central del cuerpo de la válvula. Específicamente, durante el servicio a alta temperatura a largo plazo, los parámetros clave de rendimiento, como la resistencia a la tracción y el alargamiento al rotura, se deterioran gradualmente, lo que eventualmente resulta en una falla completa del sello. Simplemente reemplazar el sello fallado por un nuevo anillo tórico de la misma especificación sería una solución temporal y de alto riesgo, ya que es probable que se repita la fuga en la costura del cuerpo de la válvula. Para validar esta conclusión, se instaló un anillo tórico idéntico durante la revisión de 2023 de la unidad de hidrocraqueo diesel Nº 1. Sin embargo, solo tres meses después de que la válvula volviera a funcionar, la fuga en la costura central del cuerpo de la válvula volvió a ocurrir, confirmando completamente la precisión del análisis del mecanismo de falla. Después de evaluar los tres esquemas de mejora propuestos, se seleccionó finalmente la solución de junta metálica octogonal. Una válvula retroequipada con esta solución durante la revisión importante de 2024 fue tomada como un caso representativo. A medida que el tiempo de funcionamiento de la unidad aumentó y las cargas de producción se ajustaron dinámicamente, la costura central del cuerpo de la válvula mantuvo consistentemente un rendimiento de sellado confiable, sin recurrencia de fugas. La optimización eliminó por completo el riesgo de seguridad, asegurando una base técnica confiable para el funcionamiento estable y seguro a largo plazo de la unidad de hidrocraqueo diésel.

A través de una estrecha colaboración entre la empresa operadora y el equipo técnico del fabricante de la válvula, se llevó a cabo una investigación sistemática y optimizaciones específicas para abordar el problema crítico de fugas de la válvula de bola de cierre de emergencia. Se obtuvieron las siguientes conclusiones clave y conocimientos de ingeniería:

Causa raíz de la fuga de la costura central del cuerpo de la válvula
Se identificó claramente el mecanismo de falla de la costura central del cuerpo de la válvula. El elastómero de anillo tórico utilizado en esta aplicación tiene deficiencias inherentes bajo un servicio a alta temperatura a largo plazo. Las propiedades mecánicas clave, en particular la resistencia a la tracción y el alargamiento a la rotura, se deterioran gradualmente durante la exposición prolongada a temperaturas elevadas, lo que en última instancia conduce a una falla completa del sello y fugas externas.

Guía para la selección de válvulas en unidades de hidrogenación de alta temperatura y alta presión
Los resultados proporcionan orientación clave para la selección y aplicación de válvulas de bola de cierre de emergencia en el servicio de hidrogenación a alta temperatura y alta presión. Durante la construcción de nuevos proyectos o remodelaciones técnicas, es esencial asegurarse de que el cuerpo de la válvula y las forjas internas cumplan con todas las normas de calidad y rendimiento aplicables. En base a esto, la selección de los componentes de sellado debe realizarse con una evaluación integral y conservadora. En particular, en condiciones extremas de alta temperatura, alta presión y servicio de hidrógeno, los materiales de sellado no metálicos y no grafito deben evitarse estrictamente para garantizar la fiabilidad del sellado a largo plazo, la seguridad operativa y la estabilidad de la unidad.

Eficacia de la estructura de sellado y optimización del Material
La optimización de la estructura de sellado de la costura central y la sustitución de los sellos de elastómero por una junta metálica permitieron un funcionamiento estable a largo plazo de la válvula de bola de cierre de emergencia en la unidad de hidrocraqueo diesel AXENS-process. Las operaciones de campo han demostrado un rendimiento de sellado fiable en condiciones de carga variable, sin recurrencia de fugas. En general, este estudio ofrece orientación técnica práctica y valiosa experiencia de ingeniería para la selección, diseño y optimización de válvulas de bola de cierre de emergencia que operan en condiciones duras, proporcionando una referencia confiable para aplicaciones similares en las industrias de refinación y petroquímica.