Válvula de mariposa excéntrica de control NPS 26 para la ampliación de una planta de EDC: Class 150, una caída de 0.01 bar

Una válvula de control a la que se le pide perder una centésima de bar a lo largo de 26 pulgadas de línea no tiene, por cálculo habitual, nada que hacer. Ese es todo el problema de ingeniería. A 0.01 bar la válvula no está ahí para quemar presión — de eso se encarga la línea — está ahí para mover el caudal en incrementos pequeños y repetibles, sostenerlo durante años y girar al cierre por sí sola en el instante en que desaparece el aire de instrumentos. Esta página describe la válvula de mariposa excéntrica de control NPS 26 Class 150 neumática suministrada para la ampliación de la planta de EDC de PT. Sadang Indoyl Monomer en Indonesia: cuerpo de CF8, disco y asiento de 304, vástago de 17-4PH, Cv nominal de 24,000 y actuador de pistón con cierre por fallo de aire.

1. El servicio, en seis líneas

• Servicio: gas EDC (dicloruro de etileno), regulación de caudal hacia el sistema de alimentación del reactor — 97 °C, 0.51 barg en la entrada, 0.01 bar a través de la válvula

• Válvula: válvula de mariposa excéntrica de control NPS 26, Class 150, con bridas RF según ASME B16.5

• Cuerpo y obturador interno: cuerpo fundido ASTM A351 CF8; disco y asiento de 304; vástago de 17-4PH; empaquetadura de PTFE

• Característica: aproximadamente de porcentaje igual, carrera de 90 grados, Cv nominal de 24,000 frente a un Cv calculado de 12,075 en el caudal máximo

• Accionamiento: actuador de pistón, de simple efecto con retorno por muelle, cierre por fallo de aire; posicionador inteligente en 4-20 mA, ExdIICT6

• Ensayos: cuerpo según BS EN 1349; fuga de asiento ANSI/FCI 70-2 Class V

Todo lo demás — el taladrado de la brida, el prensaestopas, el filtro regulador — se deriva de estas seis líneas.

2. Por qué una mariposa, y no una de globo, en 26 pulgadas

En NPS 26, el argumento a favor de una válvula de globo se derrumba por el peso y por la longitud antes que por el precio. Una globo de 26 pulgadas con obturador interno de jaula es una fabricación especial más que una fundición: un cuerpo lo bastante largo para desviar el flujo dos veces, un bonete lo bastante grande para extraer el tapón y una cara a cara alrededor de la cual el ingeniero de tensiones de tubería tiene que diseñar después todo el tramo.

Una mariposa realiza la misma función de regulación dentro de la propia envolvente de la tubería. El disco está alojado en el paso, el actuador va colgado de un soporte y la trayectoria de flujo permanece recta. Con un diferencial de 0.01 bar, la pérdida permanente que añadiría un obturador interno de globo — incluso uno bueno — es mayor que la caída que se le pide producir a la válvula completa.

Las objeciones habituales contra las mariposas en servicio de control tampoco aplican aquí. Una mariposa concéntrica es una mala válvula para regulación fina porque el asiento roza a lo largo del arco, y cualquier mariposa en líquido con vaporización súbita o cavitación es una mala idea porque el borde del disco y el asiento sufren el colapso. Ninguno de los dos es un factor en gas EDC seco a 97 °C con una caída de presión casi nula. Lo que queda es lo único que una mariposa hace mejor que cualquier otro diseño en este tamaño: una gran área de flujo suavemente variable dentro de un cuerpo corto, ligero y de fundición.

3. Dónde se ubica en una planta de EDC

El EDC ocupa el centro de la cadena del cloro-álcali al PVC. El etileno se clora — de forma directa o por oxicloración — a dicloruro de etileno; el EDC se craquea en un horno hasta monómero de cloruro de vinilo; el VCM se polimeriza a PVC. La válvula de esta página regula gas EDC hacia el sistema de alimentación del reactor, aguas arriba de los hornos de craqueo, en un circuito donde la estabilidad del caudal reaparece aguas abajo como temperatura del serpentín y, al final, como calidad del polímero.

Esa posición explica la lista de materiales mucho más que la clase de presión. La línea transporta un hidrocarburo clorado a 97 °C, con la humedad y la acidez en trazas que acompañan a esta química. El acero al carbono no está sobre la mesa: la corrosión bajo tensión por cloruros y el arrastre de hierro hacia un producto de grado de polimerización son ambas descalificantes. Cada superficie en contacto con el medio tiene que ser de acero inoxidable austenítico, y tiene que seguir siéndolo a través de las excursiones, no solo en el punto de diseño.

También explica por qué se compró una válvula de control de paso total en lugar de una de paso reducido con reductores. En una línea de 26 pulgadas, los reductores cuestan dinero, añaden dos soldaduras y cuatro bridas, y añaden una pérdida de presión permanente de la que el lazo puede prescindir. Válvula NPS 26, línea NPS 26, nada entre medias.

4. Lo que fijó la hoja de datos

Cuatro decisiones quedaron fijadas antes de cortar el primer metal:

• NPS 26, Class 150, bridas RF según ASME B16.5 — tamaño de línea, clase de línea, brida de línea. Sin reductores, sin tramos de transición, sin compromisos en la toma de empalme.

• Cv nominal de 24,000 frente a un Cv calculado de 12,075 en el caudal máximo — aproximadamente el doble, y de forma deliberada. En el servicio máximo el disco se sitúa en el 77.1 % de la carrera y no en el 95 %, lo que deja libre la parte alta de la carrera para el día en que la planta elimine cuellos de botella o cambie la composición de la alimentación.

• Una característica aproximadamente de porcentaje igual — en un circuito donde la proporción de la caída de presión total que corresponde a la propia válvula cae a medida que sube el caudal, el porcentaje igual es la característica que mantiene la ganancia del lazo aproximadamente constante. Por eso el punto de operación normal cae en el 72.4 % de la carrera con resolución utilizable a ambos lados.

• Cierre por fallo de aire, retorno por muelle, simple efecto — el EDC es tóxico e inflamable. Ante la pérdida del aire de instrumentos, la válvula tiene que cerrarse sin esperar una señal, un solenoide o que un operador lo note.

5. Matriz de configuración

6. Materiales: lo que entra en contacto con el EDC

El gas decide la lista, punto por punto:

• Cuerpo de CF8. El equivalente fundido del 304, que da un límite de presión austenítico en fundición en un tamaño donde forjar un cuerpo de 26 pulgadas no tiene sentido. También mantiene el acero al carbono fuera del camino de los cloruros por completo — no queda ningún eslabón débil que el servicio pueda encontrar.

• Disco y asiento de 304. No 316, y la razón merece decirse en voz alta: en gas EDC seco a 97 °C el mecanismo de corrosión es general y no por picaduras, de modo que el molibdeno del 316 aporta muy poco. El dinero se emplea mejor en el vástago y en el actuador, donde están realmente las cargas.

• Vástago de 17-4PH. Un disco de 26 pulgadas es una vela grande sobre un eje pequeño. El 17-4PH en condición H1025 o H1075 soporta varias veces el límite elástico del 304 recocido, de modo que el vástago puede dimensionarse por par y por deflexión en lugar de por material, y un vástago más pequeño significa menos obstrucción en el paso y menos acumulación de torsión elástica entre actuador y disco — que es banda muerta que el lazo jamás recupera en la sintonización.

• Empaquetadura de PTFE. Baja fricción y baja histéresis a 97 °C, lo que importa más de lo habitual cuando el lazo intenta resolver una fracción de por ciento de carrera. El PTFE está holgadamente dentro de su rango a esta temperatura; el grafito solo añadiría fricción de vástago que el posicionador tiene que empujar para vencer.

• Posicionador ExdIICT6, actuador con recubrimiento de epoxi. La unidad está en una zona clasificada, de modo que la carcasa del posicionador aporta la certificación en lugar de un sistema de purga o de un panel local, y el recubrimiento RAL 3020 está ahí por el lavado y el aire marino, no por estética.

7. Dónde esta válvula NO es la respuesta

• Servicio líquido con una caída de presión real. La vaporización súbita y la cavitación atacan el borde del disco y el asiento de cualquier mariposa. Un servicio líquido con cavitación pertenece a una válvula de globo o de jaula con obturador interno anticavitación, o a un cuerpo en ángulo.

• Servicio de control en diámetro pequeño. Por debajo de aproximadamente NPS 4, una válvula de globo es más barata, más estanca y con mejor capacidad de regulación. La mariposa excéntrica se gana su sitio por ser la única válvula de control razonable en diámetro grande, no por ser buena en el pequeño.

• Aislamiento estanco a burbujas. La Class V es una clase de fuga de válvula de control, no una afirmación de aislamiento. Una línea que necesita cierre verificado recibe una válvula de bloqueo aparte — en una planta como esta, para eso están las válvulas de compuerta de cuchilla y las de bola.

• Fuga Class VI. Si la Class VI figura en la hoja de datos, una mariposa excéntrica de asiento metálico en NPS 26 es el punto de partida equivocado. Eso es una mariposa de altas prestaciones de asiento blando o una válvula de bola, y debe especificarse así desde el principio.

• Regulación de pulpa abrasiva. El borde del disco es una sección delgada situada en plena corriente. Los sólidos con velocidad lo erosionarán, y la excentricidad no hace nada al respecto.

• Diferencial muy alto. Esta válvula se compró para 0.01 bar. Ponga el mismo cuerpo frente a 15 bar y el actuador, el vástago y el asiento son todos del tamaño equivocado — el diferencial utilizable de una mariposa cae a medida que crece el paso.

8. Verificación y paquete de documentos

Cada válvula fue sometida a ensayo de cuerpo según BS EN 1349 a 1.5 veces la presión nominal Class 150 a temperatura ambiente, y a ensayo de asiento según ANSI/FCI 70-2 Class V con el actuador montado. La cifra de fuga que significa algo es la que se mide con la empaquetadura, la palanca y la transmisión en su sitio — no el número de un cuerpo desnudo en un banco. La carrera se verificó en los 90 grados completos contra una entrada de 4-20 mA en ambas direcciones, con la histéresis registrada en lugar de supuesta.

El ensayo de fallo seguro es el que realmente le importa a la planta: suministro de aire retirado con la válvula bajo diferencial, y la carrera impulsada por el muelle cronometrada en todo su recorrido hasta el asiento. Después se comprobó el volante como accionamiento manual sin perturbar la acción automática — un volante que arrastra la transmisión cuando no está acoplado es una afirmación de fallo seguro esperando a ser retirada.

Los documentos se entregan por válvula, no por lote: certificados de material de cuerpo, disco y vástago; el registro de ensayo de cuerpo y asiento correspondiente a ese número de serie; la hoja de calibración del posicionador; y la inspección de pintura del epoxi RAL 3020 sobre el actuador.

9. Preguntas frecuentes

¿Por qué no una válvula de globo en NPS 26?

Una globo de 26 pulgadas es una fabricación especial — pesada, larga, cara — y necesita un obturador interno lo bastante grande para pasar 70,800 kg/h sin añadir una pérdida que el lazo no puede permitirse. Las dos debilidades conocidas de la mariposa, el desgaste del asiento en regulación fina y el mal comportamiento en líquido con cavitación, quedan resueltas la primera por la geometría excéntrica y la segunda es irrelevante en gas seco a 0.01 bar. La globo gana con diferencial alto y en diámetro pequeño. Aquí no se da ninguno de los dos casos.

¿Qué significa realmente para el control un diferencial de 0.01 bar?

Que la válvula tiene muy poca autoridad sobre el lazo. Casi toda la presión se consume en otra parte, de modo que el caudal lo fija sobre todo el resto del circuito y el trabajo de la válvula es retocar alrededor de ese punto sin añadir inestabilidad. Se siguen dos consecuencias. La característica tiene que ser la correcta — aquí, de porcentaje igual, para que la ganancia se mantenga plana a medida que se mueve el caudal. Y la banda muerta mecánica tiene que ser pequeña: un vástago rígido de 17-4PH, empaquetadura de PTFE, un posicionador con resolución fina. Un vástago blando y una empaquetadura de caucho con este diferencial entrarán en oscilación, y ningún ajuste lo corregirá.

¿Por qué 17-4PH en una válvula inoxidable — no es eso un desajuste?

Es un desajuste deliberado. El 17-4PH es un acero inoxidable de endurecimiento por precipitación: mantiene una resistencia a la corrosión cercana a la de la serie 300 mientras soporta varias veces su límite elástico. En un disco de 26 pulgadas el vástago ve flexión por el flujo y par por el asiento, y el límite de hasta qué punto puede ser pequeño lo marca la deflexión, no la corrosión. Un vástago de 17-4PH se mantiene recto y se mantiene esbelto, que es también lo que mantiene despejado el paso.

¿Puede una mariposa de asiento metálico mantener de verdad la Class V en NPS 26?

La Class V es una exigencia seria en este tamaño, y se cumple por geometría y acabado, no por componentes blandos: un disco excéntrico que por leva se despega del asiento, un asiento de 304 esmerilado y una precarga que sobrevive a la carrera. Se verifica válvula a válvula en el banco de ensayos, que es exactamente por lo que el registro de ensayo forma parte del paquete de documentos. Si una planta necesita un cierre estanco a burbujas en lugar de Class V, eso es otra válvula y debe especificarse como tal, en lugar de negociarse en el banco.

10. Envíenos estas ocho líneas y cotizaremos

• Fluido, fase y química — esto, y no la clase de presión, es lo que decide el material del obturador interno y del cuerpo

• Caudal normal y máximo, y la relación de regulación que realmente necesita

• Presión de entrada y de salida, y la caída que se pretende que tome la válvula

• Temperatura de operación y de diseño

• Tamaño de línea y clase de presión, y si es aceptable una válvula de paso reducido con reductores

• Posición de fallo seguro ante la pérdida de aire o de energía: cierre, apertura o mantener la última posición

• Clase de fuga, y la norma según la cual ensaya la planta

• Clasificación de la zona de riesgo y señal de control (4-20 mA, bus de campo o discreta)

Datos técnicos de la válvula en esta página: hoja de datos de la válvula del cliente y cálculo de selección para el proyecto de ampliación de la planta de EDC — válvula de mariposa excéntrica de control NPS 26 Class 150, modelo TD643H-150Lb(P)-26". Dimensiones y materiales según lo especificado en la fase de pedido; verifíquense contra el plano aprobado para cualquier pedido repetido.