válvulas, tuberías y trampas de vapor

2. VÁLVULAS, TUBERÍAS Y TRAMPAS DE VAPOR.

Válvulas, tuberías y trampas de vapor

2-2 Ingenieros de nuevo ingreso

PEMEX REFINACIÓN

Proyecto:

Ingenieros de nuevo ingreso

Líder de proyecto:

Ing. René Soltero Sáenz

Especialista:

Ing. Manuel Méndez Zúñiga

Ing. Marco Antonio Rendón Sosa

Ing. Hugo Martínez de Santiago

Ing. Gloria Isela Lugo Trejo

Ing. Alberto Carrasco Rueda

Ing. Carlos A. Medina Maldonado

Ing. David Jacobo Balbuena

Ing. Tirso M. Policarpo Morales

Copyright © 2009 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO


Ingenieros de nuevo ingreso 2-3

Contenido

2 VÁLVULAS, TUBERÍAS Y TRAMPAS DE VAPOR............................................... 2-5

OBJETIVO INSTRUCCIONAL. .............................................................................................. 2-5

INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................. 2-7

2.1 VÁLVULAS. ................................................................................................................... 2-9

2.1.1 Tipos de válvulas. ......................................................................................................... 2-9 2.1.2 Operación de las válvulas y sus partes. ..................................................................... 2-11

2.2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS...................................................................................... 2-38

2.2.1 Descripción de tuberías y accesorios. ........................................................................ 2-39 2.2.2 Datos de accesorios. .................................................................................................. 2-45 2.2.3 Simbología de las tuberías, accesorios y válvulas. .................................................... 2-50

2.3 TRAMPAS DE VAPOR ............................................................................................... 2-54

2.3.1 Funciones de una trampa de vapor ............................................................................ 2-54 2.3.2 Tipos de trampas de vapor ......................................................................................... 2-59 2.3.3 Selección de trampas de vapor .................................................................................. 2-64 2.3.4 Cómo trampear sistemas de distribución de vapor .................................................... 2-68

BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................ 2-72



2 VÁLVULAS, TUBERÍAS Y TRAMPAS DE VAPOR.

OBJETIVO INSTRUCCIONAL.

Identificar los diferentes tipos de válvulas, su clasificación,

sus partes principales, simbología y la función que realizan

en el proceso.

Distinguir los diferentes tipos de tuberías y accesorios

utilizados.



INTRODUCCIÓN.

Las válvulas se utilizan para dar paso o cortar el flujo a un sistema, estas funcionan como una puerta. Las válvulas son esenciales en cualquier sistema de tuberías y procesos, para que este opere en forma continua, debe haber una selección y localización apropiada de las mismas. Esto es que su operación y mantenimiento se efectúa sin interrumpir, lo más posible, la continuidad del proceso.

Este tema se enfoca principalmente a la mayoría de válvulas operadas manualmente, aunque muchas de estas pueden equiparse con un mecanismo automático. A pesar de que las válvulas de retención no funcionan en forma manual, tampoco lo hacen por medio de un accionador hidráulico o electrónico. Sin embargo, estas válvulas también se incluyen en este manual.

También se muestran los diferentes tipos de tuberías, sus especificaciones y los accesorios, así como la simbología utilizada en los diagramas de tubería e instrumentación (DTI’s).



2.1 VÁLVULAS.

Las válvulas sirven para abrir, cerrar ó interrumpir la comunicación entre dos partes de un equipo de proceso, líneas, maquinaria, etc., y son ampliamente usadas y familiares que en ocasiones no se les da la importancia debida.

Las válvulas controlan el flujo en las tuberías, de tres formas: Cierre (abierto o cerrado), de control (control del fluido), estas pueden ser manuales o automáticas y de retención (evitar el flujo inverso).

Todos los tipos de válvulas, poseen ciertas características en común, tienen un conducto para el paso del fluido, un vástago de abertura o cierre del paso del fluido, un volante o maneral para operarla, un empaque para sellar las partes fijas y móviles, los asientos y las superficies de asentamiento para sellar herméticamente el paso del fluido, el bonete, el cabezal o piezas que sirven para desmontar la válvula y tener acceso a las partes internas de la válvula para su inspección y reparación.

La instalación de una válvula, puede tener uno o varios objetivos:

1. Obstruir o permitir el flujo:

Hermeticidad total.

Hermeticidad relativa.

2. Regular el fluido para controlar:

Flujo.

Presión.

Nivel.

Temperatura.

3. Evitar el retroceso del flujo.

4. Evitar una sobre-presión y condiciones peligrosas en el sistema.

2.1.1 Tipos de válvulas.

Se deben considerar muchos factores al seleccionar el tipo de válvula necesaria, entre los cuales los más importantes son:

Control, precisión y grado de cierre.

Temperatura de diseño, presión de diseño y caída permisible de presión.

Corrosividad y erosividad del fluido, material arrastrado y otras características tales como atascamiento o coquización.

Características inherentes, como el Coeficiente de flujo de la válvula (Cv), grado de peligro de fugas, conservación de frío o calor y costo.

Varios de estos factores también son importantes en la selección de los materiales que se utilizan en los accesorios y tuberías.

Una vez que se conocen los criterios de diseño, se procede a seleccionar el tipo de válvula y el material adecuado a las necesidades del trabajo.



El tipo de válvula depende básicamente de la función que va a desempeñar: bloquear, regular o evitar flujo inverso; estas funciones deben determinarse solamente después de ciertas consideraciones y requerimientos del proceso o sistema para el cual la válvula va a operar.

Ya que se encuentran disponibles varios tipos de válvulas para cada función, es necesario determinar las condiciones, el servicio y además es de importancia conocer las características físicas y químicas del fluido que se va a manejar.

Establecido lo anterior, se procede a seleccionar el tipo de conexión como son: bridadas, roscadas y biseladas para soldarse.

La variedad en diseños de válvulas dificulta una clasificación completa, sin embargo, de acuerdo a su uso, podemos encontrar diferentes tipos de válvulas:

1. De bloqueo.

Válvula de compuerta.

Válvula de bola.

Válvula macho.

2. Control del flujo.

Válvulas de globo.

Válvulas "Y".

Válvulas de ángulo.

Válvulas de aguja.

Válvulas de mariposa.

Válvulas de diafragma.

3. Contra flujos.

Válvulas check.

Válvulas de retención.

4. De seguridad.

Válvulas de relevo.

5. Otros.

Válvulas solenoide.

Válvulas termostáticas.

La resistencia a la presión de una válvula, varía dependiendo del tipo y material de construcción del cuerpo y los detalles del diseño de sus internos, se especifica en libras (lb). Las condiciones de temperatura de trabajo se deben especificar para su selección.

ANSI (Instituto Nacional de Estándares Americanos) hace una clasificación de acuerdo a la resistencia de los materiales, por ejemplo, como "clase 300", "ANSI 300" o "300 Lb", esta clasificación en particular es igual a 740 psi a 100 ºF para acero al carbón, teniendo un esfuerzo de ruptura entre 25,000 y 35,000 psi, que es otra forma de expresar la clasificación.



2.1.2 Operación de las válvulas y sus partes.

2.1.2.1 Válvulas de bloqueo.

Válvulas de compuerta.

La válvula de compuerta es la más usada en las industrias de proceso y su operación es para servicio abierta ó cerrada y no para un control de flujo.

FIG. 2-1. VÁLVULAS DE COMPUERTA.

En cualquier posición de abertura, excepto totalmente abierta ó cerrada, la compuerta y el asiento tienen una tendencia a erosionarse rápidamente. La válvula de compuerta se utiliza en aquellos servicios donde se requiere poca caída de presión y un flujo ininterrumpido.

FIG. 2-2. PARTES DE UNA VÁLVULA DE COMPUERTA.



El flujo en la válvula de compuerta es en línea recta a través de ella. Se abre por medio del levantamiento de su “compuerta” (comúnmente llamado disco, cuña o galleta) elevándola y permitiendo el paso del fluido. A medida que la válvula empieza a abrirse, el área de la corriente de flujo cambia rápidamente y no linealmente. El flujo en la válvula parcialmente abierta ocurre alrededor de la base y orillas de la compuerta. Aún en los periodos muy pequeños de operación, en esta forma, pueden causar daño a la válvula por erosión y vibración del disco.

FIG. 2-3. VÁLVULA DE COMPUERTA SÓLIDA, PASO COMPLETO, CUERPO FORJADO.

Los elementos principales en su estructura son: volante, vástago, bonete, asiento, compuerta y cuerpo. Dependiendo del uso y propiedades del fluido, estas válvulas se construyen en varias clases de materiales como son: hierro forjado, acero al carbón, bronce, níquel, acero inoxidable y una serie de aleaciones y plásticos resistentes a la corrosión. Sus tamaños varían desde 1/8" a 75" con rangos de presión hasta 175 kg/cm2 y 698.8 ºC.

Las siguientes figuras ilustran diferentes tipos de válvulas de compuerta con sus partes.



FIG. 2-4. VÁLVULA DE COMPUERTA SÓLIDA, PASO COMPLETO, CUERPO INTEGRAL DE UNA PIEZA.

FIG. 2-5. VÁLVULA DE COMPUERTA DE EXPANSIÓN PASO COMPLETO, CUERPO FABRICADO CON PLACA Y CON

SOLDADURA.



FIG. 2-6. VÁLVULA DE COMPUERTA SÓLIDA PASO COMPLETO CUERPO SOLDADO.

FIG. 2-7. VÁLVULA DE COMPUERTA DE EXPANSIÓN SÓLIDA PASO COMPLETO.



FIG. 2-8. SISTEMA DE OPERACIÓN CON VOLANTE DIRECTO.

Válvulas macho.

La válvula macho como la válvula de compuerta se usa principalmente para servicio abierto o cerrada, como el flujo a través de la válvula es ininterrumpido y sin turbulencias la caída de presión es baja siendo las principales ventajas acción rápida, operación sencilla (por tener un mínimo de partes en movimiento), requiere poco espacio de instalación y es de cierre hermético.



FIG. 2-9. VÁLVULA MACHO.

Los componentes básicos de la válvula macho son el cuerpo, el tapón y la cubierta. El tapón o macho es cilíndrico con un orificio en el centro a través del cual pasa el fluido, en posición abierta el conducto del tapón conecta con la entrada y salida de la válvula. Con un giro de 90º al tapón abre o cierra totalmente la válvula.

FIG. 2-10. VÁLVULA MACHO DE TAPÓN INVERTIDO.

Se encuentran dos tipos generales de válvulas macho que son las lubricadas y las no-lubricadas, en el tipo lubricadas, el lubricantes se inyecta a presión dentro de la válvula para evitar fuga entre la superficie del tapón y el asiento, para reducir la fricción durante la operación o giro del tapón y también sirve para despegar ligeramente el tapón reduciendo el esfuerzo para abrirla o cerrarla. Tienen un rango de temperatura limitado en función del lubricante usado.

Las válvulas macho no lubricadas tienen el tapón recubierto con un elastómero (PTFE “politetrafluoroetileno”, más conocido como teflón) que elimina la necesidad de lubricar el espacio entre el tapón y el asiento. Siendo sus principales ventajas, un cierre absoluto, operación rápida, ningún problema con el lubricante (posible contaminación al fluido) y amplio rango de temperatura.



FIG. 2-11. VÁLVULA MACHO NO LUBRICADA.

Las válvulas macho se construyen de muchos materiales como son: hierro forjado, hierro dúctil, aceros al carbón e inoxidables, bronce, níquel, PVC y aleaciones resistentes a la corrosión. Su tamaño varia desde 1/4" a 30" con conexiones a tubería o equipo, roscada, extremos soldables y brida.

Válvulas de bola o esférica.

La válvula de bola es prácticamente una adaptación o modificación de la válvula macho. Aunque han estado disponibles desde hace tiempo, su uso fue limitado porque el asentamiento metal-metal no suministraba un cierre hermético, actualmente debido al avance en la tecnología de los plásticos y de los elastómeros los asientos metálicos se han reemplazado con modernos asientos de plastómeros y elastómeros (polímeros fluorinados, nylon, teflón. etc.)

FIG. 2-12. VÁLVULAS DE BOLA.

Esta válvula en lugar de un tapón cilíndrico usa uno esférico con un agujero al centro que conecta los puertos de entrada y salida del cuerpo de la válvula en posición abierta, la bola gira entre los asientos.



FIG. 2-13. VÁLVULA DE BOLA CON ENTRADA POR EXTREMO.

Se usan principalmente para servicio abierta ó cerrada no son satisfactorias para regular flujos, su operación es rápida, fácil mantenimiento, no requiere lubricación, sello hermético y generan una pérdida de presión que está en función del tamaño del puerto seleccionado.

FIG. 2-14. VÁLVULA DE BOLA CON ENTRADA SUPERIOR.

Su uso no está limitado para un fluido en particular, en general para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, etc., pero sí para aquellas temperaturas y presiones permitidas por el material del asiento.

FIG. 2-15. VÁLVULA DE BOLA DE TRES PIEZAS.

Los elementos estructurales principales de las válvulas de bola son: el asiento, el cuerpo y la bola y los materiales más comúnmente usados en los asientos son el teflón, nylon, Buna-n y neopreno. Los asientos de grafito han sido desarrollados para operar a 537.8 ºC.



Los materiales de fabricación en un amplio rango son: hierro forjado, bronce, aluminio, acero al carbón, acero inoxidable, titanio, circonio, plástico, aleaciones resistentes a la corrosión, en rangos ordinarios de 1/4" a 36".

2.1.2.2 Válvulas para el control del flujo.

Válvulas de globo.

FIG. 2-16. VÁLVULAS DE GLOBO.

Estas válvulas están diseñadas para regular o controlar flujos. El control se lleva a cabo por un tapón o disco que asienta sobre un orificio perpendicular al eje del paso del fluido, es decir hay un cambio de dirección del flujo, (dos giros en ángulo recto), a través de la válvula que causa turbulencia y caída de presión mayor que en las válvulas de compuerta. Debido a esta turbulencia la vida útil del asiento es limitada, siendo generalmente reemplazado total o parcialmente y la forma del mismo puede variarse para dar diferentes características en el control de flujo.

Las características principales para el servicio de las válvulas de globo son: una operación de regulación de flujo, cierre hermético para gases y aire, buena resistencia y alta caída de presión.



FIG. 2-17. PARTES DE UNA VÁLVULA DE GLOBO.

LISTA DE PARTES

No. NOMBRE No. NOMBRE

1 Cuerpo 13 Buje guía

2 Bonete 14 Espárragos

3 Brida prensa estopa 15 Tuerca de espárragos

4 Anillo 16 Tornillo de ojo

5 Disco 17 Perno tornillo de ojo

6 Disco suelto 18 Tuerca tornilla de ojo

7 Tuerca del disco 19 Buje cámara de cond.

8 Vástago 20 Junta

9 Tuerca del vástago 21 Empaques

10 Buje prensa empaque 22 Tapón

11 Volante 23 Rondana

12 Tuerca del volante



Válvula "Y".

Son una modificación a la válvula de globo convencional, permiten un paso casi recto del fluido, similar al de las válvulas de compuerta. El asiento se encuentra a un ángulo de 45º con respecto al sentido de flujo.

FIG. 2-18. VÁLVULA “Y”.

Este diseño provee buena regulación y menor caída de presión que las válvulas de globo convencionales, los elementos de construcción son los mismos que una válvula de globo al igual que los materiales y tamaños, o sea, siguen un patrón de selección similar.

Válvula de ángulo.

Estas válvulas se usan principalmente para servicios de regulación y ofrecen menor resistencia al flujo que las válvulas de globo, lo cual provoca menor caída de presión.

FIG. 2-19. VÁLVULA DE ÁNGULO.

Tienen un cuerpo en el cual los extremos de la válvula están a ángulos rectos y el eje del vástago está en línea con uno de los extremos. Las válvulas de ángulo reducen el número de accesorios en sistemas de tuberías y el cuerpo es de una sola pieza, pero se tienen diseños con piezas móviles para reemplazar las partes interiores dañadas.



Válvula de aguja.

Suelen usarse para instrumentos, ya que se logran estrangulamientos muy precisos, usándose también en aplicaciones con altas presiones y/o altas temperaturas. En estas válvulas el vástago suele acabar en forma de aguja ajustándose de forma precisa al asiento, asegurando el cierre con el mínimo esfuerzo.

FIG. 2-20. VÁLVULA DE AGUJA.

Los materiales de construcción son de bronce, acero inoxidable, aleaciones, materiales más baratos no se usan ya que el maquinado exacto de las piezas es un factor de costo.

Válvula de mariposa.

Estas válvulas son de baja presión y diseño sencillo, soliéndose usar para controlar el flujo y regularlo. Se caracterizan por ser de operación rápida, ya que solo necesita un cuarto de vuelta para pasar de la posición de cerrado a la posición de abierto, teniendo además una pequeña caída de presión dado a que no alteran la dirección del fluido.

Suelen emplearse para servicios de poca presión. Utilizándose en todos los servicios con agua, exceptuando aquellos en los que sea necesario un estrangulamiento extremo, dado a que el desgaste excesivo del forro interior acorta la vida de la válvula, éste forro suele ser un elastómero. Suelen ser adecuadas para servicios corrosivos y para instalaciones en las que se quiera conseguir ahorros importantes, a causa de su simplicidad de diseño y a su limitación de superficie de contacto con el fluido. Solamente tres componentes están en contacto con el fluido: forro, disco y eje, por lo que solo estas partes han de ser resistentes a la corrosión.

Existen dos tipos de válvulas, aquellas que poseen el elastómero recambiable y las que poseen el elastómero integral. En estas últimas existe una unión muy fuerte entre el cuerpo y el elastómero, asegurando la retención máxima del mismo en posición. Válvulas de este tipo son adecuadas para servicios de vacío. El elastómero reemplazable tiene como única ventaja el poder cambiarlo con facilidad. Las válvulas de mariposa se fabrican con el disco soldado al eje.

Estas válvulas provocan pequeñas pérdidas de carga, tanto como si se hayan en posición entreabierta, como enteramente abiertas.



Sin embargo, en posición cerrada no siempre consiguen un cierre hermético. A este respecto, se obtienen buenos resultados si el cierre se consigue haciendo presionar el disco sobre un forro interior de elastómeros.

FIG. 2-21. VÁLVULA DE MARIPOSA.

El elemento de control de flujo de estas válvulas es un disco de aproximadamente el mismo diámetro que el diámetro interior de la tubería, que puede girar sobre un eje horizontal o vertical a través de este disco pasa una flecha o vástago, que está soportado en ambos extremos por la cubierta del cuerpo con un giro del vástago y en consecuencia el disco en 90º abre totalmente o cierra la válvula.

Para regulación o control el movimiento del disco se hace a posiciones intermedias, donde se mantiene por algún mecanismo o actuador.

1. Cuerpo.

2. Compuerta.

3. Junta de la compuerta.

4. Vástago.

5. Junta del vástago.

6. Casquillo guía.

7. Reductor manual.

FIG. 2-22. PARTES DE UNA VÁLVULA DE MARIPOSA.



Válvula de diafragma.

Las válvulas de diafragma se usan para servicio de dos posiciones (abierta o cerrada) y regulación o control, en estas, el diafragma aísla el líquido que se maneja del mecanismo de operación, de esta forma no causa corrosión sobre las partes internas de la misma, consta básicamente del cuerpo, bonete y diafragma flexible que se encuentra unido a un componente opresor y este al vástago.

FIG. 2-23. VÁLVULA DE DIAFRAGMA.

Cuando la válvula se encuentra en posición abierta el diafragma está despegado del paso del fluido y en posición cerrada el diafragma está asentado fuertemente, contra el asiento de la válvula también puede mantenerse en posiciones intermedias para la función de control.

Las principales aplicaciones en las válvulas de diafragma varían ampliamente en una variedad de líquidos, usualmente viscosos o corrosivas a bajas presiones de operación y su vida depende de la presión, temperatura y la frecuencia de cierre y apertura de la válvula.

2.1.2.3 Válvulas de no retorno.

Válvula check.

Diseñada para evitar el flujo inverso en sistemas de tuberías, se mantiene abierta por la acción de la presión del fluido a través de la válvula y se cierra por el afecto de una contra presión ó sentido inverso de flujo con ayuda del peso del mecanismo.



FIG. 2-24. TIPOS DE VÁLVULAS CHECK.

Se encuentran diferentes tipos de check como: el tipo columpio o disco, check de bola, de pistón duo check, etc. La selección de un tipo en particular depende de la temperatura, caída de presión disponible y limpieza del fluido.

FIG. 2-25. VÁLVULAS CHECK DE DISCO PARTIDO.

FIG. 2-26. VÁLVULA CHECK DE COLUMPIO.

Las válvulas check de columpio, tienen un disco soportado en la parte superior, que es empujado por la presión del fluido, provocando que el disco se aleje del asiento abriendo la válvula, son adecuadas en servicios a bajas velocidades y donde no haya cambios frecuentes en el flujo. Por su similitud en el efecto del flujo se usan en líneas que tengan válvulas de compuerta.



1. Cuerpo.

2. Tapa.

3. Anillo.

4. Disco.

5. brazo.

6. Espárragos.

7. Tuerca del vástago.

8. junta.

9. Roldada de presión.

10. Tuerca del disco.

11. Perno del brazo.

12. Arandelas de sello.

13. Tapón.

FIG. 2-27. PARTES DE UNA VÁLVULA DE RETENCIÓN.

El tipo pistón es esencialmente una válvula check de disco, solamente que consiste de un pistón y un cilindro que es alzado o levantado por la acción o empuje de la presión del fluido, cuando se para el flujo o se invierte, el pistón regresa a su posición por acción de la gravedad o en algunos diseños ayudados por la acción de un resorte.

FIG. 2-28. VÁLVULA CHECK DE PISTÓN.

Por la semejanza del diseño, la cual resulta en aproximadamente la misma restricción al paso del flujo, estas válvulas se instalan en líneas que tengan válvulas de globo y adecuadas para servicios con frecuentes cambios en la dirección de flujo.

FIG. 2-29. VÁLVULA CHECK CON DISPOSITIVO DE CONTROL DE FLUJO.



2.1.2.4 Válvulas de seguridad.

Uno de los equipos directamente relacionados con la seguridad son las válvulas de seguridad. Estos equipos son los que ante la falla de todos los demás sistemas de control operaran para proteger los recipientes y líneas de transmisión de fluidos. Es por ello que su selección, instalación, operación, mantenimiento y refaccionamiento sean de una gran importancia para la segura operación del equipo.

FIG. 2-30. VÁLVULAS DE SEGURIDAD.

Válvulas de alivio.

Es un dispositivo automático de relevo de presión actuado por presión estática aplicada sobre un resorte de la válvula, la cual abre en forma proporcional al incremento de presión sobre la presión de ajuste. Se utiliza exclusivamente para el manejo de líquidos (Ludwing).

FIG. 2-31. PARTES DE UNA VÁLVULA DE RELEVO.



Válvula de seguridad.

Es un dispositivo automático de relevo de presión actuado por la presión estática aplicada sobre la válvula, que se caracteriza por una abertura rápida o acción de disparo. Se utiliza básicamente para el manejo de gases o vapores (Ludwing).

FIG. 2-32. PARTES DE LA VÁLVULA DE SEGURIDAD.

Válvula de seguridad-alivio.

Es un dispositivo automático de relevo de presión que puede ser utilizado como válvula de seguridad o como válvula de alivio dependiendo de su aplicación.

FIG. 2-33. VÁLVULA DE SEGURIDAD-ALIVIO

CONVENCIONAL. FIG. 2-34. VÁLVULA DE SEGURIDAD-ALIVIO

BALANCEADA.



El término de válvula de relevo por presión, se aplica indistintamente para los tres tipos de válvulas descritos anteriormente.

Válvulas de seguridad accionadas por piloto.

Es una válvula de seguridad accionada por el movimiento de una válvula piloto en la que la presión de cierre de la válvula principal está proporcionada por una combinación de la presión del fluido y un resorte helicoidal. En una disposición típica el resorte contribuye en un 75% de la fuerza total y el resto lo proporciona la propia presión del recipiente protegido a través de la válvula piloto. Si la válvula piloto falla en su abertura, la válvula de seguridad asistida por piloto, todavía funcionará como válvula de seguridad de presión directa, aunque a una presión de alivio superior.

Algunas de sus ventajas son las siguientes:

a). Reducción del margen entre la presión de servicio y la de ajuste (seteo)1.

b). Se usan cuando la presión de servicio supera el 90% de la presión de ajuste (seteo).

c). Eliminan la vibración de la válvula, debido a que no hay contrapresión.

d). La presión de ajuste (seteo) no es afectada por la contrapresión.

Algunos de sus inconvenientes son: la válvula piloto sólo funciona satisfactoriamente con fluidos limpios, como con agua y vapor de agua, porque los conductos se pueden obstruir. Asimismo tienen límites de temperatura operativa más restrictivos que las válvulas de resorte de acción directa y son más caras.

FIG. 2-35. VÁLVULA OPERADA POR PILOTO DE ALIVIO DE ACCIÓN MODULANTE.

Discos de ruptura.

Aunque las válvulas de seguridad son los dispositivos de alivio de presión más utilizados, en ciertas circunstancias no pueden dar una completa protección. Entonces se debe considerar la instalación de discos de ruptura. Son unos dispositivos de alivio activados por la ΔP entre el interior y exterior del recipiente y cuando actúa se rompe el disco y no se cierra nuevamente el orificio como en una válvula de seguridad.

1 Es la presión manométrica predeterminada a la que empieza a abrir la válvula de seguridad.



Las principales ventajas de los discos de ruptura con respecto a las válvulas de seguridad es que estos dispositivos aíslan completamente el fluido del lado externo de descarga y que son más económicos.

Al ser dispositivos de presión diferencial, son sensibles a los cambios de la contrapresión (presión estática existente a la salida de una válvula de seguridad o en la cara exterior del disco de ruptura).

Tipos de discos de ruptura.

Disco de ruptura abovedado convencional.

Es un disco de ruptura en forma abovedada con su superficie cóncava enfrentada a la presión de estallido y diseñado para fallar por tensión. (Ver Fig. 2-36)

FIG. 2-36. DISCO DE RUPTURA ABOVEDADO.

El disco convencional puede ser de forma abovedada simple o ranurado. Asimismo puede componerse de varias capas de materiales.

Disco de ruptura abovedado invertido.

Es un disco de ruptura en forma abovedada con su superficie convexa enfrentada al lado con presión. (Ver Fig. 2-37)

FIG. 2-37. DISCO DE RUPTURA INVERTIDO.

La rotura del disco puede estar ayudada por hojas de cuchilla en el lado de aguas abajo del disco que lo cortan durante la inversión del bombeado. Este método no es preferido ni permitido por algunos grandes usuarios debido a su impredictibilidad y por lo delicado en su manipulación. (Ver Fig. 2-38)

FIG. 2-38. DISCO DE RUPTURA CON HOJAS DE CUCHILLAS.



2.1.2.5 Válvulas reductoras de presión.

Acción directa.

Para aplicaciones con vapor, aire y gases no corrosivos.

La más sencilla de las válvulas reductoras de presión (PRV’s) son válvulas del tipo de acción directa, funcionan con un diafragma plano o con un fuelle en espiral. Dado que este tipo de válvula es autónomo, no requiere de un sensor externo en la línea de salida para funcionar. Es el tipo de válvula más pequeño, más económico y está diseñada para operar con flujos bajos o moderados. La exactitud de las válvulas PRV de acción directa es típicamente de un 10% del valor de referencia a la salida.

Su aplicación es en los sistemas de aire de instrumentos, agua y vapor.

2.1.2.6 Válvulas solenoides.

Las válvulas solenoide son de dos o más vías, una o varias entradas y salidas. Son del tipo de diafragma flotante o de pistón y se precisa de una mínima pérdida de carga a través de la válvula para su adecuada operación. Se dispone de válvulas normalmente abiertas y normalmente cerradas y en varios voltajes, pero normalmente son accionadas a 24 V CC y 120 VCA. Estas válvulas se utilizan con unidades de control para sistemas de protección.

Características

a. Disponibles como normalmente abiertas o normalmente cerradas.

b. Disponibles en varios voltajes.

c. Fácil de limpiar.

d. Requiere la instalación de un filtro de malla 50 a la entrada de la válvula.

Operación

Las válvulas solenoide son válvulas con un mecanismo interno y orificio de purga, que utilizan la presión interna para su operación.



Las válvulas normalmente cerradas, se abren al recibir tensión la bobina, lo que hace que se levante el núcleo y se abra el orificio de pilotaje hacia la salida de la válvula. Se libera la presión ejercida sobre el diafragma o el pistón y la presión de la línea abre la válvula. Al cortar la tensión eléctrica el núcleo de la bobina cierra el orificio y se genera una presión sobre el diafragma o el pistón, cerrando la válvula.

Las válvulas normalmente abiertas, se cierran al recibir tensión la bobina. Al energizarse la bobina, el núcleo cierra el orificio de pilotaje hacia la salida de la válvula, generándose una presión sobre el diafragma o el pistón que cierra la válvula. Al cortar la tensión eléctrica el núcleo de la bobina abre el orificio lo que libera la presión sobre el diafragma o el pistón, abriendo la válvula.

FIG. 2-39. PARTES DE UNA VÁLVULA SOLENOIDE.

Nota: Cuando se utilizan válvulas de solenoide normalmente cerradas como sistema de disparo, el sistema no operará en caso de interrupción de la alimentación eléctrica, por eso es recomendable que se disponga de una fuente de energía de emergencia supervisada con el fin de disponer de la adecuada protección en caso de fallo de la alimentación eléctrica, por esta razón las válvulas solenoides están alimentadas de la UPS (unidad de suministro ininterrumpible).

Cuando se utilizan válvulas solenoide normalmente abiertas en sistemas de disparo de válvulas de diluvio o de control de flujo, deben mantenerse permanentemente energizadas para mantener operando el sistema, cualquier pérdida de energía a la válvula solenoide provocará la actuación del sistema. Las válvulas solenoides normalmente abiertas, se utilizan en sistemas a prueba de fallas en los que se quiere garantizar la actuación por falla total de la energía.



FIG. 2-40. VÁLVULA SOLENOIDE. FIG. 2-41. VÁLVULA SOLENOIDE INSTALADA

2.1.2.7 Válvulas de control.

Una válvula de control, es un mecanismo capaz de controlar el paso de un fluido, permitiendo pasar solamente la cantidad requerida, de acuerdo a la señal que le está mandando su controlador.

Clasificación.

De vástago deslizante

Rotatorias

Mariposa

Bola

Globo

Disco

FIG. 2-42. VÁLVULAS DE CONTROL AUTOMÁTICO.

En la Fig. 2-43 al aplicársele aire a presión a la cámara, esta presión ejercerá una fuerza sobre el diafragma que desplazará hacia abajo el ensamble de diafragma y vástago, hasta ser equilibrada por la fuerza del resorte. Al mismo tiempo, el tapón se acercará más al asiento, dejando pasar menos cantidad de flujo.

De no intervenir otras fuerzas, los desplazamientos del vástago serán proporcionales a los cambios de presión aplicada.



Diafragma

Plano del diafragma

Resorte

Motor neumático

Venteo

Vástago

Yugo

Tuerca de estopero

Caja de empaques

Resorte del empaque

Anillos de asiento

Poste

Tapón de la válvula

Cuerpo

BoneteEmpaque de teflón

Abierto

Cerrado

Indicador de carrera

Ajuste de tensión del resorte

Abierto

Cerrado

Drene

LubricadorEmpaque de asbesto grafitado

Vástago superior

Buje guía

Buje guía

Entrada de aire de controlAjuste de carrera

FIG. 2-43. ACCIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL.

Descripción de válvulas de control.

La válvula automática, consta de dos partes principales: el actuador y el cuerpo, unidas por medio de sus vástagos.

1. Parte motriz o actuador de la válvula.

Un actuador es un mecanismo que convierte una señal de control eléctrico o neumático en un movimiento que actúa al elemento final de control en contacto con el proceso.

Las señales de control de los actuadores pueden ser hidráulicas, neumáticas o eléctricas, siendo las más comunes éstas dos últimas. Las acciones pueden ser reguladas o del tipo "on-off".

Los actuadores neumáticos pueden ser de diafragma o de pistón.

Actuadores de diafragma. El actuador es la parte de la válvula que transforma la señal de salida del controlador a una suficiente fuerza y movimiento para operar el vástago de la válvula a través de su rango completo. Lo que se busca de un actuador neumático, es que a cada valor de la presión de aire recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago.

Considerando que el rango de presión es de 3-15 psig, en la mayoría de las partes motrices se seleccionan el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que, un cambio de presión de 12 psig, produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% de su carrera.



FIG. 2-44. ACTUADOR.

Otro rango ampliamente aceptado para actuadores, es de 6-30 psig, que se utiliza para válvulas de control de mayor tamaño.

FIG. 2-45. ACTUADOR NEUMÁTICO DE DIAFRAGMA.

Actuadores de pistón. Un actuador de pistón es una unidad compacta que sirve para suministrar velocidad y potencia para los actuadores de válvulas. Las presiones de aire de operación usadas son del orden de 100-150 psig., estos actuadores tienen presión de aire constante sobre un extremo del pistón, a la cual se opone una presión variable sobre el otro extremo.



FIG. 2-46. ACTUADOR DE PISTÓN.

Existen básicamente dos tipos de acciones de actuadores en escala industrial.

El actuador de acción directa, cuando la presión de aire aumenta sobre el diafragma, el vástago baja y el resorte lo hace subir.

El actuador de acción inversa, como su nombre lo indica al aumentar la presión el vástago sube y el resorte lo baja.

Para seleccionar el tipo de acción adecuado de los actuadores, es necesario tomar en cuenta la posición de seguridad que convendría que la válvula tomara, en caso de fallar la señal de aire.

2. Cuerpo de la válvula.

Como se observa en la Fig. 2-47, el cuerpo consta de una pieza en cuyo interior se encuentra el asiento de la válvula que consiste en un anillo que sirve de descanso al tapón, cuya forma varía de acuerdo a las características de la válvula, el tapón es accionado por medio de un vástago, el vástago lleva sus guías de movimiento y para evitar que escape el fluido que circula por la válvula de control, pasa a través de una caja de empaques o estopero que se encuentra en el bonete.

El bonete es una estructura metálica a través de la cual se desliza el vástago y contiene la caja de empaques, además está provista de los medios necesarios para el montaje del actuador.



Partes internas de una válvula de control.

FIG. 2-47. PARTES INTERNAS DEL CUERPO DE UNA VÁLVULA DE CONTROL.

Tapones. En una válvula de control el tapón es probablemente la parte más importante, ya que es la que gobierna el flujo a través de la válvula.

Existen muchos estilos de tapones, los cuales se seleccionan de acuerdo con el proceso a controlar, el tipo de fluido y el tipo de control que se aplique.

La forma de los tapones determina su característica de flujo y ésta se define como la relación entre el gasto de la válvula a la carrera. La carrera de la válvula es la distancia que debe recorrer el tapón para llegar a sus posiciones extremas de totalmente abierta a totalmente cerrada.

La selección del tapón es de acuerdo a las características del flujo, los tapones son clasificados como:

a). Guiados arriba y abajo.

b). Guiados arriba y en el puerto.

c). Guiados arriba.

Estos tapones son de cuatro formas principales

1. Abertura rápida.

2. Lineal.

3. Parabólico modificado.



4. Igual porcentaje.

FIG. 2-48. TAPONES.

Guías. Para la correcta operación de una válvula de control, es necesario que el tapón y el vástago estén guiados de una manera adecuada. La manera más usual es a través de guías en caja. El tapón se desliza dentro de la caja usándola como guía.

Vástago de tapón. Son flechas de distintos diámetros y tamaños con cuerdas en los extremos, se fabrican de acero inoxidable, todos los vástagos son de acabado fino que ofrece ventaja en reducción de la fricción y la vida del empaque es mejor que en los vástagos que se maquinan ordinariamente.

Asientos. A los asientos de las válvulas son de material resistente a la corrosión y a la erosión para servicios con caídas de presión superiores a 200 psi; normalmente son fabricados con acero inoxidable. Para fluidos que contengan partículas abrasivas en suspensión se utilizan asientos de acero inoxidable con superficies endurecidas (estelitados).

Los anillos de asiento son maquinados con precisión y piloteados con cuerda al máximo diámetro dentro del cuerpo de la válvula para asegurar una alineación apropiada, que queden bien centradas las superficies de asentamiento y estrangulamiento entre el asiento y el cuerpo de la válvula.

2.2 TUBERÍAS Y ACCESORIOS.

Los productos y derivados del petróleo, se encuentran generalmente en estado líquido o gas. Dadas las características de los mismos, su transporte no se puede hacer por medio de canales abiertos y para ello se utilizan los conductos cerrados o tuberías. Para la industria del petróleo son tan importantes las tuberías o líneas, como las venas y arterias vitales a la vida del hombre.

Las tuberías han llegado a ser el método más económico de transporte de fluidos. Debido a la importancia de las tuberías es necesario saber de que están hechas o de que pueden hacerse, los materiales más convenientes, la presión que pueden resistir y la manera o método de mantenerlas operando en forma continua.

Aleación: Por aleación se entiende la unión íntima y homogénea de dos o más elementos, siendo al menos uno de ellos un metal. Es muy raro encontrar aleaciones en la naturaleza, tradicionalmente se preparan mezclando los materiales fundidos y dejando enfriar la mezcla.



2.2.1 Descripción de tuberías y accesorios.

Materiales. Los materiales más comunes que se utilizan para la elaboración de tuberías que se utilizan en la industria son los siguientes: El acero al carbono es el metal más adecuado, común y barato que se emplea en la industria, está elaborado base hierro y contenido variable de Mn, Si, y C. De aquí los diferentes tipos de aceros al carbono. El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayor será la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil. Acero inoxidable, hay más de 70 tipos estándares de acero inoxidable y muchas aleaciones especiales, en general todos tienen base hierro con 12 a 30% de cromo y 8-22% de níquel, con cantidades menores de carbono, columbio (Cb), cobre, molibdeno, selenio, tántalo y titanio.

Estas aleaciones son muy utilizadas en la industria de procesamiento. Son resistentes al calor y la corrosión. Existen otros tipos de aleaciones, tales como: Hastelloy, es base níquel con porcentaje variable de molibdeno y cromo y hierro. Es resistente a la corrosión y a altas temperaturas. Incoloy, tiene composición predominante de niquel y cromo, en pequeña proporción molibdeno y cobre. Inconel, con alto contenido de niquel y en menor proporción cromo y hierro, no contiene molibdeno. Existen otros materiales: Monel, conteniendo: níquel, cromo, cobre. Bronce, que contiene cobre y zinc. Materiales plásticos, que en comparación con los materiales metálicos, está limitado a presiones y temperaturas relativamente , son también menos resistentes a los esfuerzos mecánicos y tienen índices elevados de dilatación, bajas resistencias, sin embargo son de peso ligero y resultan buenos aisladores térmicos y eléctricos, son fáciles de fabricar e instalar y tienen bajos factores de fricción. También existe tubería de caucho, porcelana, vidrio, materiales cerámicos, plomo, concreto, asbesto, etc.

La tubería de hierro fundido es la más barata y se usa para aire, agua, vapor de escape, condensado, drenaje, aceite lubricante y líneas de gas combustible con servicio de baja presión. Para presiones mayores de 8.8 kg/cm2 (125 lb/pulg2) se requiere generalmente tubería de acero al carbón. Para servicios corrosivos se usan materiales especiales como acero inoxidable, concreto, hule, madera, plomo, plástico y vidrio. Para aire de instrumentos se usan líneas de cobre y galvanizadas.

Tamaño de tuberías. La gran necesidad de tuberías y por tanto, la gran producción de ellas ha obligado a una normalización o tipificación de las dimensiones y estas vienen por lo general en unidades prácticas.

Diámetro nominal: Número convencional que coincide teóricamente con el diámetro exterior de los tubos (y exterior de las zonas de acoplamiento de las piezas) y se puede considerar como el diámetro teórico declarado por el fabricante, y que sirve para designar por medidas los distintos elementos de una conducción acoplables entre sí.

Las tuberías son seleccionadas por el diámetro nominal. El tamaño real del diámetro exterior para tuberías de hasta 12” es siempre más grande que el tamaño nominal, mientras que el diámetro interno real varía de acuerdo al espesor de pared (cédula) de la tubería especificada.

Para una tubería mayor de 12 pulgadas el diámetro nominal y el diámetro real exterior son el mismo. Según su resistencia a la presión, la tubería puede ser “fuerte”, “extra-fuerte” y “doble extra-fuerte”. La tubería “extra-fuerte” y “doble extra-fuerte” son hechas para usarse a alta presión. El espesor extra se obtiene reduciendo el diámetro interior, el diámetro exterior permanece constante para dar el diámetro nominal de la línea. La tubería es usualmente construida en líneas de 20 a 22 pies (6.1 a 6.71 m) de largo, su unión se hace por medio de uniones roscadas, machihembradas, por medio de bridas y por medio de soldaduras.



En la Tabla 2-1 se proporcionan los datos de tuberías de acero comercial para diferentes diámetros y cédulas.



TABLA 2-1. DATOS DE TUBERÍA DE ACERO COMERCIAL (ANSI B 36.1).

MEDIDA NOMINAL

(Pulg.)

DIÁMETRO INTERNO

(Di) (Pulg.)

ESPESOR

(Pulg.)

DIÁMETRO EXTERNO

(De) (Pulg.)

DIÁMETRO INTERNO AL CUADRADO

(Di2) (Pulg.2)

CÉDULA 10

14 13.500 0.250 14.000 182.250

16 15.500 0.250 16.000 240.250

18 17.500 0.250 18.000 306.250

20 19.500 0.250 20.000 380.250

24 23.500 0.250 24.000 552.250

30 29.376 0.312 30.000 862.950

CÉDULA 20

8 8.125 0.250 8.625 66.020

10 10.250 0.250 10.750 105.060

12 12.250 0.250 12.750 150.060

14 13.376 0.312 14.000 178.920

16 15.376 0.312 16.000 236.420

18 17.376 0.312 18.000 301.920

20 19.250 0.375 20.000 370.560

24 23.250 0.375 24.000 540.560

30 29.000 0.500 30.000 841.000

CÉDULA 30

8 8.071 0.277 8.625 65.140

10 10.136 0.307 10.750 102.740

12 12.090 0.330 12.750 146.170

14 13.250 0.375 14.000 175.560

16 15.250 0.375 16.000 232.560

18 17.124 0.438 18.000 293.230

20 19.000 0.500 20.000 361.000

24 22.876 0.562 24.000 523.310

30 28.750 0.625 30.000 826.560

CÉDULA 40

1/8 0.269 0.068 0.405 0.0724

1/4 0.364 0.088 0.540 0.1325

3/8 0.493 0.091 0.675 0.2430

1/2 0.622 0.109 0.840 0.3869

3/4 0.824 0.113 1.050 0.679

1 1.049 0.133 1.315 1.100



MEDIDA NOMINAL

(Pulg.)

DIÁMETRO INTERNO

(Di) (Pulg.)

ESPESOR

(Pulg.)

DIÁMETRO EXTERNO

(De) (Pulg.)


(Di2) (Pulg.2)

1 1/4 1.380 0.140 1.660 1.904

1 1/2 1.610 0.145 1.900 2.592

2 2.067 0.154 2.375 4.272

2 1/2 2.469 0.203 2.875 6.096

3 3.068 0.216 3.500 9.413

3 1/2 3.548 0.226 4.000 12.590

4 4.026 0.237 4.500 16.210

5 5.047 0.258 5.563 25.470

6 6.065 0.280 6.625 36.780

8 7.981 0.322 8.625 63.700

10 10.020 0.365 10.750 100.400

12 11.938 0.406 12.750 142.500

14 13.124 0.438 14.000 172.240

16 15.000 0.500 16.000 225.000

18 16.876 0.562 18.000 284.800

20 18.814 0.593 20.000 354.000

24 22.626 0.687 24.000 511.900

CÉDULA 60

8 7.813 0.406 8.625 61.040

10 9.750 0.500 10.750 95.060

12 11.626 0.562 12.750 135.160

14 12.814 0.593 14.000 164.200

16 14.688 0.656 16.000 215.740

18 16.500 0.750 18.000 272.250

20 18.376 0.812 20.000 337.680

24 22.064 0.968 24.000 486.820

CÉDULA 80

1/8 0.215 0.095 0.405 0.0462

1/4 0.302 0.119 0.540 0.0912

3/8 0.423 0.126 0.675 0.1789

1/2 0.546 0.147 0.840 0.2981

3/4 0.742 0.154 1.050 0.5506

1 0.957 0.179 1.315 0.9158

1 1/4 1.278 0.191 1.660 1.633

1 1/2 1.500 0.200 1.900 2.250



MEDIDA NOMINAL

(Pulg.)

DIÁMETRO INTERNO

(Di) (Pulg.)

ESPESOR

(Pulg.)

DIÁMETRO EXTERNO

(De) (Pulg.)


(Di2) (Pulg.2)

2 1.939 0.218 2.375 3.760

2 1/2 2.323 0.276 2.875 5.396

3 2.900 0.300 3.500 8.410

3 1/2 3.364 0.318 4.000 11.320

4 3.826 0.337 4.500 14.640

5 4.813 0.375 5.563 23.160

6 5.761 0.432 6.625 33.190

8 7.625 0.500 8.625 58.140

10 9.564 0.593 10.750 91.470

12 11.763 0.687 12.750 129.410

14 12.500 0.750 14.000 156.250

16 14.314 0.843 16.000 204.890

18 16.126 0.937 18.000 260.050

20 17.938 1.031 20.000 321.770

24 21.564 1.218 24.000 465.010

CÉDULA 100

8 7.439 0.593 8.625 55.340

10 9.314 0.718 10.750 86.750

12 11.064 0.843 12.750 122.410

14 12.126 0.937 14.000 147.040

16 13.938 1.031 16.000 194.270

18 15.688 1.156 18.000 246.110

20 17.438 1.281 20.000 304.080

24 20.938 1.531 24.000 438.400

CÉDULA 120

4 3.624 0.438 4.500 13.133

5 4.563 0.500 5.563 20.820

6 5.501 0.562 6.625 30.260

8 7.189 0.718 8.625 51.680

10 9.064 0.843 10.750 82.160

12 10.750 1.000 12.750 115.560

14 11.814 1.093 14.000 139.570

16 13.564 1.218 16.000 183.980

18 15.250 1.375 18.000 232.560

20 17.000 1.500 20.000 289.000



MEDIDA NOMINAL

(Pulg.)

DIÁMETRO INTERNO

(Di) (Pulg.)

ESPESOR

(Pulg.)

DIÁMETRO EXTERNO

(De) (Pulg.)


(Di2) (Pulg.2)

24 20.376 1.812 24.000 415.180

CÉDULA 140

8 7.001 0.812 8.625 49.010

10 8.750 1.000 10.750 76.560

12 10.500 1.125 12.750 110.250

14 11.500 1.125 14.000 132.250

16 13.124 1.438 16.000 172.240

18 14.876 1.562 18.000 221.300

20 16.500 1.750 20.000 272.250

24 19.876 2.062 24.000 395.060

CÉDULA 160

1/2 0.466 0.187 0.840 0.2172

3/4 0.614 0.218 1.050 0.3770

1 0.815 0.250 1.315 0.6642

1 1/4 1.160 0.250 1.660 1.346

1 1/2 1.338 0.281 1.900 1.790

2 1.689 0.343 2.375 2.853

2 1/2 2.125 0.375 2.875 4.516

3 2.624 0.438 3.500 6.885

4 3.438 0.531 4.500 11.820

5 4.313 0.625 5.563 18.600

6 5.189 0.718 6.625 26.930

8 6.813 0.906 8.625 46.420

10 8.500 1.125 10.750 72.250

12 10.126 1.312 12.750 102.540

14 11.188 1.406 14.000 125.170

16 12.814 1.593 16.000 164.200

18 14.438 1.781 18.000 208.450

20 16.064 1.968 20.000 258.050

24 19.314 2.343 24.000 373.030

a). Presiones de trabajo. La Asociación Americana de Normas (A. S. A., ANSI B31.1) gradúa diferentes tipos de tuberías para servicios de presión, esta graduación esta basada sobre el máximo esfuerzo permisible de la tubería; estos esfuerzos son causados por la temperatura y la presión a que esta sujeta la tubería, la cual necesitara un espesor de pared dado, el cual estará expresado por una fórmula regular que nos dará el “el número de cedula” 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160. La fórmula del número de cedula es:



SP

C 1000

Donde: P = presión de trabajo interior kg/cm2

S = Esfuerzo permisible del material del tubo kg/cm2

Otra manera de expresar la graduación de la tubería es dada también por A. S. A. (ANSI B31.1) Por ejemplo una tubería graduada como 300 A. S. A., quiere decir que esa tubería puede usarse para un servicio de 300 lb/pulg2 (800 °F) a 600 lb/pulg2 (100 °F).

2.2.2 Datos de accesorios.

Conexiones. La unión o enlazamiento de las tuberías es por medio de soldadura, roscado, machihembrado y por medio de bridas.

Esta unión es similar para todas las tuberías de diferentes materiales. La tubería pequeña, de 1 ½ pulgadas de diámetro o menos, es generalmente unida con conexiones roscadas. Este tipo de unión es el más común y se usa para presiones bajas o moderadas a temperaturas bajas.

Es claro que la tubería se hace en secciones rectas, entonces para los cambios de dirección, desviaciones en cierto ángulo, unión de de dos tramos fijos, etc., se usan las llamadas conexiones o accesorios, que según su servicio es su nombre.

Los coples unen secciones de tubería. Los niples para unir otros accesorios. Las campanas para cambiar de diámetro. Ya que los tubos roscados tienen la rosca hacia un solo lado, hay casos que la unión no se puede hacer por medio de un cople, porque al unir se desviaría otro, si ambos extremos estuviesen fijos, para estos casos se usa la tuerca unión o unión. El codo de 90° para cambiar de dirección en esquina o si es menos un codo con menor grado.

FIG. 2-49. CONEXIONES DE TUBERÍAS.



Para hacer un ramal de la línea principal la “T”. Para dos ramales la cruceta. Para cerrar una sección de tubería el tapón hembra. Para cerrar una tubería un tapón macho

FIG. 2-50. RAMALES DE TUBERÍAS.

Bridas. Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas, intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.). La unión se hace por medio de dos bridas, en la cual una de ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado.

Las uniones y conexiones mediante bridas son usadas porque facilitan la conexión y desmantelamiento de sistemas de tubería y son fácilmente unidas a accesorios, válvulas y equipos especializados. Esta facilidad de instalación permite una mejor inspección y conservación de las tuberías. Formas de colocación de las bridas.

Roscadas.

Traslapadas.

Soldadas.

La ventaja de las uniones bridadas radica en el hecho de que por estar unidas por espárragos, permite el rápido montaje y desmontaje a objeto de realizar reparaciones o mantenimiento.

TIPOS DE BRIDAS Y CARACTERÍSTICAS.

Brida con cuello para soldar. Se distinguen de otros tipos por su cono largo y por su camino gradual de espesor en la región de la soldadura que las une al tubo. Se recomiendan para el manejo de líquidos explosivos, inflamables o costosos, donde la pérdida de ajuste o falla local puede ser acompañada de desastrosas consecuencias.

FIG. 2-51. BRIDAS CON CUELLO PARA SOLDAR.



Brida deslizante. Es la que tiene la propiedad de deslizarse hacia cualquier extremo del tubo antes de ser soldada y puede ser con cara plana, cara levantada, borde y ranura, macho y hembra y de orificio requiere soldadura por ambos lados.

FIG. 2-52. BRIDAS DESLIZANTES.

Brida roscada. Pueden ser instaladas sin necesidad de soldadura y se utilizan en líneas con fluidos con temperaturas moderadas, baja presión y poca corrosión, no es adecuada para servicios que impliquen fatigas térmicas.

FIG. 2-53. BRIDAS ROSCADAS.

Brida loca con tubo rebordeado. Viene seccionada y su borde puede girar alrededor de cuello, lo que permite instalar los orificios para tornillos en cualquier posición sin necesidad de nivelarlos.

Brida ciega. Es una pieza completamente sólida sin orificio para fluido y se une a las tuberías mediante el uso de tornillos, se coloca en extremos de tuberías de igual diámetro, cara y resistencia.

FIG. 2-54. BRIDAS CIEGAS.

Brida orificio o porta placa. Cumplen su función como brida portaplacas, del grupo denominada estándar, específicamente del tipo cuello soldable y deslizantes.

FIG. 2-55. BRIDA ORIFICIO O PORTA PLACA.



Brida embutible. Tiene la propiedad de ser embutida hasta un tope interno que ella posee, con una tolerancia de separación de 1/8'' y solo va soldada por el lado externo.

Actualmente toda tubería mayor de 2 pulgadas de diámetro se une con bridas soldadas, las roscadas han caído en desuso y las traslapadas o “locas” son de uso menos frecuentes. La unión de brida a brida es diversa, pues hay varios tipos de bridas, y siempre se hace colocando entre las dos bridas una junta o empaque.

Diferentes tipos de caras en bridas:

FIG. 2-56. CARAS DE BRIDA.

Las bridas se unen por medio de espárragos y tuercas o tornillos y tuercas, estos últimos son recomendables y solo se usan en tuberías de agua de enfriamiento y presiones bajas.

Las juntas o empaques pueden ser de muy diferentes materiales desde cartón hasta acero, lo único que se busca es un sello adecuado y resistente a los productos que pasan por la tubería, así como a su temperatura y presión. Para presiones y temperaturas bajas se usan de cartón, para presiones bajas y temperaturas altas se usa la de cartón con alma de acero, para presiones y temperaturas altas se usan juntas metálicas.

TABLA 2-2. MATERIALES DE JUNTAS Y SUS CARACTERÍSTICAS.

Denominación comercial

Denominación técnica Características Temperatura de trabajo

NITRILO- NBR Caucho de nitnio butadieno (NBR)

Densidad: 1.3 Carga de rotura 120 kg/cm2. Optima resistencia al envejecimiento, a la abrasión y al calor. Excelente resistencia a los aceites minerales. Buena resistencia a las soluciones ácidas y alcalinas al 40%. Baja resistencia al vapor y a los ésteres fosfóricos.

-30 OC

+120 OC

ETILENO PROPILENO - EPDM

Polímero constituido por etileno propileno (EPDM)

Densidad: 1.2, Carga de rotura 100 kg/cm2.

Óptima resistencia a los ésteres fosfóricos, agua caliente y al vapor. Buena resistencia a las soluciones ácidas y alcalinas al 40%. Baja resistencia a los aceites minerales.

-40 °C

+140 °C





NEOPRENO- CR Policloropreno (CR)

Densidad: 1.3. Carga de rotura 180. Óptima resistencia mecánica y al envejecimiento al aire. Buena compatibilidad con los aceites minerales y soluciones ácidas y alcalinas al 40%. Baja resistencia a los ésteres fosfóricos.

-20 °C

+120 °C

SILICONA - VMQ Polímeros de siloxano con estructura que contiene átomos de oxígeno y silicio alternados, con varios radicales orgánicos unidos a los átomos de silicio (VMQ).

Densidad: 1.2. Carga de rotura 75 kg/cm2, óptima resistencia a la temperatura, al ozono y al agua oxigenada. Baja resistencia a los aceites minerales, a excepción de los de bajo contenido aromático. Baja resistencia a los agentes químicos en general.

-80 °C

+250 °C

FLUOR SILICONA - FVMQ

Vea denominación técnica Silicona (FVMQ)

Densidad: 1.3. Carga de rotura 90 kg/cm2. Óptima resistencia a la temperatura, intemperie, al ozono y agua oxigenada. Excelente resistencia a las gasolinas, aceites. Disolventes y gran parte de los agentes químicos.

-60 °C

+225 °C

VITON - FIKM

Copolímero de fluoruro de vinilideno y hexafluropropileno (FKM)

Densidad: 1.9. Carga de rotura 140 kg/cm2. Excelente resistencia a la temperatura, a la abrasión, Óptima resistencia a los aceites minerales, lubrificantes, soluciones ácidas y alcalinas y a la mayor parte de Los ácidos minerales. Buena resistencia a los ésteres fosfóricos. Muy baja resistencia a la acetona y ácido acético.

-20 °C

+200 °C

CHELMRAZ KALREZ - FKM

Vea denominación técnica del VITON (FKM)

Óptima resistencia a la temperatura. Resistencia a casi todos los reactivos químicos, incluyendo disolventes, acetonas, ésteres, aminas, oxidantes, ácidos, combustibles, grasas, etc.

-20 °C

+310 °C

POLIURETANO – (AU)

Polímero construido por poliisocianato más poliol (AU)

Densidad: 1.2. Carga de rotura 350 kg/cm2. Óptima resistencia mecánica y a la abrasión. Excelente resistencia a los aceites minerales y a las gasolinas. Es atacado por ácidos, bases y disolventes orgánicos o clorados.

-20 °C

+70 °C

RESINA ACETÁLICA - DELRIN

Polímero construido por polioximetileno (DELRIN)

Densidad: 1.4. Carga de rotura 700 kg/cm2. Óptimas propiedades mecánica. Alta resistencia. Buena resistencia al roce y alta estabilidad dimensional. Resiste ácidos, bases y disolventes.

-30 °C

+90 °C

POLIÉSTER REFORZADO

Resina de poliéster con fibra de vidrio

Densidad: 1.27. Carga de rotura 600 kg/cm2. Óptimas propiedades mecánica y a la fricción. Resistente a los aceites ASTM, ésteres fosfóricos, aceites minerales y soluciones acuosas.

-40 °C

+120 °C





TEFLÓN - PTFE Polímeros de fluorucarburos de tetrafluoetileno (PTFE)

Densidad: 2.2. Carga de rotura 200 kg/cm2. Con diferentes cargas de vidrio, bronce, carbono, grafito, etc., varían y mejoran sus propiedades mecánicas. Resistencia química total.

-100 °C

+260 °C

TEFLON - FEP Resinas de etileno – propileno fluoradas (FEP)

Densidad: 2.15. Carga de rotura 225-250 kg/cm2. Traslucido. Alta resistencia y resistencia a la rotura por compresión y flexión. Resistencia química total como el PTFE.

-100 °C

+205 °C

2.2.3 Simbología de las tuberías, accesorios y válvulas.

TABLA 2-3. SIMBOLOGÍA DE TUBERÍAS NORMA PEMEX (NO. 2.401.01).

Concepto Representación Concepto Representación

Tubería auxiliar Junta aislante

Tubería principal Interfase PEP - fabricante

Tubería enterrada Junta giratoria

Tubería con aislamiento

Toma de muestra normal

Tubería con venas de calentamiento

Toma de muestra con enfriador

Tubería enchaquetada

Toma de muestra con calentador

Conexión cachucha roscada

Sifón

Conexión cachucha soldable

Difusor

Conexión brida ciega

Disco de ruptura para presión

DR



Conexión tapón macho roscado

Disco de ruptura para vacío

DR

Conexión para manguera

Testigo de corrosión TC

Conexión bridada

Amortiguador de golpe de aríete

Junta ciega deslizable

Agitador

Junta ciega deslizable tipo ocho

Regadera de emergencia con lava ojos

Conexión carrete removible

Venteo

Brida de orificio (B.O.)

Placa de orificio (P.O.)

Orificio de restricción (O.R.)

Venas rectificadoras de flujo

Manguera flexible

Esprea

Hidrante C.I. 2 tomas H

Trampa de aire

Hidrante C.I. 3 tomas HT

Eyector o eductor

Torrecilla C.I. (monitor) M

Cople dresser

Trampa de vapor

Termodinámica (T)

Flotador (F)

Cubeta invertida (C)

TFC

T

Dren o purga



Junta de expansión

Tee especial

Reducción excéntrica

Silenciador atmosférico

Reducción concéntrica

Trampa de vacío

Anillo distribuidor

Aislamiento en equipo

EM

Annubar

Aislamiento en equipo con trazado de vapor

E M

TABLA 2-4. SIMBOLOGÍA DE VÁLVULAS.

Concepto Representación Concepto Representación

Válvula de compuerta

Válvula de ángulo

Válvula de globo

Válvula automática con posicionador neumático

Válvula macho

Válvula auto-regulada

Válvula de tres vías

Válvula de seguridad o relevo PSV



Válvula macho tres vías

Válvula de purga (Cierre rápido)

Válvula de cuatro vías

Válvula de pie

Válvula macho cuatro vías

Válvula de control de presión corriente abajo

Válvula retención

Válvula de control de presión corriente arriba

Válvula de mariposa

Válvula tipo “Y”

Válvula de aguja

Válvula de acción rápida

Válvula de bola

Válvula rompedora de vacío

Válvula de diafragma

Válvula de presión-vacío para tanques atmosféricos

Válvula automática (cierra a falla de aire)

Válvula con flotador

Válvula automática (abre a falla de aire)

Válvula solenoide



TABLA 2-5. NOMENCLATURA PARA POSICIÓN DE VÁLVULAS.

Concepto Representación

Cerrada con sello CS

Abierta con sello AS

Cerrada con candado CC

Abierta con candado AC

Normalmente abierta NA

Normalmente cerrada NC

Abre a falla de aire FO

Cierra a falla de aire FC

Mantiene su posición a falla de aire FAM

2.3 TRAMPAS DE VAPOR

2.3.1 Funciones de una trampa de vapor

Una trampa de vapor se puede definir como una válvula automática que tiene distintas funciones. Es muy importante conocer las funciones que puede realizar una trampa para poder utilizarla en las aplicaciones requeridas.

El condensado es un producto secundario de la transferencia de calor en un sistema de vapor. Se forma en el sistema de distribución debido a la inevitable existencia de radiación. También se forma en equipos de calentamiento y de proceso debido a la transferencia de calor del vapor a la substancia que se desea calentar. Una vez que el vapor se condensa al desprender todo su valioso calor latente, el condensado caliente se debe de remover inmediatamente. El condensado todavía es agua tratada caliente con valor energético y se debe regresar a la caldera, aún cuando el calor disponible en un kilogramo de condensado es relativamente poco comparado al de un kilogramo de vapor.

El condensado que se acumula en las líneas de vapor puede ser la causa de cierto tipo de golpe de ariete. Cuando el vapor viaja a velocidades de hasta 160 km/hr tiende a producir “olas” al pasar sobre el condensado (Fig. 2-57). Si se ha acumulado demasiado condensado entonces el vapor a alta velocidad lo estará empujando, lo cual produce un tapón de agua que crece y crece al empujar el líquido delante de él. Cualquier componente que trate de cambiar la dirección del flujo - conexiones, válvulas reguladoras, codos, bridas ciegas - puede ser destruido. Asimismo, aparte del daño producido por este ‘golpeteo hidráulico’, el agua a alta velocidad puede causar erosión significante en las conexiones y tuberías con superficies metálicas.



FIG. 2-57 EL CONDENSADO QUE SE HA DEJADO ACUMULAR EN LAS TUBERÍAS VA A FORMAR OLAS AL PASARLE

VAPOR POR ENCIMA DE ÉL, HASTA QUE EVENTUALMENTE PUEDE BLOQUEAR EL FLUJO (PUNTO A). EL CONDENSADO

EN EL ÁREA B PRODUCE UNA DIFERENCIA DE PRESIÓN QUE PERMITE A LA PRESIÓN DE VAPOR EMPUJAR EL TAPÓN

DE CONDENSADO A LO LARGO DEL TUBO COMO UN “CILINDRO GOLPEADOR.”

Cuando el vapor se encuentra con condensado, que ha sido enfriado a una temperatura menor que la del vapor, se puede producir otro tipo de golpe de ariete que se conoce como choque térmico. El vapor ocupa un volumen mucho mayor que el condensado, así que cuando el vapor se condensa de forma repentina se generan ondas de choque que viajan por todo el sistema. Esta forma de golpe de ariete puede dañar el equipo, y básicamente indica que el condensado no está siendo drenado adecuadamente en el sistema. Al mismo tiempo, el condensado ocupa espacio dentro de la unidad de transferencia de calor, lo cual reduce el tamaño físico y la capacidad de la unidad. Si el condensado se remueve rápidamente entonces la unidad está llena de vapor (Fig. 2-58).

FIG. 2-58 UN SERPENTÍN MEDIO LLENO DE CONDENSADO NO PUEDE TRABAJAR A SU MÁXIMA CAPACIDAD

Pero al condensarse el vapor se forma una capa de agua dentro de las superficies del intercambiador de calor. Además, los gases no-condensables no se convierten en líquidos y fluyen hacia afuera por gravedad, sino que se acumulan dentro de la unidad y también forman una capa delgada en las superficies del intercambiador de calor - junto con la suciedad y el sarro. Todos estos elementos son impedimentos para una transferencia de calor adecuada (Fig. 2-59).



FIG. 2-59 POSIBLES REDUCTORES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR; EL CALOR Y LA TEMPERATURA DEL VAPOR

DEBEN SUPERAR ESTAS POSIBLES BARRERAS PARA PODER HACER SU TRABAJO CUANDO EL AIRE Y OTROS GASES

SE METEN AL SISTEMA DE VAPOR ESTARÁN OCUPANDO PARTE DEL ESPACIO QUE DEBERÍA ESTAR OCUPADO

ÚNICAMENTE POR EL VAPOR. Y LA TEMPERATURA DE LA MEZCLA AIRE/VAPOR VA A SER MENOR QUE LA QUE SERÍA

PARA VAPOR PURO. LA FIG. 2-60 EXPLICA EL EFECTO DEL AIRE EN LAS LÍNEAS DE VAPOR. LA

Tabla 2-6 muestran la reducción en temperatura causada por diferentes porcentajes de aire a varias presiones.

TABLA 2-6 REDUCCIÓN EN TEMPERATURA CAUSADA POR AIRE

Presión Temperatura vapor saturado

Temperatura del vapor mezclado con varios porcentajes de aire (en volumen) (°C)

(bar) (°C) 10 % 20% 30 %

2

4

6

8

10

120.2

143.6

158.8

170.4

179.9

116.7

140.0

154.5

165.9

175.4

113.0

135.5

150.3

161.3

170.4

110.0

131.1

145.1

155.9

165.0

FIG. 2-60 EN UNA CÁMARA DONDE EXISTE AIRE-VAPOR SE VA A LIBERAR EL CALOR CORRESPONDIENTE A LA

PRESIÓN DE VAPOR, NO A LA PRESIÓN TOTAL DE LA CÁMARA



El vapor lleva consigo aire y otros gases durante su flujo normal hacia el interior de un intercambiador de calor. Estos gases no-condensables, debido a que no se condensan y no se pueden drenar por gravedad, forman una barrera entre el vapor y las superficies del intercambiador de calor. Y las excelentes propiedades aisladoras del aire reducen la transferencia de calor. De hecho, bajo ciertas condiciones, con un porcentaje tan bajo como 0.5% de aire en el volumen de vapor puede reducir en un 50% la eficiencia de la transferencia de calor (Fig. 2-61).

Cuando los gases no-condensables (principalmente aire) se continúan acumulando y no son removidos de la unidad, poco a poco llenan el interior del intercambiador de calor y eventualmente bloquean completamente el flujo del vapor. Entonces se dice que la unidad está “bloqueada por aire”.

FIG. 2-61 CUANDO EL VAPOR SE CONDENSA DENTRO DE UNA UNIDAD DE TRANSFERENCIA DE CALOR, EL AIRE SE

MUEVE HACIA LAS SUPERFICIES DE TRANSFERENCIA DE CALOR, DONDE SE CONSOLIDA EN UNA CAPA QUE FORMA

UN AISLAMIENTO TÉRMICO BASTANTE EFECTIVO.

Dos causas principales para la formación de sarro y para la corrosión son el bióxido de carbono (CO2) y oxígeno. CO2 entra al sistema en los carbonatos que están disueltos en el agua de alimentación, y cuando ésta se mezcla con el condensado enfriado se crea ácido carbónico. El ácido carbónico es extremadamente corrosivo y puede comerse las tuberías y los intercambiadores de calor. Oxígeno entra al sistema como un gas disuelto en el agua de alimentación. El oxígeno hace más grave aún el efecto del ácido carbónico, incrementando la corrosión y picando las superficies de hierro y acero.

Resumiendo, las trampas de vapor deben de drenar el condensado porque éste puede disminuir la transferencia de calor y puede causar golpe de ariete. Las trampas deben evacuar aire y otros gases no-condensables porque ellos pueden disminuir la transferencia de calor al reducir la temperatura del vapor y al aislar térmicamente el sistema. Y también pueden promover daños debidos a corrosión.

Es imperativo remover condensado, aire y CO2 tan rápida y completamente como se pueda. Lo que se necesita es una trampa de vapor, la cual es simplemente una válvula automática que se abre al condensado, aire y CO2, y se cierra al vapor. Y por razones de economía, las trampas de vapor deben de hacer su trabajo por largos períodos de operación y con un mínimo de mantenimiento.

Asimismo, para una mayor eficiencia y economía, una trampa debe también de ofrecer:



2.3.1.1 Manejo eficiente del condensado

Su cometido es la evacuación óptima del condensado de cambiadores de calor con alimentación por vapor. Este punto se refiere a las pérdidas relativas de vapor vivo que tienen las diferentes trampas. Algunas trampas, inclusive nuevas, tienen más o menos la misma eficiencia, una pérdida de vapor entre 0.5 y 10 lb/hr. Sin embargo, la tecnología moderna se encuentra desarrollando trampas con una eficiencia cada vez mayor, algunas trampas son diseñadas para trabajar sin pérdidas de vapor vivo.

Existe otro aspecto de conservación de energía que se usa al referirse a trampas. Este se trata del subenfriamiento que causa la trampa al condensado antes de pasarlo. Las trampas termostáticas, por ejemplo, no dejan pasar el condensado hasta que se haya enfriado a una cierta temperatura. Si el condensado cede el calor al proceso al sub-enfriarse, la trampa se puede considerar más eficiente o sea que aprovecha mejor la energía. Pero si el condensado se queda estancado en un serpentín, por ejemplo, está en realidad reduciendo la capacidad de transmisión de calor de ese serpentín y la eficiencia térmica del proceso de calentamiento a través del serpentín.

Es importante no confundir las características de eficiencia de la trampa, no dejar pasar vapor vivo, con la eficiencia térmica del proceso.

2.3.1.2 Larga vida y servicio seguro.

El desgaste rápido de sus partes resulta en una trampa que no ofrece servicio seguro. Una trampa eficiente ofrece ahorro de dinero al minimizar la necesidad de pruebas, reparaciones, limpieza, interrupción de servicio o cualquier otro requerimiento.

2.3.1.3 Manejo de condensados con ácido y oxigeno (resistencia a la corrosión)

Las trampas de vapor deben estar diseñadas para trabajar con presencia de ácido y oxígeno en el condensado a purgar, debido a esto, las partes importantes de una trampa deben ser resistentes a la corrosión para que no sufran los efectos dañinos de los condensados.

2.3.1.4 Venteo de aire

El aire puede mezclarse con el vapor en cualquier momento, y en especial al arranque del equipo. Éste debe ser venteado para tener una transferencia de calor eficiente y para prevenir bloqueos en el sistema.

2.3.1.5 Venteo de dióxido de carbono (CO2).

Mediante venteo del CO2 a la temperatura del vapor se evita la formación de ácido carbónico. Por lo tanto la trampa de vapor opera a una temperatura igual, o bastante cerca, a la temperatura del vapor, ya que el CO2 se disuelve en condensado que se ha enfriado a temperatura menor que la del vapor.

2.3.1.6 Venteo de gases no-condensables

Al igual que el aire, los gases no-condensables se mezclan con el vapor por lo que deben de expulsarse y evitar de esta manera bloqueos en el sistema y asegurar una transferencia de calor más eficiente.

2.3.1.7 Evitar problemas de contrapresión

Presurización de las líneas de retorno puede ocurrir por diseño o por un mal funcionamiento. Una trampa de vapor debe ser capaz de funcionar aún cuando exista contrapresión en su tubería de retorno al sistema.



2.3.1.8 Manejo de suciedad

Suciedad y basura siempre serán algo que se encuentra en las trampas, debido a que se instalan en los niveles bajos del sistema de vapor. El condensado recoge la suciedad y el sarro en las tuberías, también partículas sólidas que pueden ser acarreadas desde la caldera. Aún las partículas que se cuelan por los filtros son erosivas y por lo tanto la trampa de vapor debe ser capaz de funcionar ante la presencia de suciedad. Una trampa que ofrezca cualquier cosa menor que todas estas características, resultará con una eficiencia menor en el sistema y en un incremento de costos.

2.3.2 Tipos de trampas de vapor

En esta sección se presentan algunos tipos de trampas que se consideran los más comunes, divididos en tres grupos según su modo de operación.

2.3.2.1 Trampas mecánicas

Las trampas mecánicas detectan la diferencia de fase entre el vapor y el condensado, es decir, entre gas y líquido, mediante la diferencia en densidad entre los dos.

2.3.2.2 Trampa de flotador y termostato

Las trampas de flotador y termostato, Fig. 2-62, sirven incluso para evacuar condensados fríos, productos de destilación y condensados de productos químicos. Funcionan también en condiciones de fuerte fluctuación de la cantidad y la presión del condensado, y cualquiera que sea la contrapresión.

En comparación con otros purgadores son especialmente insensibles a la suciedad. Aún cuando es una de las más viejas en el mercado, es todavía la de más amplio uso. El orificio de salida siempre queda bajo agua, lo que asegura un buen sello contra fugas de vapor. La descarga es continua y modula según la generación de condensado, sin importar la presión de entrada. El aire se purga independientemente mediante una válvula termostática que permite el calentamiento rápido del sistema al arrancar.

FIG. 2-62 TRAMPA DE FLOTADOR Y TERMOSTATO



2.3.2.3 Trampa de cubeta invertida

Estas trampas, Fig. 2-63, mantienen su popularidad desde hace años debido a su menor costo, aunque, en la mayoría de los casos, son más ineficientes que otras trampas. Siempre consumen un poco de vapor que pasa a través del orificio de venteo. Además se pueden quedar abiertas debido a una caída rápida de presión de entrada, o debido a que están sobredimensionadas para el sistema.

FIG. 2-63 FUNCIONAMIENTO DE LA TRAMPA DE VAPOR DE BALDE INVERTIDO (A PRESIONES CERCA DE LA MÁXIMA)

1. La trampa de vapor se instala en la línea de drenaje, entre la unidad calentada por vapor y el cabezal de retorno de condensados. Al arranque, el balde está abajo y la válvula está completamente abierta. Cuando el flujo inicial de condensado entra a la trampa, fluye por debajo del borde inferior del balde, llena el cuerpo de la trampa y sumerge completamente al balde. El condensado entonces sale a través de la válvula completamente abierta y se descarga a la tubería de regreso.

2. El vapor también entra a la trampa dentro del balde invertido, donde se eleva y se acumula en la parte superior, provocando la flotación del balde. Al subir el balde también sube la bola de la válvula hacia su asiento, hasta que la válvula cierra herméticamente. El aire y el bióxido de carbono pasan continuamente por el venteador del balde y se acumula en la parte superior de la trampa. El vapor que se escape por el venteador se condensa debido a la radiación de la trampa.

FIG. 2-64 TRAMPAS DE CUBETA INVERTIDA



3. Cuando el condensado empieza a llenar el balde, el balde comienza a jalar la palanca de la válvula. Dado que el nivel del condensado sigue subiendo, más fuerza es ejercida en la palanca, hasta que es suficiente para vencer la presión diferencial de la válvula, la cual se abre.

4. Al momento que la válvula se abre, la fuerza de la presión a través de ella se reduce, y el balde se hunde rápidamente, lo que abre la válvula completamente. Primero sale el aire que se ha acumulado, seguido por el condensado. El flujo que hay por debajo del borde del balde levanta la suciedad y se la lleva fuera de la trampa. La descarga continúa hasta que llegue más vapor que haga flotar al balde, y así se repita el ciclo.

2.3.2.4 Trampas termostáticas

Este tipo de trampas responde a cambios de temperatura y de esta forma distingue bien entre vapor y gases no condensables más fríos. Elimina rápidamente el aire del sistema, especialmente durante un arranque en frío y pude ser instalada en varias posiciones.

El funcionamiento de las trampas de vapor Termostáticas es basado en la diferencia entre la temperatura del vapor y la del condensado frío y el aire. El vapor incrementa la presión dentro del elemento termostático, cerrando la trampa. Cuando el condensado y los gases no-condensables se acumulan en el segmento de enfriamiento, la temperatura empieza a disminuir y el elemento termostático se contrae, abriéndose la válvula. La cantidad de condensado acumulado a la salida de la trampa depende de las condiciones de operación, la presión del vapor, y el tamaño de la tubería. Es importante hacer notar que una acumulación de gases no-condensables puede ocurrir detrás de la acumulación de condensado.

FIG. 2-65 FUNCIÓN DE LA TRAMPA DE VAPOR TERMOSTÁTICA

1. Al arranque, el condensado y el aire son empujados por el vapor directamente a través de la trampa. El elemento de fuelle termostático está completamente contraído y la válvula permanece abierta hasta que el vapor llega a la trampa.

2. Cuando la temperatura dentro de la trampa se incrementa, el elemento de fuelle se calienta rápidamente, y la presión del vapor dentro de él se incrementa. Cuando la presión dentro del fuelle es igual a la presión en el cuerpo de la trampa, la característica elástica del fuelle resulta en que se expanda, cerrando la válvula. Cuando la temperatura en la trampa se reduce unos cuantos grados debajo de la temperatura de vapor saturado, se produce un desbalance en las presiones que contraen el fuelle, abriéndose nuevamente la válvula.



FIG. 2-66 FUNCIONAMIENTO DEL WAFER TERMOSTÁTICO.

El funcionamiento del Wafer Termostático de Presión Balanceada es bastante similar al de los fuelles de presión balanceada, descrito en Fig. 2-66. El wafer está parcialmente lleno con un líquido. Cuando la temperatura dentro de la trampa se incrementa, el wafer se calienta y se incrementa la presión del vapor dentro de él. Cuando la presión dentro del wafer excede la presión del vapor en los alrededores, la membrana del wafer es empujada contra el asiento de la válvula, cerrando la trampa.

Una caída en la temperatura, causada por el condensado o los gases no-condensables, enfría y reduce la presión dentro del wafer, permitiendo al wafer despegarse del asiento de la válvula.

2.3.2.5 Trampa bimetálica

Esta trampa utiliza el calor sensible en el condensado juntamente con la presión de la línea para abrir y cerrar el mecanismo de la válvula por medio de un dispositivo que se expande y se contrae según la temperatura, Fig. 2-67. El sistema de la válvula y su asiento están arreglados en tal forma que producen una condición de flujo abajo del asiento.

La presión de suministro tiende a abrir la válvula. Los elementos bimétalicos tienen forma de pequeños discos y están arreglados de tal manera que cierran la válvula cuando la temperatura aumenta. La fuerza de cierre está en oposición a la fuerza para abrir, creada por la presión de la línea.

FIG. 2-67 TRAMPA BIMETÁLICA



2.3.2.6 Trampa de expansión

Las trampas de expansión, Fig. 2-68, se caracterizan por su alta sensibilidad de respuesta. Son ideales para intercambiadores de calor cuyo funcionamiento se ve notablemente perturbado si se acumulan pequeñas cantidades de condensado. Funcionan en cualquier posición previa ó con contrapresión. La operación de la trampa de expansión es similar a las otras trampas termostáticas. Un fuelle ó cilindro lleno de líquido que se dilata con la temperatura cierra la válvula en presencia de vapor. En estas trampas, el elemento sensible se encuentra a la salida o sea que se detecta la temperatura del condensado que sale. Puede calibrarse el elemento para abrir la válvula a la temperatura deseada. Esta trampa opera independientemente de la presión del sistema de vapor.

FIG. 2-68 TRAMPA DE EXPANSIÓN

2.3.2.7 Trampa termodinámica

Estas trampas funcionan basándose en principios termodinámicos y de dinámica de fluidos. Igual que las trampas mecánicas, las termodinámicas son detectores de fase; pueden diferenciar entre líquido y gas, pero no entre vapor, aire, y gases no condensables.

2.3.2.8 Trampa de disco

Las trampas de disco, Fig. 2-69, son las que más se usan hoy en día, debido a su pequeño tamaño, amplio intervalo de presiones, tiene sólo una pieza móvil, y su resistencia al golpe de ariete y a la corrosión. Al inicio la presión creada por el condensado empuja la válvula de disco y deja libre la entrada y salida, lo que permite la descarga. A medida que el condensado llegue a la entrada, éste experimenta un aumento de velocidad y una disminución de presión. Si la temperatura del condensado está próxima a la del vapor, habrá una vaporización instantánea del condensado debido a la disminución de presión.

El incremento de la velocidad resultante bajo el disco con la consecuente reducción de presión, causa que éste caiga y cierre; entonces el flujo para. Hasta que la presión en la cámara sobre el disco baje lo suficiente de modo que la presión en la entrada empuje el disco hacia arriba, abriendo la entrada, comienza el condensado a fluir.

El condensado fluye nuevamente hasta alcanzar la presión y la velocidad para que ocurra la vaporización instantánea y el disco pueda cerrar nuevamente. Este ciclo se repite continuamente; el disco abre para permitir el flujo de condensado y cierra a alta velocidad del vapor instantáneo.



FIG. 2-69 TRAMPA DE DISCO

2.3.3 Selección de trampas de vapor

La selección de una trampa para una aplicación en particular, en muchos casos necesita más arte y experiencia que evaluación técnica. Esta tarea se complica aún más por las afirmaciones conflictivas que hacen los diferentes fabricantes de trampas. Esta sección presenta factores y reglas generales en la ubicación y selección de trampas de vapor.

Para poder obtener todos los beneficios de las trampas que se han descrito es necesario que las trampas sean seleccionadas en el tamaño y para la presión correcta para la aplicación en turno, y que sean instaladas y que se les dé el mantenimiento apropiado. Uno de los propósitos de esta información es de presentar la información para una selección adecuada de las trampas. La instalación y operación de todo equipo de trampeo de vapor debe ser llevada a cabo únicamente por personal experimentado. La selección o la instalación siempre deben de ser basada en los consejos y recomendaciones técnicas de personal competente.

2.3.3.1 Consideraciones Básicas

Trampeo Unitario se refiere al uso de trampas individuales en cada unidad condensadora de vapor, incluyendo, siempre que sea posible, cada calentador o serpentín que existe encada máquina. La información que se presenta en la sección titulada “Cortocircuito” explica el porqué se prefiere trampeo unitario en vez de trampeo en grupo.

Básese en Experiencia. Experiencias anteriores deben de usarse para ayudar en la selección de trampas. La experiencia puede ser propia, o basada en lo que otras gentes han aprendido al trampear equipos semejantes.

Selección Por Su Cuenta. La selección de trampas por uno mismo es fácil cuando se conoce o se puede calcular la siguiente información:

1. Carga de condensado en kg/hr

2. El factor de seguridad a usar

3. La diferencia de presiones

4. La presión máxima permitida

1. Carga de condensado. Se debe aplicar fórmulas e información útil sobre los rangos de condensación de vapor y los procedimientos adecuados de selección de trampas.



2. Factor de Seguridad o de Experiencia a Usar. Usuarios se han dado cuenta que generalmente se debe de utilizar un Factor de Seguridad cuando se seleccionan trampas de vapor. Por ejemplo, para obtener los mejores resultados posibles, un serpentín condensando 300 kg/hr puede requerir de una trampa con capacidad de hasta 900 kg/hr. Este Factor de Seguridad de 3 sirve para satisfacer condiciones de flujo de condensado variable, caídas ocasionales de la presión diferencial, y factores del diseño propio del equipo.

Factores de Seguridad varían desde un mínimo de 1.5, hasta un máximo de 10. La configuración afecta el Factor de Seguridad. El diseño de la unidad donde se usa el vapor es un factor más importante que la carga de condensado, o los cambios de presión en el sistema. Véanse las Fig. 2-70, Fig. 2-71 y Fig. 2-72 que muestran tres condensadores, cada uno produciendo 300 kg de condensado por hora, pero con Factores de Seguridad de 2, 3, y 8, respectivamente.

FIG. 2-70 SERPENTÍN CONTINUO, PRESIÓN CONSTANTE EN FLUJO POR GRAVEDAD A LA TRAMPA, 300 KG/HR DE

CONDENSADO DE UN SERPENTÍN DE BRONCE A 3 BAR. DRENAJE POR GRAVEDAD A LA TRAMPA. VOLUMEN MUY BAJO

DEL VAPOR. FACTOR DE SEGURIDAD DE 2

FIG. 2-71 TUBERÍAS MÚLTIPLES, PRESIÓN VARIABLE EN FLUJO POR GRAVEDAD A LA TRAMPA, 300 KG/HRDE

CONDENSADO DE UN CALENTADOR A 5 BAR. TUBERÍA MÚLTIPLE DISMINUYE EL RIEGO DE CORTO CIRCUITO. ÚSESE

UN FACTOR DE SEGURIDAD DE 3 A 2.5 BAR.



FIG. 2-72 TANQUE GRANDE, DRENADO POR SIFÓN, 300KG/HR EN UN TANQUE DE 1.2 M DE DIÁMETRO Y 2.5 M DE

LONGITUD, CON 2.8 M3 DE VOLUMEN A 2 BAR. EL FACTOR DE SEGURIDAD ES DE 3 CON UNA TRAMPA DC Y DE 8 CON

UNA IB

3. Diferencia de presiones. Diferencial Máximo es la diferencia entre la presión de la caldera, o del cabezal de vapor, o a la salida de una válvula reguladora de presión, y la presión de la línea de retorno. Véase Fig. 2-73 Una trampa debe de ser capaz de abrir venciendo esta presión diferencial.

FIG. 2-73 “A” MENOS “B” ES LA PRESIÓN DIFERENCIAL. SI “B” ES VACÍO, SE DEBE SUMAR A “A”

4. Máxima presión permitida. La trampa debe ser capaz de aguantar la máxima presión permitida en el sistema o la presión de diseño. Tal vez no sea necesario que opere a esta presión, pero debe ser capaz de aguantarla. Por ejemplo: si la máxima presión de entrada es 26 bar y la presión en la línea de retorno es 11 bar, esto resulta en una presión diferencial de 15 bar, sin embargo, la trampa debe de aguantar la presión máxima posible de 26 bar. Véase Fig. 2-73

2.3.3.2 Factores importantes en la selección de trampas

En este punto se discuten los factores que afectarán la selección del tipo de trampa para una aplicación dada. No todos los factores se aplican en todos los casos, pero un ingeniero debe saber cuáles factores son más importantes para seleccionar una trampa. Esta información está resumida en forma concisa en la Tabla 2-7.



TABLA 2-7 FACTORES IMPORTANTES EN LA SELECCIÓN DE TRAMPAS.

Varios tipos de trampas de vapor cumplen requisitos de operación específicos

Mecánica Termodinámica Termostática

Características Cubeta invertida Flote y termostato

Disco Expansión Bimetálico

1 Método de operación Intermitente Continuo Intermitente Continuo (1) Continuo

2 Conservación de energía (tiempo en servicio)

Excelente Buena Pobre Aceptable Aceptable

3 Resistencia al desgaste Excelente Buena Pobre Aceptable Aceptable

4 Resistencia la corrosión Buena Buena Excelente Buena Buena

5 Resistencia al golpe de ariete

Excelente Pobre Excelente Pobre Excelente

6 Venteo de aire y CO2 a la temperatura de vapor

Si Si No Si Si

7 Facilidad de comprobar buena operación

Excelente Pobre Excelente Pobre Pobre

8 Habilidad de manejar cargas de aire al arrancar el sistema

Aceptable Excelente Pobre Excelente Excelente

9 Operación de contra presión Excelente Excelente Pobre Excelente Excelente

10 Resistencia al daño por congelamiento

Excelente Aceptable Buena Buena Buena

11 Operación a baja carga Excelente Excelente Excelente Buena

12 Respuesta a golpes de condensado

Inmediata Inmediata Demorada Demorada Demorada

13 Habilidad para pasar suciedad

Excelente Buena Pobre Aceptable Aceptable

14 Tamaño físico comparativo Grande Grande Pequeña Mediana Mediana

15 Falla normal de la trampa Abierta Cerrada Abierta (2) Cerrada (3) Abierta

(1) Puede ser intermitente

(2) Puede fallar cerrada debido a la suciedad

(3) Puede fallar abierta o cerrada dependiendo del diseño

Estudiando detalladamente la Tabla 2-7 y la siguiente explicación, se desprende la conclusión de que los diferentes tipos de trampas son intercambiables en muchas aplicaciones, y que no hay una trampa definitivamente mejor que otra. Esta conclusión puede estar apoyada por las recomendaciones de los fabricantes que casi nunca recomiendan el mismo tipo de trampa para la misma aplicación. Definitivamente, hay aplicaciones que se adaptan mejor a un tipo de trampas que a otras. Pero siempre hay que tomar en cuenta el cálculo y la selección de la capacidad de la trampa, la preferencia para un tipo de trampa debido a experiencia práctica, y la conveniencia de normalizar hasta donde sean posibles los tipos de trampas que se utilizan en una fábrica.



2.3.3.3 Método de operación

Algunas trampas como las de cubeta invertida y de disco tienen descarga intermitente, mientras que otra tiene descarga continua modulada. En general, la única ventaja que tienen las trampas de descarga intermitente es la facilidad para comprobar su operación cuando están instaladas.

2.3.3.4 Facilidad de comprobar una operación satisfactoria

La operación de las trampas que tienen descarga intermitente se puede verificar eficazmente por su sonido de cerrar y abrir. Las trampas que modulan según la carga y tienen carga continua son casi imposibles de probar en el campo sin inspección visual de la descarga o un dispositivo de medición.

2.3.4 Cómo trampear sistemas de distribución de vapor

Los sistemas de distribución de vapor conectan a las calderas con el equipo que en realidad utiliza el vapor. Estos sistemas de distribución transportan el vapor hasta cualquier sitio en la planta donde se necesita su energía calorífica.

Los tres componentes principales de un sistema de distribución de vapor son los cabezales, las tuberías principales, y los ramales. Cada componente cumple con ciertas funciones específicas en un sistema de vapor y, junto con los separadores y las trampas de vapor, contribuye al uso eficiente del vapor.

Piernas colectoras. Un aspecto común en todos los sistemas de distribución de vapor es la necesidad de tener piernas colectoras a ciertos intervalos en las tuberías (Fig. 2-74). Sus funciones son:

1. Dejar que el condensado sea drenado, por gravedad, del vapor fluyendo a alta velocidad.

2. Colectar el condensado hasta que la presión diferencial sea suficiente para descargarlo a través de una trampa de vapor.

FIG. 2-74 ESPECIFICACIÓN DE LAS PIERNAS COLECTORAS

Una pierna colectora del tamaño adecuado puede recoger todo el condensado en la línea. En una pierna colectora demasiada pequeña se produce el efecto de “venturi pequeño” donde la caída de presión succiona el condensado fuera de la trampa.



2.3.4.1 Cabezales de las calderas

Un cabezal de vapor es una clase especial de tubería de distribución porque puede recibir vapor de una o varias calderas al mismo tiempo. Lo más común es que sea una tubería horizontal a la que se le alimenta el vapor por la parte superior, y al mismo tiempo se alimentan las tuberías principales de distribución. Es importante trampear el cabezal de forma correcta para asegurarse que cualquier substancia indeseable (agua de la caldera y/o partículas) será removida del vapor antes de que sea distribuido. Las trampas de vapor que le dan servicio al cabezal deben ser capaces de descargar grandes cantidades de condensado y partículas en forma instantánea. Resistencia al impacto hidráulico debe ser otro factor importante al seleccionar el tipo de la trampa.

FIG. 2-75 CABEZALES DE VAPOR

2.3.4.2 Tuberías principales

Uno de los usos más comunes para las trampas de vapor es el trampeo de las tuberías principales de vapor. Estas tuberías se deben de mantener libres de aire y de condensado para poder garantizar que el equipo que utiliza el vapor estará trabajando en forma eficiente. Un trampeo inadecuado en las tuberías principales de vapor muy frecuentemente ocasiona que se tenga golpe de ariete y acumulación de condensado, lo cual puede dañar las válvulas de control y otros equipos.

Existen dos métodos comunes para precalentar las tuberías principales de vapor: el supervisado y el automático. El Precalentamiento Supervisado es bastante aceptable para el calentamiento inicial de tuberías de diámetro grande y/o de gran longitud. En este método se recomienda que antes de que el vapor fluya por la tubería principal, se abran completamente las válvulas de las piernas colectoras para que el vapor escape a la atmósfera. Las válvulas de las piernas colectoras se cierran hasta que todo, o casi todo, el condensado del precalentamiento haya sido descargado.

Después de ello, las trampas se encargan de remover el condensado que se puede generar en operación normal del equipo. Se sigue un procedimiento similar para el precalentamiento del sistema de tuberías principales en una planta de energía. Precalentamiento Automático es cuando se enciende la caldera y se deja que las tuberías principales y algunos, o todos, de los equipos alcancen la temperatura y presión de operación sin intervención manual o supervisión.



Tubería principal

FIG. 2-76 TRAMPA DRENANDO EL FILTRO ANTES DE UNA VÁLVULA REGULADORA

FIG. 2-77 TRAMPA DRENANDO UNA PIERNA COLECTORA EN TUBERÍA PRINCIPAL

FIG. 2-78 TRAMPA DRENANDO UNA PIERNA COLECTORA EN RAMAL HACIA ARRIBA



2.3.4.3 Ramales de tubería

Los ramales son las tuberías que salen de las tuberías principales de vapor y llevan al vapor hacia el equipo que lo utiliza. El sistema completo debe de ser diseñando y conectado de forma que se evite la acumulación de condensado en cualquier punto del sistema.

FIG. 2-79 TUBERÍA PARA DESVIACIÓN DE MENOS DE 3 M. NO SE NECESITA TRAMPA A SOLO LA INCLINACIÓN DESDE

EL CABEZAL DE ALIMENTACIÓN SEA DE MENOS DE 50 MM POR M

FIG. 2-80 TUBERÍA PARA DESVIACIONES MAYORES DE 3 M, UNA PIERNA COLECTORA Y UNA TRAMPA SE NECESITAN

ANTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL.

2.3.4.4 Separadores

Los separadores de vapor están diseñados para remover cualquier condensado que se forme en un sistema de distribución de vapor. Los separadores son usualmente instalados antes del equipo donde es particularmente necesario que se tenga vapor seco. También son típicos en tuberías de vapor secundario, debido a que por su misma naturaleza tienen un gran porcentaje de condensado que ha sido separado.

Factores importantes en la selección de trampas para separadores son la habilidad de descargar acumulación de condensado, proveer buena resistencia contra impacto hidráulico, y operar con cargas ligeras.



FIG. 2-81 DRENADO A LA SALIDA DEL SEPARADOR. UNA PIERNA COLECTORA Y UN COLECTOR DE SUCIEDAD, DEL

MISMO TAMAÑO QUE LA TUBERÍA, SON NECESARIOS PARA ASEGURAR UN FLUJO POSITIVO Y RÁPIDO DEL

CONDENSADO A LA TRAMPA.

BIBLIOGRAFÍA.

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Instituto Americano del Petróleo, “API 570 – Código para la inspección de tuberías”

ICA Control y automatización, “Interpretación de los Diagramas y Lazos de Control”, Internet: http://www.geocities.com/CollegePark/Den/1108/instru2/doc01/simbologia08.html

SAMSON S.A. “Técnica de medición y regulación”, Internet: http://www.samson.de/pdf_in/t80260es.pdf

Fisher Control Internacional, Folleto de “Válvulas de control esféricas”, USA, Octubre de 1998.

Fisher Control Internacional, Folleto de “Válvulas de control de globo”, USA, Octubre de 1998.

Tyco flor control, Folleto de la “Válvula Vanessa giratoria”, Octubre de 2004.

válvulas, tuberías y trampas de vapor

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