¿Por qué las válvulas de gran calibre son difíciles de abrir y cerrar? ¿Cuales son las soluciones?

Los usuarios de válvulas de globo de gran diámetro en aplicaciones cotidianas con frecuencia informan de un problema particular: cuando estas válvulas se utilizan con medios sujetos a diferencias de presión significativas —como vapor o agua a alta presión—, a menudo son difíciles de cerrar. No importa cuánta fuerza se aplique, invariablemente se observan fugas, lo que dificulta lograr un sellado hermético. Este problema surge del diseño estructural de la válvula y del hecho de que el par máximo que una persona puede ejercer es insuficiente.
Análisis de las causas de dificultad en el funcionamiento de válvulas de gran diámetro
La fuerza horizontal máxima que puede ejercer un adulto promedio oscila entre 60 y 90 kg, dependiendo de la condición física individual.
Las válvulas de globo estándar están diseñadas con una trayectoria de flujo de baja a alta. Al cerrar la válvula, el operador aplica una fuerza horizontal para girar el volante, lo que hace que el disco se mueva hacia abajo para lograr el cierre. En este punto, el operador debe superar una combinación de tres fuerzas, a saber:
1) Empuje axial Fa;
2) Fuerza de fricción Fb entre el embalaje y el vástago de la válvula;
3) Fricción de contacto entre el vástago de la válvula y el núcleo del disco de la válvula Fc
El par total es ∑M = (Fa + Fb + Fc)R
Se puede observar que cuanto mayor es el diámetro nominal, mayor es el empuje axial. Cuando la válvula está casi cerrada, el empuje axial se aproxima a la presión real de la red de tuberías (ya que durante el cierre, P1 – P2 ≈ P1 y P2 = 0)
Por ejemplo, una válvula de globo DN200 utilizada en una tubería de vapor de 10 bar tiene una fuerza de empuje axial Fa solo para el cierre de 10 × πr² = 3140 kg. La fuerza circunferencial horizontal necesaria para cerrar ya está cerca del límite de lo que puede ejercer un ser humano normal, por lo que es extremadamente difícil para una sola persona cerrar completamente esta válvula en tales condiciones de funcionamiento.
Por supuesto, algunas plantas recomiendan instalar dichas válvulas a la inversa para resolver la dificultad de cerrarlas, pero esto conduce al problema de la dificultad de abrir la válvula una vez cerrada.
Análisis de las causas de fugas internas en válvulas de globo de gran diámetro
Las válvulas de globo de gran diámetro se utilizan generalmente en lugares como salidas de calderas, cilindros principales de distribución de vapor y tuberías principales de vapor, donde existen los siguientes problemas:
1) La diferencia de presión en las salidas de la caldera es generalmente alta, lo que da como resultado velocidades de flujo de vapor más altas y mayor erosión y daño a las superficies de sellado. Además, como la eficiencia de combustión de la caldera no puede ser del 100%, el vapor en la salida de la caldera contiene un alto contenido de humedad, lo que puede causar fácilmente daños por cavitación y erosión en las superficies de sellado de las válvulas.
2) En el caso de las válvulas de globo ubicadas cerca de las salidas de la caldera y los distribuidores de vapor, el vapor que emerge directamente de la caldera presenta un sobrecalentamiento intermitente. Durante el proceso de saturación, si el tratamiento de ablandamiento del agua de la caldera es inadecuado, pueden precipitar sustancias ácidas o alcalinas, provocando corrosión y erosión de las superficies de sellado; además, ciertas sustancias cristalinas pueden adherirse y cristalizar en las superficies de sellado de la válvula, impidiendo que la válvula logre un sellado hermético.
3) Para las válvulas en la entrada y salida de los distribuidores de vapor, la demanda de vapor aguas abajo de la válvula fluctúa significativamente debido a los requisitos de producción y otros factores. En condiciones de cambios sustanciales en la velocidad del flujo, es probable que ocurran fenómenos como evaporación instantánea y cavitación, causando así erosión y daños por cavitación en el asiento de la válvula.
4) Al abrir tuberías de gran diámetro, generalmente es necesario precalentar la tubería. El proceso de precalentamiento normalmente requiere un caudal de vapor muy bajo para permitir que la tubería se caliente lenta y uniformemente a una temperatura determinada antes de que la válvula de globo pueda abrirse por completo. Esto evita un rápido aumento de temperatura en la tubería, lo que podría provocar una expansión excesiva y daños en determinados puntos de conexión. Sin embargo, durante este proceso, la apertura de la válvula suele ser muy pequeña, lo que da como resultado una tasa de erosión mucho mayor que la experimentada durante el funcionamiento normal, lo que reduce significativamente la vida útil de las superficies de sellado de la válvula.
Soluciones para la dificultad de abrir y cerrar válvulas de globo de gran diámetro
1) En primer lugar, se recomienda seleccionar una válvula de globo sellada con fuelle, que evite la resistencia a la fricción asociada con las válvulas de pistón y las válvulas de empaque, facilitando la operación.
2) El tapón y el asiento de la válvula deben estar hechos de materiales con excelente resistencia a la erosión y al desgaste, como el carburo cementado Stellite.
3) Se recomienda un diseño de válvula de doble disco para evitar la erosión excesiva causada por ángulos de apertura pequeños, que pueden afectar la vida útil y el rendimiento del sellado.