Guía de válvulas industriales

Las válvulas industriales son componentes esenciales que se utilizan para iniciar, detener, regular, redirigir o impedir el flujo inverso de líquidos, gases, vapor y lodos en los sistemas de tuberías industriales. Desde oleoductos y gasoductos hasta plantas químicas, centrales eléctricas, instalaciones de tratamiento de agua y sistemas de fabricación, la elección de la válvula adecuada influye directamente en la seguridad de los procesos, la eficiencia del flujo, la confiabilidad de los equipos y los costos de mantenimiento.

La selección de una válvula industrial es más compleja que simplemente hacer coincidir el tamaño nominal de la tubería. Es necesario evaluar en conjunto el tipo de válvula, el material del cuerpo, la presión nominal, la temperatura, el medio de proceso, las características de flujo, el diseño del asiento, así como los requisitos de accionamiento y mantenimiento.

Esta guía sobre válvulas industriales explica los tipos más comunes de válvulas industriales, cómo funcionan, dónde se utilizan, cómo se comparan los distintos diseños y qué deben tener en cuenta los ingenieros y los equipos de compras antes de ordenar válvulas para un nuevo proyecto o una aplicación de reemplazo.

Gama de productos de válvulas industriales

Los sistemas de tuberías industriales suelen utilizar varios tipos de válvulas industriales para proporcionar aislamiento, regulación del flujo y protección de los equipos. Las siguientes categorías de productos representan los diseños de válvulas más comunes que se utilizan en los sectores de petróleo y gas, procesamiento químico, tratamiento de agua, generación de energía, sistemas marítimos y aplicaciones industriales en general.

¿Qué son las válvulas industriales?

Las válvulas industriales son dispositivos mecánicos que se instalan en tuberías y equipos de proceso para controlar el movimiento de los fluidos. Dependiendo del diseño de la válvula, pueden aislar completamente el flujo, regular el caudal, redirigir una corriente de proceso, evitar el flujo inverso o garantizar el funcionamiento seguro de los equipos conectados.

Aunque todas las válvulas industriales realizan algún tipo de control de fluidos, sus mecanismos internos son muy diferentes. Una válvula de bola gira un elemento de cierre esférico; una válvula de compuerta sube o baja una compuerta; una válvula de globo mueve un disco o un obturador hacia un asiento fijo; y una válvula de mariposa gira un disco circular dentro de la tubería.

Estas diferencias mecánicas afectan directamente a la caída de presión, la capacidad de cierre, el rendimiento de estrangulamiento, el par de operación, la velocidad de operación y los requisitos de mantenimiento. Por eso, la selección de una válvula debe partir de la función de proceso requerida y no solo del tamaño nominal de la tubería.

Principales tipos de válvulas industriales

Válvulas de bola

Las válvulas de bola se encuentran entre las válvulas industriales más comunes que se utilizan para un aislamiento confiable de tipo “abierto-cerrado”. Su elemento de cierre es una bola esférica que contiene un orificio circular. Al girar la bola aproximadamente 90 grados, el orificio se alinea con la tubería o la superficie sólida se coloca transversalmente al paso del flujo.

Las válvulas de bola de paso total ofrecen una trayectoria de flujo interna relativamente recta cuando están completamente abiertas. Esto genera una baja pérdida de presión y las hace adecuadas para sistemas en los que es importante minimizar la resistencia al flujo.

Las válvulas de bola con asiento de material blando pueden proporcionar un cierre muy hermético en aplicaciones compatibles. Las válvulas de bola con asiento metálico se utilizan cuando las altas temperaturas, las partículas abrasivas o las condiciones de operación extremas hacen que los asientos de polímero no sean adecuados.

Los diseños de válvulas de bola industriales incluyen válvulas de bola flotantes, válvulas de bola montadas sobre muñón, válvulas de bola de entrada superior y válvulas de bola de entrada lateral. Dependiendo del tamaño y las condiciones de servicio, pueden utilizar conexiones roscadas, de soldadura por encaje, de soldadura a tope o con bridas.

Entre sus aplicaciones más comunes se encuentran los oleoductos y gasoductos, las plantas químicas, los sistemas de combustible, el agua de proceso, el aire comprimido, el aislamiento de tanques y los servicios de apagado automático.

Válvulas de compuerta

Las válvulas de compuerta utilizan una compuerta en forma de cuña, de placa o paralela que se desplaza verticalmente hacia el interior o el exterior de la vía de flujo. Cuando está completamente abierta, la compuerta queda prácticamente fuera de la abertura principal de la tubería.

Esto proporciona una resistencia al flujo relativamente baja y hace que las válvulas de compuerta sean adecuadas para sistemas de tuberías que funcionan durante largos períodos con la válvula completamente abierta.

Las válvulas de compuerta están diseñadas principalmente para el aislamiento, más que para la regulación continua del flujo. Dejar una válvula de compuerta parcialmente abierta puede exponer la compuerta y las superficies de asiento a altas velocidades, vibraciones y erosión.

Entre los diseños más comunes se encuentran las válvulas de compuerta en cuña, las válvulas de compuerta plana, las válvulas de compuerta expansible y las válvulas de compuerta de deslizamiento paralelo. Los sistemas de energía y vapor a alta presión pueden utilizar válvulas de compuerta con sellado a presión.

Válvulas de bola

Las válvulas de bola utilizan un disco o un obturador de movimiento lineal que se acerca o se aleja de un asiento fijo. Este movimiento modifica el área efectiva de flujo a través de la válvula.

Dado que el paso interno cambia la dirección del fluido, las válvulas de globo suelen generar una mayor pérdida de presión que las válvulas de compuerta o de bola completamente abiertas. Sin embargo, esta resistencia controlada hace que las válvulas de globo sean particularmente útiles para la estrangulación y la regulación de procesos.

Hay disponibles cuerpos con diseño en T, en Y y angulares. Las versiones de control pueden utilizar tapones, jaulas y actuadores especialmente diseñados para proporcionar características de flujo estables.

Las válvulas de bola se utilizan ampliamente en sistemas de vapor, aplicaciones de calderas, tuberías de derivación, sistemas de control de presión y control automático de procesos.

Válvulas de mariposa

Las válvulas de mariposa cuentan con un disco circular montado en un eje giratorio. Al girar el eje aproximadamente 90 grados, la posición del disco cambia de abierta a cerrada.

Su diseño compacto y su peso relativamente bajo hacen que las válvulas de mariposa sean particularmente económicas para tuberías de diámetro mediano y grande.

Las válvulas de mariposa concéntricas con asiento elástico son comunes en sistemas de agua, climatización y servicios públicos. Las válvulas de mariposa de alto rendimiento con doble desplazamiento ofrecen un mejor desempeño en condiciones de presión y temperatura más exigentes.

Las válvulas de mariposa de triple desplazamiento utilizan una geometría de sellado más avanzada y son muy utilizadas en aplicaciones industriales de alta temperatura, alta presión y con asiento metálico.

Las válvulas de mariposa también pueden utilizarse para la regulación del caudal cuando se seleccionan adecuadamente el diseño del disco, el actuador y el rango de operación normal.

Válvulas de retención

Las válvulas de retención evitan automáticamente el flujo inverso. Se abren cuando existe suficiente presión diferencial en sentido directo y se cierran cuando el flujo en sentido directo disminuye o comienza a invertirse.

Por lo general, se instalan aguas abajo de bombas y compresores, así como en sistemas de proceso en los que un flujo inverso podría dañar el equipo o alterar el funcionamiento normal.

Las válvulas de retención oscilantes utilizan un disco con bisagra, mientras que las válvulas de retención de elevación y de pistón se mueven linealmente. Las válvulas de retención de doble placa y las axiales suelen tener un recorrido de cierre más corto y pueden responder más rápidamente a los cambios en las condiciones del flujo.

Al dimensionar una válvula de retención, se debe tomar en cuenta la velocidad real del flujo y el comportamiento dinámico del sistema. Una válvula de retención sobredimensionada puede funcionar con un movimiento inestable del disco, lo que provoca ruido, desgaste y una respuesta de cierre deficiente.

Válvulas de control

Las válvulas de control industrial ajustan automáticamente su apertura de acuerdo con las órdenes de un sistema de control de procesos.

Regulan variables como el caudal, la presión en la tubería, la temperatura del proceso y el nivel en el tanque. El actuador puede ser neumático, eléctrico o hidráulico.

Entre los diseños comunes de válvulas de control se incluyen las válvulas de control de tipo globo, las válvulas de bola con puerto en V, las válvulas de bola segmentadas y las válvulas de control de mariposa.

Las válvulas de control deben dimensionarse en función de las condiciones reales mínimas, normales y máximas del proceso, en lugar de limitarse a ajustarse al diámetro nominal de la tubería.

Válvulas de tapón

Las válvulas de obturador utilizan un obturador cilíndrico o cónico que contiene un paso interno. Al girar el obturador, el paso se alinea con la tubería o bloquea el flujo.

Estas válvulas se utilizan para el aislamiento, la derivación y ciertas aplicaciones con fluidos contaminados. Las válvulas de tapón lubricadas son comunes en los sistemas de petróleo y gas, mientras que los diseños revestidos y con manguito pueden utilizarse para aplicaciones químicas.

Válvulas de diafragma

Las válvulas de diafragma utilizan un diafragma flexible que separa el fluido de proceso del vástago de la válvula y del mecanismo de accionamiento.

Este diseño resulta útil para aplicaciones con fluidos corrosivos, de alta pureza, de uso sanitario y sucios, en las que es conveniente mantener los componentes operativos alejados del fluido de proceso.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen el tratamiento de agua, la dosificación de productos químicos, la producción farmacéutica y ciertos sistemas de procesamiento de alimentos.

Comparación de tipos de válvulas industriales

Materiales para válvulas industriales

La selección de materiales tiene una gran influencia en la resistencia a la corrosión, la resistencia mecánica, la capacidad de presión, la capacidad de temperatura y la vida útil prevista de las válvulas industriales.

El cuerpo debe ser compatible con el medio de proceso, pero los componentes internos, los asientos, las empaquetaduras y los sellos del cuerpo son igualmente importantes.

Válvulas de acero al carbono

El acero al carbono se utiliza ampliamente en válvulas industriales para los sectores de petróleo y gas, petroquímico, de vapor y de sistemas de procesos en general.

Ofrece un excelente desempeño mecánico y está ampliamente disponible en una gran variedad de tamaños de válvulas y clases de presión. No obstante, se debe evaluar la corrosión interna cuando haya agua, compuestos ácidos o sustancias químicas agresivas.

Válvulas de acero inoxidable

Las válvulas industriales de acero inoxidable suelen elegirse cuando se requiere una mayor resistencia a la corrosión o superficies de contacto con el proceso más higiénicas.

Los grados de acero inoxidable fundido, como el CF8 y el CF8M, se utilizan ampliamente para fabricar cuerpos de válvulas. También es común el uso de bolas, vástagos y componentes de la parte interna de acero inoxidable.

Válvulas de acero inoxidable dúplex

El acero inoxidable dúplex combina una alta resistencia mecánica con una mayor resistencia a diversas formas de corrosión relacionada con los cloruros, en comparación con los aceros inoxidables austeníticos convencionales.

Las válvulas industriales dúplex suelen utilizarse en instalaciones marítimas, plantas desalinizadoras, sistemas de agua de mar y aplicaciones químicas.

Válvulas de acero aleado

Las válvulas de acero aleado se utilizan comúnmente en sistemas de vapor a alta presión y temperatura elevada, así como en refinerías y plantas de generación de energía.

El tipo de aleación adecuado depende de la presión de diseño, la temperatura y los requisitos de resistencia del material a largo plazo.

Válvulas de aleación especial

Los procesos industriales altamente corrosivos pueden requerir aleaciones de níquel, titanio u otros materiales especializados.

La selección debe basarse en los análisis químicos detallados del fluido, así como en su concentración, presión y temperatura, en lugar de en una descripción general de la resistencia a la corrosión.

Válvulas industriales de asiento blando frente a válvulas industriales de asiento metálico

Las válvulas industriales con asiento blando utilizan materiales de sellado de polímeros o elastómeros, como PTFE, PTFE reforzado, PEEK, EPDM o NBR.

Estos materiales pueden ofrecer un rendimiento de cierre muy bueno con un par de operación relativamente bajo. Su idoneidad depende de la compatibilidad química, la presión y la temperatura.

Es posible que el cuerpo de una válvula de metal pueda soportar una temperatura mucho más alta que el asiento de polímero instalado. Por lo tanto, se debe verificar la clasificación completa de presión y temperatura de la válvula.

Las válvulas industriales con asiento metálico suelen elegirse para altas temperaturas, fluidos abrasivos, sólidos en suspensión y condiciones de operación extremas.

Los recubrimientos de endurecimiento y los recubrimientos especializados pueden utilizarse para aumentar la resistencia a la erosión y al desgaste.

Válvulas industriales manuales y accionadas

Las válvulas industriales pueden accionarse de manera manual o automática, dependiendo del tamaño de la válvula, los requisitos del proceso, la frecuencia de operación y el lugar de instalación.

Válvulas industriales manuales

Las válvulas manuales utilizan palancas, volantes o mecanismos de engranajes. Son adecuadas para lugares accesibles en los que el movimiento de la válvula es relativamente poco frecuente.

Válvulas de accionamiento neumático

Los actuadores neumáticos utilizan aire comprimido y se instalan ampliamente en plantas químicas, petroquímicas y de procesos en general.

Los actuadores neumáticos con retorno por resorte pueden mover una válvula a una posición definida de apertura de seguridad o cierre de seguridad en caso de pérdida de presión de aire.

Válvulas de accionamiento eléctrico

Los actuadores eléctricos utilizan un motor eléctrico y una caja de engranajes para accionar la válvula. Son comunes en el tratamiento de agua, en tuberías remotas, en sistemas de servicios públicos y en instalaciones que no cuentan con aire de instrumentación.

Los actuadores eléctricos también pueden proporcionar retroalimentación de posición, control local y funcionamiento modulado cuando sea necesario.

Válvulas de accionamiento hidráulico

Los actuadores hidráulicos pueden proporcionar un alto par o empuje y se utilizan en válvulas de tuberías de gran tamaño y en sistemas especializados de apagado de emergencia.

Aplicaciones de válvulas industriales

Petróleo y gas

Las instalaciones de petróleo y gas utilizan válvulas de bola industriales, válvulas de compuerta, válvulas de retención y válvulas de control en todos los sistemas de producción, procesamiento, transporte, almacenamiento y terminales.

Las válvulas de tuberías pueden requerir una construcción de paso total, un diseño a prueba de incendios, protección antiestática, características de sellado de emergencia y accionamiento remoto.

Procesamiento químico y petroquímico

Las plantas químicas manejan líquidos corrosivos, solventes, gases y fluidos a altas temperaturas. Con frecuencia se requiere el uso de acero inoxidable, válvulas con revestimiento y aleaciones especiales.

Se deben evaluar cuidadosamente la compatibilidad de los materiales, las fugas externas, el diseño de la sede y la posición de fallo del actuador.

Tratamiento de agua y aguas residuales

Los sistemas de tratamiento de agua utilizan válvulas de mariposa, válvulas de compuerta, válvulas de bola, válvulas de retención y válvulas de control para el bombeo, la filtración, la dosificación de productos químicos y la distribución.

Las válvulas de mariposa son particularmente comunes en las tuberías de agua de gran diámetro debido a su cuerpo compacto y a su peso relativamente bajo.

Generación de energía

Las centrales eléctricas utilizan válvulas industriales en los sistemas de vapor, agua de alimentación, agua de enfriamiento, condensado, combustible y sistemas auxiliares.

El servicio a alta presión y alta temperatura puede requerir válvulas de compuerta con sellado a presión, válvulas de globo y válvulas de retención con cuerpos de acero aleado y componentes internos especializados.

Alimentos y bebidas

Las válvulas de acero inoxidable se utilizan ampliamente para el manejo de agua, ingredientes, líquidos de limpieza y productos en las instalaciones de alimentos y bebidas.

Las aplicaciones higiénicas pueden requerir superficies pulidas, conexiones finales sanitarias y geometrías internas diseñadas para una limpieza eficaz.

Marítimo y en alta mar

Los sistemas marítimos y en alta mar requieren válvulas industriales que combinen un cierre confiable con una gran resistencia a entornos corrosivos, tanto externos como internos.

Para estas instalaciones, se suelen considerar el acero inoxidable, el acero inoxidable dúplex y los recubrimientos protectores.

Sistemas mineros y de lodos

Las operaciones mineras suelen manejar lodos abrasivos que contienen sólidos en suspensión. La selección de las válvulas debe tomar en cuenta la erosión, el desgaste de los asientos, la acumulación de sólidos y los requisitos de mantenimiento.

Cómo seleccionar válvulas industriales

La selección correcta de una válvula industrial comienza por la función requerida. El aislamiento, la estrangulación, la regulación automática y la prevención del flujo inverso requieren diseños internos de válvula distintos.

A continuación, se debe identificar en detalle el medio de proceso. La composición del fluido, la concentración química, la corrosividad, el contenido de sólidos, la toxicidad y los requisitos de limpieza pueden influir en la elección del material y el diseño de la válvula.

Se deben definir las presiones normales y máximas del proceso, así como las temperaturas mínimas y máximas. También se deben evaluar las condiciones de puesta en marcha, parada y limpieza.

La presión diferencial es especialmente importante para el dimensionamiento de válvulas de control, válvulas de retención y actuadores.

Después de seleccionar el tipo de válvula, los ingenieros deben definir el material del cuerpo, los materiales de los componentes internos, el diseño del asiento, las conexiones finales, el rendimiento de cierre y el método de operación.

Clasificaciones de presión de las válvulas industriales

Las válvulas industriales se fabrican en diferentes clases de presión y rangos de presión. El rango de presión adecuado debe soportar la presión máxima prevista a la temperatura real de funcionamiento.

La capacidad de presión de una válvula puede disminuir a medida que aumenta la temperatura. Por lo tanto, los compradores deben revisar los valores nominales de presión y temperatura de la válvula completa, en lugar de evaluar únicamente su clase de presión nominal.

Las tuberías, bridas y accesorios conectados también deben tener clasificaciones compatibles. La instalación de una válvula de clase superior no aumenta la presión permitida de los componentes de la tubería con una clasificación inferior.

Conexiones finales de válvulas industriales

Las válvulas industriales con bridas son muy comunes porque permiten retirarlas de una tubería para realizar tareas de mantenimiento sin necesidad de cortar el tubo. La norma de bridas, la clase de presión y el acabado deben coincidir con las especificaciones de la tubería.

Las válvulas roscadas se utilizan con frecuencia en sistemas de servicios públicos y de proceso de menor tamaño. Se debe especificar claramente el estándar de rosca, ya que los tipos NPT, BSP y otros no son intercambiables.

Las válvulas de soldadura por encaje se utilizan comúnmente en líneas de proceso más pequeñas y de alta integridad, mientras que las válvulas industriales de soldadura a tope crean una barrera de presión soldada permanente, adecuada para tuberías críticas y servicios de alta presión.

Lo que deben comparar los compradores de válvulas industriales

Al comparar cotizaciones de válvulas industriales, primero se debe evaluar su cumplimiento técnico y no el precio. Dos válvulas con el mismo tamaño nominal y tipo pueden tener materiales del cuerpo, asientos, componentes internos, construcción interna y alcance de las pruebas muy diferentes.

Verifique que cada proveedor haya indicado la misma clase de presión, las mismas especificaciones de material, el mismo diseño de asiento, la misma conexión final y los mismos requisitos de cierre.

Las cotizaciones automatizadas de válvulas deben incluir cálculos del par o del empuje del actuador. El actuador debe ser capaz de accionar la válvula bajo la presión diferencial máxima especificada para el proceso.

Para dimensionar un actuador neumático, se debe utilizar la presión de aire mínima disponible. Al seleccionar un actuador eléctrico, se deben tomar en cuenta la fuente de alimentación, el par, el ciclo de trabajo y el tiempo de funcionamiento.

Los compradores también deben comparar los accesorios, las pruebas, la documentación, las piezas de repuesto y el ensamblaje en fábrica, ya que estos elementos pueden generar un costo adicional significativo para el proyecto.

Pruebas y control de calidad de válvulas industriales

La calidad de las válvulas industriales depende del control de los materiales, de la calidad de la fundición o la forja, del mecanizado, del ensamblaje y de las pruebas finales.

Los cuerpos de válvulas que contienen presión suelen someterse a pruebas de presión de la carcasa. Las pruebas de fugas en los asientos verifican la capacidad de la válvula para aislar el flujo.

Dependiendo de los requisitos del proyecto, las inspecciones adicionales pueden incluir la inspección dimensional, el análisis de materiales, la identificación positiva de materiales y los ensayos no destructivos.

Las válvulas automáticas deben someterse a pruebas de funcionamiento antes de su envío. El proveedor debe verificar el recorrido del actuador, la indicación de posición, los interruptores de límite, el tiempo de operación y la acción requerida en caso de falla.

Si se requiere la trazabilidad de los materiales, se deben especificar los certificados y la identificación por número de lote antes de que comience la fabricación.

Mantenimiento de válvulas industriales

Los requisitos de mantenimiento varían según el diseño de la válvula, las condiciones del fluido y la frecuencia de operación.

Los operadores deben estar atentos a fugas externas, un aumento del par de operación, vibraciones inusuales, alarmas de los actuadores y un deterioro en el cierre de la válvula.

Si una válvula se vuelve inusualmente difícil de accionar, se debe inspeccionar en lugar de forzarla. Una fuerza excesiva al accionarla puede dañar los vástagos, los asientos, las cajas de engranajes y los actuadores.

Los asientos, empaques y sellos de repuesto deben corresponder exactamente al modelo de la válvula. Los componentes de apariencia similar no siempre son intercambiables.

Las válvulas industriales críticas deben contar con las piezas de repuesto adecuadas antes del primer período de mantenimiento mayor.

Cómo elegir un proveedor de válvulas industriales

Un proveedor confiable de válvulas industriales debe poder recomendar una válvula basándose en las condiciones reales del proceso, en lugar de solo en el tamaño nominal de la tubería.

Las cotizaciones técnicas deben identificar claramente la construcción de la válvula, los materiales del cuerpo y los componentes internos, la presión nominal, el diseño del asiento, la conexión final y el actuador.

Los proveedores también deben poder proporcionar planos, informes de pruebas de presión, certificados de materiales e información sobre el dimensionamiento de los actuadores, cuando sea necesario.

En lo que respecta a la adquisición de proyectos, se deben evaluar la capacidad de fabricación, el control de calidad, la documentación técnica, la entrega, la disponibilidad de repuestos y el servicio posventa, además del precio unitario.

La válvula más barata no siempre es la solución más económica si una selección incorrecta provoca fugas, desgaste prematuro, el reemplazo del actuador o modificaciones en las tuberías después de la instalación.

Preguntas frecuentes sobre válvulas industriales