Comprender el ciclo de vida de una válvula (y por qué debería importarte)

Un ciclo de válvula singular se define como la apertura y cierre de la válvula en un entorno de proceso instalado. El número total previsto de veces que la válvula puede abrirse y cerrarse en condiciones ideales se denomina vida útil del ciclo de la válvula. Sin embargo, la vida útil de una válvula no es fija y varía mucho en función de la temperatura, la presión, la limpieza del medio, la compatibilidad química con el medio, la lubricación, el método de instalación, la frecuencia de los ciclos, la calidad de los materiales de construcción y el diseño de la válvula.

Los fabricantes diseñan los componentes de las válvulas para que soporten una amplia gama de condiciones. Las aplicaciones pueden variar desde agua limpia a temperatura ambiente hasta medios abrasivos a alta temperatura o productos químicos agresivos. La vida útil de válvulas idénticas en esas condiciones tan diferentes puede no ser igual, lo que significa que distintos tipos de válvulas pueden ser más adecuados que otros para una aplicación concreta. Al diseñar un sistema, los ingenieros evaluarán las válvulas en función de la aplicación o el entorno del proceso. La frecuencia de funcionamiento de la válvula (tasa de ciclos) dentro de este entorno de proceso ayudará a los ingenieros a determinar el mejor tipo de válvula para alcanzar un objetivo de vida útil razonable.

Consideraciones sobre la prueba de diseño inicial

Asahi/America realiza pruebas de ciclo en nuestro laboratorio para validar diseños o cambios de diseño, y estas pruebas se llevan a cabo en condiciones variables.

• La prueba de pulsaciones está diseñada para validar la durabilidad de una válvula, como una válvula de mariposa, bajo los efectos de condiciones de presión dinámica. La prueba simula aplicaciones del mundo real, como las «pulsaciones de una bomba», y puede ayudar a determinar la durabilidad del diseño o los materiales de construcción de una válvula. Antes de iniciar la prueba, suele determinarse un valor objetivo de un número aceptable de ciclos.
• La prueba de ciclo térmico consiste en someter una válvula a ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento, y tiene por objeto evaluar el rendimiento y la resistencia. Esta prueba simula las condiciones del mundo real y valida el rendimiento en condiciones extremas. Antes de iniciar la prueba, se determina un grado objetivo de rendimiento o degradación de la junta.

Ambas pruebas suelen ser un componente clave de las reuniones de revisión del diseño, ya que garantizan que los materiales de construcción son adecuados para la amplia gama de aplicaciones que puede tener una válvula.

Una pregunta habitual es: «¿Cuánto durará mi válvula?», pero la respuesta no es tan sencilla. Aunque podemos obtener cierta información presuntiva a partir de los datos de las pruebas de desarrollo en laboratorio, esto no ofrece una imagen totalmente exacta del caso de uso en el mundo real. Las condiciones de trabajo exactas de una válvula en una aplicación determinada pueden proporcionar a menudo una mejor perspectiva de la longevidad y ayudar a determinar el tipo de válvula que se elige. Por desgracia, no se trata de una ciencia exacta, y aunque Asahi/America recomendará un tipo de válvula basándose en criterios de aplicación y en nuestras capacidades de apoyo, en última instancia, es el cliente quien decide qué quiere utilizar.

Profundicemos un poco más en lo que afecta al ciclo de vida de una válvula:

• La temperatura: Las temperaturas extremas tendrán un impacto significativo en la vida útil de la válvula. Una válvula en un entorno con temperaturas inestables o extremas sufrirá tensiones en función de los diferentes límites de temperatura de los distintos materiales termoplásticos y elastoméricos utilizados. Un buen ejemplo es una válvula de mariposa de PVC con asiento/sello de FKM. El FKM se endurece a temperaturas inferiores a 32° F, lo que hará que el ciclo de apertura/cierre de la válvula sea más difícil y estresante debido a su rigidez. Naturalmente, las temperaturas de trabajo dentro del rango proporcionado darán como resultado una mejor vida útil del ciclo.
• La presión: Los cambios o picos de presión, incluso dentro de un rango de presión nominal, pueden provocar el desgaste de las juntas. Por ejemplo, los asientos/sellos de FKM de las válvulas de mariposa pueden sufrir daños durante los picos de presión. Los entornos de presión estable dentro del intervalo de temperatura dado darán como resultado un ciclo de vida mejor.
• Lubricación: Las válvulas requieren lubricación, y aunque el fluido del proceso puede servir a veces como lubricante, normalmente se aplica un lubricante aparte durante el montaje para garantizar el buen funcionamiento de la válvula. Hay entornos específicos en los que no se puede utilizar lubricante, ya que contaminaría el proceso; por ejemplo, el gas cloro seco. Estas válvulas suelen llevar la etiqueta «sin lubricante» y, como regla general, no deben accionarse antes de la instalación del proceso y la presencia del medio.
• Frecuencia de ciclo: La frecuencia de ciclo es la frecuencia con la que se acciona la válvula. Ni una frecuencia de ciclo mayor ni menor equivale a una mayor vida útil del ciclo; ambas condiciones del proceso tienen sus respectivas influencias. Una válvula que sólo se cicla una vez al año puede necesitar «ejercicios» periódicos para garantizar un funcionamiento sin problemas cuando sea necesario un ciclo. Por otra parte, una válvula que se somete a ciclos repetidamente puede generar calor y forzar las propiedades del material de los componentes de estanquidad.
• Limpieza del medio y compatibilidad química: Según el tipo y el diseño de la válvula, una mayor limpieza del medio siempre equivaldrá a una mayor vida útil. La elección de los materiales de construcción adecuados en función del medio de proceso en el que funcionará la válvula también mejorará la vida útil. Los medios contaminados o no adecuados para los materiales de una válvula acortarán drásticamente la vida útil prevista de la válvula.
• Materiales de construcción: Utilizar resinas de calidad para las válvulas moldeadas con termoplásticos es un factor clave para la longevidad. Los plastificantes y cargas utilizados en el proceso de moldeo pueden afectar al rendimiento general del material, sobre todo en condiciones más extremas.

Diseño y vida útil de las válvulas de bola

Las válvulas de bola se utilizan normalmente como válvulas de cierre, destinadas a aplicaciones de fluidos limpios. El accionamiento de apertura/cierre de un cuarto de vuelta (mediante palanca o actuador neumático o eléctrico) hace girar un vástago unido a la bola. Una bola lisa y pulida con asientos de Teflón®, respaldada por cojines de junta tórica elastomérica, crea un cierre hermético y un cierre positivo. Los ciclos repetidos de una válvula de bola crean desgaste por cizallamiento de las micropartículas de los asientos de Teflon®. Con el tiempo, este desgaste puede dar lugar a una vía de fuga. El número de ciclos que puede soportar antes de empezar a presentar fugas depende principalmente de la limpieza del medio; las partículas abrasivas suspendidas en el fluido no sólo acelerarán el desgaste de los asientos de Teflon®, sino que también pueden incrustarse en el propio Teflon®. Cuando esto ocurre, esas partículas se raspan por la cara de la bola durante el ciclo de apertura/cierre, creando marcas en la bola y provocando fugas. Para este tipo de aplicaciones, Asahi/America puede recomendar otro tipo de válvula, como una válvula de mariposa.

Diseño y vida útil de las válvulas de mariposa

Las válvulas de mariposa suelen utilizarse también como válvulas de cierre, pero las válvulas de mariposa están mejor equipadas para manejar partículas o sólidos en suspensión debido a su diseño más robusto. Estas válvulas de cuarto de vuelta tienen un vástago de acero inoxidable conectado a un disco termoplástico. El ciclo de apertura/cierre hace que el disco entre o salga de un asiento o revestimiento elastomérico, lo que provoca el desgaste del asiento de la válvula en ciclos repetidos. El cizallamiento de las micropartículas del asiento por la fuerza del disco cuando éste entra o sale del asiento durante el ciclo de apertura/cierre crea vías de fuga a lo largo del tiempo. En una aplicación con agua limpia y sin partículas, se esperaría que una válvula de bola durase más que una de mariposa, debido a las diferencias de diseño. Sin embargo, en cuanto introduces sólidos en suspensión o partículas, la válvula de mariposa se convierte en la clara preferida.

El accionamiento eléctrico o neumático también puede acelerar el desgaste en función de la frecuencia de accionamiento. Por ejemplo, en una aplicación de llenado de botellas en la que se realizan ciclos rápidos y repetidos de apertura y cierre durante un turno de horas, la opción preferida sería la válvula de bola. Las propiedades autolubricantes de los asientos de Teflon® contra la bola termoplástica proporcionarán una tensión mínima en el actuador y la válvula. El resultado es un funcionamiento más suave y una vida útil más larga. La misma aplicación de llenado de botellas para una válvula de mariposa sería mucho más agotadora. Por la forma en que el disco se encaja en el asiento y se desprende, la fuerza de asiento necesaria para abrir y cerrar la válvula aceleraría el desgaste tanto del actuador como de la válvula de mariposa.

Permanece atento a la segunda parte, en la que trataremos las pruebas de ciclo de vida y rendimiento realizadas a los actuadores.

AVISO DEL EDITOR: Ten en cuenta que la información de este artículo sólo tiene fines educativos y no sustituye a ninguna información técnica ni especificación de producto de Asahi/America. Consulta al departamento técnico de Asahi/America en el 1-800-343-3618 o en [email protected] sobre todas las aplicaciones de productos en lo que respecta a la selección de materiales en función de la presión, la temperatura, los factores medioambientales, los productos químicos, los medios, la aplicación, etc.