Válvulas para GNL: 8 factores a tener en cuenta a la hora de elegir válvulas para servicio criogénico

Las válvulas para GNL son componentes fundamentales para el control del caudal que se utilizan en todos los sistemas de producción, almacenamiento, transporte, carga, descarga y regasificación de gas natural licuado. Sus funciones principales incluyen el aislamiento de las tuberías de GNL, la regulación del caudal y la presión, la prevención del flujo inverso, el control de las secuencias de parada de emergencia y la protección de los equipos frente a condiciones de funcionamiento peligrosas.

El gas natural licuado es gas natural que se ha enfriado hasta aproximadamente −162 °C, o −260 °F, para poder almacenarlo y transportarlo en estado líquido. A esta temperatura, las válvulas industriales normales pueden sufrir fragilización del material, contracción de las juntas, fugas excesivas, un aumento del par de accionamiento o daños causados por la contracción térmica.

Por lo tanto, las válvulas fiables para GNL deben diseñarse como conjuntos criogénicos completos. Los materiales del cuerpo de la válvula, los asientos, el empaquetado del vástago, las extensiones de la tapa, los sistemas de alivio de presión de la cavidad, los actuadores, los procedimientos de ensayo y la orientación de la instalación deben evaluarse en función de las condiciones reales del proceso de GNL.

Fujian JST Valve Manufacturing Co., Ltd. cuenta con casi 33 años de experiencia en ingeniería de válvulas industriales. JST Valve ofrece soluciones de válvulas a medida para aplicaciones industriales exigentes, como las de baja temperatura, corrosivas, de alta presión, abrasivas y otras. Las estructuras de las válvulas, los materiales, los sistemas de sellado, los actuadores y los requisitos de ensayo pueden configurarse de acuerdo con las fichas técnicas de los clientes y las especificaciones del proyecto.

¿Qué son las válvulas de GNL?

Las válvulas para GNL son válvulas diseñadas o seleccionadas para el gas natural licuado y los sistemas de proceso criogénicos o de baja temperatura asociados. Dependiendo de su ubicación, pueden entrar en contacto directo con GNL, vapor frío de gas natural, gas de evaporación, refrigerantes, fluidos de servicio o gas natural a temperaturas superiores a la temperatura principal del proceso criogénico.

No todas las válvulas de una terminal de GNL funcionan a −162 °C. Las líneas de tratamiento de gas en la fase de producción, los sistemas de compresión, las unidades de gas de evaporación, los servicios auxiliares y las tuberías de gas regasificado pueden funcionar a temperaturas y presiones significativamente diferentes. Por lo tanto, la temperatura de diseño que figura en la ficha técnica de la válvula debe reflejar la ubicación real del proceso, en lugar de la temperatura general asociada al GNL.

Una válvula de GNL correctamente seleccionada debe garantizar la integridad de la presión, la estanqueidad del asiento, un par de accionamiento aceptable, el buen funcionamiento del sellado del vástago y un accionamiento fiable durante el funcionamiento normal, el enfriamiento, la puesta en marcha, la parada y las situaciones de emergencia.

Dónde se utilizan las válvulas para GNL

Las instalaciones de GNL cuentan con numerosas etapas de proceso, cada una de ellas con funciones de válvulas distintas. Entre las aplicaciones más habituales se incluyen:

• Sistemas de pretratamiento y eliminación de contaminantes del gas natural
• Líneas de licuefacción y circuitos de refrigerante
• Depósitos criogénicos de GNL y tuberías asociadas
• Brazos de carga de GNL y sistemas de carga marítimos
• Colectores de carga y descarga de buques metaneros
• Estaciones de camiones, ferrocarril, contenedores y abastecimiento de combustible
• Sistemas de recogida de gases de evaporación y de compresión
• Bombas de GNL, vaporizadores y equipos de regasificación
• Tuberías de suministro de gas combustible y de distribución de gas
• Sistemas de parada de emergencia y de aislamiento de procesos

Por qué el servicio de GNL criogénico supone un reto

A temperaturas criogénicas, los materiales de las válvulas se contraen. Los distintos componentes pueden contraerse a ritmos diferentes, lo que modifica las holguras entre la bola, el disco, el asiento, el vástago, el cuerpo, la tapa, la empaquetadura y los cojinetes. Una válvula que sella correctamente a temperatura ambiente puede comportarse de forma diferente tras el enfriamiento.

Las bajas temperaturas también pueden reducir la resistencia o la flexibilidad de los materiales inadecuados. Las válvulas de asiento blando y las juntas elastoméricas deben seleccionarse con cuidado, ya que no todos los polímeros o elastómeros conservan las propiedades adecuadas a las temperaturas del GNL.

Otra preocupación es el líquido atrapado. Si el GNL queda aislado dentro de una cavidad cerrada y posteriormente absorbe calor, puede vaporizarse y provocar un rápido aumento de la presión en la cavidad. Por lo tanto, las válvulas de bola criogénicas pueden requerir un sistema de alivio de presión de la cavidad aprobado para el proyecto, como un diseño de asiento con alivio automático u otro método de alivio de presión diseñado específicamente.

8 factores a tener en cuenta en la selección de válvulas para GNL

1. Temperatura mínima de diseño

La temperatura mínima de diseño es uno de los primeros parámetros que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar válvulas para GNL. Determina los materiales aceptables para el cuerpo, la tapa, el vástago, los pernos, el asiento, la empaquetadura, la junta y el actuador.

Las especificaciones de la válvula deben distinguir entre la temperatura normal de funcionamiento, la temperatura mínima de funcionamiento, la temperatura mínima de diseño del metal, las condiciones de enfriamiento y la posible exposición al vapor frío. Especificar únicamente “servicio de GNL” no es suficiente para una selección precisa de la válvula.

2. Materiales del cuerpo de la válvula y de los componentes internos

Los aceros inoxidables austeníticos suelen considerarse adecuados para el servicio criogénico directo con GNL, ya que conservan una tenacidad útil a temperaturas muy bajas. En función de la aplicación, también pueden especificarse determinadas aleaciones de níquel y otros materiales homologados para bajas temperaturas.

Los aceros al carbono para bajas temperaturas pueden utilizarse en las secciones más cálidas de una instalación de GNL cuando sus límites de temperatura certificados sean adecuados, pero no deben aplicarse automáticamente a las tuberías que puedan alcanzar la temperatura máxima del GNL.

La selección definitiva del material debe basarse en la temperatura de diseño, la clase de presión, la composición del proceso, los requisitos de resistencia a la corrosión, los requisitos de ensayo de impacto, las normas aplicables y la especificación del material aprobada por el cliente.

3. Protección ampliada del capó y de la junta del vástago

Muchas válvulas criogénicas de GNL utilizan un diseño con bonete o vástago prolongado. Esta prolongación permite situar los componentes de empaquetadura y sellado del vástago más lejos de la zona más fría del proceso.

La longitud de la prolongación de la tapa y la orientación de la instalación deben seleccionarse con cuidado. El diseño también debe tener en cuenta el espesor del aislamiento, la accesibilidad, la formación de escarcha, el montaje del actuador, la conducción térmica y la posibilidad de que el vapor frío llegue a la zona de empaquetadura.

4. Diseño de los asientos y rendimiento frente a las fugas

El diseño de los asientos influye directamente en el rendimiento de cierre, el par de accionamiento, el desgaste, la presión en la cavidad y la vida útil. Los asientos criogénicos deben adaptarse a los cambios dimensionales que se producen durante el enfriamiento, al tiempo que mantienen la carga de estanqueidad requerida.

En función del tipo de válvula y de los requisitos del proyecto, el sistema de estanqueidad puede utilizar asientos de polímero compatibles con condiciones criogénicas, asientos de polímero reforzado, asientos metálicos, insertos elásticos o configuraciones compuestas. Los criterios de aceptación de fugas requeridos deben especificarse antes de la elaboración del presupuesto y la fabricación.

5. Clase de presión y presión diferencial

La clase de presión de la válvula por sí sola no determina su idoneidad para el funcionamiento. La presión diferencial máxima influye en la carga sobre el asiento, el par del vástago, las fuerzas que actúan sobre el disco o la bola, el dimensionamiento del actuador y la capacidad de la válvula para abrirse o cerrarse en situaciones de emergencia.

Los compradores deben indicar la presión de diseño, la presión de funcionamiento, la presión diferencial de cierre, la dirección del flujo, los requisitos de alivio de presión y la presión máxima que pueda alcanzarse en caso de obstrucción o expansión térmica.

6. Requisitos en materia de seguridad contra incendios y emisiones fugitivas

Las instalaciones de GNL manipulan fluidos de hidrocarburos inflamables, por lo que las especificaciones del proyecto pueden incluir requisitos de ensayos de resistencia al fuego, diseño antiestático, vástagos resistentes a las explosiones, fugas externas controladas y rendimiento en materia de emisiones fugitivas.

Estos requisitos deben confirmarse en función del tipo exacto de válvula, su tamaño, la presión nominal, la configuración del asiento y la norma seleccionada. Una afirmación general de que una válvula es “resistente al fuego” no debe sustituir a la documentación específica del proyecto ni a los requisitos de ensayo.

7. Rendimiento del actuador y del sistema de parada de emergencia

Para accionar las válvulas de GNL se pueden utilizar actuadores neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrohidráulicos. El actuador debe proporcionar un par o un empuje suficientes en las condiciones de funcionamiento más exigentes, incluyendo bajas temperaturas ambientales, presión diferencial máxima, fricción en el vástago extendido y funcionamiento en caso de parada de emergencia.

Las especificaciones del actuador pueden incluir:

• Acción de apertura en caso de fallo, cierre en caso de fallo o mantenimiento de la posición en caso de fallo
• Horario de apertura y cierre obligatorio
• Suministro mínimo de aire, hidráulico o eléctrico disponible
• Pruebas de carrera parcial o carrera completa
• Indicación de posición local y remota
• Clasificación eléctrica para zonas peligrosas
• Requisitos de protección contra incendios o de protección del medio ambiente

8. Ensayos criogénicos y documentación

Es posible que las pruebas a presión ambiente y de cierre por sí solas no basten para demostrar el rendimiento de la válvula a la temperatura del GNL. Por lo tanto, los requisitos del proyecto pueden especificar pruebas de producción a baja temperatura, pruebas de tipo criogénico, pruebas de emisiones fugitivas, trazabilidad de los materiales, informes de pruebas de impacto, ensayos no destructivos y pruebas funcionales del actuador.

El alcance de los ensayos debe especificar la temperatura de ensayo, el medio de ensayo, la orientación de la válvula, los límites de fugas, el número de ciclos de funcionamiento, los niveles de presión, el método de medición, los requisitos de presencia de testigos y la documentación que debe presentarse junto con la válvula.

Tipos de válvulas más habituales en las instalaciones de GNL

En los dispositivos móviles, desliza el dedo horizontalmente para ver la tabla completa.

Consideraciones sobre los materiales para las válvulas de GNL

La selección de materiales para válvulas de GNL debe tener en cuenta tanto la tenacidad a bajas temperaturas como la compatibilidad con el proceso. Los materiales seleccionados deben seguir siendo adecuados para la temperatura y la presión de diseño especificadas, al tiempo que cumplen los requisitos del proyecto en materia de resistencia a la corrosión, soldadura, tratamiento térmico, ensayos de impacto, trazabilidad y ensayos no destructivos.

Las recomendaciones sobre materiales deben contrastarse con la ficha técnica completa del proyecto y con las normas aplicables.

Normas a las que se suele hacer referencia en el ámbito de las válvulas para GNL

Las normas aplicables dependen del tipo de válvula, la instalación, el sistema de proceso, las especificaciones del cliente y la normativa vigente. La documentación del proyecto puede hacer referencia a normas relativas al diseño de válvulas para bajas temperaturas, válvulas para tuberías, valores nominales de presión y temperatura, ensayos criogénicos, ensayos de resistencia al fuego, emisiones y equipos a presión.

• ISO 28921-1: diseño, materiales, fabricación y ensayos de producción para determinadas válvulas de aislamiento y válvulas de retención de baja temperatura.
• ISO 28921-2: Ensayos de tipo a baja temperatura para válvulas de aislamiento.
• ISO 21011: requisitos de diseño, fabricación y ensayo para válvulas utilizadas en recipientes criogénicos.
• ASME B16.34: valores nominales de presión y temperatura, materiales, dimensiones, ensayos, inspecciones y marcado para válvulas industriales aplicables.
• Especificación API 6D: requisitos para válvulas de tuberías y conductos, según lo especificado en el proyecto.

Cómo apoya JST Valve los proyectos de GNL

JST Valve colabora con los clientes para evaluar las condiciones de funcionamiento de las válvulas y elaborar soluciones específicas para cada proyecto. En función de la aplicación y de las especificaciones aprobadas, el alcance del suministro puede incluir válvulas de bola criogénicas, válvulas de compuerta, válvulas de globo, válvulas de retención, válvulas de mariposa, conjuntos de válvulas con accionamiento y productos de control de caudal personalizados.

El servicio de asistencia técnica de JST Valve puede incluir:

• Revisión de los datos relativos al medio, la temperatura, la presión y la presión diferencial
• Selección de los materiales del cuerpo, los acabados, los asientos, los empaquetamientos y las juntas
• Configuraciones de capó alargado y vástago alargado
• Evaluación de la descarga de presión en la cavidad y de la orientación del asiento
• Conjuntos de actuadores neumáticos, eléctricos, hidráulicos o a prueba de fallos
• Dimensiones, conexiones y configuraciones de funcionamiento a medida
• Inspección, ensayos, trazabilidad y documentación de acuerdo con los requisitos de compra

Información necesaria para seleccionar válvulas para GNL

Para obtener una recomendación técnica precisa y un presupuesto para Válvulas para GNL, le rogamos que nos facilite:

• Medio de proceso y composición completa del fluido
• Temperatura de funcionamiento mínima, normal y máxima
• Temperatura mínima de diseño del metal
• Presión de funcionamiento y presión de diseño
• Presión diferencial máxima de cierre
• Tipo de válvula, diámetro nominal y clase de presión
• Dirección del flujo y orientación de instalación requeridas
• Criterios de aceptación de fugas exigidos
• Requisitos relativos a la carrocería, los embellecedores, los asientos, los rellenos y las juntas
• Norma sobre conexiones en los extremos y distancias entre caras
• Tipo de actuador, posición de fallo y tiempo de funcionamiento requerido
• Requisitos para los ensayos criogénicos, de resistencia al fuego, de emisiones y funcionales
• Certificados, planes de inspección, planos y documentación necesarios
• Cantidad, calendario de entrega y destino del proyecto

Preguntas frecuentes sobre las válvulas para GNL

¿A qué temperatura deben resistir las válvulas de GNL?

El servicio directo de GNL puede alcanzar aproximadamente −162 °C. Sin embargo, la temperatura de diseño requerida para las válvulas depende de la ubicación exacta y de las condiciones del proceso. Algunas válvulas de una instalación de GNL funcionan en condiciones de temperatura más elevada, como en servicios de baja temperatura, de vapor, de servicios auxiliares o de gas regasificado.

¿Por qué las válvulas criogénicas para GNL utilizan tapas de válvula alargadas?

Un capuchón o vástago prolongado contribuye a alejar la zona de la empaquetadura y del sellado del vástago de la zona más fría del proceso. Sus dimensiones y orientación deben tener en cuenta el aislamiento, la conducción térmica, el vapor frío, la accesibilidad y la instalación del actuador.

¿Por qué es importante la descarga de presión de la cavidad en las válvulas de bola para GNL?

El GNL atrapado en el interior de la cavidad de una válvula cerrada puede absorber calor, vaporizarse y generar un aumento de la presión. Por lo tanto, es necesario revisar la disposición del asiento de la válvula de bola y la dirección de alivio de presión teniendo en cuenta el sistema de tuberías del proyecto y la filosofía de aislamiento.

¿Qué válvulas se utilizan habitualmente para el aislamiento del GNL?

Para el aislamiento, se suelen considerar las válvulas de bola y las válvulas de compuerta criogénicas. Las válvulas de mariposa pueden seleccionarse para determinadas aplicaciones de gran diámetro, aunque la elección final depende de los requisitos de fugas, la caída de presión, el par de accionamiento, el espacio disponible, el peso y las normas del proyecto.

¿Las válvulas de GNL también pueden regular el caudal y la presión?

Sí. Las válvulas de bola, las válvulas de control, las válvulas de bola segmentadas y determinadas válvulas de mariposa pueden diseñarse para la regulación del caudal o de la presión. Para el dimensionamiento de las válvulas de control, es necesario evaluar el coeficiente de caudal, la caída de presión, el flashing, la cavitación, el ruido, el rango requerido y la respuesta del actuador.

¿Puede JST Valve fabricar válvulas para GNL a medida?

JST Valve puede evaluar configuraciones de válvulas a medida basándose en los datos de proceso del cliente, los planos, los requisitos de materiales, las normas aplicables, las especificaciones de los actuadores, el plan de inspección, el alcance de las pruebas y los requisitos de documentación.

Referencias técnicas

Se puede consultar información técnica adicional en

Resumen sobre el GNL de la Administración de Información Energética de EE. UU.

la

Norma ISO 28921-1 sobre válvulas de baja temperatura

el

Norma ISO 21011 sobre válvulas criogénicas

y

ASME B16.34