Manejo de la erosión de arena en válvulas de control y válvulas de mariposa.

Manejo de la erosión de arena en válvulas de control y válvulas de mariposa.

La erosión por arena en las válvulas de control y las válvulas de mariposa es una consideración importante en alta mar. La arena puede erosionar las partes internas de las válvulas y las envolturas de presión. Si bien nada puede resistir completamente la erosión de la arena, las válvulas y los componentes internos cuidadosamente seleccionados pueden extender su vida útil y maximizar los intervalos de mantenimiento.
Aunque puede haber arena presente en muchos sistemas marinos, la mayoría de los problemas relacionados con la erosión de la arena ocurren alrededor de la boca del pozo o de los sistemas separadores.

Las válvulas de control moduladas o válvulas de mariposa gestionan la caída de presión controlando el área de los componentes internos de la válvula. Cuanto más cerca esté el obturador del asiento de la válvula, más restrictivos serán los componentes internos de la válvula, lo que dará como resultado una mayor velocidad del fluido que pasa a través de la válvula. En última instancia, cuanto mayor sea la velocidad del fluido que contiene arena, más rápida será la erosión. Por lo tanto, cuando hay arena, es mejor una velocidad del fluido más lenta.
La velocidad del fluido a través de la válvula se puede reducir simplemente maximizando el paso del flujo. Por lo general, se prefieren válvulas de mayor tamaño con aberturas más grandes, pero tienen un costo mayor. Se debe elegir el tamaño de válvula más adecuado considerando tanto la caída de presión como la velocidad del fluido.

Estilo del cuerpo de válvula
En presencia de arena, el estilo de cuerpo de válvula óptimo es una válvula de ángulo, ya que puede dirigir sólidos hacia la tubería aguas abajo, reduciendo el impacto en las paredes del cuerpo de la válvula.
En algunos casos, no se pueden utilizar válvulas de ángulo y en su lugar se especifica una válvula de globo. Cuando se utiliza una válvula de globo, el líquido siempre debe fluir por encima del obturador de la válvula, lo que elimina el impacto directo sobre las paredes del cuerpo. Un difusor de asiento puede brindar protección adicional al evitar que el fluido golpee directamente el fondo de la bola una vez que los componentes internos de la válvula experimentan una caída de presión.

Diseño Interno
Los diseños estilo jaula de una sola etapa son muy adecuados para servicios contaminados. En primer lugar, son diseños de recuperación de baja presión y, en segundo lugar, tienen rutas de flujo simplificadas.
El fluido fluye desde el exterior hacia el interior, lo que significa que los chorros de fluido chocan en el centro de la jaula, lo que garantiza que la energía se reduzca con un contacto mínimo con las superficies metálicas.
En servicios contaminados, se debe evitar cuando sea posible el uso de partes internas de válvulas de etapas múltiples con curvas de 90 grados, ya que la arena puede quedar atrapada en los giros de 90 grados. Dependiendo de la cantidad de arena, la válvula puede obstruirse rápidamente.

En los casos en los que se requieren componentes internos de válvulas de etapas múltiples, generalmente se especifican válvulas para condiciones de servicio difíciles. Se debe tener cuidado al seleccionar estas partes internas, ya que la mayoría de los diseños se basan en procesos que involucran curvas de 90 grados. Es importante elegir componentes internos de varias etapas diseñados específicamente para manipular sólidos, que permitirán el paso de desechos (como arena) sin causar obstrucciones. Se desaconsejan los componentes internos de la válvula diseñados con una vía de flujo de entrada más grande que la vía de flujo de salida, ya que pueden obstruirse. En su lugar, se deben utilizar piezas internas con una apertura mínima en la entrada de fluido.

Carburo de tungsteno
Como se mencionó anteriormente, la arena causa erosión al impactar en las superficies de los materiales. Por lo tanto, cuanto más dura sea la superficie del material, menor será la tasa de erosión. El carburo de tungsteno se utiliza habitualmente en estos casos debido a su relativa dureza. Los insertos sólidos de carburo de tungsteno se utilizan en áreas con mayor potencial de corrosión, como jaulas de válvulas, tapones y asientos. Se puede utilizar carburo de tungsteno sólido, pero las cargas de compresión dentro de la válvula pueden provocar que se agriete.
En algunos casos, se pueden utilizar materiales cerámicos, pero la mayoría de las especificaciones en la industria del petróleo y el gas requieren carburo de tungsteno.
Una desventaja importante del carburo de tungsteno es su fragilidad. Es similar a los azulejos del baño: muy resistente a la abrasión, pero propenso a romperse si se cae. Por lo tanto, es beneficioso incrustar el carburo en una carcasa de acero. En la jaula de la válvula, la jaula exterior de acero también actúa como una "barrera de ladrillos", evitando daños causados ​​por desechos grandes en la tubería.
Para evitar puntos de tensión que podrían provocar grietas y fallas en las partes de carburo, el carburo de tungsteno debe diseñarse cuidadosamente.
Cuando se utiliza carburo de tungsteno, se debe evitar la cavitación. La cavitación puede erosionar el aglutinante que mantiene unidas las partículas de carburo. También puede crear células de choque y provocar vibraciones. Dado que el carburo es muy frágil, la cavitación puede provocar fallas catastróficas en los componentes.

Partes internas de válvulas de servicio severo basadas principalmente en metal para válvula de mariposa con asiento de metal La tecnología de apilamiento de discos se puede fabricar con carburo de tungsteno sólido. Sin embargo, se deben considerar varios factores de diseño. Por ejemplo, los discos de las válvulas deben tener aproximadamente entre 6 y 10 mm de espesor debido a las características del carburo durante el proceso de fabricación. Si los discos de las válvulas son más delgados, es más probable que se agrieten. En la mayoría de los casos, los discos de las válvulas de carburo de tungsteno deben apilarse (unidos) entre sí para aumentar la resistencia.
La tecnología moderna de dinámica de fluidos computacional (CFD) se puede utilizar para simular la erosión de la arena y el seguimiento de partículas. Esto puede simular los patrones de flujo dentro de una válvula y luego rastrear las partículas de arena a través del dominio de flujo.
En la primera Conferencia Norteamericana de Tecnología Multifásica celebrada en Banff, Canadá, en 1998, Det Norske Veritas proporcionó una ecuación de tasa de erosión para una pequeña partición en el documento "Predicting Sand Erosion in Process and Pipeline Components", que se deriva del impacto total de todas las partículas que golpean esa área definida. Este método se puede utilizar para predecir la vida útil de los componentes internos de la válvula. Por ejemplo, si a un cliente le preocupa la seguridad de una válvula durante un evento de fuga y desea instalar un limitador de flujo, se puede calcular la tasa de corrosión del restrictor para determinar el intervalo de mantenimiento.
Las operaciones costa afuera presentan muchos desafíos, pero controlar la erosión de arena y partículas garantiza la longevidad de los componentes y minimiza las costosas intervenciones, asegurando así la máxima producción de petróleo y gas.