Detección de Fugas Internas en Válvulas Mediante la Técnica de Ultrasonido

Introducción

Las válvulas son dispositivos de control de flujo utilizados en todo tipo de industrias (petroquímica, energía, alimentación, papel, minería, etc.) Existen multitud de tipos, configuraciones y tamaños diseñados según las necesidades concretas de los procesos en que se integran.

Dependiendo del régimen de funcionamiento y las condiciones de operación e instalación, una válvula puede fallar de diversos modos: acumulación de suciedad o depósitos en obturador y asientos, ejes doblados o rotos, fugas en empaquetaduras, rotura de juntas, corrosión y erosión en cuerpo, fallos en dispositivos actuadores o de control, etc. Centrándonos en el caso de las fugas internas, la detección de este tipo de problemas puede suponer un ahorro significativo de costes asociados a paradas de emergencia, pérdidas de producción, disminución de la eficiencia energética e impacto ambiental.

Estudios de campo han demostrado que entre el 5 y el 10% de las válvulas de cualquier instalación industrial presentan alguna sintomatología relacionada con fugas internas. Por ejemplo, las válvulas que manejan vapor y presentan fugas pueden ocasionar considerables pérdidas de energía traducidas en costes elevados. Ni que decir tiene la importancia en el caso de instalaciones que procesan fluidos tóxicos, radiactivos, explosivos, combustibles o corrosivos y que supongan un riesgo para la integridad de las personas, las instalaciones o el medio ambiente. Por tanto, eliminar o minimizar estas fugas ha de ser considerado como un objetivo prioritario en empresas que basan su filosofía de mantenimiento en el seguimiento de la condición de sus activos.

Ilustración 1. Diferentes tipos de válvulas
Ilustración 1. Diferentes tipos de válvulas
Ilustración 2. Daños en zona de cierre de una válvula de mariposa
Ilustración 2. Daños en zona de cierre de una válvula de mariposa

Métodos de inspección

Las técnicas de mantenimiento predictivo más comunes para la inspección y detección de fugas internas en valvulería son la termografía infrarroja y el ultrasonido.

Inspección termográfica

La termografía infrarroja es una tecnología de diagnóstico por la imagen. Las cámaras térmicas captan la energía infrarroja emitida por la superficie de los objetos y permiten convertirla en una imagen fácilmente interpretable y analizable llamada termograma.

La condición normal o de referencia de un componente será aquella que muestre un patrón de temperatura en una situación de funcionamiento óptimo. Cualquier fallo motivado por un cambio en las propiedades físicas o geométricas del elemento (tales como fugas, corrosión, grietas, erosiones, estrechamientos, bloqueos, etc.) provocarán una variación detectable en los patrones de energía infrarroja. Dicho patrón es comparable en el tiempo mediante el seguimiento histórico del elemento. Por tanto, podemos aplicar la termografía para detectar anomalías como la presencia de fugas internas en válvulas de todo tipo. Además, el seguimiento histórico de los resultados obtenidos permite evaluar la condición a lo largo del tiempo. De este modo se podrá realizar un mantenimiento planificado de la válvula y eliminar el preventivo o correctivo innecesario.

A fin de poder realizar una inspección fructífera con esta tecnología es imprescindible que se den una serie de condiciones (válvula en operación normal cerrada, accesible y descubierta, a temperatura distinta al ambiente, etc.) pero la más importante es la existencia de contraste térmico suficiente aguas-arriba y aguas-abajo de la válvula cuando presenta una fuga interna, tal como se muestra a continuación:

Ilustración 3. Válvula sin fugas y con fugas (sentido de flujo de izquierda a derecha)
Ilustración 3. Válvula sin fugas y con fugas (sentido de flujo de izquierda a derecha)

El método genérico de inspección de válvulas contempla los siguientes pasos:

  • 1) Estudiar accesibilidad, condiciones de seguridad y posibilidad de enfoque de la válvula.
  • 2) Determinar los datos de operación (datos de proceso).
  • 3) Descubrir el componente (eliminar aislamiento u otras interferencias).
  • 4) Realizar la inspección por técnico cualificado.
  • 5) Análisis de resultados, recomendaciones y emisión de informes.

Criterios de evaluación

De forma general, en las válvulas que manipulan vapor de agua saturado o agua caliente, si una imagen térmica muestra una temperatura de entrada elevada y una temperatura de salida baja (<100°C), podemos deducir que el componente está funcionando correctamente (válvula cerrada sin fugas). En caso contrario (temperaturas de entrada y salida similares o muy próximas), podemos asegurar que la válvula presenta una fuga interna. El siguiente ejemplo corresponde a dos válvulas anti-retorno operando adecuadamente en un sistema de vapor:

Ilustración 4. Válvulas antirretorno operando adecuadamente
Ilustración 4. Válvulas antirretorno operando adecuadamente

En el caso de vapor recalentado u otros fluidos (ya sean gases o líquidos), será necesario conocer con antelación la temperatura de operación del componente que se inspecciona. El siguiente ejemplo corresponde a una válvula automática de drenaje que presenta una importante fuga interna:

Ilustración 5. Válvula con fuga interna (dirección del fluido de arriba a abajo)
Ilustración 5. Válvula con fuga interna (dirección del fluido de arriba a abajo)

Otras consideraciones adicionales a tener en cuenta son las siguientes:

  • Verificar que la válvula está realmente cerrada antes de inspeccionarla.
  • Determinar el sentido del flujo, los reflejos y otras fuentes de radiación infrarroja a fin de realizar un diagnóstico apropiado.
  • Tener en cuenta los factores de corrección correspondientes (temperatura de fondo, absorción atmosférica, etc).
  • Es necesario familiarizarse con los procesos, las condiciones de contorno y las imágenes térmicas de los componentes inspeccionados.
  • En la medida de lo posible, las inspecciones las ha de realizar el mismo operador cualificado.
  • Ajustar los valores de sensibilidad, paleta, rango y ajuste térmico y óptico a fin de obtener una imagen nítida. Tomar esos valores como referencia de futuras inspecciones para asegurar la repetitividad de las mismas.
  • Comparar con válvulas similares adyacentes y con los valores históricos.
  • Registrar la presión y temperatura de proceso en el momento de la inspección, pues condicionará los resultados en caso de variaciones.
  • Anotar cualquier observación adicional en la hoja de campo.
  • Realizar las inspecciones siempre en los mismos puntos y desde el mismo ángulo.
  • Prestar atención a todas las recomendaciones de seguridad (fluidos peligrosos, salpicaduras, contacto con temperaturas extremas, gases, etc.).

A continuación se muestran ejemplos adicionales de casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja:

Ilustración 6-A. Casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja
Ilustración 6-A. Casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja
Ilustración 6-B. Casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja
Ilustración 6-B. Casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja
Ilustración 6-C. Casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja
Ilustración 6-C. Casos reales de válvulas inspeccionadas con termografía infrarroja

Algunas de las ventajas e inconvenientes de la inspección termográfica son las siguientes:

  • Rapidez en la obtención del diagnóstico.
  • Visualización de resultados como imagen térmica (termograma).
  • Sin necesidad de contacto con el elemento inspeccionado.
  • No adecuado para la detección de pequeñas fugas.
  • Dificultad para cuantificar la severidad o magnitud de la fuga.
  • Dificultades en válvulas a temperatura ambiente.
  • Necesario descubrir el componente (eliminar calorifugado).
  • Dificultades en superficies de emisividad difícil (superficies metálicas pulidas).

Inspección de ultrasonidos

Introducción

La detección de fugas usando termografía es especialmente difícil en aquellas válvulas que operan a temperatura ambiente o donde existen problemas con la emisividad de los materiales. Además, en determinados casos, una fuga interna pequeña puede no tener un impacto significativo en el proceso en sí mismo ni en las pérdidas económicas. Es decir, la fuga es tolerable y se puede convivir con ella. No obstante, existen procesos donde las fugas se han de minimizar o incluso ser inexistentes por motivos no solo puramente económicos, sino por razones de seguridad o medioambientales. La termografía encuentra también una limitación en estos casos, pues solo es efectiva en situaciones donde las fugas son notables y provocan el suficiente diferencial térmico. En todas estas circunstancias es donde la técnica de ultrasonidos permite una determinación precisa de la fuga.

La siguiente imagen muestra la inspección de una válvula que maneja aire comprimido. Es imposible utilizar termografía por operar a temperatura ambiente y por el hecho de que la emisividad superficial es muy baja:

Ilustración 7. Válvula de aire no inspeccionable por termografía
Ilustración 7. Válvula de aire no inspeccionable por termografía

En definitiva, la inspección por ultrasonidos es la técnica de inspección no intrusiva más adecuada para detectar y, en determinadas circunstancias, cuantificar las fugas internas en todo tipo de válvulas. Esta tecnología predictiva posibilita conocer la condición del componente, así como realizar el seguimiento de su estado a fin de planificar su mantenimiento sólo cuando sea necesario.

Fundamento teórico

La señal ultrasónica se genera principalmente por la cavitación o turbulencia del fluido al atravesar un orificio y variar bruscamente su presión. Puesto que los humanos no podemos escuchar ese rango de altas frecuencias (>20 KHz), los instrumentos de inspección de ultrasonidos tienen la capacidad de transformar electrónicamente dichos sonidos al rango audible, de forma que puedan ser fácilmente analizados e interpretados por el inspector. El término en inglés para designar esta conversión se denomina heterodyning.

Ilustración 8. Conversión de ultrasonido a rango audible humano
Ilustración 8. Conversión de ultrasonido a rango audible humano

Estos equipos de inspección son herramientas muy versátiles capaces de detectar determinadas averías que son una fuente de ultrasonidos en sí mismas. Como ya se ha indicado, un caso particular son las fugas internas de gases o líquidos en válvulas. Si una válvula no presenta fugas en su posición cerrada, no generará ultrasonidos. En caso contrario, dichas fugas son una fuente de ultrasonidos originados por el cambio de presión existente en el orificio de fuga. El ultrasonido se propaga con facilidad por los medios continuos (como el cuerpo de la válvula) y es fácilmente detectable por el instrumento de medida.

Ilustración 9. Flujo turbulento en un orificio
Ilustración 9. Flujo turbulento en un orificio

El régimen de flujo a través de un orificio es determinante en la producción de sonido ultrasónico. El régimen viene expresado por el número de Reynolds, que a su vez se calcula a partir de la viscosidad cinemática (μ), el caudal (D*v = sección * velocidad) y la densidad (ρ). Se dirá que el flujo es turbulento cuando el número adimensional de Reynolds sea superior a 4000. No obstante, si Re > 1000 ya pueden aparecer turbulencias que originan ultrasonidos fácilmente detectables.

Ilustración 10. Número de Reynolds
Ilustración 10. Número de Reynolds

Así, puesto que el flujo turbulento tiene asociada una fuerte componente ultrasónica, cuanto mayor sea la presión diferencial, tanto más abundantes serán las frecuencias superiores a 20 KHz presentes en el área de inspección. Por contra, los fluidos muy viscosos no generarán fácilmente un flujo turbulento.

Ilustración 11. Inspección de válvula con instrumento de ultrasonidos
Ilustración 11. Inspección de válvula con instrumento de ultrasonidos

Si en el elemento inspeccionado existen otras fuentes de ultrasonidos, será necesario establecer una línea base del ruido de fondo y del ultrasonido competidor. En estas situaciones se emplea habitualmente el método de inspección ABCD.

El método de inspección ABCD

La metodología de inspección de válvulas con ultrasonidos más común se denomina A-B-C-D (e incluso ABCDEF). Es muy adecuada ya que se centra en determinar valores diferenciales a fin de despreciar parte del ultrasonido de fondo. De forma general, consiste en tomar dos lecturas aguas-abajo (denominadas A-B) y dos lecturas aguas-arriba de la válvula (denominadas C-D). Para ello se utiliza el equipo de ultrasonido con un módulo de contacto o magnético.

Ilustración 12. Método ABCD en una válvula con fugas
Ilustración 12. Método ABCD en una válvula con fugas

Los pasos a seguir para aplicar este método son los siguientes:

1) Confirmar que la válvula está realmente cerrada.

2) Tomar lecturas:

• Aguas-arriba de la válvula a una distancia de entre 15-40 cm (punto A).
• Aguas-arriba y muy próximo a la válvula (punto B).
• Aguas-abajo y muy próximo a la válvula (punto C).
• Aguas-abajo de la válvula a una distancia de entre 15-40 cm (punto D).

3) Comparar las lecturas en decibelios (dB) de los cuatro puntos:

• Si los valores registrados aumentan a medida que nos aproximamos a la zona de cierre de la válvula, podemos concluir que presenta una fuga interna.

Ilustración 13. Inspección de una válvula con el método ABCD
Ilustración 13. Inspección de una válvula con el método ABCD

Aunque depende del instrumento utilizado, se puede afirmar de forma genérica que un incremento de al menos 5 ó 6 dB en el asiento de la válvula es un claro indicador de fuga interna. Para que se dé esta condición es necesario, de forma general, una caída de presión de al menos 1 bar.

A continuación se describe el perfil propio de ultrasonido en diversas posiciones en el caso de una válvula de bola utilizando datos de ejemplo:

Válvula abierta

En esta situación no existe (o no es detectable) una presión diferencial significativa en la válvula, por lo que el flujo es laminar, no existen turbulencias y, por tanto, no se generan ultrasonidos. El perfil de señal a lo largo de la válvula será constante en magnitud y el sonido será similar en todos los puntos.

Ilustración 14. Válvula de bola abierta: flujo laminar
Ilustración 14. Válvula de bola abierta: flujo laminar

Válvula cerrada sin fugas

Cuando la válvula está cerrada y no presenta fugas o son prácticamente inexistentes, no se genera ultrasonido al no existir turbulencias. La lectura realizada aguas-abajo es, por lo general, inferior a la registrada aguas-arriba.

Ilustración 15. Válvula de bola cerrada: cero fugas o con fuga inapreciable
Ilustración 15. Válvula de bola cerrada: cero fugas o con fuga inapreciable

Válvula con fugas

En este caso, parte del fluido (gas o líquido) escapa de la zona de cierre de la válvula moviéndose de una zona de alta presión a una de baja. Este flujo genera turbulencias y ultrasonido en la zona del asiento. Esta señal se propaga por el cuerpo de la válvula y es fácilmente detectable por el instrumento. La lectura realizada aguas-abajo será superior a la obtenida aguas-arriba y el inspector podrá escuchar por los auriculares del equipo un ruido característico que dependerá de las características del fluido, la magnitud de la fuga y las condiciones de proceso.

Ilustración 16. Válvula de bola con fugas: flujo turbulento
Ilustración 16. Válvula de bola con fugas: flujo turbulento

Ensayo indeterminado

En ocasiones, la presencia de ruido de fondo impide diagnosticar adecuadamente una válvula, bien porque enmascare el ultrasonido generado por la propia fuga o bien por la alta intensidad del mismo que impide llegar a conclusiones acertadas. En estos casos puede resultar útil modificar los filtros del equipo de ultrasonidos a fin de despreciar determinados rangos de frecuencias, pero por lo general es un problema insalvable que se convierte en una de las limitaciones propias de esta técnica.

Selección de los puntos de inspección

El método ABCD se puede complementar con medidas adicionales (E,F,…) en diferentes puntos de la válvula, en función del tipo y dimensiones. El disponer de lecturas complementarias permite realizar un diagnóstico más preciso.

Ilustración 17. Puntos de inspección recomendados en una válvula de bolasa
Ilustración 17. Puntos de inspección recomendados en una válvula de bolasa
Ilustración 18. Puntos de inspección recomendados en otros tipos de válvulas
Ilustración 18. Puntos de inspección recomendados en otros tipos de válvulas

Consideraciones adicionales

Selección de la frecuencia

En la mayoría de los casos, las señales ultrasónicas generadas por una fuga tienen un amplio rango de frecuencias que, sumadas, constituyen el típico ruido blanco característico de una fuga y, en ocasiones, de mayor intensidad que cualquier componente audible presente. Muy pocas veces una fuga particular suele tener una frecuencia característica tanto en el dominio audible como en el ultrasónico. Es muy difícil predecir la respuesta en frecuencia de una válvula en particular para una fuga en particular. Factores como la dimensión, forma de cuerpo y asientos, obturador, tipo de fluido, viscosidad, área de paso, caída de presión, etc. influyen en la respuesta final.

No obstante, los equipos de ultrasonidos modernos permiten seleccionar la frecuencia de corte, e incluso rangos de frecuencias, a fin de discriminar información de escaso interés.

Ilustración 19. Selector de frecuencias en equipo de ultrasonido
Ilustración 19. Selector de frecuencias en equipo de ultrasonido

Selección del sensor

Es muy útil utilizar en un principio el sensor magnético en aquellas válvulas donde sea posible debido a su alta sensibilidad, facilidad de uso y mejora de la repetitividad. Si los resultados obtenidos no son convincentes, utilizar el módulo de contacto para una inspección más amplia. No obstante, la presión ejercida en el punto de medida así como el ángulo de incidencia en el caso de los módulos de contacto de varilla pueden alterar la lectura final.

Ilustración 20. Módulo de contacto de varilla y módulo magnéticoido
Ilustración 20. Módulo de contacto de varilla y módulo magnéticoido

Circuitos de alta presión

Los sistemas que trabajan a altas presiones producen intensos niveles de ultrasonido que se propaga con facilidad por las estructuras (tuberías, soportes, válvulas, depósitos, etc.) En estos casos pudiera ser complejo determinar la presencia de una fuga interna en una válvula, ya que el nivel de fondo de ultrasonido es muy elevado en comparación con el generado por la fuga. La experiencia del operador y el método comparativo ABCD es el más recomendable en esta situación.

Consideraciones finales

  • Es recomendable que los puntos ABCD tengan secciones similares (mismo o similar DN) En caso contrario, es la experiencia del inspector y el registro de datos históricos el mejor indicador del estado de la válvula.
  • Tener en cuenta el sentido del flujo para aplicar adecuadamente el método ABCD.
  • Verificar que la válvula está realmente cerrada y que no procede ruido audible de la misma. Si tal fuera el caso, no sería necesaria la inspección ultrasónica. De hecho, en grandes fugas pudiera haber una baja intensidad de ultrasonidos.
  • Procurar inspeccionar con el módulo de contacto ejerciendo siempre la misma presión y ángulo sobre el punto a inspeccionar. La variación de los mismos provoca modificaciones en las lecturas y dificulta la repetitividad de las medidas. Si se dispone, utilizar un módulo magnético.
  • Es muy importante por parte del inspector, familiarizarse con los sonidos procedentes de válvulas en buen y mal estado.
  • En la medida de lo posible, las inspecciones las ha de realizar el mismo operador.
  • Ajustar los valores de sensibilidad y frecuencia a fin de obtener un sonido “limpio” libre de ruidos procedentes de otras fuentes competidoras.
  • Comparar válvulas similares adyacentes.
  • Registrar la presión de trabajo y temperatura de proceso en el momento de la inspección, pues condicionará los resultados en caso de variaciones.
  • Tener en cuenta que la viscosidad y densidad del fluido, dependientes de su temperatura, influyen en la turbulencia del fluido en las zonas de fuga.
  • Conocer el proceso y las posibles fuentes de ultrasonido competidor.
  • Anotar todos los resultados y observaciones adicionales en la hoja de campo.
  • Realizar las inspecciones siempre en los mismos puntos.
  • Prestar atención a todas las recomendaciones de seguridad (fluidos peligrosos, salpicaduras, contacto con temperaturas extremas, gases, etc).
  • Identificar la válvula problemática en campo con una etiqueta.
  • Realizar una inspección visual de la válvula una vez diagnosticada para corroborar los hallazgos.

Es especialmente necesario tomar las precauciones de seguridad necesarias a la hora de inspeccionar válvulas que operan a altas temperaturas o con fluidos peligrosos, no solo por los riesgos a que se ve expuesto el operador sino por el hecho de que pueden afectar o dañar la electrónica del equipo.

Por otro lado, hay multitud de mecanismos adicionales que condicionan la forma en que una válvula con fugas genera ruido ultrasónico: tipo de degradación de la zona de cierre, resonancias estructurales, ultrasonido de procesos próximos, etc. Como ya se ha indicado, la técnica se puede complicar cuando se trata de inspeccionar sistemas hidráulicos o redes de vapor debido al alto ruido de fondo.

Estimación del caudal de fuga y pérdidas económicas

Los equipos de detección de ultrasonidos no se fabrican siguiendo un estándar mundial, por lo que determinadas características de diseño de los mismos, como la sensibilidad, son propios de cada fabricante. Por este motivo, tampoco es posible establecer con facilidad una metodología de cálculo de los caudales de fuga en función del ruido ultrasónico de la válvula. Algunos fabricantes, basándose en su propia experiencia y en datos empíricos han creado algoritmos para la estimación de los flujos de fuga y las pérdidas económicas asociadas a los mismos. No obstante, sí se puede afirmar que cuanto mayor sea el diferencial de amplitud en dB en la zona de cierre de la válvula con respecto a otros puntos de la misma, tanto mas severa será la fuga.

Ilustración 21. Software propietario para estimación de fugas y pérdidas económicas
Ilustración 21. Software propietario para estimación de fugas y pérdidas económicas

Como cabe esperar, la detección y la cuantificación de las fugas puede conducir a ahorros significativos, maximización de la eficiencia de la planta y protección del medio ambiente así como una mejora sustancial de las actividades de operación y mantenimiento. En definitiva, un aumento de la fiabilidad de las instalaciones.

Un ejemplo de equipo de inspección: UESystems UP2000

En el mercado existen multitud de marcas y modelos de instrumentos de inspección de ultrasonidos. El equipo analógico del fabricante UE-Systems (modelo UP2000) capaz de detectar ultrasonido en el rango 20-100KHz. Para la inspección se emplea un módulo de contacto con el que se palpan determinados puntos de la válvula a fin de medir el valor en dB de ultrasonidos. También puede usarse el módulo magnético a fin de garantizar una mejor repetitividad de las lecturas, pero solo es posible utilizarlo sobre materiales ferromagnéticos.

Ilustración 22. Equipo de ultrasonidos UP-2000fía
Ilustración 22. Equipo de ultrasonidos UP-2000fía

Puesto que el equipo UP2000 es analógico y no muestra una lectura directa en dB sino en una escala de intensidad 0-100%, es necesario ajustar la sensibilidad a una lectura de, aproximadamente, el 50% de la escala con respuesta lineal y banda fija. Esto es lo que se conoce como ajuste de la línea base y se realiza en los dos primeros puntos A-B del método de inspección ABCD, anotando en ese instante el correspondiente valor de sensibilidad. La intensidad de sonido de la línea base se compara posteriormente con el punto de prueba C. Como ya hemos visto, el punto de prueba D se toma a fin de asegurar que no hay otra fuente de ultrasonidos ajenos a la fuga en sí misma y procedentes de otras fuentes. Si la lectura D es más alta que C, significa que dicho ultrasonido competidor existe y es de gran amplitud y, por tanto, el ensayo no es concluyente. Esto mismo es aplicable a cualquier otro equipo analógico del mercado cuyo principio de funcionamiento sea similar.

Ilustración 23. Curva de conversión
Ilustración 23. Curva de conversión

Puesto que el equipo UP2000 no da en dB su salida de intensidad, se ha de utilizar la curva de respuesta para el módulo empleado. Esta curva relaciona la sensibilidad al 50% de la escala con su valor en dB, que es el valor registrable.

Registro y documentación de inspecciones

El registro histórico de las inspecciones para su posterior estudio y documentación es una parte esencial en cualquier programa de mantenimiento predictivo.

Para obtener (y registrar) los valores en dB es necesaria la optimización del método en cada válvula. Esto significa realizar las inspecciones utilizando la configuración óptima del instrumento que a su vez vendrá dada la experiencia del inspector y las condiciones particulares de proceso. El registro de estos valores de configuración asegurará la repetitividad de las lecturas en sucesivas inspecciones.

Registro y documentación de inspecciones

El registro histórico de las inspecciones para su posterior estudio y documentación es una parte esencial en cualquier programa de mantenimiento predictivo.

Para obtener (y registrar) los valores en dB es necesaria la optimización del método en cada válvula. Esto significa realizar las inspecciones utilizando la configuración óptima del instrumento que a su vez vendrá dada la experiencia del inspector y las condiciones particulares de proceso. El registro de estos valores de configuración asegurará la repetitividad de las lecturas en sucesivas inspecciones.

Es recomendable que en el formulario de registro de cada válvula aparezca:

  • La configuración del instrumento de medida.
  • El tipo, la presión y temperatura del fluido de proceso.
  • El tipo de válvula.
  • Fecha de la inspección.
  • La orden de trabajo.
  • Identificación de la válvula.
  • Las secciones en cada punto de inspección.
  • Los valores en dB de cada punto.
  • Otra información relevante.

El sistema de registro ha de permitir generar informes históricos, así como la planificación de las inspecciones. Por otro lado, se ha de reportar a la dirección de la empresa los potenciales beneficios en términos de fiabilidad y ahorro de costes conseguidos con los planes de inspección.

A continuación se muestran algunos informes de ejemplos reales:

Ilustración 24. Registro de inspecciones
Ilustración 24. Registro de inspecciones
Ilustración 25. Parámetros de inspección
Ilustración 25. Parámetros de inspección
Ilustración 26. Informe de válvula sin fugas
Ilustración 26. Informe de válvula sin fugas
Ilustración 27. Informe de válvula con fugasIlustración
Ilustración 27. Informe de válvula con fugasIlustración

Monitorización remota

Algunos procesos industriales pueden requerir la monitorización de fugas en tiempo real de determinadas válvulas críticas. Un ejemplo lo constituyen las válvulas de seguridad, las cuales, tras un disparo pudieran no cerrar adecuadamente debido al mal posicionamiento del obturador al retornar a su posición de reposo. Habitualmente, los métodos tradicionales para la determinación de la presencia de una fuga interna han sido la presencia de ruido en el rango audible o la combustión del gas en antorcha. Obviamente estos métodos resultan del todo ineficaces y suelen generar impactos negativos tanto para el medio ambiente como a nivel de costes operativos. Por otro lado, si el técnico de mantenimiento es incapaz de determinar si la válvula se ha posicionado adecuadamente en su posición de cierre tras un disparo, pudiera verse tentado a planificar una actividad correctiva innecesaria (mecanizado de tobera, lapeado de asientos, sustitución del muelle, etc.) Actuando así, deja indisponible el sistema y genera un gasto evitable. Es por los motivos expuestos que un sistema de detección online de fugas internas se convierte en una potentísima herramienta para minimizar los costes y aumentar la fiabilidad de las válvulas críticas de cualquier proceso industrial. Además, un sistema online de detección:

  • Reduce las falsas alarmas o errores de diagnóstico del operador.
  • Permite cumplir con determinados requisitos medioambientales que establece el marco legislativo.
  • Reduce las emisiones.
  • Aumenta la eficiencia energética.
  • Minimiza los procesos de erosión y corrosión debidos a la presencia de fugas.
  • Mejora la imagen corporativa.

Descripción del sistema

La posición adecuada para situar los sensores es la más próxima a la fuente de ultrasonido (zona de cierre de la válvula) y en una ubicación donde se minimice el trayecto que ha de recorrer la onda ultrasónica hasta el detector. Por otro lado, se ha de procurar un contacto íntimo entre la superficie del sensor y la válvula. Aunque no es necesaria una preparación especial de la superficie, sí es conveniente eliminar la película de pintura o depósitos de óxido. El método de fijación del sensor puede ser atornillado, mediante uso de flejes o abrazaderas o incluso con adhesivos especiales.

A la hora de parametrizar y optimizar el lazo de medida es necesario tener en cuenta otras posibles fuentes de ultrasonido competidor o ruido de fondo tales como:

  • Flujos de vapor en tuberías de acompañamiento (traceado de vapor).
  • Fugas atmosféricas próximas.
  • Fugas o purgas adyacentes de aire de instrumentos.
  • Válvulas de control cercanas.
  • Accesorios próximos tales como codos, tes o reducciones, que originan turbulencia en el flujo.
Ilustración 28. Configuración del sistema en una válvula de seguridad
Ilustración 28. Configuración del sistema en una válvula de seguridad

El lazo de medida constará del elemento sensor, acondicionador de señal, transmisor, cableado de campo, barreras galvánicas o zéner en caso necesario y tarjeta de adquisición de datos dinámicos. También es posible, aparte de la señal de ultrasonido, incluir otros instrumentos de medida, como termopares, para complementar el diagnóstico. La adecuada configuración de estos lazos de medida ha de tener como objetivo final generar una alarma en la sala de control que alerte de la presencia de una fuga y minimizar los tiempos de respuesta para intervenir sobre la misma, así como un histórico lo suficientemente rico.

Ilustración 29. Disposición de sensores en una válvula de seguridad
Ilustración 29. Disposición de sensores en una válvula de seguridad

Por otro lado, la salida del sensor debería ser una señal digital, debido a las ventajas de las señales digitales frente a las analógicas. Los sensores han de disponer de una salida RS485, RS232, Modbus, así como la opción de relé y salida estándar 4-20mA. Mediante el uso de la opción digital, es posible una comunicación bidireccional con el sensor, permitiendo al operador cambiar los ajustes de forma remota. Además, en el caso de determinadas industrias como la petroquímica, se hace necesario la instalación de lazos intrínsecamente seguros mediante el uso de barreras zéner o de aislamiento galvánico.

El siguiente gráfico muestra los ciclos de apertura y cierre de una válvula de seguridad timbrada a 5.5 bar. Como puede observarse al final de la curva, llega un momento en que la válvula no retorna adecuadamente a su posición de cierre y provoca una fuga interna detectada por el sensor de ultrasonidos, que alerta al operador de sala de control.

Ilustración 30. Sensor, transmisor y barrera de un lazo de monitorización
Ilustración 30. Sensor, transmisor y barrera de un lazo de monitorización
Ilustración 31. Ciclos de apertura y cierre de una válvula de seguridad y posición de fallo
Ilustración 31. Ciclos de apertura y cierre de una válvula de seguridad y posición de fallo

Normativa

Como ensayo no destructivo, para la inspección de fugas con ultrasonidos existe actualmente una práctica recomendada designada como ASTM E1002 – 11 Standard Practice for Leaks Using Ultrasonics, cuyo contenido es el siguiente:

Practice A—This practice is useful for locating and estimating the size of pressurized gas leaks, either as a quality control test or as a field inspection procedure. It is also valuable as a pretest before other more time consuming and more sensitive leak tests are employed. It should not be used exclusively to locate highly toxic or explosive gas leaks.

Practice B—This practice is useful for locating leaks in systems that are not under pressure or vacuum as either a quality control or a field inspection procedure. It is not useful for estimating the size of a leak. It is also valuable as a pretest before leak tests using pressurized gas methods and more sensitive leak tests are employed.

Ventajas e inconvenientes

Algunas de las ventajas e inconvenientes de la inspección de ultrasonidos son las siguientes:

  • Inspección no invasiva.
  • Método simple y seguro.
  • Utilización de instrumentación portátil.
  • Medidas on-line, en tiempo real y determinación del estado de forma inmediata.
  • Reducción de costes de mantenimiento.
  • Discrimina sonidos no ultrasónicos.
  • Perfecto para fugas de bajo caudal.
  • Muy sensible.
  • Aumento de la fiabilidad de válvulas.
  • Monitorización medioambiental de las fugas.
  • No válido para fugas de pequeño caudal inaudibles.
  • Necesario contacto con el elemento a inspeccionar.
  • No adecuado para muy altas temperaturas.
  • No válido en fugas de régimen no turbulento.

Como conclusión podemos decir que las técnicas más utilizadas para la detección de fugas son la termografía infrarroja y el ultrasonido de contacto. Ambas, que son complementarias, presentan ventajas e inconvenientes y en ningún caso son infalibles, pues están muy condicionadas por diversos factores. No obstante, su aplicación conjunta constituye un método efectivo para la detección de un problema tan común en la industria como son las fugas internas en válvulas, lo que supone un aumento de la fiabilidad de las instalaciones y una minimización del coste de mantenimiento asociado a las mismas.

Referencias

  1. www.uesystems.com
  2. www.isa.org
  3. www.sdt.eu
  4. www.mistrasgroup.com

Autor: Antonio Abejaro Soto

1 Comentario

  1. gustavo espinosa barreda

    EXCELENTE INFORMACION ACTUALIZADA ACCESIBLE Y DE APLICACION INMEDIATA

    M.I. GUSTAVO ESPINOSA BARREDA

    Responder

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