Detección de Fugas Internas en Válvulas Mediante la Técnica de Ultrasonido (I Parte)

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:

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.

Bibliografía

  • www.uesystems.com
  • www.isa.org
  • www.sdt.eu
  • www.mistrasgroup.com

Autor: Antonio Abejaro Soto

La importancia de los datos y como convertirlos en dinero
Javier Leonardo Salas & Alberto Salas Mejia

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