Válvula de bola criogénica guiada.

Válvula (100) de bola criogénica guiada, para la apertura o cierre del paso de un fluido por unos conductos de entrada/salida (103,

104), que comprende al menos un anillo de asiento (114) flotante que cierra estancamente contra la bola (107) por efecto de la presión del fluido en el conducto de entrada/salida (103, 104) sin necesidad de apretar el anillo de asiento (114) contra la bola (107) por medio de tuercas u otros elementos mecánicos que elevan el par de maniobra de la válvula (100) indeseadamente. La válvula (100) puede comprender además un sistema de alivio de sobrepresiones internas en el cual la sobrepresión interna provoca una ligera separación temporal del anillo de asiento respecto a la bola, hasta que la presión interna se iguala con la presión del conducto de entrada/salida y el anillo de asiento vuelve a cerrarse automáticamente contra la bola.

Sector de la técnica

La invención se refiere a una válvula de bola criogénica guiada, para la apertura y cierre del paso de un fluido (por ejemplo gas natural licuado) a través de una conducción en la cual el fluido está siendo transportado en condiciones de temperatura criogénicas.

Estado de la técnica

En el estado de la técnica se conoce la conducción o transporte de determinados tipos de fluidos a temperaturas criogénicas (es decir, a temperaturas entre -250 y -46°C), debido a que a dichas temperaturas se consiguen ciertas ventajas en el proceso de transporte que no se conseguirían a temperaturas superiores. Un ejemplo de este tipo de fluidos es el gas natural.

El gas natural es un gas utilizado generalmente en la sociedad como combustible, y que suele ser transportado y almacenado en estado líquido, bajo el cual se conoce como gas natural licuado (GNL). El motivo por el cual el gas natural se transporta o almacena en estado líquido es que en dicho estado líquido ocupa un volumen 600 veces menor que el volumen que ocupa en estado gaseoso. Como parte del proceso de licuado, el gas natural es sometido a un enfriamiento hasta una temperatura de -162°C para producir su paso a estado líquido. El GNL se transporta por tanto a una temperatura criogénica. Consecuentemente, los sistemas de conducción de GNL deben estar adaptados para funcionar correctamente a temperaturas criogénicas.

En particular, dentro de un sistema de conducción de GNL, las válvulas de apertura y cierre de paso de gas son elementos de elevada relevancia. Generalmente, las válvulas de apertura y cierre de paso de gas en un sistema de conducción de GNL a temperatura criogénica son

válvulas de bola. Una válvula de bola es una válvula provista de un cuerpo hueco cuya cavidad interior presenta dos conductos de entrada/salida que comunican la misma con el exterior del cuerpo y que permiten la entrada o la salida de gas. La válvula comprende además una bola giratoria dispuesta en la cavidad interior del cuerpo y entre ambos conductos de entrada/salida. La bola giratoria es en su mayoría maciza, y está provista de un conducto interior pasante que la atraviesa. Un sistema de accionamiento exterior (por ejemplo una palanca, un reductor, o un motor eléctrico o neumático) permite aplicar un par de giro y provocar la rotación de la bola, conociéndose como "par de maniobra" al par necesario para provocar la rotación de la bola y la operación de la válvula. En función de la posición rotacional de la bola giratoria, y por tanto del conducto interior pasante, con respecto a los conductos de entrada/salida del cuerpo, la válvula adopta dos principales modos de funcionamiento: un primer modo en el cual el conducto interior pasante de la bola giratoria queda alineado con los conductos de entrada/salida del cuerpo y comunicándolos, en cuyo caso la válvula se encuentra totalmente abierta permitiendo el paso de gas; y un segundo modo en el cual el conducto interior pasante queda completamente desalineado con respecto a dichos conductos de entrada/salida de manera que los conductos de entrada/salida quedan completamente incomunicados, en cuyo caso la válvula se encuentra totalmente cerrada impidiendo el paso de gas.

Una característica adicional de las válvulas de apertura y cierre de paso de gas en sistemas de conducción de GNL es que deben ser bidireccionales. Es decir, las válvulas han de ser capaces de funcionar (abrir y cerrar el paso de gas) independientemente del sentido de desplazamiento del gas, bien en un primer sentido desde un conducto de entrada/salida al otro o bien en el sentido contrario.

Otra característica adicional de las válvulas de bola es el hecho de que la bola se encuentra apoyada en dos anillos de asiento, localizados respectivamente en la zona en la que cada conducto de entrada/salida de gas se abre a la cavidad interior del cuerpo. Los anillos de asiento y la bola se mantienen en contacto permanente, tanto cuando la bola está fija (con la válvula en posición abierta o cerrada) como cuando se encuentra

girando con respecto a los anillos de asiento. Dicho contacto debe ser estanco cuando la bola esté totalmente abierta o totalmente cerrada.

En lo que respecta al guiado o mantenimiento de la posición de la bola en la cavidad interior de la válvula, existen dos tipos de válvulas de bola: las válvulas flotantes ("floating") y las válvulas guiadas ("trunnion"). En las válvulas flotantes, la bola giratoria se sostiene sobre los anillos de asiento, los cuales absorben los esfuerzos laterales que realiza la presión del fluido en los conductos de entrada/salida sobre la bola. El fuerte contacto de la bola giratoria con los anillos de asiento conlleva que entre ellos exista un elevado rozamiento, lo que produce que este tipo de válvulas presente un par de maniobra elevado. En las válvulas guiadas, en cambio, la bola giratoria es soportada en su eje vertical de rotación por unos muñones, los cuales absorben los esfuerzos laterales que realiza la presión del gas en los conductos de entrada/salida sobre la bola, por lo que dichos esfuerzos no se trasladan a los anillos de asiento y el par de maniobra de la válvula se mantiene bajo. Los anillos de asiento de las válvulas guiadas, por su parte, son flotantes porque deben garantizar la estanqueidad ante ligeros desplazamientos laterales residuales de la bola como consecuencia de la presión del fluido.

En general, el contacto entre la bola giratoria y los anillos de asiento debe cumplir exigentes requisitos de funcionamiento además de la mencionada estanqueidad. Por una parte, la bola giratoria debe ser capaz de girar con respecto a dichos anillos de asiento con relativa facilidad para que el sistema de accionamiento no deba realizar un esfuerzo excesivo para provocar el giro de la bola, ya que ello repercutiría negativamente en el par de maniobra de la válvula. Adicionalmente, en caso de una válvula guiada, el contacto entre los anillos de asiento y la bola debe ser relativamente flexible de manera que permita un cierto desplazamiento lateral del anillo de asiento ocasionado por la presión del fluido en el conducto de entrada/salida por el cual está entrando fluido, y al mismo tiempo se mantenga el contacto estanco de la bola contra ambos anillos de asiento cuando la válvula está totalmente abierta o totalmente cerrada. Dado que, en las extremas condiciones de trabajo criogénicas, algunos de estos requisitos son técnicamente contradictorios,

el diseño de la estanqueidad de la bola contra los anillos de asiento constituye una compleja solución de compromiso. Así, a modo de ejemplo: en válvulas guiadas del estado de la técnica, la estanqueidad del contacto entre los anillos de asiento y la bola se consigue ajustando la posición de dichos anillos de asiento por medio de una respectiva tuerca roscada que aprieta el anillo de asiento contra la bola. Este apriete para lograr la estanqueidad tiene como contrapartida el que provoca un aumento del rozamiento entre los anillos de asiento y la bola, causando que deban ejercerse mayores esfuerzos para girar la bola e impidiendo completamente el desplazamiento lateral de la bola. La ausencia de desplazamiento lateral de la bola es tanto que los muñones dejan de absorber los esfuerzos laterales y pasan a hacerlo los anillos de asiento; ello significa que la válvula guiada se comporta en realidad como una válvula flotante, no cumpliendo con sus especificaciones de funcionamiento como válvula guiada.

La invención tiene como objetivo un diseño de válvula de bola criogénica guiada en el que la estanqueidad entre la bola giratoria y los anillos de asiento se consiga de un modo alternativo a los conocidos en el estado de la técnica. En particular, se persigue conseguir una válvula que no presente el problema descrito anteriormente, consistente en que el par de maniobra de la válvula se ve indeseadamente elevado debido a un apriete excesivo de los anillos de asiento contra la bola.

Otro objetivo de la invención es conseguir un diseño de válvula de bola criogénica guiada en el que la estanqueidad entre la bola giratoria y los anillos de asiento sea compatible con el hecho de que los anillos de asiento sean flotantes, como se corresponde con una válvula guiada.

Otra característica adicional de las válvulas de bola criogénicas es que comprenden un sistema de alivio para desalojar controladamente gas del interior de la válvula en caso de sobrepresión cuando la válvula se encuentra totalmente cerrada o totalmente abierta. La sobrepresión está relacionada con el hecho de que el GNL es una sustancia que se caracteriza por que presenta un volumen sumamente variable en función de la temperatura del gas, lo que significa que un pequeño aumento de

temperatura del GNL...

1. Válvula (100; 200) de bola criogénica guiada, que comprende al menos un cuerpo (101; 201) provisto de al menos una cavidad interior (102; 202), en la cual se dispone una bola (107; 203) giratoria con un conducto interior pasante (108; 204) y la cual se comunica con el exterior del cuerpo (101; 201) por al menos dos conductos de entrada/salida (103; 205a, 205b) de fluido dispuestos alrededor de respectivos ejes longitudinales (105, 106; 206a, 206b), donde los conductos de entrada/salida (103, 104; 205a, 205b) quedan o no comunicados entre sí por el conducto interior pasante (108; 204) dependiendo de la posición rotacional de la bola (107; 203), donde la válvula (100; 200) se caracteriza por que;

- en al menos un conducto de entrada/salida (104; 205a, 205b), la válvula (100; 200) comprende un anillo de asiento (114; 207a, 207b) longitudinalmente flotante dispuesto entre la bola (107; 203) y el cuerpo (101; 201), donde el anillo de asiento (114; 207a, 207b) está provisto de un primer borde interior (122; 211) más próximo al eje longitudinal (106; 206a, 206b) y más próximo a la bola (107; 203), un primer borde exterior (123; 212) más alejado del eje longitudinal (106; 206a, 206b) y más próximo a la bola (107; 203), un segundo borde interior (124;

213) más próximo al eje longitudinal (106; 206a, 206b) y más alejado de la bola (107; 203), y un segundo borde exterior (125;

214) más alejado del eje longitudinal (106; 206a, 206b) y más alejado de la bola (107; 203), donde

- el anillo de asiento (114; 207a, 207b) comprende un primer elemento de estanqueidad (119; 208a, 208b) flexible, que presenta una zona de contacto (126; 215) capaz de contactar de forma estanca con la bola (107; 203), donde la zona de contacto (126) presenta un borde interior (127; 216) más próximo al eje longitudinal (106; 206a, 206b) y un borde exterior (126; 217) más alejado del eje longitudinal (106; 206a, 206b), y

- el anillo de asiento (114; 207a, 207b) comprende un segundo elemento de estanqueidad (120; 209a, 209b) flexible, que

presenta una primera zona de contacto (129; 218) y una segunda zona de contacto (130; 219) que contactan respectivamente con el resto del anillo de asiento (114; 207a, 207b) y con el cuerpo (101; 201) impidiendo el paso de fluido; donde

- el área radial efectiva (S1) entre el segundo borde interior (124; 213) y la segunda zona de contacto (130; 219) es mayor que el área radial efectiva (S2) entre el primer borde interior (122; 211) y el borde interior (127; 216) del primer elemento de estanqueidad (119; 208a, 208b).

2. Válvula (100), según la reivindicación 1, que se caracteriza por que el área radial efectiva (S3) entre el segundo borde exterior (125) y la primera zona de contacto (129) es mayor que el área radial efectiva (S4) entre el primer borde exterior (123) y el borde exterior (126) del primer elemento de estanqueidad (119).

3. Válvula (100), según la reivindicación 1, que se caracteriza por que el segundo elemento de estanqueidad (120) se encuentra alojado en un espacio (134) delimitado entre el anillo de asiento (114) y el cuerpo (101).

4. Válvula (200), según la reivindicación 1, que se caracteriza por que el anillo de asiento (207a) comprende un tercer elemento de estanqueidad (220) flexible, el cual está provisto de una primera zona de contacto (221) en contacto estanco con el resto del anillo de asiento (207a) y de una segunda zona de contacto (222) en contacto estanco con el cuerpo (201), donde el área radial efectiva (S4) entre el primer borde exterior (212) y el borde exterior (217a) del primer elemento de estanqueidad (215) es mayor que el área radial efectiva (S5) entre el segundo borde exterior (214) y la primera zona de contacto (221) del tercer elemento de estanqueidad (220).