VALVULAS DE CONTROL
ACL Rev-1 INDICE 1 - VALVULAS DE CONTROL ……….. 4 - Generalidades: Normas; Definiciones; Terminología.
2 - TIPOS MAS FRECUENTES…………..……… 5 - Por diseño: Alternativas y Rotativas
- Órganos internos, diversos diseños
3 - MATERIALES, CONSTRUCCION, PRUEBAS …….………… 16
-
Diseño cuerpo-tapa. Materiales.- Criterios prácticos de selección materiales.
- Presión nominal – Ratings
- Cierre obturador- asiento- Clases de fugas. Estanqueidad al exterior
4 - ACTUACION Y POSICIONADORES……… 27
- Actuadores neumáticos
- Actuadores eléctricos e hidráulicos
- Posicionadores convencionales e inteligentes. - Otros accesorios.
5 - TIPOS DE DERRAME,,………... 42
1- Derrame en líquidos
- Subcríticos, críticos: Cavitación, Flash. - Coeficientes Fl- Kc- Km- Xfz- Sigma. - Cavitación y consecuencias. Su tratamiento - Vaporización- flash.
2- Derrame en gases y vapor
- Coeficiente XT
- Ruido aerodinámico, factores y soluciones.
6 - CALCULO Y SELECCION ………..……….. 58 - Introducción a las fórmulas de cálculo. Cv, Kv.
- Procedimiento de calculo IEC / ISA
7 - LOS DATOS DE CALCULO ………..……… 64
- Variables del proceso y su presentación - Régimenes de caudal y presion.
- Pérdida de carga para cálculo de la válvula - Condiciones del fluido a la entrada de la válvula.
8 - PASOS Y EJEMPLOS DE CALCULO ………….……… 71
- Tamaño cuerpo y trim. Velocidades - Proceso de selección.
- Programas informáticos para el cálculo. - Ejemplos de cálculo
9 – Aplicaciones en sector energía.………80
- Servicios severos en C. Térmicas y ciclos combinados - Cogeneración
- Termosolares
Presentaciones ………..………..83
1 – VALVULAS DE CONTROL
-
Normas de referenciaEl diseño de cuerpo más conocido es el tipo globo que puede ser de simple asiento, doble, con jaula etc. Lo normal es que consten de cuerpo y una ó dos tapas en algunos casos, sobre todo en los diseños antiguos.
También hay válvulas que, por su diseño, no tienen tapa, por ejemplo las mariposas, el tipo globo con obturador rotativo, las bolas segmentadas de regulación, algunos diseños de bolas con cuerpo completamente soldado.
El diseño de un cuerpo debe quedar amparado por una norma, criterio ó standard. Los fabricantes tienen que apoyarse en aquellas normas ó estándares más comúnmente aceptados para la construcción de plantas industriales. Las normas más usuales que tienen relación con los aspectos mecánicos de las válvulas, rating, dimensiones, conexiones tolerancias, ensayos etc., son las siguientes:
- ANSI B16.34 Para diseño de válvulas. Define el rating, materiales, pruebas hidrostática. Fundición y procedimientos de reparación. Ensayos no destructivos. Los ratings según clases 150-300-600-900-1500-2500 lbs., que no son equivalentes a normas europeas EN-1759
- ANSI/ASME- B. 16.5 Bridas de tuberías, ratings - materiales, tipos acabado
- ANSI B 16. 5/10 Para todo tipo de conexiones, embridadas, roscadas, soldadas. Equivalente a ISA S. 75.03, 04, 12, 14, 15, 16, 22. “face to face” dimensiones
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Para extremos B.W. : ANSI B 16.25 ; EN 12627 ; ISO 9692-1 - ANSI-FCI 70.2 para fugas obturador-asiento.A nivel europeo son de apliucación las normas de ámbito comunitario. Algunas de ellas, relacionadas con las válvulas son:
- Pressure Equipment Directive – PED 97/23/CE de obligado cumplimiento para todo equipo a presión: cuerpos de válvulas.
- Los materiales quedan bajo norma EN-10213- 1 a 4 para cuerpos fundidos. - La tortillería (Bolting) bajo EN-10269
Toda la cuestión de materiales ha tenido un proceso de armonización entre los códigos ASTM y sus equivalentes con denominación EN-….
EN-12516-1-2-3 para el rating del cuerpo, bajo deno,inación B-10-25-40-63-100. En realidad los términos DIN e ISO no deberían usarse, sustituyéndolos por EN- …, pero aún se mencionan.
- DIN, PN-10-16-25-40-64-100 para definir ratings estaría cubierto por EN-1092 pero con la diferencia que desaparece el PN-64 y es sustituido por PN-63
- ISO, PN-20-50-100-150-250-420 está cubierto por EN-1759
- API 607 Válvulas de cuarto de vuelta (bola-mariposa-macho) con cierre blando
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ISO – 7005.01 Presión –Tª para bridas- IEC - 534. 1 / 2 todo sobre válvulas de control - JIS - Japanese Ind. Standard. (JS 1025)
- Definiciones
Lo característico de una válvula de control es que son válvulas gobernadas por una señal de control variable, que responden a lo largo de toda su carrera, siendo actuadas por un medio independiente al proceso: aire, electricidad, presión hidráulica.
Veamos que efiniciones que hace ISA para una válvula de control
- Partes constitutivas
Desde un punto de vista mecánico, las partes a estudiar son: - Cuerpo – tapa – (como recipiente a presión) y tortillería. - Órganos internos (trim)
- Actuado - Terminología:
Todas y cada una de las partes y elementos están perfectamente definidos en cuanto a su denominación. Así pueden consultarse:
ISA-S 75.05 Control Valve Terminology
ISA-S 51.1 Process Instrumentation Terminology. IEC-534. 1 Control Valve Terminology
EN 736 Part- 1-2-3 Definiciones y terminología en general DIN- 19227 Simbolos y graficos de representación
ISA- Instrumentation System and Automation
A power operated device which modifies the fluid rate in a process control system.
It consists of a valve connected to an actuator mechanism that is capable of change the position of a flow controlling element in the valve in response to a signal from the controlling system.
2 - TIPOS MAS FRECUENTES
Cuerpo-tapa son las partes que sirven de armazón a la misma y por tanto determinan su
forma y dimensiones. Se incluyen las conexiones a la tubería: bridas, uniones soldadas,
roscadas, etc. El conjunto cuerpo – tapa soportan el contacto con la presión y temperatura
del fluido, y por tanto actúa como recipiente a presión. (las condiciones de diseño sirven
para definir el rating ó PN) Deben ser resistentes a la corrosión y erosión producida por el
fluido.
Simple–Doble asiento
Angular Globo Tres vías Lineales Cuerpo partido En Y, etc. DOS GRANDES GRUPOS Membrana – (Manguito)
Rotary Plug [S.Asiento] Rotativas Mariposa
Bola - Macho Podemos clasificar los diseños en dos grandes grupos:
• Válvulas con vástago de movimiento lineal. (alternativas- reciprocating) • Válvulas con vástago rotativo. (rotativas)
- Movimiento lineal ó alternativo Globo simple asiento.
Puede ser desequilibrado ó equilibrado. Las primeras se fabrican en todos los ratings y materiales, normalmente hasta 6” - 8” de diámetro debido a que como el obturador cierra contra toda la presión de entrada, los actuadotes tienen dificultad para soportar altas presiones diferenciales.
Cuando el actuador es insuficiente ó antieconómico para alcanzar esta fuerza de asentamiento, se acude a diseños de obturadores equilibrados ó de jaula con obturador equilibrado con las que se pueda conseguir estanqueidades clase IV – V y en algunos tamaños, con diseños especiales, clase VI.
Globo doble asiento
Este tipo, muy usado en el pasado y ahora menos, tiene un obturador más equilibrado por lo que se usa en grandes tamaños. Su limitación es que tiene una calidad de cierre peor. No alcanza la clase IV, por ser difícil la simultaneidad de cierre de los dos asientos al mismo tiempo. Doblemente guiado. Precisa de actuadores más pequeños. Soporta altas presiones diferenciales. En su versión con obturador en lumbreras ofrece muy buen coeficiente de caudal crítico Fl, por lo que en algunas aplicaciones es buen diseño para prevenir la cavitación
Angular “Top Guide” Globo “Stem Guide” Tres vías
Tres Vías
Las válvulas de tres vías pueden ser mezcladoras con dos entradas y una salida ó separadoras con una entrada y dos salidas. Su aplicación típica es el control de temperatura de intercambiadores. Sin embargo tienen menor coeficiente de caudal (Cv) y soportan menos presión diferencial; Son más inestables por no ser obturador equilibrado. Por eso en muchos casos es más interesante y económico usar dos válvulas de acciones opuestas e independientes. Se simplifica el diseño de tuberías y podrían ser de menor de menor tamaño, según sean las condiciones de cálculo.
Angulares
Siendo también una válvula tipo globo se utiliza en aplicaciones que lo requieren por diseño de tubería, altas presiones diferenciales, fluidos sucios ó abrasivos. En estos casos debe ser fluido tiende a cerrar.
Favorecen el auto drenaje con lo que no queda producto en su interior cuando manipulan fluidos peligrosos ó tendentes a cristalizaciones, depósitos, etc.
Buena para servicio en flash, con fluido tendiendo a cerrar. Mal coeficiente Fl, de caudal critico para evitar cavitación.
Diseño sanitario / alimenticio Cuerpo en Y Cuerpo partido
Válvula en Y
Buena para fluidos cargados de partículas. Pueden montarse inclinada para facilitar el auto drenaje. Produce poca pérdida de carga. Tiene gran capacidad de caudal Cv. Bajo coeficiente Fl. Hay.
Cuerpo partido
El cuerpo es de dos piezas y normalmente sujetan el asiento. Se utiliza cuando, por la naturaleza del fluido, que sea pastoso ó propenso a obstrucciones, se requiere hacer limpiezas periódicas.
Sanitarias / alimenticias.
También para la industria alimenticia hay diseños específicos. En lugar de bridas se usan uniones Tri – Clamp de desmontaje rápido, tanto las uniones a tubería como la unión tapa-cuerpo. Los cuerpos, normalmente de inoxidable, están pulidosdespués de su mecanizado. ( 10 micrón/inch Ra). Hay también diseños aptos para ser esterelizables periódicamente.
De membrana y manguito
Las válvulas de membrana conocida originalmente como diseño “Saunders”, el cuerpo es tipo globo pero normalmente recubierto de distintos materiales: ebonita, vitrificado, PFA, Halar, etc. Se usa en fluidos corrosivos, con fibras, viscosos, etc.
Solución económica pero que no ofrece buena regulación por el tipo de obturador (la propia membrana). Su curva característica es parecida a una todo-nada. Rangeabilidades pequeñas. Disponible sólo en cuerpos de bajo rating, PN 10-16
Requieren actuadores grandes. Tiene limitaciones de temperatura por el material de membranas y recubrimientos.
Las válvulas de manguito limitan su aplicación a fluidos abrasivos, viscosos, con partículas. El tubo de goma, de la calidad adecuada, es pinzado por el actuador.
Aplicable para bajas presiones de fluido con la limitación de temperatura que tenga el material del manguito.
-Válvulas rotativas
Debido a las mejoras de diseño introducidas, se ha generalizado mucho el uso de válvulas rotativas para el control. Presentan ventajas y algunas limitaciones que hay que conocer para su adecuado uso. En muchos procesos y aplicaciones las ventajas pesan más que sus limitaciones, mientras que en otros ocurre lo contrario.
Una peculiaridad de las válvulas rotativas es que, salvo algunos variantes, cuerpo y tapa son de una pieza. No hay tapa y por tanto no tienen junta tapa-cuerpo. Esto, desde el punto de vista de las fugas, (seguridad) es mejor. Es peor desde el punto de vista de la accesibilidad a los internos.
Globo simple asiento con obturador rotativo excéntrico. “Rotary Plug”
Constituyó una revolución su aparición durante los años 70. El primer diseño Camflex-Masoneilan, permaneció en solitario más de una década hasta que progresivamente fue adoptado por casi todos los fabricantes existiendo en la actualidad diversas versiones basadas en la idea original.
Su uso está también muy generalizado y es muy recomendado para algunas aplicaciones concretas. Hay que conocer algunas de sus limitaciones sabiendo que no pretende cubrir toda la gama de aplicaciones en la industria, como les ocurre a otros tipos de válvulas
Los cuerpos de estas válvulas pueden ir embridados aunque la idea original fue para montaje entre bridas, incluso de distinta norma ANSI / DIN-ISO, que las hacen más versátiles. Tanto es así que se desarrollaron normas a tal efecto: ISA S 75.3; DIN IEC 534 3-2. para estandarizar la distancia entre caras. Normalmente se fabrican hasta 600 lb. de rating.
La tapa integral extendida permite su uso en alta temperatura ó aplicaciones criogénicas. Ya hay versiones también para cumplir recomendaciones NACE, uso para oxigeno, etc. En cuanto a materiales está estandarizada en Ac. Carbono e Inoxidable pudiendo encontrarse en otros materiales de cuerpo más sofisticados, Alloy-20, Duplex, etc.
Se consiguen muy buenas calidades de cierre: Clase IV – VI. No suelen ser clase-V
Diseños globo- Rotary, cortesía de: a) Masoneilan b) Cashco c) Vetec-Samson Ventajas
-Mayor coeficiente de caudal Cv. -Menos fricción y menos banda muerta. -Poca pérdida de carga.
-Menos peso y volumen.Facilidad de instalación.
-Muy buen Cv ratio, > a 100:1 -Menor coste
Algunas Limitaciones
En mariposas, a partir de 3”, soportan menos delta-p ó actuadores + caros. -Tienen peor coeficiente Fl. (cavitan) -Producen más ruido.
Mariposas
Es el modelo rotativo más antiguo que usaba discos planos procedentes de las válvulas manuales y todo-nada. Este disco plano no es un diseño propiamente de control como veremos más adelante, aunque en procesos de baja responsabilidad y con pequeñas variaciones de carga pueda ser usado: agua, algunos gases, dampers, etc.
Posteriormente se han desarrollado nuevos diseños de cierre y discos que aumentan y mejoran sus prestaciones como válvula de control además de permitirles trabajar en altas presiones y temperaturas. Son las conocidas como “High Performance”
Este último tipo de válvulas se pueden encontrar hasta tamaños de 30” – 40”. Rating hasta 1500#, según tamaños y materiales.
Bola y sector de bola
También partiendo de las válvulas manuales y on-off se comenzaron a usar para control. El inicio de este camino tuvo lugar en la industria del papel fundamentalmente dado que su área de paso, más bien recto, lo aconsejaba para manipular agua con fibra ó pasta de papel. También se usan en fluidos viscosos. Característica de control un poco peculiar.
Posteriormente, años 65 – 70, surgió el diseño de “bola segmentada”. Se trata de caracterizar parte de una bola y así obtener una buena curva característica, próxima a la isoporcentual y mejorar el control además de no perder las ventajas del diseño bola. Por otra parte se mejora el guiado para reducir la banda muerta. Todo un conjunto de mejoras hace que estos nuevos diseños tengan un excelente Cv ratio, junto a las válvulas de globo con obturador rotativo excéntrico vistas anteriormente. Superior a 200:1
Bola standard Bola segmentada
- Órganos Internos (Trim)
Dentro del cuerpo se alojan los elementos de cierre que modulan el caudal: obturador y asiento. Se denomina “Trim” a los órganos internos que son mojados por el fluido:
Obturador, Asiento, Jaula - si la hay - Guías y Vástago.
Evidentemente, los órganos internos que configuran el trim son diversos según el tipo de válvula. Unos serán los correspondientes a cuerpos diseño globo y otras a los diseños rotativos.
Dentro del diseño globo pueden ser no equilibrados ó equilibrados.
Los obturadores no equilibrados pueden ser parabólicos torneados ó con lumbreras. ( El diseño con lumbreras tiene un mayor coeficiente caudal crítico Fl, por lo que puedes un poco más anticavitante) No deben usarse las lumbreras como guiado, sino que esta función debe hacerla una buena guía superior, como se verá más adelante.
La caracterización de caudal la define la mecanización del perfil del obturador ó de la forma de las lumbreras.
Con estos diseños de trim hay que dimensionar los actuadores para que puedan cerrar –con la estanqueidad deseada - teniendo en cuenta que en ese momento la presión de entrada por el área de asiento ejerce una fuerza contra el actuador que debe ser vencida por este. Con los diseños actuales de actuadores esto no suele ser problema. Si lo fuere, hay que acudir entonces a válvulas con obturador equilibrado.
Todo lo dicho hasta ahora es extensible a los diseños angulares. Estas válvulas se reservan para aplicaciones singulares por lo que algunos cuerpos y diseños de trim están enfocados a solucionar problemas específicos: Flash, abrasión etc.
Obt. Desequilibrado-Lumbreras. Obturadores torneados. Cambio rápido guiado por jaula
El trim de las válvulas de tres vías, mezcladoras ó separadoras, son generalmente del tipo lumbreras y con característica inherente lineal. Se pueden hacer torneados.
Diseños tres vías. d) Cortesía de Masoneilan Jaulas caracterizadas. e) Cortesía de Emerson.
Los obturadores equilibrados son aquellos en los que la presión de entrada está por debajo y por encima del obturador lo que hace que se mueva en la vena del fluido sometido sólo a la presión diferencial .
La estanqueidad en este caso no depende de la unión obturador-asiento sino también del tipo de junta (segmento) entre obturador y jaula. Un buen diseño debe contemplar materiales de jaula-guía de distinta naturaleza, dureza y mecanizado que el obturador. Permite el uso de actuadores más pequeños. No es adecuado en fluidos sucios.
Una variante de este diseño es la válvula con jaula. El sistema de cierre modulante es un obturador tipo pistón que se mueve dentro de una jaula-guía. La característica la determina la forma y disposición de los agujeros ó ventanas de la jaula. Esto permite modificar y/o caracterizar jaulas de diverso tipo: Standard lineal/isoporcentual, paso reducido, anticavitación, Lo-dB etc.
Cuando se requiere mejorar la estanqueidad a clase IV ó V según tamaños y temperaturas, se equipa al obturador con un piloto interno que cierra la comunicación que lo hace equilibrado. Otros aumentan el número de segmentos en el obturador-pistón. También se pueden poner segmentos
de
teflón siempre que sea admisible por temperatura. Este tipo de obturadores puede montarse en cuerpos de paso angular.Tiene una buena relación tamaño – capacidad de caudal Cv. Por su diseño permite controlar grandes presiones diferenciales en líquidos y gases.
Sentido de circulación: F.T. Open / F.T. Close En las válvulas de simple asiento el sentido de circulación en el cuerpo es generalmente fluido tiende a abrir (FTO-Flow To Open). En algunas ocasiones se recomienda que sea a la inversa, FTC, por ejemplo en derrames con vaporización de media presión.
Sin embargo las válvulas tipo jaula pueden usarse con ambos sentidos de circulación según su diseño y aplicación. Para líquidos se recomienda fluido tiende a cerrar aunque esta forma de hablar no resulte muy apropiada para obturador tipo jaula, quiere decirse que el fluido entra lateralmente a través de la jaula.
Los diseños de jaula, por el contrario, requieren que se haga un buen diseño mecánico de todo el trim. Los materiales, su calidad de mecanizado así como todas las juntas usadas deben ser estudiados a tenor de la temperatura y presión de trabajo. Con estas válvulas se trabaja hasta ratings de 2.500 lb. (PN-250 aproximadamente, aunque no es equivalente) Por otra parte el acabado interior de la jaula debe ser muy bueno, con unos materiales y durezas distintas al obturador-pistón.
No siempre el diseño jaula es el más adecuado en contra de alguna opinión. Aplicaciones con fluidos sucios, viscosos ó con partículas deben ser analizadas con cuidado. Si el rating lo permite, en estos últimos casos se comporta mejor los diseños “globo rotary plug” antes vistos.
Tipos de guiado: Caben distintos diseños. En la figura siguiente hay dos válvulas aparentemente iguales pero de prestaciones son distintas.
El guiado por vástago “Stem guide” es un diseño más sencillo propio para bajas presiones diferenciales y tamaños pequeños de trim. Estos vástagos suelen tener diámetros desde 9mm hasta 12mm por lo que los esfuerzos laterales del fluido empiezan a notarse en forma de vibraciones. Por otra parte casi siempre coinciden con diseños de unión tapa-cuerpo más simple y corto. El centro de gravedad de la válvula está más bajo. La estopada más cerca del cuerpo. No permiten jaulas internas.
Guiado por vástago ( “Stem-guide” ) Guiado superior( ” Top-guide” )
Por el contrario el guiado superior “Top guide” , supone un diámetro de guía dos ó tres veces superior al diámetro del vástago y en una longitud de guía que garantiza la estabilidad del obturador en toda su carrera frente a los esfuerzos dinámicos del fluido.
El diseño del cuerpo, más ancho y alto en su parte superior permite la introducción de jaulas que pueden ir caracterizadas para opciones de control de cavitación ó ruido. Tapa más larga apta para una temperatura de unos 230 ºC según fabricantes.
- Trims rotativos
Válvulas de mariposa El primer diseño de disco fue plano, derivado de las válvulas manuales. Usando este disco se utiliza solamente 60º de giro, allí donde la curva tiene mejor trazado. Buscando reducir los esfuerzos que actúan sobre el disco se diseñaron perfiles más dinámicos: cola de pez, cóncavo convexo, caracterizado, no simétrico, etc.
Estos diseños reducen también el par torsor sobre el árbol pudiendo dar una mejor regulación en toda su carrera-ángulo de apertura
Cuando nos referirnos al eje de válvulas rotativas no decimos vástago (stem), sino árbol-(shaft) Como este tipo de válvula se usa en grandes tamaños, los esfuerzos sobre el disco se convierten en un par torsor que debe ser soportado por el actuador.
Por tanto, en el proceso de selección del actuador, hay que analizar bien no sólo la delta-p que soporta la válvula cerrada, sino también la delta-p máxima admisible en posiciones intermedias de control.
También se han mejorado mucho los sistemas de cierre disco-cuerpo así como la selección y mecanizado de los materiales para el trim. Todo ello conduce a los tipos denominados HPV-“High Performances Valves” de alta presión con estanqueidades clase IV- V y VI. Hay también diseños especiales para bajo nivel de ruido ó anticavitación.
Trim bola y sector de bola para control
El obturador es una bola convencional, maciza ó hueca (para grandes tamaños). Material inox. en general. Los asientos serán metálicos , de PTFE ó grafito para altas temperaturas.
Las bolas segmentadas (sector de bola) son todas muy parecidas. El material base es AISI-316 ó 317, este último usado en la industria del papel. Va durocromada a fin que la superficie de contacto con el asiento no se desgaste. Hay versiones de este diseño con sistema para reducir el ruido.
También hay diseños de bolas con cuerpo y obturador en material cerámico para trabajar con fluidos abrasivos.
Las válvulas de bola, mariposa y macho son de alta recuperación de presión y por tanto tienen bajo coeficiente de caudal crítico Fl que las hacen menos anticavitantes. También pueden producir más ruido.
Trim globo rotativo excéntrico-“rotary plug”
El obturador es un casquete que toca el asiento sólamente en el momento del cierre, por lo que es propiamente una válvula de asiento. Junto con los diversos diseños derivados del original Camflex (Masoneilan -año1969), el material base suele ser AISI-316 endurecido ó no según fabricantes. Admite doble sentido de circulación. En servicios con flash, fluidos cargados y abrasivos se recomienda fluido tendiendo a cerrar. Se pueden obtener estanqueidades clase IV ó VI.
Tiene valores de Fl inferiores a las válvulas de asiento pero superiores a las de bola y mariposa; varía con el sentido de circulación del fluido.
El árbol rotativo, como en todas de esta familia, está sometido a menos fricción por lo que tienen menos banda muerta que las de desplazamiento lineal lo que se traduce también en una muy buena rangeabilidad.
Se consigue una mejor estanqueidad de cierre al exterior a través de la estopada al estar esta sometida sólo a un pequeño giro del árbol, menor de 90º, Incluso se mejora con la adicción de dos juntas tóricas.
Varios diseños obt. rotativos. Cortesía de: a) Emerson. b) Metso-Neles - Criterios de selección
Los tipos vistos hasta ahora son lo modelos más básicos. Existen varios diseños, algunos de los cuales se verán más adelante cuando sea necesario afrontar determinadas aplicaciones de derrames críticos con cavitación, flash ó limitar el nivel de ruido.
Además hay diseños específicos para aplicaciones concretas: atemperadoras de vapor, by-pass de turbinas, by-pass de compresores, fluidos especiales, etc.
En el cuadro siguiente se hace un resumen de las características de cada diseño básico. Estas características se tendrán en cuenta para hacer una primera selección cuando nos enfrentamos al proceso de cálculo. Posteriormente, durante el proceso de selección puede ocurrir que la válvula inicialmente pensada deba cambiarse por otra.
En las hojas de datos para consulta se puede especificar un modelo básico inicial, basado en criterios de estandarización, ó en la opinión inicial del cliente comprador, pero cada fabricante puede recomendar otro tipo de válvula, para lo que deberá aportar las razones técnico-económicas que justifiquen tal decisión. Es frecuente que todos los servicios que se den en una planta ó unidad de proceso puedan requerir válvulas de diferentes diseños.
Los criterios de selección y compra deberán tener en cuenta la mejor relación características técnicas / precio, valorando también el mantenimiento posterior, nivel de recambios necesarios, asistencia post-venta del proveedor, etc.
Aún cuando los cuerpos de las válvulas deban ser diferentes se buscará la mayor uniformidad posible en actuadores y accesorios (fundamentalmente el posicionador)
RESUMEN PARA SELECCIÓN DE CADA DISEÑO
Tipo Características
Globo “Top-guide”
-Todos los materiales y rating. -Tamaños hasta 6” – 8”.
-Medias y bajas delta-p´s, según tamaños y actuador. -Clase de cierre IV-V-VI.
-Fl mínimo 0,90.
-Pueden ser micro flujos. -Todo tipo de conexiones.
-En versión guiado por vástago sólo para bajas delta-p. -Relación lineal señal-carrera.
Globo - Jaula
-Apta para altas presiones diferenciales. -Tamaños desde 3” hasta 16”-20” -Mayor Cv
-Permite jaulas caracterizadas.
-Buen Fl. Mínimo 0,9 según diseño de jaula. -Admiten trims Lo-dB y anticavitación. -Sólo para fluidos limpios.
-Actuadores más pequeños. -Más caras.
Globo Rotary-Plug
-Buena relación tamaño /Cv. Mayor que globo alternativo. -Muy buen Cv Ratio. Mínimo 100:1
-Moderadas delta-p, excepto tamaños pequeños. -Tamaños desde 1” hasta 16”
-Cierre Clase IV – VI.
-Rating limitado a 600#, normalmente.
-Regular Fl. Mejor que mariposas, peor que globo. -Más ruido. Admiten placas Lo-dB.
-Respuesta muy rápida, sobre todo en tamaños pequeños. -Menos peso y volumen en la instalación.
-Más baratas.
Mariposas -Grandes caudales. -Tamaños desde 3” hasta 24-30”
-Bajas-moderadas delta-p excepto con pistones. -Mal coeficiente Fl critico. Habitantes.
-Ruido alto, excepto diseños especiales. -Estancas a bajas temperaturas sólo. -Más económicas.
Bola segmentada
-Alto Cv. -Buen cierre.
-Muy buen Cv Ratio. -Mal coeficiente Fl.
-Buena para fluidos cargados, viscosos, etc. -Ruido alto en gases.
- Nveles de diseño
Laiversidad de opciones y diseños disponibles en el mercado se deben a las opciones planteadas por cada fabricante. Por tanto se pueden establecer tres grupos ó categorías, según sean las características constructivas y por tanto a las prestaciones que se ofrecen. Estos tres grupos hacen referencia fundamental a las válvulas de globo por ser las más usadas. Diseño Ligero- Light Duty Serían las válvulas de globo (ó mariposa) de bajo rating, 150lb. (PN-10-16), y a veces 300lb. Materiales de cuerpo en fundición nodular, bronce, fundición gris. Asiento roscado. Empaquetadura apretada con una sola tuerca de apriete. Guiado por vástago (stem guide). Puente de actuador de fundición ligera ó columnas. Actuador de membrana resorte de bajos esfuerzos. Las válvulas guiadas por vástago no suelen usarse por encima de 4” y para moderadas presiones diferenciales
.
Diseño Ligero Standard Heavy Duty
Standard Duty Es el grupo que cubre la mayoría de prestaciones con gama de 300 – 600 lb. Se funden en todo tipo de materiales aleados. Tapa embridada sobre cuerpo que permite internos de cambio rápido, pinzados con jaula. Guiado superior robusto (Top Guide) ó por jaula. Admite trims de diversa configuración; cavitación, bajo ruido. Estopada apretada por brida y dos tornillos. Actuador de fundición ó Ac. Carbono adecuado para esfuerzos grandes incluso con pistones neumáticos. Fuelles de estanqueidad, si son precisos. Servicios de alta y baja temperatura, etc
Heavy Duty Para cuerpos de 600lb. en adelante, con posibilidad, si fuera necesario de obtener bridas de inferior rango. Todo tipo de conexiones y acabados. Todo tipo de materiales y ensayos no destructivos. Admiten internos de alta configuración para altas presiones diferenciales, multietapa, cavitación y ruido, doble – triple jaula, etc. Puente de actuador robusto para pistones neumáticos, hidráulicos ó eléctricos. En muchos casos son válvulas hechas a medida de una aplicación determinada. Con los diseños heavy duty se pueden afrontar las más severas aplicaciones que se dan en el mundo de la energía y las plantas de proceso a altas presiones y temperatura.
- Materiales cuerpo - tapa
Cuerpo tapa y todas las partes internas de una válvula son mojadas por el fluido que circula por la tubería. En la selección del material se tendrá en cuenta, no sólo la resistencia y compatibilidad química con el fluido, sino también la resistencia al desgaste por velocidad, turbulencias, abrasión, posible vaporización ó régimen bifásico, etc. En algunos casos se valorará también la agresividad del medio externo.
Los aceros al carbono son comúnmente usados en los productos derivados del petróleo, pero en una planta Off-Shore habrá que considerar el ambiente salino, bien con un acero más adecuado ó una protección imprimación adecuada, no sólo de la tapa sino también de la tortillería y vástago.
Las mismas precauciones se tomarán en otro tipo de industrias ó lugares que tengan atmósferas potencialmente corrosivas.
La selección del material del cuerpo – tapa depende de: - Naturaleza del fluido.
- Presión / temperatura de operación.
El material, en general podrá ser igual ó semejante al de la tubería salvo que exista otra causa. Por ejemplo, hay casos en los que si la tubería se especifica en 316L por facilidad de soldadura entre tubos y bridas, la válvula podría ser de 316 sobre todo si va embridada.
En la tabla siguiente se indican los materiales más utilizados en los cuerpos de válvulas de control. La codificación de los materiales se hace con denominación ASTM que es la más conocida. Sin embargo, hay su equivalente bajo denominación europea EN, después de realizados los pasos del proceso de armonización
Materiales más frecuentes para cuerpo-tapa
Código ASTM
Tª de trabajo
Observaciones
A 216 WCB A 216 WCC
-29 +425 Son los aceros al carbono más usados para aplicaciones generales no corrosivas ni erosivas. No usar por encima de 425ºC pues los carburos se convierten en grafito. El WCC tiene más MN (1,28%) y es más soldable además tiene más resistencia mecánica que el WCB. Algunos fabricantes lo han generalizado en su catálogo. A 217 WC5 A 217 WC6 A 217 WC9 +600 +538 +566
Es difícil de fundir y soldar. Tiene más Cr.(5%) y menos Mo.(1/2%) Gran resistencia mecánica en caliente. Usar sólo con bridas.
Es el más usado en esta gama de Tª. Muy bueno para uniones soldadas. 1,25% de Cr. y 0,5% Mo. Material templado y normalizado. Tiene más Cr(2,25%) y 1% de Mo.
A 351 CF8M(316) -196 +800
En todos los inoxidables la presencia de Ni mejora la resistencia a la corrosión y al calor. El Cr eleva la estabilidad térmica y disminuye el desgaste por abrasión. El Mn mejora la elasticidad. El 316 es el más generalizado con un muy buen comportamiento para la mayoría de los problemas de corrosión. También aguanta bien la erosión y el flashing. Para temperaturas superiores a 425º C usar con C mínimo de 0,04. A 351CF3M(316L) -250 +540 Más resistente a la corrosión que el 316. Mas soldable por
tener más C. Adecuado para altas Tº aunque debe limitarse a 455 ºC.
A 352 LCB
LCC /LF2
-46 +343 -46 +371
Son todos para bajas temperaturas. El LCC es más resistente que el LCB
L C3/LC
-100/115 +340 El LC4 tiene una temperatura de transición (cambio de fractura tenaz a frágil) más baja.Hay otros aceros más específicos para afrontar particulares casos de corrosión ó altas temperaturas.
• ASME/ASTM A 217 C12 A es un Cr. Mo. Con 9% de Cr., 1% de Mo. Vale hasta 649 ºC. [EN-1.4931]
• A 351 CF3 (304L) es el más recomendado para Ac Nítrico. (1.4309)
• ASTM-B 649 Conocido como 904L (20%Cr, 25%Ni, 4,5% Mo.) Usado para aguas salobres con altos porcentajes de cloruros. Resistente también a los ácidos., como el fosfórico. ( Equivalente DIN 1.4536 fundido; 1.4539 forjado)
• ASTM A-351 CG8M es un Inox. conocido como 317 que se usa en la industria del papel. El incremento de Mo sobre el 316 lo hace más ser resistentes a los restos de compuestos clorados.
Los aceros duplex se caracterizan por contener 40-60% austenita y 60-40% ferrita aproximadamente. Se usan para agua de mar y salobres.
• ASTM A 479 (UNS S 31254) Es el conocido como 254 SMO para agua de mar. • ASTM A 351 CK3MCuN fundido. Con 6% mínimo de Mo. Superaustenitico.
- Tornillería
El conjunto cuerpo-tapa forma el recipiente y es acoplado mediante una tornillería (boltling) Por tanto, en atención a su buen diseño, se deberá cuidar y establecer una buena selección de la tortillería, básicamente afectada por la temperatura de trabajo y la resistencia mecánica.
Materiales para la tornillería
Mat. Cuerpo Espárragos Tuercas Temperatura ºC
A-193 Gr. B7 (1.7225) A-194 Gr. 2H - 40 +454 A-193 Gr B16 A-194 Gr 7 0 +510
Ac Carbono Ac Cr. Moli.
Baja T ª A-320 Gr L7 A-194 Gr 7 -100 +510 A-193 Gr B8M A-194 Gr 8M -196 para Tª inferior hacer
prueba impacto. A-193 Gr. B7M expuesta
A-193 Gr. B7 No expuesta
A194 Gr.2HM
A-194 Gr. 2H Aplicaciones NACE MR.01- 75 Inoxidables
austeníticos
- Materiales para órganos internos
Obturador – asiento- vástago
Para un diseño “Standard duty”, en válvulas tipo globo simple asiento, el material básico de obturador y asiento es el inox. 316 ó 410/416. El 316 tiene un buen comportamiento corrosivo para la mayoría de los fluidos aunque es algo blando para presiones diferenciales moderadas. A partir de 8 - 10 bar. se puede endurecer superficialmente mediante aportación de stellite-6 bien en los cantos de cierre (estellitado en cantos) ó también en algunos casos totalmente recubriendo todo el perfil, (estellitado total). Dependerá de la agresividad del fluido y de presión diferencial.
Las aportaciones de stellite-6, también llamado Alloy-6 en base cobalto, pueden ser sensibles en presencia de altas concentraciones de Aminas ó Hidracina, con corrosión en la interfase de las aportaciones con el material base 316. Esto podría ocurrir en algunas partes del sistema agua de alimentación en las centrales electricas, no siempre.
Como alternativa se utilizan también los aceros martensíticos de la gama 400, 410, 416, 420 y 440-C. Tienen mayor dureza (35 – 58 Rc) por lo que pueden sustituir en muchos casos al 316+stellite, por lo menos en tamaños hasta 3”
Hay que tener en cuenta que la dureza baja a partir de 350ºC aproximadamente en todos los aceros. El tipo 440-C (ASTM A-276) se usa en obturadores y asientos sometidos a grandes presiones diferenciales siempre por debajo de 427ºC. Dureza 55 – 58 Rc que decae a partir de los 400ºC.
El 17-4 PH (ASTM-A564,Gr. 630) es un inoxidable endurecido por precipitación que tiene varios grados de tratamiento térmico:
Condición H-900 Dureza de unos 44 Rc.
Condición H-950 “ “ 36
Condición H-1075 “ “ 33
Un nuevo material para alta temperatura del trim es ASTM-487 Gr. CA6NM con excelentes propiedades me responde al código F6NM. Se usa en obturadores y jaulas de trims equilibrados. Válido hasta 565ºC. La versión forjada responde al código F6NM.
Para fluidos altamente corrosivos se usa el Monel con diferentes durezas entre obturador y asiento: Monel-400 (ASTM B-564) [N 04400]; Monel 500. También el Hastelloy-C (ASTM B-564) [N 06022]. Las válvulas de mariposa pueden ir con cuerpo recubierto de diversas calidades de elastómeros e incluso de teflón. Además de evitar la corrosión se consiguen mejores calidades de cierre. También ahora hay cuerpos de válvulas de bola, y globo con obturador rotativo –“rotary plug”, con cuerpo recubierto de PFA, Halar, ó teflón.
Trim con Jaulas de guiado
En el caso de diseños guiados por jaula, las jaulas realizan una doble función. De una parte guían el obturador y de la otra son una pieza intermedia entre tapa y asiento, comprimiendo este. En estos diseños se tendrá en cuenta el efecto de las dilataciones por temperatura, posible existencia de choques térmicos, etc.
Pero además las diversas configuraciones de las jaulas afrontan los efectos de la estrangulación del fluido. Es aquí donde hay que controlar y limitar la velocidad y luchar contra la cavitación y el ruido además de resistir la corrosión. Cada fabricante deberá seleccionar y garantizar el material más adecuado teniendo en cuenta todos los factores antes expuestos. La superficie interna de la jaula juega un papel importante en la estanqueidad del trim, deberán ser superficies pulidas y endurecidas que faciliten la función de guiado y estanqueidad de las juntas ó segmentos de cierre.
Vástago (stem) en caso de válvulas de globo
Hay que distinguir entre vástago alternativo (stem) y árbol, (shaft) para las rotativas.
-En el primer caso se valorará el esfuerzo lineal necesario para el cierre de la válvula a la Tª de servicio. El material básico es el 316, después se usará el 17-4 PH y para alta temperatura el Inconel 600 / 625/ 750, etc.
-En las válvulas rotativas se tendrá en cuenta el par torsor del eje más el esfuerzo de asentamiento en caso de diseños rotary-plug ó mariposas doble-triplemente excéntricas, sin olvidar la adecuada combinación con el material de los casquillos guía.
Materiales usados en órganos internos
Tipo Equivalencia DUREZA aprox.
316 1.4401 163 Br (14 Rc) 316 L 1.4404 / 4435 150 – 170 Br. 321 1.4541 Similar 316 410 1.4006 35 – 40 Rc 416 1.4120 / 4005 35 – 40 Rc 440 C 1.4124 (Z12C13) 55 – 58 Rc 17-4PH Z6CNU17.04---H-900 44 Rc “ “ “ ---H-1075 33 Stellite - 6 Alloy-6 40 – 45 Rc CA6 NM Z5ND13.04 32 Rc Uranus B6 1.4539 Similar al 316 Hastelloy-C ASTM A 494 23 Rc Carburo de Tugnsteno Wolframio 67 – 72 Rc
- Criterios practicos de selección de materiales
En cuanto al cuerpo ya hemos dicho que, siendo el cuerpo prolongación de la tubería y estando en contacto con el fluido, el material de cuerpo-tapa debe ser adecuado para resistir las características del fluido, su agresividad mecánica y química. El material y tamaño tendrá en cuenta además la temperatura del fluido( de diseño) y la velocidad.
En cuanto a los internos, esto es, el trim, es más complicado pues dependerá de varios factores:
• Corrosión del fluido y/o presencia de partículas abrasivas
• Presión diferencial. Nivel de cierre requerido. Función de la válvula • Diseño y tamaño del trim
• Esfuerzo necesario -en los vástagos • Tipo de guiado
Todas estas variables y otras que debe tener presente el ingeniero de instrumentación permitirán llegar a una selección final.
En la tabla siguiente se facilita una guía que no pretende ser completa
RECOMENDACIONES PRÁCTICAS PARA SELECCIÓN DE MATERIALES DEL TRIM
• DERRAMES SUBCRITICOS Líquidos, Gases y Vapor de Agua
En general podrían ser en Inox. 316, 410-416 hasta unos 10 bares de delta-p aprox. Aceros más duros para mayores perdidas de carga y/o experiencias conocidas por abrasión, corrosión, etc
• DERRAMES CRITICOS: Líquidos con cavitación a) Cuerpo: El que corresponda. Velocidad de salida con criterio más
Conservador.
b) Trim: 1- Materiales duros 410-416; 316+stellite total; 440-C; Ca6 NM 2- Diseño control de cavitación.
3- Diseño anticavitación con alto Fl ó adecuado factor sigma • DERRAMES CRITICOS: Líquido en flash
a) Cuerpo : Velocidad: Mejor sobredimensionar siempre el cuerpo. En función de pérdida de carga:
Hasta 15-20 bar. podrían ser Ac. Carbono.
De 20 – 40 cuerpos aleados Cr. Mo. ó Inoxidable, FT A partir de aquí cuerpo angular aleado ó con camisa de protección en salida. FTC.
b) Trim: Materiales duros: Serie 400 ó estellitados. DERRAMES CRITICOS para Gases y Vapor de agua
a) Cuerpo : Dimensionados para diámetro de salida subsónico.
Mach de salida < 1/3 cuando trim sea diseño Lo-dB [ 0,33 ]
Para servicios no contínuos podría aceptarse: Vapor Saturado: 0,30 Mach para cuerpos de Ac.C.
0,40 Mach para cuerpos de Inox. ó Cr.Moli. Vapor recalentado y gases limpios: 0,40 Mach para Ac. C.
0,50 Mach para Inox. ó Cr. Moli. b) Trim: Materiales duros serie 400 ó estellitados, sobre todo en vapor de agua.
- Presión nominal – ( Rating- PN) y Conexiones
Una vez elegido el material de cuerpo, compatible y adecuado al fluido, se define la presión nominal (PN ó Rating), es decir el espesor y medidas básicas del cuerpo- tapa para soportar la presión interna del fluido a la temperatura del mismo.
Téngase presente que el rating ó PN se define a partir de la presión/temperatura de diseño que vendrá establecida por los ingenieros mecánicos en función de criterios con que se diseña la instalación.
No se toman las condiciones de trabajo para definir el rating, estas estarán por debajo siempre de las de diseño.
Las normas de referencia más usadas son: ANSI B 16.34 e ISO 7005 DIN- 2401
La norma ANSI está muy utilizada en muchos países fuera de USA. Para cada material se establece unas tablas que indican la presión admisible en función de una escala de temperaturas, eligiendo así la clase que va desde 150lbs. hasta 2500lbs. En este caso los aceros vienen definidos según código ASTM.
La presión nominal, PN, es el sistema ISO europeo, antes DIN. Aquí también se define el PN para cada material pero bajo denominación EN 10213. La designación PN es nominalmente la presión máxima de trabajo en frío, expresada en bares. Así, por ejemplo, una válvula ISO-PN-16 soporta 16 bar. A 120 ºC. A medida que aumenta la temperatura, su resistencia disminuye.
En un proceso de selección no se pueden mezclar unos aceros bajo código ASTM con unas tablas ó curvas de rating ISO, ni viceversa.
Otras normas como la ISA S75, define la distancia entre bridas de cada tipo de válvula, tanto para conexiones roscadas, soldadas, embridadas, ó wafer.
No hay una equivalencia directa entre ANSI/ASME e ISO (DIN). A titulo informativo, desde el punto de vista del rating sólamente, (no en sus medidas), ISO 7005-1 da una equivalencia en las bridas de conexión:
Clase 150 PN-20 Clase 900 PN - 150 300 PN-50 Clase 1.500 PN - 260
600 PN-110
Conseguir esta equivalencia puede obligar a modificar los modelos de fundición
Special Class. Hay unas tablas de rating dentro de las normas ANSI/ASME para “clase especial”. La clase especial requiere la realización de ensayos no destructivos y normalmente se usa para válvulas con uniones soldadas. La reparación del cuerpo en fase de fundición será de acuerdo con ANSI B 16.34, Sección-8. Los ensayos a realizar serían:
Cuerpos fundidos : Cuerpos forjados:
- Radiografías en zonas críticas. – Ultrasonidos en cuerpo-tapa. -Tintes en zonas mecanizadas. –Tintes en zonas mecanizadas.
Para la selección del rating-PN se pueden usar tablas ó curvas. Las curvas siguientes son antiguas y meramente indicativas muestran las diferencias de una norma respecto a otra. Para cada material, con una presión y temperatura de diseño , se define un ratings ó PN.
Ratings intermedios. Hay unos ratings menos conocidos y usados, bajo ASME. B 16.34 Por ejemplo: Para 2” Entere 900-1500lbs. hay un intermedio de 1.690lbs
Para 4” 1500lbs podría haber también 2.107lbs
- Cierre obturador asiento - estanqueidad
Lo propio de una válvula de control es que esté regulando en un punto intermedio de su carrera por lo que no se le pide una estanqueidad como la que debe garantizar una válvula de aislamiento bloqueo ó cierre.
Sin embargo cada vez se le exige más a la válvula de control, tanto en situación de cierre por fallo de aire como en otras aplicaciones donde la acción sea la contraria.
Expresiones como “válvula estanca”, “dead tight”, fuga cero, por ejemplo son frases vagas que en realidad buscan lo mejor pero sin definir cómo. No hay un cierre “absolutamente” estanco. Por tanto, para evitar situaciones ambiguas, se definieron unas condiciones de prueba y así concretar los niveles de estanqueidad que tienen que conseguir los fabricantes de las válvulas.
La norma FCI-70-2, del Fluid Controls Institute fue la primera que fue rápidamente asumida por ANSI B 16.104 y ahora es conocida como ANSI/FCI 70-2. Es la más extendida y utilizada por los fabricantes de válvulas de control.
Otras normas pueden ser DIN / EN-1349, DIN-3394 y 3230, IEC-534-4, BS-5146, API-598, MSS-SP 61, aunque esta última norma no es para válvulas de control a veces es requerida su aplicación cuando un servicio muy severo lo exige.
El nivel de cierre supone un coste bastante significativo, por lo que el ingeniero de control debe valorar adecuadamente que nivel de estanqueidad es el se precisa en cada punto de aplicación sin elevar esta exigencia innecesariamente.
La norma ANSI/FCI 70-2 establece seis niveles de calidad de cierre, del I al VI. y las diferentes condiciones de prueba para certificarlos.
Clases de fuga según ANSI/FCI 70-2
Clase Prueba Fuga admisible(1)
I
Las pruebas y fuga se definenentre fabricante y usuario
II
Aire ó agua 10-50ºC y una presiónentre 3-4 bar. Normalmente se hace con aire a 3,5 bar
0,5% capacidad
nominal La presión se aplica a la válvula con el obturador cerrado por el actuador a su alimentación requerida.
III
Idem. 0,1% cap. nominal Idem.IV
Idem. 0,01% cap. nominal Idem.V
*Agua 10-50ºC a la presión diferencial real de trabajo*Aire-Nitrógeno a 3-4 bar-g---Æ
0,0005 ml./min. por pulgada de diámetro asiento por psi de presión diferencial.
4,7ml/min. Por cada pulgada de diá. orificio
Llenar el cuerpo de agua; aplicar presión de prueba, cuando el líquido de fuga se ha estabilizado recogerlo en una bureta durante al menos 3 minutos.
VI
Aire ó nitrógeno a la presión diferencial de trabajo ó 3,5 bar, la que sea menor.Las burbujas por min. y ml/min. de la tabla VI.
Las burbujas se medirán usando un tubo de 5,7mm.diámetro interior sumergido perpendicular en agua entre 3-6 mm
(1) Los valores (en %) son una indicación aproximada del % de la capacidad nominal de la válvula ó Cv. No coinciden con las tablas que establece la norma.
La fuga depende de:
- La presión diferencial. - La densidad del fluido. - La viscosidad absoluta.
Esta tabla da los valores de fuga para una Clase- IV en función de los Cv nominales de cada válvula que se trate. (Consultar siempre la última versión de la norma)
Otro factor decisivo para minimizar la fuga es determinar con sumo cuidado el esfuerzo adicional de asentamiento que debe proporcionar el actuador en el momento del cierre. Es muy significativo que los valores de fuga decrecen cuando conseguimos un esfuerzo de asentamiento que llegue al punto de deformación del material “yield point” del material.
Es por tanto muy importante calcular los actuadores para que den este esfuerzo, tanto si son “aire cierra” como si son “muelle cierra”. Esta fuerza adicional debe ser una carga libre en la zona de contacto, una vez vencida cualquier otra resistencia ó fricción que tanga la válvula en guías, estopada, además de la presión diferencial.
Estanqueidad exterior: Juntas y Estopadas
Junta tapa-cuerpo En las válvulas de tipo globo con vástago alternativo, la junta tapa-cuerpo sella esta unión. Debe elegirse teniendo en cuenta las condiciones de presión y Tª. Normalmente son espiro metálicas.
Estopadas Cualquiera que sea el tipo de válvula, lineal ó rotativa, la zona de salida del vástago irá sellada a fin de anular la saluda de producto. Las características exigibles a una buena estopada son:
-Buen cierre -Fácil sustitución -Baja fricción. -Resistente al fluido.
-Que no sea abrasiva. -Resistente a la temperatura. -Larga vida. -Mejor si es auto ajustable.
Lo normal es la empaquetadura con anillos de teflón que puede ser puro ó con fibras (Kevlar, Aramida,....) no amianto. También se pueden poner anillos de grafito que introducen mucha fricción.
Para mejorar el sellado se pueden añadir juntas tóricas en el casquillo apriete de la estopada consiguiéndose excelentes estanqueidades. Las tóricas pueden ser de Viton, EPDM, Fluorosilicone, Fluorocarbon, Kalrez, etc.
Cada fabricante diseña la altura de sus tapas y el diámetro de los vástagos. En función de esto se coloca la empaquetadura. Se ha comprobado que aumentar el número de anillos no mejora proporcionalmente la estanqueidad. Los tres primeros anillos son los que se comprimen, a partir del cuarto-quinto apenas hay deformación, por lo que serían innecesarios. Esto dependerá de la evolución técnica que aporten los fabricantes de estopadas.
A fin de mantener una presión de apriete controlada y constante sin tener que acudir a aprietes que pueden perjudicarla, se añaden resortes, bien en el casquillo ó en los tornillos de apriete. Hay varias posibilidades. .
Para fluido peligroso, ligero y con posibilidades de evaporarse fácilmente, se usan fuelles de estanqueidad. Los fuelles se fabrican de acero inoxidable, Monel, Hastelloy, etc.
Sistemas de doble estopada serán aconsejables con un anillo intermedio distanciador que permiten el montaje de un “leak-off” para extraer la posible fuga y conducirla aun circuito cerrado ó bien hacer una presurización, normalmente con agua a una presión mayor que el fluido de la válvula, Esto se hace en algunas válvulas que trabajan a vacío.
4- ACTUACION Y POSICIONADORES
- Tipos de Actuadores
Básicamente podríamos hacer la siguiente clasificación:
Lineales Simple Efecto
Neumáticos
Rotativos Doble Efecto
Eléctricos (Lineales / Rotativos)
Hidráulicos – (Lineales / Rotativos)
- Actuadores neumáticos
En general, y a fin de cumplir exigencias de posición segura por fallo del fluido motor, la mayoría de los actuadores son de simple efecto y de ellos, el mayor número, corresponde a los actuadores neumáticos de membrana resorte. Solamente para grandes tamaños y/o grandes esfuerzos y carreras se usan los pistones neumáticos.
Los actuadores de membrana resorte responden al los diseños que aparecen en la figura siguiente.
Actuadores neumáticos de columnas ó fundidos, con uno ó varios resortes.
Estos actuadores neumáticos, por lo general construidos por el propio fabricante de las válvulas, son unidades sencillas, económicas y fiables. De fácil comprensión y mantenimiento. Tienen además excelentes prestaciones de regulación no siendo desplazados aún por ningún otro diseño.
Un actuador neumático en servicio, debe ser lo suficientemente fuerte para:
1. Soportar los esfuerzos dinámicos que produce por el fluido al circular por la válvula. 2. Los esfuerzos estáticos en el momento de cierre y además de responder
adecuadamente a la señal de control, en tiempo y precisión, venciendo todos los esfuerzos de rozamiento mecánico existentes en el trim, vástago, estopada y los del propio actuador.
Los factores a tener en cuenta en el cálculo son
a-Área efectiva de membrana (ó diámetro del pistón) b-Carrera.
c-Gama del resorte (teórica). Constante del resorte (rigidez) d-Presión de accionamiento necesaria
a)- Área efectiva El área efectiva depende del plato soporte, del diafragma, de la carrera del servo y, en menor medida, de la deformación de la membrana a lo largo de su desarrollo.
b
)- Carrera. Los diseños más modernos buscan áreas prácticamente constantes y así los esfuerzos útiles serán más uniformes.c)-Gama de resorte La gama teórica se define como la “diferencia de presión que hay que aplicar – en vacío- a un actuador para que realice la carrera completa de la válvula”. Es la diferencia entre la presión teórica final menos la presión teórica inicial.
Hasta hace pocos años, la presión teórica inicial era de 3 psi. (0,21 kg/cm2) valor a partir del cual empezaba a moverse el vástago, siendo la presión teórica final de 15 psi. En la actualidad los nuevos actuadores neumáticos trabajan con gamas distintas a la inicial 3-15 psi pudiendo verse especificadas por los fabricantes gamas 3 – 9; 6 – 24; 11 – 30; etc.
Ajuste del resorte. Hay actuadores que permiten, mediante un tornillo tensor, ajustar el resorte a fin de desplazar a conveniencia el valor de presión inicial ó final. La gama standard sólo sirve para mover el diafragma de una presión a otra sin producir fuerza adicional para contrarrestar las fuerzas de desequilibrio.
Un actuador debe ser lo suficientemente rígido para que la válvula sea estable en toda su carrera. Esta estabilidad exige que las variaciones de esfuerzos sobre el obturador sean menores que la variación de fuerza del actuador, cuando estas actúan en el mismo sentido, es decir, que el actuador pueda con la válvula.
Las válvulas no equilibradas de globo simple asiento pueden ser estables cuando el fluido tiende a abrir el obturador. No lo son tanto cuando con el fluido tiende a cerrar. Hay que estudiar con mucho cuidado la selección del actuador en este caso.
d)-Presión de accionamiento. Es la presión de aire necesario, no solo para mover el vástago sino también para conseguir del actuador toda la fuerza que requiera la válvula. La presión de alimentación depende de:
-Esfuerzo de asentamiento para garantizar el grado de estanqueidad obturador asiento requerido (Clase III-IV-V-VI)
-Fricción de estopada, resistencias mecánicas.
-Fuerzas de desequilibrio: esfuerzos estáticos y dinámicos del fluido. -Gama final del resorte
Muy raras veces esta presión de alimentación alcanza la presión de la línea de instrumentos que suele estar en los 6-7 kg/cm2. La presión de alimentación necesaria la fija el fabricante en función de los anteriores factores.
Acción del actuador. Se consideran las siguientes:
Acción directa ---Con Aire Cierra ---Normalmente vástago baja.
Acción inversa---Con Aire Abre --- “ vástago sube.
El esfuerzo de asentamiento es la carga adicional que comprime el obturador contra el asiento sin contar el efecto del fuelle si lo tuviere. Se requiere esta fuerza adicional para conseguir la estanqueidad especificada.
Hay que valorar la fricción de la estopada y todas las resistencias mecánicas. Los esfuerzos de rozamiento por fricción de la estopada que se puede considerar dependen del tipo de estopada y diámetro del vástago fundamentalmente. La tabla siguiente da estos valore para cálculos sencillos.
Diámetro vástago obturador Estopada de PTFE Estopada de grafito ½” (válvulas hasta 4” aproximadamente) 15 lb. 75 lb ¾” (válvulas 4-10” aproximadamente) 32 lb. 160 lb
Las estopadas de grafito tienen una mayor fricción que hay que tener en cuenta al dimensionar el actuador.
Fuerzas de desequilibrio, esfuerzos estáticos y dinámicos. De una parte la circulación del fluido ejerce unos esfuerzos sobre el trim cuya resultante depende del tipo, diseño y sentido de circulación. De otra parte habrá una componente estática a válvula cerrada. Todas ellas deben ser vencidas y soportadas establemente por el actuador.
-
Cilindros neumáticos.Los cilindros ó pistones pueden ser de simple ó doble efecto. Se usarán cuando necesitamos grandes carreras, superiores a 100mm., combinadas con esfuerzos de importantes y velocidades de operación altas.
Los pistones requieren vástagos adecuados, resistentes al pandeo cuando sean carreras largas. Suelen trabajar a presiones de alimentación mayores para poder usar menores diámetros que los de membrana-resorte. Esto hace que los segmentos de cierre del pistón deban ser totalmente estancos y compatibles con aire seco, sin nada de grasa lubricante.
Los cilindros de doble efecto requieren un posicionador de doble salida. No garantizan la posición por fallo de aire salvo que se ponga un tanque auxiliar de aire con una capacidad tal que permita una ó dos maniobras a fin de garantizar que por fallo de aire la válvula vaya a una posición segura previamente fijada.
- Actuadores para válvulas rotativas.
La primera solución adoptada fue seguir usando los actuadores lineales conocidos y transformar, mediante una palanca, el movimiento lineal en un ángulo de giro. Esta solución, tiene el inconveniente que se aumenta los rozamientos en el eje del actuador que actúa sobre el árbol de la válvula, el cual trabaja como una viga empotrada en un extremo, (sobre todo en válvulas de mariposa con eje partido) lo que se traduce en mayores holguras mecánicas en zona de estopada y también en todas las articulaciones. Todo ello conduce a lo más indeseable en una válvula de control: la banda muerta.
Diseño antiguo Diseño más moderno
Posteriormente se han desarrollado actuadores lineales con membrana desenrolladle y vástago oscilante que transfiere toda su fuerza directamente al árbol sin fricciones con menos articulaciones intermedias. Nótese también que el eje de la mariposa es de una pieza y va completamente apoyado y guiado en tres puntos. Estos diseños se usan en válvulas de mariposa y sector de bola con excelentes Cv ratio (rageability), superiores a 100:1.
-Pistones rotativos
Hay numerosos diseños que fueron usados inicialmente en válvulas on-off. De todas formas no deberían usarse actuadores todo-nada para convertirlos en modulantes sólo por la adicción de un posicionador. El actuador de control, de cualquier tipo que sea, debe estar concebido “para control”. Lo importante es analizar cómo es el esfuerzo de par que se obtiene sobre el árbol de la válvula y por otro lado el nivel de fricción y holguras que pueden tener.
Los pistones, como puede verse en la figura dan esfuerzos más altos, aunque pueden variar a lo largo de la carrera según se el diseño de la articulación. La fricción es también alta, en general debido a los rozamientos del vástago y pistón. Las articulaciones darán lugar a más holguras con el tiempo. Lo deseable es conseguir un esfuerzo lo más uniforme a lo largo de la carrera con la mínima fricción. Esfuerzo y fricción en actuadores de pistón :
- Actuadores Eléctricos
El motor eléctrico puede ser de cualquier tipo aunque sean más frecuentes de corriente alterna. Para potencias y esfuerzos pequeños pueden ser monofásicos; permiten una inversión de giro más
simple sin contactores. A partir de aquí se usarán trifásicos con un inversor, mejor estático, para que girando a derecha e izquierda, haga subir o bajar el vástago de la válvula. Este arrancador inversor puede ir localmente sobre el actuador ó en el centro de control de motores.
El sistema de reducción consta de una corona dentada conectada a un tornillo sin fin que recibe el movimiento – reducido- del motor. Un mismo modelo / tamaño de actuador puede equipar varios juegos de reductores con distintas relaciones de transmisión, con lo que al final se consiguen el par y las velocidades requeridasen el vástago. La corona y el sinfín se mecanizan con un perfil de rosca adecuada a latransmisión de potencia, normalmente rosca ACME del tipo trapecial métrica u otros perfiles similares.
El giro de la corona se transforma en movimiento lineal a través del vástago roscado. Hay que disponer de un sistema anti giro.
Limitador de par. Así como en un actuador todo-nada el motor se desconecta eléctricamente mediante el ajuste de dos micros de final de carrera, abierto / cerrado, en un servomotor eléctrico para control se desconectará el motor cuando haya transferido toda la fuerza necesaria de asiento al obturador para conseguir la calidad de cierre especificada, Clase III-IV-V....
Cuando la corona arrastra el husillo, este comprime el resorte del limitador de par hasta un punto previamente seleccionado en el que conmuta el final de carrera que para el motor. El fabricante de la válvula debe indicar cual es ese esfuerzo máximo necesario pues conoce su válvula y las necesidades de asentamiento. Debe obtenerse este esfuerzo necesario pero no mucho más, pues hay limitaciones en la resistencia mecánica de los vástagos u otros elementos de la válvula.
Actuador eléctrico y electrohidraulico
La operación de un actuador eléctrico para control se hará con una señal analógica, normalmente 4-20 mA., ó bien por un tren de impulsos. Si es con señal analógica esta deberá transformarse en una orden para hacer girar el motor a derecha ó izquierda.
Este transformador analógico a impulsos permite el ajuste del cero y del span (gama), como si de un posicionador electro neumático se tratase. Va alojado en el propio actuador.
Los actuadores eléctricos también pueden ser rotativos de cuarto de vuelta para actuar directamente válvulas rotativas como mariposas, bola e incluso rotary-plug.
Los actuadores electro hidráulicos para control constan de un depósito de aceite con bomba de presurización, su pistón hidráulico y los circuitos adecuados para desarrollar las prestaciones de regulación exigibles al servomotor.
Normalmente. Excepto para grandes esfuerzos ó para la actuación de varias válvulas al mismo tiempo, el depósito de aceite y la bomba están dentro de la misma carcasa del actuador.
El motor eléctrico actúa la bomba de aceite que la envía a un pistón de simple ó doble efecto. El extremo del vástago del pistón se acopla al de la válvula. Se consiguen grandes esfuerzos, de unos 5.000 kp. a una velocidad de 100 mm/seg.
El posicionador electro hidráulico, toma el movimiento del vástago y lo compara con la señal de mando (4-20 mA), enviando el aceite a la parte anterior ó posterior del pistón. Este tipo de actuadores se usan cuando no hay aire disponible, se precisan esfuerzos grandes en tamaños de válvula y también grandes carreras.
- Selección de Actuadores.
En la selección de actuadores se concretar lo siguiente: Neumático, eléctrico ó hidráulico.
Tipo: Simple / Doble efecto; Membrana resorte ó pistón. Presión de aire – aceite ó energía disponible.
Tamaño, en función del esfuerzo. Carrera. Tiempo de maniobra.
Posición por fallo de fluido motor ó fallo de señal. Accesorioos
Resumen de características
Ver tabla siguiente:Neumáticos de
diafragma-resorte
Neumáticos de pistón
Eléctricos / hidráulicos
-Simplicidad de diseño y
mantenimiento.
-Económicos.
-Válidos en general, hasta
100mm de carrera.
-No precisan clasificación
para áreas peligrosas.
-Buena respuesta dinámica
- Admiten muchos
accesorios.
-Mando manual simple.
-Garantizan posición segura
por fallo de aire
-Grandes esfuerzos.
-Más presión de
maniobra.
-Aptos para grandes
carreras.
-Más caros.
-Buena velocidad de
respuesta.
-Mando manual más
complejo, normalmente
hidráulico
-Garantizan posición
segura por fallo de aire
Para lugares aislados
donde no hay aire.
-Grandes esfuerzos y
carreras.
-Sólo en algunos diseños,
los eléctricos, y para
tamaños muy pequeños
pueden ir a posición
segura.
-Necesitan protección
eléctrica en áreas
peligrosas.
-Respuesta más lenta, en
los eléctricos.
-Precio elevado
-Mantenimiento costoso
- Posicionadores
Las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula influyen en la posición del vástago y hacen que el control (respuesta) pueda ser imprevista.
Estas fuerzas son:
1 Estáticas y dinámicas del fluido sobre el trim. Dependen de la delta-p de trabajo y porcentaje de carrera.
2 Rozamientos en empaquetadura, guiado e incluso los del propio actuador, según diseños. Todas estas fuerzas se compensan con el posicionador que actúa como un controlador proporcional de posición con un punto de consigna variable, (señal) procedente del controlador. Con el posicionador verificamos, mediante la toma de movimiento mecánica del vástago, que la válvula se posicione en el lugar que al % de señal le corresponde. Así tendremos la seguridad de seguir las demandas del controlador. Si no se alcanza esa posición del vástago, el relé neumático aumenta ó disminuye su presión de salida hacia la cámara del actuador hasta que lo consigue. Además, a final de escala, si el actuador es directo, el posicionador transfiere al actuador toda la presión de alimentación que el fabricante haya recomendado para cada válvula en particular, normalmente muy por encima de la tensión final del resorte. Esta presión de alimentación debe figurar en la placa de características de cada válvula. Se ajusta con el reductor alimentación aire de instrumentos.
Principio de funcionamiento de un Pos. electro neumático básico
Los posicionadores electro neumáticos reúnen en un solo aparato la función convertidora y posicionamiento de la válvula. En el esquema básico adjunto se ve cómo las variaciones de señal que llegan a la bobina, comparadas con el movimiento del vástago a través del resorte de equilibrio, liberan más ó menos aire en el sistema lengüeta-tobera y esto, amplificado por el relé neumático se trasforma en una señal de salida hacia el actuador. [ Ahora, además del clásico sistema lengüeta-tobera, se usan también micro válvulas, spool, relés, etc.]
Los posicionadores no sólo compensan los esfuerzos antes mencionados si no que, actuando como amplificadores de caudal de aire al actuador y reducen el tiempo de maniobra con lo que se mejora la respuesta de control.
El empleo de posicionadores hoy está generalizado pero es necesario en lazos de control de temperatura, donde hay más inercia y son procesos con reacciones lentas.
También son necesarios en lazos de rango partido aunque ahora también se hacen desde el sistema de control.
Los posicionadores pueden ser de acción directa ó inversa, es decir:
Directos: Incrementos de señal de entrada producen incremento señal de salida neumática hacia el actuador.
Inversos: Incrementos de señal de entrada producen disminución en la salida neumática. En los sistemas electrónicos actuales, la inversión de señal es posible hacerla en la salida del controlador. En general es mejor que todos los posicionadores sean directos para que el instrumentista trabaje siempre, a pie de válvula, con señales crecientes.
Operación de una válvula con actuador y posicionador
Consideremos una señal de control 4-20 mA. para gobernar una válvula mediante un actuador tipo membrana-resorte con acción “aire cierra”, a través de un posicionador electroneumático.
La señal 4-20 mA. vence la tensión del resorte en toda su gama, por ejemplo si el actuador tiene 3-15 psi de rango, empezará a moverse con 4 mA. y terminará con 20 mA. y una señal de salida neumática de 15 psi.
4 mA
20 mA
3 psi Tensión inicial 15 psi Tensión final
