Fisher GUÍA DE VÁLVULAS DE CONTROL (Control Valve Handbook) (Spanish) Manuals & Guides [es]
GUÍA DE VÁLVULAS
DE CONTROL
Quinta edición
Emerson Automation Solutions
Flow Controls
Marshalltown, Iowa 50158 EE UU
Sorocaba, 18087 Brasil
Cernay, 68700 Francia
Dubái, Emiratos Árabes Unidos
Singapore 128461, Singapur
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D101881X0ES
Prefacio
Las válvulas de control son componentes de creciente importancia en la fabricación
moderna de todo el mundo. Las válvulas de control, si se eligen y mantienen de manera
adecuada, incrementan la eciencia, la seguridad, la rentabilidad y el respeto por el medio
ambiente.
La Guía de válvulas de control ha sido una referencia fundamental desde su primera
impresión en 1965. La quinta edición presenta información esencial sobre las prestaciones
de las válvulas de control y las últimas tecnologías.
El Capítulo 1 contiene una introducción a las válvulas de control y deniciones de la
terminología habitual referida a válvulas e instrumentos de control.
El Capítulo 2 desarrolla el tema fundamental de las prestaciones de las válvulas de
control.
El Capítulo 3 trata sobre los tipos de válvulas y actuadores.
El Capítulo 4 describe controladores de válvula digitales, posicionadores analógicos,
amplicadores y otros accesorios de válvulas de control.
El Capítulo 5 es una guía detallada para la selección de la mejor válvula de control para
una aplicación.
El Capítulo 6 trata sobre la elección y el uso de válvulas de control especiales.
El Capítulo 7 contiene explicaciones sobre atemperadores, válvulas de
acondicionamiento de vapor y sistemas de bypass de turbinas.
El Capítulo 8 detalla los procedimientos típicos de instalación y mantenimiento de
válvulas de control.
El Capítulo 9 contiene información acerca de las normas sobre válvulas de control y los
organismos de homologación de todo el mundo.
El Capítulo 10 permite identicar las válvulas y actuadores de aislamiento.
El Capítulo 11 versa sobre la automatización discreta.
El Capítulo 12 trata sobre los distintos sistemas instrumentados de seguridad de
procesos.
El Capítulo 13 contiene útiles tablas de datos de consulta técnica.
El Capítulo 14 contiene datos de consulta sobre tuberías.
El Capítulo 15 es un práctico recurso para conversiones habituales.
La Guía de válvulas de control es tanto un libro de texto como de consulta sobre el
eslabón más fuerte del bucle de control: la válvula de control y sus accesorios. La guía
contiene conocimientos amplios y demostrados de grandes expertos en el campo de
control de procesos, incluidas las contribuciones de ISA.
Índice
Guía de válvulas de control | Índice
Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control ..................................14
1.1 ¿Qué es una válvula de control?...................................................................15
1.2 Terminología referente a la válvula de control de vástago deslizante ...........15
1.3 Terminología referente a la válvula de control rotativa .................................21
1.4
Terminología referente a funciones y características de las válvulas de control
...........23
1.5 Terminología del control de procesos ..........................................................25
Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control ...................................32
2.1 Variabilidad de procesos ..............................................................................33
2.1.1 Banda muerta ..........................................................................................................35
2.1.1.1 Causas de la banda muerta ............................................................................................. 35
2.1.1.2 Efectos de la banda muerta ............................................................................................. 36
2.1.1.3 Pruebas de prestaciones ................................................................................................. 36
2.1.1.4 Fricción ........................................................................................................................... 36
2.1.2 Diseño de actuador y posicionador ...........................................................................37
2.1.3 Tiempo de respuesta de las válvulas .........................................................................38
2.1.3.1 Tiempo muerto ............................................................................................................... 38
2.1.3.2 Tiempo dinámico ............................................................................................................ 39
2.1.3.3 Soluciones ....................................................................................................................... 40
2.1.3.4 Presión de suministro ...................................................................................................... 40
2.1.3.5 Reducción del tiempo muerto .......................................................................................... 41
2.1.3.6 Tiempo de respuesta de las válvulas .................................................................................41
2.1.4 Tipo y caracterización de válvulas.............................................................................42
2.1.4.1 Ganancia instalada ......................................................................................................... 43
2.1.4.2 Ganancia de bucle ........................................................................................................... 44
2.1.4.3 Optimización de procesos ................................................................................................ 45
2.1.5 Dimensionamiento de válvulas ................................................................................46
2.2 Resultados económicos ...............................................................................47
2.3 Resumen .....................................................................................................48
Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores ............................................50
3.1 Estilos de válvula de control ........................................................................51
3.1.1 Válvulas de globo ..................................................................................................... 51
3.1.1.1 Cuerpos de válvula de puerto único ................................................................................. 51
3.1.1.2 Cuerpos de válvulas guiadas por poste y puerto ............................................................... 52
3.1.1.3 Cuerpos de válvula de estilo jaula .................................................................................... 52
3.1.1.4 Cuerpos de válvula de puerto doble ................................................................................. 53
3.1.1.5 Cuerpos de válvula de tres vías......................................................................................... 53
3.1.2 Válvulas sanitarias ................................................................................................... 54
3.1.3 Válvulas rotativas..................................................................................................... 54
3.1.3.1 Cuerpos de válvula de mariposa ...................................................................................... 54
3.1.3.2 Cuerpos de válvula de bola segmentada .......................................................................... 55
3.1.3.3 Cuerpos de válvula de mariposa de altas prestaciones ......................................................55
5
Guía de válvulas de control | Índice
3.1.3.4 Cuerpos de válvula de obturador excéntrico ..................................................................... 56
3.1.3.5 Cuerpos de válvula de bola de puerto completo ...............................................................57
3.1.3.6 Válvula multipuerto ........................................................................................................ 57
3.2 Conexiones de terminales de válvula de control ..........................................57
3.2.1 Tubos roscados atornillados ..................................................................................... 57
3.2.2 Bridas con empaquetadura empernadas .................................................................. 58
3.2.3 Conexiones nales soldadas ..................................................................................... 58
3.2.4 Otras conexiones de terminales de válvula ...............................................................59
3.3 Bonetes de cuerpo de válvula ......................................................................59
3.3.1 Bonetes de extensión ...............................................................................................60
3.3.2 Bonetes con fuelle de estanqueidad .......................................................................... 61
3.4 Empaquetadura de la válvula de control ......................................................61
3.4.1 Anillo en V de PTFE ................................................................................................... 62
3.4.2 Grato laminado y en lamento ...............................................................................62
3.4.3 Normativa estadounidense sobre emisiones fugitivas ............................................... 62
3.4.4 Normas globales sobre emisiones fugitivas ...............................................................63
3.4.5 Empaquetadura de anillo en V de PTFE único ............................................................ 65
3.4.6 Empaquetadura ENVIRO-SEAL PTFE ..........................................................................65
3.4.7
Empaquetadura ENVIRO-SEAL Duplex ..................................................................................67
3.4.8 Empaquetadura ISO-Seal PTFE ................................................................................. 67
3.4.9 ENVIRO-SEAL Graphite ULF ....................................................................................... 67
3.4.10 HIGH-SEAL Graphite ULF ........................................................................................ 67
3.4.11 Empaquetadura ISO-Seal Graphite ............................................................................. 67
3.4.12 ENVIRO-SEAL Graphite para válvulas rotativas ........................................................67
3.4.13 Cinta de grato para válvulas rotativas ..................................................................67
3.4.14
Selección de empaquetaduras medioambientales para vástago deslizante .......................67
3.4.15
Selección de empaquetaduras medioambientales para válvulas rotativas ..................... 69
3.5 Caracterización de cuerpos de válvula guiados por jaula ..............................69
3.6 Guía del obturador de la válvula ..................................................................70
3.7
Internos de capacidad restringida de la válvula de control ......................................... 70
3.8 Actuadores .................................................................................................71
3.8.1 Actuadores de diafragma ......................................................................................... 71
3.8.2 Actuadores de pistón ............................................................................................... 72
3.8.4 Actuadores de cremallera y piñón ............................................................................ 73
3.8.5 Actuadores eléctricos ............................................................................................... 73
Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control ......................................74
4.1 Consideraciones medioambientales y sobre la aplicación ............................75
4.2 Posicionadores ............................................................................................75
4.2.1 Posicionadores neumáticos ...................................................................................... 75
4.2.2 Posicionadores I/P analógicos ..................................................................................76
4.2.3 Controladores de válvula digitales ............................................................................ 77
4.2.3.1 Diagnósticos ................................................................................................................... 77
4.2.3.2 Comunicación digital bidireccional .................................................................................. 78
4.3 Transductores I/P ........................................................................................78
6
Guía de válvulas de control | Índice
4.4 Amplicadores de caudal ............................................................................78
4.5 Sistemas instrumentados de seguridad (SIS) ...............................................80
4.5.1 Prueba de recorrido parcial ......................................................................................80
4.6 Controladores .............................................................................................81
4.7 Transmisores de posición ............................................................................83
4.8 Interruptores limitadores ............................................................................83
4.9 Electroválvulas ............................................................................................83
4.10 Sistemas de desconexión ..........................................................................84
4.11 Volantes ....................................................................................................84
Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control ........................... 86
5.1 Medidas de la válvula de control .................................................................88
5.1.1
Medidas de supercie a supercie de válvulas de control de estilo globo con brida ...............
5.1.2
Medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con extremo de soldadura a tope
5.1.3
Medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con extremo de soldadura por enchufe
5. 1. 4 Medidas de superficie a superficie de válvulas de estilo globo con extremo atornillado .................. 92
5.1.5
Medidas de supercie a línea central de válvulas de ángulo de estilo globo con supercie elevada
5.1.6
Medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con brida separable
5.1.7
Medidas de supercie a supercie para válvulas rotativas con y sin brida (excepto de mariposa)
5.1.8 Medidas de supercie a supercie de válvulas de mariposa de brida simple
(tipo orejeta) y sin brida (tipo oblea) ................................................................................. 94
5.1.9 Medidas de supercie a supercie de válvulas de mariposa de presión alta
con diseño excéntrico ........................................................................................................ 94
...............91
.............92
5.2 Clasicaciones de fuga del asiento de válvula de control ..............................95
5.3 Fuga del asiento máxima permitida de clase VI ............................................96
5.4 Características de ujo de la válvula de control ............................................96
5.4.1 Características de ujo ............................................................................................. 96
5.4.2 Selección de características de ujo ..............................................................................97
5.5
Dimensionamiento de válvula ................................................................................ 97
5.7 Constantes de ecuación ..............................................................................99
5.8 Dimensionamiento de válvulas para líquidos .............................................100
5.8.1 Cálculo del factor de corrección por geometría de la cañería (FP) y el factor de
recuperación de presión del líquido (F
5.8.2 Determinar la caída de presión que utilizar para el dimensionamiento (∆P
5.8.3 Cálculo del coeciente de ujo requerido (Cv) .......................................................... 101
5.8.4 Problema de ejemplo de dimensionamiento de líquido ...........................................102
) ajustado para los racores ................................... 100
LP
) ........... 101
sizing
5.9 Dimensionamiento de válvulas para uido compresibles ...........................104
5.9.1 Cálculo del factor de corrección por geometría de la cañería (FP ) y el factor de
relación de caída de presión (x
5.9.2 Cálculo de la relación de caída de presión para el dimensionamiento (x
y el factor de expansión (Y) ............................................................................................. 105
5.9.3 Cálculo del coeciente de ujo (Cv) ......................................................................... 105
5.9.4 Problema de ejemplo de dimensionamiento de uido compresible núm. 1 .............. 106
5.9.5 Problema de ejemplo de dimensionamiento de uido compresible núm. 2 .............. 107
) en el ujo estrangulado con racores conectados ........... 105
TP
sizing
)
88
............ 90
.............. 93
............93
7
Guía de válvulas de control | Índice
5.10 Coecientes de dimensionamiento representativos ................................109
5.10.1 Coecientes de dimensionamiento representativos para cuerpos de válvula de
estilo globo de puerto único ............................................................................................ 109
5.10.2 Coecientes de dimensionamiento representativos para válvulas rotativas ...........110
5.11 Dimensionamiento del actuador .............................................................111
5.11.1 Válvulas de globo ................................................................................................. 111
5.11.1.1 Fuerza de desbalance (A) ............................................................................................. 111
5.11.1.2 Fuerza necesaria para proporcionar la carga del asiento (B) .........................................112
5.11.1.3 Fricción de la empaquetadura (C) ................................................................................ 112
5.11.1.4 Fuerzas adicionales (D) ................................................................................................ 112
5.11.2 Cálculos de fuerza del actuador ............................................................................ 114
5.12 Dimensionamiento del actuador para válvulas rotativas ..........................114
5.12.1 Ecuaciones de par ................................................................................................ 114
5.12.2 Par de arranque ................................................................................................... 114
5.12.3 Par dinámico .......................................................................................................114
5.13 Factores de par de válvula rotativa típicos................................................115
5.13.1 Factores de par para la válvula de bola con muesca en V con junta compuesta ...............115
5.13.2
Factores de par para la válvula de mariposa de alto rendimiento con junta compuesta ...............115
5.13.2.1 Rotación máxima ........................................................................................................ 115
5.14 Cavitación y vaporización ........................................................................116
5.14.1 Flujo estrangulado como causa de la vaporización y la cavitación ......................... 116
5.14.2 Selección de válvula para el servicio en condiciones de vaporización ..................... 117
5.14.3 Selección de válvula para el servicio en condiciones de cavitación .........................118
5.15 Predicción de ruido .................................................................................118
5.15.1 Aerodinámico ...................................................................................................... 118
5.15.2 Hidrodinámico ..................................................................................................... 120
5.16 Control de ruido ......................................................................................120
5.17 Resumen del ruido ..................................................................................123
5.18 Selección de empaquetadura ..................................................................124
5. 18 .1 Directrices para la selección de empaquetaduras de válvulas de vástago deslizante .......................125
5.18.2 Directrices para la selección de empaquetaduras de válvulas rotativas ..................126
5.19 Materiales del cuerpo de la válvula ..........................................................127
5.19.1 Designaciones de materiales comunes de cuerpo de válvula ................................. 129
5.20 Valores nominales de presión-temperatura .............................................130
5.20.1 Valores nominales de presión-temperatura para válvulas fundidas
ASTM A216 grado WCC de clase estándar ...................................................................... 130
5.20.2 Valores nominales de presión-temperatura para válvulas fundidas
ASTM A217 grado WC9 de clase estándar ....................................................................... 131
5.20.3 Valores nominales de presión-temperatura para válvulas fundidas
ASTM A351 grado CF3 de clase estándar .........................................................................132
5.20.4 Valores nominales de presión-temperatura para válvulas ASTM A351
grados CF8M y CG8M de clase estándar
(1) .................................................................................................................................133
5.21 Abreviaturas de material no metálico ......................................................135
5.22 Procedimientos de prueba no destructivos .............................................135
5.22.1 Evaluación (supercie) de partícula magnética .....................................................135
8
Guía de válvulas de control | Índice
5.22.2 Evaluación (supercie) de penetración de líquidos ................................................ 136
5.22.3 Evaluación (volumétrica) radiográca ..................................................................136
5.22.4 Evaluación (volumétrica) ultrasónica ...................................................................136
Capítulo 6: Válvulas de control especiales ...........................................138
6.1 Válvulas de control de alta capacidad ........................................................139
6.2 Válvulas de control de ujo bajo ................................................................140
6.3 Válvulas de control para temperaturas altas ..............................................140
6.4 Válvulas de servicio criogénico ..................................................................141
6.5 Válvulas expuestas a cavitación y uidos con material particulado .............142
6.6 Características personalizadas, reducción de ruido e internos de
mitigación de la cavitación ..............................................................................142
6.7 Válvulas de control para el servicio nuclear en EE.UU. ................................142
6.8
Válvulas expuestas al agrietamiento por tensiones en presencia de sulfuro
6.8.1 Revisiones anteriores a 2003 de NACE MR0175 ......................................................144
6.8.2 NACE MR0175/ISO 15156 ...................................................................................... 144
6.8.3 NACE MR0103 .......................................................................................................145
....143
Capítulo 7: Acondicionamiento de vapor ............................................146
7.1 Descripción de la atemperación ................................................................147
7.1.1 Aspectos técnicos de la atemperación ....................................................................147
7.2
Diseños típicos de atemperador ..................................................................................150
7.2.1
Diseño de boquilla de geometría ja .............................................................................150
7.2.2 Diseño de boquilla de geometría variable ............................................................... 151
7.2.3 Diseño autónomo .................................................................................................. 151
7.2.5 Diseño de oblea asistido por geometría .................................................................. 152
7.3 Descripción de las válvulas de acondicionamiento de vapor ......................... 153
7.4 Válvulas de acondicionamiento de vapor ...................................................153
7.4.1 Atemperador de vapor ...........................................................................................155
7.4.2 Rociador de vapor .................................................................................................. 155
7.6 Componentes del sistema de bypass de turbina ........................................156
7.6.1 Válvulas de bypass de turbina................................................................................. 156
7.6.2 Válvulas de control de agua de bypass de turbina ...................................................156
7.6.3 Accionamiento .......................................................................................................157
Capítulo 8: Instalación y mantenimiento .............................................158
8.1 Almacenamiento y protección adecuados .................................................159
8.2 Técnicas de instalación adecuadas ............................................................159
8.2.1 Lea el manual de instrucciones ...............................................................................159
8.2.2 Compruebe la limpieza del conducto ...................................................................... 159
8.2.4 Aplique prácticas recomendadas de canalización ...................................................160
8.2.5 Internos de puesta en servicio/hidro/cavitación ......................................................161
8.3 Mantenimiento de la válvula de control .....................................................161
9
Guía de válvulas de control | Índice
8.3.1 Mantenimiento reactivo ......................................................................................... 162
8.3.2 Mantenimiento preventivo ..................................................................................... 162
8.3.3 Mantenimiento predictivo ...................................................................................... 162
8.3.4 Uso de los diagnósticos de válvula de control ..........................................................162
8.3.4.1 Fuga de aire instrumental ..............................................................................................163
8.3.4.2 Presión de suministro .................................................................................................... 163
8.3.4.3 Desviación de la carrera y ajuste del relé ........................................................................163
8.3.4.4 Calidad del aire instrumental ......................................................................................... 164
8.3.4.5 Fricción en servicio y tendencias de fricción .................................................................... 164
8.3.4.6 Otros ejemplos ..............................................................................................................164
8.3.5
Desarrollo continuo de diagnósticos ........................................................................164
8.4 Servicio y piezas para la reparación ............................................................165
8.4.1 Repuestos recomendados ....................................................................................... 165
8.4.2 Uso de piezas del fabricante original del equipo
(OEM, Original Equipment Manufacturers) ...................................................................... 165
8.4.3 Considere actualizar los internos de la válvula ........................................................165
8.5
Mantenimiento del actuador ....................................................................... 165
8.5.1 Actuadores de diafragma y resorte ........................................................................ 165
8.5.2 Actuadores de pistón .............................................................................................166
8.5.3 Empaquetadura del vástago ..................................................................................166
8.5.4 Anillos del asiento .................................................................................................. 166
8.5.4.1 Sustitución de anillos del asiento ................................................................................... 166
8.5.4.2 Conexiones: Obturador a vástago, bola a echa y disco a echa ....................................167
8.5.5 Ajuste de banco .....................................................................................................167
8.5.6 Desplazamiento de válvula .....................................................................................167
Capítulo 9: Normas y homologaciones ................................................ 168
9.1 Normas referentes a las válvulas de control................................................169
9.1.1 American Petroleum Institute (API) (Instituto Estadounidense del Petróleo).............169
9.1.2 American Society of Mechanical Engineers (ASME)
(Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos) ....................................................... 169
9.1.3 European Committee for Standardization (CEN)
(Comité Europeo de Normalización) ................................................................................ 169
9.1.3.1 Estándares europeos de válvulas industriales ................................................................. 169
9.1.3.2 Estándares de material europeos ................................................................................... 170
9.1.3.3 Estándares europeos de bridas ...................................................................................... 170
9.1.4 Fluid Controls Institute (FCI) (Instituto de Control de Fluidos) .................................. 170
9.1.5
Instrument Society of America (ISA) (Sociedad Estadounidense de Instrumentación)
9.1.6 International Electrotechnical Commission (IEC) (Comisión Electrotécnica
Internacional) .................................................................................................................171
9.1.7 Manufacturers Standardization Society (MSS) (Sociedad de Fabricantes para la
Normalización) ...............................................................................................................171
9.1.8 NACE International ................................................................................................. 172
9.2 Homologaciones de producto para zonas peligrosas (clasicadas) ............172
9.2.1 Homologaciones y deniciones de zonas peligrosas ................................................172
9.3 Sistemas de clasicación ...........................................................................172
10
.... 170
Guía de válvulas de control | Índice
9.3.1 Sistema de clases/divisiones ................................................................................... 172
9.3.2 Sistema de zonas ................................................................................................... 173
9.3.3 Grupos de equipos .................................................................................................174
9.3.4 Subgrupos de equipos ............................................................................................174
9.3.4.1 Grupo II (conocido habitualmente como “grupo del gas”) ..............................................174
9.3.4.2 Grupo III (conocido habitualmente como “grupo del polvo”) .......................................... 174
9.3.5 Tipo de protección .................................................................................................175
9.3.5.1 Equipo eléctrico ............................................................................................................. 175
9.3.5.2 Equipo no eléctrico ........................................................................................................ 176
9.3.6 Grado de protección ...............................................................................................177
9.3.7 Grado de protección de equipos (EPL, Equipment Protection Level) .........................177
9.4 Código de temperaturas ...........................................................................178
9.5 Nomenclatura ...........................................................................................179
9.5.1 Sistema de clases/divisiones ................................................................................... 179
9.5.2 Sistema de zonas ................................................................................................... 179
9.5.3 Prácticas de cableado .............................................................................................179
9.5.4 Unión Europea (UE) - Directiva ATEX 2014/34/EU ................................................... 179
9.6 Técnicas y métodos de protección ............................................................180
9.6.1 Técnica a prueba de explosiones o de incendios ...................................................... 181
9.6.2 Técnica intrínsecamente segura ............................................................................. 181
9.6.3 Técnica no inamable (o de tipo N) ........................................................................182
9.6.4 Seguridad incrementada ........................................................................................ 182
9.6.5 A prueba de ignición de polvo o envolvente a prueba de polvo.................................182
9.7 Calicaciones de envolventes ....................................................................183
Capítulo 10: Válvulas de aislamiento .................................................. 186
10.1 Tipos básicos de válvula ..........................................................................187
10.1.1 Válvulas de compuerta ......................................................................................... 187
10.1.2 Válvulas de globo ................................................................................................. 188
10.1.3 Válvulas de retención ...........................................................................................191
10.1.4 Válvulas de derivación ..........................................................................................192
10.1.6 Válvula de pinzamiento ........................................................................................193
10.1.7 Válvulas de bola ................................................................................................... 194
10.1.8 Válvulas de mariposa ...........................................................................................194
10.1.9 Válvulas de obturación .........................................................................................195
Capítulo 11: Electroválvulas ................................................................210
11.1 Electroválvulas ........................................................................................211
Capítulo 12: Sistemas instrumentados de seguridad ...........................214
12.1 Seguridad y niveles de protección ...........................................................215
12.2 Sistemas instrumentados de seguridad (SIS) ...........................................216
12.3 Normas de seguridad ..............................................................................217
12.4 Nivel de integridad de seguridad (SIL) .....................................................217
11
Guía de válvulas de control | Índice
12.5 Probabilidad de fallo en demanda ...........................................................218
12.6 Elementos nales, pruebas de evaluación y técnicas de prueba
de recorrido parcial ............................................................................................ 219
12.7 Prueba de recorrido parcial ........................................................................ 219
12.8 Métodos de prueba en línea para el elemento nal ..................................220
12.9 Uso de un controlador de válvula digital para la prueba de
recorrido parcial ..............................................................................................220
12.10 Sistema de protección de presión de alta integridad (HIPPS) .................221
12.11 Funcionalidad del HIPPS .......................................................................221
12.12 Requisitos de prueba .............................................................................221
Capítulo 13: Datos de ingeniería .........................................................224
13.1 Especicaciones estándar para materiales de válvula de retención
de presión .......................................................................................................225
13.2 Propiedades de material de válvula para componentes de
retención de presión ......................................................................................232
13.3 Constantes físicas de hidrocarburos ........................................................234
13.4 Relación caloríca especíca (k) ..............................................................237
13.5 Constantes físicas de varios uidos ..........................................................238
13.6 Refrigerante 717 (Amoníaco) Propiedades del líquido y del vapor
saturado .........................................................................................................240
13.7 Propiedades del agua ..............................................................................247
13.8 Propiedades del vapor saturado ..............................................................248
13.9 Propiedades del vapor sobrecalentado ....................................................257
Capítulo 14: Datos de canalización ...................................................... 266
14.1 Conexión de conducto ............................................................................267
14.2 Aleación de acero al carbono - Acero inoxidable ......................................267
14.3 Medidas estadounidenses de brida de conductos ....................................275
14.3.1 Diámetro de círculos de perno .............................................................................275
14.3.2 Número de pernos prisioneros y diámetro ............................................................276
14.3.3 Diámetro de brida ................................................................................................277
14.3.4 Grosor de brida para racores de brida ................................................................... 278
14.4 Estándares de brida de acero fundido ......................................................280
14.4.1 Estándares de brida de acero fundido para PN 10 ................................................. 280
14.4.2 Estándares de brida de acero fundido para PN 16 ................................................. 281
14.4.3 Estándares de brida de acero fundido para PN 25 ................................................. 282
14.4.4 Estándares de brida de acero fundido para PN 40 ................................................. 283
14.4.5 Estándares de brida de acero fundido para PN 63 ................................................. 284
14.4.6 Estándares de brida de acero fundido para PN 100 ............................................... 284
14.4.7 Estándares de brida de acero fundido para PN 160 ............................................... 285
12
Guía de válvulas de control | Índice
14.4.8 Estándares de brida de acero fundido para PN 250 ............................................... 285
14.4.9 Estándares de brida de acero fundido para PN 320 ............................................... 286
14.4.10 Estándares de brida de acero fundido para PN 400 ............................................. 286
Capítulo 15: Conversiones y equivalencias ..........................................288
15.1 Equivalencias de longitud ........................................................................289
15.2 Equivalencias de pulgada entera a milímetro ...........................................289
15.3 Equivalencias de fracción de pulgada a milímetro ....................................290
15.4 Equivalencias adicionales de fracción de pulgada a milímetro ..................291
15.5 Equivalencias de área ..............................................................................293
15.6 Equivalencias de volumen .......................................................................293
15.7 Equivalencias de índice de volumen .........................................................293
15.8 Conversión de masa - Libras a kilogramos ................................................294
15.9 Equivalencias de presión .........................................................................294
15.10 Conversión de presión - Libras por pulgada cuadrada a bar ....................295
15.11 Formulas de conversión de temperatura ...............................................296
15.12 Conversiones de temperatura ...............................................................296
15.13 Tablas de gravedad API y Baumé y factores de peso ...............................299
15.14 Otras conversiones útiles ......................................................................301
15.15 Prejos y sujos métricos ......................................................................302
Índice ................................................................................................. 304
Recursos Adicionales ..........................................................................318
13
Capítulo 1
Introducción a las válvulas de control
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
1.1 ¿Qué es una válvula de control?
Las plantas de procesamiento modernas
utilizan una amplia red de bucles de control
con el n de crear un producto nal para el
mercado. Dichos bucles de control se
diseñan para mantener una variable de
proceso (es decir, presión, ujo, nivel,
temperatura, etc.) dentro del rango
operativo requerido para garantizar la
elaboración de un producto nal de calidad.
Cada uno de esos bucles recibe y genera
internamente perturbaciones que afectan
negativamente a la variable de proceso (VP).
La interacción con otros bucles de la red
también provoca perturbaciones que
inuyen en la variable de proceso. Consulte
la Figura 1.1.
Variable manipulada Variable controlada
Proceso
Válvula
de control
Controlador
Sensor
Transmisor
deseado.
La válvula de control es una parte crítica del
bucle de control. Mucha gente que habla de
las válvulas de control en realidad se reere a
un conjunto de válvula de control. El
conjunto de válvula de control consiste
típicamente en el cuerpo de la válvula, las
piezas de los internos, un actuador que
aporta la fuerza motriz para operar la
válvula, y una variedad de accesorios
adicionales de válvula, que pueden ser
transductores, reguladores de presión de
suministro, operadores manuales,
amortiguadores o disyuntores.
Hay dos tipos principales de diseño de
válvula de control, dependiendo del
elemento de cierre: vástago deslizante o
rotativo. Las válvulas de vástago deslizante,
como se puede apreciar en las guras 1.2 y
1.3, utilizan movimiento lineal para
desplazar un elemento de cierre hacia
dentro y hacia fuera de la supercie de
asiento. Las válvulas rotativas, como se
puede apreciar en las guras 1.13 y 1.17,
utilizan movimiento giratorio para desplazar
un elemento de cierre hacia dentro y hacia
fuera de la supercie de asiento.
Figura 1.1 Bucle de control de realimentación
Para reducir el efecto de esas perturbaciones
de carga, los sensores y transmisores
recopilan información sobre la variable de
proceso (VP) y su relación con algún punto
de ajuste preferido. Un controlador procesa
esa información y decide la acción necesaria
para devolver la variable de proceso al punto
debido tras producirse una perturbación de
carga. Cuando se han realizado todas las
mediciones, comparaciones y cálculos,
algún tipo de elemento de control nal debe
implementar la estrategia seleccionada por
el controlador.
El elemento de control nal más habitual en
las industrias de control de procesos es la
válvula de control. La válvula de control
manipula un líquido en circulación, como
gas, vapor, agua o compuestos químicos
para compensar las perturbaciones de carga
y mantener la variable de proceso regulada
lo más cercana posible al punto de ajuste
1.2 Terminología referente a la válvula de control de vástago deslizante
La siguiente terminología se aplica a las
características físicas y operativas de las
válvulas de control con vástago deslizante
estándar, con diafragma o actuadores de
pistón. Algunos de los términos, en especial
los referidos a actuadores, también pueden
aplicarse a las válvulas de control rotativas.
Muchas de las deniciones que se ofrecen
son conformes con ANSI/ISA-75.05.01,
Terminología referente a Válvulas de
Control, aunque también se incluyen otros
términos habituales. Para algunos de los
términos más complejos se ofrecen
explicaciones adicionales. Las secciones
adicionales de este capítulo denen
terminología especíca sobre válvulas de
control rotativas, control de procesos
generales y funciones y características de las
válvulas de control.
15
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Fuerza del vástago del actuador: Fuerza
neta del actuador que está disponible para
el posicionamiento del obturador de la
válvula, lo que se conoce como carrera de la
válvula.
Válvula de ángulo: Diseño de válvula en el
que las lumbreras de entrada y de salida son
perpendiculares entre sí. Consulte también
Válvula de globo.
Figura 1.2 Válvula de control de vástago deslizante
1. Bonete
2. Prensaestopas
3. Retén de jaula o
anillo de asiento
4. Vástago de la
válvula
5. Obturador de la
1
2
3
6
válvula
6. Cuerpo de la
válvula
7. Anillo de asiento
8. Puerto
4
5
Figura 1.4 Válvula de ángulo
Bonete con fuelle de estanqueidad:
Bonete que cuenta con un fuelle de cierre
para evitar fugas alrededor del vástago del
elemento de cierre. Consulte la Figura 1.5.
Bonete: Parte de la válvula que contiene el
prensaestopas y la junta de válvula y que
puede guiar al vástago de la válvula. Ofrece
7
8
la principal abertura de la cavidad del cuerpo
para el montaje de piezas internas o puede
formar parte integral del cuerpo de la
válvula. También puede usarse para jar el
actuador al cuerpo de la válvula. Los bonetes
Figura 1.3 Válvula de control de vástago deslizante
Resorte del actuador: Resorte o grupo de
ellos alojado en el yugo o en la carcasa del
actuador, o en el cilindro del pistón que
desplaza el vástago de actuador en dirección
opuesta a la generada por la presión de
carga.
Vástago del actuador: Pieza que conecta el
actuador al vástago de la válvula y transmite
movimiento (fuerza) del actuador a la
válvula.
Extensión del vástago del actuador:
Extensión del vástago del actuador de pistón
que permite transmitir el movimiento del
pistón al posicionador de la válvula.
típicos son atornillados, roscados, soldados,
sellados a presión o integrados en el cuerpo.
Este término suele utilizarse para referirse al
cuerpo superior y a sus piezas de
empaquetadura incluidas. Con mayor
propiedad, este grupo de componentes
debería denominarse conjunto del bonete.
Conjunto del bonete (normalmente llamado
bonete, con mayor propiedad, conjunto del
bonete): Conjunto que incluye la pieza a
través de la cual se mueve el vástago de la
válvula y que se utiliza para el sellado contra
fugas a lo largo del vástago. Normalmente
se usa para montar el actuador y cargar el
conjunto de empaquetadura; además,
mantiene la alineación correcta del
16
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
obturador con el resto del conjunto de la
válvula de control. Consulte la Figura 1.6.
1. Bonete
1
2
3
4
5
Figura 1.5 Bonete con fuelle de estanqueidad
1
2
3
4
Figura 1.6 Conjunto del bonete
2. Empaquetadura
3. Prensaestopas
4. Fuelle
5. Vástago de la válvula
1. Bonete
2. Empaquetadura
3. Prensaestopas
4. Vástago de la válvula
Brida inferior: Pieza que cierra la abertura
de la válvula opuesta a la abertura del
bonete. Puede incluir un buje guía o permitir
la inversión de la acción de la válvula.
Buje: Dispositivo que sostiene o guía las
piezas móviles, como los vástagos y los
obturadores de la válvula.
Jaula: Parte de los internos de la válvula que
rodea al elemento de cierre y puede
suministrar la caracterización del ujo o la
supercie de asiento. También aporta
estabilidad, guía, equilibrio y alineación, y
facilita el montaje de otras piezas de los
internos de la válvula. Las paredes de la jaula
contienen aberturas que normalmente
determinan la característica de ujo de la
válvula de control. Consulte la Figura 1.7.
Elemento de cierre: Pieza móvil que se
sitúa en la vía de circulación para modular el
caudal a través de la válvula.
Guía del elemento de cierre: Parte del
elemento de cierre que alinea su
movimiento en una jaula, anillo de asiento
(guía de lumbrera), bonete, brida inferior,
vástago o en dos cualesquiera de ellos.
Cilindro: Cámara de un actuador de pistón
en la que este se mueve.
Junta de cierre de cilindro: Elemento de
cierre en la conexión del cilindro del
actuador de pistón con el yugo.
Diafragma: Elemento exible que reacciona
a la presión y que transmite fuerza al plato
del diafragma y al vástago del actuador.
Actuador de diafragma: Dispositivo
accionado por un uido, que suele ser aire
comprimido (consulte Presión de carga), y
que actúa sobre un componente exible, el
diafragma, con el n de generar una fuerza
para desplazar al elemento de cierre.
Carcasa del diafragma: Alojamiento con
una sección superior y otra inferior, que se
utiliza para sostener un diafragma y
establecer una o dos cámaras de presión.
Plato del diafragma: Plato rígido
concéntrico con el diafragma para transmitir
fuerza al vástago del actuador.
Actuador de acción directa: Actuador cuyo
vástago se extiende al aumentar la presión
de carga. Consulte la Figura 1.9.
Figura 1.7 Jaulas (izquierda a derecha): Lineal, Igual porcentaje, Apertura rápida
17
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Bonete con extensión: Bonete de mayor
tamaño entre el prensaestopas y la brida del
bonete para servicios fríos o calientes.
Figura 1.8 Válvula de globo de tres vías
Válvula de globo: Válvula con elemento de
cierre de movimiento lineal, una o más
lumbreras y un cuerpo que se distingue por
una cavidad de forma globular alrededor de
la zona de la lumbrera. Las válvulas de globo
se pueden clasicar además como: de una
sola lumbrera bidireccional (Figura 1.3); de
doble lumbrera bidireccional; de estilo
angular o de tres vías (Figura 1.8).
1
3
Presión de carga: Fluido, normalmente aire
comprimido, aplicado al diafragma o al
pistón en un actuador neumático.
Válvula excéntrica: Estructura de válvula
con conexiones de líneas de entrada y de
salida en distintos planos, aunque a 180
grados de distancia entre sí.
Prensaestopas (conjunto): Parte del
conjunto del bonete que se utiliza para sellar
contra fugas el entorno del vástago del
elemento de cierre. El conjunto de
prensaestopas completo incluye diversas
combinaciones de algunos o todos los
componentes siguientes: empaquetadura,
buje de la empaquetadura, tuerca de la
empaquetadura, anillo de cierre hidráulico,
muelle de la empaquetadura, espárragos o
pernos de brida de empaquetadura, tuercas
de brida de la empaquetadura, anillo de
empaquetadura, aro rascador de eltro,
muelles Belleville y anillo antiextrusión.
Consulte la Figura 1.11.
2
4
5
6
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8
10
Figura 1.9 Actuador de acción directa
18
1. Conexión de presión de carga
2. Carcasa del diafragma
3. Diafragma
4. Plato del diafragma
5. Resorte del actuador
6. Vástago del actuador
7. Asiento del resorte
9
11
8. Ajustador de resorte
9. Conector del vástago
10. Vástago de la válvula
11. Yugo
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Pistón: Elemento rígido móvil que reacciona
a la presión y que transmite fuerza al
vástago del actuador del pistón.
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2
3
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6
Figura 1.10 Actuador de tipo pistón
5
1. Conexión de presión
de carga
2. Pistón
3. Junta del pistón
7
4. Cilindro
5. Junta de cierre de
cilindro
6. Buje de sello
7. Conector del
vástago
Actuador de tipo pistón: Dispositivo
accionado por uido en el que este,
generalmente aire comprimido, actúa en un
pistón móvil para proporcionar movimiento
al vástago del actuador y fuerza de asiento
tras el cierre. Los actuadores de tipo pistón
se clasican como de doble acción, que
aplican toda la fuerza en una dirección, o de
resorte en caso de fallo, de modo que al
producirse la pérdida de alimentación, el
actuador desplaza la válvula en la dirección
de carrera necesaria. Consulte la Figura 1.10.
Puerto: Oricio o lumbrera de control de
ujo de la válvula de control.
Anillo de retención: Anillo partido que se
utiliza para retener una brida separable en
un cuerpo de válvula.
Actuador de acción inversa: Actuador cuyo
vástago se repliega al aumentar la presión
de carga. Los actuadores inversos tienen un
buje estanco instalado en el extremo
superior del yugo para impedir la fuga de la
presión de carga a lo largo del vástago del
actuador. Consulte la Figura 1.12.
Guardapolvos: Dispositivo protector que
impide la entrada de materia extraña nociva
en el buje de sello del actuador del pistón.
Buje de sello: Bujes superior e inferior que
sellan el cilindro del actuador del pistón para
impedir fugas. En los bujes se utilizan juntas
tóricas de caucho sintético para sellar el
cilindro, el vástago del actuador y la
extensión del vástago del actuador.
Asiento: Zona de contacto entre el
elemento de cierre y su supercie de
contacto que determina el cierre de la
válvula.
Carga del asiento: Fuerza neta de contacto
entre el elemento de cierre y el asiento en las
condiciones estáticas indicadas. En la
práctica, la elección de un actuador para una
válvula de control determinada deberá
basarse en la cantidad de fuerza que se
necesite para superar la estática, el vástago
y el desequilibrio dinámico con una
tolerancia para la carga de asiento adecuada.
1
2
3
4
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3
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5
9
Empaquetadura de PTFE
Figura 1.11 Empaquetadura
1. Rascador superior
2. Buje de la
empaquetadura
3. Adaptador hembra
4. Anillo en V
5. Adaptador macho
6. Anillo de cierre
hidráulico
7. Arandela
8. Resorte
9. Caja de
empaquetadura/
rascador inferior
1
2
4
1
3
1
2
1
Empaquetadura de grafito
1. Anillo de lamento
2. Anillo laminado
3. Anillo de cierre
hidráulico
4. Arandela de zinc
4
4
19
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Anillo de asiento: Parte del conjunto del
cuerpo de la válvula que actúa como
supercie de asiento para el elemento de
cierre y que puede aportar parte del oricio
de control del ujo.
Brida separable: Brida que se sitúa sobre
una conexión de ujo del cuerpo de la
válvula. Se suele jar en su posición
mediante un anillo de retención.
Ajustador de resorte: Elemento,
generalmente enroscado en el vástago del
actuador o en el yugo, que ajusta la
comprensión del resorte (consulte ajuste de
banco en Terminología referente a funciones
y características de las válvulas de control).
Asiento del resorte: Placa que sostiene al
resorte en su posición y que actúa como
supercie plana para el contacto del
ajustador de resorte.
Desequilibrio estático: Fuerza neta
generada en el vástago de la válvula por la
presión del uido de proceso que actúa en el
elemento de cierre y el vástago, con el uido
en reposo y en las condiciones de presión
indicadas.
Conector del vástago: Dispositivo que
conecta el vástago del actuador con el de la
válvula.
Internos: Componentes internos de la
válvula que modulan el ujo del uido
controlado. En el cuerpo de una válvula de
globo, normalmente los internos incluyen el
elemento de cierre, el anillo de asiento, la
jaula, el vástago y el pasador del vástago.
Internos de asiento suave: Internos de
válvula con un material elastomérico,
plástico u otro fácilmente deformable que se
utiliza en el componente de cierre o el anillo
de asiento para proporcionar un cierre
hermético con una fuerza mínima del
actuador.
Cuerpo de la válvula: Límite de la presión
principal de la válvula que también actúa en
los extremos de conexión de tubos y el paso
del ujo de uido, así como en las supercies
de asiento y el elemento de cierre de la
válvula. Entre las estructuras de cuerpo de
válvula más habituales se encuentran:
cuerpos de válvula de una lumbrera y un
obturador, cuerpos con doble lumbrera y un
obturador, válvulas bidireccionales con dos
conexiones de ujo, una de entrada y una de
salida, cuerpos de válvula de tres vías y tres
3
4
1
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Figura 1.12 Actuador de acción inversa
20
1. Conexión de presión de carga
2. Carcasa del diafragma
3. Diafragma
2
4. Plato del diafragma
5
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5. Buje de sello
6. Resorte del actuador
7. Vástago del actuador
8. Asiento del resorte
9. Ajustador de resorte
10. Conector del vástago
11. Vástago de la válvula
12. Yugo
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
conexiones de ujo, dos de entrada y una de
salida (para ujos convergentes o combina-
dos), o una de entrada y dos de salida (para
ujos divergentes o desviados). El término
“cuerpo de válvula”, incluso solo “cuerpo”,
suele utilizarse para denir al cuerpo de
válvula junto con el conjunto del bonete y las
piezas de los internos que contienen. Con
mayor propiedad, este grupo de componen-
tes debería denominarse conjunto de
cuerpo de la válvula.
Conjunto de cuerpo de la válvula
(habitualmente cuerpo de válvula o válvula,
pero su denominación correcta es conjunto de
cuerpo de la válvula): Conjunto de cuerpo de
la válvula, conjunto del bonete, brida inferior
(si está incluida) y elementos de los internos.
Los internos incluyen el elemento de cierre,
que se abre, se cierra u obstruye
parcialmente una o más lumbreras.
Obturador de la válvula: Término con que
suele denirse el elemento de cierre de una
válvula de vástago deslizante.
Vástago de la válvula: En una válvula de
movimiento lineal, pieza que conecta el
vástago del actuador con el elemento de
cierre.
Yugo: Estructura que conecta rígidamente
la unidad de alimentación del actuador con
la válvula.
1.3 Terminología referente a la válvula de control rotativa
La siguiente terminología se aplica a las
características físicas y operativas de las
válvulas de control rotativas con diafragma o
actuadores de pistón. Los elementos de cierre
(bolas, discos, obturadores excéntricos, etc.)
de un diseño rotativo realizan una función
parecida a la del obturador de una válvula de
control de vástago deslizante. Es decir, cuando
rotan hacen variar el tamaño y la forma de la
corriente de ujo al abrir más o menos la
sección de sellado al uido. Muchas de las
deniciones que se ofrecen son conformes
con ISA S75.05, Terminología referente a
Válvulas de Control, aunque también se
incluyen otros términos habituales. Algunos
de los términos referidos a actuadores
también pueden aplicarse a las válvulas de
control rotativas. Para algunos de los términos
más complejos se ofrecen explicaciones
adicionales. Las secciones adicionales de este
capítulo denen terminología especíca sobre
control de procesos generales y funciones y
características de las válvulas de control.
Figura 1.13 Válvula de control rotativa
Palanca del actuador: Brazo jado a la echa
de la válvula rotativa para el movimiento del
eje de válvula para convertir el movimiento
lineal del vástago del actuador en fuerza
rotatoria (par de torsión) para posicionar un
disco o bola de una válvula rotativa. La
palanca suele estar conectada positivamente
al rotativo mediante estrías de tolerancia
escasa u otros medios con el n de reducir el
movimiento de huelgo y pérdida.
Bola completa: Elemento de cierre de ujo
de las válvulas de control rotativas que
utiliza una esfera completa con un paso de
ujo cilíndrico a través de ella. El paso de
ujo coincide con el diámetro del tubo.
Bola segmentada: Elemento de cierre de
ujo de las válvulas de control rotativas que
utiliza un esfera parcial con un paso de ujo
a través de ella.
Figura 1.14 Bola segmentada
21
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Bola con muesca en V: El tipo más común de
válvula de control de bola segmentada. La
bola con muesca en V contiene una supercie
esférica parcial pulida o enchapada que gira
contra el anillo de sello a través del rango de
carrera. La ranura en forma de V de la bola
permite una gran rangeabilidad y genera una
característica de ujo de igual porcentaje.
Figura 1.15 Bola con muesca en V
Disco convencional: Elemento de cierre de
ujo simétrico utilizado en las variedades
más habituales de válvulas rotativas de
mariposa. Los pares altamente dinámicos
normalmente limitan los discos convencionales a una rotación máxima de 60 grados
en el servicio de reducción de presión.
Disco de reducción dinámica: Disco de
válvula de mariposa contorneado para
reducir el par dinámico en grandes incrementos de rotación, por lo que es adecuado
para el servicio de reducción de presión con
hasta 90 grados de rotación de disco.
Disco excéntrico: Nombre habitual de un
diseño de válvula en el que la posición
excéntrica de las conexiones de echa/disco
de la válvula hace que el disco siga un
recorrido ligeramente descentrado (de leva)
en la apertura. Esto permite que el disco gire
fuera de contacto con la junta en cuanto se
abra, reduciendo así la fricción y el desgaste.
Válvula sin brida: Estilo habitual de las
válvulas de control rotativas. Las válvulas sin
brida se sostienen entre bridas conformes
con ANSI/ASME mediante pernos pasantes
largos (también se les suele llamar cuerpos
de válvula estilo oblea o wafer).
Obturador excéntrico: Estilo de válvula de
control rotativa con un obturador de giro
excéntrico con levas que entran y salen del
asiento, lo cual reduce la fricción y el
desgaste. Este tipo de válvula es adecuado
para aplicaciones erosivas.
Flujo inverso: Flujo desde el lado de la
echa/buje a la parte posterior del disco,
bola u obturador. Algunas válvulas de
control rotativas pueden controlar el ujo
con igual ecacia en cualquiera de las dos
direcciones. Otros diseños rotativos pueden
requerir la modicación del acoplamiento
del actuador para manejar el ujo inverso.
Cojinete de extremo de biela: Conexión
que suele utilizarse entre el vástago del
actuador y la palanca del mismo para
facilitar la conversión del empuje lineal del
actuador en fuerza rotativa (par) con un
mínimo de pérdida de movimiento. El uso
de un actuador oscilante estándar en un
cuerpo de válvula rotativa suele requerir el
acoplamiento con dos cojinetes de extremo
de biela. No obstante, la elección de un
actuador diseñado especícamente para el
servicio de válvula rotativa solo requiere uno
de esos cojinetes y, por lo tanto, reduce la
pérdida de movimiento.
Válvula de control rotativa: Tipo de válvula
en la que el elemento de cierre de ujo (bola
completa, bola parcial, disco u obturador) se
gira en la corriente de ujo para controlar la
capacidad de la válvula. Consulte la
Figura 1.17.
Anillo de sello: Parte de un conjunto de
válvula de control rotativa que corresponde
al anillo de asiento de una válvula de globo.
La posición del disco o bola en relación con
el anillo de sello determina la sección y
capacidad de ujo de la unidad en un
incremento determinado de carrera rotativa.
Figura 1.16 Válvula de disco excéntrico
22
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Flecha: Parte de un conjunto de válvula de
control rotativa que corresponde al vástago
de una válvula de globo. La rotación de la
echa sitúa al disco o bola en la corriente de
ujo y controla el caudal a través de la
válvula.
Junta deslizante: Junta de cilindro inferior
de un actuador de pistón neumático
diseñada para el servicio de válvula rotativa.
Esta junta permite el movimiento vertical y
lateral del vástago del actuador sin producir
fugas de la presión de carga del cilindro
inferior, por lo que es posible utilizar un solo
cojinete de extremo de biela.
Flujo estándar: En las válvulas de control
rotativas que tienen un anillo de sello o aro
de servicio aparte, la dirección de ujo en la
que el uido entra en el cuerpo de la válvula
por la tubería adyacente al anillo de sello y
sale por el lado opuesto de dicho anillo.
También se le suele llamar corriente
progresiva o corriente frente al elemento de
cierre. Consulte también Flujo inverso.
Montaje sobre muñón: Estilo de montaje
del disco o bola en la echa de válvula o la
echa de mangueta con dos cojinetes
diametralmente opuestos.
1.4 Terminología referente a funciones y características de las válvulas de control
Ajuste de banco: Procedimiento de
calibración de un resorte de actuador que
puede utilizar una escala de presiones para
situar una válvula por completo en su carrera
nominal (consulte Rango de presión
inherente del diafragma).
Capacidad: Cantidad de ujo a través de
una válvula (Cv o Kv), en las condiciones
indicadas.
Claro de flujo: Flujo que se produce por
debajo del mínimo controlable con el
elemento de cierre sin estar asentado por
completo.
Intervalo de presión de diafragma:
Diferencia entre los valores alto y bajo del
rango de presión de carga del diafragma.
Actuador de acción doble: Actuador al que
la energía neumática, hidráulica o eléctrica
se aplica en cualquier dirección.
Desequilibrio dinámico: Fuerza neta
generada en el obturador de la válvula, en
cualquier posición de apertura, por la
presión del proceso de uido que actúa
en él.
13
14
Figura 1.17 Válvula de control rotativa
11
1
3
5
8
10
12
9
2
4
6
7
1. Conexión de presión
de carga
2. Carcasa del diafragma
3. Diafragma
4. Plato del diafragma
5. Resorte
6. Vástago del actuador
7. Palanca
8. Flecha
9. Tope de carrera
10. Empaquetadura
11. Disco
12. Cuerpo
13. Cierre
14. Retén de cierre
23
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Área efectiva: En un actuador, parte de la
sección del diafragma o del pistón que
genera fuerza en el vástago. La zona efectiva
de un diafragma puede cambiar con el
movimiento, en general un máximo al
principio y un mínimo al nal del rango de
carrera. Los diafragmas moldeados tienen
menos cambios en la zona efectiva que los
diafragmas de lámina plana, por lo que se
recomienda el uso de estos últimos.
Falla cierra: Situación en la que el elemento
de cierre de la válvula se desplaza a la
posición de cierre cuando falla la fuente de
energía actuante.
Falla abre: Situación en la que el elemento
de cierre de la válvula se desplaza a la
posición de apertura cuando falla la fuente
de energía actuante.
A prueba de fallos: Característica de válvula
y actuador, que al producirse la pérdida de
suministro de energía actuante, hace que el
elemento de cierre se cierre o abra por
completo, o permanezca en la última
posición, la que sea que se dena como
necesaria para proteger al proceso y al
equipo. La acción puede implicar el uso de
controles auxiliares conectados al actuador.
Característica de flujo: Relación entre el
caudal que pasa a través de la válvula y el
porcentaje de la carrera nominal, que varía
de 0 a 100%. Este término siempre se debe
designar como característica de ujo
inherente o característica de ujo instalada
(consulte las deniciones en la sección
Terminología del control de procesos).
Coeficiente de flujo (Cv): Constante relativa
a la geometría de la válvula, con una carrera
determinada, que puede utilizarse para
establecer la capacidad de ujo. Número
de galones estadounidenses por minuto de
agua a 16 °C (60 °F) que uye a través de la
válvula con una caída de presión de 1 libra
por pulgada cuadrada.
Válvula de recuperación alta: Diseño de
válvula que disipa una energía de corriente
de ujo relativamente pequeña debido a los
contornos internos perlados y a la
turbulencia de ujo mínima. Por lo tanto, la
presión aguas abajo de la vena contracta de
la válvula recupera un alto porcentaje de su
valor de admisión. Las válvulas de ujo
directo, como las de bola rotativas, suelen
ser de alta recuperación.
Rango de presión inherente del
diafragma: Valores de presión altos y bajos
aplicados al diafragma para generar una
carrera de obturador de válvula nominal con
presión atmosférica en el cuerpo de la
válvula. Este rango suele utilizarse como
referencia porque será el que utilice la
válvula al colocarse en el banco de pruebas.
Característica de flujo inherente: Relación
existente entre el caudal y la carrera del
elemento de cierre al desplazarse de la
posición de cierre a la carrera nominal con
caída de presión constante en toda la
válvula.
Gama de presión de diafragma instalada:
Valores de presión altos y bajos aplicados al
diafragma para generar una carrera nominal
con condiciones determinadas en el cuerpo
de la válvula. Se debe a las fuerzas que
actúan en el elemento de cierre que el rango
de presión inherente del diagrama diera del
rango de presión de diafragma instalada.
Característica de flujo instalada: Relación
existente entre el caudal y la carrera del
elemento de cierre al desplazarse de la
posición de cierre a la carrera nominal como
caída de presión constante en toda la válvula
según inuyan las distintas condiciones de
proceso.
Válvula de recuperación baja: Diseño de
válvula que disipa una cantidad importante
de energía de la corriente de ujo debido a la
turbulencia creada por los contornos de la
vía de circulación. Por lo tanto, la presión
aguas abajo de la vena contracta de la
válvula recupera un menor porcentaje de su
valor de admisión que una válvula con una
vía de circulación más perlada. Aunque los
diseños son distintos, las válvulas de globo
convencionales tienen en general baja
capacidad de recuperación de presión.
Característica de flujo parabólica
modificada: Característica de ujo
inherente que proporciona iguales
porcentajes con carrera de elemento de
24
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
cierre baja y aproximadamente una
característica lineal en las partes más altas
de la carrera del elemento de cierre.
Válvula normalmente cerrada: Consulte
Falla cierra.
Válvula normalmente abierta: Consulte
Falla abre.
Diseño PDTC (Push-Down-to-Close,
empujar hacia abajo para cerrar):
Estructura de válvula estilo globo en la que
el elemento de cierre está situado entre el
actuador y el anillo de asiento, de modo que
la extensión del vástago del actuador
desplaza al elemento de cierre hacia dicho
anillo y, en última instancia, cierra la válvula.
El término también puede aplicarse a las
estructuras de válvula rotativa en las que la
extensión lineal del vástago del actuador
desplaza la bola o el disco hacia la posición
de cierre. También se denomina de acción
directa.
Diseño PDTO (Push-Down-to-Open,
empujar hacia abajo para abrir):
Estructura de válvula estilo globo en la que
el anillo de asiento está situado entre el
actuador y el elemento de cierre, de modo
que la extensión del vástago del actuador
desplaza al elemento de cierre desde dicho
anillo y abre la válvula. El término también
puede aplicarse a las estructuras de válvula
rotativa en las que la extensión lineal del
vástago del actuador desplaza la bola o el
disco hacia la posición de apertura. También
se denomina de acción inversa.
Rangeabilidad: Relación entre el coeciente
de ujo mayor (Cv o Kv) y el menor (Cv o
Kv) dentro del cual la desviación desde
la característica de ujo especicada no
supera los límites establecidos. Una válvula
que ejerza un control ecaz cuando el
caudal aumente a 100 veces el mínimo
controlable, tiene una rangeabilidad de
100 a 1. La rangeabilidad también se puede
expresar como la relación de los caudales
controlables máximo a mínimo.
Coeficiente de flujo nominal (Cv):
Coeciente de ujo (Cv) de la válvula a
carrera nominal.
Carrera nominal: Distancia del movimiento
del elemento de cierre desde la posición de
cierre hasta la de apertura total nominal. La
posición de apertura total nominal es la
apertura máxima recomendada por los
fabricantes.
Coeficiente de flujo relativo (Cv): Relación
entre el coeciente de ujo (Cv) a una carrera
determinada y el coeciente de ujo (Cv) a
una carrera nominal.
Fuga del asiento: Cantidad de uido que
pasa a través de la válvula cuando esta se
encuentra en posición de cierre total y se
aplica la carga de asiento máxima disponible
con la presión diferencial y la temperatura
especicadas.
Constante elástica (Ks): Cambio de fuerza
por cada cambio de unidad en la longitud de
un resorte. En los actuadores de diafragma,
la capacidad del resorte se establece
generalmente en la compresión de libras
fuerza por pulgada.
Vena Contracta: Parte de una corriente de
ujo en la que la velocidad del uido está al
máximo y la presión estática del uido, así
como la supercie de la sección transversal,
están al mínimo. En una válvula de control,
la vena contracta normalmente se produce
justo aguas abajo de la restricción física real.
1.5 Terminología del control de procesos
Los siguientes términos y deniciones que
no se han explicado previamente suelen
utilizarlos las personas que trabajan con
válvulas de control, instrumentos y
accesorios. Algunos de los términos,
marcados con un asterisco (*), proceden de
la norma ISA, Terminología de los
instrumentos de proceso, ISA 51.1. También
se incluyen otros términos de uso habitual
en la industria de las válvulas de control.
Accesorio: Dispositivo montado en el
conjunto de una válvula de control para
complementar diversas funciones o generar
las acciones que se deseen, en especial
la actuación (por ej., posicionadores,
reguladores de presión de suministro,
solenoides, disyuntores, etc.).
25
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Actuador*: Dispositivo con alimentación
neumática, hidráulica o eléctrica que
suministra fuerza y movimiento para abrir o
cerrar una válvula.
Conjunto de actuador: El actuador,
incluidos todos los accesorios que lo
convierten en una unidad operativa
completa.
ANSI: Abreviatura de American National
Standards Institute (Instituto Nacional
Estadounidense de Estándares).
API: Abreviatura de American Petroleum
Institute (Instituto Estadounidense del
Petróleo).
ASME: Abreviatura de American Society of
Mechanical Engineers (Sociedad
Estadounidense de Ingenieros Mecánicos).
ASTM: Se utiliza para denominar a la
American Society for Testing and Materials
(Sociedad Estadounidense para Pruebas y
Materiales). Cuando la organización alcanzó
un ámbito internacional, el nombre se
cambió por el de ASTM International. ASTM
ya no es una abreviatura.
Sistema de control automático*: Sistema
de control que funciona sin necesidad de
intervención humana.
Holgura: Forma de banda muerta o inactiva
que se produce por una interrupción
temporal entre la entrada y la salida de un
dispositivo cuando la entrada cambia de
dirección (es decir, aojamiento o soltura de
una conexión mecánica).
Diagrama de Bode*: Representación de los
valores de relación de amplitud y de ángulo
de fase en una base de frecuencia para una
función de transferencia. Es la manera más
habitual de representar grácamente los
datos de respuesta de frecuencia.
Curva de calibración*: Representación
gráca del informe de calibración. Salida
estable especicada de un dispositivo
trazada como función de la entrada estable.
La curva suele presentarse como un
intervalo de salida porcentual frente al
intervalo de entrada porcentual.
Ciclo de calibración*: Aplicación de valores
conocidos de la variable medida y grabación
de los valores correspondientes de las
lecturas de salida, en el rango del
instrumento y en direcciones ascendente y
descendente. Curva de calibración obtenida
al variar la entrada de un dispositivo en las
direcciones ascendente y descendente.
Generalmente se muestra como un intervalo
de salida porcentual frente al intervalo de
entrada porcentual y ofrece una medición
de la histéresis.
Capacidad* (válvula): Cantidad de ujo a
través de una válvula (Cv) en las condiciones
indicadas.
Bucle cerrado: Interconexión de los
componentes de control de procesos, de
modo que la información referente a la
variable de proceso se realimente
continuamente a un punto de ajuste de
controlador para ofrecer correcciones
constantes y automáticas a la variable de
proceso.
Elemento de cierre: Elemento de los
internos de la válvula (también conocido
como obturador, disco, bola segmentada o
bola de lumbrera completa) que se utiliza
para modular el caudal en una válvula de
control.
Controlador: Dispositivo que funciona de
manera automática, mediante algún
algoritmo establecido, para regular una
variable controlada. La entrada del
controlador recibe información acerca del
estado de la variable de proceso y a
continuación emite una señal de salida
adecuada al elemento de control nal.
Bucle de control: Consulte Bucle cerrado o
Bucle abierto.
Rango de control: Rango de la carrera de
una válvula de control en la que puede
mantener la ganancia instalada entre los
valores normalizados de 0,5 y 2,0.
Conjunto de válvula de control:
Dispositivo utilizado para modular el ujo de
uido variando el tamaño del paso de ujo
según la indicación de una señal de
controlador.
Banda muerta: Fenómeno general que se
puede aplicar a cualquier dispositivo, en el
que se puede se puede variar una señal de
26
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
entrada, tras la inversión de la dirección, sin
iniciar un cambio observable en la señal de
salida. En las válvulas de control, la salida del
controlador (CO) es la entrada al conjunto de
la válvula y la variable de proceso (PV) es la
salida, como se muestra en la Figura 1.18.
Cuando se hable sobre la banda muerta, es
importante identicar las variables de
entrada y de salida, y que se realicen pruebas
cuanticables en condiciones de carga
completa. La banda muerta se expresa
típicamente como porcentaje del intervalo
de entrada.
100%
Variable del proceso
100%
Salida del controlador
Figura 1.18 Banda muerta
Tiempo muerto: Intervalo de tiempo (Td)
en el que no se detecta la respuesta del
sistema tras una entrada en escalón
pequeña (generalmente de 0,25% - 5%). El
tiempo se calcula desde el momento en que
se inicia la entrada en escalón hasta la
primera respuesta detectable del sistema. El
tiempo muerto se puede aplicar a un
conjunto de válvula o a todo el proceso.
Consulte T63.
Entalpía: Cantidad termodinámica que es la
suma de la energía interna de un cuerpo y el
producto de su volumen multiplicado por la
presión: H = U + pV. También se denomina
contenido calórico.
Entropía: Medida teórica de la energía que
no se puede transformar en trabajo
mecánico en un sistema termodinámico.
Característica de igual porcentaje:
Característica de ujo inherente que, a
incrementos iguales de carrera nominal,
ofrecerá idealmente cambios
equiporcentuales del coeciente de ujo
(Cv) respecto al Cv existente.
Señal de retroalimentación*: Señal de
retorno que resulta de una medición de la
variable directamente controlada. En el caso
de una válvula de control con posicionador,
la señal de retorno suele ser una indicación
mecánica de la posición del vástago del
elemento de cierre que se realimenta al
posicionador.
FCI: Abreviatura de Fluid Controls Institute
(Instituto de Control de Fluidos). Suministra
normas y material educativo para asistir a
compradores y usuarios en la comprensión y
uso de equipos de control y
acondicionamiento de uidos.
Elemento final de control: Dispositivo que
implementa la estrategia de control
determinada por la salida de un controlador.
Si bien el elemento nal de control puede
adoptar muchas formas (amortiguadores,
dispositivos de conmutación de activación/
desactivación, etc.), el más habitual en la
industria actual es el conjunto de válvula de
control. Las válvulas de control modulan el
uido del ujo (gas, vapor, agua,
compuestos químicos, etc.) para compensar
las alteraciones de carga y mantener la
variable de proceso regulada lo más cerca
posible del punto de ajuste.
Primer orden: Término que hace referencia
a la relación dinámica entre la entrada y la
salida de un dispositivo. Los sistemas o
dispositivos de primer orden tienen un solo
dispositivo de almacenamiento de energía y
la relación transitoria dinámica entre la
entrada y la salida se caracteriza por un
comportamiento exponencial.
Característica de respuesta en
frecuencia*: Relación dependiente de la
frecuencia, tanto de amplitud como de fase,
entre entradas senoidales de régimen
permanente y las salidas senoidales
fundamentales resultantes. Los cambios de
amplitud y fase de salida se consideran
funciones de la frecuencia de prueba de
entrada y se utilizan para describir el
comportamiento dinámico del dispositivo
de control.
Fricción: Fuerza que tiende a oponerse al
movimiento relativo entre dos supercies en
contacto. La fuerza asociada es una función
de la fuerza normal que mantiene unidas
27
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
esas dos supercies y la naturaleza
característica de ellas. La fricción tiene dos
componentes: fricción estática y fricción
dinámica. La fricción estática (también
denominada oscilaciones de relajación o
adherencia estática) es la fuerza que se debe
superar antes de que exista ningún
movimiento relativo entre las dos
supercies. La fricción estática también es
una de las principales causas de banda
muerta en un conjunto de válvula. Una vez
que se inicia el movimiento relativo, la
fricción dinámica (también conocida como
fricción deslizante) es la fuerza que se debe
superar para mantener el movimiento
relativo.
Ganancia: Término utilizado para describir
la relación de magnitud entre el cambio de
salida de un sistema o dispositivo
determinado y la magnitud de un cambio de
entrada que haya provocado el cambio de
salida. La ganancia tiene dos componentes:
ganancia estática y ganancia dinámica.
Ganancia estática (también conocida como
sensibilidad) es la relación de ganancia entre
la entrada y la salida y es un indicador de la
facilidad con la que la entrada puede iniciar
un cambio en la salida cuando el sistema o
dispositivo está en una condición de
régimen permanente. La ganancia dinámica
es la relación entre la entrada y la salida
cuando el sistema está en un estado de
movimiento o ujo. La ganancia dinámica es
una función de frecuencia o velocidad de
cambio de la entrada.
Dureza: Resistencia del metal a la
deformación plástica, generalmente por
penetración. Resistencia de plásticos y
caucho a la penetración de un punto
indentador en su supercie.
Fluctuación*: Oscilación indeseada de una
magnitud importante, que se prolonga
después de desaparecer los estímulos
externos. La uctuación, a veces
denominada ciclo o ciclo límite, evidencia el
funcionamiento en o cerca del límite de
estabilidad. En aplicaciones de válvula de
control, la uctuación aparece como una
oscilación en la presión de carga al actuador
causada por la inestabilidad del posicionador
de válvula.
Histéresis*: Diferencia máxima en el valor
de salida de un solo valor de entrada durante
un ciclo de calibración, excluidos los errores
debidos a banda muerta o inactiva. Retardo
de un efecto cuando cambian las fuerzas
que actúan sobre un cuerpo (por ejemplo,
debido a la viscosidad o a la fricción interna).
100
Apertura rápida
Lineal
Coeficiente de flujo nominal (%)
0
Figura 1.19 Característica inherente de válvula
Equiporcentual
100
Carrera nominal (%)
Característica inherente*: Relación
existente entre el coeciente de ujo y la
carrera del elemento de cierre al desplazarse
de la posición de cierre a la carrera nominal
con caída de presión constante en toda la
válvula. Normalmente, esas características
se trazan como una curva, en la que el eje
horizontal está etiquetado con carrera
porcentual y el eje vertical como ujo
porcentual (o Cv). Dado que el ujo de la
válvula es una función tanto de la carrera de
la válvula como de la caída de presión a
través de la válvula, las pruebas de
característica de ujo a caída de presión
constante ofrece una manera sistemática de
comparar el diseño característico de una
válvula con el de otra. Las características
típicas de la válvula obtenidas de este modo
se denominan lineales, equiporcentuales y
de apertura rápida.
Ganancia inherente de la válvula: Relación
de magnitud entre el cambio de ujo a
través de la válvula y el cambio de carrera de
la válvula en condiciones de caída de presión
constante. La ganancia inherente de la
válvula es una función inherente del diseño
de la misma. Es igual a la pendiente de la
curva característica inherente en cualquier
punto de la carrera y es una función de la
28
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
carrera de la válvula.
Característica instalada*: Relación
existente entre el caudal y la carrera del
elemento de cierre (disco) al desplazarse de
la posición de cierre a la carrera nominal con
la caída de presión constante en toda la
válvula inuida por las distintas condiciones
de proceso.
Ganancia instalada de la válvula: Relación
de magnitud entre el cambio de ujo a
través de la válvula y el cambio de carrera de
la válvula en condiciones de proceso reales.
La ganancia instalada de la válvula es la
relación de ganancia de válvula que se
produce cuando la válvula se instala en un
sistema especíco y la caída de presión
puede cambiar de manera natural, de
acuerdo con los dictados del sistema
general. La ganancia instalada de la válvula
es igual a la pendiente de la curva
característica instalada y es una función de
la carrera de la válvula.
Presión del instrumento: Presión de salida
de un controlador automático utilizado para
operar una válvula de control.
I/P: Se utiliza para referirse a corriente-a-
presión (I-to-P). Se suele aplicar a los
módulos de transductor de entrada.
ISA: Abreviatura de International Society for
Automation (Sociedad Internacional para la
Automatización).
Linealidad*: Cercanía con la que una curva
relativa a dos variables se aproxima a una
línea recta. También signica que la misma
línea recta se aplicará a las direcciones
ascendente y descendente. De este modo, la
banda muerta antes denida se considerará
típicamente como sin linealidad.
Característica lineal*: Característica de
ujo inherente que se puede representar
con una línea recta en un trazado
rectangular de coeciente de ujo (Cv)
frente a la carrera nominal. Por lo tanto, los
incrementos iguales de carrera ofrecen
incrementos iguales de coeciente de ujo,
Cv.
Presión de carga: Presión que se emplea
para posicionar un actuador neumático. Es
una presión que se aplica al diafragma o
pistón del actuador y que puede ser la
presión de instrumento si no se utiliza un
posicionador de válvulas.
Bucle: Consulte Bucle cerrado o Bucle
abierto.
Ganancia de bucle: Ganancia combinada de
todos los componentes del bucle cuando se
ve en una serie alrededor del mismo.
También se suele denir como ganancia de
bucle abierto. Se debe especicar
claramente si se hace referencia a la
ganancia de bucle estático o de bucle
dinámico a una determinada frecuencia.
Control manual: Consulte Bucle abierto.
NACE: Se utiliza para referirse a la National
Association of Corrosion Engineers
(Asociación Nacional de Ingenieros de
Corrosión). Cuando la organización alcanzó
un ámbito internacional, el nombre se
cambió por el de NACE International. NACE
ya no es una abreviatura.
Bucle abierto: Estado en el que se
interrumpe la interconexión de los
componentes de control de proceso, por
ejemplo, la información de la variable de
proceso ya no se realimenta al punto de
ajuste del controlador, de modo que no se
suministran correcciones a la variable de
proceso. Normalmente, esto sucede al situar
el controlador en posición de operación
manual.
Elemento operativo: Fluido, generalmente
aire o gas, que se utiliza para suministrar
energía para el funcionamiento de un
posicionador de válvula o un controlador
automático.
Límites de funcionamiento*: Rango de
condiciones operativas al que se puede
someter un dispositivo sin desmedro
permanente de las características de
funcionamiento.
OSHA: Abreviatura de Occupational Safety
and Health Administration (Administración
de Seguridad y Salud Ocupacional). (EE UU).
Empaquetadura: Parte del conjunto de
válvula que se utiliza para sellar contra fugas
el entorno del disco o del vástago de la
válvula.
29
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Posicionador*: Controlador de posición
(servomecanismo) conectado
mecánicamente a una pieza móvil de un
elemento de control nal o a su actuador y
que, automáticamente, ajusta la salida al
actuador para mantener la posición que se
desee en proporción a la señal de entrada.
Proceso: Combinación de todos los
elementos del bucle de control, excepto el
controlador. En ciertos case se reere al
uido que pasa por el bucle.
Ganancia de proceso: Relación entre
cambio de la variable de proceso controlada
con el cambio correspondiente en la salida
del controlador.
Variabilidad del proceso: Medida
estadística precisa del grado de control del
proceso respecto al punto de ajuste.
Normalmente, la variabilidad de proceso se
dene con un porcentaje (2s/m), donde m
es el punto de ajuste o valor medio de la
variable de proceso medida y s es la
desviación estándar de la variable de
proceso.
Característica de apertura rápida (QO)*:
Característica de ujo inherente en la que se
consigue un coeciente de ujo máximo con
un cierre mínimo de la carrera del elemento
de cierre.
Rango: Región entre los límites en los que
una cantidad se mide, recibe o transmite,
que se expresa al establecer los valores de
rango superior e inferior. Por ejemplo: De 3 a
15 psi: -40 a 100 °C (-40 a 212 °F).
Relé: Dispositivo que actúa como
amplicador de potencia. Toma una señal de
entrada eléctrica, neumática o mecánica y
genera la salida de un ujo de gran volumen
de uido de aire o hidráulico al actuador. El
relé puede ser un componente interno del
posicionador o un accesorio aparte de la
válvula.
Repetibilidad*: La similitud entre un
número de mediciones consecutivas de la
salida con el mismo valor de la entrada bajo
las mismas condiciones de operación,
aproximándose en la misma dirección, para
recorridos de rango total. Normalmente se
mide como sin repetibilidad y se expresa
como repetibilidad en el porcentaje de un
intervalo. No incluye la histéresis.
Resolución: Cambio mínimo posible de la
entrada que se requiere para producir un
cambio detectable en la salida cuando no
existe inversión de la entrada. La resolución
se expresa típicamente como porcentaje del
intervalo de entrada.
Tiempo de respuesta: Se suele medir con
un parámetro que incluye el tiempo muerto
y la constante de tiempo (consulte T63,
Tiempo muerto y Constante de tiempo). Si
se aplica a la válvula, incluye todo el
conjunto de válvula.
Segundo orden: Término que hace
referencia a la relación dinámica entre la
entrada y la salida de un dispositivo. Un
sistema o dispositivo de segundo orden
tiene dos dispositivos de almacenamiento
de energía que pueden transferirse energía
cinética y potencial, introduciendo así la
posibilidad de comportamiento oscilatorio y
desbordamiento.
Sensibilidad*: Relación entre el cambio de
la magnitud de salida y el cambio de la
entrada que lo provoca después de
alcanzarse el estado de régimen
permanente.
Sensor: Dispositivo que detecta el valor de
la variable de proceso y suministra la señal
de salida correspondiente a un transmisor. El
sensor puede estar integrado en el
transmisor o ser un componente aparte.
Punto de ajuste: Valor de referencia que
representa el valor deseado de la variable de
proceso que se controla.
Wind-Up de la flecha: Fenómeno por el
cual un extremo de la echa de la válvula se
gira y el otro no lo hace. Suele suceder en
válvulas rotativas en las que el actuador está
conectado al elemento de cierre de la
válvula mediante una echa relativamente
larga. Mientras la fricción de cierre de la
válvula mantiene un extremo de la echa en
su posición, la rotación de la echa en el
extremo del actuador es absorbida por el
giro de la echa hasta que la entrada del
actuador transmite suciente fuerza para
superar la fricción.
30
Guía de válvulas de control | Capítulo 1: Introducción a las válvulas de control
Señal*: Variable física, de la que uno o dos
parámetros transportan información acerca
de otra variable representada por la señal.
Secuenciación por amplitud de señal
(control de rango dividido)*: Acción en la
que se genera una o más señales, o una
señal de entrada activa dos o más elementos
de control nal, cada uno respondiendo de
manera consecutiva, con o sin
solapamiento, a la magnitud de dicha señal
de entrada.
Dimensionamiento (válvula):
Procedimiento sistemático diseñado para
asegurar la capacidad de válvula correcta
para cada condición de un conjunto de
condiciones de proceso especicadas.
Intervalo de medida*: Diferencia
algebraica entre el valor superior y el valor
inferior del rango. Por ejemplo: Si el rango =
0 a 66 °C (150 °F), entonces el intervalo =
66 °C (150 °F); si el rango = 3 a 15 psig,
entonces el intervalo = 12 psig.
Fricción estática: fuerza necesaria para
hacer que un cuerpo en contacto con otro
empiece a moverse. Consulte también
Fricción.
Presión de suministro*: Presión en la boca
de suministro de un dispositivo. Los valores
habituales de la presión de suministro de
una válvula de control son 20 psig para un
rango de 3 a 15 psig y 35 psig para un rango
de 6 a 30 psig.
T63: Medida de respuesta de un dispositivo.
Se mide mediante la aplicación de una
entrada en escalón pequeña (generalmente
de 1 a 5%) en el sistema. T63 se mide desde
el momento en que se inicia la entrada en
escalón hasta el momento en que la salida
del sistema alcanza el 63% del valor de
régimen permanente nal. Es el total
combinado del tiempo muerto (Td) y de la
constante de tiempo del sistema (t).
Consulte Tiempo muerto y Constante de
tiempo.
Constante de tiempo: Parámetro de
tiempo que normalmente se aplica a un
elemento de primer orden. Es el intervalo de
tiempo medido desde la primera respuesta
detectable del sistema a un entrada en
escalón pequeña (generalmente de 0,25% a
5%) hasta que la salida del sistema alcanza el
63% de su valor de régimen permanente
nal. (Consulte T63). Cuando se aplica a un
proceso de bucle abierto, la constante de
tiempo suele designarse como “T” (Tau).
Cuando se aplica a un proceso de bucle
cerrado, la constante de tiempo suele
designarse como λ (Lambda).
Transmisor: Dispositivo que detecta el valor
de la variable de proceso y transmite la señal
de salida correspondiente al controlador
para la comparación con el punto de ajuste.
Carrera*: Movimiento o carrera del
elemento de cierre desde la posición de
cierre hasta una posición intermedia o la
apertura total nominal.
Indicador de carrera: Puntero y escala que
se utiliza para mostrar externamente la
posición del elemento de cierre,
normalmente con unidades de porcentaje
de apertura de la carrera o grados de
rotación.
Internos*: Componentes internos de la
válvula que modulan el ujo del uido
controlado.
Válvula: Consulte Conjunto de válvula de
control.
Amplificador de volumen: Relé
independiente al que se suele hacer
referencia como amplicador de volumen o
sencillamente amplicador, dado que
amplica el volumen de aire suministrado al
actuador. Consulte Relé.
Error cero*: Error de un dispositivo que
funciona en las condiciones especicadas de
uso cuando la entrada está en el valor
inferior del rango. Normalmente se expresa
como porcentaje del intervalo ideal.
31
Capítulo 2
Prestaciones de la válvula de control
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
En el dinámico entorno empresarial actual,
los fabricantes sufren enormes presiones
económicas. La globalización del mercado
deriva en intensas presiones para reducir
los costes de fabricación y poder competir
con los salarios y los costes de materia
prima más bajos de los países emergentes.
Las empresas internacionales compiten
para ofrecer productos de máxima calidad
y maximizar la productividad de sus
plantas con menores recursos, a la vez que
intentan satisfacer las necesidades de los
clientes en continua evolución. Es
necesario cumplir esos retos de marketing,
aunque satisfaciendo por completo las
políticas públicas y normativas.
2.1 Variabilidad de procesos
Los líderes industriales internacionales han
comprendido que para ofrecer un retorno
aceptable a sus accionistas deben reducir
los costes de materias primas y de gestión
de residuos sin dejar de aumentar la
productividad. La reducción de la
variabilidad de los procesos de fabricación
mediante la aplicación de tecnología de
control de procesos está reconocida como
un método efectivo para mejorar los
resultados nancieros y enfrentarse a las
presiones de la competencia global.
El objetivo básico de una empresa es
obtener benecios mediante la fabricación
de un producto de calidad. Un producto de
calidad debe cumplir una serie de
especicaciones. Cualquier desviación de
la especicación establecida implica la
pérdida de benecios debida al uso
excesivo de material, los costes de
reprocesamiento o los productos
desechados. Por lo tanto, se consiguen un
gran impacto nanciero si se mejora el
control de procesos
. La reducción de la variabilidad de
procesos mediante un mejor control del
proceso permite optimizar el proceso
mismo y fabricar productos que salen bien
en el primer intento.
La falta de uniformidad propia de las
materias primas y de los procesos de
producción son causas habituales de la
variación que altera la variable de proceso
por encima y por debajo del punto de
ajuste. Un proceso situado en el control,
con solo las causas de variación presentes,
sigue habitualmente una distribución
normal en forma de campana.
Especificaciones
de límite inferior
Figura 2.1 Variabilidad de procesos
Punto de ajuste
2-Sigma 2-Sigma
Punto de ajuste
Distribución P
Distribución P
V
V
Una banda de valores derivada de
estadísticas en dicha distribución,
denominada banda sigma +/-2, describe la
separación de las desviaciones de variable
de proceso respecto al punto de ajuste.
Dicha banda es la variabilidad de proceso.
Es una medida de la rigidez del control del
proceso. La variabilidad de proceso es una
medición exacta de lo ajustado del control
y se expresa como un porcentaje del punto
de ajuste.
Si, por ejemplo, un producto debe cumplir
una especicación de límite inferior
determinada, el punto de ajuste se debe
establecer a un valor de sigma 2 por
encima de ese límite inferior. De este modo
se asegurará que todos los productos
fabricados con valores situados a la
derecha del límite inferior cumplirán la
especicación de calidad.
No obstante, el problema es que se
desperdicia dinero y recursos al fabricar un
gran porcentaje de producto a un nivel
mucho mayor del requerido por la
especicación (consulte la distribución
superior en la Figura 2.1).
33
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Figura 2.2 Prueba de comportamiento de bucle
La mejor solución es reducir la separación
de la desviación respecto al punto de
ajuste con el uso de una válvula de control
que pueda generar un sigma menor
(consulte la distribución inferior en la
Figura 2.1).
La reducción de la variabilidad de proceso
es clave para alcanzar los objetivos de
negocio. La mayoría de las empresas se dan
cuenta de esto y no es raro que inviertan
centenares de miles de euros en
instrumental para resolver el problema de
la reducción de la variabilidad de proceso.
Lamentablemente, en ese esfuerzo muchas
veces no se tiene en cuenta la válvula de
control porque no se comprende el
impacto que tiene en el desempeño
dinámico. Amplios estudios de bucles de
control indican que hasta el 80% de ellos
no funcionan con ecacia para reducir la
variabilidad de proceso. Además,
descubrieron que la válvula de control era
un gran aporte a la solución del problema
por diversas razones.
34
Para vericar el rendimiento, los
fabricantes deben someter a prueba sus
productos en condiciones de proceso
dinámicas. Típicamente se llevan a cabo en
un laboratorio de ujos en situación real de
control de bucle cerrado (Figura 2.2). La
evaluación de válvulas de control en
condiciones de bucle cerrado ofrece la
única medición verdadera del
comportamiento en variabilidad. Los datos
de comportamiento en bucle cerrado
demuestran que se pueden conseguir
importantes reducciones de la variabilidad
de proceso si se elige la válvula de control
adecuada para la aplicación.
La capacidad de las válvulas de control de
reducir la variabilidad de proceso depende
de muchos factores. Hay que tener en
cuenta más de un parámetro aislado. Los
estudios realizados en el sector han
determinado que las características de
diseño particulares del elemento de
control nal, como la válvula, el actuador y
el posicionador son muy importantes para
conseguir un buen control de proceso en
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Válvulas de bola segmentada de 4" con asientos metálicos,
condiciones dinámicas. Lo más
importantes es que el conjunto de válvula
de control debe optimizarse o desarrollarse
como una unidad. Los componentes de
válvula que no se diseñan como un
conjunto completo no ofrecen el mejor
rendimiento dinámico. Algunas de las
consideraciones más importantes sobre el
diseño:
Banda muerta
Diseño de actuador/posicionador
Tiempo de respuesta de la válvula
Tipo y caracterización de la válvula
Dimensionamiento de la válvula
Cada una de esas características de diseño
se tratará en este capítulo para ofrecer una
perspectiva de lo que constituye un diseño
de válvula excelente.
2.1.1 Banda muerta
La banda muerta es un gran aporte al
exceso de variabilidad de proceso. Los
conjuntos de válvula de control pueden ser
una fuente principal de banda muerta en
un bucle de instrumental debido a diversas
causas, como la fricción, la holgura, el
wind-up de la echa, o la zona de banda
muerta del relé o la válvula de carrete, etc.
La banda muerta es un fenómeno general
en el que un rango o banda de valores de
salida de controlador (CO) es incapaz de
generar un cambio en la variable de
proceso (PV) medida cuando la señal de
entrada invierte la dirección. Cuando se
produce una alteración de carga, la
variable de proceso se desvía del punto de
ajuste. Esa desviación inicia una acción
correctiva a través del controlador y de
vuelta a través del proceso. Sin embargo,
un cambio inicial en la salida del
controlador puede generar un cambio
correctivo no correspondiente en la
variable de proceso. Solo cuando la salida
del controlador ha cambiado lo suciente
para avanzar a través de la banda muerta
se produce un cambio correspondiente en
la variable de proceso.
En cualquier momento en que la salida del
controlador invierta la dirección, la señal
del controlador debe pasar a través de la
banda muerta antes de que pueda
producirse algún cambio en la variable de
proceso. La presencia de banda muerta en
el proceso garantiza que la desviación del
punto de ajuste de la variable de proceso
tendrá que aumentar hasta que pueda
pasar a través de la banda muerta. Solo
entonces se produce una acción correctiva.
actuadores de diafragma y posicionadores estándar
Válvula A (FisherTMV150HD/1052(33)/3610J)
65
60
55
%
50
45
40
0,5%
Válvula B
65
60
55
%
50
Señal de entrada
45
Posición del actuador
Caudal (filtrado)
40
Válvula C
65
60
55
%
50
45
40
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Figura 2.3 Efecto de la banda muerta en el comportamiento
de la válvula
Tiempo (segundos)
5% 10%PASO DEL 2%1%
2.1.1.1 Causas de la banda muerta
La banda muerta tiene muchas causas,
pero las más habituales suelen ser la
fricción y la holgura en la válvula de
control, junto con el wind-up de la echa
en las válvulas rotativas y la zona muerta
del relé. Dado que la mayoría de las
acciones de control regulador son cambios
pequeños (1% o menos), es posible que
una válvula de control con una banda
muerta excesiva ni siquiera responda a
muchos de esos cambios pequeños. Una
válvula bien diseñada debe responder a
señales del 1% o menos para ofrecer una
reducción ecaz de la variabilidad de
proceso. No obstante, no es infrecuente
35
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
que algunas válvulas exhiban una banda
muerta de hasta el 5% o más. En una
reciente auditoría de planta, el 30% de las
válvulas tenían bandas muertas que
superaban el 4%. Más del 65% de los bucles
auditados tenían bandas muertas de más
del 2%.
2.1.1.2 Efectos de la banda muerta
En la Figura 2.3 se ilustra lo impresionantes
que pueden ser los efectos combinados de
la banda muerta. El diagrama representa la
prueba de bucle abierto de tres válvulas de
control distintas en condiciones de proceso
normales. Las válvulas se someten a una
serie de entradas en escalón que van del
0,5% al 10%. Las pruebas en escalón en
condiciones de ujo son esenciales porque
permiten evaluar las prestaciones de todo
el conjunto de válvula, en lugar de limitarse
al conjunto del actuador de la válvula, tal
como sucedería en la mayoría de las
condiciones de banco de pruebas.
2.1.1.3 Pruebas de prestaciones
En algunas pruebas de prestaciones de un
conjunto de válvula solo se compara la
carrera del vástago del actuador con la
señal de entrada. Esto es engañoso, porque
no tiene en cuenta las prestaciones de la
propia válvula.
Es fundamental medir las prestaciones
dinámicas de la válvula en condiciones de
ujo para que se pueda comparar el
cambio de la variable de proceso con el
cambio de la señal de entrada del conjunto
de válvula. Importa poco si solo cambia el
vástago de la válvula en respuesta a un
cambio de la entrada de la válvula, dado
que si no hay un cambio correspondiente
en la variable controlada, no habrá
corrección de la variable de proceso.
En las tres pruebas de válvulas (Figura 2.3),
el movimiento del vástago del actuador
cambia con bastante exactitud en
respuesta a los cambios de la señal de
entrada. Por otra parte, hay una gran
diferencia en la capacidad de cada válvula
para cambiar el ujo en respuesta al
cambio de la señal de entrada.
En el caso de la Válvula A, la variable de
proceso (caudal) responde bien a señales
de entrada que pueden ser tan bajas como
de 0,5. La Válvula B requiere cambios de
señal de entrada de hasta el 5% antes de
empezar a responder con exactitud a cada
uno de los escalones de señal de entrada.
El funcionamiento de la Válvula C es
bastante peor, requiere cambios de señal
de hasta el 10% antes de empezar a
responder con exactitud a cada uno de los
escalones de señal de entrada. La
capacidad de las válvulas B o C para
mejorar la variabilidad de proceso es muy
deciente.
2.1.1.4 Fricción
La fricción es una gran responsable de la
banda muerta en las válvulas de control.
Las válvulas rotativas suelen ser muy
susceptibles a la fricción provocada por las
altas cargas de asiento que se necesitan
para obtener el cierre con algunos diseños
de junta. Debido a la elevada fricción de la
junta y a la escasa rigidez del mecanismo
de transmisión, se produce el wind-up de
la echa de la válvula y no transere
movimiento al elemento de control. Como
consecuencia, una válvula rotativa de
diseño defectuoso puede mostrar una
banda muerta importante que tiene
claramente un efecto negativo en la
variabilidad de proceso.
Los fabricantes suelen lubricar los asientos
de las válvulas rotativas durante la
producción, pero esa lubricación
desaparece al cabo de unos pocos
centenares de ciclos. Además, las cargas
inducidas por presión también desgastan
la junta. De ese modo, la fricción de la
válvula puede aumentar un 400% o más en
algunos diseños de válvula. Esto ilustra las
conclusiones engañosas sobre
comportamiento que pueden derivarse de
la evaluación de productos mediante datos
obtenidos en banco de pruebas antes de
que se estabilice el par. Las válvulas B y C
(Figura 2.3) muestran el efecto devastador
que pueden tener esos factores de par de
fricción elevada en el desempeño de la
válvula.
36
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
La fricción de la empaquetadura es la
principal fuente de fricción en las válvulas
de vástago deslizante. En esos tipos de
válvulas, la fricción medida puede variar
mucho en función de los estilos de válvula
y la disposición de la empaquetadura.
El estilo de actuador también tiene un
profundo impacto en la fricción del
conjunto de válvula de control. En general,
los actuadores de resorte y diafragma
provocan menor fricción al conjunto de la
válvula de control que los actuadores de
pistón. Una ventaja adicional de los
actuadores de resorte y diafragma es que
sus características de fricción se vuelven
más uniformes con el tiempo. Tal vez la
fricción del actuador de pistón aumente
notablemente con el uso a medida que se
desgasten las supercies de guía y las
juntas tóricas, falle la lubricación y se
deteriore el elastómero. De este modo,
para asegurar un buen rendimiento
continuo, se requiere un mantenimiento
más frecuente para los actuadores de
pistón que para los de diafragma. Si no se
lleva a cabo ese mantenimiento, la
variabilidad de proceso puede verse
gravemente afectada sin que el operador
lo sepa.
La holgura interrumpe el movimiento
cuando el dispositivo cambia de dirección.
La holgura suele producirse en los
accionamientos de engranajes de diversas
conguraciones. Los actuadores de
cremallera y piñón tienen una fuerte
tendencia a la banda muerta debido a la
holgura. Algunas conexiones de echa de
válvula también presentan efectos de
banda muerta. Las conexiones ranuradas
suelen tener mucha menos banda muerta
que los diseños de eje de chaveta o de
doble D.
Si bien la fricción se puede reducir mucho
con un buen diseño de la válvula, es un
fenómeno difícil de eliminar por completo.
Una válvula de control bien diseñada debe
ser capaz de eliminar virtualmente la
banda muerta debida a holgura y a
wind-up de la echa.
Para lograr un comportamiento óptimo en
la reducción de la variabilidad de proceso,
la banda muerta total de todo el conjunto
de la válvula debe ser del 1% o menos. Lo
ideal es que no supere el 0,25%.
2.1.2 Diseño de actuador y posicionador
El diseño del actuador y del posicionar debe
calcularse en conjunto. La combinación de
esas dos piezas afecta mucho al comportamiento estático (banda muerta), así como a
la respuesta dinámica del conjunto de válvu-
la de control y al consumo total de aire del
instrumental de la válvula.
Los posicionadores se utilizan en la mayoría
de las aplicaciones actuales con válvula de
control. Permiten una respuesta precisa del
conjunto de válvula así como realizar
diagnósticos online si se emplean con un
sistema de control digital convencional.
Frente a la importancia creciente del
rendimiento económico del control de
proceso, los posicionadores se deben tener
en cuenta para todas las aplicaciones de
válvulas en las que sea importante la
optimización de procesos.
Se puede considerar que un posicionador
es un dispositivo de alta ganancia
proporcional. Al combinarse con un
actuador y una válvula, el conjunto,
idealmente, se comportará como un
sistema de primer orden o de segundo
orden subamortiguado, dependiendo del
uso y del comportamiento que se desee.
Un controlador de válvula digital tiene
parámetros de ajuste adicionales, como la
ganancia derivada, cuyo n principal es la
eliminación de características indeseadas y
un mayor ajuste del conjunto para lograr el
comportamiento buscado. Muchos
posicionadores también integran la
capacidad de eliminar cualquier
descompensación entre el punto de ajuste
y la posición de la válvula. En la mayoría de
las situaciones de control de procesos, esa
función se puede desactivar para eliminar
la posibilidad de que forme oscilaciones
lentas de proceso, dado que la desviación
entre la posición y el punto de ajuste de la
válvula suele resolverla el controlador de
procesos.
37
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Cuando el posicionador detecta un cambio
en el punto de ajuste debe ser capaz de
aportar un gran volumen de aire al
actuador, para hacer que el conjunto se
mueva de manera precisa y controlada. Esa
capacidad proviene del posicionador de
alta ganancia y es una función del
amplicador neumático integrado en el
posicionador. Normalmente, dicho
amplicador neumático se compone de un
relé o de una válvula de carrete.
En general, los posicionadores de dos fases
y alto rendimiento cuentan con relés
neumáticos. Se preere el uso de relés
porque ofrecen alta ganancia para un
excelente rendimiento dinámico con un
consumo de aire de régimen permanente
bajo. Además, están menos sujetos a la
contaminación del uido. Por otra parte,
algunos actuadores grandes o de alta
fricción cuentan con amplicadores
externos adicionales para cumplir las
especicaciones, como la de velocidad de
recorrido.
Los diseños de posicionador siguen
mejorando la reducción del consumo de
aire y las capacidades de diagnóstico para
los usuarios. También se han añadido
características para satisfacer los requisitos
de seguridad de la industria, como los
sistemas instrumentados de seguridad SIS
(safety instrumented systems) y las
válvulas digitales optimizadas.
2.1.3 Tiempo de respuesta de las válvulas
Para el control óptimo de muchos
procesos, es importante que la válvula
alcance con rapidez una posición
determinada. La respuesta rápida a
cambios de señal pequeños (del 1% o
menos) es uno de los factores más
importantes para ofrecer un control de
proceso óptimo. En el control regulador
automático, la mayoría de los cambios de
señal recibidos del controlador son para
lograr cambios de posición pequeños. Si
un conjunto de válvula de control puede
responder con rapidez a esos cambios
pequeños, mejora la variabilidad de
proceso.
El tiempo de respuesta de la válvula se
mide con un parámetro llamado T63. T63
es el tiempo medido desde el inicio del
cambio de la señal de entrada hasta que la
salida alcanza el 63% del cambio
correspondiente. Incluye el tiempo muerto
del conjunto de válvula, que es un tiempo
estático, y su tiempo dinámico. El tiempo
dinámico es una medida de lo que tarda el
actuador en alcanzar una vez el punto del
63% y empezar a moverse.
2.1.3.1 Tiempo muerto
La banda muerta, tanto si procede de la
fricción en el cuerpo y el actuador de la
válvula como del posicionador, puede
afectar en gran medida al tiempo muerto
del conjunto de la válvula. Es importante
mantener el tiempo muerto lo más corto
posible, ya que puede ser un factor que
limite la estabilidad del proceso. En
general, el tiempo muerto no debe superar
un tercio del tiempo de respuesta total de
la válvula. Sin embargo, es vital la relación
relativa entre el tiempo muerto y la
constante de tiempo del proceso. Si el
conjunto de la válvula es un bucle rápido
en el que la constante de tiempo de
proceso se acerca al tiempo muerto, este
puede afectar mucho al rendimiento del
bucle. En esos bucles rápidos, es
fundamental seleccionar un equipo de
control con el menor tiempo muerto
posible.
Además, en cuanto al punto de ajuste del
bucle, es importante que el tiempo muerto
sea relativamente uniforme en las dos
direcciones de carrera de la válvula.
Algunos diseños de conjunto de válvula
pueden tener tiempos muertos de tres a
cinco veces más largos en una dirección de
carrera que en la otra. Este tipo de
comportamiento suele estar inducido por
el comportamiento asimétrico del diseño
del posicionador y puede limitar
gravemente la capacidad de ajustar el
bucle para conseguir un mejor rendimiento
general.
38
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Tiempo de respuesta de la válvula
Paso progresivo Segundos T(d) Segundos T63
ESPEC. ENTECH TAMAÑO VÁLVULA 4 PULG. % s0.2 s0.6
Válvula A (Fisher V150HD/1052(33)/3610J)
Acción de válvula: Apertura 2 0,25 0,34
Acción de válvula: Cierre -2 0,50 0,74
Acción de válvula: Apertura 5 0,16 0,26
Acción de válvula: Cierre -5 0,22 0,42
Acción de válvula: Apertura 10 0,19 0,33
Acción de válvula: Cierre -10 0,23 0,46
Válvula B
Acción de válvula: Apertura 2 5,61 7,74
Acción de válvula: Cierre -2 0,46 1,67
Acción de válvula: Apertura 5 1,14 2,31
Acción de válvula: Cierre -5 1,04 2
Acción de válvula: Apertura 10 0,42 1,14
Acción de válvula: Cierre -10 0,41 1,14
Válvula C
Acción de válvula: Apertura 2 4,4 5,49
Acción de válvula: Cierre -2 NR NR
Acción de válvula: Apertura 5 5,58 7,06
Acción de válvula: Cierre -5 2,16 3,9
Acción de válvula: Apertura 10 0,69 1,63
Acción de válvula: Cierre -10 0,53 1,25
NR = No responde
Figura 2.4 Resumen de tiempo de respuesta de las válvulas
2.1.3.2 Tiempo dinámico
Cuando el tiempo muerto ha concluido y la
válvula empieza a responder, el resto de su
tiempo de respuesta procede del tiempo
dinámico del conjunto de válvula. Este
tiempo dinámico estará determinado
principalmente por las características
dinámicas de la combinación del
posicionador y del actuador. Es necesario
combinar esos dos componentes con
cuidado para reducir el tiempo de
respuesta total de la válvula. Por ejemplo,
en un conjunto de válvula neumática, el
posicionador debe tener una ganancia para
reducir el tiempo dinámico. Esa ganancia
procede mayormente de la fase de
amplicador de potencia del posicionador.
Es decir, cuanto más rápido el relé del
posicionador o la válvula de carrete puedan
suministrar un gran volumen de aire al
actuador, más rápido será el tiempo de
respuesta de la válvula. No obstante, ese
amplicador de potencia de alta ganancia
tendrá escaso efecto en el tiempo muerto,
a menos que se le haya diseñado una
39
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
banda muerta intencionada para reducir el
consumo de aire estático. Como es obvio,
el diseño del actuador afecta en gran
medida al tiempo dinámico. Por ejemplo,
cuanto mayor sea la cámara de aire del
actuador que se deba llenar, más lento será
el tiempo de respuesta.
2.3.1.3 Soluciones
En primer lugar, podría parecer que la
solución sería reducir el volumen del
actuador y ampliar la ganancia de potencia
dinámica del posicionador, pero en
realidad no resulta sencillo. Esta podría ser
una combinación de factores arriesgada en
cuanto a la estabilidad. Si se reconoce que
la combinación de posicionador/actuador
es su propio bucle de realimentación, es
posible hacer que la ganancia del bucle de
posicionador/actuador sea demasiado alta
para el diseño de actuador utilizado, por lo
que el conjunto de válvula podría entrar en
una oscilación inestable. Además, la
reducción del volumen del actuador tiene
un efecto adverso en la relación empuje-
fricción, que aumenta la banda muerta del
conjunto de válvula generando un tiempo
muerto mayor.
Si la relación empuje-fricción total no es
adecuada para una aplicación
determinada, una opción es aumentar la
capacidad de empuje del actuador
utilizando el tamaño de actuador siguiente
o aumentando la presión en el actuador.
Esa mayor relación de fricción reduce la
banda muerta y esto debería contribuir a la
reducción del tiempo muerto del conjunto.
Sin embargo, esas dos alternativas podrían
implicar la necesidad de enviar un mayor
volumen de aire al actuador. Lo que se
puede obtener es un efecto negativo en el
tiempo de respuesta de la válvula por un
tiempo dinámico mayor.
Una manera de reducir el volumen de la
cámara de aire del actuador es usar un
actuador de pistón en lugar de un actuador
de resorte y diafragma, aunque esto no es
una panacea. Los actuadores de pistón
suelen tener mayor capacidad de empuje
que los de resorte y diafragma, pero
también tienen mayor fricción, lo cual
puede generar problemas con el tiempo de
respuesta de la válvula. Para obtener el
empuje necesario con un actuador de
pistón suele ser necesario aplicar mayor
presión de aire que con un actuador de
diafragma, porque el pistón normalmente
tiene una supercie menor. Es decir, es
necesario suministrar un mayor volumen
de aire, con los consiguientes efectos
negativos en el tiempo dinámico. Por otra
parte, los actuadores de pistón, con su
mayor número de supercies de guía,
tienden a tener mayor fricción por las
dicultades inherentes de alineación, así
como por la fricción de la junta tórica. Esos
problemas de fricción suelen agravarse con
el paso del tiempo. Con independencia de
la buena calidad que puedan tener las
juntas tóricas inicialmente, esos materiales
elastoméricos se degradan con el tiempo
por el desgaste y otras condiciones
ambientales. De igual manera, el desgaste
de las supercies de guía aumentará la
fricción y se producirá la desaparición de la
lubricación. Esos problemas de fricción
provocan mayor banda muerta en el
actuador de pistón, lo cual aumentará el
tiempo de respuesta de la válvula por el
aumento del tiempo muerto.
2.3.1.4 Presión de suministro
La presión de suministro del instrumento
también puede tener un gran impacto en
el rendimiento dinámico del conjunto de la
válvula. Por ejemplo, puede afectar mucho
a la ganancia del posicionador, así como al
consumo de aire total.
Los posicionadores de ganancia ja en
general están optimizados para una
presión de suministro determinada. Esa
ganancia, sin embargo, puede tener una
variación de uno, dos o más factores en un
rango pequeño de presiones de
suministro. Por ejemplo, en un
posicionador que se haya optimizado para
una presión de suministro de 20 psig, su
ganancia podría recortarse a la mitad
cuando la presión de suministro
aumentara a 35 psig.
La presión de suministro también afecta al
volumen de aire suministrado al actuador,
lo que determina la velocidad. Además,
está directamente vinculada al consumo
40
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
de aire. Los posicionadores de válvula de
alta ganancia pueden consumir hasta cinco
veces la cantidad de aire necesaria para
unas prestaciones más elevadas, con
posicionadores de dos fases que utilicen
relés en la fase de amplicación de
potencia.
2.3.1.5 Reducción del tiempo muerto
Para minimizar el tiempo muerto del
conjunto de válvula, reduzca la banda
muerta, tanto si procede de la fricción en el
diseño de junta de la válvula, como de la
fricción de la empaquetadura, el wind-up
de la echa, el actuador o el diseño del
posicionador. Como ya se ha dicho, la
fricción es una gran responsable de la
banda muerta en las válvulas de control. En
los estilos de válvula rotativa, el wind-up de
la echa también puede contribuir en gran
medida a la banda muerta. El estilo de
actuador también tiene un profundo
impacto en la fricción del conjunto de
válvula de control. En general, los
actuadores de resorte y diafragma
provocan menor fricción al conjunto de la
válvula de control que los actuadores de
pistón a lo largo de un periodo prolongado.
Como se ha indicado, esto está provocado
por el aumento de fricción de la junta
tórica del pistón, problemas de alineación
y una lubricación insuciente.
Contar con un diseño de posicionador de
alta ganancia puede representar una gran
diferencia en la reducción de la banda
muerta. Por otra parte, puede mejorar
mucho la resolución del conjunto de la
válvula. Los conjuntos de válvula con banda
muerta y resolución del 1% o menos ya no
son adecuados para muchas de las
necesidades de reducción de la variabilidad
de proceso. Muchos procesos requieren
que el conjunto de válvula tenga una banda
muerta y una resolución de apenas 0,25%,
en especial si se instala en un bucle de
proceso rápido.
2.3.1.6 Tiempo de respuesta de las válvulas
Una de las cosas sorprendentes que han
surgido de muchas investigaciones
industriales sobre el tiempo de respuesta
de las válvulas ha sido el cambio de opinión
respecto a los actuadores de resorte y
diafragma frente a los de pistón. En la
industria de procesos ha habido durante
mucho tiempo la opinión errada de que los
actuadores de pistón son más rápidos que
los de resorte y diafragma. Los estudios
han demostrado que esto no es verdad
respecto a los cambios de señal pequeños.
Esa creencia errónea procede de muchos
años de experiencia en la prueba del
tiempo de carrera de las válvulas. Para
realizar la prueba del tiempo de carrera se
suele someter la válvula a un cambio en
escalón del 100% de la señal de entrada y
se mide el tiempo que tarda el conjunto de
la válvula en completar la primera carrera
en cualquiera de las direcciones.
Si bien la válvulas activadas por pistón
suelen tener tiempos de carrera más
rápidos que la mayoría de válvulas
activadas por resorte y diafragma, esa
prueba no demuestra el rendimiento de la
válvula en una situación típica de control
de proceso en la que, en aplicaciones de
control de proceso normales, casi nunca se
requiere que la válvula realice la carrera en
todo el rango de funcionamiento. Lo más
típico es que la válvula solo deba responder
en un rango de cambio del 0,25% al 2% en
la posición de la válvula. Pruebas exhaustivas realizadas con válvulas han demostrado
que los conjuntos de válvula con resorte y
diafragma superan sistemáticamente a las
válvulas activadas por pistón en cuanto a
cambios de señal pequeños, que son más
representativos de las aplicaciones de
control de proceso reguladoras. La mayor
fricción en el actuador del pistón es un
factor que hace que respondan menos a las
señales pequeñas que los actuadores de
resorte y diafragma.
No es fácil elegir bien la combinación de
válvula, actuador y posicionador. No se
trata sencillamente de encontrar una
combinación que sea físicamente
compatible. Se debe aplicar un buen
criterio técnico sobre el tamaño y la
elección del conjunto de válvula para
conseguir el mejor rendimiento dinámico
del bucle.
41
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
En la Figura 2.4 se muestran las grandes
diferencias de tiempo muerto y tiempo de
respuesta T63 total provocadas por las
diferencias en el diseño del conjunto de la
válvula.
2.1.4 Tipo y caracterización de válvulas
El estilo y el tamaño de la válvula utilizada
pueden tener un gran impacto en las
prestaciones del conjunto de la válvula de
control en el sistema. Si bien una válvula
debe tener un tamaño suciente para
suministrar el caudal requerido en todas las
circunstancias posibles, si es demasiado
grande para la aplicación perjudicará a la
optimización del proceso.
La capacidad de caudal de la válvula
también está relacionada con su estilo y
sus características inherentes. La
característica inherente es la relación entre
la capacidad de caudal de la válvula y su
carrera cuando la caída de presión
diferencial en toda la válvula se mantiene
constante.
Normalmente, esas características se
trazan como una curva, en la que el eje
horizontal está etiquetado con carrera
porcentual, aunque el eje vertical se
etiqueta como ujo porcentual (o Cv).
Dado que el caudal es una función de la
carrera de la válvula y la caída de presión en
toda la válvula, lo tradicional es realizar
pruebas de características inherentes de la
válvula a caída de presión constante. Esta
no es una situación normal en la práctica,
pero proporciona una manera sistemática
de comparar el diseño de características de
una válvula con el de otra.
En las condiciones especícas de caída de
presión constante, el caudal de la válvula se
convierte solo en una función de la carrera
de la válvula y en el diseño inherente de sus
internos. Dichas características se
denominan característica de ujo
inherente de la válvula. Las características
típicas de la válvula obtenidas de este
modo se denominan lineales,
equiporcentuales y de apertura rápida.
La relación entre el cambio incremental del
caudal de la válvula (salida) y el incremento
correspondiente de la carrera de la válvula
(entrada) que provocó el cambio de caudal
se dene como ganancia de la válvula.
Ganancia inherente de la válvula = (cambio de
caudal)/(cambio de carrera) = Pendiente de la
curva característica inherente
1000
Característica instalada
800
Flujo
600
(gpm)
400
200
0
3
Ganancia
2
(% flujo /
% entrada)
Figura 2.5 Característica de ujo instalada y ganancia
42
1
Ganancia instalada
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rango de control
Carrera de la válvula (%)
Especificaciones
de ganancia
de EnTech
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
La característica lineal tiene una ganancia
constante inherente de la válvula a través
de su rango, y la característica de apertura
rápida tiene una ganancia inherente de la
válvula que es la mayor en el extremo
inferior del rango de carrera. La mayor
ganancia inherente de la válvula
equiporcentual se produce en la mayor
apertura de la válvula.
La característica inherente de la válvula es
una función inherente de la geometría de
paso de ujo de la misma y no cambia
mientras la caída de presión se mantenga
constante. Muchos diseños de válvula, en
especial de las válvulas de bola rotativas,
de mariposa y de obturador excéntrico,
tienen características inherentes que no se
pueden cambiar con facilidad. Sin
embargo, la mayoría de las válvulas de
globo tienen una selección de jaulas u
obturadores de válvula que se pueden
intercambiar para modicar la
característica de ujo inherente.
Es útil conocer la característica inherente
de la válvula, pero la característica más
importante en cuanto a la optimización de
proceso es la característica de ujo
instalada de todo el proceso, incluida la
válvula y todos los demás equipos del
bucle. La característica de ujo instalada se
dene como la relación entre el caudal que
uye por la válvula y la entrada del
conjunto de válvula cuando está instalado
en un sistema especíco y se permite el
cambio natural de la caída de presión en
toda la válvula en lugar de mantenerla
constante. En la curva superior de la
Figura 2.5 se ilustra esa característica de
ujo instalada. El ujo de la gura está
relacionado con la carrera de válvula más
conocida y no con la entrada del conjunto
de válvula.
2.1.4.1 Ganancia instalada
La ganancia instalada, que se muestra en la
curva inferior de la Figura 2.5, es un
trazado de la pendiente de la curva
superior en cada punto. Las curvas de
característica de ujo instalada se pueden
obtener en condiciones de laboratorio
situando todo el bucle en funcionamiento
en algún punto de ajuste nominal y sin
alteraciones de carga. El bucle se sitúa en
operación manual y, a continuación, el
caudal se mide y registra mientras el
conjunto de válvula de control se acciona
manualmente a través de todo el rango de
carrera. El trazado del resultado de la
característica de ujo instalada es la curva
que aparece en la parte superior de la
Figura 2.5. A continuación se evalúa la
pendiente de caudal en cada punto de la
curva y se traza como la ganancia
instalada, tal como se indica en la parte
inferior de la Figura 2.5.
Las mediciones de la ganancia de proceso
instalada también se pueden realizar en un
solo punto operativo mediante pruebas en
escalón de bucle abierto (Figura 2.3). La
ganancia de proceso instalada en cualquier
condición operativa es sencillamente la
relación entre el cambio porcentual de la
salida (caudal) y el cambio porcentual de la
señal de entrada del conjunto de válvula.
La razón de la caracterización de la
ganancia de válvula inherente mediante
diversos diseños de internos de la válvula
es proporcionar la compensación de otros
cambios de ganancia en el bucle de
control. El objetivo nal es mantener una
ganancia de bucle que sea razonablemente
uniforme en todo el rango operativo con el
n de asegurar una característica de ujo
instalada relativamente lineal en el
proceso. Por la manera en que se miden, la
característica de ujo instalada y la
ganancia instalada que se representan en la
Figura 2.5 son en realidad la ganancia
instalada y la característica de ujo de todo
el proceso.
Típicamente, la ganancia de la unidad que
se controla cambia con el caudal. Por
ejemplo, la ganancia de un recipiente a
presión tiende a reducirse con el trabajo.
En este caso, el ingeniero de control de
procesos probablemente deseará utilizar
una válvula equiporcentual que tenga una
ganancia creciente con el caudal. Lo ideal
sería que esas dos relaciones inversas se
equilibraran para ofrecer una característica
de ujo instalada más lineal en todo el
proceso.
43
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Característica de flujo instalada y ganancia
2.1.4.2 Ganancia de bucle
En teoría, un bucle se ha ajustado para un
rendimiento óptimo en alguna condición
de caudal con punto de ajuste. Al variar el
caudal respecto a ese punto de ajuste, lo
deseable es mantener la ganancia de bucle
lo más constante que sea posible con el n
de asegurar un rendimiento óptimo. Si la
ganancia de bucle cambia debido a la
característica de válvula inherente y no
compensa exactamente la ganancia
cambiante de la unidad que se controla,
habrá una variación en la ganancia de bucle
por la variación de la ganancia de proceso
instalada. Como consecuencia, la
optimización del proceso es más difícil.
También existe el riesgo de que la ganancia
de bucle pueda cambiar lo suciente como
para generar inestabilidad, limitar el ciclo o
crear otras complicaciones dinámicas.
La ganancia de bucle no debería variar más
de 4:1; de otro modo, el rendimiento
dinámico del bucle se deteriora de manera
inaceptable. No hay nada de magia en esa
relación especíca; es sencillamente una en
la que muchos practicantes del control
coinciden en que genera un rango
aceptable de márgenes de ganancia en la
mayoría de los bucles de control de
proceso.
Esta directriz es la base en que se funda la
siguiente especicación de límites de
ganancia de EnTech (tomado de Control
Valve Dynamic Specication, Versión 3.0,
noviembre de 1998, EnTech Control Inc.,
Toronto, Ontario, Canadá):
Ganancia de proceso en bucle = 1 (% de
intervalo de transmisor)/(% de salida de
controlador)
Rango nominal: 0,5-2,0
(Nótese la relación de 4 a 1)
Esta denición del proceso de bucle incluye
todos los dispositivos de la conguración
del bucle, excepto el controlador. Dicho de
otro modo, el producto de las ganancias de
dichos dispositivos, como el conjunto de
válvula de control, el intercambiador de
calor, el recipiente a presión u otros
sistemas que se controlen, la bomba, el
transmisor, etc., es la ganancia de proceso.
Dado que la válvula forma parte del
proceso de bucle, como se ha dicho aquí,
es importante elegir un estilo y tamaño de
válvula que generen una característica de
ujo instalada lo bastante lineal para
mantenerse dentro de los límites de la
ganancia especicada en todo el rango de
funcionamiento del sistema. Si se produce
una variación de ganancia excesiva en la
propia válvula de control, habrá menos
1000
Flujo
(gpm)
Ganancia
800
600
400
200
0
3
2
Válvulas de
Válvulas de
(% flujo /
% entrada)
Figura 2.6 Efecto del estilo de válvula en el rango de control
44
1
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Globo
Característica instalada
Globo
Carrera de la válvula (%)
Ganancia instalada
Especificaciones
de ganancia
de EnTech
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
exibilidad para ajustar el controlador. Es
conveniente mantener tanta ganancia del
bucle en el controlador como sea posible.
Si bien la relación 4:1 del cambio de
ganancia en el bucle es ampliamente
aceptada, no todos están de acuerdo con
los límites de ganancia de 0,5 a 2. Algunos
expertos del sector han defendido el uso
de límites de ganancia de proceso del
bucle de 0,2 a 0,8, que sigue siendo 4:1. El
riesgo potencial de aplicar ese rango de
ganancia reducido es que el extremo
inferior de dicho rango podría derivar en
grandes oscilaciones de válvula durante el
funcionamiento normal. Es recomendable
mantener las oscilaciones de la válvula en
torno a un 5%. Sin embargo, también
existe el riesgo de que la ganancia se
vuelva demasiado grande. El bucle puede
volverse oscilante o incluso inestable si la
ganancia de bucle se vuelve demasiado
elevada en algún punto de la carrera. Los
expertos recomiendan que, para garantizar
un rendimiento dinámico y una estabilidad
de bucle aceptables en una gran variedad
de condiciones operativas, se diseñe el
equipo del bucle de modo que la ganancia
de proceso se mantenga dentro del rango
de 0,5 a 2.
2.1.4.3 Optimización de procesos
Para la optimización del proceso se
necesita elegir un estilo y tamaño de
válvula que mantenga la ganancia de
proceso dentro del rango seleccionado en
la variedad más amplia posible de
condiciones operativas. Dado que la
reducción de la variabilidad de proceso
depende en gran medida del
mantenimiento de una ganancia instalada
uniforme, el rango en el que puede
funcionar una válvula dentro de los límites
de ganancia aceptables se conoce como
rango de control de la válvula.
El rango de control de una válvula depende
mucho de su estilo. En la Figura 2.6 se
ilustra una válvula de mariposa de tamaño
de línea comparada con una válvula de
globo también de tamaño de línea. La
válvula de globo tiene un rango de control
mucho más amplio que la válvula de
mariposa. Otros estilos de válvula, como
las de bola con muesca en V o de
obturador excéntrico, se sitúan
generalmente entre esos dos rangos.
Dado que las válvulas de mariposa
normalmente tienen el rango de control
más reducido, suelen ser las más idóneas
para las aplicaciones de carga ja. Además,
se deben dimensionar con cuidado para un
desempeño óptimo con cargas jas.
Si la característica inherente de una válvula
pudiera seleccionarse para compensar
exactamente el cambio de ganancia del
sistema con caudal, podría esperarse que
la ganancia de proceso instalada (curva
inferior) fuera esencialmente una línea
recta a un valor de 1.
Lamentablemente, una coincidencia de
ganancias tan precisa es raramente
posible, debido a las limitaciones logísticas
de suministrar una variedad innita de
características inherentes de internos de
válvula. Debe añadirse que algunos estilos
de válvula, como los de mariposa y de bola,
no ofrecen internos alternativos que
faciliten el cambio de la característica de
válvula inherente.
Esta situación puede mejorarse con un
ajuste a escala no lineal entre el punto de
ajuste y la posición de la válvula. Con esta
técnica se recalibra la señal de entrada de
la válvula al tomar la señal del controlador
lineal y usar una tabla de valores
programada previamente con el n de
generar la entrada de válvula necesaria
para conseguir la característica de válvula
que se desee. Esta técnica se suele conocer
como cadena de acción o caracterización
de punto de ajuste.
Dicha caracterización se produce fuera del
bucle de realimentación del posicionador y
evita el cambio de la ganancia del bucle del
posicionador. Este método también tiene
limitaciones dinámicas. Por ejemplo,
puede haber puntos en el rango de una
válvula en el que un cambio de señal de
proceso del 1% pueda reducirse mediante
este proceso de caracterización a solo un
cambio de señal del 0,1% de la válvula (es
decir, en las zonas planas de la curva de
caracterización). Muchas válvulas de
45
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
control son incapaces de responder a unos
cambios de señal tan pequeños.
El mejor comportamiento de proceso se
produce cuando la característica de ujo
necesaria se obtiene mediante cambios en
los internos de la válvula y no con el uso de
caracterización no lineal. Un paso
fundamental para asegurar un
comportamiento de proceso óptimo es la
elección adecuada de una válvula de
control diseñada para generar una
característica de ujo lineal instalada en la
gama operativa del sistema.
2.1.5 Dimensionamiento de válvulas
El sobredimensionamiento de las válvulas
suele producirse cuando se trata de
optimizar el comportamiento de proceso
mediante una reducción de la variabilidad
de proceso. Esto deriva del uso de válvulas
de tamaño de línea, en especial válvulas
rotativas de gran capacidad, así como de la
incorporación conservadora de múltiples
factores de seguridad en diferentes etapas
del diseño de proceso.
El sobredimensionamiento de la válvula
perjudica la variabilidad de proceso de dos
maneras. En primer lugar, la válvula
sobredimensionada impone una ganancia
de válvula excesiva y reduce la exibilidad
de ajuste del controlador. El mejor
resultado se obtiene cuando la mayor
parte de la ganancia del bucle procede del
controlador.
Obsérvese que en la curva de ganancia de
la Figura 2.5, la ganancia de proceso se
eleva bastante en la zona por debajo del
25% aproximado de la carrera de la válvula.
Si la válvula se sobredimensiona facilitando
que funcione en esa zona o cerca de ella,
esa alta ganancia podría signicar que la
ganancia del controlador debe reducirse
para evitar problemas de inestabilidad con
el bucle. Esto, por supuesto, penalizará la
variabilidad de proceso con un incremento.
La segunda manera en que las válvulas
sobredimensionadas perjudican la
variabilidad de proceso es que ese tipo de
válvulas tal vez funcionen con mayor
frecuencia con aberturas de válvula
menores en las que la fricción de junta
puede ser mayor, en especial en el caso de
las válvulas rotativas. Dado que una válvula
sobredimensionada genera un cambio de
caudal desproporcionadamente grande en
un incremento dado de la carrera de la
válvula, ese fenómeno puede exagerar
mucho la variabilidad de proceso
relacionada con la banda muerta debida a
la fricción.
Con independencia de su característica de
válvula inherente real, una válvula
demasiado sobredimensionada tiende a
actuar más como una válvula de apertura
rápida, que provoca una alta ganancia de
proceso instalada en las zonas de elevación
inferiores (Figura 2.5). Además, al
sobredimensionar la válvula, esta tiende a
alcanzar la capacidad de sistema con una
carrera relativamente corta, por lo que la
curva de caudal se aplana a carreras de
válvula superiores (Figura 2.5). En las
carreras de válvula superiores a unos 50
grados, dicha válvula se ha vuelto
totalmente inecaz para nes de control
porque la ganancia de proceso se acerca a
cero y la válvula debe someterse a grandes
cambios de carrera con escasos resultados
de cambio en el caudal. Por lo tanto, hay
pocas esperanzas de conseguir una
variabilidad de proceso aceptable en esa
zona.
El uso de la válvula que se ilustra en la
Figura 2.5 está totalmente contraindicado
para esa aplicación por su escaso rango de
control (entre 25 y 45 grados). Esta
situación se debe a la elección de una
válvula de mariposa de tamaño de línea, en
primer lugar por su bajo coste, y no se tuvo
en cuenta la pérdida de benecios que se
deriva de sacricar la variabilidad de
proceso con un comportamiento dinámico
deciente de la válvula de control.
Lamentablemente, esa situación es
frecuente. Los estudios sobre control de
proceso ratican que, en algunos sectores,
la mayoría de las válvulas actualmente
integradas en bucles de control de proceso
están sobredimensionadas para la
aplicación. Aunque pueda parecer ilógico,
muchas veces tiene sentido en términos
económicos elegir una válvula de control
46
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Válvulas de 4" probadas a 600 gpm en bucle de prueba de 4"
6
5
4
Variabilidad,
2
3
(%)
2
1
Ajuste más rápido Ajuste más lento
0
Figura 2.7 Resumen de alteraciones de carga aleatorias en bucle cerrado
Manual
Auto
1 10
Constante de tiempo de bucle cerrado, (segundos)
Válvula A
Válvula B
Válvula C
Variabilidad
mínima
para las condiciones actuales y sustituirla
cuando estas cambien.
Al elegir una válvula, es importante tener
en cuenta su estilo, la característica
inherente y el tamaño que ofrecerá el
rango de control más amplio posible para
la aplicación.
Para obtener más información sobre
tamaños, consulte el Capítulo 5.
2.2 Resultados económicos
La atención a los factores expuestos en
este capítulo puede tener un efecto
considerable en los resultados económicos
de una planta en funcionamiento. Cada vez
son más los usuarios de válvulas de control
que se jan en los parámetros de
comportamiento dinámico, como la banda
muerta, los tiempos de respuesta y la
ganancia instalada (bajo las condiciones de
carga de proceso actuales) para mejorar el
rendimiento del bucle de proceso. Aunque
es posible medir muchos de esos
parámetros de comportamiento dinámico
en una situación de bucle abierto, el
impacto de esos parámetros queda claro al
medirse dicho comportamiento en bucle
cerrado. Los resultados de pruebas en
bucle cerrado que se muestran en la
Figura 2.7 evidencian la capacidad de tres
válvulas distintas para reducir la
variabilidad de proceso en condiciones de
ajuste diferentes.
En este diagrama la variabilidad de proceso
se traza como porcentaje variable del
punto de ajuste frente a la constante de
tiempo en bucle cerrado, lo cual es una
medida del ajuste de bucle.
La línea horizontal etiquetada como
“Manual” muestra cuánta variabilidad es
inherente al bucle cuando no se intenta
controlarlo (bucle abierto). La línea que
desciende hacia la izquierda, señalada
como “Variabilidad mínima”, representa el
comportamiento dinámico calculado de
un conjunto de válvula ideal (sin falta de
linealidades). Todos los conjuntos de
válvulas reales deberían situarse,
normalmente, entre esas dos condiciones.
47
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
No todas las válvulas ofrecen el mismo
comportamiento dinámico aunque en
teoría todas satisfagan las especicadores
de compra sobre comportamiento estático
y se consideren válvulas equivalentes
(Figura 2.7). La válvula A de la Figura 2.7
sigue adecuadamente la tendencia de la
línea de variabilidad mínima en un amplio
rango de ajustes de controlador. Esa
válvula muestra un excelente
comportamiento dinámico con una
variabilidad mínima. Por el contrario, los
diseños de las válvulas B y C no presentan
tan buen resultado y aumentan la
variabilidad cuando el sistema se ajusta con
mayor intensidad para reducir las
constantes de tiempo en bucle cerrado.
Los tres diseños de válvula pueden
controlar el proceso y reducir la
variabilidad, pero dos de ellos no lo hacen
tan bien. Téngase en cuenta qué sucedería
si la válvula B, de peor rendimiento, se
sustituyera por la válvula A, más eciente,
y el sistema se ajustara a una constante de
tiempo de bucle cerrado de 2 segundos.
Los datos de prueba indican que se lograría
un 1,4% de mejora en la variabilidad de
proceso. Tal vez no parezca mucho, pero al
cabo del tiempo el resultado puede ser
impresionante. Una válvula que ofrezca esa
mejora cada minuto de cada día puede
ahorrar mucho dinero en un solo año.
El comportamiento de la mejor válvula del
ejemplo demuestra claramente que un
conjunto de válvula de control superior
puede provocar un profundo impacto
económico. Este ejemplo demuestra solo
una manera en que una válvula de control
puede aumentar los benecios mediante
un control más preciso. El menor coste de
energía, el aumento de la producción, la
reducción de los costes de reprocesado de
productos fuera de especicación, etc.,
son maneras en las que una buena válvula
de control puede aumentar los resultados
económicos mediante un control más
ajustado. Si bien el coste inicial de una
buena válvula de control puede ser mayor,
el poco dinero adicional invertido en una
válvula de control bien diseñada puede
aumentar considerablemente el retorno de
la inversión. Muchas veces el gasto inicial
adicional en la válvula se puede recuperar
en cuestión de días.
Como consecuencia, en las industrias de
proceso se va tomando conciencia de que
los conjuntos de válvula de control
desempeñan un papel importante en los
resultados de bucle/unidad/planta.
También han llegado a la conclusión de
que los métodos tradicionales de
especicación de los conjuntos de válvula
ya no son adecuados para garantizar las
ventajas de la optimización de proceso.
Aunque son importantes, esos indicadores
de comportamiento estático como la
capacidad de caudal, las fugas, la
compatibilidad de materiales y los datos de
resultados en banco de pruebas, no son
debidamente adecuados para resolver las
características dinámicas de los bucles de
control de proceso.
2.3 Resumen
El conjunto de válvula de control
desempeña un papel determinante en la
obtención del mejor comportamiento
posible del bucle de control. La
optimización de proceso requiere la
mejora de todo el proceso, no solo los
algoritmos de control utilizados en los
equipos de la sala de control. La válvula es
considerada el elemento de control nal
porque el conjunto de válvula de control es
donde se implementa el control de
proceso. No tiene sentido instalar una
compleja estrategia de control de proceso
y un sistema de instrumentos de hardware
capaz de conseguir un control de proceso
del 0,5% o mejor, y después complementar
esa estrategia de control con una válvula
de control que ofrezca un 5% o aún peor.
Las auditorías realizadas en miles de bucles
de control de proceso han demostrado
claramente que el elemento de control
nal desempeña un importante papel en la
obtención de una auténtica optimización
de proceso. La rentabilidad aumenta
cuando una válvula de control se ha
diseñado adecuadamente para su
aplicación.
48
Guía de válvulas de control | Capítulo 2: Prestaciones de la válvula de control
Las válvulas de control son productos
sosticados de tecnología avanzada que
no se deben tratar como un bien de
consumo. Aunque las especicaciones de
válvula tradicionales son importantes,
también deben tenerse en cuenta las
características de comportamiento
dinámico reales si se quiere conseguir una
verdadera optimización de proceso. Es
fundamental que esas especicaciones
incluyan parámetros tales como banda
muerta, tiempo muerto, tiempo de
respuesta y demás.
Por último, la optimización de proceso
empieza y termina con la optimización de
todo el bucle. Hay partes del bucle que no
se pueden tratar por separado para
conseguir un comportamiento de bucle
coordinado. De igual manera, no se puede
evaluar por separado el comportamiento
de parte alguna del bucle. Los ensayos en
condiciones de banco de pruebas sin carga
no ofrecen los datos de comportamiento
que se consiguen al probar los equipos en
condiciones de proceso reales.
49
Capítulo 3
Tipos de válvulas y actuadores
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
3.1 Estilos de válvula de control
La válvula de control regula la velocidad del
uido cuando el actuador fuerza el cambio
de posición del elemento de cierre de la
válvula. Para ello, la válvula debe:
Contener el uido sin fugas externas.
Tener la capacidad adecuada para el
servicio a que se destine.
Ser capaz de resistir las inuencias
erosivas, corrosivas y de temperatura
del proceso, y además
Incorporar conexiones nales adecuadas para el empalme con tuberías
adyacentes y medios de acoplamiento
del actuador que permitan la transmi-
sión del empuje del actuador al
vástago o echa de la válvula.
A lo largo de los años se han desarrollado
muchos estilos de cuerpos de válvulas de
control. Algunos han encontrado un
amplio campo de aplicación, en tanto que
otros cumplen condiciones de servicio
especícas y se utilizan con menor
frecuencia. A continuación se resume la
descripción de algunos estilos de cuerpo
de válvula de control actualmente en uso. n
ofrecer un ujo de menor capacidad,
atenuación de ruido y reducción o
eliminación de la cavitación.
Las válvulas de ángulo (Figura 3.1) se
suelen utilizar en los servicios de agua
de alimentación de calderas y de drena-
je de calentadores, así como en
sistemas de tuberías en espacios
reducidos, donde la válvula también
puede servir de codo. La válvula que se
ilustra tiene una estructura de estilo
jaula. Otras pueden tener conexiones
de salida ampliadas, internos de
capacidad limitada o salidas revestidas
para reducir los daños causados por
erosión, vaporización (ashing) o
cavitación.
3.1.1 Válvulas de globo
3.1.1.1 Cuerpos de válvula de puerto único
El estilo de cuerpo de válvula de puerto
único es el más común y tiene una
estructura sencilla.
Las válvulas de puerto único están
disponibles en diversas formas, como
globo, ángulo, barra sólida, forjadas y
partidas.
En muchos cuerpos de válvula de un
solo asiento se utiliza una estructura de
jaula o de retención para retener el
anillo de asiento, guiar el obturador de
la válvula y proporcionar un medio para
establecer determinadas características
de ujo.
Los cuerpos de válvula de un solo
asiento con jaula o retén también se
pueden modicar fácilmente mediante
el cambio de piezas de los internos para
alterar las características de ujo u
Figura 3.1 Cuerpo de válvula de control de ángulo bridada
Para las aplicaciones corrosivas se
suelen recomendar cuerpos de válvula
de aleación (consulte la Figura 3.2). Se
pueden elaborar con barra sólida,
fundidas o forjadas. Cuando se
requieren aleaciones exóticas para la
resistencia a la corrosión, en algunos
casos un cuerpo de válvula de barra ja
es más económico que uno fundido.
También se pueden utilizar válvulas con
revestimiento de polímero.
Las válvulas de alta presión se suelen
emplear en las industrias de
hidrocarburos y energía y están
disponibles según CL4500 o API
51
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
10.000. Pueden ser diseños de globo o
ángulo y suelen tener internos
especiales para aplicaciones de
servicios exigentes.
Las válvulas de globo guiadas por
vástago son las más habituales en la
producción de petróleo y gas. Las
variantes disponibles incluyen bonete
roscado y ángulo de autodrenaje. Las
versiones bridadas están disponibles
con calicación clase 2500.
3.1.1.2 Cuerpos de válvulas guiadas por poste y puerto
Se especican, en general, para
aplicaciones con requisitos de cierre
estricto. Tienen supercies de asiento
de metal-metal o asientos blandos con
materiales como PTFE u otros
materiales compuestos que forman el
cierre. Son válvulas aptas para la
mayoría de necesidades de servicio.
Dado que normalmente toda la zona
del puerto se carga con uido a alta
presión, se debe tener en cuenta la
fuerza inestable que se forma al elegir
actuadores para cuerpos de válvula de
control guiadas por poste y puerto.
Aunque es más habitual el uso de
tamaños más pequeños, las válvulas
guiadas por poste y puerto también se
utilizan en tamaños NPS 4-8 (DN
100-200) con actuadores de gran
empuje.
Pueden ser objeto de vibraciones por
caídas de alta presión, de modo que
hay que tener cuidado con su diseño al
elegirlas.
En la Figura 3.3 se ilustra uno de los estilos
más habituales de cuerpos de válvula de
control tipo globo guiadas por poste. Son
muy utilizadas en aplicaciones de control
de proceso, en especial en NPS 1-4
(DN 20-100).
La dirección de ujo habitual es ascendente
a través del anillo de asiento.
3.1.1.3 Cuerpos de válvula de estilo jaula
Los internos estilo jaula (Figura 3.4)
proporcionan guiado del obturador,
retención del anillo de asiento y
caracterización de ujo.
Además, hay a disposición diversos
materiales y estilos de cierre para sellar
entre la parte superior del diámetro
exterior del obturador de la válvula y el
oricio de la jaula para limitar fugas del
uido de alta presión aguas arriba hacia el
sistema de menor presión aguas abajo. En
los diseños estables, la presión aguas abajo
actúa en los lados superior e inferior del
obturador de la válvula, para anular la
mayoría de la fuerza inestable estática. La
reducción de la fuerza inestable permite
utilizar la válvula con actuadores más
pequeños que los que son necesarios para
unos internos de válvula inestable. La
Figura 3.2 Cuerpo de válvula de barra ja
52
Figura 3.3. Cuerpo de válvula de globo de un puerto
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
posibilidad de intercambiar internos
favorece la elección de diversas
características de ujo, atenuación de
ruido, anticavitación y otras prestaciones
para servicios exigentes. En la mayoría de
internos disponibles, la dirección normal
del ujo es a través de las aberturas de la
jaula y hacia abajo por el anillo de asiento.
Sin embargo, el ujo de los internos con
atenuación de ruido es normalmente
ascendente. Están disponibles en distintas
combinaciones de materiales, tamaños
NPS 36 (DN 900) y capacidades de presión
de hasta clase 4500 o API 10.000.
3.1.1.4 Cuerpos de válvula de puerto doble
La mayor parte de la industria ha
dejado de utilizar los diseños de válvula
de puerto doble.
La fuerza dinámica del obturador
tiende a equilibrarse cuando el ujo
abre una puerto y cierra la otra.
Las fuerzas dinámicas reducidas que
actúan en el obturador permiten elegir
un actuador más pequeño del que sería
necesario para un cuerpo de válvula
inestable de un sola puerto de
capacidad parecida.
Normalmente los cuerpos se
suministran solo de tamaño NPS 4 (DN
100) o superior.
Suelen tener más capacidad que las
válvulas de un puerto de igual tamaño
de línea.
Muchos de los cuerpos de puerto doble
se invierten, por lo que el obturador de
la válvula puede instalarse en
modalidad de empujar para abrir o
empujar para cerrar (Figura 3.5).
El asiento metal-metal suele ofrecer
capacidad de cierre clase II, aunque
también es posible obtener de clase III.
Los obturadores de válvula guiados por
puerto suelen usarse para servicio de
regulación de apertura/cierre o de baja
presión. Los obturadores de válvula de
guiado superior e inferior se utilizan
para operaciones estables en
condiciones de servicio exigentes.
El cuerpo de válvula de control que se ilustra
en la Figura 3.5 está montado para la acción
de obturador de empujar para abrir.
Los diseños de puerto doble se han usado
históricamente en renerías con uidos
muy viscosos o cuando era necesaria la
protección frente a contaminantes o
acumulación de residuos de proceso en los
internos.
3.1.1.5 Cuerpos de válvula de tres vías
Con tres conexiones de tubería se
obtiene un servicio general
convergente (combinación de ujos) o
divergente (separación de ujos).
Las variantes incluyen diseños de jaula,
puerto y guiados por vástago, que se
eligen para servicio de alta
Figura 3.4 Cuerpo de válvula con internos estilo jaula,
obturador de válvula estable y asiento suave
Figura 3.5 Cuerpo de válvula de globo de puerto doble
53
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
temperatura y conexiones nales
estándar (bridadas, atornilladas,
soldadas a tope, etc.), que se pueden
especicar para su adaptación a la
mayoría de conguraciones de tubería.
La elección requiere una consideración
atenta, en especial para estructuras
con obturador de válvula inestable.
En la Figura 3.6 se ilustra un cuerpo de
válvula de tres vías con obturador de válvula
estable junto con el obturador de válvula
cilíndrico en posición de mitad de carrera.
Dicha posición abre el puerto común
inferior a las tomas derecha e izquierda. La
estructura se puede utilizar para regular el
control de posición de mitad de carrera de
uidos convergentes o divergentes.
de aplicaciones asépticas. Las
certicaciones están disponibles.
Los materiales metálicos que se
utilizan para dichas válvulas cumplen
las normas sanitarias 3A. Las
certicaciones están disponibles.
Los elastómeros empleados en estos
diseños de válvula están certicados
por la FDA y USP CL VI.
Las válvulas están disponibles de serie
con supercies internas electropulidas
<35 Ra micropulgadas (0,89 micras).
Están disponibles como opción otros
valores inferiores respecto a la aspereza
supercial.
Los diseños con autodrenaje hacen
que estas válvulas sean adecuadas
para aplicaciones CIP (Clean-in-Place,
limpieza en sitio) y SIP (Steam-in-Place,
vapor en sitio).
Las válvulas son de acero inoxidable
316L maquinado, con conexiones
Tri-Clamp o terminales con soldadura a
tope. Hay otros materiales disponibles
de manera opcional.
Es posible utilizarlas en aplicaciones
continuas de esterilización por vapor,
con temperaturas de hasta 177 °C
(350 °F).
Figura 3.6 Válvula de globo de tres vías
3.1.2 Válvulas sanitarias
Estos estilos de cuerpo de válvula están
diseñados para satisfacer las exigencias
más estrictas de las industrias farmacéuti-
ca y biotecnológica. Las normas de dichas
industrias son distintas de las que se
aplican a los diseños de válvula de control
convencionales, dado que en muchas de
sus aplicaciones el uido de proceso es en
última instancia para consumo humano.
Por esa razón, adquiere máxima importancia prevenir el desarrollo del crecimiento
bacteriano y la incorporación de materia
extraña al uido de proceso.
Se han incorporado juntas deslizantes
y no deslizantes ASME-BPE para
satisfacer una gran variedad
54
3.1.3 Válvulas rotativas
3.1.3.1 Cuerpos de válvula de mariposa
Los cuerpos requieren un espacio
mínimo para su instalación
(Figura 3.7).
Ofrecen baja pérdida de presión a
través de las válvulas.
Los cuerpos de válvula de mariposa son
económicos, especialmente en
tamaños y capacidad de caudal
grandes.
Los cuerpos se acoplan con bridas de
supercie elevada ASME y DN.
Los cuerpos de válvula de mariposa
pueden requerir una gran salida o
grandes actuadores si la válvula es
grande o si la caída de presión es alta,
dado que los pares operativos pueden
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
ser importantes.
Las unidades están disponibles para
servicio en aplicaciones de plantas de
energía atómica con requisitos de fuga
estrictos.
Las válvulas de mariposa estándar
están disponibles en tamaños NPS 72
(DN 1800) para distintas aplicaciones
de válvula de control. Los tamaños más
pequeños pueden utilizar versiones de
obturadores tradicionales de diafragma
o neumáticos de pistón, incluidos los
estilos modernos de actuador giratorio.
Los tamaños más grandes pueden
requerir obturadores eléctricos de gran
salida, de cilindro neumático de carrera
larga o electrohidráulicos. Las válvulas
de mariposa presentan típicamente
una característica aproximada de ujo
equiporcentual. Se pueden emplear en
servicios de regulación o para control
de apertura/cierre.
Figura 3.7 Válvula de control de mariposa
3.1.3.2 Cuerpos de válvula de bola segmentada
Esta estructura es parecida a la de una válvula
de bola convencional, aunque con un
segmento de muesca en V contorneado, bajo
patente (Figura 3.8). La muesca en V genera
una característica de ujo equiporcentual.
Son válvulas de control de una gran
capacidad de rangeabilidad, control y
cierre. Estas válvulas se utilizan en la
industria papelera, en plantas químicas,
plantas de depuración de aguas residuales,
sector energético y renerías de petróleo.
El diseño de ujo directo admite caídas
de presión pequeñas.
Los cuerpos de válvula de control de
bola con muesca en V son adecuadas
para el control de uidos erosivos o
viscosos, pasta de papel u otras lechadas
que contengan sólidos o bras.
Figura 3.8 Bola con muesca en V segmentada
Utilizan actuadores estándar de resorte
y diafragma, pistón, eléctricos o
giratorios electrohidráulicos.
La válvula se mantiene en contacto con
la junta durante la rotación, que genera
un efecto de cizallamiento al cerrarse la
bola y reducir la obstrucción.
Los cuerpos están disponibles con
anillo de sello de gran resistencia o
compuesto de PTFE para ofrecer una
excelente rangeabilidad que supera el
valor de 300:1.
Las válvulas de control de bola
segmentada están disponibles con
conexiones nales sin brida o de
cuerpo embridado.
Las válvulas bridadas y sin brida se
acoplan con bridas ASME clase 150,
300 o 600. También hay diseños
disponibles para bridas DN, PN10, 16,
25 o 40. Igualmente se dispone de
diseños bridados JIS 10K y 20K.
3.1.3.3 Cuerpos de válvula de mariposa de altas prestaciones
Estos cuerpos de válvula ofrecen un
control de regulación ecaz.
Los cuerpos de válvula de control de
mariposa de altas prestaciones ofrecen
característica de ujo lineal mediante
90 grados de rotación de disco
(Figura 3.9).
55
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
El montaje de doble excentricidad del
disco lo separa de la junta cuando
empieza a abrirse, con el n de reducir
el desgaste de la junta.
Los cuerpos de válvula de control de
mariposa de altas prestaciones están
disponibles en tamaños NPS 24
(DN 600) compatibles con bridas
estándar ASME.
Figura 3.9 Válvula de control de mariposa de altas prestaciones
Utilizan actuadores estándar de resorte
y diafragma, pistón, eléctricos o
giratorios electrohidráulicos.
La dirección de ujo estándar depende
del diseño de la junta; el ujo inverso
reduce la capacidad.
Las válvulas de control de mariposa de altas
prestaciones están diseñadas para
aplicaciones de servicio general que no
requieren control de regulación de
precisión. Se suelen emplear en aplicaciones
que requieren grandes tamaños y elevadas
temperaturas debido a su bajo coste en
relación con otros estilos de válvulas de
control. El rango de control de este estilo de
válvula es aproximadamente de un tercio de
las válvulas de bola o de globo. Por lo tanto,
se requiere una atención adicional al
El estilo de la válvula de control rotativa es
adecuado para uidos erosivos, de coqueo
y otros difíciles de manipular, con
operación de regulación y/o de apertura/
cierre. Las válvulas bridadas y sin brida
cuentan con pasos de ujo perlados y
componentes de internos metálicos de
gran resistencia para ofrecer un servicio
able en las aplicaciones con lechada. Se
utilizan en los sectores de minería, renado
de petróleo, energía y de pulpa y papel. n
dimensionar y aplicar este estilo de válvula
para eliminar los problemas de control
relacionados con los cambios de carga del
proceso. Dan muy buen resultado en las
aplicaciones de carga de proceso constante.
Los diseños con un contorno caracterizado
pueden ampliar el rango de control hasta el
de una válvula de bola segmentada.
erosión. El diseño resistente de cuerpo
e internos soporta temperaturas de
427 °C (800 °F) y caídas de presión de
cierre de hasta 1500 psi (103 bar).
El recorrido del disco excéntrico reduce
el contacto con el anillo de asiento en la
apertura, con lo cual se minimiza el
desgaste y la fricción del asiento, se
prolonga su duración y se mejora el
comportamiento de la regulación
(Figura 3.10).
El anillo de asiento autocentrable y el
disco resistente permiten un ujo
directo o inverso, con un cierre
hermético en ambas direcciones. El
disco, el anillo de asiento y el retenedor
están disponibles en materiales
endurecidos, incluida la cerámica, para
la elección de resistencia a la erosión.
El obturador, el anillo de asiento y el
retenedor están disponibles en
materiales endurecidos, incluidos
cerámica y carburos, para ampliar la
elección de resistencia a la erosión.
Están disponibles diseños de bola
segmentada con muesca en V en lugar
de obturador para satisfacer
necesidades de mayor capacidad.
3.1.3.4 Cuerpos de válvula de obturador excéntrico
El conjunto de válvula combate la
56
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
Figura 3.10 Cuerpo de válvula de control de obturador excéntrico
3.1.3.5 Cuerpos de válvula de bola de puerto completo
La válvula de control de bola de puerto
completo está diseñada para ofrecer
presión, regulación, ujo y control de
proceso optimizados. Normalmente hay
una opción de atenuación para controlar
el ruido y las vibraciones. La válvula de
bola como dispositivo de regulación es,
idealmente, un producto con un oricio
reducido o un mecanismo de oricio
completo con un atenuador que absorbe
una pequeña caída de presión en la
posición de apertura total. Una válvula de
bola de puerto completo, en la posición
de apertura total, debe girar de 15 a 20
grados antes de absorber una energía
signicativa del sistema. Esto se relaciona
con un retardo adicional del control
de proceso. Un dispositivo con oricio
reducido o atenuado absorbe una pequeña
cantidad de presión en la apertura total;
a media que la bola gira, se produce una
creciente caída de presión en los primeros
incrementos de la carrera. Las válvulas de
bola de puerto completo presentan poca
o ninguna restricción al ujo y permiten
las operaciones de inspección y limpieza
de tuberías "pigging" (cuando no existe
atenuación). Consulte la Figura 3.11.
Figura 3.11 Válvula de control de bola de puerto completo
3.1.3.6 Válvula multipuerto
Una válvula selectora de ujo multipuerto
se conecta a ocho líneas de entrada para
permitir el aislamiento, la desviación y la
prueba de uido procedente de cualquiera
de las líneas a través de un obturador
giratorio, mientras que las siete líneas
restantes siguen uyendo a una salida
de grupo común. La válvula ofrece una
elección y desviación compactas de los
uidos de una línea individual para realizar
pruebas sin obstaculizar la producción de
las demás líneas.
La válvula multipuerto consta de cuatro
componentes principales: cuerpo, bonete,
obturador de rotor y actuador. El cuerpo
consta de puertos de entrada y de salida
para conectar las ocho entradas, una salida
de prueba o desviación y una salida de
grupo común. El bonete mantiene el obturador en posición vertical, equilibrado para
girar dentro del cuerpo, y ofrece un sellado
hermético al cuerpo de la válvula. El obturador se utiliza para seleccionar el puerto
de producto que se envía a la toma de
salida de prueba. Consulte la Figura 3.12.
57
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
Superficie plana Superficie elevada
Conexión de tipo anillo
3.2.2 Bridas con empaquetadura empernadas
Las válvulas con extremo bridado se retiran
fácilmente de la tubería y pueden usarse en
toda la gama de presiones operativas para
la que se fabrican la mayoría de válvulas de
control (Figura 3.13). Las conexiones
nales bridadas se pueden usar en un
rango de temperaturas desde casi el cero
absoluto hasta unos 815 °C (1500 °F). Son
aptas para todos los tamaños de válvula.
Las conexiones bridadas más habituales
son de supercie plana, supercie elevada
y de junta anular.
Figura 3.12 Válvula multipuerto
3.2 Conexiones de terminales
de válvula de control
Los tres métodos más frecuentes que se
utilizan para instalar válvulas de control en
tuberías son roscas de tubo atornilladas,
bridas con empaquetadura empernadas y
conexiones de terminales soldadas.
3.2.1 Tubos roscados atornillados
Las conexiones nales atornilladas, muy
utilizadas en las válvulas de control
pequeñas, son más económicas que las de
extremos bridados. Las roscas que se
suelen especicar son cónicas hembra NPT
(National Pipe Thread) en el cuerpo de la
válvula. Forman un cierre metal-metal al
encajar en cuña las roscas coincidentes en
los extremos de la tubería.
Este estilo de conexión, normalmente
limitado a las válvulas NPS 2 (DN 50) o más
pequeñas, no está recomendado para
servicio a temperaturas elevadas. El
mantenimiento de la válvula se puede
complicar con las conexiones nales
roscadas si es necesario extraer el cuerpo
de la tubería, dado que la válvula no puede
retirarse sin romper una unión bridada o
un empalme para poder desenroscar el
cuerpo de la válvula de la tubería.
58
Figura 3.13 Variedades habituales de conexiones de brida
empernada
Las de supercie plana permiten que las
bridas coincidentes hagan contacto total
con la junta empotrada entre ellas. Es una
estructura que suele utilizarse en las
válvulas de baja presión, de hierro fundido
y de latón, y reduce las tensiones de brida
provocadas por la fuerza inicial del
empernado.
La brida de supercie elevada presenta una
cara circular elevada de un diámetro
interno igual al de la abertura de la válvula
y el diámetro externo un poco inferior al
diámetro del círculo empernado. La
supercie elevada tiene un acabado de
ranuras circulares concéntricas para lograr
un buen sellado y para resistir la expulsión
de la junta. Es un tipo de brida utilizado
con diversos materiales de junta y de brida
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
para presiones en el rango de presión de
6000 psig (414 bar) y para temperaturas
aproximadas de 815 °C (1500 °F). Este
estilo de bridado suele ser estándar en los
cuerpos de hierro fundido clase 250 y en
todos los cuerpos de acero y de aleación de
acero.
La brida de junta anular tiene el aspecto de
la brida de supercie elevada, excepto por
una ranura en U en la supercie elevada,
concéntrica respecto a la línea central del
tubo. La junta es un anillo metálico con
sección transversal elíptica u octogonal.
Cuando se aprietan los pernos de la brida,
la junta encaja en cuña en la ranura de las
bridas de contacto y se forma un cierre
hermético. La junta suele ser de hierro
dulce, pero está disponible prácticamente
de cualquier metal. Es una unión excelente
a alta presión y se usa a presiones de hasta
15000 psig (1034 bar), pero no suele
emplearse a altas temperaturas. El cuerpo
de válvula se suministra solo en acero y en
aleación de acero si se especica.
3.2.3 Conexiones finales soldadas
Las conexiones nales o terminales
soldados de las válvulas de control son
herméticos a todas las presiones y
temperaturas y tienen un precio de fábrica
económico (Figura 3.14). Las válvulas de
terminales soldados son más difíciles de
retirar de la línea y, como es obvio, tienen
limitaciones en cuanto a materiales
soldables. Los terminales soldados se
suministran de dos tipos: soldados por
enchufe y soldados a tope.
Extremos de soldadura por enchufe
Extremos de soldadura a tope
Figura 3.14 Conexiones nales soldadas
Los terminales soldados por enchufe se
preparan abriendo en cada punta de la
válvula un oricio con un diámetro interno
ligeramente mayor que el diámetro externo
del tubo. El tubo se desliza al interior del
oricio hasta topar con un reborde y después
se une a la válvula mediante soldadura en
ángulo. Dado que dicha soldadura no penetra
por completo en la conexión válvula-tubo, no
se utilizan métodos no destructivos con
dichas válvulas. Los terminales soldados por
enchufe de cualquier tamaño tienen las
mismas medidas con independencia de la
cédula de tubo. Normalmente se utilizan en
tamaños NPS 2 (DN 50).
Los terminales soldados a tope se preparan
biselando cada extremo de la válvula para
que coincidan con los biseles similares del
tubo. A continuación, los terminales de
válvula se unen a la tubería con una
soldadura de penetración total. Es un tipo
de unión que se puede emplear con todos
los estilos de válvula. La preparación del
extremo es distinta para cada tipo de
cédula de tubo. Normalmente se emplean
con válvulas de control de tamaños NPS
2-1/2 (DN 65) y superiores. Se debe tener
cuidado al soldar cuerpos de válvula en la
tubería para no transmitir un calor excesivo
a las piezas de los internos de la válvula. Los
internos de materiales compuestos para
bajas temperaturas se deben retirar antes
de la soldadura.
59
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
3.2.4 Otras conexiones de terminales de
válvula
Hay otros tipos de conexiones de
terminales utilizados con las válvulas de
control. Esos tipos de conexiones de
terminales suelen servir a nes especícos
o a diseños especiales. Algunos ejemplos
son los de conexiones de terminales
higiénicos o de extremos acampanados. n
3.3 Bonetes de cuerpo de
válvula
El bonete de una válvula de control es la
parte del conjunto del cuerpo en la que se
mueve el vástago obturador o la echa
rotativa de la válvula. En los cuerpos de
globo o de ángulo, es el componente que
retiene la presión de un extremo del
cuerpo de la válvula. Normalmente, el
bonete facilita el montaje del actuador en
el cuerpo y aloja el prensaestopas.
En general, las válvulas rotativas no tienen
bonete. (En ciertas válvulas rotativas el
prensaestopas se aloja dentro de una
extensión del propio cuerpo de válvula o es
un componente aparte empernado entre
el cuerpo de la válvula y el bonete.)
Figura 3.15 Bonete, brida y pernos prisioneros típicos
En un cuerpo de válvula de control tipo
globo típico, el bonete es del mismo
material que el cuerpo de válvula o es un
material forjado equivalente porque se
trata de un elemento contenedor de
presión sujeto a la misma temperatura y a
los mismos efectos de corrosión que el
cuerpo. Se ilustran las conexiones de
cuerpo y bonete de varios tipos de
válvulas. En la Figura 3.15 se ilustra el tipo
de brida empernada más frecuente, que es
el de un bonete con brida integrada. En las
válvulas de control rotativas la
empaquetadura suele estar alojada en el
cuerpo de la válvula y no se utiliza bonete.
En los cuerpos de válvula de control con
jaula o internos tipo retenedor, el bonete
suministra fuerza de carga para evitar fugas
entre la brida del bonete y el cuerpo de la
válvula, así como entre el anillo de asiento y
el cuerpo de la válvula. El apriete del
empernado de cuerpo-bonete comprime
una empaquetadura de lámina plana para
sellar la unión de cuerpo-bonete, una
empaquetadura en espiral sobre la jaula, y
otra empaquetadura de lámina plana
debajo del anillo de asiento para sellar el
anillo de asiento-cuerpo. El bonete también
alinea la jaula, que a su vez guía el obturador
de la válvula para garantizar la alineación
adecuada de válvula, obturador y vástago
con la empaquetadura y el asiento.
Como ya se ha dicho, el bonete
convencional de una válvula de control tipo
globo aloja la empaquetadura. La
empaquetadura se suele sujetar con un
casquillo, que se mantiene en su posición
mediante una brida de la sección del
saliente del yugo del bonete (Figura 3.15).
Otra manera de retener la empaquetadura
es utilizar un collarín atornillado para
sujetar el casquillo de la empaquetadura.
Esta alternativa es compacta, por lo que se
suele utilizar en válvulas de control
pequeñas; sin embargo, el usuario no
siempre puede estar seguro del encaje de
la rosca. Por lo tanto, hay que tener
cuidado al ajustar la compresión de la
empaquetadura cuando la válvula de
control esté en servicio.
La mayoría de los bonetes de brida
empernada tienen una sección en el lado
del prensaestopas que se puede perforar y
roscar. Esa abertura se cierra con una
obturador de tubo estándar a menos que
exista alguna de las condiciones siguientes:
Es necesario purgar el uido de proceso
del cuerpo y el bonete de la válvula, en
60
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
cuyo caso la abertura se puede usar
como conexión de purga.
La abertura del bonete se usa para
detectar fugas en el primer conjunto de
empaquetadura o de un sellado de
fuelle averiado.
3.3.1 Bonetes de extensión
Los bonetes de extensión se utilizan en
servicios de alta o baja temperatura para
proteger la empaquetadura del vástago de
la válvula de temperaturas de proceso
extremas. La empaquetadura de válvula de
PTFE estándar es útil para la mayoría de
aplicaciones de hasta 232 °C (450 °F). Los
bonetes de extensión alejan el
prensaestopas de la tapa lo suciente de la
temperatura extrema del proceso para que
la temperatura del prensaestopas se
mantenga dentro del rango recomendado.
Los bonetes de extensión son fundidas o
fabricadas (Figura 3.16). Las extensiones
fundidas ofrecen mejor servicio a altas
temperaturas por la mayor emisividad
térmica, que proporciona un mejor efecto
de enfriamiento. A la inversa, las supercies
lisas, como las fabricadas a partir de
tuberías de acero inoxidable, se preeren
para el servicio en frío porque lo que más
preocupa es siempre el inujo térmico.
En cualquiera de los casos, el grosor de la
pared de la extensión se debe reducir para
aminorar la transferencia de calor. Se suele
preferir el acero inoxidable al acero al
carbono debido a su menor coeciente de
conductividad térmica. En las aplicaciones
de servicio en frío, se puede añadir
aislamiento alrededor de la extensión para
protegerla de inujos de calor.
3.3.2 Bonetes con fuelle de estanqueidad
Los bonetes con fuelle de estanqueidad
(Figura 3.17) se usan cuando no se pueden
tolerar fugas (menos de 1x10-6 cm3/seg. de
helio) a lo largo del vástago. Suelen
utilizarse cuando el uido del proceso es
tóxico, volátil, radiactivo o muy costoso. Es
una estructura de bonete especial que
protege al vástago y a la empaquetadura
de la válvula para que no haga contacto
con el uido del proceso. Las estructuras
de prensaestopas estándar o
medioambientales sobre el fuelle de
estanqueidad evitan fallos catastrócos en
caso de ruptura o avería del fuelle.
Figura 3.16 Cuerpo de válvula de bonete de extensión soldada
Figura 3.17 Bonete con fuelle de estanqueidad ENVIRO-SEAL
Tal como sucede con otras limitaciones de
presión y temperatura de la válvula de
61
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
Anillo en V de TFE estándar Conjuntos de empaquetadura de grafito
1
2
1. Rascador superior
2. Casquillo de la
3
empaquetadura
4
3. Adaptador hembra
4. Anillo en V
5
5. Adaptador macho
6
6. Arandela
7. Muelle
7
8. Prensaestopas
9. Rascador inferior
8
9
Figura 3.20 Conguraciones de material para cuerpos de válvula de globo
2
Sencillo Doble Conexión sin fugas
1
1
2
control, las presiones nominales se
reducen al aumentar la temperatura. La
elección de un diseño de fuelle de
estanqueidad debe hacerse con particular
cuidado, prestando especial atención a la
inspección y mantenimiento adecuados
después de la instalación. Se debe prestar
gran atención al material del fuelle para
asegurar una vida útil máxima.
Para las válvulas de control se pueden
utilizar dos tipos de diseño de fuelle de
Figura 3.19 Fuelle formado mecánicamente
estanqueidad. Son los de soldadura de hoja
y los formados mecánicamente.
El diseño con soldadura de hoja
(Figura 3.18) tiene menor altura total.
Debido a su método de fabricación y
diseño, la vida útil puede ser limitada.
3.4 Empaquetadura de la
válvula de control
La mayoría de las válvulas de control
utilizan prensaestopas con la
empaquetadura retenida y ajustada por
una brida y pernos prisioneros (se ilustra en
la Figura 3.26). Es posible emplear diversos
materiales de empaquetadura,
dependiendo de las condiciones de servicio
previstas y de si la aplicación requiere el
cumplimiento de normas
medioambientales. En la Figura 3.20 se
Figura 3.18 Fuelle con soldadura de hoja
El diseño formado mecánicamente
(Figura 3.19) es comparativamente más
alto y se produce con un proceso de
fabricación repetible y, por lo tanto, de
mayor abilidad. n
ofrecen descripciones y directrices de
condiciones de servicio breves respecto a
varios materiales de uso frecuente y
disposiciones de material de
empaquetadura típicas.
3.4.1 Anillo en V de PTFE
Material plástico con capacidad
inherente de reducir la fricción.
1. Anillo de filamento
1
3
1
2
1
3
1
2. Anillo de cierre hidráulico
3. Anillo laminado
Ubicación de la arandela
temporal de cinc, si
fuera necesario.
62
< 2%, 500 ppm
> 2%, 500 ppm
> 1%, 500 ppm < 1%, 500 ppm
> 0,5%, 500 ppm < 0,5%, 500 ppm
LDAR mensual
Plan de optimización
de calidad
LDAR trimestral
LDAR bianual
LDAR anual
Anillos moldeados en forma de V
accionados por resorte y
autoajustables en el prensaestopas. La
empaquetadura no requiere
lubricación.
Resistente a los productos químicos
más conocidos, excepto los metales
alcalinos fundidos.
Para un cierre adecuado se requiere un
acabado de vástago sumamente liso
(de 2 a 4 micropulgadas RMS). Se
producirán fugas si se daña la supercie
del vástago o de la empaquetadura.
Límites de temperaturas
recomendados: De -40 a 232 °C
(-40 a 450 °F)
No es adecuado para servicio nuclear
porque la radiación destruye
fácilmente al PTFE.
3.4.2 Grafito laminado y en filamento
Apto para servicio nuclear de altas
temperaturas o cuando se desea un
contenido bajo de cloro (grado GTN).
Ofrece un funcionamiento sin fugas,
elevada conductividad térmica y larga
duración, pero genera una alta fricción
del vástago y la histéresis resultante.
Resistente a los uidos más difíciles de
tratar y a la radiación elevada.
Rango de temperatura adecuado:
temperaturas criogénicas de hasta
-198 °C (-325 °F)
No requiere lubricación pero se debe
utilizar un bonete de extensión o un
yugo de acero cuando la temperatura
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
del prensaestopas supere 427 °C
(800 °F).
3.4.3 Normativa estadounidense sobre
emisiones fugitivas
Las denominadas fugitivas son emisiones
orgánicas volátiles de fuente difusa
provocadas por fugas en el equipo de
proceso. Se calcula que las fugas de
equipos en Estados Unidos superan los 180
millones de kilos al año. Estrictas normas
gubernamentales, desarrolladas por EE UU,
dictan la detección de fugas y los
programas de reparación (LDAR). Se ha
identicado a válvulas y bombas como
fuentes principales de emisiones fugitivas.
En el caso de las válvulas, se trata de fugas
a la atmósfera motivadas por fallos de
sellado de empaquetaduras o de juntas.
Los programas LDAR exigen que la
industria supervise todas las válvulas (de
control o no) a intervalos determinados
por el porcentaje de válvulas con fugas
detectadas con un umbral superior a 500
ppmv (algunas ciudades utilizan criterios
de 100 ppmv). Es un nivel de fugas tan bajo
que no se pueden ver ni oír. Para la
detección es necesario utilizar sosticados
equipos de monitorización portátiles. La
detección se produce al oler la sección de
la empaquetadura mediante un protocolo
de la agencia de protección del medio
ambiente (EPA, Environmental Protection
Agency). Para la industria se trata de un
proceso costoso y laborioso.
Las regulaciones permiten ampliar el
intervalo de monitorización hasta un
Figura 3.21 Frecuencia de medición de químicos orgánicos volátiles (VOC, Volatile Organic Chemicals) para el control de válvulas
63
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
periodo de un año, si la empresa puede
demostrar un porcentaje muy bajo de
válvulas con fugas (menos del 0,5% del
total de válvulas que utiliza). La posibilidad
de ampliar la frecuencia de medición se
ilustra en la Figura 3.21.
Los sistemas de empaquetadura diseñados
para requisitos de fugas sumamente bajos
también amplían la duración y el
desempeño de los sellos de
empaquetadura para respaldar el objetivo
de la monitorización anual. Un ejemplo de
ello es el sistema de empaquetadura
ENVIRO-SEAL. Sus sellos mejorados
incorporan cuatro principios de diseño
esenciales: la contención del material de
sello exible mediante un componente
antiextrusión, la alineación correcta del
vástago o echa de la válvula dentro del
oricio del bonete, aplicando una tensión
de empaquetadura constante con resortes
Belleville, y la reducción del número de
anillos de sello para aminorar la
consolidación, fricción y dilatación térmica.
El proceso tradicional de elección de
válvula implicaba seleccionar un diseño de
válvula basado en sus capacidades de
presión y temperatura, características de
ujo y compatibilidad de materiales. La
empaquetadura del vástago que se
utilizaría en la válvula estaba determinada
principalmente por la temperatura de
funcionamiento en la sección del
prensaestopas. Las opciones de material
disponible incluían el PTFE para
temperaturas inferiores a 93 °C (200 °F) y el
grato para aplicaciones a temperaturas
más elevadas.
Actualmente, la elección de un sistema de
empaquetadura de válvula se ha vuelto
mucho más complejo debido a diversas
razones.
3.4.4 Normas globales sobre emisiones
fugitivas
ISO 15848 es la norma de la Organización
Internacional de Normalización (ISO,
International Organization for
Standardization) sobre los procedimientos
de medición, prueba y cualicación de las
emisiones fugitivas de las válvulas
industriales. ISO 15848-1 es un sistema de
clasicación y cualicación para el ensayo
de tipo de válvulas que se creó con el n de
permitir la clasicación del
comportamiento de diferentes diseños de
emisiones fugitivas y de denir el ensayo
de tipo para la evaluación y cualicación de
válvulas en el que se especican los
estándares de emisiones fugitivas.
El ensayo de tipo signica que la prueba de
cualicación se realiza en un diseño de
válvula y sistema de empaquetadura, y que
cualquier cualicación se traslada a todas
las válvulas producidas con ese diseño de
empaquetadura. El ensayo de tipo es
distinto de la prueba de producción ISO
15848-2, que es una prueba de
cualicación realizada en el momento del
montaje y que puede aplicarse a más de un
conjunto de válvula.
La norma ISO 15848-1 cubre las válvulas de
control y las válvulas de aislamiento
(apertura/cierre). Los requisitos de ciclo
mecánico de los dos tipos de válvula son
distintos, como se ilustra en la Figura 3.22.
Los ciclos mecánicos se ejecutan al 10% de
la carrera total en ambos lados de la
posición de carrera al 50% en las válvulas
de control y en la carrera completa en las
válvulas de aislamiento.
Al igual que otras normas sobre emisiones
fugitivas, ISO 15848-1 establece una
prueba de cualicación que incluye varias
combinaciones de clases de fugas, ciclos
térmicos y ciclos mecánicos. Hay varias
diferencias notables entre la norma ISO
15848-1 y los requisitos y normas
gubernamentales de EE UU, como LDAR y
la norma ANSI/FCI 91-1 para la cualicación
de juntas de vástago de válvulas de
control.
Tipo de
válvula
Válvula de
control
Válvula de
aislamien-
Figura 3.22 ISO 15848-1 Requisitos de cualicación
to
Clase de ciclo
mecánico
Ciclos mecánicos
necesarios
CC1 20.000 2
CC2 60.000 3
CC3 100.000 4
CO1 205 2
CO2 1.500 3
CO3 2.500 4
Ciclos de
temp.
64
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
Clase
A1 100.000 3 100 ppm
A2 100.000 3 500 ppm
B1 25.000 3 100 ppm
B2 25.000 3 500 ppm
Figura 3.25 FCI 91-1 Resumen de clases de fuga
Ciclos mecánicos
(100% de carrera completa)
Ciclos térmicos
Fuga del asiento de vástago máxima
según Método 21 de la EPA
ANSI/FCI 91-1 exige el “método olfativo”
según el Método 21 de la EPA para una
lectura de concentración de “ppm” y en
ciudades de 100 ppm y 500 ppm, con
varias clases de ciclo, como se muestra en
la Figura 3.25.
ISO 15848-1 especica los métodos de
medición de “fuga total” por vacío o lavado
descritos en el Anexo A de la norma.
Las fugas se registran como índice de fugas
por tamaño de vástago medido. Ninguno
ISO 15848-1 Clases
de estanqueidad de
fugas
AM < 50 ppm
BM < 100 ppm
CM < 500 ppm
Nota: La clase de fuga A solo suele conseguirse con diseños de fuelle.
Nota: Las clases de fuga se denotan con “BH” o “BM”, etc., para
indicar el uido de la prueba. “H” indica que la prueba se realizó con
helio según el método de índice de fugas. “M” indica que la prueba se
realizó con metano utilizando el Método 21 de la EPA.
de estos métodos es equivalente al
Método 21 de la EPA (método olfativo) y la
norma ISO 15848-1 establece que no se ha
buscado la correlación entre las clases de
estanqueidad cuando el uido de la prueba
es helio y cuando es metano. Consulte las
guras 3.23 y 3.24.
Figura 3.24 ISO 15848-1 Concentración de fugas medido
Actualmente, la elección de un sistema de
empaquetadura de válvula se ha vuelto
mucho más complejo debido a diversas
razones.
Por ejemplo, los requisitos de control de
ISO 15848-1
Estanqueidad de
fugas
Clases
AH < 10-5 < 1,76x10
BH < 10
CH < 10
Nota: La clase de fuga A solo suele conseguirse con diseños de fuelle.
Nota: Las clases de fuga se denotan con “BH” o “BM”, etc., para
indicar el uido de la prueba. “H” indica que la prueba se realizó con
helio según el método de índice de fugas. “M” indica que la prueba se
realizó con metano utilizando el Método 21 de la EPA.
Figura 3.23 ISO 15848-1 Índice de fugas medido
Índice de fugas medido (Anexo A)
mg.s-1.m-1
del perímetro
del vástago
atm.cm3.s-1.mm-1
-4
-2
diámetro del
vástago
< 1,76x10-6
< 1,76x10
del
emisiones, como los que especica la Ley
de Aire Limpio (Clean Air Act) en EE UU y la
norma ISO 15848 a escala global, imponen
requisitos más estrictos a la ecacia del
sellado. Las demandas constantes de
-7
mejora del resultado del proceso implican
que el sistema de empaquetadura de la
válvula no debe afectar al comportamiento
-4
de la misma. Actualmente, la tendencia a
utilizar programas de mantenimiento
ampliados exige que los sistemas de
empaquetadura de válvulas proporcionen
el sellado requerido durante periodos más
prolongados.
Dada la amplia variedad de aplicaciones de
válvulas y condiciones de servicio en la
industria, esas variables (capacidad de
sellado, niveles de fricción en el
funcionamiento, vida operativa) sean
difíciles de cuanticar y de comparar. Las
guras 3.31 y 3.32 muestran un enfoque
Concentración de fugas medida
(Anexo B, método olfativo según el
Método 21 de la EPA)
65
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
Casquillo de la
empaquetadura
(acero inoxidable)
Anillo de cierre hidráulico
(acero inoxidable)
Anillo antiextrusión
(PTFE relleno)
Anillo de empaquetadura
(PTFE)
Anillo antiextrusión
(PTFE relleno)
Resortes
(N07718-Inconel 718)
Arandelas
antiextrusión
Anillo de
prensaestopas
(acero inoxidable)
Lubricante
antiagarrotamiento
Conjunto de
cartucho de resortes
Buje de guía
Arandela de
empaquetadura
Buje de guía
Perno prisionero
Tuerca de la
empaquetadura
Brida de
empaquetadura
Anillo de
empaquetadura
Anillo de
empaquetadura
Anillo de
prensaestopas
Figura 3.27 Sistema de empaquetadura ENVIRO-SEAL PTFE
Conjunto de PTFE con
carbono/empaquetadura
PTFE
Anillo de
cierre hidráulico
Anillo de
empaquetadura
de grafito
Anillo de
empaquetadura
Conjunto de
cartucho de
resortes
Buje
Buje
Arandelas de
empaquetadura
Figura 3.28 Sistema de empaquetadura ENVIRO-SEAL Duplex (PTFE y grato
Figura 3.29 Sistema de empaquetadura ENVIRO-SEAL Graphite ULF
66
Buje
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
diseñado para una evaluación relativa de
aplicabilidad y comportamiento de la
empaquetadura. Sin embargo, en primer
lugar, la comprensión adecuada de las
tablas exige una claricación de los
nombres comerciales.
3.4.5 Empaquetadura de anillo en V de
PTFE único
Para el montaje del anillo en V de PTFE
único se utiliza un resorte en espiral entre
la empaquetadura y el anillo del
prensaestopas. Cumple el criterio de 100
ppmv para válvulas de vástago deslizante,
siempre que la presión no supere 300 psi
(20,7 bar) y la temperatura se encuentre
entre -18 °C y 93 °C (0 °F y 200 °F). La
empaquetadura del anillo en V de PTFE no
se suministra con criterio de bajas
emisiones para válvulas rotativas. Ofrece
excelentes propiedades de sellado con la
fricción de funcionamiento más baja.
Consulte la Figura 3.26.
considerarse un sistema de reducción de
emisiones, también es adecuada para
aplicaciones no medioambientales con
altas temperaturas y presiones, y ofrece las
ventajas de una vida útil más prolongada
de las válvulas de vástago deslizante y
rotativas. Consulte la Figura 3.27.
Figura 3.26 Empaquetadura de anillo en V de PTFE único
3.4.6 Empaquetadura ENVIRO-SEAL
PTFE
El sistema de empaquetadura ENVIRO-
SEAL PTFE es un método avanzado que
emplea un diseño de resorte compacto de
carga dinámica apto para aplicaciones
medioambientales de hasta 750 psi y
232 °C (51,7 bar y 450 °F). Aunque la
empaquetadura ENVIRO-SEAL PTFE suele
67
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
Sistema de
empaquetadura
Límites de presión y temperatura máximos
para servicio medioambiental
(1)
Sistema de EE UU Métrico
Anillo en V de PTFE
sencillo
ENVIRO-SEAL PTFE
ISO-Seal PTFE
ENVIRO-SEAL Duplex
ENVIRO-SEAL Graphite
ULF
ISO-Seal Graphite
1. Los valores indicados son solo directrices generales. Tales directrices se pueden superar a riesgo de una reducción del tiempo de servicio de la
empaquetadura o aumentos de fugas. Los intervalos térmicos se aplican a la temperatura real de la empaquetadura, no a la temperatura del proceso.
300 psi
0 a 200 °F
750 psi
-50 a 450 °F
6000 psig
-50 a -450 °F
750 psi
-50 a -450 °F
1500 psi
20 a 600 °F
3365 psig
-50 a 752 °F
20,7 bar
-18 a 93 °C
1,7 bar
-46 a 232 °C
414 bar
-46 a 232 °C
51,7 bar
-46 a 232 °C
103 bar
-7 a 315 °C
232 bar
-46 a 400 °C
Índice
de rendimiento
de estanqueidad
Índice de
tiempo de
servicio
Mejor Larga Muy baja
Excelente Muy larga Baja
Excelente Muy larga Baja
Excelente Muy larga Baja
Excelente Muy larga Moderada
Excelente Muy larga Moderada
Figura 3.31 Selección de empaquetaduras medioambientales para vástago deslizante
Sistema de
empaquetadura
Límites de presión y temperatura máximos
para servicio medioambiental
(1)
Sistema de EE UU Métrico
ENVIRO-SEAL PTFE
ENVIRO-SEAL grafito
ISO-Seal Graphite
1. Los valores indicados son solo directrices generales. Tales directrices se pueden superar a riesgo de una reducción del tiempo de servicio de la
empaquetadura o aumentos de fugas. Los intervalos térmicos se aplican a la temperatura real de la empaquetadura, no a la temperatura del proceso.
750 psi
-50 a 450 °F
1500 psi
20 a 600 °F
1500 psig
-50 a 752 °F
103 bar
-46 a 232 °C
103 bar
-18 a 315 °C
103 bar
-46 a 400 °C
Índice
de rendimiento de
estanqueidad
Índice de
tiempo de
servicio
Excelente Muy larga Baja
Excelente Muy larga Moderada
Excelente Muy larga Moderada
Fricción de la
empaqueta-
dura
Fricción de la
empaqueta-
dura
Figura 3.32 Selección de empaquetaduras medioambientales para válvulas rotativas
Apertura rápida Lineal Equiporcentual
Figura 3.33 Jaulas caracterizadas para cuerpos de válvula de globo
68
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
3.4.7
Empaquetadura ENVIRO-SEAL Duplex
Este sistema de empaquetadura especial
ofrece las capacidades de los componentes
de PTFE y de grato para obtener una
solución resistente al fuego de baja fricción y
bajas emisiones (norma API 589) para aplica-
ciones con temperaturas de proceso de
hasta 232 °C (450 °F) en válvulas de vástago
deslizante. Las válvulas rotativas no están
disponibles con empaquetadura ENVI-
RO-SEAL Duplex. Consulte la Figura 3.28.
3.4.8 Empaquetadura ISO-Seal PTFE
Sistema de empaquetadura diseñado para
presiones que superen la capacidad de la
empaquetadura ENVIRO-SEAL PTFE para
servicio medioambiental. Está disponible
para su uso en válvulas de vástago
deslizante y rotativas.
3.4.9 ENVIRO-SEAL Graphite ULF
Sistema de empaquetadura diseñado
principalmente para aplicaciones
medioambientales a temperaturas que
superen 232 °C (450 °F). El sistema de
empaquetadura ULF patentado incorpora
capas de PTFE muy delgadas dentro de los
anillos de la empaquetadura, así como
arandelas de PTFE en cada lado de dichos
anillos. La colocación estratégica del PTFE
reduce los problemas de control y de
fricción, facilita el sellado y amplía la vida
útil del conjunto de empaquetadura.
Consulte la Figura 3.29.
3.4.10 HIGH-SEAL Graphite ULF
Idéntico al sistema de empaquetadura
ENVIRO-SEAL Graphite ULF que se coloca
debajo del casquillo de la empaquetadura, el
sistema HIGH-SEAL utiliza resortes Belleville
de gran diámetro y resistencia. Dichos
resortes ofrecen carrera de vástago adicional
y se pueden calibrar con una báscula de
carga para obtener una indicación visual de
la carga y desgaste de la empaquetadura.
3.4.11 Empaquetadura ISO-Seal Graphite
Sistema de empaquetadura diseñado para
temperaturas que superen la capacidad de la
empaquetadura ENVIRO-SEAL Graphite ULF.
Se puede utilizar para servicio medioam-
biental a temperaturas entre -46 y 400 °C
(-50 y 752 °F). Está disponible para su uso en
válvulas de vástago deslizante y rotativas.
3.4.12 ENVIRO-SEAL Graphite para
válvulas rotativas
La empaquetadura de grato ENVIRO-SEAL
está diseñada para aplicaciones medioambientales de -6 a 316 °C (20 a 600 °F) o para
aplicaciones que requieren protección
contra incendios. Se puede utilizar con
presiones hasta de 1500 psi (103 bar) y
aun así satisfacer los criterios de 100 ppmv
de la EPA. La empaquetadura se puede
emplear a temperaturas hasta de 371 °C
(700 °F) en aplicaciones no medioambientales. Consulte la Figura 3.30.
Figura 3.30 Sistema de empaquetadura ENVIRO-SEAL Graphite
para válvulas rotativas
3.4.13 Cinta de grafito para válvulas
rotativas
La empaquetadura de cinta de grato está
diseñada para aplicaciones no
medioambientales que abarquen una
amplia gama de temperaturas, desde -198
hasta 538 °C (-325 a 1000 °F).
3.4.14
Selección de empaquetaduras
medioambientales para vástago deslizante
La Figura 3.31 contiene la comparación de
distintas opciones de empaquetadura de
vástago deslizante y una valoración relativa
del comportamiento, la vida útil y la
fricción de la empaquetadura en aplicacio-
nes medioambientales. Los lamentos de
grato trenzados y el PTFE doble no son
soluciones de sellado aceptables para
aplicaciones medioambientales.
69
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
3.4.15
Selección de empaquetaduras
medioambientales para válvulas rotativas
La Figura 3.32 corresponde a las válvulas
rotativas. En el caso de las válvulas
rotativas, las conguraciones de empaquetadura de PTFE único y de cinta de grato
no son las más adecuadas como soluciones
de sellado de emisiones fugitivas.
Las tecnologías de sellado del vástago
permiten conseguir el control de las
emisiones fugitivas de la válvula y una
reducción de los costes de conformidad
con la normativa de la industria.
Si bien los sistemas de empaquetadura
ENVIRO-SEAL se han diseñado especícamente para aplicaciones de emisiones fugitivas,
dichas tecnologías también deben tenerse en
cuenta para aplicaciones en las que el
comportamiento de sellado y la duración de
la junta sean una preocupación constante o
un problema de gastos de mantenimiento. n
3.5 Caracterización de cuerpos
de válvula guiados por jaula
En los cuerpos de válvula con internos de
guiado por jaula, la forma de las aberturas
o ventanas de ujo en la pared de la jaula
cilíndrica determina la caracterización del
ujo. Cuando el obturador de la válvula se
aleja del anillo de asiento, las ventanas de
la jaula se abren para permitir el ujo a
través de la válvula. Las jaulas estándar se
han diseñado para generar características
de ujo inherente lineales, equiporcentuales y de apertura rápida. También puede
estar disponible la adaptación de la
caracterización. Obsérvense las diferencias
en las formas de las ventanas de jaula en la
Figura 3.33. La relación entre caudal y
carrera suministrada por las válvulas que
utilizan dichas jaulas son las curvas lineales,
de apertura rápida o equiporcentuales que
se muestran respecto a los obturadores de
válvula contorneados (Figura 3.34).
Los internos de guiado por jaula permite
cambiar fácilmente la característica de ujo
inherente de la válvula mediante la
instalación de una jaula distinta. El cambio
de jaulas para lograr una característica de
ujo inherente no requiere el cambio del
obturador ni del anillo de asiento de la
válvula. Las jaulas estándar que se muestran
se pueden utilizar con estructuras de
internos estables o inestables. El asiento
suave, cuando sea necesario, está disponible como una inserción retenida en el anillo
de asiento y es independiente de la elección
de la jaula o del obturador de la válvula.
El intercambio de jaulas se puede ampliar a
diseños de jaula especiales que ofrecen
atenuación de ruidos o combaten la
cavitación. Esas jaulas normalmente aportan
característica de ujo lineal, pero requieren
que el ujo siga una dirección especíca a
través de las aberturas de la jaula. Por lo
tanto, podría ser necesario invertir el cuerpo
de la válvula en la tubería para conseguir una
dirección de ujo adecuada.
100
Apertura rápida
Lineal
Coeficiente de flujo nominal (%)
0
Carrera nominal (%)
Figura 3.34 Curvas de característica de ujo inherente
Equiporcentual
100
3.5.1 Obturadores de válvula
caracterizados
El obturador, que es la pieza móvil del
conjunto de válvula de control de globo,
proporciona restricción variable al ujo de
uido. Cada estilo de obturador de válvula
se diseña para una característica de ujo
determinada, permitir una manera
concreta de guiar o de alinearse con el
anillo de asiento, o de contar con una
capacidad particular de cierre o de
resistencia a daños.
El contorno de la supercie del obturador de
la válvula junto al anillo de asiento es
fundamental para determinar la característica
de ujo inherente de una válvula de control
caracterizada por el obturador. A medida que
70
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
el actuador se desplaza hacia el obturador de
la válvula a lo largo de su carrera, la sección de
ujo sin obstrucciones cambia de forma y
tamaño, dependiendo del contorno del
obturador de la válvula. Cuando un diferencial
de presión constante se mantiene en toda la
válvula, se puede representar la cambiante
relación entre los porcentajes de capacidad de
caudal máxima y de carrera total (Figura 3.34), que se designa como la característica
de ujo inherente de la válvula.
Las características de ujo inherentes más
habituales son lineal, equiporcentual y de
apertura rápida. Se explican con mayor
detenimiento en el Capítulo 5. n
Vástago
Anillo de
asiento
Figura 3.35 Estructura típica para obtener característica de ujo
de apertura rápida
Obturador de la válvula
Diámetro
del puerto
Sección
de flujo
3.6 Guía del obturador de la
válvula
La guía precisa del obturador de la válvula
es necesaria para la alineación correcta del
anillo de asiento y un control eciente del
uido de proceso. Los métodos utilizados
habitualmente y sus nombres son
generalmente autodescriptivos.
Guiado por jaula: El diámetro exterior
del obturador de la válvula se aproxima
a la supercie de la pared interior de la
jaula cilíndrica a lo largo del rango de
carrera. Dado que el bonete, la jaula y
el anillo de asiento son autoalineables
en el conjunto, la alineación correcta
del obturador y el anillo de asiento de la
válvula está asegurada al cerrarse la válvula
(Figura 3.15).
Guiado superior: El obturador de la válvula
se alinea mediante un solo buje guía del
bonete o del cuerpo de la válvula, o con la
conguración de la empaquetadura.
Guiado del vástago: El obturador de la
válvula se alinea con el anillo de asiento
mediante un buje guía en el bonete que
actúa sobre el vástago del obturador de la
válvula.
Guiado superior e inferior: El obturador
de la válvula se alinea mediante bujes guía
situados en el bonete y en la brida inferior
(consulte la Figura 3.5). Esto es habitual en
las estructuras de puerto doble.
Guiado de puerto: El obturador de la
Figura 3.37 Actuadores de diafragma
Acción directa Acción inversa
71
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
válvula se alinea mediante el puerto del
cuerpo de la válvula. n
3.7
Internos de capacidad
restringida de la válvula de control
La mayoría de los fabricantes de válvulas
de control pueden suministrar válvulas con
piezas de internos de capacidad reducida o
restringida. El caudal reducido puede ser
conveniente por alguna de las razones
siguientes:
Los internos de capacidad restringida
pueden permitir la elección de un
cuerpo de válvula lo bastante grande
para mayores necesidades de caudal
futuras, aunque con la capacidad de
internos adecuadamente dimensionada para las necesidades actuales.
Los cuerpos grandes con internos de
capacidad restringida se pueden usar
para reducir las velocidades de entrada
y de salida del uido.
Se puede evitar la compra de costosos
reductores de tuberías.
Los errores de sobredimensionamiento
se pueden corregir con el uso de piezas
de internos con capacidad restringida.
Los cuerpos de válvula de globo convencionales se pueden equipar con anillos de
asiento con puertos más pequeños de lo
normal y obturadores de válvula adaptados
a ellos. Las válvulas con internos de guiado
por jaula suelen conseguir el efecto de
capacidad reducida con el uso de obtura-
dor, jaula y anillos de asiento de una válvula
similar de menor tamaño, y adaptadores
situados sobre la jaula y debajo del anillo
de asiento para hacer coincidir las piezas
más pequeñas con el cuerpo de la válvula
(Figura 3.36). Dado que el servicio de
capacidad reducida suele ser frecuente, la
mayoría de los fabricantes ofrecen
combinaciones de internos listos para usar
que llevan a cabo la función necesaria. n
Figura 3.36 Método adaptador para reducir la capacidad de
caudal
3.8 Actuadores
Los actuadores de válvula de control de
accionamiento neumático son los más
frecuentes, para también se hace un gran
uso de actuadores eléctricos, hidráulicos y
manuales. El actuador neumático de resorte
y diafragma es el más especicado debido a
su abilidad y simplicidad de diseño. Los
actuadores de pistón con accionamiento
neumático ofrecen una fuerza de vástago
elevada para las condiciones de servicio
exigentes. Las adaptaciones de actuadores
de resorte y diafragma y de pistón neumático están disponibles para la instalación
directa en las válvulas de control rotativas.
3.8.1 Actuadores de diafragma
Los actuadores de diafragma con
accionamiento neumático utilizan el
suministro de aire de controladores,
posicionadores u otras fuentes.
Los distintos estilos incluyen: de acción
directa, en el que la presión de aire
creciente empuja el diafragma hacia
abajo y extiende el vástago del actuador
(Figura 3.37); de acción inversa, en el que
la presión de aire creciente empuja el
diafragma hacia arriba y retrae el vástago
del actuador (Figura 3.37); reversible, en
el que los actuadores se pueden montar
para acción directa o inversa (Figura 3.38); con unidad de acción directa
para válvulas rotativas, en el que la
presión de aire creciente empuja el
diafragma hacia abajo, el cual, depen-
diendo de la orientación de la palanca del
actuador en la echa de la válvula, puede
72
Guía de válvulas de control | Capítulo 3: Tipos de válvulas y actuadores
abrirla o cerrarla (consulte la Figura 3.39).
El empuje de salida neto es la diferencia
entre la fuerza del diafragma y la fuerza
opuesta del resorte.
Los diafragmas moldeados suministran
comportamiento lineal e incremento de
las carreras.
El tamaño está determinado por el
empuje de salida y la presión de aire
suministrada.
Los actuadores de diafragma son
sencillos, ables y económicos.
Figura 3.38 Actuador multirresorte reversible en el lugar de
trabajo
para suministrar funcionamiento de falla
abre o falla cierra (Figura 3.40).
Es posible incorporar diversos accesorios
con el n de preparar al pistón de doble
acción para un fallo de presión de
suministro, que incluyen válvulas de
desconexión neumática y sistemas de
bloqueo.
Otras versiones para el servicio de
válvulas de control rotativas incluyen una
junta deslizante en el extremo inferior del
cilindro. Esto permite el movimiento
lateral del vástago del actuador, además
de hacia arriba y hacia abajo sin que se
presenten fugas por la presión del
cilindro. Esta función permite la conexión
directa del vástago del actuador montado
en la echa de la válvula rotativa, lo cual
hace innecesaria una unión u origen de
pérdida de movimiento.
Figura 3.39 Actuador de diafragma para válvula rotativa
3.8.2 Actuadores de pistón
Los actuadores de pistón se accionan
neumáticamente utilizando aire de la
planta a alta presión de hasta 150 psig
(10,3 bar), y no suelen necesitar
regulador de presión de suministro.
Los actuadores de pistón ofrecen empuje
máximo y altas velocidades de carrera.
Los actuadores de pistón tienen doble
acción para ofrecer fuerza máxima en
ambas direcciones, o retorno por resorte
Figura 3.40 Válvula de control con actuador de pistón de
doble acción
Figura 3.41 Válvula de control con actuador de pistón de
yugo escocés
3.8.3 Actuadores manuales
Los actuadores manuales son útiles
cuando no se requiere el control
automático pero sigue siendo necesaria la
facilidad de funcionamiento y un buen
control manual (guras 3.42 y 3.43).
Suelen emplearse para activar la válvula
de bypass en un bucle de bypass de tres
válvulas para el control manual del
73
Capítulo 4
Accesorios de la válvula de control
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Actualmente, los sistemas de control mo-
dernos utilizan señales electrónicas para
ordenar a la válvula de control que se abra,
se cierre o regule el caudal. Además, esos
sistemas emplean señales de retroalimentación de posición y datos de diagnóstico
para validar el funcionamiento de la válvula
de control. Por otra parte, las expectativas
de comportamiento de las válvulas de control respecto a velocidad de respuesta, precisión, estabilidad, abilidad y seguridad
varían en función de las necesidades de
control del proceso. Dado que las válvulas
de control se instalan en muchas aplica-
ciones diferentes y únicas, es necesario el
uso de accesorios de válvula de control.
Los accesorios son una amplia categoría de
instrumentos que se conectan directamen-
te al conjunto de válvula de control.
Hay cinco razones básicas por las que se
añaden accesorios e instrumental a la
válvula de control:
Mejora del control del proceso
Mayor seguridad para el proceso o el
personal
Mejor comportamiento o velocidad de
respuesta de la válvula
Control o vericación de la capacidad
de respuesta de la válvula
Diagnóstico de posibles problemas de
la válvula
4.1 Consideraciones medioambientales y sobre la aplicación
Las plantas industriales, fábricas, minas y
molinos sufren condiciones ambientales
adversas debido a su ubicación geográca y a los procesos de fabricación de sus
productos. Por lo tanto, las válvulas e instrumentos de dichas instalaciones deben
ser resistentes y ables.
La temperatura ambiente del instrumen-
tal puede variar entre -60 y 125 °C (-76 y
257 °F). Las atmósferas corrosivas, como la
exposición al agua salada y los productos
químicos, pueden requerir el uso de acero
inoxidable o de estructuras de resina especiales. La vibración intensa puede exigir
el montaje de instrumentos muy sólidos,
mecanismos internos de gran resistencia
o capacidad de montaje a distancia. Los
altos niveles de humedad pueden generar
corrosión, por lo que puede ser necesario
proteger los componentes electrónicos.
Las ubicaciones peligrosas que contengan
atmósferas gaseosas o polvorientas pueden requerir el uso de instrumental diseña-
do según conceptos de protección, como
la resistencia al fuego, a las explosiones,
con seguridad intrínseca o incombustibles.
Se deben tener en cuenta esas condiciones
ambientales y de aplicación al elegir los ac-
cesorios de válvula de control adecuados.
4.2 Posicionadores
Un accesorio habitual de las válvulas de
control es el controlador de posición de
válvula, también denominado posicionador. La función fundamental de un
posicionador es suministrar aire a presión
al actuador de la válvula, de modo que la
posición del vástago o la echa de la válvula se corresponda con el punto de ajuste
del sistema de control. Los posicionado-
res suelen utilizarse cuando una válvula
requiere una acción de regulación. El posicionador necesita recibir realimentación
de posición desde el vástago o la echa de
la válvula y suministra presión neumática
al actuador para abrir y cerrar la válvula. El
posicionador debe montarse encima o cer-
ca del conjunto de válvula de control. Hay
tres categorías principales de posicionador,
dependiendo del tipo de señal de control,
la capacidad de diagnóstico y el protocolo
de comunicación.
4.2.1 Posicionadores neumáticos
La primera categoría es la de los posicionadores neumáticos. Las unidades de pro-
ceso heredadas pueden utilizar señales de
presión neumática como punto de ajuste
de las válvulas de control. Normalmente, la
presión se modula entre 20,7 y 103 kPa (de
3 a 15 psig) para desplazar la válvula de la
posición de 0 a la de 100%.
En un diseño habitual de posicionador
neumático
75
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Alimentación
Salida a diafragma
Relé
Instrumento
Fuelles
Eje de
realimentación
Pivote
Boquilla
Conjunto de
clapeta
Cuadrante de
acción directa
Eje de entrada
Leva
Travesaño
Figura 4.1 Diseño típico del posicionador neumático de acción simple
(Figura 4.1), la posición del vástago o la
echa de la válvula se compara con la de un
fuelle que recibe la señal de control
neumático. Al aumentar la señal de
entrada, el fuelle se expande y desplaza un
travesaño. El travesaño pivota en torno a
un eje de entrada, que empuja una clapeta
hacia a la tobera. La presión de la tobera
aumenta y así también la presión de salida
al actuador a través de un relé amplicador
neumático. El aumento de la presión de
salida al actuador hace que se mueva el
vástago de la válvula. El movimiento del
vástago se realimenta al travesaño
mediante una leva. A medida que gira la
leva, el travesaño pivota alrededor del eje
de realimentación para alejar la clapeta
ligeramente de la tobera. La presión de la
tobera se reduce y aminora la presión de
salida al actuador. Continúa el movimiento
del vástago, alejando la clapeta de la
tobera hasta que se alcance el equilibrio.
Al reducirse la señal de entrada, el fuelle
se contrae (con la ayuda de un resorte
de carrera interna) y el travesaño pivota
alrededor del eje de entrada para alejar la
clapeta de la tobera. Se reduce la presión
de la tobera y el relé permite liberar la pre-
Cuadrante de
acción inversa
sión del diafragma a la atmósfera, lo que a
su vez habilita el movimiento ascendente
del vástago del actuador. Mediante la leva,
el movimiento del vástago se realimenta
al travesaño para volver a situar la clapeta
cerca de la tobera. Cuando se consigue una
situación de equilibrio, se detiene el mo-
vimiento del vástago y se sitúa la clapeta
para impedir que siga descendiendo la presión del actuador. Consulte la Figura 4.1.
4.2.2 Posicionadores I/P analógicos
El segundo tipo es el posicionador de I/P
analógico. La mayoría de las unidades de
proceso modernas utilizan una señal de 4
a 20 mA CC para modular las válvulas de
control. Esto introduce la electrónica en
el diseño del posicionador y requiere que
este convierta la señal de corriente electrónica en una señal de presión neumática
(corriente a neumática o I/P).
En un posicionador de I/P analógico típico
(consulte la Figura 4.2), el convertidor
recibe una señal de entrada de CC y emite
una señal de salida neumática proporcional
mediante una conguración de tobera/
clapeta. La señal de salida neumática suministra la señal de entrada al posicionador
76
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Conjunto de clapeta
-
neumático. Por lo demás, el diseño es igual
al del posicionador neumático.
+
Señal de
entrada de
4-20 mA
Convertidor
Alimentación
Salida a
actuador
Relé
Brazo de
flecha
rotativa
Pivote
Figura 4.2 Diseño típico del posicionador de I/P analógico
Cuadrante de acción inversa
Señal neumática
del convertidor
Fuelles
Eje de realimentación
Boquilla
Travesaño
Cuadrante de
acción directa
Eje de entrada
Leva
4.2.3 Controladores de válvula digitales
Mientras que los posicionadores neumá-
ticos y de I/P analógicos proporcionan un
control de posición de válvula básico, los
controladores de válvula digitales añaden
otra dimensión a la capacidad del posicionador. Este tipo de posicionador es un
instrumento basado en un microprocesador. El microprocesador permite obtener
diagnósticos y la comunicación bidirec-
cional para simplicar la conguración y la
solución de problemas.
En un controlador de válvula digital típico,
el microprocesador lee la señal de control,
un algoritmo digital la procesa y la convierte en una señal de corriente de excitación
para el convertidor de I/P. El microprocesador ejecuta el algoritmo de control de
posición en lugar de activar el conjunto
mecánico de travesaño, leva y clapeta. Al
aumentar la señal de control, se incremen-
ta la señal de excitación al convertidor de
I/P, reforzando la presión de salida de este
último. Esa presión se conduce a un relé
amplicador neumático y suministra dos
presiones de salida al actuador. Al aumentar la señal de control, una de las presiones
de salida siempre aumenta y la otra baja.
Figura 4.3 Controlador de válvula digital montado en la válvula
de control
Los actuadores de doble acción utilizan las
dos salidas, en tanto que los actuadores de
acción simple solo emplean una. El cambio
de presión de salida provoca el movimiento del vástago o la echa del actuador.
La posición de la válvula se realimenta al
microprocesador. El vástago sigue moviéndose hasta que se consigue la posición
correcta. En ese punto, el microprocesador
estabiliza la señal de excitación al convertidor de I/P hasta obtener el equilibrio.
Además de la función de control de la
posición de la válvula, un controlador de
válvula digital tiene dos capacidades adi-
cionales: de diagnóstico y de comunicación
bidireccional.
4.2.3.1 Diagnósticos
El microprocesador interno del controlador
de válvula digital permite que el posicionador funcione, analice y almacene las
pruebas de diagnóstico.
La información de diagnóstico es útil para
determinar el estado de todo el conjunto
de válvula de control. Mediante el uso de
sensores de presión, de temperatura y
de carrera, así como de lecturas internas,
se generan representaciones grácas del
comportamiento y el estado de la válvula
77
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
de control y se recomiendan las acciones
necesarias. A continuación, esos datos
se utilizan para identicar elementos del
conjunto de válvula de control que puedan
requerir mantenimiento.
4.2.3.2 Comunicación digital bidireccional
El microprocesador interno del controlador
de válvula digital también permite la comunicación del posicionador con el sistema de control mediante una señal digital.
De este modo, el controlador de válvula
digital puede proporcionar al sistema de
control realimentación adicional, como
la referida a la carrera real de la válvula y
alertas de diagnóstico.
Uno de los protocolos de comunicación
más utilizados es HART®. La comunicación
HART utiliza una señal digital superpuesta
a la señal de control tradicional de 4 a 20
mA CC. Este protocolo de comunicación
permite utilizar el sistema principal para
congurar, calibrar y supervisar el estado
del posicionador. La comunicación HART
ofrece las ventajas de la comunicación
digital con la familiaridad del sistema de
control de 4 a 20 mA.
FOUNDATION™ Fieldbus es otro de los pro-
tocolos estándar del sector. Es completamente digital, es decir, la señal de control
(punto de ajuste) es digital y no corriente
de 4 a 20 mA CC. Tal como sucede con la
comunicación HART, el sistema principal
también se puede utilizar para congurar,
calibrar y supervisar al posicionador.
Además de los anteriores, PROFIBUS es un
protocolo habitual de la industria que proporciona comunicación totalmente digital.
La capa física de PROFIBUS y de FOUNDATION Fieldbus es la misma; sin embargo,
los protocolos de comunicación dieren y
ofrecen sus propias ventajas.
La tecnología inalámbrica es otro de los
métodos para comunicar información
entre el sistema de control y el controla-
dor de válvula digital. Los posicionadores
equipados con capacidad inalámbrica
pueden transmitir información digital con
independencia del cableado del sistema de
control.
4.3 Transductores I/P
En algunas aplicaciones no es necesario
contar con el gran nivel de exactitud de
posición que suministra un posicionador.
En esas aplicaciones se puede utilizar un
transductor electroneumático (I/P). El
transductor I/P (Figura 4.4) utiliza un módulo que convierte la entrada de corriente
de 4 a 20 mA en una salida de presión pro-
porcional. Un relé amplicador neumático
interno aporta la capacidad necesaria para
suministrar presión de salida al actuador
de la válvula de control. No se genera
realimentación de la posición de la válvula
y la respuesta es muy rápida.
Figura 4.4 Controlador de válvula digital montado en la válvula
de control
4.4 Amplificadores de caudal
Los posicionadores y los transductores I/P
están diseñados para suministrar suciente
capacidad de salida neumática para accio-
nar una válvula de control de regulación
típica. Sin embargo, algunas aplicaciones
necesitan mayores velocidades de carrera.
Cuando el volumen del actuador es grande,
la velocidad de posicionamiento de respuesta puede convertirse en un asunto crítico.
Los amplicadores de caudal se utilizan para
proporcionar capacidad de salida neumática
adicional al conjunto de válvula (Figura 4.5).
Un cambio importante y súbito de la señal
78
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Alimentación
de entrada (presión de salida desde el posicionador) genera una diferencia de presiones
entre la señal de entrada y la salida del ampli-
cador. Cuando esto sucede, el diafragma se
desplaza para abrir el puerto de suministro o
el puerto de salida, cualquiera que sea la acción necesaria para reducir dicha diferencia.
El puerto se mantiene abierto hasta que la
diferencia entre la entrada del amplicador
y la presión de salida se sitúen dentro del
límite de la banda muerta del amplicador.
Diafragmas
Escape
Puerto de
escape
Suministro
Con la restricción de bypass ajustada para
un funcionamiento estable, la señales,
con menor magnitud y velocidad, pasan a
través de la restricción de bypass y hacia el
actuador sin iniciar el funcionamiento del
amplicador. Los puertos de suministro y
de salida siguen cerrados, impidiendo el
consumo innecesario de aire y la posible
saturación de los relés del posicionador.
Entrada de señal
Tornillo de ajuste
de restricción
de derivación
Restricción de
derivación
Puerto de
suministro
Salida a
actuador
Figura 4.5 Vista en corte del amplicador de caudal
Amplificador
Conducto en T
Buje de conducto
Cuerpo
Protector
del cuerpo
Conexión de
diagnóstico
opcional
Figura 4.6 Instalación típica del amplicador con actuador de acción simple
de volumen
Racor de
conducto
Posicionador
Actuador
Regulador
de presión
Salida del
posicionador
Señal
79
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Los actuadores de acción simple normal-
mente utilizan un amplicador de volumen
(Figura 4.6). Los actuadores de doble acción
requieren al menos dos amplicadores
de volumen para alimentar cada lado del
pistón del actuador. Algunas aplicaciones,
como las de antisobrecarga del compresor
o de bypass de turbina, pueden requerir
amplicadores de volumen adicionales para
suministrar el volumen neumático necesario para una respuesta de válvula rápida.
4.5 Sistemas instrumentados de seguridad (SIS)
El objetivo principal de una válvula de
control es modular el ujo de líquido o gas
de un tubo dentro de un bucle de control de
proceso. Dentro de esos mismos bucles de
proceso, hay también válvulas de venteo de
emergencia, de bloqueo y de aislamiento.
Normalmente, son válvulas de apertura/
cierre que se utilizan para situar el bucle
de proceso en un estado seguro en caso
de emergencia del control de proceso
(Figura 4.7). Esas válvulas están controladas
por un sistema de seguridad aparte, con frecuencia controlado por solucionador lógico.
4.5.1 Prueba de recorrido parcial
Dado que las válvulas de seguridad son
estáticas y no modulan en condiciones
normales, tienen tendencia a atascarse.
Cuando se produce una emergencia, existe
el riesgo de que esas válvulas no respondan
a la instrucción de movimiento. Para eliminar dicho riesgo, el controlador de válvula
digital se puede utilizar como dispositivo
de prueba de recorrido o carrera parcial.
Una función importante del instrumento
es accionar la válvula de manera periódica.
Esto se lleva a cabo con una prueba de
recorrido parcial (PST, partial stroke test).
La PST desplaza lentamente la válvula una
parte de la carrera total y a continuación la
devuelve al estado normal. Esto moviliza
los componentes mecánicos de la válvula
de seguridad con una interrupción mínima
del bucle de proceso. Además, el contro-
lador de válvula digital tiene la capacidad
de diagnosticar posibles problemas y de
comunicar alertas si falla la prueba.
4.5.2 Funciones de seguridad y certificación de productos
El actuador de acción simple con retorno por muelle ofrece un modo de fallo
inherente al conjunto de válvula. Durante
una emergencia, el método típico para des-
Figura 4.7 Controlador de válvula digital en una válvula de seguridad
80
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
plazar la válvula al estado seguro es eliminar
la presión de aire al actuador y dejar que
el resorte posicione la válvula. Se puede
utilizar una electroválvula o un controlador
de válvula digital para que realice dicha fun-
ción. Puede haber instrumentos adicionales
en la válvula de seguridad, como amplicadores, transmisores de posición y sistemas
de desconexión. Es necesario evaluar todos
esos elementos respecto al efecto que puedan tener en el sistema de seguridad.
Dichos elementos pueden fallar y provocar una desconexión imprevista o no ser
capaces de situar la válvula de seguridad
en el estado seguro. El Análisis de modos
de fallo, efectos y diagnósticos (FMEDA,
Failure Modes, Effects, and Diagnostics
Analysis) proporciona una métrica para
cada componente. Permite al técnico de
seguridad diseñar el sistema instrumenta-
do de seguridad al nivel de reducción de
riesgo que se desee. Consulte en el Capítu-
lo 12 más información sobre los sistemas
instrumentados de seguridad.
4.6 Controladores
En algunas aplicaciones, el control del
proceso se realiza localmente sin necesidad de contar con un sistema de control
distribuido a gran escala (DCS) ni con controlador de lógica programable (PLC). Los
controladores locales se usan para medir
las condiciones del proceso, como presión,
temperatura o nivel, y para conducir directamente la presión de salida neumática a la
válvula de control (Figura 4.8).
La entrada al controlador local es normalmente presión, presión diferencial,
temperatura o desplazamiento de nivel.
La medición del proceso se convierte en
un movimiento del conjunto de travesa-
ño-clapeta, conectado a un elemento de entrada. El elemento de entrada puede ser un
manómetro Bourdon, el conjunto de fuelle,
el conjunto de palanca de desplazamiento
de líquido o una ampolla de temperatura.
Figura 4.8 Controlador neumático en la válvula de control
El elemento de entrada se conecta al
puntero de proceso (regulación del punto
de ajuste) y a la clapeta mediante una
articulación. A medida que aumenta la
entrada de proceso (en un controlador de
acción directa), la clapeta avanza hacia la
tobera, que restringe el caudal que pasa por
la tobera y aumenta la presión en ella.
Cuando esto sucede, la acción del relé
aumenta la presión de salida al actuador,
que modula a la válvula de control. La
presión de salida se realimenta al fuelle
proporcional. La acción del fuelle proporcio-
nal contrarresta el movimiento de la clapeta
producido por el cambio de la entrada de
proceso. A continuación aleja la clapeta de
la tobera hasta que el controlador alcance
un punto de equilibrio. La regulación del
punto de ajuste cambia la proximidad de
tobera y clapeta, al igual que un cambio en
la entrada de proceso. Sin embargo, cuando
se cambia el punto de ajuste, la tobera se
desplaza respecto a la clapeta.
El mando de ajuste de banda proporcional
sitúa la tobera en la clapeta. Con el aumen-
to o ampliación de la banda proporcional
la tobera se desplaza a una posición de
81
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Control solo proporcional
la clapeta en que esta se mueve menos,
reduciendo así la ganancia del controlador.
Con la reducción o el estrechamiento de la
banda proporcional la tobera se desplaza
a una posición donde la clapeta se mueve
más, incrementando la ganancia. La acción
del controlador cambia de directa a inversa
girando el mando de ajuste de banda
proporcional para colocar la tobera en un
punto de la clapeta en el que se invierte el
movimiento de la clapeta frente al movi-
miento de entrada. Con el controlador en
modo de acción inversa, un aumento de
la entrada de proceso provoca la reduc-
ción de la presión de salida al actuador. La
presión de suministro se purga a través de
un oricio jo del relé y sale por la tobera.
La presión de la tobera se registra en el dia-
fragma de relé grande y modula la presión
de carga en el diafragma de relé pequeño.
Esto también modula la presión de salida
del controlador al actuador (Figura 4.9).
Los controladores con operación pro-
porcional más reinicio son similares a los
de operación solo proporcional, con la
salvedad de que la presión de salida se realimenta al fuelle de reinicio y proporcional.
En el funcionamiento, los controladores
con operación proporcional más reinicio
reducen la diferencia entre la temperatura
de proceso y el punto de ajuste.
Los controladores con operación proporcional más reinicio más regulación tienen
una válvula reguladora, una restricción
ajustable que mantiene brevemente la
ganancia del controlador para acelerar
la acción correctora en sistemas lentos
(Figura 4.10). La acción reguladora retrasa
la reducción de ganancia solo lo suciente
para que el sistema pueda responder al
cambio, pero no tanto como para que se
desestabilice el sistema. A continuación, la
baja ganancia proporcionada por la acción
proporcional mantiene la estabilidad del
sistema. Por último, la acción de reinicio
incrementa lentamente la ganancia y de-
vuelve el proceso hacia el punto de ajuste.
El windup antirreinicio reduce el desbordamiento de la entrada del proceso que
puede producirse por una desviación
grande o prolongada respecto al punto de
ajuste. Esta opción se puede ajustar para
que funcione con presión de salida crecien-
te o menguante. La válvula de seguridad
diferencial funciona cuando la diferencia
entre la presión de fuelle proporcional y
la de fuelle de reinicio alcanza un valor
predeterminado.
Regulación manual
del punto de ajuste
Puntero de proceso
Conexión del punto
de ajuste remoto
Conexión del
elemento de
entrada
Articulación
Travesaño
Presión de suministro
Presión de salida
Presión de boquilla
Presión de reinicio
Presión proporcional
Figura 4.9 Esquema del controlador neumático
82
Fuelles proporcionales
Clapeta
Boquilla
Fuelles de reinicio
(con ventilación)
Ajuste de banda
proporcional
Conexión de
realimentación
Movimiento de
realimentación
Cuadrante de
acción directa
Presión de suministro
Cuadrante de
acción inversa
Pivote de
clapeta
Movimiento
de entrada
Presión de salida a
elemento final de control
Relé
A fuelles
Válvula de restablecimiento
proporcionales
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
A fuelles
de reinicio
A boquilla
Salida
Relé
Presión de suministro
Presión de salida
Presión de boquilla
Presión de reinicio
Presión proporcional
Figura 4.10 Esquema del controlador neumático
Válvula de alivio
diferencial
Control proporcional + de reinicio +
de regulación con wind-up antirreinicio
4.7 Transmisores de posición
El objetivo de un transmisor de posición es
suministrar realimentación de posición de
válvula independiente al sistema de control. La realimentación de posición suele
utilizarse para la supervisión de proceso,
solución de problemas o vericación de
puesta en marcha/apagado. El transmisor
de posición se monta directamente en la
válvula y mide la posición del vástago o
la echa de la válvula. En una instalación
conectada por cables, el transmisor de
posición emite una señal de 4 a 20 mA que
se corresponde con el rango de regulación
de la válvula de control. En una instalación
inalámbrica, el transmisor de posición
emite una señal digital de 0 a 100% (Figura 4.11).
Figura 4.11 Monitor de posición inalámbrico montado en el
actuador
Presión de suministro
Válvula reguladora
manual
4.8 Interruptores limitadores
El objetivo de un interruptor limitador es
enviar una señal discreta de apertura o cierre al sistema de control cuando la válvula
alcanza una posición especíca dentro de su
rango de carrera. Los interruptores limitado-
res también se emplean para la supervisión
de proceso, solución de problemas o vericación de puesta en marcha/apagado. El
interruptor limitador recibe realimentación
de posición desde el vástago o la echa de la
válvula y envía una señal por cable o inalám-
brica al sistema de control. Se dispone de
muchas tecnologías de interruptores, como
la de proximidad, estado sólido, magnética
y de cierre por contacto.
4.9 Electroválvulas
Las electroválvulas se instalan en la tubería
neumática que se dirige al actuador. En
ciertas aplicaciones, la electroválvula
descarga el aire del actuador para que la
válvula pueda pasar a su estado de fallo
por falta de aire. En otras aplicaciones, la
electroválvula atrapa el aire del actuador
para bloquear la válvula en su posición
actual. Los solenoides de tres vías suelen
utilizarse para accionar actuadores con
retorno por muelle y los de cuatro vías para
las actuadores de doble acción. La electro-
válvula se activa mediante la emisión o la
interrupción de una señal eléctrica discreta
procedente del sistema de control. Consul-
83
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
te en el Capítulo 11 más información sobre
las electroválvulas.
4.10 Sistemas de desconexión
Los sistemas de desconexión se utilizan en
las aplicaciones de control que requieren una
activación especíca del actuador cuando se
pierde la presión de suministro (Figura 4.12).
Se emplean con actuadores de doble acción
que carecen de estado de fallo por falta de
aire o con actuadores de simple o doble
acción para realizar el bloqueo neumático.
Cuando la presión de suministro desciende
por debajo del punto de desconexión, la
válvula de desconexión hace que el actuador tenga un fallo, se bloquee en la última
posición o tenga un fallo en posición de
cierre. En las aplicaciones de doble acción,
un recipiente de volumen aporta la capacidad neumática de reserva para operar la
válvula hasta que se recupere la presión de
suministro. Cuando la presión de sumi-
nistro supera el punto de desconexión, la
válvula de desconexión se reinicia automá-
ticamente y permite que el sistema vuelva
a su funcionamiento normal.
4.11 Volantes
Los volantes de los actuadores de diafragma suelen usarse como topes de carrera
ajustables. También son un medio inmediato para posicionar la válvula de control
en una emergencia.
Los volantes laterales se pueden utilizar para
que la válvula realice la carrera en cualquier
dirección y en cualquier punto de la carrera
del vástago del actuador (Figura 4.13). El
volante lateral se puede situar de modo que
limite la carrera en cualquiera de las direc-
ciones, pero no para limitar ambas a la vez.
Con el volante en posición neutral, es posible
el funcionamiento automático a lo largo de
toda la carrera de la válvula. En cualquier otra
posición, se limitará la carrera de la válvula.
Los volantes montados en la parte superior
se utilizan en servicios infrecuentes para
impulsar manualmente la carrera de la
válvula (Figura 4.14).
Muelle
Obturador
de la válvula
Diafragma
superior
Puerto de
escape
Presión de
suministro
Diafragma inferior
Figura 4.12 Válvula de desconexión activada
Puerto D
Puerto E
Puertos inferiores
Presión de suministro
Presión de control a la parte superior
del cilindro (bloqueada)
Presión de control a la base del
cilindro (bloqueada)
Puerto F
84
Resorte
principal
Puerto C
Puerto A
Puerto B
Puertos
superiores
Conjuntos
de obturador
Orificio de
ventilación
Actuador
Presión a la parte superior del cilindro
(desde el recipiente de volumen)
Presión desde la base del cilindro
(Ventilando)
Presión de carga de diafragma inferior
(Siendo ventilada)
Recipiente de
volumen
Dispositivo
de control
Guía de válvulas de control | Capítulo 4: Accesorios de la válvula de control
Figura 4.13 Actuador con volante later al
Figura 4.14 Actuador con volante montado en la parte superior
85
Capítulo 5
Dimensionamiento de válvulas de control
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Las válvulas de control manipulan todo
tipo de uidos a temperaturas desde el
rango de temperaturas criogénicas a tem-
peraturas superiores a 538 °C (1000 °F).
La selección de un conjunto de cuerpo de
válvula de control requiere una evaluación
detallada para obtener la mejor combi-
nación disponible de estilo de cuerpo de
válvula, material y diseño de fabricación
de los internos para la aplicación prevista.
También se deben considerar los requisitos
de capacidad en rangos de presión de fun-
cionamiento al seleccionar una válvula de
control para garantizar un funcionamiento
satisfactorio sin un coste inicial indebido.
Los fabricantes reputados de válvulas de
control y sus representantes se esfuer-
zan en ayudar a seleccionar la válvula de
control más adecuada para las condicio-
nes de servicio existentes. Debido a que
existen varias opciones correctas para una
aplicación, es esencial proporcionar toda la
información a continuación para cualquier
conjunto de condiciones que se considere
de importancia:
Tipo de uido que manipular.
Temperatura del uido.
Viscosidad del uido.
Concentraciones de todos los elemen-
tos, incluyendo trazas de impurezas.
Condiciones del proceso durante el
inicio, tareas habituales y el apagado.
Limpieza con agentes químicos que se
pueda realizar de forma periódica.
Gravedad especíca o densidad del
uido.
Caudal de uido.
Presión de entrada en la válvula.
Presión de salida o caída de presión.
Caída de presión en el cierre.
Nivel máximo de ruido permitido, si
fuera pertinente, y el punto de referencia de la medición.
Grados de sobrecalentamiento o
presencia de vaporización, si fuera
conocido.
Tamaño y cédula de los conductos de
entrada y salida
Información de identicación especial
requerida.
Material del cuerpo fundido (ASTM
A216 grado WCC, ASTM A217 grado
WC9, ASTM A351 CF8M, etc.)
Conexiones nales y características la
de válvula (atornillada, Clase 600 bridas
RFJ, Clase 1500 bridadas RTJ, etc.)
Respuesta deseada a un fallo de aire
(apertura de válvula, cierre, o mantener
la última posición de control).
Disponibilidad de alimentación de aire
del instrumento.
Señal del instrumento (3 a 15 psig, 4 a
20 mA, HART, etc.)
Además, la información siguiente requiere
el acuerdo entre el cliente y el fabricante
dependiendo de la adquisición y las prácti-
cas de ingeniería seguidas.
Número de tipo de válvula.
Tamaño de la válvula.
Construcción del cuerpo de válvula (angular, puerto doble, de mariposa, etc.).
Guiado del obturador de la válvula
(estilo jaula, guiado por puerto, etc.).
Acción del obturador de la válvula (empuje hacia abajo para cerrar o empuje
hacia abajo para abrir).
Tamaño de puerto (completo o limitado).
Materiales de internos de válvula
requeridos.
Acción del ujo (el ujo tiende a abrir la
válvula o el ujo tiende a cerrar la válvula).
Tamaño de actuador requerido.
Estilo de bonete (sencillo, de extensión, con fuelle de estanqueidad, etc.).
Material de empaquetadura (anillo en V
de PTFE, grato laminado, sistemas de
estanqueidad medioambientales, etc.).
Accesorios requeridos (posicionador,
volante, etc.).
Algunas de estas opciones se han tratado
en capítulos anteriores de este documento,
y otras se tratarán en éste y los siguientes
capítulos.
87
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Proceso de selección de válvula
1. Determine las condiciones de servicio
P1, ∆P, Q, T1, propiedades del uido, ruido permitido, etc.
Seleccione la clase de presión ANSI requerida para el cuerpo de válvula e internos.
2. Cálculo del requisito preliminar de C
Compruebe los niveles de ruido y cavitación.
3. Selección del tipo de internos
Si no hay ninguna indicación de ruido o cavitación, seleccione los internos estándar.
Si hay indicaciones de un nivel alto de ruido de líquido y/o cavitación, seleccione unos internos con reducción de cavit ación.
Compruebe que los internos seleccionados están disponibles en el grupo de internos para el tamaño de válvula
Si el ruido aerodinámico es alto, seleccione unos internos reductores de ruido.
4. Selección del cuerpo de válvula y tipo de internos
Seleccione los tamaños de cuerpo de válvula e inter nos con el Cv requerido.
Tenga en cuenta la carrera, grupo de internos y opciones de cierre.
5. Selección de los materiales de los internos
Seleccione los materiales de los internos para la aplicación pertinente.
6. Consideración de opciones
Considere las opciones de cierre, empaquetadura del vástago, etc.
seleccionado.
v
5.1 Medidas de la válvula de control
5.1.1
Medidas de superficie a superficie de válvulas de control de estilo globo con brida
Clases 125, 150, 250, 300, y 600 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.01).
Valores nominales de presión y conexiones finales
Tamaño de la válvula
DN NPS mm pulg mm pulg mm pulg
15 1/2 184 7,25 197 7,75 190 7,50
20 3/4 184 7,25 197 7,75 194 7,62
25 1 184 7,25 197 7,75 197 7,75
40 1-1/2 222 8,75 235 9,25 235 9,25
50 2 254 10,00 267 10,50 267 10,50
65 2-1/2 276 10,88 289 11,38 292 11,50
80 3 298 11,75 311 12,25 318 12,50
100 4 352 13,88 365 14,38 368 14,50
150 6 451 17,75 464 18,25 473 18,62
200 8 543 21,38 556 21,88 568 22,38
250 10 673 26,50 686 27,00 708 27,88
300 12 737 29,00 749 29,50 775 30,50
350 14 889 35,00 902 35,50 927 36,50
400 16 1016 40,00 1029 40,50 1057 41,62
Abreviaturas utilizadas: FF - supercie plana; RF - supercie elevada; RTJ - unión de tipo anillo; CI - hierro fundido
88
Clase 125 FF (CI)
Clase 150 RF (STL)
Clase 150 RTJ (STL)
Clase 250 RF (CI)
Clase 300 RF (STL)
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Continuación de las medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con brida...
Tamaño de la válvula
DN NPS mm pulg mm pulg mm pulg
15 1/2 202 7,94 203 8,00 203 8,00
20 3/4 206 8,12 206 8,12 206 8,12
25 1 210 8,25 210 8,25 210 8,25
40 1-1/2 248 9,75 251 9,88 251 9,88
50 2 282 11,12 286 11,25 284 11,37
65 2-1/2 308 12,12 311 12,25 314 12,37
80 3 333 13,12 337 13,25 340 13,37
100 4 384 15,12 394 15,50 397 15,62
150 6 489 19,24 508 20,00 511 20,12
200 8 584 23,00 610 24,00 613 24,12
250 10 724 28,50 752 29,62 755 29,74
300 12 790 31,12 819 32,25 822 32,37
350 14 943 37,12 972 38,25 475 38,37
400 16 1073 42,24 1108 43,62 1111 43,74
Abreviaturas utilizadas: STL - acero
Clase 300 RTJ (STL) Clase 600 RF (STL) Clase 600 RTJ (STL)
Valores nominales de presión y conexiones finales
Clases 900, 1500, y 2500 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.06)
Tamaño de la válvula
DN NPS Cort a Larga Corta Larga Cor ta Larga
15 1/2 273 292 10,75 11,50 273 292
20 3/4 273 292 10,75 11,50 273 292
25 1 273 292 10,75 11,50 273 292
40 1-1/2 311 333 12,25 13,12 311 333
50 2 340 375 13,38 14,75 340 375
65 2-1/2 - - - 410 - - - 16,12 - - - 410
80 3 387 441 15,25 17,38 406 460
100 4 464 511 18,25 20,12 483 530
150 6 600 714 21,87 28,12 692 768
200 8 781 914 30,75 36,00 838 972
250 10 864 991 34,00 39,00 991 1067
300 12 1016 1130 40,00 44,50 1130 1219
350 14 - - - 1257 - - - 49,50 - - - 1257
400 16 - - - 1422 - - - 56,00 - - - 1422
450 18 - - - 1727 - - - 68,00 - - - 1727
mm pulg mm
Clase 900 Clase 1500
89
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Continuación de las medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con brida...
Tamaño de la válvula
DN NPS Cort a Larga Corta Larga Corta Larga
15 1/2 10,75 11,50 308 318 12,12 12,50
20 3/4 10,75 11,50 308 318 12,12 12,50
25 1 10,75 11,50 308 318 12,12 12,50
40 1-1/2 12,25 13,12 359 381 14,12 15,00
50 2 13,38 14,75 - - - 400 - - - 16,25
65 2-1/2 - - - 16,12 - - - 441 - - - 17,38
80 3 16,00 18,12 498 660 19,62 26,00
100 4 19,00 20,87 575 737 22,62 29,00
150 6 24,00 30,25 819 864 32,25 34,00
200 8 33,00 38,25 - - - 1022 - - - 40,25
250 10 39,00 42,00 1270 1372 50,00 54,00
300 12 44,50 48,00 1321 1575 52,00 62,00
350 14 - - - 49,50 - - - - - - - - - - - 400 16 - - - 56,00 - - - - - - - - - - - 450 18 - - - 68,00 - - - - - - - - - - - -
Clase 1500 Clase 2500
pulg mm pulg
5.1.2 Medidas de superficie a superficie de válvulas de estilo globo con extremo de soldadura a tope
Clases 150, 300, 600, 900, 1500, y 2500 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.05)
Tamaño de la válvula
DN NPS Cort a Larga Corta Larga Cor ta Larga
15 1/2 187 203 7,38 8,00 194 279
20 3/4 187 206 7,38 8,25 194 279
25 1 187 210 7,38 8,25 197 279
40 1-1/2 222 251 8,75 9,88 235 330
50 2 254 286 10,00 11,25 292 375
65 2-1/2 292 311 11,50 12,25 292 375
80 3 318 337 12,50 13,25 318 460
100 4 368 394 14,50 15,50 368 530
150 6 451 508 17,75 20,00 508 768
200 8 543 610 21,38 24,00 610 832
250 10 673 752 26,50 29,62 762 991
300 12 737 819 29,00 32,35 914 1130
350 14 851 1029 33,50 40,50 - - - 1257
400 16 1016 1108 40,00 43,62 - - - 1422
450 18 1143 - - - 45,00 - - - - - - 1727
Clases 150, 300, y 600 Clases 900 y 1500
mm pulg mm
90
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Continuación de medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con ex tremo de soldadura a tope...
Tamaño de la válvula
DN NPS Cort a Larga Corta Larga Cor ta Larga
15 1/2 7,62 11,00 216 318 8,50 12,50
20 3/4 7,62 11,00 216 318 8,50 12,50
25 1 7,75 11,00 216 318 8,50 12,50
40 1-1/2 9,25 13,00 260 359 10,25 14,12
50 2 11,50 14,75 318 400 12,50 15,75
65 2-1/2 11,50 14,75 318 400 12,50 15,75
80 3 12,50 18,12 381 498 15,00 19,62
100 4 14,50 20,88 406 575 16,00 22,62
150 6 24,00 30,25 610 819 24,00 32,25
200 8 24,00 32,75 762 1029 30,00 40,25
250 10 30,00 39,00 1016 1270 40,00 50,00
300 12 36,00 44,50 1118 1422 44,00 56,00
350 14 - - - 49,50 - - - 1803 - - - 71,00
400 16 - - - 56,00 - - - - - - - - - - - 450 18 - - - 68,00 - - - - - - - - - - - -
Clases 900 y 1500 Clase 2500
pulg mm pulg
5.1.3 Medidas de superficie a superficie de válvulas de estilo globo con extremo de soldadura por enchufe
Clases 150, 300, 600, 900, 1500, y 2500 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.03)
Tamaño de la válvula
DN NPS Cort a Larga Corta Larga Cor ta Larga
15 1/2 170 206 6,69 8,12 178 279
20 3/4 170 210 6,69 8,25 178 279
25 1 197 210 7,75 8,25 178 279
40 1-1/2 235 251 9,25 9,88 235 330
50 2 267 286 10,50 11,25 292 375
65 2-1/2 292 311 11,50 12,25 292 - - -
80 3 318 337 12,50 13,25 318 533
100 4 368 394 14,50 15,50 368 530
Clases 150, 300, y 600 Clases 900 y 1500
mm pulg mm
91
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Continuación de medidas de supercie a supercie de válvulas de estilo globo con ex tremo de soldadura por
enchufe...
Tamaño de la válvula
DN NPS Cort a Larga Corta Larga Cor ta
15 1/2 7,00 11,00 216 318 8,50 12,50
20 3/4 7,00 11,00 216 318 8,50 12,50
25 1 7,00 11,00 216 318 8,50 12,50
40 1-1/2 9,25 13,00 260 381 10,25 15,00
50 2 11,50 14,75 324 400 12,75 15,75
65 2-1/2 11,50 - - - 324 - - - 12,75 - - -
80 3 12,50 21,00 381 660 15,00 26,00
100 4 14,50 20,88 406 737 16,00 29,00
Clases 900 y 1500 Clase 2500
pulg mm pulg
Larga
5.1.4 Medidas de superficie a superficie de válvulas de estilo globo con extremo atornillado
Clases 150, 300, y 600 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.03)
Tamaño de la válvula
DN NPS Corta Larga Corta Larga
15 1/2 165 206 6,50 8,12
20 3/4 165 210 6,50 8,25
25 1 197 210 7,75 8,25
40 1-1/2 235 251 9,25 9,88
50 2 267 286 10,50 11,25
65 2-1/2 292 311 11,50 12,26
Clases 150, 300, y 600
mm pulg
5.1.5 Medidas de superficie a línea central de válvulas de ángulo de estilo globo con superficie elevada
Clases 150, 300, y 600 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.08)
Tamaño de la válvula Clase 150 Clase 300 Clase 600
DN NPS mm pulg mm pulg mm pulg
25 1 92 3,62 99 3,88 105 4,12
40 1-1/2 111 4,37 117 4,62 125 4,94
50 2 127 5,00 133 5,25 143 5,62
80 3 149 5,88 159 6,25 168 6,62
100 4 176 6,94 184 7,25 197 7,75
150 6 226 8,88 236 9,31 254 10,00
200 8 272 10,69 284 11,19 305 12,00
92
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
5.1.6 Medidas de superficie a superficie de válvulas de estilo globo con brida separable
Clases 150, 300, y 600 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.07)
Tamaño de la válvula Clases 150, 300, y 600
DN NPS mm pulg
25 1 216 8,50
40 1-1/2 241 9,50
50 2 292 11,50
80 3 356 14,00
100 4 432 17,00
5.1.7 Medidas de superficie a superficie para válvulas rotativas con y sin brida (excepto de mariposa)
Clases 150, 300, y 600 (medidas conforme a ANSI/ISA-75.08.02)
Tamaño de la válvula Clases 150, 300 y 600
DN NPS mm pulg
20 3/4 76 3,00
25 1 102 4,00
40 1-1/2 114 4,50
50 2 124 4,88
80 3 165 6,50
100 4 194 7,62
150 6 229 9,00
200 8 243 9,56
250 10 297 11,69
300 12 338 13,31
350 14 400 15,75
400 16 400 15,75
450 18 457 18,00
500 20 508 20,00
600 24 610 24,00
93
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
5.1.8 Medidas de superficie a superficie de válvulas de mariposa de brida simple (tipo orejeta) y sin brida (tipo oblea)
(medidas conforme a MSS-SP-67)
Tamaño de la válvula Medidas de cuerpo de válvula estrecho, instalado
DN NPS pulg mm
40 1-1/2 1,31 33,3
50 2 1,69 42,9
65 2-1/2 1,81 46,0
80 3 1,81 46,0
100 4 2,06 52,3
150 6 2,19 55,6
200 8 2,38 60,5
250 10 2,69 68,3
300 12 3,06 77,7
350 14 3,06 77,7
400 16 3,12 79,2
450 18 4,00 101,6
500 20 4,38 111,2
1. Cuerpos compatibles con bridas de hierro fundido de clase 125 o bridas de acero de clase 150.
2. Esta es la medida de supercie a supercie de la válvula tras su instalación en el conducto. No incluye el grosor de las juntas en caso de utilizar juntas
separadas. Si incluye el grosor de las juntas o elementos de estanqueidad que son una parte integral de la válvula; no obstante, esta medida se dene
con las juntas o elementos de estanqueidad comprimidos.
(1)(2)
5.1.9 Medidas de superficie a superficie de válvulas de mariposa de presión alta con diseño excéntrico
Clases 150, 300, y 600 (medidas conforme a MSS SP-68)
Tamaño de la válvula Clase 150 Clase 300 Clase 600
DN NPS pulg mm pulg mm pulg mm
80 3 1,88 48 1,88 48 2,12 54
100 4 2,12 54 2,12 54 2,50 64
150 6 2,25 57 2,31 59 3,06 78
200 8 2,50 63 2,88 73 4,00 102
250 10 2,81 71 3,25 83 4,62 117
300 12 3,19 81 3,62 92 5,50 140
350 14 3,62 92 4,62 117 6,12 155
400 16 4,00 101 5,25 133 7,00 178
450 18 4,50 114 5,88 149 7,88 200
500 20 5,00 127 6,25 159 8,50 216
600 24 6,06 154 7,12 181 9,13 232
94
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
5.2 Clasificaciones de fuga del asiento de válvula de control
(conforme a ANSI/FCI 70-2 y IEC 60534-4)
Designación
de clase de
fuga
I - - - - - - - - -
II
III
IV
V
VI
Fuga máxima
permitida
0,5% de la
capacidad nominal.
0,1% de la
capacidad nominal.
0,01% de la
capacidad nominal.
0,0005 ml de
agua por minuto
por pulgada
de diámetro
del oricio por
diferencial de psi.
−12m3
(5 X 10
de agua por
segundo por
mm de diámetro
del oricio por
diferencial de bar).
No supere las
cantidades
indicadas en la tabla
siguiente con base
en el diámetro del
puerto.
Elemento de prueba Presiones de prueba
Agua u oxígeno a 10 -
52 °C (50 - 125 °F)
Como se indica
anteriormente.
Como se indica
anteriormente.
Agua a 10 - 52 °C (50
- 125 °F)
Aire o nitrógeno a 10
- 52 °C (50 - 125 °F)
3 - 4 bar (45 - 60 psig)
o el diferencial de
funcionamiento máximo,
lo que sea menor.
Como se indica
anteriormente.
Como se indica
anteriormente.
Caída de presión de
servicio máxima en
el obturador de la
válvula, que no supere la
clasicación de cuerpo de
ANSI, o presión inferior
bajo acuerdo.
3,5 bar (50 psig) o presión
diferencial nominal
máxima en el obturador
de válvula, lo que sea
menor.
Procedimientos de prueba
requeridos para
determinar la clasificación
No se requiere la prueba si así
se acuerda entre el usuario y el
proveedor.
Aplicación de presión en la entrada
de la válvula, con la salida abierta
a la atmósfera o conectada a un
instrumento de medición con
pérdida de carga baja y con un
empuje de cierre normal total
proporcionado por el actuador.
Como se indica anteriormente.
Como se indica anteriormente.
Aplicación de presión en la entrada
de la válvula después de llenar
totalmente la cavidad del cuerpo
y la canalización conectada con
agua desplazando el obturador
de válvula a su posición de cierre.
Utilice el empuje de actuador
máximo neto especicado, pero
no más, incluso de estar disponible
durante la prueba. Deje el tiempo
necesario para la estabilización del
ujo de fuga.
Aplicación de presión en la
entrada de la válvula. El actuador
se debe ajustar a las condiciones
de funcionamiento especicadas
con un empuje de cierre normal
total aplicado al asiento del
obturador de la válvula. Deje
el tiempo necesario para las
estabilización del ujo de fuga y
utilice un instrumento de medición
adecuado.
95
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
5.3 Fuga del asiento máxima permitida de clase VI
(conforme a ANSI/FCI 70-2)
Diámetro nominal del puerto Burbujas por minuto
pulg mm ml por minuto Burbujas por minuto
1 25 0,15 1
1-1/2 38 0,30 2
2 51 0,45 3
2-1/2 64 0,60 4
3 76 0,90 6
4 102 1,70 11
6 152 4,00 27
8 203 6,75 45
1. Las burbujas por minuto indicadas en la tabla son una sugerencia alternativa determinada mediante un instrumento de medición con la calibración
adecuada, en este caso un conducto de pared con un diámetro exterior de 6,3 mm (1/4 pulg) x 0,8 mm (0,032 pulg) sumergido en agua a una
profundidad de 3 a 6 mm (1/8 a 1/4 pulg). El extremo del conducto debe presentar un corte perpendicular y suave sin bisel o rebabas, y el eje del
conducto debe estar perpendicular a la supercie del agua. Es posible fabricar otros elementos y el número de burbujas por minuto puede diferir de los
indicados siempre que indiquen de forma correcta el ujo en ml por minuto.
(1)
5.4 Características de flujo de la válvula de control
La característica de ujo de una válvula
de control es la relación entre el caudal
que pasa por la válvula y la variación en la
posición de la carrera de la válvula de 0 a
100%. La característica de ujo inherente
designa la característica observada con una
caída de presión constante en la válvula.
La característica de ujo instalada designa
el obtenido durante el servicio cuando
se producen variaciones en la caída de
presión debido al ujo y otras variaciones
en el sistema.
Determinar las características de las válvu-
las de control proporciona una estabilidad
del bucle de control relativamente uniforme para una gran variedad de condiciones
de funcionamiento del sistema previstas.
Determinar la característica de ujo nece-
saria para satisfacer las necesidades de un
sistema dado requiere un análisis dinámico
del bucle de control. Se han realizado
análisis de los procesos más habituales; no
obstante, se pueden establecer algunas
directrices útiles para la selección de la
característica de ujo adecuada. Estas
directrices se tratarán después de una
descripción breve de las características de
ujo utilizadas actualmente.
5.4.1 Características de flujo
La Figura 5.1 ilustra las curvas típicas de
característica de ujo. La característica
de ujo de apertura rápida proporciona la
máxima variación de caudal con carreras
bajas de válvula con una relación práctica-
mente lineal. Crecimientos adicionales de
la carrera de válvula generan variaciones
notables en el caudal, y cuando el obtura-
dor de la válvula se aproxima a la posición
de apertura total, la variación de caudal se
acerca a cero. En una válvula de control, el
funcionamiento principal de un obturador
de válvula de apertura rápida es la tarea
de apertura y cierre, pero también es apto
para otra aplicaciones donde un obturador
de válvula lineal sería la recomendación
habitual.
100
Apertura rápida
Lineal
Coeficiente de flujo nominal (%)
0
Figura 5.1 Bucle de control de realimentación
Equiporcentual
100
Carrera nominal (%)
96
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
La curva de característica de ujo lineal in-
dica que el caudal es directamente propor-
cional a la carrera de válvula. Esta relación
proporcional produce una característica
con una pendiente constante de forma
que, con una caída de presión constante, la
ganancia de válvula es idéntica con todos
los ujos. (La ganancia de válvula es la
relación de una variación incremental en la
posición del obturador de válvula. Ganancia se deriva del tamaño y conguración de
la válvula, condiciones de funcionamiento
del sistema y características del obturador
de válvula.) El obturador de válvula lineal
se especica habitualmente para el control
de nivel de líquido y algunas aplicaciones
de control de ujo que requieren una
ganancia constante.
En la característica de ujo de igual porcentaje, los incrementos equitativos de la
carrera de la válvula generan variaciones
de igual porcentaje en el ujo existente. La
variación del caudal siempre es proporcional al caudal justo antes de realizarse una
variación en el obturador, disco o posición
de bola de válvula. Cuando el obturador,
disco o bola de la válvula está cerca de su
asiento, el ujo es bajo; con un ujo alto, la
variación del caudal será alta. Las válvulas
con una característica de ujo de igual
porcentaje se utilizan habitualmente para
aplicaciones de control de presión y otras
aplicaciones donde un amplio porcentaje
de la caída de presión es habitualmente
absorbida por el sistema mismo, con solo
un porcentaje relativamente bajo disponible en la válvula de control. Las válvulas
con una característica de igual porcentaje
también se deben considerar si se prevén
condiciones con una alta variación en la
caída de presión.
5.4.2 Selección de características de flujo
La característica de ujo ideal sería una
que produjese una característica instalada
lineal y una ganancia instalada uniforme.
Para un rendimiento óptimo se debe
realizar un análisis dinámico completo, ya
que hay muchos otros factoras además
de la característica de ujo que afectan
al rendimiento. Tal análisis es altamente
recomendado para aplicaciones donde un
control preciso es esencial. Para otra apli-
caciones, una característica de ujo alejada
de la ideal se puede ajustar hasta cierto
punto con el equipo de control. Consulte el
Capítulo 2 para más información sobre el
rendimiento de las válvulas de control.
5.5
Dimensionamiento de válvula
Las tareas de normalización del dimensionamiento de válvulas de control se remontan a principios de la década de 1960
cuando una asociación comercial, Fluids
Control Institute, publicó ecuaciones de
dimensionamiento para su uso con uidos
compresibles y no compresibles. La variedad de condiciones de servicio que estas
ecuaciones podían representar de forma
precisa era bastante limitada, y el estándar
no obtuvo una gran aceptación. En 1967,
la ISA constituyó un comité para el desarro-
llo y publicación de ecuaciones estándar.
El trabajo de este comité culminó en un
procedimiento de dimensionamiento que
obtuvo la aceptación de American National
Standard. Posteriormente, un comité de la
Comisión Electrotécnica Internacional (IEC)
utilizó el trabajo de la ISA como base para
la formulación de estándares internaciona-
les para el dimensionamiento de válvulas
de control. (Parte de la información incluida en este material de introducción se ha
extraído del estándar ANSI/ISA-75.01.01
con permiso del editor, la ISA.) Los están-
dares de dimensionamiento de válvula
ANSI/ISA-75.01.01 y IEC 60534-2-1 se han
armonizado, con lo que se puede utilizar
cualquiera de ellos.
A pesar de que los métodos de dimensionamiento de válvula estándar son válidos
para la mayoría de casos de dimensionamiento de válvula de control, es esencial
tener en cuenta que los estándares denen
sus límites de aplicación. Su uso fuera de
sus límites establecidos se debe realizar
con precaución. Los requisitos de los están-
dares para una precisión razonable son:
Fluidos monocomponente
monofásicos.
Fluidos newtonianos.
Gases ideales y vapores.
97
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
Una relación ideal de capacidades
térmicas especícas en el rango 1,08 <
γ < 1,65 para gases y vapores.
Válvulas con un xT ≤ 0,84.
Válvulas con un Cv/d2 < 30.
En las secciones a continuación se detallan
la nomenclatura y los procedimientos,
además de la solución de problemas de
ejemplo para ilustrar su uso. Para la discusión a continuación, se asume que todos
los ujos poseen una turbulencia total.
Para casos con uidos de viscosidad alta o
caudales muy bajos se requieren conside-
raciones adicionales.
5.6 Abreviaturas y terminología
Símbolo Símbolo
Coeciente de dimensionamiento de válvula ∆P
C
v
d Tamaño nominal de válvula ∆P
D1, D
Diámetro interno de la canalización aguas
2
arriba y aguas abajo, respectivamente
Modicador de estilo de válvula, sin medida q Caudal volumétrico estándar
F
d
Factor de relación de presión crítica del líquido,
F
F
Relación de factores calorícos especícos,
F
γ
Factor de recuperación de presión de líquido,
F
L
Combinación del factor de recuperación
de presión de líquido y del factor de
corrección por geometría de la cañería de
F
LP
una válvula con racores conectados (si no
hay racores conectados, F
F
Factor de corrección por geometría de la
P
K
Coeciente de pérdida de carga de un
dispositivo, sin medida (indicado con ζ en los
estándares de dimensionamiento)
sin medida
sin medida
sin medida
sin medida
LP
cañería, sin medida
es igual a F
),
L
M Peso molecular x
N
P
1
P
2
P
c
P
v
1. Las condiciones estándar se denen a 15,5 °C (60 °F) y 14,7 psia (101,3 k Pa).
Constante numérico, utilizado para
representar varios conjuntos de unidades
Presión estática absoluta aguas arriba Z
Presión estática absoluta aguas abajo
Presión crítica termodinámica absoluta
Presión absoluta de vapor del líquido a la
temperatura de admisión
Caída de presión (P1-P2) a lo largo de la válvula
Caída de presión de líquido que limita el ujo por
choked
Valor de la caída de presión utilizada para cálculos
∆P
sizing
T
1
w Caudal másico
Relación de caída de presión a lo largo de la válvula
x
a presión estática absoluta aguas arriba (∆P/P1),
x
choked
x
sizing
estrangulamiento para un ujo compresible
Valor de relación de caída de presión utilizado
Factor de relación de caída de presión en el ujo
x
T
Factor de relación de caída de presión en el ujo
TP
estrangulado con racores conectados, sin medida
Y Factor de expansión, sin medida
Factor de compresibilidad en las condiciones de
1
Relación ideal de valores calorícos especícos,
γ
ν
ρ
1
Gravedad especíca del líquido en la admisión
(relación de densidad del líquido a temperatura de
ρ
1/ρo
circulación y densidad del agua a 15,5 °C (60°F)),
estrangulamiento
de dimensionamiento de líquido
(1)
Temperatura absoluta aguas arriba
sin medida
Relación de caída de presión con
para el dimensionamiento compresible
estrangulado, sin medida
admisión, sin medida
sin medida
Viscosidad cinemática
Densidad en condiciones de admisión
sin medida
98
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
5.7 Constantes de ecuación
(2)
- - -
- - -
- - -
- - -
ρ
3
3
T d, D
- - -
- - -
- - -
- - -
- - - - - -
- - - - - -
N w q P
0,0865 - - - m3/h kPa - - - - - - - - -
N
1
0,865 - - - m3/h bar - - - - - - - - -
1,00 - - - gpm psia - - - - - - - - -
N
2
N
5
0,00214
890
0,00241
1000
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
- - -
2,73 kg/h - - - kPa kg/m
N
6
27,3 kg/h - - - bar kg/m
63,3 lb/h - - - psia lbm/ft3- - - - - -
0,948 kg/h - - - kPa - - - K - - -
N
8
94,8 kg/h - - - bar - - - K - - -
19,3 lb/h - - - psia - - - deg R - - -
Condiciones normales 21,2 - - - m3/h kPa - - - K - - -
TN = 0 °C 2120 - - - m3/h bar - - - K - - -
(3)
N
Condiciones estándar 22,5 - - - m3/h kPa - - - K - - -
9
Ts = 15 °C 2250 - - - m3/h bar - - - K - - -
Condiciones estándar
TS = 60 °F
1. Varias de las ecuaciones utilizadas en estos procedimientos de dimensionamiento contienen una constante numérica N con un subíndice numérico.
Estas constantes numéricas permiten utilizar unidades distintas en las ecuaciones. Los valores de varias constantes y sus unidades aplicables se indican
en la tabla anterior. Por ejemplo, si el caudal se expresa en U.S. gpm y las presiones en psia, N1 tiene un valor de 1,00. Si el caudal se expresa en m3/h y
las presiones en kPa, la constante N1 se convertiría en 0,0865.
2. Todas las presiones son absolutas.
3. La presión base es 101,3 kPa (1,013 bar) (14,7 psia).
7320 - - - scfh psia - - - deg R - - -
mm
pulg
mm
pulg
99
Guía de válvulas de control | Capítulo 5: Dimensionamiento de válvulas de control
5.8 Dimensionamiento de válvulas para líquidos
A continuación se detalla un procedimiento
paso a paso para el dimensionamiento de válvulas de control para ujo líquido utilizando
los procedimientos de ISA e IEC. En sentido
estricto, este método de dimensionamiento
solo es válido para uidos monocomponente,
aunque se pueden utilizar soluciones multi-
componente con precaución.
Cada uno de estos pasos es importante y
se deben tener en cuenta durante cualquier
procedimiento de dimensionamiento de
válvula. Es importante tener en cuenta que
los valores de Cv y FL son conjuntos emparejados. Si se utiliza una Cv distinta, el valor FL
para esa válvula y carrera de válvula se debe
obtener de la documentación del producto.
1. Dena las variables requeridas para dimensionar la válvula de la forma siguiente:
Diseño deseado
Fluido del proceso (agua, aceite, etc.)
Condiciones de servicio pertinentes
q o w, P1, P2 o ∆P, T1, ρ1/ρo, Pv, Pc, y ν
La capacidad de determinar los términos
óptimos para un procedimiento de dimen-
sionamiento especíco solo se adquiere con
la experiencia derivada de afrontar varios
dimensionamientos de válvula distintos. Si
cualquiera de los términos anteriormente
mencionados parecen nuevos o inusuales,
consulte la tabla de Abreviaturas y terminología para una denición completa.
2. Determine las constantes de ecuación, N1 y N2.
N1 y N2 son constantes numéricos presen-
tes en las ecuaciones de ujo y permiten
utilizar sistemas de unidades distintos. Los
valores de estas constantes y sus unidades
aplicables se detallan en la tabla Constantes de ecuación.
3. Determine FP, el factor de corrección por
geometría de la cañería, y FLP, el factor de
recuperación de presión del líquido ajustado para los racores conectados.
Para estos cálculos se utiliza un valor
estimado de Cv y el correspondiente valor
de FL.
FP es un factor de corrección que representa
las pérdidas de presión derivadas de racores
de canalización como racores reductores,
racores acodados o racores en T que se
pueden conectar de forma directa a las
conexiones de entrada y salida de la válvula
de control que dimensionar. Si tales racores
se conectan a la válvula, se deben tener en
cuenta. El procedimiento de dimensiona-
miento estándar proporciona un método
que permite calcular el factor FP para
reductores concéntricos y expansores. Por
otra parte, si no hay racores conectados a la
válvula, FP tiene un valor de 1,0 y simplemente no tiene efecto en la ecuación de
dimensionamiento. Asimismo, FLP = FL.
4. Determine la caída de presión que aplicar
para el dimensionamiento, ∆P
sizing
.
Cuando la diferencia de presión aguas arriba
y aguas abajo es sucientemente elevada,
el líquido puede comenzar a vaporizarse,
generando el estrangulamiento de ujo. Si
la caída de presión real en la válvula, ∆P, e s
superior a la caída de presión que genera el
estrangulamiento de ujo, se debe utilizar
la caída de presión de ujo estrangulado,
∆P
, en lugar de la caída de presión real.
choked
5. Calcule Cv. Si el valor de Cv no es próximo
al estimado utilizado en el paso 3, repita
el proceso con este valor nuevo de Cv y el
valor correspondiente de FL de la información del producto.
5.8.1 Cálculo del factor de corrección
por geometría de la cañería (FP) y el
factor de recuperación de presión del
líquido (F
) ajustado para los racores
LP
Determine un factor FP si se va a conectar
de forma directa cualquier racor como
un reductor, racor acodado o racor en T
a las conexiones de entrada y salida de la
válvula de control que se va a dimensionar.
Siempre que sea posible, se recomienda
determinar los factores FP y FLP de forma
práctica utilizando la válvula especicada
con pruebas reales.
100
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