Texto VALV. DE CONTROL Dimen. y Selección

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VALVULAS DE CONTROL ACL Rev-1

INDICE 1 - VALVULAS DE CONTROL ……………………………………….. 4 - Generalidades: Normas; Definiciones; Terminología. 2 - TIPOS MAS FRECUENTES…………..…………………………… 5 - Por diseño: Alternativas y Rotativas - Órganos internos, diversos diseños 3 - MATERIALES, CONSTRUCCION, PRUEBAS …….………… 16 - Diseño cuerpo-tapa. Materiales. - Criterios prácticos de selección materiales. - Presión nominal – Ratings - Cierre obturador- asiento- Clases de fugas. Estanqueidad al exterior 4 -

ACTUACION Y POSICIONADORES…………………………… 27 Actuadores neumáticos Actuadores eléctricos e hidráulicos Posicionadores convencionales e inteligentes. Otros accesorios.

5 - TIPOS DE DERRAME,,…………………………………………...... 42 1- Derrame en líquidos - Subcríticos, críticos: Cavitación, Flash. - Coeficientes Fl- Kc- Km- Xfz- Sigma. - Cavitación y consecuencias. Su tratamiento - Vaporización- flash. 2- Derrame en gases y vapor - Coeficiente XT - Ruido aerodinámico, factores y soluciones. 6 - CALCULO Y SELECCION ………………………..………………….. 58 - Introducción a las fórmulas de cálculo. Cv, Kv. - Procedimiento de calculo IEC / ISA 7-

LOS DATOS DE CALCULO ……………………..………………… 64 Variables del proceso y su presentación Régimenes de caudal y presion. Pérdida de carga para cálculo de la válvula Condiciones del fluido a la entrada de la válvula.

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8 - PASOS Y EJEMPLOS DE CALCULO ………….…………… 71 - Tamaño cuerpo y trim. Velocidades - Proceso de selección. - Programas informáticos para el cálculo. - Ejemplos de cálculo 9 – Aplicaciones en sector energía.………………………………80 - Servicios severos en C. Térmicas y ciclos combinados - Cogeneración - Termosolares Presentaciones ………………………………………..………..83

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1 – VALVULAS DE CONTROL

- Normas de referencia El diseño de cuerpo más conocido es el tipo globo que puede ser de simple asiento, doble, con jaula etc. Lo normal es que consten de cuerpo y una ó dos tapas en algunos casos, sobre todo en los diseños antiguos. También hay válvulas que, por su diseño, no tienen tapa, por ejemplo las mariposas, el tipo globo con obturador rotativo, las bolas segmentadas de regulación, algunos diseños de bolas con cuerpo completamente soldado. El diseño de un cuerpo debe quedar amparado por una norma, criterio ó standard. Los fabricantes tienen que apoyarse en aquellas normas ó estándares más comúnmente aceptados para la construcción de plantas industriales. Las normas más usuales que tienen relación con los aspectos mecánicos de las válvulas, rating, dimensiones, conexiones tolerancias, ensayos etc., son las siguientes: -

ANSI B16.34 Para diseño de válvulas. Define el rating, materiales, pruebas hidrostática. Fundición y procedimientos de reparación. Ensayos no destructivos. Los ratings según clases 150-300-600-900-1500-2500 lbs., que no son equivalentes a normas europeas EN1759

-

ANSI/ASME- B. 16.5 Bridas de tuberías, ratings - materiales, tipos acabado

-

ANSI B 16. 5/10 Para todo tipo de conexiones, embridadas, roscadas, soldadas. Equivalente a ISA S. 75.03, 04, 12, 14, 15, 16, 22. “face to face” dimensiones

-

Para extremos B.W. : ANSI B 16.25 ; EN 12627 ; ISO 9692-1

-

ANSI-FCI 70.2 para fugas obturador-asiento.

A nivel europeo son de apliucación las normas de ámbito comunitario. Algunas de ellas, relacionadas con las válvulas son: -

Pressure Equipment Directive – PED 97/23/CE de obligado cumplimiento para todo equipo a presión: cuerpos de válvulas.

-

Los materiales quedan bajo norma EN-10213- 1 a 4 para cuerpos fundidos.

-

La tortillería (Bolting) bajo EN-10269

Toda la cuestión de materiales ha tenido un proceso de armonización entre los códigos ASTM y sus equivalentes con denominación EN-…. EN-12516-1-2-3 para el rating del cuerpo, bajo deno,inación B-10-25-40-63-100. En realidad los términos DIN e ISO no deberían usarse, sustituyéndolos por EN- …, pero aún se mencionan. - DIN, PN-10-16-25-40-64-100 para definir ratings estaría cubierto por EN-1092 pero con la diferencia que desaparece el PN-64 y es sustituido por PN-63 - ISO, PN-20-50-100-150-250-420 está cubierto por EN-1759 - API 607 Válvulas de cuarto de vuelta (bola-mariposa-macho) con cierre blando

- ISO – 7005.01 Presión –Tª para bridas - IEC - 534. 1 / 2 todo sobre válvulas de control - JIS - Japanese Ind. Standard. (JS 1025) - Y otras según clientes ó paises donde se implante el proyecto.

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- Definiciones Lo característico de una válvula de control es que son válvulas gobernadas por una señal de control variable, que responden a lo largo de toda su carrera, siendo actuadas por un medio independiente al proceso: aire, electricidad, presión hidráulica.

Veamos que efiniciones que hace ISA para una válvula de control ISA- Instrumentation System and Automation A power operated device which modifies the fluid rate in a process control system. It consists of a valve connected to an actuator mechanism that is capable of change the position of a flow controlling element in the valve in response to a signal from the controlling system.

- Partes constitutivas Desde un punto de vista mecánico, las partes a estudiar son: -

Cuerpo – tapa – (como recipiente a presión) y tortillería.

-

Órganos internos (trim)

-

Actuado

- Terminología: Todas y cada una de las partes y elementos están perfectamente definidos en cuanto a su denominación. Así pueden consultarse: ISA-S 75.05

Control Valve Terminology

ISA-S 51.1

Process Instrumentation Terminology.

IEC-534. 1

Control Valve Terminology

EN 736 Part- 1-2-3 Definiciones y terminología en general DIN- 19227

Simbolos y graficos de representación

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2 - TIPOS MAS FRECUENTES

Cuerpo-tapa son las partes que sirven de armazón a la misma y por tanto determinan su forma y dimensiones. Se incluyen las conexiones a la tubería: bridas, uniones soldadas, roscadas, etc. El conjunto cuerpo – tapa soportan el contacto con la presión y temperatura del fluido, y por tanto actúa como recipiente a presión. (las condiciones de diseño sirven para definir el rating ó PN) Deben ser resistentes a la corrosión y erosión producida por el fluido. Simple–Doble asiento

Angular Globo Lineales

Tres vías Cuerpo partido En Y, etc.

DOS GRANDES GRUPOS

Membrana – (Manguito)

Rotary Plug [S.Asiento] Rotativas

Mariposa Bola - Macho

Podemos clasificar los diseños en dos grandes grupos:

-

•

Válvulas con vástago de movimiento lineal. (alternativas- reciprocating)

•

Válvulas con vástago rotativo. (rotativas)

Movimiento lineal ó alternativo Globo simple asiento. Puede ser desequilibrado ó equilibrado. Las primeras se fabrican en todos los ratings y materiales, normalmente hasta 6” - 8” de diámetro debido a que como el obturador cierra contra toda la presión de entrada, los actuadotes tienen dificultad para soportar altas presiones diferenciales. Cuando el actuador es insuficiente ó antieconómico para alcanzar esta fuerza de asentamiento, se acude a diseños de obturadores equilibrados ó de jaula con obturador equilibrado con las que se pueda conseguir estanqueidades clase IV – V y en algunos tamaños, con diseños especiales, clase VI.

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Globo doble asiento Este tipo, muy usado en el pasado y ahora menos, tiene un obturador más equilibrado por lo que se usa en grandes tamaños. Su limitación es que tiene una calidad de cierre peor. No alcanza la clase IV, por ser difícil la simultaneidad de cierre de los dos asientos al mismo tiempo. Doblemente guiado. Precisa de actuadores más pequeños. Soporta altas presiones diferenciales. En su versión con obturador en lumbreras ofrece muy buen coeficiente de caudal crítico Fl, por lo que en algunas aplicaciones es buen diseño para prevenir la cavitación

Angular “Top Guide”

Globo “Stem Guide”

Tres vías

Tres Vías Las válvulas de tres vías pueden ser mezcladoras con dos entradas y una salida ó separadoras con una entrada y dos salidas. Su aplicación típica es el control de temperatura de intercambiadores. Sin embargo tienen menor coeficiente de caudal (Cv) y soportan menos presión diferencial; Son más inestables por no ser obturador equilibrado. Por eso en muchos casos es más interesante y económico usar dos válvulas de acciones opuestas e independientes. Se simplifica el diseño de tuberías y podrían ser de menor de menor tamaño, según sean las condiciones de cálculo. Angulares Siendo también una válvula tipo globo se utiliza en aplicaciones que lo requieren por diseño de tubería, altas presiones diferenciales, fluidos sucios ó abrasivos. En estos casos debe ser fluido tiende a cerrar.

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Favorecen el auto drenaje con lo que no queda producto en su interior cuando manipulan fluidos peligrosos ó tendentes a cristalizaciones, depósitos, etc. Buena para servicio en flash, con fluido tendiendo a cerrar. Mal coeficiente Fl, de caudal critico para evitar cavitación.

Diseño sanitario / alimenticio

Cuerpo en Y

Cuerpo partido

Válvula en Y Buena para fluidos cargados de partículas. Pueden montarse inclinada para facilitar el auto drenaje. Produce poca pérdida de carga. Tiene gran capacidad de caudal Cv. Bajo coeficiente Fl. Hay. Cuerpo partido El cuerpo es de dos piezas y normalmente sujetan el asiento. Se utiliza cuando, por la naturaleza del fluido, que sea pastoso ó propenso a obstrucciones, se requiere hacer limpiezas periódicas. Sanitarias / alimenticias. También para la industria alimenticia hay diseños específicos. En lugar de bridas se usan uniones Tri – Clamp de desmontaje rápido, tanto las uniones a tubería como la unión tapacuerpo. Los cuerpos, normalmente de inoxidable, están pulidos después de su mecanizado. ( 10 micrón/inch Ra). Hay también diseños aptos para ser esterelizables periódicamente. De membrana y manguito Las válvulas de membrana conocida originalmente como diseño “Saunders”, el cuerpo es tipo globo pero normalmente recubierto de distintos materiales: ebonita, vitrificado, PFA, Halar, etc. Se usa en fluidos corrosivos, con fibras, viscosos, etc. Solución económica pero que no ofrece buena regulación por el tipo de obturador (la propia membrana). Su curva característica es parecida a una todo-nada. Rangeabilidades pequeñas. Disponible sólo en cuerpos de bajo rating, PN 10-16 Requieren actuadores grandes. Tiene limitaciones de temperatura por el material de membranas y recubrimientos. Las válvulas de manguito limitan su aplicación a fluidos abrasivos, viscosos, con partículas. El tubo de goma, de la calidad adecuada, es pinzado por el actuador. Aplicable para bajas presiones de fluido con la limitación de temperatura que tenga el material del manguito.

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-Válvulas rotativas Debido a las mejoras de diseño introducidas, se ha generalizado mucho el uso de válvulas rotativas para el control. Presentan ventajas y algunas limitaciones que hay que conocer para su adecuado uso. En muchos procesos y aplicaciones las ventajas pesan más que sus limitaciones, mientras que en otros ocurre lo contrario. Una peculiaridad de las válvulas rotativas es que, salvo algunos variantes, cuerpo y tapa son de una pieza. No hay tapa y por tanto no tienen junta tapa-cuerpo. Esto, desde el punto de vista de las fugas, (seguridad) es mejor. Es peor desde el punto de vista de la accesibilidad a los internos. Ventajas -Mayor coeficiente de caudal Cv. -Menos fricción y menos banda muerta. -Poca pérdida de carga. -Menos peso y volumen.Facilidad de instalación. -Muy buen Cv ratio, > a 100:1 -Menor coste

Algunas Limitaciones En mariposas, a partir de 3”, soportan menos delta-p ó actuadores + caros. -Tienen peor coeficiente Fl. (cavitan) -Producen más ruido.

Globo simple asiento con obturador rotativo excéntrico. “Rotary Plug” Constituyó una revolución su aparición durante los años 70. El primer diseño CamflexMasoneilan, permaneció en solitario más de una década hasta que progresivamente fue adoptado por casi todos los fabricantes existiendo en la actualidad diversas versiones basadas en la idea original. Su uso está también muy generalizado y es muy recomendado para algunas aplicaciones concretas. Hay que conocer algunas de sus limitaciones sabiendo que no pretende cubrir toda la gama de aplicaciones en la industria, como les ocurre a otros tipos de válvulas Los cuerpos de estas válvulas pueden ir embridados aunque la idea original fue para montaje entre bridas, incluso de distinta norma ANSI / DIN-ISO, que las hacen más versátiles. Tanto es así que se desarrollaron normas a tal efecto: ISA S 75.3; DIN IEC 534 3-2. para estandarizar la distancia entre caras. Normalmente se fabrican hasta 600 lb. de rating. La tapa integral extendida permite su uso en alta temperatura ó aplicaciones criogénicas. Ya hay versiones también para cumplir recomendaciones NACE, uso para oxigeno, etc. En cuanto a materiales está estandarizada en Ac. Carbono e Inoxidable pudiendo encontrarse en otros materiales de cuerpo más sofisticados, Alloy-20, Duplex, etc. Se consiguen muy buenas calidades de cierre: Clase IV – VI. No suelen ser clase-V

Diseños globo- Rotary, cortesía de: a) Masoneilan

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b) Cashco

c) Vetec-Samson

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Mariposas Es el modelo rotativo más antiguo que usaba discos planos procedentes de las válvulas manuales y todo-nada. Este disco plano no es un diseño propiamente de control como veremos más adelante, aunque en procesos de baja responsabilidad y con pequeñas variaciones de carga pueda ser usado: agua, algunos gases, dampers, etc.

Posteriormente se han desarrollado nuevos diseños de cierre y discos que aumentan y mejoran sus prestaciones como válvula de control además de permitirles trabajar en altas presiones y temperaturas. Son las conocidas como “High Performance” Este último tipo de válvulas se pueden encontrar hasta tamaños de 30” – 40”. Rating hasta 1500#, según tamaños y materiales.

Bola y sector de bola También partiendo de las válvulas manuales y on-off se comenzaron a usar para control. El inicio de este camino tuvo lugar en la industria del papel fundamentalmente dado que su área de paso, más bien recto, lo aconsejaba para manipular agua con fibra ó pasta de papel. También se usan en fluidos viscosos. Característica de control un poco peculiar. Posteriormente, años 65 – 70, surgió el diseño de “bola segmentada”. Se trata de caracterizar parte de una bola y así obtener una buena curva característica, próxima a la isoporcentual y mejorar el control además de no perder las ventajas del diseño bola. Por otra parte se mejora el guiado para reducir la banda muerta. Todo un conjunto de mejoras hace que estos nuevos diseños tengan un excelente Cv ratio, junto a las válvulas de globo con obturador rotativo excéntrico vistas anteriormente. Superior a 200:1 Bola standard

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Bola segmentada

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- Órganos Internos (Trim) Dentro del cuerpo se alojan los elementos de cierre que modulan el caudal: obturador y asiento. Se denomina “Trim” a los órganos internos que son mojados por el fluido: Obturador, Asiento, Jaula - si la hay - Guías y Vástago. Evidentemente, los órganos internos que configuran el trim son diversos según el tipo de válvula. Unos serán los correspondientes a cuerpos diseño globo y otras a los diseños rotativos. Dentro del diseño globo pueden ser no equilibrados ó equilibrados. Los obturadores no equilibrados pueden ser parabólicos torneados ó con lumbreras. ( El diseño con lumbreras tiene un mayor coeficiente caudal crítico Fl, por lo que puedes un poco más anticavitante) No deben usarse las lumbreras como guiado, sino que esta función debe hacerla una buena guía superior, como se verá más adelante. La caracterización de caudal la define la mecanización del perfil del obturador ó de la forma de las lumbreras. Con estos diseños de trim hay que dimensionar los actuadores para que puedan cerrar –con la estanqueidad deseada - teniendo en cuenta que en ese momento la presión de entrada por el área de asiento ejerce una fuerza contra el actuador que debe ser vencida por este. Con los diseños actuales de actuadores esto no suele ser problema. Si lo fuere, hay que acudir entonces a válvulas con obturador equilibrado. Todo lo dicho hasta ahora es extensible a los diseños angulares. Estas válvulas se reservan para aplicaciones singulares por lo que algunos cuerpos y diseños de trim están enfocados a solucionar problemas específicos: Flash, abrasión etc.

Obt. Desequilibrado-Lumbreras.

Obturadores torneados.

Cambio rápido guiado por jaula

El trim de las válvulas de tres vías, mezcladoras ó separadoras, son generalmente del tipo lumbreras y con característica inherente lineal. Se pueden hacer torneados.

Diseños tres vías. d) Cortesía de Masoneilan Jaulas caracterizadas. e) Cortesía de Emerson.

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Los obturadores equilibrados son aquellos en los que la presión de entrada está por debajo y por encima del obturador lo que hace que se mueva en la vena del fluido sometido sólo a la presión diferencial . La estanqueidad en este caso no depende de la unión obturador-asiento sino también del tipo de junta (segmento) entre obturador y jaula. Un buen diseño debe contemplar materiales de jaula-guía de distinta naturaleza, dureza y mecanizado que el obturador. Permite el uso de actuadores más pequeños. No es adecuado en fluidos sucios. Una variante de este diseño es la válvula con jaula. El sistema de cierre modulante es un obturador tipo pistón que se mueve dentro de una jaula-guía. La característica la determina la forma y disposición de los agujeros ó ventanas de la jaula. Esto permite modificar y/o caracterizar jaulas de diverso tipo: Standard lineal/isoporcentual, paso reducido, anticavitación, Lo-dB etc.

Cuando se requiere mejorar la estanqueidad a clase IV ó V según tamaños y temperaturas, se equipa al obturador con un piloto interno que cierra la comunicación que lo hace equilibrado. Otros aumentan el número de segmentos en el obturador-pistón. También se pueden poner segmentos de teflón siempre que sea admisible por temperatura. Este tipo de obturadores puede montarse en cuerpos de paso angular. Tiene una buena relación tamaño – capacidad de caudal Cv. Por su diseño permite controlar grandes presiones diferenciales en líquidos y gases. Sentido de circulación: F.T. Open / F.T. Close En las válvulas de simple asiento el sentido de circulación en el cuerpo es generalmente fluido tiende a abrir (FTO-Flow To Open). En algunas ocasiones se recomienda que sea a la inversa, FTC, por ejemplo en derrames con vaporización de media presión. Sin embargo las válvulas tipo jaula pueden usarse con ambos sentidos de circulación según su diseño y aplicación. Para líquidos se recomienda fluido tiende a cerrar aunque esta forma de hablar no resulte muy apropiada para obturador tipo jaula, quiere decirse que el fluido entra lateralmente a través de la jaula. Los diseños de jaula, por el contrario, requieren que se haga un buen diseño mecánico de todo el trim. Los materiales, su calidad de mecanizado así como todas las juntas usadas deben ser estudiados a tenor de la temperatura y presión de trabajo. Con estas válvulas se trabaja hasta ratings de 2.500 lb. (PN-250 aproximadamente, aunque no es equivalente) Por otra parte el acabado interior de la jaula debe ser muy bueno, con unos materiales y durezas distintas al obturador-pistón. No siempre el diseño jaula es el más adecuado en contra de alguna opinión. Aplicaciones con fluidos sucios, viscosos ó con partículas deben ser analizadas con cuidado. Si el rating lo permite, en estos últimos casos se comporta mejor los diseños “globo rotary plug” antes vistos.

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Tipos de guiado: Caben distintos diseños. En la figura siguiente hay dos válvulas aparentemente iguales pero de prestaciones son distintas. El guiado por vástago “Stem guide” es un diseño más sencillo propio para bajas presiones diferenciales y tamaños pequeños de trim. Estos vástagos suelen tener diámetros desde 9mm hasta 12mm por lo que los esfuerzos laterales del fluido empiezan a notarse en forma de vibraciones. Por otra parte casi siempre coinciden con diseños de unión tapa-cuerpo más simple y corto. El centro de gravedad de la válvula está más bajo. La estopada más cerca del cuerpo. No permiten jaulas internas.

Guiado por vástago ( “Stem-guide” )

Guiado superior( ” Top-guide” )

Por el contrario el guiado superior “Top guide” , supone un diámetro de guía dos ó tres veces superior al diámetro del vástago y en una longitud de guía que garantiza la estabilidad del obturador en toda su carrera frente a los esfuerzos dinámicos del fluido. El diseño del cuerpo, más ancho y alto en su parte superior permite la introducción de jaulas que pueden ir caracterizadas para opciones de control de cavitación ó ruido. Tapa más larga apta para una temperatura de unos 230 ºC según fabricantes.

- Trims rotativos Válvulas de mariposa El primer diseño de disco fue plano, derivado de las válvulas manuales. Usando este disco se utiliza solamente 60º de giro, allí donde la curva tiene mejor trazado. Buscando reducir los esfuerzos que actúan sobre el disco se diseñaron perfiles más dinámicos: cola de pez, cóncavo convexo, caracterizado, no simétrico, etc. Estos diseños reducen también el par torsor sobre el árbol pudiendo dar una mejor regulación en toda su carrera-ángulo de apertura

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Cuando nos referirnos al eje de válvulas rotativas no decimos vástago (stem), sino árbol-(shaft) Como este tipo de válvula se usa en grandes tamaños, los esfuerzos sobre el disco se convierten en un par torsor que debe ser soportado por el actuador. Por tanto, en el proceso de selección del actuador, hay que analizar bien no sólo la delta-p que soporta la válvula cerrada, sino también la delta-p máxima admisible en posiciones intermedias de control. También se han mejorado mucho los sistemas de cierre disco-cuerpo así como la selección y mecanizado de los materiales para el trim. Todo ello conduce a los tipos denominados HPV“High Performances Valves” de alta presión con estanqueidades clase IV- V y VI. Hay también diseños especiales para bajo nivel de ruido ó anticavitación.

Trim bola y sector de bola para control El obturador es una bola convencional, maciza ó hueca (para grandes tamaños). Material inox. en general. Los asientos serán metálicos , de PTFE ó grafito para altas temperaturas. Las bolas segmentadas (sector de bola) son todas muy parecidas. El material base es AISI-316 ó 317, este último usado en la industria del papel. Va durocromada a fin que la superficie de contacto con el asiento no se desgaste. Hay versiones de este diseño con sistema para reducir el ruido. También hay diseños de bolas con cuerpo y obturador en material cerámico para trabajar con fluidos abrasivos. Las válvulas de bola, mariposa y macho son de alta recuperación de presión y por tanto tienen bajo coeficiente de caudal crítico Fl que las hacen menos anticavitantes. También pueden producir más ruido.

Trim globo rotativo excéntrico-“rotary plug” El obturador es un casquete que toca el asiento sólamente en el momento del cierre, por lo que es propiamente una válvula de asiento. Junto con los diversos diseños derivados del original Camflex (Masoneilan -año1969), el material base suele ser AISI-316 endurecido ó no según fabricantes. Admite doble sentido de circulación. En servicios con flash, fluidos cargados y abrasivos se recomienda fluido tendiendo a cerrar. Se pueden obtener estanqueidades clase IV ó VI. Tiene valores de Fl inferiores a las válvulas de asiento pero superiores a las de bola y mariposa; varía con el sentido de circulación del fluido. El árbol rotativo, como en todas de esta familia, está sometido a menos fricción por lo que tienen menos banda muerta que las de desplazamiento lineal lo que se traduce también en una muy buena rangeabilidad. Se consigue una mejor estanqueidad de cierre al exterior a través de la estopada al estar esta sometida sólo a un pequeño giro del árbol, menor de 90º, Incluso se mejora con la adicción de dos juntas tóricas.

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Varios diseños obt. rotativos.

Cortesía de:

a) Emerson.

b) Metso-Neles

- Criterios de selección Los tipos vistos hasta ahora son lo modelos más básicos. Existen varios diseños, algunos de los cuales se verán más adelante cuando sea necesario afrontar determinadas aplicaciones de derrames críticos con cavitación, flash ó limitar el nivel de ruido. Además hay diseños específicos para aplicaciones concretas: atemperadoras de vapor, by-pass de turbinas, by-pass de compresores, fluidos especiales, etc. En el cuadro siguiente se hace un resumen de las características de cada diseño básico. Estas características se tendrán en cuenta para hacer una primera selección cuando nos enfrentamos al proceso de cálculo. Posteriormente, durante el proceso de selección puede ocurrir que la válvula inicialmente pensada deba cambiarse por otra. En las hojas de datos para consulta se puede especificar un modelo básico inicial, basado en criterios de estandarización, ó en la opinión inicial del cliente comprador, pero cada fabricante puede recomendar otro tipo de válvula, para lo que deberá aportar las razones técnicoeconómicas que justifiquen tal decisión. Es frecuente que todos los servicios que se den en una planta ó unidad de proceso puedan requerir válvulas de diferentes diseños. Los criterios de selección y compra deberán tener en cuenta la mejor relación características técnicas / precio, valorando también el mantenimiento posterior, nivel de recambios necesarios, asistencia post-venta del proveedor, etc. Aún cuando los cuerpos de las válvulas deban ser diferentes se buscará la mayor uniformidad posible en actuadores y accesorios (fundamentalmente el posicionador)

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RESUMEN PARA SELECCIÓN DE CADA DISEÑO Tipo Globo “Top-guide”

Globo - Jaula

Globo Rotary-Plug

Mariposas

Bola segmentada

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Características -Todos los materiales y rating. -Tamaños hasta 6” – 8”. -Medias y bajas delta-p´s, según tamaños y actuador. -Clase de cierre IV-V-VI. -Fl mínimo 0,90. -Pueden ser micro flujos. -Todo tipo de conexiones. -En versión guiado por vástago sólo para bajas delta-p. -Relación lineal señal-carrera. -Apta para altas presiones diferenciales. -Tamaños desde 3” hasta 16”-20” -Mayor Cv -Permite jaulas caracterizadas. -Buen Fl. Mínimo 0,9 según diseño de jaula. -Admiten trims Lo-dB y anticavitación. -Sólo para fluidos limpios. -Actuadores más pequeños. -Más caras. -Buena relación tamaño /Cv. Mayor que globo alternativo. -Muy buen Cv Ratio. Mínimo 100:1 -Moderadas delta-p, excepto tamaños pequeños. -Tamaños desde 1” hasta 16” -Cierre Clase IV – VI. -Rating limitado a 600#, normalmente. -Regular Fl. Mejor que mariposas, peor que globo. -Más ruido. Admiten placas Lo-dB. -Respuesta muy rápida, sobre todo en tamaños pequeños. -Menos peso y volumen en la instalación. -Más baratas. -Grandes caudales. -Tamaños desde 3” hasta 24-30” -Bajas-moderadas delta-p excepto con pistones. -Mal coeficiente Fl critico. Habitantes. -Ruido alto, excepto diseños especiales. -Estancas a bajas temperaturas sólo. -Más económicas. -Alto Cv. -Buen cierre. -Muy buen Cv Ratio. -Mal coeficiente Fl. -Buena para fluidos cargados, viscosos, etc. -Ruido alto en gases. -Más caras.

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3 – MATERIALES, CONSTRUCCIÓN PRUEBAS - Nveles de diseño Laiversidad de opciones y diseños disponibles en el mercado se deben a las opciones planteadas por cada fabricante. Por tanto se pueden establecer tres grupos ó categorías, según sean las características constructivas y por tanto a las prestaciones que se ofrecen. Estos tres grupos hacen referencia fundamental a las válvulas de globo por ser las más usadas. Diseño Ligero- Light Duty Serían las válvulas de globo (ó mariposa) de bajo rating, 150lb. (PN10-16), y a veces 300lb. Materiales de cuerpo en fundición nodular, bronce, fundición gris. Asiento roscado. Empaquetadura apretada con una sola tuerca de apriete. Guiado por vástago (stem guide). Puente de actuador de fundición ligera ó columnas. Actuador de membrana resorte de bajos esfuerzos. Las válvulas guiadas por vástago no suelen usarse por encima de 4” y para moderadas presiones diferenciales.

Diseño Ligero

Standard

Heavy Duty

Standard Duty Es el grupo que cubre la mayoría de prestaciones con gama de 300 – 600 lb. Se funden en todo tipo de materiales aleados. Tapa embridada sobre cuerpo que permite internos de cambio rápido, pinzados con jaula. Guiado superior robusto (Top Guide) ó por jaula. Admite trims de diversa configuración; cavitación, bajo ruido. Estopada apretada por brida y dos tornillos. Actuador de fundición ó Ac. Carbono adecuado para esfuerzos grandes incluso con pistones neumáticos. Fuelles de estanqueidad, si son precisos. Servicios de alta y baja temperatura, etc Heavy Duty Para cuerpos de 600lb. en adelante, con posibilidad, si fuera necesario de obtener bridas de inferior rango. Todo tipo de conexiones y acabados. Todo tipo de materiales y ensayos no destructivos. Admiten internos de alta configuración para altas presiones diferenciales, multietapa, cavitación y ruido, doble – triple jaula, etc. Puente de actuador robusto para pistones neumáticos, hidráulicos ó eléctricos. En muchos casos son válvulas hechas a medida de una aplicación determinada. Con los diseños heavy duty se pueden afrontar las más severas aplicaciones que se dan en el mundo de la energía y las plantas de proceso a altas presiones y temperatura. - Materiales cuerpo - tapa Cuerpo tapa y todas las partes internas de una válvula son mojadas por el fluido que circula por la tubería. En la selección del material se tendrá en cuenta, no sólo la resistencia y compatibilidad química con el fluido, sino también la resistencia al desgaste por velocidad, turbulencias, abrasión, posible vaporización ó régimen bifásico, etc. En algunos casos se valorará también la agresividad del medio externo. Los aceros al carbono son comúnmente usados en los productos derivados del petróleo, pero en una planta Off-Shore habrá que considerar el ambiente salino, bien con un acero más adecuado ó una protección imprimación adecuada, no sólo de la tapa sino también de la tortillería y vástago.

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Las mismas precauciones se tomarán en otro tipo de industrias ó lugares que tengan atmósferas potencialmente corrosivas. La selección del material del cuerpo – tapa depende de: - Naturaleza del fluido. - Presión / temperatura de operación. El material, en general podrá ser igual ó semejante al de la tubería salvo que exista otra causa. Por ejemplo, hay casos en los que si la tubería se especifica en 316L por facilidad de soldadura entre tubos y bridas, la válvula podría ser de 316 sobre todo si va embridada. En la tabla siguiente se indican los materiales más utilizados en los cuerpos de válvulas de control. La codificación de los materiales se hace con denominación ASTM que es la más conocida. Sin embargo, hay su equivalente bajo denominación europea EN, después de realizados los pasos del proceso de armonización

Materiales más frecuentes para cuerpo-tapa Código ASTM

Tª de trabajo

Observaciones

+425

Son los aceros al carbono más usados para aplicaciones generales no corrosivas ni erosivas. No usar por encima de 425ºC pues los carburos se convierten en grafito. El WCC tiene más MN (1,28%) y es más soldable además tiene más resistencia mecánica que el WCB. Algunos fabricantes lo han generalizado en su catálogo.

A 217 WC5

+600

Es difícil de fundir y soldar. Tiene más Cr.(5%) y menos Mo.(1/2%) Gran resistencia mecánica en caliente. Usar sólo con bridas.

A 217 WC6

+538

A 217 WC9

+566

Es el más usado en esta gama de Tª. Muy bueno para uniones soldadas. 1,25% de Cr. y 0,5% Mo. Material templado y normalizado. Tiene más Cr(2,25%) y 1% de Mo. En todos los inoxidables la presencia de Ni mejora la resistencia a la corrosión y al calor. El Cr eleva la estabilidad térmica y disminuye el desgaste por abrasión. El Mn mejora la elasticidad. El 316 es el más generalizado con un muy buen comportamiento para la mayoría de los problemas de corrosión. También aguanta bien la erosión y el flashing. Para temperaturas superiores a 425º C usar con C mínimo de 0,04.

A 216 WCB

-29

A 216 WCC

A 351 CF8M(316)

-196

+800

A 351CF3M(316L)

-250

+540

Más resistente a la corrosión que el 316. Mas soldable por tener más C. Adecuado para altas Tº aunque debe limitarse a 455 ºC.

A 352 LCB

-46

+343

-46

+371

Son todos para bajas temperaturas. El LCC es más resistente que el LCB

LCC /LF2

L C3/LC

-100/115 +340

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El LC4 tiene una temperatura de transición (cambio de fractura tenaz a frágil) más baja.

17

Formación

Hay otros aceros más específicos temperaturas.

para afrontar

particulares casos de corrosión ó altas

•

ASME/ASTM A 217 C12 A es un Cr. Mo. Con 9% de Cr., 1% de Mo. Vale hasta 649 ºC. [EN1.4931]

•

A 351 CF3 (304L) es el más recomendado para Ac Nítrico. (1.4309)

•

ASTM-B 649 Conocido como 904L (20%Cr, 25%Ni, 4,5% Mo.) Usado para aguas salobres con altos porcentajes de cloruros. Resistente también a los ácidos., como el fosfórico. ( Equivalente DIN 1.4536 fundido; 1.4539 forjado)

•

ASTM A-351 CG8M es un Inox. conocido como 317 que se usa en la industria del papel. El incremento de Mo sobre el 316 lo hace más ser resistentes a los restos de compuestos clorados. Los aceros duplex se caracterizan por contener 40-60% austenita y 60-40% ferrita aproximadamente. Se usan para agua de mar y salobres.

•

ASTM A 479 (UNS S 31254) Es el conocido como 254 SMO para agua de mar.

•

ASTM A 351 CK3MCuN fundido. Con 6% mínimo de Mo. Superaustenitico.

- Tornillería El conjunto cuerpo-tapa forma el recipiente y es acoplado mediante una tornillería (boltling) Por tanto, en atención a su buen diseño, se deberá cuidar y establecer una buena selección de la tortillería, básicamente afectada por la temperatura de trabajo y la resistencia mecánica. Materiales para la tornillería

Mat. Cuerpo Ac Carbono Ac Cr. Moli. Baja T ª Inoxidables austeníticos

Espárragos

Tuercas

Temperatura ºC

A-193 Gr. B7 (1.7225)

A-194 Gr. 2H

- 40

+454

A-193 Gr B16 A-320 Gr L7

A-194 Gr 7 A-194 Gr 7

0 -100

+510 +510

A-193 Gr B8M

A-194 Gr 8M

A-193 Gr. B7M expuesta A-193 Gr. B7 No expuesta

A194 Gr.2HM A-194 Gr. 2H

-196 para Tª inferior hacer prueba impacto. Aplicaciones NACE MR.01- 75

- Materiales para órganos internos Obturador – asiento- vástago Para un diseño “Standard duty”, en válvulas tipo globo simple asiento, el material básico de obturador y asiento es el inox. 316 ó 410/416. El 316 tiene un buen comportamiento corrosivo para la mayoría de los fluidos aunque es algo blando para presiones diferenciales moderadas. A partir de 8 - 10 bar. se puede endurecer superficialmente mediante aportación de stellite-6 bien en los cantos de cierre (estellitado en cantos) ó también en algunos casos totalmente recubriendo todo el perfil, (estellitado total). Dependerá de la agresividad del fluido y de presión diferencial.

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Formación

Las aportaciones de stellite-6, también llamado Alloy-6 en base cobalto, pueden ser sensibles en presencia de altas concentraciones de Aminas ó Hidracina, con corrosión en la interfase de las aportaciones con el material base 316. Esto podría ocurrir en algunas partes del sistema agua de alimentación en las centrales electricas, no siempre. Como alternativa se utilizan también los aceros martensíticos de la gama 400, 410, 416, 420 y 440-C. Tienen mayor dureza (35 – 58 Rc) por lo que pueden sustituir en muchos casos al 316+stellite, por lo menos en tamaños hasta 3” Hay que tener en cuenta que la dureza baja a partir de 350ºC aproximadamente en todos los aceros. El tipo 440-C (ASTM A-276) se usa en obturadores y asientos sometidos a grandes presiones diferenciales siempre por debajo de 427ºC. Dureza 55 – 58 Rc que decae a partir de los 400ºC. El 17-4 PH (ASTM-A564,Gr. 630) es un inoxidable endurecido por precipitación que tiene varios grados de tratamiento térmico: Condición H-900 Dureza de unos

44 Rc.

Condición H-950

“

“

36

Condición H-1075

“

“

33

Un nuevo material para alta temperatura del trim es ASTM-487 Gr. CA6NM con excelentes propiedades me responde al código F6NM. Se usa en obturadores y jaulas de trims equilibrados. Válido hasta 565ºC. La versión forjada responde al código F6NM. Para fluidos altamente corrosivos se usa el Monel con diferentes durezas entre obturador y asiento: Monel-400 (ASTM B-564) [N 04400]; Monel 500. También el Hastelloy-C (ASTM B-564) [N 06022]. Las válvulas de mariposa pueden ir con cuerpo recubierto de diversas calidades de elastómeros e incluso de teflón. Además de evitar la corrosión se consiguen mejores calidades de cierre. También ahora hay cuerpos de válvulas de bola, y globo con obturador rotativo –“rotary plug”, con cuerpo recubierto de PFA, Halar, ó teflón. Trim con Jaulas de guiado En el caso de diseños guiados por jaula, las jaulas realizan una doble función. De una parte guían el obturador y de la otra son una pieza intermedia entre tapa y asiento, comprimiendo este. En estos diseños se tendrá en cuenta el efecto de las dilataciones por temperatura, posible existencia de choques térmicos, etc. Pero además las diversas configuraciones de las jaulas afrontan los efectos de la estrangulación del fluido. Es aquí donde hay que controlar y limitar la velocidad y luchar contra la cavitación y el ruido además de resistir la corrosión. Cada fabricante deberá seleccionar y garantizar el material más adecuado teniendo en cuenta todos los factores antes expuestos. La superficie interna de la jaula juega un papel importante en la estanqueidad del trim, deberán ser superficies pulidas y endurecidas que faciliten la función de guiado y estanqueidad de las juntas ó segmentos de cierre. Vástago (stem) en caso de válvulas de globo Hay que distinguir entre vástago alternativo (stem) y árbol, (shaft) para las rotativas. -En el primer caso se valorará el esfuerzo lineal necesario para el cierre de la válvula a la Tª de servicio. El material básico es el 316, después se usará el 17-4 PH y para alta temperatura el Inconel 600 / 625/ 750, etc. -En las válvulas rotativas se tendrá en cuenta el par torsor del eje más el esfuerzo de asentamiento en caso de diseños rotary-plug ó mariposas doble-triplemente excéntricas, sin olvidar la adecuada combinación con el material de los casquillos guía.

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Formación

Materiales usados en órganos internos Tipo 316 316 L 321 410 416 440 C 17-4PH “ “ Stellite - 6 CA6 NM Uranus B6 Hastelloy-C Carburo de Tugnsteno

Equivalencia 1.4401 1.4404 / 4435 1.4541 1.4006 1.4120 / 4005 1.4124 (Z12C13) Z6CNU17.04------H-900 “ ------H-1075 Alloy-6 Z5ND13.04 1.4539 ASTM A 494 Wolframio

DUREZA aprox. 163 Br (14 Rc) 150 – 170 Br. Similar 316 35 – 40 Rc 35 – 40 Rc 55 – 58 Rc 44 Rc 33 40 – 45 Rc 32 Rc Similar al 316 23 Rc 67 – 72 Rc

- Criterios practicos de selección de materiales En cuanto al cuerpo ya hemos dicho que, siendo el cuerpo prolongación de la tubería y estando en contacto con el fluido, el material de cuerpo-tapa debe ser adecuado para resistir las características del fluido, su agresividad mecánica y química. El material y tamaño tendrá en cuenta además la temperatura del fluido( de diseño) y la velocidad. En cuanto a los internos, esto es, el trim, es más complicado pues dependerá de varios factores: •

Corrosión del fluido y/o presencia de partículas abrasivas

•

Presión diferencial. Nivel de cierre requerido. Función de la válvula

•

Diseño y tamaño del trim

•

Esfuerzo necesario -en los vástagos

•

Tipo de guiado

Todas estas variables y otras que debe tener presente el ingeniero de instrumentación permitirán llegar a una selección final. En la tabla siguiente se facilita una guía que no pretende ser completa RECOMENDACIONES PRÁCTICAS PARA SELECCIÓN DE MATERIALES DEL TRIM

•

DERRAMES SUBCRITICOS Líquidos, Gases y Vapor de Agua En general podrían ser en Inox. 316, 410-416 hasta unos 10 bares de delta-p aprox. Aceros más duros para mayores perdidas de carga y/o experiencias conocidas por abrasión, corrosión, etc

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Formación

•

DERRAMES CRITICOS:

Líquidos con cavitación

a) Cuerpo: El que corresponda. Velocidad de salida con criterio más Conservador. b) Trim:

•

1- Materiales duros 410-416; 316+stellite total; 440-C; Ca6 NM 2- Diseño control de cavitación. 3- Diseño anticavitación con alto Fl ó adecuado factor sigma

DERRAMES CRITICOS:

Líquido en flash

a) Cuerpo : Velocidad: Mejor sobredimensionar siempre el cuerpo. En función de pérdida de carga: Hasta 15-20 bar. podrían ser Ac. Carbono. De 20 – 40 cuerpos aleados Cr. Mo. ó Inoxidable, FT A partir de aquí cuerpo angular aleado ó con camisa de protección en salida. FTC. b) Trim:

Materiales duros: Serie 400 ó estellitados.

DERRAMES CRITICOS para Gases y Vapor de agua a) Cuerpo : Dimensionados para diámetro de salida subsónico. Mach de salida < 1/3 cuando trim sea diseño Lo-dB [ 0,33 ] Para servicios no contínuos podría aceptarse: Vapor Saturado: 0,30 Mach para cuerpos de Ac.C. 0,40 Mach para cuerpos de Inox. ó Cr.Moli. Vapor recalentado y gases limpios: 0,40 Mach para Ac. C. 0,50 Mach para Inox. ó Cr. Moli. b) Trim:

Materiales duros serie 400 ó estellitados, sobre todo en vapor de agua.

- Presión nominal – ( Rating- PN) y Conexiones Una vez elegido el material de cuerpo, compatible y adecuado al fluido, se define la presión nominal (PN ó Rating), es decir el espesor y medidas básicas del cuerpo- tapa para soportar la presión interna del fluido a la temperatura del mismo. Téngase presente que el rating ó PN se define a partir de la presión/temperatura de diseño que vendrá establecida por los ingenieros mecánicos en función de criterios con que se diseña la instalación. No se toman las condiciones de trabajo para definir el rating, estas estarán por debajo siempre de las de diseño. Las normas de referencia más usadas son: ANSI B 16.34 e ISO 7005 DIN- 2401 La norma ANSI está muy utilizada en muchos países fuera de USA. Para cada material se establece unas tablas que indican la presión admisible en función de una escala de temperaturas, eligiendo así la clase que va desde 150lbs. hasta 2500lbs. En este caso los aceros vienen definidos según código ASTM.

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La presión nominal, PN, es el sistema ISO europeo, antes DIN. Aquí también se define el PN para cada material pero bajo denominación EN 10213. La designación PN es nominalmente la presión máxima de trabajo en frío, expresada en bares. Así, por ejemplo, una válvula ISO-PN-16 soporta 16 bar. A 120 ºC. A medida que aumenta la temperatura, su resistencia disminuye.

En un proceso de selección no se pueden mezclar unos aceros bajo código ASTM con unas tablas ó curvas de rating ISO, ni viceversa. Otras normas como la ISA S75, define la distancia entre bridas de cada tipo de válvula, tanto para conexiones roscadas, soldadas, embridadas, ó wafer. No hay una equivalencia directa entre ANSI/ASME e ISO (DIN). A titulo informativo, desde el punto de vista del rating sólamente, (no en sus medidas), ISO 7005-1 da una equivalencia en las bridas de conexión: Clase 150

PN-20

Clase

900

PN - 150

300

PN-50

Clase

1.500

PN - 260

600

PN-110

Conseguir esta equivalencia puede obligar a modificar los modelos de fundición Special Class. Hay unas tablas de rating dentro de las normas ANSI/ASME para “clase especial”. La clase especial requiere la realización de ensayos no destructivos y normalmente se usa para válvulas con uniones soldadas. La reparación del cuerpo en fase de fundición será de acuerdo con ANSI B 16.34, Sección-8. Los ensayos a realizar serían: Cuerpos fundidos :

Cuerpos forjados:

- Radiografías en zonas críticas.

– Ultrasonidos en cuerpo-tapa.

-Tintes en zonas mecanizadas.

–Tintes en zonas mecanizadas.

Para la selección del rating-PN se pueden usar tablas ó curvas. Las curvas siguientes son antiguas y meramente indicativas muestran las diferencias de una norma respecto a otra. Para cada material, con una presión y temperatura de diseño , se define un ratings ó PN.

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Ratings intermedios. Hay unos ratings menos conocidos y usados, bajo ASME. B 16.34 Por ejemplo:

Para 2” Entere 900-1500lbs. hay un intermedio de 1.690lbs Para 4” 1500lbs podría haber también 2.107lbs

- Cierre obturador asiento - estanqueidad Lo propio de una válvula de control es que esté regulando en un punto intermedio de su carrera por lo que no se le pide una estanqueidad como la que debe garantizar una válvula de aislamiento bloqueo ó cierre. Sin embargo cada vez se le exige más a la válvula de control, tanto en situación de cierre por fallo de aire como en otras aplicaciones donde la acción sea la contraria.

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Expresiones como “válvula estanca”, “dead tight”, fuga cero, por ejemplo son frases vagas que en realidad buscan lo mejor pero sin definir cómo. No hay un cierre “absolutamente” estanco. Por tanto, para evitar situaciones ambiguas, se definieron unas condiciones de prueba y así concretar los niveles de estanqueidad que tienen que conseguir los fabricantes de las válvulas. La norma FCI-70-2, del Fluid Controls Institute fue la primera que fue rápidamente asumida por ANSI B 16.104 y ahora es conocida como ANSI/FCI 70-2. Es la más extendida y utilizada por los fabricantes de válvulas de control. Otras normas pueden ser DIN / EN-1349, DIN-3394 y 3230, IEC-534-4, BS-5146, API-598, MSSSP 61, aunque esta última norma no es para válvulas de control a veces es requerida su aplicación cuando un servicio muy severo lo exige. El nivel de cierre supone un coste bastante significativo, por lo que el ingeniero de control debe valorar adecuadamente que nivel de estanqueidad es el se precisa en cada punto de aplicación sin elevar esta exigencia innecesariamente. La norma ANSI/FCI 70-2 establece seis niveles de calidad de cierre, del I al VI. y las diferentes condiciones de prueba para certificarlos.

Clases de fuga según ANSI/FCI 70-2 Clase

I II

III IV V

Prueba

Fuga admisible(1)

Las pruebas y fuga se definen entre fabricante y usuario Aire ó agua 10-50ºC y una presión 0,5% capacidad La presión se aplica a la entre 3-4 bar. Normalmente se nominal válvula con el obturador hace con aire a 3,5 bar cerrado por el actuador a su alimentación requerida. Idem. 0,1% cap. nominal Idem. Idem. 0,01% cap. nominal Idem. 0,0005 ml./min. por Llenar el cuerpo de agua; aplicar *Agua 10-50ºC a la presión pulgada de diámetro presión de prueba, cuando el líquido diferencial real de trabajo asiento por psi de presión de fuga se ha estabilizado recogerlo diferencial. en una bureta durante al menos 3 4,7ml/min. Por cada minutos. pulgada de diá. orificio

VI

*Aire-Nitrógeno a 3-4 bar-g------Æ Aire ó nitrógeno a la presión Las burbujas por Las burbujas se medirán diferencial de trabajo ó 3,5 bar, la min. y ml/min. de la usando un tubo de que sea menor. tabla VI. 5,7mm.diámetro interior sumergido perpendicular en agua entre 3-6 mm

(1) Los valores (en %) son una indicación aproximada del % de la capacidad nominal de la válvula ó Cv. No coinciden con las tablas que establece la norma.

La fuga depende de: - La presión diferencial. - La densidad del fluido. - La viscosidad absoluta. Y también se sabe que es función del cubo de la altura entre las rugosidades de la zona de contacto.

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Esta tabla da los valores de fuga para una Clase- IV en función de los Cv nominales de cada válvula que se trate. (Consultar siempre la última versión de la norma)

Otro factor decisivo para minimizar la fuga es determinar con sumo cuidado el esfuerzo adicional de asentamiento que debe proporcionar el actuador en el momento del cierre. Es muy significativo que los valores de fuga decrecen cuando conseguimos un esfuerzo de asentamiento que llegue al punto de deformación del material “yield point” del material. Es por tanto muy importante calcular los actuadores para que den este esfuerzo, tanto si son “aire cierra” como si son “muelle cierra”. Esta fuerza adicional debe ser una carga libre en la zona de contacto, una vez vencida cualquier otra resistencia ó fricción que tanga la válvula en guías, estopada, además de la presión diferencial.

Estanqueidad exterior: Juntas y Estopadas Junta tapa-cuerpo En las válvulas de tipo globo con vástago alternativo, la junta tapa-cuerpo sella esta unión. Debe elegirse teniendo en cuenta las condiciones de presión y Tª. Normalmente son espiro metálicas. Estopadas Cualquiera que sea el tipo de válvula, lineal ó rotativa, la zona de salida del vástago irá sellada a fin de anular la saluda de producto. Las características exigibles a una buena estopada son: -Buen cierre

-Fácil sustitución

-Baja fricción.

-Resistente al fluido.

-Que no sea abrasiva.

-Resistente a la temperatura.

-Larga vida.

-Mejor si es auto ajustable.

Lo normal es la empaquetadura con anillos de teflón que puede ser puro ó con fibras (Kevlar, Aramida,....) no amianto. También se pueden poner anillos de grafito que introducen mucha fricción.

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Para mejorar el sellado se pueden añadir juntas tóricas en el casquillo apriete de la estopada consiguiéndose excelentes estanqueidades. Las tóricas pueden ser de Viton, EPDM, Fluorosilicone, Fluorocarbon, Kalrez, etc.

Cada fabricante diseña la altura de sus tapas y el diámetro de los vástagos. En función de esto se coloca la empaquetadura. Se ha comprobado que aumentar el número de anillos no mejora proporcionalmente la estanqueidad. Los tres primeros anillos son los que se comprimen, a partir del cuarto-quinto apenas hay deformación, por lo que serían innecesarios. Esto dependerá de la evolución técnica que aporten los fabricantes de estopadas. A fin de mantener una presión de apriete controlada y constante sin tener que acudir a aprietes que pueden perjudicarla, se añaden resortes, bien en el casquillo ó en los tornillos de apriete. Hay varias posibilidades. . Para fluido peligroso, ligero y con posibilidades de evaporarse fácilmente, se usan fuelles de estanqueidad. Los fuelles se fabrican de acero inoxidable, Monel, Hastelloy, etc.

Sistemas de doble estopada serán aconsejables con un anillo intermedio distanciador que permiten el montaje de un “leak-off” para extraer la posible fuga y conducirla aun circuito cerrado ó bien hacer una presurización, normalmente con agua a una presión mayor que el fluido de la válvula, Esto se hace en algunas válvulas que trabajan a vacío.

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4- ACTUACION Y POSICIONADORES - Tipos de Actuadores Básicamente podríamos hacer la siguiente clasificación:

Lineales

Simple Efecto

Rotativos

Doble Efecto

Neumáticos

Eléctricos (Lineales / Rotativos) Hidráulicos – (Lineales / Rotativos)

- Actuadores neumáticos En general, y a fin de cumplir exigencias de posición segura por fallo del fluido motor, la mayoría de los actuadores son de simple efecto y de ellos, el mayor número, corresponde a los actuadores neumáticos de membrana resorte. Solamente para grandes tamaños y/o grandes esfuerzos y carreras se usan los pistones neumáticos. Los actuadores de membrana resorte responden al los diseños que aparecen en la figura siguiente.

Actuadores neumáticos de columnas ó fundidos, con uno ó varios resortes.

Estos actuadores neumáticos, por lo general construidos por el propio fabricante de las válvulas, son unidades sencillas, económicas y fiables. De fácil comprensión y mantenimiento. Tienen además excelentes prestaciones de regulación no siendo desplazados aún por ningún otro diseño. Un actuador neumático en servicio, debe ser lo suficientemente fuerte para: 1. Soportar los esfuerzos dinámicos que produce por el fluido al circular por la válvula. 2. Los esfuerzos estáticos en el momento de cierre y además de responder adecuadamente a la señal de control, en tiempo y precisión, venciendo todos los esfuerzos de rozamiento mecánico existentes en el trim, vástago, estopada y los del propio actuador.

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Los factores a tener en cuenta en el cálculo son a-Área efectiva de membrana

(ó diámetro del pistón)

b-Carrera. c-Gama del resorte (teórica). Constante del resorte (rigidez) d-Presión de accionamiento necesaria a)- Área efectiva El área efectiva depende del plato soporte, del diafragma, de la carrera del servo y, en menor medida, de la deformación de la membrana a lo largo de su desarrollo.

b)- Carrera. Los diseños más modernos buscan áreas prácticamente constantes y así los esfuerzos útiles serán más uniformes. c)-Gama de resorte La gama teórica se define como la “diferencia de presión que hay que aplicar – en vacío- a un actuador para que realice la carrera completa de la válvula”. Es la diferencia entre la presión teórica final menos la presión teórica inicial. Hasta hace pocos años, la presión teórica inicial era de 3 psi. (0,21 kg/cm2) valor a partir del cual empezaba a moverse el vástago, siendo la presión teórica final de 15 psi. En la actualidad los nuevos actuadores neumáticos trabajan con gamas distintas a la inicial 3-15 psi pudiendo verse especificadas por los fabricantes gamas 3 – 9; 6 – 24; 11 – 30; etc. Ajuste del resorte. Hay actuadores que permiten, mediante un tornillo tensor, ajustar el resorte a fin de desplazar a conveniencia el valor de presión inicial ó final. La gama standard sólo sirve para mover el diafragma de una presión a otra sin producir fuerza adicional para contrarrestar las fuerzas de desequilibrio.

Un actuador debe ser lo suficientemente rígido para que la válvula sea estable en toda su carrera. Esta estabilidad exige que las variaciones de esfuerzos sobre el obturador sean menores que la variación de fuerza del actuador, cuando estas actúan en el mismo sentido, es decir, que el actuador pueda con la válvula. Las válvulas no equilibradas de globo simple asiento pueden ser estables cuando el fluido tiende a abrir el obturador. No lo son tanto cuando con el fluido tiende a cerrar. Hay que estudiar con mucho cuidado la selección del actuador en este caso. d)-Presión de accionamiento. Es la presión de aire necesario, no solo para mover el vástago sino también para conseguir del actuador toda la fuerza que requiera la válvula. La presión de alimentación depende de: -Esfuerzo de asentamiento para garantizar el grado de estanqueidad obturador asiento requerido (Clase III-IV-V-VI) -Fricción de estopada, resistencias mecánicas. -Fuerzas de desequilibrio: esfuerzos estáticos y dinámicos del fluido. -Gama final del resorte

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Muy raras veces esta presión de alimentación alcanza la presión de la línea de instrumentos que suele estar en los 6-7 kg/cm2. La presión de alimentación necesaria la fija el fabricante en función de los anteriores factores. Acción del actuador. Se consideran las siguientes: Acción directa -------Con Aire Cierra --------Normalmente vástago baja. Acción inversa-------Con Aire Abre --------

“

vástago sube.

El esfuerzo de asentamiento es la carga adicional que comprime el obturador contra el asiento sin contar el efecto del fuelle si lo tuviere. Se requiere esta fuerza adicional para conseguir la estanqueidad especificada. Hay que valorar la fricción de la estopada y todas las resistencias mecánicas. Los esfuerzos de rozamiento por fricción de la estopada que se puede considerar dependen del tipo de estopada y diámetro del vástago fundamentalmente. La tabla siguiente da estos valore para cálculos sencillos. Diámetro vástago obturador

Estopada de PTFE

Estopada de grafito

½” (válvulas hasta 4” aproximadamente)

15 lb.

75 lb

¾” (válvulas 4-10” aproximadamente)

32 lb.

160 lb

Las estopadas de grafito tienen una mayor fricción que hay que tener en cuenta al dimensionar el actuador. Fuerzas de desequilibrio, esfuerzos estáticos y dinámicos. De una parte la circulación del fluido ejerce unos esfuerzos sobre el trim cuya resultante depende del tipo, diseño y sentido de circulación. De otra parte habrá una componente estática a válvula cerrada. Todas ellas deben ser vencidas y soportadas establemente por el actuador.

- Cilindros neumáticos. Los cilindros ó pistones pueden ser de simple ó doble efecto. Se usarán cuando necesitamos grandes carreras, superiores a 100mm., combinadas con esfuerzos de importantes y velocidades de operación altas.

Los pistones requieren vástagos adecuados, resistentes al pandeo cuando sean carreras largas. Suelen trabajar a presiones de alimentación mayores para poder usar menores diámetros que los de membrana-resorte. Esto hace que los segmentos de cierre del pistón deban ser totalmente estancos y compatibles con aire seco, sin nada de grasa lubricante.

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Los cilindros de doble efecto requieren un posicionador de doble salida. No garantizan la posición por fallo de aire salvo que se ponga un tanque auxiliar de aire con una capacidad tal que permita una ó dos maniobras a fin de garantizar que por fallo de aire la válvula vaya a una posición segura previamente fijada.

- Actuadores para válvulas rotativas. La primera solución adoptada fue seguir usando los actuadores lineales conocidos y transformar, mediante una palanca, el movimiento lineal en un ángulo de giro. Esta solución, tiene el inconveniente que se aumenta los rozamientos en el eje del actuador que actúa sobre el árbol de la válvula, el cual trabaja como una viga empotrada en un extremo, (sobre todo en válvulas de mariposa con eje partido) lo que se traduce en mayores holguras mecánicas en zona de estopada y también en todas las articulaciones. Todo ello conduce a lo más indeseable en una válvula de control: la banda muerta.

Diseño antiguo

Diseño más moderno

Posteriormente se han desarrollado actuadores lineales con membrana desenrolladle y vástago oscilante que transfiere toda su fuerza directamente al árbol sin fricciones con menos articulaciones intermedias. Nótese también que el eje de la mariposa es de una pieza y va completamente apoyado y guiado en tres puntos. Estos diseños se usan en válvulas de mariposa y sector de bola con excelentes Cv ratio (rageability), superiores a 100:1. -Pistones rotativos Hay numerosos diseños que fueron usados inicialmente en válvulas on-off. De todas formas no deberían usarse actuadores todo-nada para convertirlos en modulantes sólo por la adicción de un posicionador. El actuador de control, de cualquier tipo que sea, debe estar concebido “para control”. Lo importante es analizar cómo es el esfuerzo de par que se obtiene sobre el árbol de la válvula y por otro lado el nivel de fricción y holguras que pueden tener. Los pistones, como puede verse en la figura dan esfuerzos más altos, aunque pueden variar a lo largo de la carrera según se el diseño de la articulación. La fricción es también alta, en general debido a los rozamientos del vástago y pistón. Las articulaciones darán lugar a más holguras con el tiempo. Lo deseable es conseguir un esfuerzo lo más uniforme a lo largo de la carrera con la mínima fricción. Esfuerzo y fricción en actuadores de pistón :

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- Actuadores Eléctricos El motor eléctrico puede ser de cualquier tipo aunque sean más frecuentes de corriente alterna. Para potencias y esfuerzos pequeños pueden ser monofásicos; permiten una inversión de giro más simple sin contactores. A partir de aquí se usarán trifásicos con un inversor, mejor estático, para que girando a derecha e izquierda, haga subir o bajar el vástago de la válvula. Este arrancador inversor puede ir localmente sobre el actuador ó en el centro de control de motores. El sistema de reducción consta de una corona dentada conectada a un tornillo sin fin que recibe el movimiento – reducido- del motor. Un mismo modelo / tamaño de actuador puede equipar varios juegos de reductores con distintas relaciones de transmisión, con lo que al final se consiguen el par y las velocidades requeridas en el vástago. La corona y el sinfín se mecanizan con un perfil de rosca adecuada a la transmisión de potencia, normalmente rosca ACME del tipo trapecial métrica u otros perfiles similares. El giro de la corona se transforma en movimiento lineal a través del vástago roscado. Hay que disponer de un sistema anti giro. Limitador de par. Así como en un actuador todo-nada el motor se desconecta eléctricamente mediante el ajuste de dos micros de final de carrera, abierto / cerrado, en un servomotor eléctrico para control se desconectará el motor cuando haya transferido toda la fuerza necesaria de asiento al obturador para conseguir la calidad de cierre especificada, Clase III-IV-V.... Cuando la corona arrastra el husillo, este comprime el resorte del limitador de par hasta un punto previamente seleccionado en el que conmuta el final de carrera que para el motor. El fabricante de la válvula debe indicar cual es ese esfuerzo máximo necesario pues conoce su válvula y las necesidades de asentamiento. Debe obtenerse este esfuerzo necesario pero no mucho más, pues hay limitaciones en la resistencia mecánica de los vástagos u otros elementos de la válvula.

Actuador eléctrico y electrohidraulico

La operación de un actuador eléctrico para control se hará con una señal analógica, normalmente 4-20 mA., ó bien por un tren de impulsos. Si es con señal analógica esta deberá transformarse en una orden para hacer girar el motor a derecha ó izquierda.

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Este transformador analógico a impulsos permite el ajuste del cero y del span (gama), como si de un posicionador electro neumático se tratase. Va alojado en el propio actuador. Los actuadores eléctricos también pueden ser rotativos de cuarto de vuelta para actuar directamente válvulas rotativas como mariposas, bola e incluso rotary-plug.

Los actuadores electro hidráulicos para control constan de un depósito de aceite con bomba de presurización, su pistón hidráulico y los circuitos adecuados para desarrollar las prestaciones de regulación exigibles al servomotor. Normalmente. Excepto para grandes esfuerzos ó para la actuación de varias válvulas al mismo tiempo, el depósito de aceite y la bomba están dentro de la misma carcasa del actuador. El motor eléctrico actúa la bomba de aceite que la envía a un pistón de simple ó doble efecto. El extremo del vástago del pistón se acopla al de la válvula. Se consiguen grandes esfuerzos, de unos 5.000 kp. a una velocidad de 100 mm/seg. El posicionador electro hidráulico, toma el movimiento del vástago y lo compara con la señal de mando (4-20 mA), enviando el aceite a la parte anterior ó posterior del pistón. Este tipo de actuadores se usan cuando no hay aire disponible, se precisan esfuerzos grandes en tamaños de válvula y también grandes carreras.

- Selección de Actuadores. En la selección de actuadores se concretar lo siguiente: Neumático, eléctrico ó hidráulico. Tipo: Simple / Doble efecto; Membrana resorte ó pistón. Presión de aire – aceite ó energía disponible. Tamaño, en función del esfuerzo. Carrera.

Tiempo de maniobra.

Posición por fallo de fluido motor ó fallo de señal. Accesorioos

Resumen de características Ver tabla siguiente:

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Neumáticos de diafragmaNeumáticos de pistón

Eléctricos / hidráulicos

resorte -Simplicidad de diseño y mantenimiento. -Económicos. -Válidos en general, hasta 100mm de carrera. -No precisan clasificación para áreas peligrosas. -Buena respuesta dinámica - Admiten muchos accesorios. -Mando manual simple.

-Grandes esfuerzos.

Para lugares aislados donde no hay aire.

-Más presión de maniobra.

-Grandes esfuerzos y carreras.

-Aptos para grandes carreras. -Buena velocidad de respuesta.

-Sólo en algunos diseños, los eléctricos, y para tamaños muy pequeños pueden ir a posición segura.

-Mando manual más complejo, normalmente hidráulico

-Necesitan protección eléctrica en áreas peligrosas.

-Más caros.

-Garantizan posición -Garantizan posición segura segura por fallo de aire por fallo de aire

-Respuesta más lenta, en los eléctricos. -Precio elevado -Mantenimiento costoso

- Posicionadores Las fuerzas de desequilibrio que actúan en la válvula influyen en la posición del vástago y hacen que el control (respuesta) pueda ser imprevista. Estas fuerzas son: 1

Estáticas y dinámicas del fluido sobre el trim. porcentaje de carrera.

Dependen de la delta-p de trabajo y

2

Rozamientos en empaquetadura, guiado e incluso los del propio actuador, según diseños.

Todas estas fuerzas se compensan con el posicionador que actúa como un controlador proporcional de posición con un punto de consigna variable, (señal) procedente del controlador. Con el posicionador verificamos, mediante la toma de movimiento mecánica del vástago, que la válvula se posicione en el lugar que al % de señal le corresponde. Así tendremos la seguridad de seguir las demandas del controlador. Si no se alcanza esa posición del vástago, el relé neumático aumenta ó disminuye su presión de salida hacia la cámara del actuador hasta que lo consigue. Además, a final de escala, si el actuador es directo, el posicionador transfiere al actuador toda la presión de alimentación que el fabricante haya recomendado para cada válvula en particular, normalmente muy por encima de la tensión final del resorte. Esta presión de alimentación debe figurar en la placa de características de cada válvula. Se ajusta con el reductor alimentación aire de instrumentos.

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Principio de funcionamiento de un Pos. electro neumático básico

Los posicionadores electro neumáticos reúnen en un solo aparato la función convertidora y posicionamiento de la válvula. En el esquema básico adjunto se ve cómo las variaciones de señal que llegan a la bobina, comparadas con el movimiento del vástago a través del resorte de equilibrio, liberan más ó menos aire en el sistema lengüeta-tobera y esto, amplificado por el relé neumático se trasforma en una señal de salida hacia el actuador. [ Ahora, además del clásico sistema lengüeta-tobera, se usan también micro válvulas, spool, relés, etc.] Los posicionadores no sólo compensan los esfuerzos antes mencionados si no que, actuando como amplificadores de caudal de aire al actuador y reducen el tiempo de maniobra con lo que se mejora la respuesta de control. El empleo de posicionadores hoy está generalizado pero es necesario en lazos de control de temperatura, donde hay más inercia y son procesos con reacciones lentas. También son necesarios en lazos de rango partido aunque ahora también se hacen desde el sistema de control. Los posicionadores pueden ser de acción directa ó inversa, es decir: Directos: Incrementos de señal de entrada producen incremento señal de salida neumática hacia el actuador. Inversos: Incrementos de señal de entrada producen disminución en la salida neumática. En los sistemas electrónicos actuales, la inversión de señal es posible hacerla en la salida del controlador. En general es mejor que todos los posicionadores sean directos para que el instrumentista trabaje siempre, a pie de válvula, con señales crecientes.

Operación de una válvula con actuador y posicionador Consideremos una señal de control 4-20 mA. para gobernar una válvula mediante un actuador tipo membrana-resorte con acción “aire cierra”, a través de un posicionador electroneumático. La señal 4-20 mA. vence la tensión del resorte en toda su gama, por ejemplo si el actuador tiene 3-15 psi de rango, empezará a moverse con 4 mA. y terminará con 20 mA. y una señal de salida neumática de 15 psi. 3 psi Tensión inicial 4 mA 15 psi Tensión final 20 mA

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A partir de este momento el posicionador deja abierta la salida neumática para que le llegue al actuador toda la presión de alimentación y así alcanzar el esfuerzo de asentamiento que le permite soportar toda la presión diferencial y conseguir la calidad de cierre especificada, IV, V ó VI. ¿ Cómo lo hace? Dependerá del diseño del posicionador. Los que tengan lengüeta-tobera, cierran la tobera y así todo el aire pasa al actuador-amplificado a través del relé neumático. Los de tipo cilindro distribuidor, (spool pilot valve) posicionan el cilindro piloto para que le llegue la presión de alimentación al actuador. Algunos posicionadores electrónicos por micro válvulas requieren programar esta función de forma especifica a fin de escala-carrera. Si el actuador es “aire abre”, en este caso no se precisa el aire para que la válvula soporte la presión diferencial y haga el cierre. Lo hará la tensión inicial del resorte (muelle cierra) Por eso se ponen muelles de tensión inicial alta: 6-30psi, 11-30; 21-45; etc. Los posicionadores se alimentan normalmente unos 5 psi por encima de la gama final del resorte ó resortes: por ejemplo, para un resorte 6-30psi, la alimentación sería unos 35 psi. Caracterización de la señal. Algunos posicionadores permiten la caracterización de la señal neumática de salida al actuador. Los posicionadores neumáticos antiguos eran siempre lineales, es decir, la relación señal de entrada – salida era lineal. Ya en los años 60 aparecieron los primeros diseños de posicionador con levas con las que se podían conseguir distintas características e incluso hacerse una a voluntad. De lo que se trata es de modificar la relación “señal – carrera” La calidad operativa de un posicionador viene dada por dos factores fundamentales: - Alta sensibilidad. - Tiempo de respuesta bajo. Ambas cosas implican una buena ganancia del posicionador: Gp =

%carrera % señal

A su vez esta ganancia tiene dos componentes: Ganancia estática y Ganancia dinámica Ganancia estática.- Tiene relación con la sensibilidad del sistema del posicionador para convertir los pequeños cambios de señal de entrada (movimiento del vástago) en una señal de salida neumática. Ganancia dinámica.- Una vez que esta pequeña variación de señal es detectada, el posicionador debe ser capaz de hacer que la válvula se mueva rápidamente para corregir la variable, como se le pide en ese momento. Debe suministrar instantáneamente una gran cantidad de aire, en volumen y presión, para que el actuador responda adecuadamente en tiempo y con la fuerza necesaria. Esta sería la ganancia dinámica.

POSICIOANDORES INTELIGENTES - Interfases La extensión de la tecnología digital, tanto a nivel de componentes de microprocesadores como en las comunicaciones ha llegado también a los posicionadores que puede decirse han dejado su antiguo lugar para elevarse a la categoría de “interfase inteligente”. Los transmisores de campo y los nuevos posicionadores incorporan ya funciones de control local, cálculo, auto calibración y diagnósticos por lo que reciben, con toda propiedad, el calificativo de inteligentes. A su vez, la comunicación con el DCS, es mayoritariamente con protocolos híbridos, esto es, sobre la señal 4-20 mA va la señal digital. (caso del protocolo HART). Hay también protocolos totalmente digitales, como el Profibus ó el Fieldbus Fundation. SMART – Self Monitoring Analysis Reporting Technology HART - Highway Addressable Remote Transducer Por tanto, hay ya elementos (interfases) que responde a esta tecnología pudiendo ser montados sobre cualquier tipo de válvula de control ofreciendo algunas de las siguientes prestaciones adicionales.

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- La calibración, más correctamente sería una parametrización, puesto que ya no se trata del clásico ajuste del cero y span, como en los antiguos. Hay más cosas que definir, aunque se pueda hacer de forma automática la primera vez.

En la figura anterior se ve la pantalla general de calibración de un tipo de posicionador HART, (Cortesía de Masoneilan) Cada una de las 7 pestañas da lugar a nuevas pantallas de trabajo. - También hay posicionadores electrónicos “avanzados”, no propiamente inteligentes que, no respondiendo a un protocolo digital propiamente, permiten el ajuste de cero y espan, ajustes de ganancia, modificación de curvas señal-carrera, etc. Opcionalmente podrían ser HART, mediante la adicción de una tarjeta electrónica opcional.

- Otros diseños actúan realmente como un controlador sobre la válvula. Adaptados a una válvula se puede hacer un auto tune y ajustan inicialmente los valores P+I+D, típicos de un controlador, más otros parámetros como el “proportional adjusting” (padj), para igualar la respuesta aire-abre a la de muelle-cierra; ó la función “beta” para evitar un overshooting; y también el coeficiente compensador de posición, etc., etc. Un posicionador así identifica y asigna los mejores parámetros a cada válvula sobre la que va montado. Estos valores – que quedan memorizados en la memoria del posicionador - pueden ser modificados posteriormente a voluntad del instrumentista según lo requiera la configuración y exigencias del sistema ó lazo de control. Con estos posicionadotes smart se hace un muy buen tratamiento de la señal de control que redundará posteriormente en una mejor respuesta dinámica de la válvula a las variaciones de señal. En definitiva reducir la variabilidad del proceso.

Además de todo esto quedan las prestaciones adicionales de diagnósticos que pueden ser de distintos niveles, según fabricantes. Hay modelos con capacidad de diagnóstico interno del propio posicionador, del actuador (si tienen sensor de presión) y de la válvula. Dependerá de cada fabricante y de lo que en cada momento se quiera adquirir. Los protocolos digitales permiten una comunicación bidireccional desde sala de control y los equipos de campo para enviar mensajes y recibir información, siempre que se haya dispuesto de un multiplexor que permitirá este dialogo desde el DCS.

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Comunicación digital entre instrumentos de campo y sala de control

Si no es así hay tres formas de acceder a cada interfase-posicionador de válvulas: 1. Mediante botonera local y display (no todos los posicionadores lo tienen) 2. Mediante el comunicador portátil Handheld. 3. Mediante un software en PC portátil y un modem de conexión. Con cada uno de estos sistemas se tienen niveles distintos de prestaciones, siendo el más completo el tercero que posibilita todas las posibilidades de: 1. Placa de característica virtual. 2. Auto calibración 3. Auto tune de funciones complementarias. 4. Característica. 5. Cierre de la válvula a partir de una carrera mínima. 6. Ajuste de topes de funcionamiento alto-bajo, por software. 7. Acciones Directa e Inversa. 8. Mostrar posición de válvula., etc. Después de una calibración en fábrica, todos estos datos iniciales quedan almacenados en la memoria virtual no volátil del posicionador. También se pueden volcar en un disco externo de memoria. A nivel de diagnósticos se puede obtener información sobre: - Número de ciclos realizados (carrera). - Tiempo de válvula abierta, cerrada, próxima a un % del cierre, - Error de posición y de presión mediante sensor de presión al actuador. - Fricciones

- Dibujar la carrera de la válvula, “valve signature” ó firma, según modelos. - Respuesta dinámica a un escalón de señal. Muy importante. - Otras prestaciones según modelos. Se deberá analizar con detalle la información de cada fabricante.

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Comparándolos con los datos de salida de la fábrica se pueden sacar conclusiones tendentes a un selectivo mantenimiento preventivo. Muchos de esos datos pueden obtenerse con la válvula en operación y otros requerirán el paso momentáneo a control manual. De esta forma, en lugar de intervenir en todas las válvulas durante una parada se hará sólo en aquellas que lo requieran e incluso se reducen las paradas para mantenimiento. Por otra parte, algunos posicionadotes inteligentes son compatibles con paquetes de gestión si tienen integrado su software en ellos. - Montaje remoto. Algunos de estos posicionadores inteligentes pueden ser acoplados fuera de la válvula, sobre un soporte. La válvula se la equipa entonces sólo con un transmisor de posición. El posicionador, seguirá gobernando la válvula a distancia. La distancia máxima recomendada es no superar los 15 -20 metros, que deberá confirmar cada fabricante.

-

Controlador de proceso local. Algunos fabricantes incluyen, como opción, equipar el posicionador con un controlador de proceso local, dentro del propio aparato. La señal del transmisor: presión, nivel, caudal etc. se lleva al posicionador y este hará la doble función, como si de un lazo de control local se tratase

Esto puede ser particularmente interesante en aquellos lazos lejanos de la sala de control y que no precisen de una intervención frecuente en la modificación del punto de consigna ó no requieran un seguimiento y supervisión constante. - Otros Accesorios Los accesorios más frecuentes, sobre todo para los actuadores neumáticos, son: •

Transmisores de posición.

•

Relés neumáticos.

•

Reductor de alimentación

•

Finales de carrera.

•

Limitadores mecánicos de carrera.

•

Mandos manuales.

•

Electroválvulas.

-Transmisores de posición A pesar de la implantación de los posicionadores inteligentes digitales se sigue solicitando por los usuarios una transmisión de posición con señal de salida analógica 4-20 mA. para información de posición de válvula en sala de control. Se puede conseguir de varios modos:

-Tarjeta ó módulo adicional dentro del propio posicionador ó un transmisor independiente con otra toma de movimiento del vástago distinta al posicionador. Esto a veces es así especificado por criterio de seguridad. - Relés neumáticos. 1.

De bloqueo ó enclavamiento. Van acoplados entre salida de posicionador y actuador. Su misión es dejar la válvula en la última posición en la que estaba regulando cuando se produzca un fallo de aire de alimentación ó baje la presión por debajo de un valor mínimo admisible por la válvula

2.

Booster. Son amplificadores de caudal de aire que ayudan a una maniobra rápida cuando se especifica una determinada velocidad de operación ó por ser un actuador de gran volumen. Los hay de varios tamaños. Se seleccionen en función del tamaño del actuador y de la velocidad de operación que se pretenda conseguir.

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3.

Descarga rápida. (Quick exhaust) Es un accesorio que facilita el venteo rápido del actuador cuando la presión baja de un determinado valor.

4.

En estos últimos casos no hay que descuidar el tamaño del tubing y racores neumáticos que tendrían que ser sobredimensionados para permitir mayor caudal de aire sin perdida de presión.

- Reductores alimentación. Todo posicionador irá precedido y alimentado a través de un mano-reductor con filtro ajustado a la presión de alimentación reducida que precise el actuador de válvula. El tamaño standard es de ¼” NPT pero si fuera necesario – por caudal – se pondrán mayores ó bien dos en paralelo. Los mano-reductores reúnen en un equipo la función reductora de presión con un filtro adicional para que al posicionador le llegue el aire completamente limpio. Previamente debe garantizarse una calidad de aire de instrumentos que normalmente se especifica como limpio, con un valor < a 3 micrones y seco, con un punto de rocío 10º C por debajo de la temperatura ambiente. Contenido en aceite < 1ppm.

Posicionador + electroválvulas + relé de bloqueo + reductor aire

•

En la figura anterior se ve una válvula con posicionador electroneumático, relé de enclavamiento y electroválvula. Esta electroválvula permite el paso de la señal neumática al actuador.

- Finales de carrera. Si se quiere tener información de posiciones abierta – cerrada de las válvulas se pueden acoplar: Finales de carrera SPDT ó DPDT. Detectores de proximidad inductivos. El tipo, tamaño, poder de ruptura, etc. debe quedar bien indicado en la especificación técnica de la válvula. - Limitadores mecánicos. Además de poder limitar por software la señal para recortar por arriba ó por debajo la carrera, en algunas aplicaciones es mejor colocar limitadores mecánicos en el propio actuador: Bien para que no cierre del todo, por ejemplo válvulas de combustible a mecheros mantengan una llama piloto, etc.

que

Bien que no abra del todo a fin de limitar el caudal. Caso típico es el de las recirculaciones de bombas donde se ajusta la válvula a un determinado caudal máximo y no más. -

Mandos manuales. Se solicitan cuando no hay by-pass ó cuando se quiera tener la posibilidad de ajuste manual, fuera de control. Pueden ser laterales, es decir, situados lateralmente en el actuador, ó superiores.

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Estos últimos empujan el vástago de forma directa, por esto se usan sólo en aquellos casos que tengamos actuadores pequeños ó con resortes blandos. Cualquiera que sea su diseño debe permitir el movimiento libre de válvula cuando esté regulando.

Volantes manuales laterales y superiores en actuadotes de membrana resorte

- Electroválvulas. Se intercalan en el tubing neumático para hacer varias funciones: - Anular (cortar) la señal neumática al actuador y llevar la válvula a posición segura. - Ventear el actuador y permitir que el resorte abra ó cierre la válvula. - Maniobras en válvulas on-off, con actuadores de simple ó doble efecto. Lo más corriente es que sean de tres vías. En su selección se tendrá en cuenta el paso interno a fin de no provocar retrasos en la señal neumática. Cuando se especifiquen electroválvulas hay que indicar: -

Función a realizar: excitada con corriente, sin corriente.

-

Presión de aire a manejar.

-

Tensión eléctrica de maniobra.

-

Protección eléctrica de la bobina.

-

Tipo de terminales.

-

Si precisan rearme: manual ó eléctrico.

- Criterios de selección y compra En la hoja de datos preliminar, se puede indicar el tipo de actuador preferido: neumático, de membrana resorte, de pistón, electrico, hidraulico, etc. Dentro de cada tipo, corresponde al fabricante estudiar y ofertar el tamaño más adecuado para cada aplicación. Puede ocurrir que, aunque se pida un tipo, sea preciso usar otro por necesidades de esfuerzo y/o velocidad de operación ó nivel de estanqueidad, tipo de estopada, etc. La acción por fallo de aire, la carrera y el nivel de cierre requerido, así como la presión de aire disponible para la maniobra, condicionan la selección. Por tanto. En la hoja de datos de consulta se deberán indicar todos estos datos. Su ausencia impiden la determinación del tipo-tamaño. Es responsabilidad el fabricante el cálculo y selección del actuador. En principio se debe adquirir aquel actuador que cumpla la mejor relación prestaciones/precio, considerando todos los accesorios requeridos y que vayan montados sobre él. El coste de montaje de estos accesorios puede variar de un actuador a otro y por esto pueden condicionar el proceso de selección.

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En la medida de lo posible se atenderá a un criterio de homogeneidad cuando de un proyecto con muchas válvulas se trate, pero admitiendo excepciones para aplicaciones especiales que lo requieran.

Datos mínimos para la especificación actuadores: • Tipo ( en general) •

Posición por fallo de aire.

•

Presión diferencial máxima de cierre.

•

Nivel de estanqueidad de la válvula

•

Tiempo de operación

•

Presión de aire máxima disponible

•

Accesorios

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5- TIPOS DE DERRAME Previamente a definir las fórmulas y procedimientos de cálculo es preciso analizar los fenómenos que pueden ocurrir en las válvulas de control al circular un fluido líquido ó gaseoso y los coeficientes y parámetros que surgen de este análisis para su posterior aplicación en el proceso de cálculo y selección 1 - Derrame con líquidos La circulación de un fluido líquido a través de una tubería depende de cuatro factores fundamentalmente, que son: - DN de la tubería (d)

- Densidad (ρ)

- Viscosidad (Vis)

- Velocidad (V)

Su combinación permite calcular el Nº de Reynolds para una sección circular, el nº de Re sería: Re= ρ V d / Vis = ρ Q d / Vis A Siendo:

El cociente Q/A es la velocidad- “V”

ρ = Densidad Kg/l. V = Velocidad m/seg.

A = Área (m)

d = diámetro en cm. Vis = Viscosidad dinámica en cp. [cp = Vis. Cinemática cst. x peso especifico]

- Laminar ó turbulento La viscosidad es el factor determinante en valor de Re y definirá si el flujo es laminar ó turbulento. La viscosidad da una idea de la resistencia del fluido a circular debido al rozamiento interno entre las capas del mismo. Los perfiles de velocidad en el interior de una tubería con una pequeña restricción son los siguientes:

Comparación de perfiles de derrame laminar y turbulento

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En el flujo laminar el perfil de velocidad tiene forma parabólica, en el centro de la tubería el fluido avanza casi al doble de velocidad que en las paredes. El caudal aquí es proporcional a la delta-p (∆p). Q= k x ∆p Por el contrario, en el derrame turbulento, el perfil de velocidad es más plano, no hay tanta diferencia en el centro y las paredes. Cuando el derrame es turbulento se comprueba que el caudal es proporcional a la raíz cuadrado de la ∆p. Q=

∆ P y por tanto, que la ∆p es proporcional al Q2

Los procedimientos IEC / ISA tienen una expresión más completa para calcular el Nº de Re. incorporando factores que tienen que ver con la forma de la válvula: Fd, coeficiente Fl, tamañod, capacidad de caudal-Cv. [ Fd es un factor de “estilo” que depende de la geometría interna de las válvulas. Cd (de capacidad relativa) = Cv / d2. (d – diámetro de la válvula) FR, (Factor de corrección de Nº de Re) = Cv en derrame laminar / Cv en derrame turbulento ]

Si dibujamos una curva que relacione FR con el Nº de Re. Se pueden establecer tres zonas que definen los derrames Laminar – Transicional – Turbulento. No hay una única curva. Dependerá de cada válvula analizada y de su capacidad relativa Cd. Cuando FR está entre 0,50 y 1, esta zona es la que se denomina de transición ó flujo transicional y así aparece en los programas de cálculo. Por debajo el régimen es laminar y a partir de FR = 1 es turbulento. Lo normal es que en la industria se den derrames turbulentos. El régimen laminar se puede ver favorecido no sólo por la viscosidad, sino también cuando estamos con bajas presiones diferenciales.

Dejando al margen la condición de régimen laminar, poco frecuente, veamos lo que ocurre en un régimen turbulento. Podrán presentarse varias situaciones

- Turbulento - Subcrítico, Crítico: Cavitación, Flash El paso de un fluido a través de una restricción produce un incremento de la velocidad en la estrangulación; la energía necesaria para esta aceleración se toma de la presión del fluido: cae la presión aguas abajo. Pasada la restricción, el fluido reduce su velocidad y se recupera una parte de la presión.

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La parte de presión no recuperada se ha perdido como energía interna de rozamiento. Aguas debajo de la restricción, las líneas de flujo alcanzan un punto de máxima velocidad asociada a la mínima presión. Este punto se llama “vena contracta” y a la presión Pvc. Este valor en la vena contracta puede caer muy bajo, incluso hasta situarse por debajo de la presión de vapor del líquido – Pv. En el derrame laminar no hay vena contracta y apenas se produce variación en la velocidad.

La fracción de presión recuperada sólo depende de la forma geométrica de la válvula. No todas las válvulas se comportan igual. Si comparamos, por ejemplo, dos diseños: simple asiento con mariposa, del mismo coeficiente de caudal Cv y con la misma presión de entrada, tendremos dos diferentes efectos de recuperación. Por eso se dice que hay válvulas de alta ó baja recuperación, efecto ligado a su geometría interna. La alta ó baja recuperación muestra la capacidad de cada válvula para convertir la velocidad en la vena contracta en presión aguas abajo de la propia válvula. De cómo sea esta recuperación en comparación con las propiedades termodinámicas del fluido depende el tipo de derrame. Y así tendremos: Derrame subcrítico, (sin problemas de cálculo ni selección de materiales) Derrame crítico con cavitación. Derrame critico con flash. Estos dos últimos fenómenos físicos: Cavitación y Flash tendrán importantes consecuencias sobre el cálculo y selección de la válvula así como sobre los materiales a seleccionar. Por su importancia merecen una explicación por separado. Hemos dicho antes que en un derrame turbulento el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la ∆p. Pero esto no se cumple en todo el rango de caudales y pérdidas de carga posibles como se comprueba en la práctica. Para una restricción dada, se verifica experimentalmente, según el procedimiento ISA S 75.02, que a partir de un determinado valor de delta-p no aumenta el caudal en la misma proporción; se dice entonces que se ha iniciado el proceso de “choked flow”. El procedimiento ISA define este punto cuando un 10% de incremento en la delta-p sólo produce un 2% de incremento de caudal. Así queda determinado el coeficiente de cavitación incipiente (inicio) Kc. Mas adelante, la curva de crecimiento del caudal se desvía buscando casi la horizontal.

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El factor Kc de cavitación incipiente el cual, también se determina experimentalmente para cada tipo de válvula, responde a la siguiente expresión: Kc = P1 - P2 / P1 – Pv Por tanto:

∆ p cavitación incipiente = K c (P1 – Pv)

Los valores de Kc deben ser facilitados por los fabricantes, al igual que el Fl.

- Coeficiente de caudañ critico Fl Para que una válvula no cavite hay que evitar que la presión en la vena contracta Pvc baje por debajo de la Pv. Esto depende que la válvula sea de alta ó baja recuperación. El conocimiento de la recuperación de presión es muy importante, no sólo para la predicción de la cavitación y el ruido, sino también para calcular el correcto factor de capacidad de la válvula Cv. Por eso una empresa Masoneilan-(1) introdujo ya en los años sesenta el primer factor de caudal critico-Cf que después la ISA S.75.1 renombró como Fl- Liquid pressure recovery factor. Fl es un término sin dimensiones que representa la tasa de recuperación de presión en una válvula. Matemáticamente se puede calcular el coeficiente Fl mínimo por debajo del cual indudablemente habrá chok flow y cavitación. Fl =

P1− P 2 P1− Pv

Para evitar la cavitación calcularemos primeramente el Fl crítico a partir de las condiciones de proceso conocidas: P1 – P2 – Pv y elegiremos una válvula que tenga un Fl mayor que el calculado. Así aseguramos, cuando menos, evitar el choked flow. Podemos saber la delta-p crítica (presión diferencial a partir de la cual, en una determinada válvula, tendremos choked flow y cavitación), mediante la expresión: ∆p critica = Fl2 (P1 – Pv )

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Sin embargo será importante poder determinar esta delta-p máxima teniendo en cuenta, no sólo el valor de Pv, sino también otras propiedades termodinámicas del fluido, como la presión critica Pc. Se define así un nuevo coeficiente FF - Liquid critical pressure ratio. FF relaciona la presión aparente en la vena contracta, bajo condiciones de flujo crítico y la presión de vapor del líquido a la Tª de entrada:

FF =

Pvc ; Pvc = FF x Pv Pv

Por tanto, la ∆ p máxima que nos define la condición crítica de “chocked flow” será:

∆ p crítica = Fl2 (P1 – Pvc) = Fl2 (P1 –FF. Pv) Si la ∆ p real de proceso es > que la ∆ p crítica y P2 > Pv habrá “choked flow” El factor de relación de presión crítica para líquidos puede determinarse también experimentalmente y se ha comprobado que responde a la siguiente expresión matemática

FF = 0,96 − 0,28 Pv Pc (1) [ “…en 1963 Masoneilan introdujo el Factor de Caudal Critico Cf (…) que evolucionó después, dentro de ISA al Fl”) Alejandro Anaya Inst. mexicano del Petróleo. Ver también H. Baumann, articulo The Introduction of a Critical Flow Factor

] Como el factor Fl varía con la apertura de la válvula, la condición para tener choked flowcavitación dependerá también del % de apertura. (Algunos fabricantes usan el término Km como factor de recuperación.

Km = Fl2)

Variación de Fl versus carrera - para diversos tipos de válvulas.

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- Coeficiente XFZ El factor Fl está basado en la observación de bloqueo de caudal cuando se alcanza la condición de derrame critico, según IEC- 543-2-3 Otra forma de analizar el problema, es observando el incremento de ruido que tiene lugar cuando se alcanza el nivel critico. Ya que una manifestación asociada y denunciante de la cavitación es el ruido hidrodinámico. Mientras que el ruido de turbulencia no alcanza valores significativos, a partir de los primeros indicios de cavitación el ruido empieza a crecer con un sonido característico acompañado además de sus vibraciones asociadas.

XF = P1-P2/P1-Pv XFZ inicio de cavitación acusticamente detectada

En la curva anterior, basada en la relación del ruido observado respecto el valor XF “diferencial pressure ratio”, se observa el punto de infelxión que define la aparición de los primeros síntomas de cavitación. El nivel máximo de ruido hidrodinámico coincidiría aproximadamente con el choked flow, es decir con Fl2. XFZ – Valve specific characteristic pressure ratio, puede aparecer también en los catálogos de los fabricantes.

Reproducción parcial de un catalogo (cortesía de Masoneilan) con los valores Fl-XT-XFZ y finalmente Sigma mr.

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- Factor “Sigma” El factor Fl es fundamental para el análisis del derrame. Sin embargo hay que observar que tanto Kc como Fl se determinan a partir de valores de presión: P1 – P2 – Pv – Pc Así como Kc muestra donde comienza un incremento del volumen del fluido como consecuencia de la aparición de las primeras “cavidades”, con el nuevo factor “Sigma” se pretende definir este régimen con mayor precisión aportando además otros elementos de valoración como el ruido, nivel de vibraciones, y escalado teniendo en cuente el tamaño de la válvula y la presión real del derrame en cada aplicación, así como la experiencia que cada fabricante aporta sobre sus modelos y materiales usados. En resumen, el factor “Sigma-σ“ , basado en niveles de energía, no en el choked flow, considera adicionalmente la influencia de: -Tamaño de la tubería mediante el SSE- Size Scale Efect -Condición de proceso : PSE-Pressure Escale Efect -“Sigma” se determina experimentalmente probando varios tamaños de válvulas y a diferentes presiones. Cada fabricante, finalmente, fija el sus diseños.

σ mr – Sigma Manufacturer para cada uno de

Factor SIGMA

FL2 (Km)

XFz

Kc

σi σservice =

P1 - PV P1 - P2

FL

En la gráfica puede verse la posible situación de los coeficientes vistos hasta ahora. (Esta representación es meramente ilustrativa, los ejes de ordenadas y accisas no tienen valores ya que son distintos para cada coeficiente) El nivel de cavitación aumenta cuanto mayor sea la diferencia P1 -Pv. Además de la presión influye mucho el tipo de válvula. Doblando la presión P1 en una válvula de bola el daño aumenta un 30%, mientras que en tipo globo sólo 10%. La fórmula para calcular la corrección por PSE es la siguiente:

 (P − Pv )  PSE =  1   (P1 − Pv )R 

a

El tamaño también influye en la predicción del nivel de cavitación. La zona de cavitación es mayor, así como los daños. El tipo no influye tanto pero se han hecho observaciones según las cuales, doblando el tamaño en válvulas de alta recuperación, bolas y mariposas, el daño aumentaba entre 12% - 14% y sólo un 9% si eran de tipo globo. (Valores aproximados)

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La fórmula para calcular SSE es

d  SSE =   dR 

b

siendo dR el tamaño de referencia en pulgadas.

R- como sufijo de referencia, representa los valores (presión y tamaño) usados en las válvulas testadas en banco de pruebas para poder escalarlas-(referenciarlas) con relación a la presión y tamaño de la válvula que estamos calculando. El procedimiento global de cálculo a seguir sería: 1.- Se calcula σv- sigma válvula- con las correcciones por SSE y PSE. σv = ( σmr

x

SSE - 1 )

x

PSE + 1

2.- Se calcula el σs “service” (a las condiciones de proceso) σs = P1 – Pv / P1 – P2 2.- Se comparan : Si σs > σv Válvula aceptable totalmente Si σs < σv Posible cavitación que habrá que valorar en su contexto.

Nótese que Fl, XFZ y Kc disminuyen a medida que la válvula abre. El factor σ

aumenta

“

“

“

“

“

“

(Un σs igual ó inferior a 1 supone un derrame en flash.)

Todos estos coeficientes Fl – Kc – XFZ - σv en el momento de la selección deben interpretarse considerando el contesto en que opera la válvula: naturaleza del fluido, tamaño y diseño de válvula, régimen de funcionamiento, materiales, experiencias, etc.

Desde un punto de vista práctico e intuitivo, se deberá profundizar en el análisis del derrame cuando se encuentre con una válvula que trabaje con una presión de salida igual ó menor a la mitad de la presión de entrada: 0,5 P1 - Cavitación, consecuencias La cavitación es un fenómeno que tiene dos fases. En la primera se forman cavidades (burbujas) en el seno del líquido al descender la presión – en la vena contacta- por debajo de la presión de vapor. En realidad esta “vaporización” parcial se puede iniciar un poco antes de llegar a Pv. En la segunda fase, durante el proceso de recuperación de presión, unas burbujas implosionan en zonas próximas a las superficies adyacentes (normalmente el trim) y otras, deformadas por las turbulencias, se deforman y fraccionan dando lugar a chorros (micro jets) de alta presión que también se proyectan contra el metal produciendo arranque del mismo. Aguas debajo de la válvula, una vez recuperada la presión, volvemos a tener el fluido en fase líquida.

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flow

P>Pv P xT P1

∆p crítica = xT . P1

;

Aquí conviene introducir un factor que tenga en cuenta las propiedades de cada fluido. Specific heats ratio k =

Cp ; Cv

Ratio de calores específicos a presión y volumen constante

Fk = Ratio of specific heats factor = k 1,4

x = > Fk xT Valor de “x” a partir del cual hay chok flow.

Fk tiene un valor de 1 para el aire a moderadas temperaturas y presiones, donde su specific heat ratio (k) es aproximadamente = 1,4 Por tanto la

∆p crítica = Fk. x T . P1

Cuando hay conos de reducción x T se sustituye por x TP ;

x TP = x T / F p²

Fp = Pipe Geometry Factor. Influencia de los conos reductores. La influencia del cono reductor de entrada es más importante en el cálculo del Cv en gases que en líquidos. También se puede tomar xT = 0,84 Fl2

aproximadamente.

Factor de expansión – Y El factor de expansión Y tienen en cuenta la variación (reducción) de la densidad del fluido en su paso por la válvula y el cambio de área de la vena contracta cuando la ∆p varía. Si se quieren hacer cálculos precisos ha de introducirse este factor Y entre la zona delimitada por un valor aproximado de x = 0,2 Fl2 y la condición critica x=Fk . xT Factor de comprensibilidad - Z Los gases reales se desvían significativamente de los gases perfectos. Para corregir esta desviación se introduce el factor “Z” en los cálculos. Z está en función de la temperatura y la presión del gas: P. V = ZRT. El valor de Z puede ignorarse para presiones por debajo de los 7 bar-g. en los gases comunes. Los programas informáticos introducen ya estos valores en fórmulas de acuerdo a los procedimientos IEC/ISA, por lo que no se hace necesario hacer el cálculo manual.

- Ruido. Soluciones típicas La manifestación inmediata del derrame crítico en gases es el ruido. Este ruido aerodinámico es el que hay que reducir para situarlo por debajo del valor aceptable en las plantas que normalmente son los 85 dB(A). Una vez que en la válvula se alcanza la relación de presión crítica, el caudal sólo depende de la presión de entrada, no de la presión diferencial. En una primera instancia la intensidad del sonido depende de la velocidad máxima en la estrangulación. Sin embargo, en la válvula de control, la interacción de las ondas de choque del chorro supersónico con las turbulencias modifica este resultado. A partir de la velocidad sónica el ruido crece más exponencialmente.

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Ruido aerodinámico (cortesia de Metso-Neles)

Las técnicas para reducir el ruido mediante órganos internos especiales se basan en tres posibilidades a veces combinadas entre sí. 1. Controlar (reducir) la velocidad en el trim hasta regimenes subsónicos. Varios diseños posibles son: Multijaula, con agujeros que van en aumento hacia la salida, stags, multietapa ó laberintos, etc. La reducción de la velocidad debe hacerse no sólo en el trim, si no también en el cuerpo de salida y en la propia tubería. Esta velocidad de salida, cuando la válvula es Lo-dB, debe ser inferior a 1/3 de Mach. 2. Reducir el nivel de ruido perceptible por el oído humano incrementando la frecuencia. El oído humano percibe un determinado nivel de frecuencias, entre 500 y 6000 Hz. Se ha comprobado que el nivel de potencia acústica se reduce 3 dB cuando hacemos pasar el mismo caudal por dos orificios – de igual área- en lugar de uno. De esta forma se consiguen microjects con alta frecuencia de pico que no son audibles por el oído humano y al mismo tiempo son más fácilmente absorbibles por la tubería. Esta es una de las técnicas más usada en los diseños de válvulas Lo-dB que veremos después.

P1- Inlet

P2- Outlet

pressure

pressure

3. Controlar-atenuar el flujo de salida en la tubería mediante: cartuchos ó placas, silenciadores Los difusores, cartuchos ó placas de atenuación son sistemas estáticos colocados después de la válvula, que, al mismo tiempo que distribuyen la pérdida de carga total atenúan el nivel sonoro en distintos porcentajes según sea el diseño. Pueden llegar a unos 20 dBA. Muchas veces se combina válvula con trim Lo-dB + cartucho atenuación de salida. En general se deben iniciar los cálculos reservando a la válvula un 20-30% de la perdida de carga total del sistema, según sea Lo-dB ó no. Hay programas de cálculo que ayudan en este proceso haciendo finalmente la suma logarítmica de las dos fuentes de ruido y restando al mismo tiempo el efecto pantalla de atenuación que se le asigna a estos dispositivos.

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El aislamiento térmico ó acústico de un tramo de tubería, incluso de la propia válvula, reducen la transmisión de ruido al exterior. En este apartado puede incluirse el sobredimensionamiento del espesor de la tubería de salida. Se pueden conseguir mayores atenuaciones con aislamientos combinados que incluyen capas de lana de vidrio ó con lana mineral separada por láminas de plomo finas. Graficas de atenuación por aislamiento de tuberías y cuerpo de válvula

- Pasos de cálculo de ruido aerodinámico Los procedimientos de calculo de ruido aerodinámico se apoyan en los standard IEC 584-8-3 e ISA S. 75.17 El proceso básico de cálculo comprende unas 45 fórmulas, llegando a 53 cuando se usan diseños “ multipath ó mutistage”. El uso de un programa informático es obligado.

Valve Lpi + Expander Noise LpiR

Los pasos que desarrollan estos procedimientos de cálculo comprenden: 1.- Calcular la potencia del derrame en términos de energía. energía es transformada en ruido aguas debajo de la válvula.

Sólo una porción esta

2.- Se determina el Nivel de Presión Acústica SPL, en la tubería, aguas abajo 3.- Se calcula que porcentaje de este ruido es transmitido al exterior, dependiendo del tamaño y Sch. de la tubería.

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4.- Se define el ruido neto en términos de dB(A). 5.- Finalmente se refiere este ruido a un punto situado un metro aguas abajo y un metro separado de la tubería. Este procedimiento IEC /ISA es válido para: - Gases secos y vapores. - Cualquier tipo de válvula menos las de bola Full Bore. - Sólo válido para velocidades de salida en cuerpo menores de 1/3 de Mach.

- Se admite una precisión de ± 5 dB A.

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6 – CÁLCULO Y SELECCIÓN 1- Introducción a las fórmulas de cálculo.

Definiciones de Cv – Kv

El caudal que pasa por un orificio es función de la velocidad [Q = S . v ] y esta es directamente proporcional raíz cuadrada de la delta-p e inversamente proporcional a la densidad relativa que llamaremos Gf [specific gravity, ρ / ρ0 ] , siempre con relación al agua para líquidos y al aire para gases. Q = k ( ∆p / Gf )½ -

A más delta-p, mayor velocidad y más caudal. (en derrame subcrítico)

-

A mayor densidad, menor velocidad.

k - es un valor que recoge las constantes de proporcionalidad y las unidades de medidas usadas

En esta ecuación básica no se tiene en cuenta la pérdida de energía debida a fricciones, turbulencias, etc. que se originan en la estrangulación. Esta fricción depende de la forma de la restricción. No será lo mismo hacer circular el mismo caudal a través de una placa orificio con un agujero que hacerlo en dos placas, a través de una válvula de globo ó a través de una válvula de mariposa. La fricción, y por tanto la perdida de carga, serán distintas en cada una de las restricciones para un mismo caudal de paso. El caudal se verá condicionado por la “forma” del orificio de paso. A igualdad de sección de paso (S) en las restricciones indicadas, la fricción es distinta. Habrá que introducir un “coeficiente de descarga” Cs que dependa de la “forma” del área de paso. Así tendremos Q = k Cs S ( ∆p / Gf )½ Cuando

k Cs S = Cv = 1 si la ∆p = 1 psi.

Q= 1 GPM

(Gf = 1 para agua a 15ºC ) Cv= Q √ G/∆p Por tanto, por definición: Se dice que una válvula tiene un Cv = 1 cuando, circulando por ella un caudal de 1 GPM, produce una perdida de carga de 1 psi.

La definición de Kv es la misma pero usando caudal-m3/h y presión: bar-g Por tanto, despejando de la fórmula de caudal el Cv resulta:

Q = Cv

∆p ; Gf

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Cv = Q

Gf en unidades USA [Q=galón/min. ∆p=1psi] ∆p

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Kv = 1m3 por hora Æ ∆ p=1 bar En unidades métricas: Despejando

Gf ∆p

Kv = Q

Q = Kv √ ∆p / Gf

[Q=m3/h; ∆p= bar. Gf = 1 agua] ∆p = ( Q / Kv)2 . Gf

y también

Como 1 galón=3,785litros; 1 bar= 14,5 psi; 1psi= 0,06985bar, (0,07 kg/cm2) Kv= 60 x 3,785 x 10-3

Gf = 1 x Cv = 0,86 x Cv 0,06895

por tanto: Cv= 1,16 x Kv

En unidades métricas, la fórmula más simple para líquidos será:

Cv = 1,16

x

Q

Gf ∆p

Una válvula tendrá un Cv = 10 cuando, circulando 10 GPM de agua sigue produciendo la misma delta-p=1 psi., lo cual podrá ser posible con un tamaño de agujero (diámetro de asiento) mayor. El coeficiente Cv es adimensional y resulta fácilmente calculable. Está íntimamente relacionado con el tamaño del agujero de paso y tipo de cada válvula. Este coeficiente fue inicialmente usado por Ralph Rokwell en Masoneilan siendo aceptado rápidamente como procedimiento de cálculo y selección de válvulas de control. Posteriormente el FCI inició un proceso de standarización que ha servido de base para posteriores ediciones de fórmulas y normas finalizando en los standard actualmente conocidos IEC 534.2.1 y ANSI/ISA S75.01.01 La primera expresión- para líquidos- de estos standard presenta la fórmula básica del Cv antes vistas de forma diferente. Para unidades de caudal en volumen sería:

N1 es un factor de unidades, hay que consultar el procedimiento. Fp- Factor de conos reductores. El resto de términos son conocidos. Los fabricantes de válvulas de control deben determinar experimentalmente el coeficiente Cv que puedan asignar a cada uno de sus diseños y tamaños de válvulas. Las normas IEC 534-2 e ISA S. 75.2 indican los procedimientos de prueba con todo detalle. En la figura siguiente se muestra el esquema de un circuito de prueba para determinar Cv

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Los manómetros se conectarán en P1 y P2, 2 diámetros antes y 6 después. Normalmente el fluido de prueba el agua entre 5 – 40 ºC. El derrame, durante la prueba, deberá ser turbulento y subcrítico. El tamaño de la tubería será igual a la válvula, sin conos. Las fórmulas asumen todo lo que ocurre entre dos puntos situados 2 diámetros antes y 6 después. Adicionalmente se introducen factores de corrección por la influencia de los conos reductores, sobre todo el de entrada de la válvula. Al mismo tiempo que se hace esta prueba para determinar el Cv, se puede dibujar la curva característica inherente de la válvula testada. Se hará a delta-p constante, con derrame subcrítico en tramos que empiecen en el 5% y continúen 10%, 20%, ……..hasta el 100%.

- Procedimiento de cálculo IEC / ISA Las fórmulas desarrolladas por IEC e ISA son prácticamente iguales con alguna diferencia terminológica solamente. La mayoría de fabricantes asumen ya estos standards. Estas fórmulas pueden encontrarse en algunos manuales de cálculo y por supuesto en los referenciados standards ANSI / ISA S75.01.01 y IEC 534-2-1. En las paginas siguientes se reproducen parcialmente algunas de estas fórmulas de estas fórmulas tomadas de un manual impreso por Masoneilan. En cada caso hay que seleccionar los coeficientes numéricos “N” en función de las unidades de las condiciones de proceso con que vayamos a trabajar. Las aplicación de estas fórmulas para hacer cálculos manualmente resultan bastante engorrosas. Primeramente hay que hacer un precalculo ó calculo preliminar suponiendo ya un tipo – tamaño- y características de la válvula que pretendemos calcular. Después se selecciona la válvula y finalmente hay que volver a hacer el cálculo para ver si mantenemos la válvula anterior ó seleccionamos otra más adecuada. Casi todos los fabricantes han desarrollado programas informáticos que permiten hacer estos pasos de forma mucho más rápida y eficaz.

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______________________________________________________________________

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Si se quiere calcular el Cv de una aplicación sin entrar en muchas complicaciones pueden usarse las formulas del cuadro siguiente (cortesia de Masoneilan), usadas durante muchos años para hacer los cálculos con resultados altamente satisfactorios.

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7- LOS DATOS DE CALCULO El éxito de un buen cálculo y selección dependen más de unos buenos datos de proceso, bien definidos, que del cálculo propiamente dicho. Las fuentes para obtener estos datos pueden ser variar, según sea el caso. •

Dpto. de producción ó fabrica que es el utilizador de las válvulas.

•

Dpto. de procesos y/o procesistas de diseño de plantas.

•

Ingeniería de planta

•

Dpto. de instrumentación, en algunos casos.

Más aún, unos buenos datos serán decisivos para un buen cálculo pero no suficientes por sí solos. Pero tan importantes como los datos serán las condiciones de operación de la planta ó proceso, la forma de trabajar con la válvula en cada lazo de control del proceso. Por ejemplo: 1. Cómo y cuantas veces se arranca la planta, cual es el régimen predominante, cómo y cuantas veces varía el régimen de operación, nivel de carga, etc. 2. Cuando el régimen “normal” de operación válvula.?

no se da,

¿que espera el operador de la

3. Cuantas veces se le pide que cierre ó esté regulando a un caudal mínimo, etc. etc. Por otra parte se deberá tener información sobre la experiencia en el manejo del fluido, corrosión, materiales recomendables, posibilidad de adherencias, cristalizaciones, etc. Los pasos mínimos para la selección y especificación de válvulas de control son los siguientes: ¾

Obtener y definir sus condiciones de trabajo del proceso que debe controlar.

¾

Cálculo del tamaño y selección del trim, con las características que vamos a necesitar. En que válvula lo puede encontrar: tipo y tamaño

¾

Pensar en el actuador y todos sus accesorios.

¾

Recalcular-revisar la selección realizada

¾ Finalmente el equipo especificado deberá cumplir con una requisición de compra en cuanto al nivel de fabricación y controles de calidad requeridos, bien para este caso ó para el proyecto en general. Todo esto se resume en el cuadro siguiente:

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DEFINIR DATOS DE PROCESO Obtención datos de trabajo. Hoja de datos para consulta

FIJAR CONDICIONES DE DISEÑO Obtener toda la información complementaria posible

PRECALCULO y primera selección válvula

CALCULO FINAL y verificación % carrera, velocidad, ruido....., etc

Selección ACTUADOR y Accesorios

Fijar el NIVEL DE SUMINISTRO, control calidad, etc.

RELLENAR HOJA DE DATOS FINAL

Habrá que responder a todas las preguntas que se desprende del esquema anterior. Labor de investigación en la que el ingeniero de instrumentación debe ser exigente para poder hacer bien su trabajo. - Preparación, presentación datos de trabajo No es una cuestión menor la “forma” de preparar y presentar las condiciones de trabajo en una hoja de datos. Tanto es así que ISA estudió y definió una recomendación práctica (RP) a fin de tener una cierta metodología: ISA-RP. 75.21 Data Presentation for Control Valve. Esta recomendación abarca además de la preparación de los datos de cálculo, el esquema inicial del proceso la configuración del piping y sugiere también un formato para la elaboración de los datos finales.

(Figuras cortesia de ISA RP-75.21)

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Complemento a esta recomendación son las siguientes que deberian ser tenidas en cuenta a la hora de trabajar con válvulas de control: ISA S-20 Specification Forms y su posterior versión ISA TR 20.00.01 Specification ISA S-75.05 Control Valve Terminología

- Evolución variables del proceso Lo primero es ver como pueden evolucionar todas las variables, a lo largo del régimen de operación en que deba trabajar la válvula. Lo normal es que estas variables: P1, Tª, P2, Sp. Gravity, quizá la viscosidad, cambien a lo largo de la carga (caudal) tal y como muestra la figura

P entrada

Caudal

Valores

Sp. Gr Temperatura P salida

90 dB

P.Marcha 3

10 m /h

85 dB

Mínimo

90 dB

Normal

3

Máximo 3

35 m /h

67 m /h

92m3/h

Hay tres variables que pueden ser fuente de problemas, por mal definidas ó vistas con criterio engañoso: •

Caudal,

•

Presión máxima

•

Pérdida de carga.

•

- Régimen de caudal Se deben analizar cuantos regímenes de caudal deban ser controlados eficazmente por la válvula señalando qué magnitudes corresponden a las distintas condiciones de operación previsibles en la planta: puesta en marcha, mínimo técnico, mínimo de operación, normal, máximo y máximo de diseño si procede.

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El riesgo aparecerá en el mínimo y el máximo. - Muchas veces el caudal máximo se aumenta y confunde con el de diseño y dará lugar a válvulas sobredimensionadas que además de resultar innecesariamente mayores y más caras, dificultarán los ajustes en la instrumentación. Trabajando muy cerradas influirán negativamente en la estabilidad (variabilidad) del proceso. No es nada recomendable añadir en la especificación técnica que acompaña a la solicitud de compra criterios de sobredimensionamiento sobre los caudales dados. Debe bastar con los datos bien elaborados. En todo caso, sería mejor la aplicación de estos factores de sobredimensionamiento sobre los Cv´s calculados ya que hacerlo sólo sobre los caudales normal y máximo no tiene en cuenta la influencia de la perdida de carga para el cálculo que puede ser distinta y por tanto llevar a resultados erróneos. Una buena definición del caudal normal y máximo no precisa factores de sobredimensionamiento. - Para el caudal mínimo deberemos comprobar la apertura de la válvula inicialmente seleccionada y ver si puede controlarlo bien valorando también el tiempo de permanencia en este régimen. Si fuera necesario se elegirá otro tamaño de trim ó de válvula aunque haya que cambiar de modelo y característica. En este punto, la práctica demuestra que es más importante acertar bien con el tamaño para centrar el régimen de funcionamiento que condicionarse a una característica inherente, salvo que el lazo de control sea muy específico en este sentido. La utilización de dos válvulas en rango partido será el recurso final, aunque necesario en algunos casos.

- Régimen de Presión La presión máxima (en singular) es un dato que no debe confundirse con la presión de diseño para el rating. La presión máxima de proceso es la máxima de operación a la entrada de la válvula (P1). Como hemos visto antes, esta presión puede evolucionar según el caudal, por la influencia de la perdida de carga en equipos y líneas. Por tanto habrá que ligar cada presión con su caudal correspondiente.

- Pérdida de carga para el cálculo de la válvula La perdida de carga en válvula es el dato imprescindible para el cálculo. La misión de cualquier v. de control es regular un caudal para gobernar la variable controlada. Esta regulación del proceso es posible produciendo perdidas de carga variables en la válvula, pero para el cálculo hay que fijar uno ó varios ∆p´s posibles a fin de determinar, mediante las fórmulas correspondientes, los Cv´s requeridos de cálculo. Si P1 es constante y P2 también, la ∆p es sólo una, pero esta situación no es la más frecuente. Evidentemente, a la válvula hay que reservarle una capacidad de interferir en el caudal, cosa que sólo puede hacerse produciendo ∆p. Además, esta ∆p disponible para la válvula, debería ser la mayor dentro del sistema. Cuanto mayor sea mejor para el control pues así la válvula tendrá más capacidad para dominar el proceso. Un criterio universal, repetido en numerosos textos, reserva para la válvula una ∆p de cálculo que sea al menos 1/3 de la ∆p total del sistema. Algunos autores matizan más; mostremos algunas referencias: •

“Mínimo 10% de la disponible para perdidas por fricción en líquidos.

•

Líneas largas ó de gran pérdida de carga, mínimo 15% - 20% de la delta-p disponible, con un mínimo de 10 psi (0,7 bar-g) “

•

“10% delta-p total si la característica es lineal y 25% delta-p total si es isoporcentual”.

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Así podríamos añadir otras muchas reglas ó recomendaciones que aparecen en la técnica. Pero lo mejor sería preguntas:

literatura

ponemos delante del diagrama de proceso y responder a las siguientes

1.- Cual es la fuente de presión: depósito, bomba, nivel constante, etc. 2.- Que valor tendré a la entrada de la válvula (P1 ) según su situación, leído con un manómetro antes de la válvula. 3.- Hasta donde debo llegar con el fluido y a que presión: equipo, línea, atmósfera, etc. 4.- Qué perdidas de carga debo vencer para llegar al destino. 5.- Por tanto, cual debería ser ( P2 ) en la válvula para conseguirlo. La diferencia P1 - P2 es la ∆p disponible para cálculo. Este proceso hay que hacerlo para cada régimen de caudal. Un caso de dificultad surge cuando debemos determinar la delta-p de la válvula condiciona el dimensionamiento de otros equipos, por ejemplo una bomba.

y esta

En este caso, un experto proponía para la válvula un 5% de la ∆p total del sistema ó bien, como mínimo , 5 psig (0,35 bar-g) si la válvula es rotary-plug ó mariposa y 10psig. (0,70bar) si es tipo globo convencional. La ventaja de las válvulas de obturador rotativo excéntrico es que regulan muy bien con menos ∆p. Otros autores, recomiendan igual ó mayor a 1/3 de la delta-p disponible en todo el sistema ó 15psi. g. (1,035 bar.), como mínimo. Al decir “sistema” nos referimos al conjunto de elementos y líneas desde la fuente de presión hasta el punto de destino.

-

Condiciones del flujo a la entrada de la válvula Líquidos.- Serán siempre fluidos newtonianos homogéneos, en régimen laminar ó turbulento. El caudal normalmente se expresa en volumen: m3/h ó litros/h. en las condiciones del derrame. [Como la densidad de los líquidos cambia con la temperatura, algunas empresas expresan el caudal en volumen en condiciones a 15ºC y 1 atm.] Puede haber vaporización en la válvula (Flash) ó a la salida. El procedimiento de cálculo ya contempla el fenómeno de flash. Se precisa tener el dato de la presión de vapor Pv, del líquido a la Tª de entrada con cierto rigor, tanto si es un líquido ó mezcla de varios. No influye tanto el Specific Gravity. La viscosidad, en condiciones de derrame podrá ser: Absoluta ó dinámica en c.poise. Cinemática en c.estokes ó SSU El caso de líquidos cargados, por ejemplo con fibras de papel particulas, etc. se abordará después a efectos de cálculo según sea su consistencia (concentración de materia seca en dilución) y tipo de fibra.

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En los gases.- Hay que definir con claridad las unidades de caudal, los más habituales son: Nm3/hora @ [0ºC - 1,013 bar-a] Standard m3/hora @ [15,6 ºC – 1,013 bar-a] m3 /hora –@ [en condiciones de derrame] Indicar peso molecular ó Specific Gravity, según demande la formula. Dar también el valor de Z. La presencia de polvo ó subproductos que puedan adherirse a las paredes de las tuberías y válvula, se hará constar. Así mismo las posibilidades de condensar ó formar pequeñas gotas de condensado en contacto con paredes frías, su poder corrosivo, exigencias para definir tipo de estopada, etc. Vapor de agua.- Puede ser saturado ó recalentado. En caso de vapor recalentado su Tª máxima afectará a la definición del rating, materiales cuerpo –tapa y estopada. El caudal se expresa habitualmente en unidades de masa: T/h ó Kg/h. Régimen bifásico.- Se presentan dos casos: Entrada de líquido + su propio vapor. Entrada de líquido + otro gas. Se han de dar bien diferenciadas las propiedades termodinámicas del líquido: Sp. Gravity,-o densidad, P.de vapor, Presión y Tª critica, viscosidad, y también las del gas: Peso molecular, factor-k, factor- de compresibilidad Z. Fluidos criogénicos.- Se calculan como otro cualquiera. Solamente que su baja temperatura decidirá los materiales, ensayos no destructivos, pruebas criogénicas, etc

- Hojas de Especificación preliminares Obtenidos los datos hay que pasarlos a una hoja de especificación que servirá de base para la consulta, cálculos y selección de válvula. El formato de esta hoja debe prepararse para dar toda la información necesaria. Debe tener espacios adecuados para esto, omitiendo otros aspectos que son irrelevantes. En cuanto a las condiciones de proceso debe relacionar cada régimen de caudal con sus correspondientes presiones, temperaturas y variables físicas a introducir en las fórmulas del programa de cálculo. Una adecuada presentación de datos podría ser la siguiente. Obsérvese como la adecuada colocación de las presiones conduce a diferentes valores de la delta-p de cálculo y por tanto a diferentes valores de Cv.

Mín.

Normal

Máx.

Caudal

86

115

196

P1

20

24

P2

16

∆p

4

@Q nor.

Cauda

86

115

196

31

P1

31

24

20

17

19

P2

19

17

16

7

12

∆p

12

7

4

Incorrecto

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@Q máx.

@ Q mín.

Correcto

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Deben señalarse también otras condiciones de proceso que ayuden a la comprensión de la aplicación: numero y forma de los arranque de planta, bajas cargas, agresividad del fluido, materiales recomendables, etc. El resto de las casillas de una hoja de datos describen datos del cuerpo, trim, actuador y accesorios. A nivel de consulta no debe ser muy exhaustiva en detalles. Será, una vez seleccionada la válvula definitiva cuando convendrá tener todos los materiales y detalles constructivos que constituyan un completo “carné de identidad de cada válvula”, incluidos todos los accesorios. Pasado el tiempo esto será una herramienta imprescindible tanto para el técnico instrumentista como para mantenimiento. Seguidamente se añadirán todos aquellos comentarios y observaciones que sean pertinentes para la mejor selección de la válvula en todos sus aspectos, por ejemplo los siguientes: Fluidos abrasivos.- Si la abrasión es por partículas en su seno, se indicará la granulometría y su % en peso ó volumen. El cálculo básico es igual, usando el Sp. Gr. de la mezcla. Se valorará un cierto sobredimensionamiento, de acuerdo con el usuario, según tipo y tamaño de válvula. Se evitarán zonas de trabajo próximas al cierre a fin que no se produzca obstrucciones ó altas velocidades que incrementan el efecto abrasivo. Estudiar el montaje de la válvula, sentido de circulación en el cuerpo, diseño del trim y disposición de la tubería. En muchas ocasiones es mejor montar la válvula en tuberías verticales. Cristalización y/o precipitación.- Si hay lugar a adherencias habrá de tenerse en cuenta par seleccionar cuerpo de paso recto, fáciles de limpiar, rotary- plug, sector de bola. Dimensionarlas para trabajar por encima del 50% de carrera. Se pueden poner inyecciones de líquidos de limpieza en el cuerpo-tapa. Otros fluidos deben mantenerse por encima de una determinada temperatura. Esto se hace con camisas de vapor en el cuerpo ó calentamiento de tubería y cuerpo mediante termo resistencias eléctricas. En tal caso la estabilidad del Sp.Gr., Viscosidad y Pv dependerán de que esta temperatura se mantenga. Las mismas precauciones deberán tomarse para fluidos viscosos. Confirmar si la viscosidad puede variar de forma que afecte al cálculo - Modelos de hojas de datos para consulta. Datos mínimos En fase de consulta solamente se rellenarán los datos necesarios para poder hacer el calculo del trim y cuerpo, así como los detalles mínimos que afectan al actuador y accesorios, pero no menos, dejando que cada ofertante cumplimente el resto con su mejor propuesta técnica. Ver cuadros siguientes. En cualquier formato de hoja de datos se deben cumplimentar completamente las casillas correspondientes a las condiciones de diseño y de trabajo. Si fuere necesario se añadirán más columnas para anotar aquellas otras condiciones de trabajo que sea interesante analizar ó bien a pie de página. Esto permitirá ver los porcentajes de apertura para cada caso así como la respuesta de la válvula seleccionada para todos los casos considerados. En cuanto al cuerpo, como mínimo se indicarán el tipo de conexiones y algún otro dato de obligado cumplimiento. El resto lo cumplimentará el fabricante. Del actuador es necesario señalar el tipo y posición por fallo de aire así como la delta-p de cierre que condicionará la selección del tamaño para una estanqueidad requerida. Del posicionador se he de indicar el tipo, y características mínimas. Este equipo permite una amplia gama de prestaciones por lo que, debe ser el comprador quien defina el alcance de lo que quiere a fin de obtener propuestas homogeneas. Finalmente queda por definir los accesorios necesarios para cada válvula. En el capitulo de NOTAS: se añadirá todo aquello que no se pudo indicar anteriormente.

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8 – PASOS Y EJEMPLOS DE CÁLCULO Casi todos los fabricantes de válvulas tienen ya sus programas de cálculo. En general se basan en standards de uso universal, siendo los más conocidos y experimentados el IEC-534-2.1 y la ANSI/ISA S. 75.01.01 que ya hemos mencionado anteriormente. Para el cálculo del ruido, algunos usan la norma alemana VDMA 24422 . Indicamos ahora algunos de estos programas con la web donde se pueden descargar. La lista es incompleta pues hay varios más disponibles. También hay alguno diseñado por empresas de software de ingeniería. •

ValSpeQ 3.8.5

www.masoneilan.com

>Herramientas para clientes >Descarga de Progr. Informáticos >ValSpeQ 3.8.5

•

Fisher Esp. Manager 2.02

•

Performance Valve Select. Software 9.X.X

•

Contr. Valve sizing 4.X.X

www.severnglocon.com

•

Samson Valve Sizing

www.samson.de

•

Nelprof 6.0.X

•

Etc., etc.

www.emerson.com www.flowserve.com

www.metso.com/valves

Un programa informático SOLO permite calcular el Cv pero no seleccionar la válvula. El proceso de selección que debe realizar el ingeniero de control consiste básicamente en seguir un itinerario que someramente comprende los siguientes pasos: 1. Definir el rating. Con la presión / temperatura de diseño se define el rating, para un material dado, según la norma de trabajo a usar. 2. Analizar el derrame. Con las presiones y Pv del fluido se define si el derrame es crítico ó subcritico. 3. Se aplica la formula que corresponda para un cálculo preliminar del Cv, observando los coeficientes Fl, velocidad, nivel de ruido, etc 4. Con este dato se hace una primera selección del diámetro de la válvula y trim. Teniendo en cuenta la relación tamaño de válvula / tubería se hace la corrección por la influencia de los conos reductores. Se vuelve a a realizar un nuevo cálculo contemplando el modelo y tamaño seleccionado. Esto dará lugar a un nuevo Cv. Observar entonces el % de carrera para cada régimen de caudal: Mínimo, normal, máximo. 5. Verificar el valor de Fl / XT en esas carreras. Verificar que no haya cavitación ni ruido. Comprobar velocidad en la válvula tanto en líquidos y sobre todo en gases y vapores, por su influencia en el ruido; diámetro sónico y el Nº de Mach.

6. Finalmente se hará un repaso general que confirme la buena selección adecuada a las necesidades del lazo de control y proceso que queremos controlar

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- Tamaño del cuerpo y trim Con el Cv de cálculo máximo buscamos en los catálogos de fabricantes el tamaño del trim y cuerpo que tenga un valor inmediatamente superior de Cv al calculado. Se analizará la zona de trabajo en que debe operar la válvula, en toda su gama de caudales. Consolidando varias informaciones una recomendación práctica podría ser: - No convendrá trabajar permanentemente por debajo del 10% del spán señal - Válvulas lineales: >10% - 80% carrera. (con Q normal-30%-75%) - Válvulas isoporcentuales: >15% - 85% carrera. (con Q normal- 30%-60%) En cuanto al tamaño de cuerpo se refiere: Como regla general una válvula de control suele ser inferior al tamaño de la tubería. No usar cuerpo inferiores a ½ el tamaño de la línea. En estos casos habrá que reducir el paso interno del trim para conseguir una buena zona de trabajo. En la selección del tamaño hay que analizar la velocidad en la salida que facilitan los programas de cálculo. La velocidad de salida en una válvula de control no tiene que ser igual al usado en tuberías, se admiten valores más altos pues corresponde a un elemento que está produciendo una estrangulación en un punto de la instalación. Aguas abajo la velocidad disminuye en la tubería de salida. No existe un criterio universal definido, pero las velocidades de salida recomendables, considerando diversas fuentes consultadas así como la experiencia en numerosos proyectos podrían estar en los siguientes valores: ¾

Servicios generales con líquidos

Cuerpos de Ac. Carbono:

6 – 9 m/seg. servicio continuo. 9 – 12 m/seg. en servicio intermitente.

Cuerpo aleados:Cr.Mo/Inox:

8 – 10 m/seg. en continuo. 10 – 12 m/seg. en intermitente.

Estos valores son para agua en general. Con otros fluidos habrá de analizarse si hay razones físicas ó termodinámicas que justifiquen diferente criterio. En sistemas como agua de alimentación en centrales térmicas se tiende a ser más conservadores cuando hay altas presiones. Hay industrias, como la del papel por ejemplo, tratamiento de aguas alimentación, etc., que trabajan a bajas velocidades por criterios de diseño. Una expresión sencilla para calcular velocidad en líquidos es la siguiente: V= 278

q A

Siendo: V= m/seg

q= m3 /hora.

A= sección cuerpo salida mm2 ¾

Servicios con gases y vapor de agua

En el caso de vapor ya gases interesa más la velocidad de salida ya que es un factor determinante adicional para limitar la posibilidad de ruido global de la válvula de control. En este caso la velocidad no se da en m/seg. Si no que se calcula el nº de Mach El ruido total en una válvula puede ser originado nó solamente entre el obturador y el asiento, sino también en la expansión, a la salida de la válvula, si la velocidad es elevada. Por tanto, el tamaño del cuerpo de una válvula debe ser tal que no produzca un ruido adicional sobre todo si el trim es de diseño Lo-dB.

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Se debe calcular la velocidad en la boca de salida y comprobar que no supere 1/3 de mach (0,33) en servicios continuos. Para servicios intermitentes el numero de mach a la salida puede se 0,5-0,8 según los casos.

Gases en general:

M=

0,062 × Q G × T 50,6 × W = P2 × d 2 P2 × d 2

Vapor de agua:

M=

1380 × W (1 + 0,00126 × Tsh ) P2 × d 2

Siendo:

T G

d= diámetro sónico en mm. que corresponde a velocidad sónica a la salida.

Gases : d- sónico = 0,25

Q GT = 7,24 P2

Vapor de agua: d- sónico = 37,1

W T G P2

W (1 + 0,00126 xTsh ) P2

G= Densidad del fluido respecto del aire (aire=1) a 15ºC y 1,013 bar(a). Q= Caudal en Nm3/h. (a 15,6 ºC y 1,013 bar-a) W= Caudal en peso,T/h. P2= bar(a) T =Temperatura absoluta (ºK) (ºC + 273) Tsh= Grado de recalento. de vapor en ºC.

En el siguiente bloque se ven los diferentes apartados que hay que ir completado para especificar la válvula en todas sus partes

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SELECCIÓN Y ESPECIFICACION DE VALVULAS DE CONTROL

Condiciones de diseño

DATOS DE PROCESO

Fluido- estado Cond. de Operación

Tipo / tamaño de cuerpo

VALVULA

Trim Condi. de Seguridad Instalación Requisitos especiales

TIPO

ACTUADOR

Requisitos varios Accesorios

NIVEL DE SUMINIESTRO

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Presión y Tª de diseño para rating Norma a aplicar. Material de Tubería Choque térmico. Golpes de aire. Vibraciones.

Condiciones de diseño

Posición de la válvula en el piping. Tamaño y Sch. de tuberías Condiciones ambientales Líquido – Gas – Vapor. Si bifásico: Caudales a la entrada Temperaturas DATOS DE

Viscosidad.

Fluido

PROCESO

Densidad, presión de vapor, Pr. crítica. Tendencia a precipitaciones o adherencias. Otros datos de interés. Caudal máx., nor., mín., puesta en marcha, etc. Pr. de entrada para cada caudal. Pérdida de carga admisible ó presión salida requerida – P2

Condiciones de operación

Criterios de sobredimensionamiento Presión a válvula cerrada. Régimen de funcionamiento: continuo, intermitente (% de tiempo en cada caudal) Caudal máximo a válvula 100% abierta.

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Presión y Tª de diseño para rating Norma a aplicar. Material de Tubería Choque térmico. Golpes de aire. Vibraciones.

Condiciones de diseño

Posición de la válvula en el piping. Tamaño y Sch. de tuberías Condiciones ambientales Líquido – Gas – Vapor. Si bifásico: Caudales a la entrada Temperaturas DATOS DE

Viscosidad.

Fluido

PROCESO

Densidad, presión de vapor, Pr. crítica. Tendencia a precipitaciones o adherencias. Otros datos de interés. Caudal máx., nor., mín., puesta en marcha, etc. Pr. de entrada para cada caudal. Pérdida de carga admisible ó presión salida requerida – P2

Condiciones de operación

Criterios de sobredimensionamiento Presión a válvula cerrada. Régimen de funcionamiento: continuo, intermitente (% de tiempo en cada caudal) Caudal máximo a válvula 100% abierta.

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Globo – Mariposa, etc. Cv. ratio.

Tipo de cuerpo

Rating y materiales. Conexiones: Bridas, soldadas, sin bridas. Características de control. Diseño, guiado, materiales

Trim

Materiales según agresividad del fluido. Estanqueidad hacia el exterior: Estanqueidad obturador / asiento.

Estopadas “Lips-seals” Fuelles

Posición de seguridad por fallo de señal y alimentación actuador.

Condiciones de seguridad

Clasificación eléctrica, accesorios: Nema Ex. Nivel de ruido admisible. Procedimiento específico de limpieza, desengrase, etc.

VALVULA

Posición de montaje: soporte. Requisitos diseño/tamaño tuberias Accesibilidad de mantenimiento.

Instalacion

Precauciones ante limpieza de tuberías en la puesta en marcha y en operaciones. Tratamiento de distensionado de soldaduras. Que ataque a cuerpo – actuador – accesorios: Amb. marinos – polvorientos – tropicales, etc. Especificación de pintura.

Agresividad del M.A.

Zona sísmica o con radiación. Ensayos no destructivos: Traceado o camisa de vapor. Requisitos especiales

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Radiografías Tintes Ultrasonidos

Cumplimiento NACE – UOP – BITC, etc. Pruebas especiales en la función.

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Neumático. Tipo

Eléctrico. Hidráulico. Fuerza necesaria para cerrar. Calidad de cierre obturador / asiento.

Requisitos de operación

Velocidad de operación / Tubbing

ACTUADOR

Frecuencia de maniobras. Agresividad del medio amb.:

Materiales Pintura Racores Tª amb.

Posicionador, tipo, etc Relés de bloqueo. Finales de carrera ó detectores de prox. Accesorios

M. Manual. Tr. de posición. Electroválvulas, etc. Pruebas de estanqueidad.

Requisitos especiales

Pruebas de velocidad de operación. Pruebas funcionales especiales, etc.

La selección del actuador en cuanto a su tamaño la hace el fabricante de la válvula. Quedan por concretar los accesorios que deben acoplarse sobre el actuador. Ver cuadro siguiente.

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Finalmente hay que concretar el nivel de suministro que hace referencia a los aspectos de calidad y condiciones técnicas contractuales entre fabricante- suministrador y comprador.

Nivel de suministro - Poseer un manual de Garantía de Calidad interno - Medios humanos y técnicos para: · Pruebas e inspecciones (hidráulicas, criogénicas, funcionales, etc.) · Ensayos de, dureza, tintes, Rx, etc. · Ensayos no destructivos con personal homologado. Control de documentación: · Certificados de todo tipo bajo normas: ANSI – DIN – ISO ó las especificas del proyecto. - Cumplimiento normativas PED y ATEX ó las que correspondan · Planos dimensiónales. · Instrucciones de mantenimiento y montaje. · Listas de despieces. · Estudio informatizado de recambio recomendados con criterios de intercambiabilidad. - Disponibilidad de asistencia técnica. · Durante la fabricación, montaje y mantenimiento posterior. - Posibilidad de reposición y / o suministro: · Tanto de válvulas como de piezas de recambio. · Stock en bruto y piezas acabadas.

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9 – Aplicaciones en sector energía - Servicios severos en C. Térmicas y Ciclos Combinados En la producción de electricidad en, ciclos combinados, centrales térmicas convencionales de carbón , (fuel-oil ya en desuso) plantas de cogeneración, biomasa hay una serie de aplicaciones que, por sus condiciones de trabajo, alta presión y temperatura, se califican como servicios severos en los cuales pueden darse altas presiones diferenciales con cavitación ó flash. Y en algunos casos abrasión. El nivel de presiones-temperaturas varía de las centrales térmicas de carbón a los ciclos combinados, donde pueden ser una poco más bajas, según diseño de la planta. Sin embargo, como los servicios son similares y los problemas típicos semejantes, se van a describir simultanemante. 1.- Circuito de agua-condensado El circuito de agua podemos analizarlo desde el propio condensador, va al desaireador (a través de los calentadores de baja presión en una térmica). Las bombas de agua de alimentación la impulsan al calderin de la caldera ( a través de los calentadores de alta en una térmica) pasando por el economizador. Los lazos de control más importantes pueden ser: .-Control de nivel pozo del condensador .-Drenajes de emergencia calentadores .-Control nivel desaireador .-Drenajes y niveles calentadores de alta presión .-Recirculaciones bombas Ag. Alimentación .-Control nivel calderín .-Punga continua del calderín .-Atemperaciones Es Importante definir bien los datos de trabajo desde las condiciones de puesta en marcha, frío ó caliente, mínimo técnico y regímenes normal y máximo de operación. El derrame es cavitante en unas situaciones y subcrítico en otras. Las válvulas retorno del condensador, que está a vacío, trabaja siempre en flash. Debe ser estancas al exterior para no contribuir a la pérdida / reducción de vacío del condensador. Buenas juntas y estopada con juntas tóricas y/o apriete constante. El sistema de agua de alimentación se puede hacer con dos válvulas ó con una que, por su diseño, puede soportar el régimen crítico a bajas cargas y después seguir operando en el régimen normal. En este último caso hay que estudiar y calcularlas según sea la forma de operar la planta definiendo muy bien la zona de transición . Dimensionar los cuerpos con una velocidad que se sitúe entre 6 – 8 m/seg. máximo. Si fuera necesario, por rangeabilidad de la planta, se tendrán que estudiar trims caracterizados, sobre todo cuando se trabaja con una sóla válvula. Esta forma de operar es extensible a todas las demás calderas de vapor convencionales sobre todo en medias-altas condiciones de presión. Son necesarias válvulas de alta presión con internos anticavitación en general. Buena estanqueidad, clase-V. No sobredimensionarlas. Actuador generoso para soportar, establemente, cualquier condición de presión diferencial.

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Recirculación de bombas. Estas válvulas en muchas centrales térmicas y ciclos son on-off aunque en otras son de control. Se precisa una buen estanqueidad, clase-V ya que, transcurrido el proceso de arranque, pueden estar cerradas mucho tiempo, según sea el diseño de la planta Deben tener un buen diseño mecánico que soporte las altas presiones diferenciales evitando cavitación: sistemas multietapa ha resultado el mejor diseño. Para estas aplicaciones del sistema agua alimentación la experiencia aconseja válvulas que teniendo alto coeficiente Fl no tengas áreas de paso de pequeña sección ó diámetro, dado que en la práctica, siempre hay presencia de partículas que ocasionan problemas de agarrotamiento en los internos de lasa válvulas. Por eso serán seleccionados aquellos diseños, preferentemente con derrame axial que admiten la circulación de partículas de cierto tamaño sin problemas. Las atemperaciónes son otro servicio con problemas típicos de sobredimensionamiento. Es importante analizar y conseguir unos buenos datos de proceso reales. El sistema consta de la válvula y las toberas de pulverización que al ser restricciones fijas producen contrapresión variable según caudal de atemperación. Por esto se exigirá una buena rangeabilidad. En muchos caso se deberán usar trims anticavitación para prevenir cualquier derrame crítico aunque en principio no parezcan críticas las condiciones. Las atemperaciones de vapor recalentado en centrales convencionales trabajan a alta presión diferencial y pueden operar a mínimo ó nulo caudal en algunos casos. Cierres clase-V. Materiales de alta dureza. En ciclos combinados se usan, sistemas de atemperación de tobera variable dado que, por diseño, se puede trabajar a menos presión y además se precisa de mayor rangeabilidad Purgas y drenajes. Pueden ser continuos ó intermitentes. En muchos de estos servicios aparece el flash que obligará a un sobredimensionamiento del cuerpo para reducir velocidad en la salida. Cuerpos de Cr. Mo. ó inoxidable, sobre todo en flash severo, que se considera a partir de unos 2030 bar. Mejor especificar alta estanqueidad, clase-V. Actuadores sobredimensionados que aporten estabilidad al control. Válvulas angulares y/o de paso recto con F.T.Close para flashing severo, incluso con camisa de protección a la salida. 2.- Circuito de vapor Comprende los servicios desde la salida de vapor de la caldera hacia la turbina. Los lazos severos típicos son: .- Reductoras vapor auxiliar .-Vapor de soplado (en térmicas de carbón) .-Venteos .-By-pases de turbina .-Vapor cierres de turbina .-Vapor al desaireador Reducción de vapor principal ó para servicios generales. Presentan problemas de ruido en presencia de alta temperatura. Requieren trim adecuados a estas condiciones: CA6 NM, duplex etc. Definir bien regimenes de puesta en marcha y plena carga. En muchas térmicas tienen que ser dos válvulas en paralelo. En ciclos combinados puede ser una pero a veces hay que caracterizar el trim para cubrir todo el rango de caudales. By-Pass de turbina. Las válvulas de by-pass son diseños específicos de bajo nivel de ruido pues drenan el vapor de alta presión al condensador una vez reducido y atemperado. Combinan pues la reducción y aportación de agua para bajar la temperatura. Excepto para turbinas pequeñas, lo normal es que sean angulares con conexiones soldadas. Cierre clase-V Diseño mecánico para soportar choque térmico. Actuador de alta velocidad de respuesta, neumático o hidráulico. Para la atemperación del vapor en estas válvulas, se precisan, para el caso de alta presión y en algunos casos en media presión, usar diseños anticavitación.

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Soplado y venteos combina exigencia de una buena estanqueidad con la exigencia de materiales para vapor a alta temperatura y con alto nivel de ruido. Especial cuidado en el dimensionamiento de los venteos teniendo en cuenta que puede ir asociado a un silenciador en la descarga. El vapor al desaireador precisa considerar los consumos variables según tipo de arranque y el caudal de vapor en marcha normal a plena carga. Requieren válvulas con trim bajo nivel de ruido y buena rangeabilidad.

- Cogeneraciónes Típicamente una cogeneración es como un ciclo combinado pequeño, salvo el caso de una planta de biomasa con apoyo de gas natural. En cualquier caso los servicios típicos son los indicados anteriormente salvo las peculiaridades del diseño en función de la potencia, combustible, etc. Se añaden las válvulas para la post combustión Todo conducirá a válvulas más pequeñas pero con similares exigencias a las ya vistas.

-

Termosolares

En las termosolares aparecen tres ámbitos diferenciados: .- Campo solar. Si es de cilindros parabólicos, en el campo solar se usan una serie de válvulas ( más de 100) para ajustar y mantener las presiones diferenciales en todo el campo. Suelen ser válvulas de simple asiento, manuales en algunas circuitos, automáticas (motorizadas normalmente) en otros. Tamaños 1,5”-2”-3”. Manipulan aceite térmico- HT.F. Requerimientos de fuelle de estanquidad. .- Circuito de potencia con calentadores y calderas(intercambiadores) para producir vapor con el HTF caliente procedente del campo solar. Aquí se manipula HTG con grandes caudales que requieren válvulas de 12”-14”-16” e incluso 18” tipo globo. Hay alternativas con válvulas de mariposa diseñadas mecánicamente para control con conexiones soldadas y estopadas especiales de apriete constante ( la estanqueidad de una válvula rotativa es mucho mejor que en una alternativa sin fuelle.) .- El BOP que comprende los servicios de vapor, by-pases de turbina, atemperaciones, agua de alimentación, etc. se aborda como en los ciclos combinados. .- Finalmente cabe la posibilidad de que adicionalmente la planta solar tenga sistema de acumulación de calor usando sales con temperaturas de diseño hasta los 600ºC La manipulación de sales añade varias exigencias por la naturaleza del fluido y sus propiedades físicas. Válvulas con geometría interna simple, sin zonas de acumulación. Materiales de cuerpos e internos especiales . Juntas metálicas entre tapa-cuerpo. Tapas alargadas. Calorifugado-calentamiento eléctrico del cuerpo y tapa para que las sales no solodifiquen pero que la temperatura tampoco suba de un determinado valor en a zona inferior de la estopada. Estopadas especiales compatibles con el fluido y la alta temperatura. En este sentido no queda más remedio que ir detrás de las experiencias reales en las plantas existentes. La selección y especificación de válvulas para sales implica estar en constante revisión de criterios basados en la experiencia.

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9.- Presentaciones de APLICACIONES EN SECTOR ENERGIA

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