Plantear esta pregunta parece ridículo cuando podemos leer con frecuencia notas y artículos sobre diversos aspectos de las válvulas de control (en lo sucesivo VC). Cierto, pero también no es menos cierto que muchas veces son generalidades parciales con perdida de una visión completa que es más compleja.
En cierta ocasión un buen cliente-usuario me dijo: la VC, “…ese hierro que se mueve”. Lo que se movía se refería al elemento que abre-cierra, el “closure member” que regula el caudal. ¿Cómo tiene que ser diseñada, construida, calculada, seleccionada para que propiamente sea una VC ? …y, mucho más, para que sea un “instrumento” ?, porque no será VC si no es Instrumento. La VC actúa es uno de los tres elementos que forman un lazo de control cerrado: Transmisor – Controlador – Elemento final = VC. Veremos qué factores y características son las condiciones exigibles a la válvula como instrumento y también algunos otros conceptos mal entendidos.
Las VC son equipos dinámicos, es decir, con capacidad de movimiento frecuente en respuesta a la señal de control procedente de un básico PID o de un algoritmo más complejo integrado en un sistema de control distribuido (DCS), por ejemplo.
Las VC regulan siempre un caudal de fluido, líquido o gas. Actuado sobre ese caudal se intenta controlar una variable de proceso (PV) que puede ser: temperatura, nivel, caudal, presión, pH, concentración,…… y cualquier otra variable física que sea medible.
Los procesos normalmente tienen modificaciones mínimas que requieren de la válvula pequeños cambios de carrera y por tanto serán variaciones de señal pequeñas. La VC debe ser capaz de responder a estas pequeñas variaciones de señal; si no lo hace, la variable de proceso (PV) crecerá, aumenta la variabilidad y se reduce el rendimiento del proceso. La respuesta debe ser adecuada en tiempo y ganancia posibilitando los ajustes del PID de control.
Las figuras muestran dos respuestas: la primera es cíclica en la que la variable del proceso PV oscila alrededor del Set Point, tarda más; no es muy buena. La amortiguada, es mejor. El sistema de control debe controlar el proceso sin someterlo a oscilaciones y lo antes posible.
Una perturbación provoca que la variable de proceso (PV) se desvíe del punto de consigna y hace que el controlador aplique medidas correctivas. Contra esta intervención del controlador actúan los siguientes fenómenos que se presentan en las válvulas, como equipo mecánico. Señalamos los que afectan y limitan la calidad de respuesta de la válvula.
a) Banda muerta, Histéresis, Repetibilidad, Constante de tiempo, Ganancia instalada
b) Seguridad, Velocidad operación; Fugas
c) Requisitos de diseño y fabricación mecánica.
– Banda muerta (tiempo muerto- Td) es el espacio/tiempo en que la válvula no responde a la variación de señal hasta que no vence todas las fricciones: stiction + dead time. Stiction es la resistencia al cambio-inicio del movimiento que se produce por agarrotamiento inicial del vástago dentro de la estopada (Figura derecha). Esto ocurre tanto en sentido de abrir como de cerrar. Se suman una fricción estática y otra dinámica, iniciado el movimiento del vástago. Ambas definen el tiempo muerto ” dead time” que es la peor contribución de la válvula al sistema de control.
La causa son todas las fricciones mecánicas de los guiados: guiado del obturador y guiado por jaula en las equilibradas. También la fricción de la estopada sobre el vástago, que es muy importante, y las producidas en los actuadores, que también las tienen, según sea el tipo que se use: diafragma-resorte o pistón.
No confundir fricción con backlash que son las holguras mecánicas en las articulaciones, típicas en válvulas rotativas cuando hay palancas de accionamiento.
Las fricciones y su banda muerta no las puede eliminar el posicionador, son intrínsecas a la construcción mecánica de la válvula y del actuador.
Para comprobar la respuesta de una válvula se utiliza el ensayo de respuesta dinámica según norma ISA- 75.25.01 junto a la recomendación técnica ISA- TR75.25.02. En la figura de arriba se muestra la respuesta dinámica de la válvula con actuador de diafragma a un % de señal en escalón indicándose el tiempo muerto Td. El punto T63 que es el 63,2% del escalón de señal, define la constante de tiempo. La constante de tiempo debe ser menor que la del proceso, significa una respuesta suficientemente rápida para dominar el proceso. T86 es el Step response time, tiempo para alcanzar el 86,5% del escalón de señal. Ambas se pueden ajustar actuando sobre la ganancia de la válvula, depende de su característica instalada, y la del posicionador digital, actualmente.
Tener en cuenta que las señales de mando a una VC pueden ser crecientes o decrecientes, por lo que podemos tener dos stictions y deslizamientos con sus bandas muertas asociadas. La mayoría de las válvulas trabajan con bajas variaciones de carrera y es más difícil responder a escalones de señal pequeños, ya que se pierde sensibilidad.
Partiendo de este ensayo de respuesta dinámica se definieron unos valores aceptables, primero en la recomendación EnTech Spec. y después en la ISA TR 75.25.02. Las especificaciones de compra de clientes e ingenierías los suelen incluir en sus requisiciones, podrían ser los siguientes:
Observemos que los bajos valores de Td, en segundos, indican la exigente calidad de respuesta que se que se pide a una VC, según su tamaño, que como finalmente veremos, se derivan de una excelente construcción mecánica, diferente a unas válvulas manuales o automáticas on-off. (Figuras y datos tomados del libro: Válvulas de Control; Selección y Cálculo -Edición revisada 2026-Colección técnica de ISA-España, Editorial Díaz de Santos)
– Histéresis, es la desviación máxima que se produce en las curvas de caudal abriendo y cerrando haciendo una carrera completa. Si la hay, se puede corregir con el posicionador; es un fenómeno típico en los actuadores que lleven resorte o membrana-resorte, que es el más usado.
-Repetibilidad, es la dispersión máxima en la salida (carrera) cuando se repite la misma señal de entrada. Expresa la capacidad del actuador para producir la misma carrera con la misma señal de mando, abriendo y cerrando la válvula.
-Linealidad-conformity, es la capacidad de la válvula para reproducir fielmente la curva característica, que es la relación carrera- caudal, por tanto la curva inherente de diseño del trim, (closure member).
Histéresis, repetibilidad y linealidad las puede gestionar un buen posicionador,…. si está bien montado mecánicamente y tiene un buen relé neumático.
Todos estos factores que hemos visto dependen claramente de las características mecánicas. Por tanto, el diseño y la construcción de cada parte de las VC deben hacerse teniendo en cuenta que condicionan su comportamiento como instrumento.
Las tolerancias de mecanización, la selección de los aceros inoxidables para construir el trim (obturador, asiento, jaulas de guiado, casquillos guía, vástago/ejes en rotativas…), son fundamentales. Diferentes materiales y dureza entre casquillo guía respecto a la guía del obturador. Superficies pulidas en guiados por jaula. Unión de vástago al obturador con alta rigidez; en algunos casos y tamaños de obturador y vástago serán de una pieza o soldados.
Sistemas anti-giro en el trim para soportar los esfuerzos que se dan en altas presiones diferenciales y tamaños > 6” Perfecta alineación tapa-cuerpo y adecuado apriete de su tornillería, en el montaje y en el mantenimiento. Aplicación de ensayos no destructivos al trim, etc.
Estas recomendaciones serán más importantes cuanto mayor sea la severidad de las condiciones de trabajo, la naturaleza del fluido y sobre todo, si el derrame es crítico, tanto en líquidos como en gases.
Los ruidos, aunque estén por debajo de 85 dB, pueden producir vibraciones mecánicas que, con el tiempo, afecten al guiado del trim. Analizar altas temperaturas, choques térmicos, fluidos con posibles partículas en suspensión, fluidos que precipiten o se adhieran a las paredes de tuberías, etc.
Es en la válvula donde se produce la mayor gestión de energía consecuencia de la estrangulación del caudal, en general de forma variable. Puede ser energía hidráulica en líquidos, con posible cavitación o flash y energía sónica por alta velocidad en gases y vapor.
El actuador recibe la señal a través del posicionado. Este, tiene la importante misión de transformar en movimiento las variaciones de señal de mando procedente del PID adecuadamente sintonizado.
1-Los actuadores de membrana resorte, los más usados, se calculan para cerrar la válvula contra la máxima presión del fluido; definir bien el valor de delta-p shut-off para evitar sobredimensionamientos no necesarios. Según sea el diseño de membrana y gama del resorte, hay que tener en cuenta que su fuerza operativa puede no ser constante a lo largo de su carrera. Olvidar esto puede producir incapacidad para mantener estable posiciones intermedias que demande la señal de control y producirse oscilaciones de carrera por los esfuerzos del fluido sobre el trim. Para evitarlo se elegirán resortes más duros; en definitiva se trata de conseguir una mayor rigidez en el actuador.
2-Los actuadores de pistón, pueden dar más fuerza usando mayor presión alimentación de aire. El aire de instrumentos es seco y la superficie interna del pistón será pulida y las juntas del pistón resistir el deslizamiento sin fricción con aire seco. El sellado inferior del vástago a través de la estopada será muy bueno y requiere vigilancia de mantenimiento y buen criterio en la elección de las estopadas. Las estopadas deben garantizar la mejor estanqueidad en el vástago con la mínima fricción, siempre limpio. Defectuosos aprietes de estopadas pueden producir mucha fricción.
3-Los actuadores eléctricos serán específicamente diseñados en las propiedades del motor para función de control, capaces de recibir órdenes con frecuencia. La calidad mecánica de una actuador eléctrico depende también de la calidad de los materiales husillo/corona que transforman el movimiento y la fuerza sobre el vástago/eje de la válvula, lineal o rotativa.
4- Actuadores Hidráulicos. Son menos usados, pero con lo dicho hasta ahora se les debe exigir un diseño específico para control y un alto nivel constructivo.
No es buena práctica usar actuadores tipo On-Off sobre válvulas de control por el simple hecho de colocar un posicionador y así “creer” que ya son de control.
5-Posicionadores. Es un elemento fundamental. Pueden ser electreumáticos normales, con protocolo HART o digitales puros: Profibus / Fieldbus. El más usado responde a la señal 4-20 mA con protocolo HART. Sus potencialidades y prestaciones han mejorado mucho en cuanto al tratamiento de la señal que reciben del PID y envían al actuador en forma neumática. En los posicionadores electrónicos, tanto el ajuste de la velocidad de operación como su ganancia propia se realizan electrónicamente. Pero hay que cuidar muy bien la rigidez del kit de montaje sobre el actuador del que toman el movimiento del vástago para determinar la señal neumática al actuador, tanto membrana resorte como pistón, simple o doble efecto. Ahora los buenos posicionadores usan tomas de movimiento magnéticas.
El posicionador puede ayudar mucho a la VC pero también puede afectar negativamente a su funcionamiento si no está bien montado mecánicamente o se ha parametrizado mal. Cada posicionador debe ajustarse en su operación y, sobre todo, en su ganancia propia, teniendo en cuenta el tamaño de la válvula, el tamaño y tipo del actuador.
En válvulas a partir de 6-8” importa mucho el caudal de aire a enviar al actuador; evitar, en lo posible, el uso de Boosters-amplificadores de caudal.
“Un posicionador digital no salva a una válvula con fricciones, mal dimensionada o mal seleccionada”
6-La selección del tamaño de válvula y su trim juega un rol importante. Una VC debe trabajar en unos rangos entre (15)-20% y 80% de carrera. Se sabe que la características del trim (señal-caudal) no siempre pueden ser inherentes lineales con el objetivo de que den una ganancia lineal, que sería lo ideal. Las características instaladas se deforman por la influencia de la delta-p del circuito hidráulico respecto. El cociente delta-p válvula/delta-p sistema aguas abajo es conocido como factor de dispersión o autoridad de la válvula- “valve authority”. Esto hace amuchas veces que en zonas de bajos caudales la ganancia es muy variable mientras que con caudales normales o mayores, no lo es. Así la respuesta de la válvula no puede ser buena, produciendo oscilaciones.
Por eso es importante disponer de datos de caudal y delta-p´s bien definidos, en toda la gama de trabajo, para una correcta selección del Cv de la válvula.
7- Rangeabilidad (R); concepto quizá mal entendido y mal aplicado.
La definición más simple: R es la relación entre el caudal(Cv) máx / caudal(Cv) mín controlable. Esta ambigua definición quedó mejor definida con la norma ISA S 75.11.01 que define la Inherent Flow Rangeability como la relación Cv máx / Cv mín dentro de los cuales la desviación de la característica inherente no excede los límites de la Sección-4 de la citada norma. El ensayo para su determinación se hace a delta-p constante según ISA S 75.2 y se comprueba que la curva característica- próxima al cierre, (zonas de Cv min), esté dentro de las tolerancias exigidas por ISA S 75.11.
La rangeabilidad que aparece en los catálogos es la rangeabilidad inherente que determina el fabricante – en banco de pruebas- a delta-p constante. La rangeabilidad real instalada depende de las variaciones de la delta-p de trabajo en cada régimen de caudal. La R depende mucho del diseño del obturador-asiento en zona próxima al cierre. Podemos decir que es una cualidad mecánica que indica la finura para mantener la curva característica cerrando. La R típica de una válvula globo simple asiento es 50:1; hay diseños normalmente rotativos con R 100:1 e incluso se publicitan valores de R= 200:1 y 300:1
A veces se pide una alta rangeabilidad pensando que así la válvula es mejor; analicemos una válvula alternativa con R=50:1 si esperamos trabajar en una zona muy baja de carrera.
El spán de la señal 4-20 mA son 16 mA; 16mA / 50 = 0,32 mA. Si la válvula tiene una carrera de 80 mm tendremos una apertura o carrera de 1,6 mm. que es el 2% de apertura. Habíamos dicho en párrafo 6 que la zona de trabajo y de Cv se elige para estar entre 20% – 80% como término medio de carrera, nunca vamos a trabajar en ese 2%. Pero además la realidad es que la VC trabaja con delta-p´s variables que nos definirán las rangeabilidades instaladas; habría que repetir el análisis con rangeabilidades instaladas, es decir, con delta-p variable. Por tanto se puede asegurar que, en general, cualquier válvula con R= 50:1 cumple con los requisitos de un lazo de control que, para su buena sintonía, pide ganancias lo más estables en toda la zona de trabajo, lejos de sus extremos.
Otra cosa es analizar el rango de cada aplicación que sería el Cv máx de operación posible / Cv mínimo de diseño; a esto se le llama “Turndown”. El Turndown tiene que ver con los requerimientos de operación en cada aplicación, con delta-p y caudales variables, no con la característica de la válvula; es más práctico.
7- Fenómenos físicos en el derrame del fluido por la válvula. La cavitación y el flash son derrames críticos, así como algunos régimen bifásicos a la entrada que llevan implícitos una gran agresividad sobre el trim y en muchos casos sobre el cuerpo, según sea paso recto o angular, FTOpen o FTClose. Hay que valoran mucho las vibraciones asociadas a estos fenómenos que afectan a las tolerancias de los guiados y al funcionamiento del posicionador. En estas aplicaciones es vital seleccionar un buen diseño mecánico con generosidad en los materiales, tolerancias de mecanizado, criterios de diseño del piping, lugar de montaje, tornillerías, verificar velocidad de salida, etc.
Estos aspectos, aquí resumidos, forman parte del contenido que más ampliamente se tratará en el Master de Instrumentación y Control de Procesos que se impartirá en Madrid el próximo Curso 26-27
Información en mic@mastermic.org
