9.- Actuadores

Una válvula de control, cualquiera que sea su tipo, requiere un elemento que convierte la señal procedente del controlador o posicionador en un movimiento de vástago-obturador desde el cierre a la apertura o viceversa. Este elemento se denomina actuador.

La elección de los actuadores depende de factores tales como:

a) ∆_p a través de la válvula.

b) Clasificación del lugar de instalación por presencia de gases/vapores inflamables.

c) Tamaño de la válvula.

d) Tiempo requerido de respuesta.

e) Distancia de la válvula del controlador/posicionado.

f) Mantenimiento.

g) Disponibilidad del elemento motriz para operar dicho actuador.

El tipo más usado por su simplicidad económica, poco mantenimiento, seguro en instalación en áreas peligrosas, relativamente rápido en respuesta, etc., es el denominado de membrana-resorte (figura 7) que utilizan aire como elemento motriz. Tiene la ventaja adicional de tener una posición en caso de fallo de señal o de aire obtenida por el resorte y, por tanto, independiente de disponibilidad de aire de instrumentos.

Otros tipos que también usan aire son los de cilindro o pistón.

Actuadores electricoshidráulicos son asimismo utilizados cuando se requieren grandes esfuerzos y/o velocidades muy altas de respuesta, sobre todo en servicios todo/nada.

10.- Posicionadores

Este accesorio es uno de los más importantes asociados a una válvula de control.

Puede ir de manera independiente (solo posicionador) o integrado con el convertidor intensidad/presión, recibiendo en este caso el nombre de posicionadores electro/neumático.

Originalmente, el clásico posicionador neumático tenía la función esencial de hacer que la carrera de la válvula fuese proporcional a la señal neumática proveniente del controlador y estaba basado en el principio de “equilibrio de fuerzas”. Una fuerza la generaba la presión de aire control sobre un fuelle y la otra la posición de la válvula sobre un muelle. Cuando ambas estaban igualadas, el sistema estaba en equilibrio con el “relé” en posición de regulación. Adicionalmente, el posicionador proporcionaba, en el conjunto del lazo de control, una respuesta más rápida.

Otras funcionalidades posibilitaban la inversión de la respuesta de la válvula a una señal del regulador, haciendo posible que la señal de salida del posicionador se incrementarse al aumentar la emitida por el controlador o viceversa. También se podrá lograr, mediante el uso de una leva, modificar la característica natural de caudal de la válvula al poder cambiar la relación entre la señal recibida por el regulador y la apertura de la válvula. Otra funcionalidad muy interesante, derivada del uso de los posicionadores, es la de posibilitar al fabricante de la válvula el uso de “gamas teóricas” de actuadores diferentes a la clásica “3-15 psi” que pueden mejorar el comportamiento de la válvula y su coste. Obviamente en este último caso, no sería posible el uso de poder “bypasar” el posicionador en funcionamiento normal.

Se suministrarán posicionadores de válvula en las válvulas de control automático de estrangulación en los siguientes casos:

a) Servicios para control de temperatura

b) Válvulas con garantía Venturi, de 3 vías y mariposa

c) Válvulas operadas por controladores de nivel líquido (proporcional + integral).

d) Válvulas de simple asiento mayores de 1”.

e) Válvulas en servicio de rango partido.

f) Temperaturas de trabajo mayores de 230° y 0°C o menores, para tamaños iguales o mayores de 2”.

g) En trabajos de coquización, engomado, pastas o viscosos.

h) Válvulas de 6” o mayores, simples o doble asiento.

i) Válvulas que operan con caídas de presión mayores de 10 kg/cm².

j) Válvulas con más de 10% en peso de evaporación rápida.

k)Válvulas con rango de operación diferentes a 3-15 psig.

11.- Rango partido

El funcionamiento en rango partido (Split-range) (figura 8), también es denominado funcionamiento en cascada. Básicamente consiste en la posibilidad de actuar sobre dos o más válvulas con una misma señal procedente del controlador. La carrera total de cada válvula se consigue con sólo una parte de la señal total, usando los posicionadores como elementos amplificadores adecuadamente ajustados a la estrategia deseada.

Como ejemplo vemos en la tabla I las posiciones que ocupan los obturadores de dos válvulas (ambas de acción aire-cierra), funcionando en rango partido con una señal de entrada a los posicionadores de 3-15 psi:

Aplicaciones típicas para usar el funcionamiento en rango partido las tenemos entre otras en:

a) Servicios donde el rango de caudales a controlar excede la rangeabilidad de una sola válvula. En estos casos se usan dos en paralelo. La más pequeña se selecciona para controlar el caudal mínimo (máximo ∆_p) y la grande para el resto.

b) Sistemas en los que un solo controlador manipula dos válvulas cuyos efectos sobre el sistema son opuestos. (Ejemplo, control de presión de acumuladores donde gases o vapores son venteados o introducidos para mantener la presión adecuada).

c) Sistemas de mezcla (blending) donde se usa las dos válvulas, pero se mantiene el caudal total constante así como la reducción del mismo a través de una válvula causa un incremento a través de la otra.

12.- Manifold en válvulas de control partido

Las válvulas de bloqueo y bypass se instalan alrededor de una válvula de control para poder funcionar cuando la válvula está fuera de servicio por problemas propios o por fallo en la señal de control.

Su coste es alto sobre todo en tamaños grandes, por los que hay que considerar en detalle su instalación y evaluar la alternativa de dotar a la válvula de volante para accionamiento manual en caso de fallo en la señal de control.

Algunas consideraciones a tener en cuenta son:

• El efecto que está válvulas pueden tener sobre la válvula de control.
• La criticidad del servicio donde la válvula de control está instalada.
• El tipo de válvula de control y del TRIM, la facilidad y rapidez de cambio del mismo, la disponibilidad de repuestos etc.
• El programa de paradas de plantas versus posibilidades de fallo de la válvula de control.
• Uso de volantes manuales para fallos de señal de control.
• Usualmente, en válvulas de control de 2” y menores, se instalan casi siempre válvulas de bloqueo y bypass por su bajo coste.

En todo caso, siempre que se usen válvulas de bloqueo y bypass, conviene seguir las siguientes recomendaciones:

• Las válvulas de bloqueo deben ser válvulas de compuerta del mismo tamaño que las válvulas de control o un tamaño menor que la tubería, caso de que la válvula de control sea inferior a la tubería.
• Las válvulas de bypass deben ser una capacidad (C_v) similar a la válvula de control pero no mayor que el doble de dicho C_v. Normalmente, son de tipo globo hasta tamaños de 4” y de compuerta para tamaños mayores.
• En problemas de vaporización y/o cavitación, si usamos válvulas de compuerta en los “bypasses”, el tamaño mínimo debería ser el doble que el de la tubería.

Si existen problemas de ruido hay que considerar también a esa válvula.

13.- Materiales

Los materiales de construcción, es decir, los materiales de los órganos internos así como los del cuerpo de la misma, suelen venir exigidos por el tipo de proceso y las condiciones del mismo. El hierro fundido puede trabajar muy bien con aguas frías, mientras el vapor requiere en general válvulas de acero con guarnición endurecida (normalmente con una dureza mayor de 30 Rockwell C).

Los aceros inoxidables austeníticos, tal como el 316, se utilizan corrientemente para aplicaciones químicas, pero el manejo de la variedad actual de productos químicos exige una amplia gama de aceros inoxidables y materiales exóticos. Normalmente, la mejor selección de los materiales para válvulas procede de la persona que más puede saber sobre el fluido de proceso. En este sentido, los fabricantes de las válvulas suelen fiarse de la opinión del usuario para la selección de materiales y disponen de catálogos detallados que ayudan en este tema.

Un aspecto interesante es la selección de los órganos internos de las válvulas de control es el tema de la erosión.

La erosión es producida por las elevadas caídas de presión, que ocasionan velocidades del fluido, a través del orificio de paso, considerablemente altas y, por tanto, de gran efecto erosivo. Los efectos de la erosión se multiplican en los casos en que existen en el fluido partículas sólidas en suspensión.

Los materiales empleados en estos casos son bien aceros endurecidos o aleaciones no ferrosas de gran dureza.

Los aceros inoxidable AISI 304 y AISI 316 se utilizan con fluidos limpios para caídas de presión de hasta 14 atm., pero no se recomiendan para fluidos que transporte partículas sólidas.

Cuando la caída de presión exceda de 14 atm. se recomienda recubrir el obturador y los asientos, las guías, etc., con Stellite, una aleación a base de cobalto que se suelda sobre las piezas de AISI 316.

Si la superficie a recubrir es considerable, se recomienda el empleo de Colmonoy 6, que se utiliza en forma de polvo y se suelda sobre el acero inoxidable con un soplete oxiacetilénico. El Colmonoy es una aleación a base de níquel con propiedades anticorrosivas similares al Inconel.

Otras veces, en vez de una un recubrimiento, se utilizan piezas sólidas de Stellite, 17-4PH  o 440C.

El 17-4PH es una cero endurecido por tratamiento que, además de presentar buenas propiedades antierosivas, resulta adecuado para la mayoría de los servicios corrosivos.

El 440C es un acero aleado con un alto contenido en carbono que, tratado térmicamente, puede alcanzar durezas muy elevadas. Es muy adecuado para partes internas de válvulas utilizadas con líquidos que arrastran partículas sólidas. Es extremadamente difícil de trabajar; por eso, muchos fabricantes no lo utilizan y, en general, todos se muestran reacios a suministrar válvulas de 440C de más de tres pulgadas, ya que sólo las fabrican cuando pueden ser mecanizadas a partir de redondos.

En la Tabla II se indican las propiedades esenciales de estos materiales. La caída de presión máxima en la fila 4 corresponde a los fluidos limpios, que no arrastran partículas erosivas.

La elección se ha de hacer considerando a la vez la propiedades antierosivas y la resistencia a la corrosión por el fluido que vaya a manejar la válvula.

En casos extremos de fluidos que transporta sustancias abrasivas con caídas de presión elevadas se utiliza carburo de tungsteno, que tienes excepcionales propiedades antierosivas. El carburo de cromo también tiene gran resistencia a la erosión y, además, muy buenas propiedades anticorrosivas.

Otro problema importante es el de decidir si basta con recubrir de Stellite o Colmonoy las superficies en contacto del obturador y los asientos o hay que recurrirlos por completo (o bien construirlos de 440C, 17-4PH, Stellite, etc.).

La Tabla III da una guía para los dos casos extremos (todo o nada y estrangulación), que a la vez son los más corrientes. Para otros casos se deben buscar soluciones intermedias basadas en la experiencia.

 Julio Rivas

Petronor, S.A.

(3ª de 4 partes)