Curso válvulas vol2

Curso de
Válvulas
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Curso de Válvulas - Volumen 2
Manual de Formación para Profesionales
Vol. 2
EDITA:
Cuñado, S.A. (Grupo Cuñado)
DIRECCIÓN Y COORDINACIÓN:
Cuñado, S.A. (Grupo Cuñado)
AUTOR DE LOS TEXTOS:
J. López Pérez
DISEÑO E IMPRESIÓN:
Lova Consultoría Estratégica S.L.
Depósito Legal: M-2543-2016
Reservados todos los derechos ©Cuñado, S.A. Prohibida la
reproducción total o parcial de la obra, sin la debida autorización.
GRUPO CUÑADO
003
CURSO DE VÁLVULAS VOLÚMENES 1 Y 2
Para facilitar la lectura, el curso de Válvulas cuenta con dos volúmenes.
En el Volumen 1 podemos encontrar información sobre Instalaciones industriales, Sistemas
de tuberías, Tipos de válvulas, Descripción de una válvula, Normalización y Materiales. También
veremos al detalle las Válvulas de compuerta, Válvulas de globo y Válvulas de retención.
En el Volumen 2 describimos las Válvulas de mariposa, Válvulas de bola, Válvulas de macho,
Válvulas de manguito, Válvulas de membrana, Válvulas de seguridad, Válvulas de control,
Válvulas para servicios especiales y Actuadores.
¡Buena lectura!
004
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
005
Curso
de Válvulas
Contenido Volumen 1
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Instalaciones industriales
Sistemas de tuberías (piping)
Tipos de válvulas
Descripción de una válvula
Normalización
Materiales
Válvulas de compuerta
Válvulas de globo
Válvulas de retención 13
21
37
47
59
71
83
97
109
Contenido Volumen 2
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
Lección
006
VÁLVULAS
10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Válvulas de mariposa
Válvulas de bola Válvulas de macho Válvulas de manguito Válvulas de membrana Válvulas de seguridad Válvulas de control Válvulas para servicios especiales
Actuadores
9
21
33
49
61
73
83
105
139
GRUPO CUÑADO
007
VÁLVULAS DE MARIPOSA
008
VÁLVULAS
Introducción
10
10.1 Características
11
10.2 Operación
12
10.3 Clasificación
13
10.4 Descripción
14
10.5 Posición del vástago
15
10.5.1
Concéntrico
15
10.5.2
Excéntrico
15
10.5.3
De doble excentricidad
16
10.5.4
De triple excentricidad
16
10.6 El asiento
18
10.6.1
De anillo elástico
18
10.6.2
Asiento metal-metal
18
10.7 Conexiones
19
10.7.1
Tipo wafer
19
10.7.2
Tipo lug
19
10.7.3
Con doble brida
19
GRUPO CUÑADO
009
10.1
CARACTERÍSTICAS
Las Válvulas de Mariposa (Butterfly Valves) están constituidas por un cuerpo de forma
circular, en cuyo interior un disco solidariamente unido a un eje de giro central hace de
obturador. La forma del obturador es lo que da origen a su nombre.
Son válvulas compactas y ofrecen ciertas ventajas, especialmente en tamaños grandes,
comparadas con las clásicas de Compuerta o Bola.
VENTAJAS
INTRODUCCIÓN
El uso de las Válvulas de Mariposa válidas tanto para servicios de todo o nada como de
regulación, están adquiriendo cada vez mayor auge en la industria, sustituyendo a las de
compuerta o bola, gracias a las ventajas que ofrecen en coste, dimensiones, sencillez de
diseño, etc.
Son muy versátiles y se fabrican en una amplia gama de tamaños y materiales. Muy utilizadas,
sobre todo en grandes tamaños, en redes de distribución de agua.
•
•
•
•
•
•
•
Necesitan menos espacio que cualquier otra válvula.
Bajo coste.
Excelentes características de flujo.
Estanqueidad total, especialmente en las de asiento resiliente.
Muy baja pérdida de carga.
Bajo mantenimiento.
Poco nivel de ruido.
DESVENTAJAS
• Lentitud de respuesta.
• Requieren un alto par de maniobra, por lo que en grandes tamaños suelen ir provistas de
reductor de engranajes.
Válvula cerrada
010
VÁLVULAS
Válvula abierta
GRUPO CUÑADO
011
10.2
OPERACIÓN
10.3
CLASIFICACIÓN
Las válvulas de mariposa son del tipo de cuarto de vuelta. Al accionar el mando, el
obturador, o mariposa, gira alrededor de su eje central produciendo la apertura o cierre
de la válvula.
En función, básicamente, de la geometría y características de algunos de sus elementos
constituyentes, pueden establecerse las siguientes clasificaciones de las válvulas de mariposa:
BASE DE CLASIFICACIÓN
POSICIÓN
DEL VÁSTAGO
TIPOS DE VÁLVULAS
Concéntrico
Excéntrico
De doble excentricidad
Cerrada
De triple excentricidad
Abierta
Asiento paralelo
Asiento inclinado
Son válvulas, generalmente, del tipo bidireccional.
ASIENTO
Las válvulas de mariposa de pequeños tamaños suelen ser accionadas por medio de una
palanca, generalmente provista de trinquete para fijarla en la posición deseada.
En tamaños mayores, van provistas de un volante de accionamiento, por lo general, con
reductor de engranajes, para facilitar la operación.
Es frecuente el suministro de válvulas de mariposa con el vástago terminado en cuadradillo
y un soporte para que el usuario instale en él el tipo de accionamiento que desee.
Cuando se desea una operación automática se utilizan actuadores, generalmente eléctricos
o neumáticos.
012
VÁLVULAS
Anillo elástico
Metal - metal
CONEXIONES
Tipo wafer
Tipo lug
Por bridas
GRUPO CUÑADO
013
10.4
DESCRIPCIÓN
10.5
POSICIÓN DEL VÁSTAGO
De entre la gran variedad de válvulas de mariposa existente en el mercado, se ha
seleccionado, como ejemplo, una de tipo de triple excentricidad y asiento paralelo, con
asiento por anillo elástico, y con soporte para accionamiento:
Dependiendo de la posición relativa del vástago o eje de giro con respecto a los ejes
geométricos de la válvula, se distinguen cuatro tipos de válvulas de mariposa:
Tornillos de fijación
del accionamiento
Soporte del
accionamiento
Vástago
Tornillos de fijación
del soporte
Concéntrica
Excéntrica
Doble excentricidad
Triple excentricidad
Brida del prensaestopas
Cuerpo
10.5.1 CONCÉNTRICO
Disco
Asiento
Cuando en una válvula de mariposa el eje del vástago coincide con el
del disco, se dice de ella que es concéntrica, o de vástago centrado.
El disco gira alrededor del eje central de la válvula, lo que permite una
rotación potencial de 360º. El cierre se consigue mediante la deformación
del asiento flexible, como consecuencia de la fricción con el disco.
Tornillos de fijación
del disco
10.5.2 EXCÉNTRICO
En las válvulas de vástago excéntrico, también llamadas “tipo offset”, el vástago de la
válvula se encuentra desplazado con respecto al eje del disco.
Esta disposición aumenta la eficiencia del sellado con respecto a las válvulas de tipo de
obturador concéntrico.
014
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
015
10.5.3 DE DOBLE EXCENTRICIDAD
En estas válvulas, llamadas “tipo double offset”, el vástago de la válvula se encuentra
desplazado, no solo con respecto al eje del disco, sino también con relación al eje de la tubería
conectada a la válvula.
Debido a esta 2ª excentricidad, el disco, en estas válvulas no presenta una geometría
simétrica, como en el caso de válvulas concéntricas o de simple excentricidad, sino que una
de las alas del disco es mayor que la otra.
Las válvulas de doble excentricidad presentan ciertas ventajas sobre las concéntricas o las
excéntricas:
Por otra parte, esta excentricidad produce una superficie de asiento de forma elíptica en
vez de circular, lo que reduce la abrasión del asiento.
1ª Excentricidad
Cono de contacto
Centro
del vástago
2ª Excentricidad
• Permite la expansión térmica.
• El doble desplazamiento del eje produce que el disco se
separe del asiento al principio del movimiento de apertura,
lo que disminuye la fricción y, en consecuencia, permite
pares de accionamiento más reducidos. Esto implica,
además, un cierre seguro y prácticamente libre de desgaste.
Vástago
Elipse de
asiento
Ángulo de contacto 30º-45º
•E
n el caso de asiento resiliente, o laminado, se produce un efecto de “cuña” que flexiona el
anillo de sellado, reaccionando como un muelle, lo que produce una presión uniforme a lo
largo de toda la circunferencia y, en consecuencia una estanqueidad prácticamente total.
•A
mplio rango de aplicación, desde servicio criogénico
hasta elevadas temperaturas.
3ª Excentricidad
Eje de la válvula
y tubería
• Sellado uniforme a lo largo de todo el anillo de asiento.
• Fricción muy reducida entre el disco y el asiento.
Ángulo
de contacto
10º-15º
Asiento
Dentro de la gama de fabricación de válvulas de mariposa de triple excentricidad, se ha
desarrollado un tipo específico que permite su utilización bajo condiciones extremas de servicio,
con excelentes rendimientos, alto grado de estanqueidad y vida muy prolongada. Este tipo
presenta la particularidad de que el plano formado por el asiento está inclinado con respecto
a las caras de la válvula, lo que les proporciona una estanqueidad excepcionalmente elevada.
Este tipo de válvulas se conocen como válvulas de asiento inclinado y presentan las
siguientes particularidades:
Disco
2ª Excentricidad
• Aunque pueden ir provistas de asiento resiliente, normalmente son de asiento metal-metal o asiento
laminado metal/grafito, a fin de ser aptas para servicios de altas presiones y temperaturas.
•L
a geometría de su asiento permite un movimiento del disco sin agarrotamientos, incluso
con altos diferenciales de temperaturas y bajo alta presión.
1ª Excentricidad
10.5.4 DE TRIPLE EXCENTRICIDAD
En estas válvulas, también llamadas de “tipo triple offset”, la 3ª excentricidad se refiere
a la geometría de los componentes del sellado y no a la posición del vástago.
En ellas, la superficie interior del asiento forma una superficie cónica cuyo eje está desplazado
angularmente con respecto al eje de la válvula.
Además de las ventajas de las válvulas de doble excentricidad, la geometría de triple
excentricidad implica un desgaste mínimo debido a que el disco contacta con el asiento del
cuerpo únicamente al final de la operación de cierre.
016
VÁLVULAS
• Bajo par de operación.
•P
osibilidad de sentido bi-direccional del flujo, si bien se indica un
sentido preferencial.
• Estanqueidad total.
• S uelen ser válvulas de grandes tamaños por lo que deben operarse
mediante reductor de engranajes y volante, o actuador.
• Sellado uniforme a lo largo de todo el anillo de asiento.
GRUPO CUÑADO
017
10.6
EL ASIENTO
10.7
CONEXIONES
En función del material empleado para la fabricación del anillo de asiento, las válvulas de
mariposa pueden ser:
Debido al poco espesor que normalmente tienen las válvulas de mariposa, en la práctica,
solo se fabrican con tres tipos de uniones a la tubería a la que van conectadas:
10.6.1 DE ANILLO ELÁSTICO
En este tipo de válvulas, el interior del cuerpo va revestido por un anillo de material elástico
(elastómero), que impide el contacto del fluido circulante con el cuerpo de la válvula.
La mariposa, al ser accionada, asienta contra este anillo, lográndose un cierre estanco.
El elastómero se extiende sobre las caras de la válvula, haciendo, de este modo, además, de
junta entre ella y las bridas de la línea.
10.7.1 TIPO WAFER
Este tipo de válvulas presenta un cuerpo cilíndrico
que se instala entre las bridas de la línea, que se unen
entre sí mediante pernos pasantes. Normalmente, el
cuerpo va provisto de cuatro orejetas para el centrado
de la válvula.
Esta solución es la más económica y la más utilizada.
El uso de este tipo de válvulas viene limitado por las condiciones de presión y temperatura
del medio circulante.
10.7.2 TIPO LUG
En éstas el cuerpo presenta una serie de orejetas
que coinciden con los taladros de las bridas a las que
van acopladas. Las orejetas van roscadas con el mismo
tipo de rosca que los pernos correspondientes.
10.6.2 ASIENTO METAL-METAL
En las válvulas de asiento metal-metal, no existe el recubrimiento de elastómero. Se utilizan
cuando han de soportar altas presiones o temperaturas. Pueden ser de cierre no estanco, o
de cierre estanco. Estas últimas son de las que presentan algún tipo de excentricidad entre
el disco y el asiento.
10.7.3 CON DOBLE BRIDA
Las válvulas de mariposa con doble brida son
similares a las clásicas válvulas bridadas. Han de ir
provistas de bridas de la misma clase que las de la
línea a las que van acopladas.
Estas válvulas pueden utilizarse en servicios de
mayor presión que los dos tipos anteriores. Son muy
utilizadas en grandes conducciones de líquidos.
018
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
019
VÁLVULAS DE BOLA
020
VÁLVULAS
Introducción
22
11.1 Características
23
11.2 Operación
24
11.3 Clasificación
25
11.4 Descripción
26
11.5 Área de paso
27
11.5.1 Paso total
27
11.5.2 Paso reducido
27
11.6 Guiado de la bola
28
11.6.1 Bola flotante
28
11.6.2 Bola guiada (Trunnion)
28
11.7 Cuerpo
29
11.7.1 De una pieza
29
11.7.2 De dos piezas
29
11.7.3 De tres piezas
29
11.7.4 Con tapa
29
11.8 Número de vías
30
11.8.1 Tres vías
30
11.8.2 Cuatro vías
30
11.9 Válvulas de doble bloqueo y purga
31
GRUPO CUÑADO
021
11.1
CARACTERÍSTICAS
Las válvulas de bola son del tipo bidireccional y de cuarto de vuelta.
Sustituyen frecuentemente a las de compuerta, sobre las que presentan ciertas ventajas.
Estas ventajas son muy parecidas a las que ofrecen las válvulas de mariposa, excepto que estas
últimas son de menor volumen y peso, debido a la forma de disco de su cuerpo.
VENTAJAS
INTRODUCCIÓN
Las válvulas de bola (ball valves), también llamadas de esfera, son muy similares a las de
mariposa, de las que básicamente se distinguen en el obturador. Mientras el elemento de cierre
en las de mariposa está constituido por un disco, en las de bola es una pieza esférica taladrada
que asienta sobre anillos de perfil esférico, lo que proporciona una presión uniforme sobre
ellos. Estos asientos pueden ser de metal o resilientes, normalmente teflón natural o reforzado.
Otra diferencia importante es que mientras que el cuerpo de las válvulas de mariposa es de
una geometría similar a un disco, el de las de bola presenta una geometría de mayor volumen,
con una mayor distancia entre caras.
A diferencia de las de mariposa, las válvulas de bola solo se utilizan en servicios “de todo
o nada”, no siendo recomendables para control de caudal.
• Mayores capacidades de flujo.
• Permiten un paso del fluido recto y uniforme, especialmente en las de paso total, por lo
que es el tipo de válvulas que menor pérdida de carga presenta.
• Buena estanqueidad.
• Rapidez de maniobra.
DESVENTAJAS
• Limitación de temperatura debido a los asientos de material plástico.
• En general, es preciso desmontar la válvula de la línea para mantenimiento.
• Algunos fluidos pueden quedar atrapados en la válvula, en posición de cerrada, dañando
la válvula.
• Por su rápida acción de apertura, puede producirse un súbito aumento de presión, que
puede dañar a los equipos situados aguas abajo.
La distancia entre caras de una válvula de bola es idéntica a la de una válvula de compuerta
del mismo diámetro nominal y la misma Clase. En la siguiente figura se representan, a la misma
escala una válvula de compuerta y otra de bola, ambas de 4” y 150Lb.
Como las de compuerta, tienen una muy amplia aplicación en toda clase de industrias. Se
fabrican en una gran variedad de modelos, los más importantes de los cuales serán descritos
a lo largo de esta lección.
022
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
023
11.2
OPERACIÓN
11.3
CLASIFICACIÓN
Las válvulas de bola son muy similares a las de mariposa en lo que respecta a su forma
de operar. El obturador consiste en una esfera taladrada de forma que, al ser accionada la
válvula, presenta al paso del fluido su parte sólida (válvula cerrada) o su parte taladrada (válvula
abierta). Pero, aunque, como en el caso de las de mariposa, puede mantenerse en posición
de semiabierta, no es recomendable, por lo que las válvulas de bola se utilizan, básicamente,
en servicios de todo o nada.
Las válvulas de bola admiten una amplia variedad de clasificaciones, en función de las
bases que se tomen en consideración.
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
ÁREA DE PASO
Paso total
Paso reducido
Totalmente 50% Totalmente
abierta
abierta cerrada
Sello del vástago
Vástago
Fluido
GUIADO
DE LA BOLA
Bola
De bola flotante
De bola guiada
Área de paso del fluido
Asientos
CUERPO
Las válvulas de bola son también muy similares a las de
mariposa en lo que respecta a los tipos de accionamiento
utilizados.
Dos piezas
Tres piezas
• PALANCA
La palanca, o la manilla son, prácticamente los únicos mandos
utilizados en tamaños pequeños o medianos. La orientación de
la palanca indica la posición de abierta o cerrada de la válvula.
• VOLANTE
Es el más utilizado para tamaños a partir de 8”, pero
normalmente se utiliza auxiliado por un reductor de engranajes
a fin de reducir el esfuerzo necesario para su accionamiento.
Una pieza
Con tapa
NÚMERO DE VÍAS
De dos vías
De tres vías
De cuatro vías
• ACTUADOR
Es muy frecuente el uso de actuadores eléctricos, neumáticos
o hidráulicos, a fin de eliminar el esfuerzo de accionamiento
manual, o para automatizar la válvula.
OTROS TIPOS
DE VÁLVULAS
Válvulas de
doble bloqueo y purga
También se usa, en ocasiones a fin de evitar el golpe de
ariete que puede producirse al cerrar en forma muy rápida la
válvula mediante palanca.
024
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
025
11.4
DESCRIPCIÓN
11.5
ÁREA DE PASO
Dentro de la amplia variedad existente de válvulas de bola, se ha seleccionado uno de los
modelos más típicos, para mostrar sus componentes principales:
El obturador de las válvulas de bola consiste en una esfera provista de un orificio que
permite el paso del fluido en posición de válvula abierta. Estas válvulas se fabrican, según el
área de paso del fluido a válvula abierta, en dos tipos básicos:
La válvula representada es una válvula de bola flotante, paso total, cuerpo de tres piezas,
acceso lateral a la bola, extremos con bridas y accionamiento por palanca.
También se incluye un detalle de la zona de sellado de una válvula de bola.
11.5.1 PASO TOTAL
En las válvulas de paso total (full bore), el orificio de paso de la bola coincide con el
diámetro interior de la tubería conectada. Se utilizan cuando es importante una pérdida
de carga mínima, o se requiere un flujo sin turbulencias, como ocurre en las conexiones a
instrumentos de medición.
Palanca
Vástago
Tapa superior
Bola
Anillos de asiento
Tapa inferior
Cuerpo
11.5.2 PASO REDUCIDO
En las válvulas de paso reducido (reduced bore), el orificio de paso de la bola es inferior
al diámetro interior de la tubería. Son más económicas que las de paso total, y son utilizadas
principalmente en pequeños tamaños.
Dentro de este grupo de válvulas, es frecuente distinguir, dependiendo del grado de reducción
del área de paso, entre paso reducido normal, de área de paso entre 60% y 80% y de paso
tipo venturi de, aproximadamente un 40%.
Brida del prensaestopas
Prensaestopas
Guía superior del vástago
Empaquetadura de Teflón
Guía inferior del vástago
Anillo de empuje de Teflón
Vástago
026
VÁLVULAS
Tornillo de fijación de la bola
Bola
GRUPO CUÑADO
027
11.6
GUIADO DE LA BOLA
11.7
CUERPO
El obturador, o bola, gira 90º arrastrada por el vástago, situando su orificio alineado con
el flujo, en posición de válvula abierta, o en forma perpendicular, a válvula cerrada. En este
último caso, la bola se ve sometida al empuje debido a la presión del fluido. La manera de
soportar o transmitir este empuje, viene determinada por la forma de guiado o soportación
de la bola.
La forma del cuerpo de una válvula de bola está íntimamente ligada a la facilidad de
desmontaje de la misma para la sustitución de sus elementos de cierre, bola y asientos, ya
que el vástago se desmonta por el alojamiento de la empaquetadura.
De acuerdo con este criterio, puede establecerse la siguiente clasificación:
11.7.1 DE UNA PIEZA
11.6.1 BOLA FLOTANTE
En este tipo de válvulas, el extremo del vástago encaja en una ranura (slot) tallada en la
parte superior de la bola de forma que permite su desplazamiento hacia el asiento situado
aguas abajo, transmitiendo a éste el esfuerzo debido a la presión del fluido.
Es el diseño más utilizado en pequeños tamaños y para bajas presiones.
Las válvulas con cuerpo de una sola pieza (monoblock)
son, normalmente, de pequeña dimensión y paso
reducido. Ofrecen la ventaja de ser totalmente estancas
al no existir elementos de unión entre piezas.
Los elementos de obturación son desmontados por uno de los extremos de la válvula - acceso
por un extremo (end entry) -, para lo que se requiere su desmontaje de la línea. Frecuentemente
son de paso reducido, lo que facilita esta operación, al ser la bola de menor tamaño.
11.7.2 DE DOS PIEZAS
El cuerpo de las válvulas de cuerpo partido (Split
body) está formado por dos piezas longitudinales
unidas mediante tornillos o mediante rosca.
11.6.2 BOLA GUIADA (TRUNNION)
La bola va provista de dos muñones (trunnions), superior e inferior, alojados en dos soportes
en el cuerpo. En posición de válvula cerrada, la bola transmite el empuje al cuerpo a través
de los muñones, aliviando la fricción entre la bola y el asiento, y permitiendo un bajo par de
accionamiento. La estanqueidad en bajas presiones se suele asegurar por medio de muelles.
Este tipo de válvulas es muy utilizado en tamaños mayores y para presiones más elevadas
que las de bola flotante.
Este tipo de construcción permite un fácil acceso
a sus internos para trabajos de mantenimiento, mediante la separación de ambas piezas acceso lateral (side entry) -. En cualquier caso, para ello es preciso también, desmontar la
válvula de la línea a la que va acoplada.
11.7.3 DE TRES PIEZAS
En este tipo de válvulas también es posible desmontar
fácilmente sus elementos internos, ya que éstos están
situados en el cuerpo central - acceso lateral (side
entry) -. En cualquier caso también se requiere, para
ello, el desmontaje de la válvula de la línea a la que
va acoplada.
Bola
Soporte del
Trunnion
Trunnion
Cuerpo
Tapa inferior
Detalle del Trunnion inferior
028
VÁLVULAS
11.7.4 CON TAPA
Las válvulas de cuerpo con tapa (covered body), van cubiertas por
su parte superior, por una tapa atornillada al cuerpo. El desmontaje
de esta tapa permite el acceso a los internos - acceso superior (top
entry) - sin necesidad de desmontar la válvula de la línea.
GRUPO CUÑADO
029
11.8
NÚMERO DE VÍAS
11.9
VÁLVULAS DE DOBLE BLOQUEO Y PURGA
Las válvulas normales de bola, como las que se han venido mostrando a lo largo de esta
lección, son consideradas como de dos vías, ya que presentan una sola entrada del fluido y
una sola salida. Pero, aunque de uso menos frecuente, cabe mencionar otros modelos, de tres
e incluso cuatro vías:
Este tipo de válvulas, aunque bien pudiera haberse incluido en la lección correspondiente
a las Válvulas para servicios especiales, hemos decidido incluirlo en esta lección de Válvulas
de bola, por utilizar, generalmente este tipo de obturadores en su versión más comercializada.
11.8.1 TRES VÍAS
Las válvulas de tres vías permiten la interconexión entre tres tramos de tuberías confluyentes
en la válvula. Para ello, disponen de tres bocas, y la bola presenta dos perforaciones
perpendiculares. Según la forma de taladrado de la bola, se habla de disposición en “T” o
en “L”. En la primera, la bola presenta un taladrado diametral y otro radial perpendicular al
anterior. La bola en “L”, en cambio, solo presenta dos perforaciones radiales a 90º.
Válvulas de bloqueo
Válvula de purga
Estas disposiciones permiten cambiar la entrada y salida del fluido entre
las tres bocas.
Posibilidades de configuración en válvulas de bola de tres vías
Una salida
Cuando se requiere aislar totalmente los fluidos existentes aguas arriba y aguas abajo de
una válvula se deben utilizar dos válvulas de bloqueo y una intermedia de purga, tal como se
representa en la siguiente figura:
Las válvulas de doble bloqueo y purga, también llamadas DBB (Double block and bleed
valves), fueron ideadas para sustituir estas tres válvulas por una sola. Estas válvulas incluyen,
en un solo cuerpo, dos válvulas de bloqueo y una de purga situada entre las dos de bloqueo.
Dos salidas Válvula cerrada
Bola en “L”
La configuración más utilizada consiste en dos válvulas de bola para bloqueo y una de aguja,
o también de bola, para purga, incorporadas en un solo cuerpo.
Bola en “T”
11.8.2 CUATRO VÍAS
El cuerpo de las válvulas de bola de cuatro vías presenta cuatro bocas y la bola va taladrada
diametralmente en dos direcciones perpendiculares. Esta disposición permite una amplia selección
de posibilidades de circulación del fluido a través de la válvula. El cierre de la válvula se consigue
situando la palanca en una posición intermedia,
Posibilidades de configuración
en la que las cuatro bocas permanecen cerradas.
en válvulas de bola de cuatro vías
Aunque son válvulas de uso poco frecuente,
son bastante utilizadas en tomas de muestras
funcionando como un by-pass sin afectar la presión
del sistema mientras se extrae la muestra.
Paso en “L”
Paso en “T”
Paso en “X”
030
VÁLVULAS
Paso recto
El uso de este tipo de válvulas facilita, por ejemplo,
el desmontaje de un equipo sin riesgo de contaminación.
Son muy utilizadas para conexiones de instrumentos
a equipos, alimentación a calderas, terminales de
estaciones de bombeo o de carga en refinerías de
petróleo, etc. Un ejemplo de utilización se muestra en
la figura incluida a continuación, en la que se muestra
la disposición que facilita el desmontaje de una válvula
de seguridad, aislándola del equipo a proteger y del
colector de escapes mediante dos válvulas de doble
bloqueo y purga.
Válvula DBB
Válvula de
seguridad
Colector de escape
Válvula DBB
GRUPO CUÑADO
031
VÁLVULAS DE MACHO
Introducción
12.1 Características
12.2 Operación
12.3 Clasificación
12.4 Descripción
12.5 El macho
12.5.1 Macho standard
12.5.2 Macho invertido
12.6 Lubricación
12.6.1 Lubricadas
12.6.2 No lubricadas
12.7 Área de paso
12.7.1 Paso total
12.7.2 Paso reducido
12.8 Número de vías
12.8.1 Tres vías
12.8.2 Cuatro vías
12.9 Otros tipos de válvulas
12.9.1 Válvulas de presión equilibrada
12.9.2 Válvulas de doble bloqueo
12.9.3 Válvulas de doble asiento expandible
032
VÁLVULAS
34
35
36
37
38
39
39
39
40
40
41
42
42
42
43
43
43
44
44
45
46
GRUPO CUÑADO
033
12.1
CARACTERÍSTICAS
Las válvulas de macho son, en todo, muy similares a las de bola. Son, como aquellas,
válvulas compactas, lo que implica bajo coste inicial y de mantenimiento. Son también de
tipo bidireccional.
Sus ventajas y desventajas son, en general, las mismas que se indicaban en la lección anterior.
En cuanto a sus principales diferencias con las válvulas de bola, cabe mencionar:
• Las válvulas de macho, aunque son de baja pérdida de carga, no lo son tanto como las de
bola de paso total, ya que no pueden presentar un paso totalmente circular y homogéneo,
como éstas.
INTRODUCCIÓN
Las válvulas de macho (plug valves), también llamadas “de tapón”, pertenecen, como
las de bola y las de mariposa, al grupo de válvulas denominadas “de un cuarto de vuelta”.
Su diseño es muy simple y similar al de las válvulas de bola, de las que básicamente se
diferencian en la forma del obturador, que en las de macho es de forma troncocónica en vez de
esférica. Su estructura está constituida por tres piezas básicas: el cuerpo, la tapa y el macho
o tapón (plug). El macho lleva un orificio llamado puerto (port), normalmente de sección
rectangular, que permite el paso del fluido en posición de válvula abierta.
•D
ebido a la forma del obturador, en forma de cuña cónica, estas válvulas tienen más
tendencia al agarrotamiento que las de bola, por lo que suelen precisar de algún tipo de
lubricación.
• El macho, en su acción de arrastre al girar, se limpia de materias extrañas que hayan
podido quedar depositadas en la parte expuesta al fluido, cuando están cerradas.
Se utilizan principalmente en servicios de “todo o nada”, aunque en ocasiones también
se usan para regulación, en cuyo caso, el macho gira menos de 90º, de forma que presenta
su puerto al paso del fluido en forma parcial. Tanto su accionamiento (palanca, volante con
reductor y actuador) como su forma de conexión a la línea (extremos roscados o para soldar,
o bridas), son similares a los empleados en las válvulas de bola.
Las válvulas de macho son muy versátiles y su uso está muy extendido en todo tipo de
industrias, incluyendo conducciones petrolíferas, industria química, generación de energía, etc.
Pueden vehicular, en forma segura, gases, líquidos e
incluso sólidos en suspensión, y, en ciertos casos, fluidos
en muy severas condiciones de presión y temperatura.
Por su capacidad para manejar fluidos con sólidos en
suspensión, son muy usadas en sistemas de depuración
de aguas.
Este tipo de válvulas ha sido usado desde la
antigüedad, como lo prueba el hecho de que se
ha descubierto que eran usadas en los sistemas de
conducción de agua del antiguo imperio romano.
034
VÁLVULAS
Válvula de macho
Válvula de bola
Válvula de macho del Siglo I, bronce
GRUPO CUÑADO
035
12.2
OPERACIÓN
12.3
CLASIFICACIÓN
Las válvulas de macho se operan, mediante giro de 90º del macho obturador. Por tanto, son
válvulas del tipo cuarto de vuelta.
Las válvulas de bola admiten una amplia variedad de clasificaciones, en función de las
bases que se tomen en consideración.
Pueden ser accionadas por medio de los dispositivos típicos, es decir:
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
MACHO
Standard
• ACCIONAMIENTO POR PALANCA
La palanca, o la manilla son, prácticamente los únicos mandos
utilizados en tamaños pequeños o medianos. La orientación de
la palanca indica la posición de abierta o cerrada de la válvula.
Invertido
LUBRICACIÓN
Lubricadas
No lubricadas
• ACCIONAMIENTO POR VOLANTE
El volante es el accionamiento manual más utilizado en
tamaños a partir de 8”, pero normalmente se utiliza auxiliado
por un reductor de engranajes a fin de reducir el esfuerzo
necesario para su accionamiento.
Rectangular
ÁREA
DE PASO
Paso total
Circular
Paso reducido
Tipo Venturi
Normal
• ACCIONAMIENTO POR ACTUADOR
NÚMERO
DE VÍAS
Es muy frecuente el uso de actuadores eléctricos, neumáticos
o hidráulicos, a fin de eliminar el esfuerzo de accionamiento
manual, o para automatizar la válvula. También se usa, en
ocasiones a fin de evitar el golpe de ariete que puede producirse
al cerrar en forma muy rápida la válvula mediante palanca.
De tres vías
De cuatro vías
OTROS TIPOS
DE VÁLVULAS
• EN CUADRADILLO
Además de los accionamientos citados, es frecuente el
suministro de válvulas con su extremo mecanizado en forma
de cuadradillo para acoplar a él cualquier accionamiento de
los anteriores.
036
VÁLVULAS
De dos vías
De presión equilibrada
De doble bloqueo
De doble asiento expansible
GRUPO CUÑADO
037
12.4
DESCRIPCIÓN
12.5
EL MACHO
La variedad de tipos de válvulas de macho es muy amplia. Como ejemplo, se ha incluido
el esquema de una válvula de dos vías, con macho tipo standard lubricado, asiento metalmetal, extremos con bridas y soporte de accionamiento.
El obturador de estas válvulas tiene forma troncocónica con una ventana, generalmente
de forma rectangular que, cuando está situada frente a las bocas de la válvula, permite el
paso del fluido.
Soporte de accionamiento
Brida del prensaestopas
Prensaestopas
Cuerpo
Macho
Tapa
Empaquetadura
12.5.1 MACHO STANDARD
En este tipo de válvulas, el vástago va unido al macho por su cara mayor. El problema que
presentan es que existe el peligro de bloqueo del macho, especialmente en el caso de válvulas
no lubricadas con asiento metal-metal.
12.5.2 MACHO INVERTIDO
La denominación “de macho invertido” (inverted plug) se debe a que, al contrario que
en las válvulas de tipo normal, el macho va instalado con su base mayor en la parte inferior,
estando el vástago unido a la cara menor del macho.
038
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
039
12.6
LUBRICACIÓN
Inicialmente las válvulas de macho se fabricaban con asientos metal-metal, sin lubricación.
Ello provocaba frecuentemente problemas de bloqueo o agarrotamiento del macho, produciendo
un elevado esfuerzo de torsión en la maniobra de apertura o cierre. Este sistema se continúa
usando actualmente, pero los problemas mencionados limitan su utilidad.
Para evitarlo, actualmente, es más frecuente el uso de machos lubricados, o no lubricados,
pero revestidos con un manguito de baja fricción (generalmente teflón). Existe otro tipo, de
bastante utilización, que se conoce como válvulas de presión equilibrada, en las que el par
necesario para su accionamiento se reduce considerablemente.
12.6.2 NO LUBRICADAS
En las válvulas con asiento metal-metal no lubricadas, el riesgo de bloqueo es máximo,
por lo que este tipo de válvulas prácticamente no se utiliza, o se limita a servicios de poca
exigencia en cuanto a condiciones de presión y temperatura.
Para evitar este riesgo de bloqueo, otra solución diferente de la lubricación, consiste en evitar
el contacto metal-metal, revistiendo el macho, o el interior del cuerpo, con un manguito de
material elastómero, normalmente Teflón. Ello, además de reducir considerablemente el par
de accionamiento, proporciona una estanqueidad total, sin necesidad del uso de fluido sellante.
12.6.1 LUBRICADAS
En las válvulas con macho lubricado, la posibilidad de bloqueo del macho se evita mediante
la inyección de una película de fluido sellante (lubricante) que, además de minimizar las fugas,
evita la penetración de suciedad en el área de asiento. Este sistema obliga a tener presente
las características del fluido vehiculado, ya que puede resultar contaminado por el lubricante.
La inyección del lubricante se lleva a cabo por medio de boquillas de inyección, o a través
del eje del vástago, hasta el macho, donde se envía, a través de ranuras de sellado por las
que se distribuye el fluido de lubricación, lo que, además de proporcionar el engrase necesario
para evitar su bloqueo, produce el efecto de sellado entre el macho y el cuerpo de la válvula.
En la parte inferior del cuerpo, por debajo del macho, existe un espacio, llamado cámara de
sellado en la que se deposita el lubricante, lo que, además de impedir en esa zona la formación
de bolsas de producto, mantiene al macho soportado por la presión del fluido de sellado,
ayudando así a disminuir el par de operación.
Manguito
de Teflón
Estas válvulas también suelen ir provistas de una válvula de retención, consistente en una
pequeña bola situada en el conducto de inyección del lubricante, para evitar el retorno del mismo.
Inyección de lubricante
Vástago
Prensaestopas
Diafragma
Ranuras de lubricación
Válvula de retención
Tapa
Empaquetadura
Ranuras de lubricación
Macho
Cuerpo
040
VÁLVULAS
Cámara de sellado
GRUPO CUÑADO
041
12.7
ÁREA DE PASO
12.8
NÚMERO DE VÍAS
El área de paso de una válvula de macho viene determinado por el puerto o abertura de la
ventana del macho. De acuerdo con este criterio, se pueden definir los siguientes tipos:
Las válvulas standard de macho son de dos vías, que son las que presentan una entrada y
una salida del fluido, y a este grupo pertenecen todas las descritas anteriormente.
12.7.1 PASO TOTAL
Pero como ocurre con las válvulas de bola, en las de macho también existe la posibilidad
de disponer de válvulas de más de dos vías.
Cuando se requiere limitar la pérdida de carga a través de la válvula, conviene disponer de
una sección de paso equivalente, en superficie, a la de la tubería. Esto significa paso total
(full bore) y puede conseguirse con dos configuraciones diferentes de la ventana del macho:
PASO TOTAL RECTANGULAR
El puerto es de sección aproximadamente rectangular y su área corresponde
al de las bocas circulares de la válvula. Su pérdida de carga es mínima.
12.8.1 TRES VÍAS
En las válvulas de tres vías es posible dirigir la circulación del fluido mediante la utilización
de un macho con paso a 90º - configuración en “L” - o de un macho con paso a 90º y a 180º
- configuración en “T”.
La transición entre el perfil circular de las bocas y el rectangular del puerto
es suave a fin de evitar alteraciones bruscas que puedan ocasionar variaciones
excesivas en la regularidad o velocidad del fluido.
PASO TOTAL CIRCULAR
En estas válvulas, el puerto, en lugar de rectangular, es circular y del mismo
diámetro que el interior de la tubería. Ello, además de implicar una pérdida
de carga prácticamente nula, permite el paso de rascadores de tuberías (pigs)
en oleoductos.
Configuración en “L”
Configuración en “T”
12.8.2 CUATRO VÍAS
12.7.2 PASO REDUCIDO
Dentro del grupo de válvulas de macho de paso reducido (reduced bore), y dependiendo
del grado de reducción del orificio de paso, se pueden diferenciar tres tipos diferentes:
PASO TIPO VENTURI
El puerto es de sección reducida, pero el cambio de sección a través del
cuerpo de la válvula se lleva a cabo con un diseño tal que se produce un efecto
venturi que produce un gran porcentaje de recuperación de la velocidad del
fluido e implica una pérdida de carga relativamente baja.
En las de válvulas de cuatro vías, el macho puede presentar cuatro configuraciones diferentes:
en “L”, en “T”, en “I” y en “X”, estas últimas llamadas también “de doble paso”.
Configuración en “L”
Configuración en “T”
El orden de paso suele ser del orden del 40% del área total de la tubería.
PASO REDUCIDO NORMAL
Aunque el estrangulamiento es más brusco que en las de tipo venturi, este
diseño permite reducir la distancia entre caras de la válvula a fin de que sea
similar a la de una válvula de compuerta del mismo tamaño.
Configuración en “I” Configuración en “X”
Su área de paso es aproximadamente el 60% del área total de la tubería.
042
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
043
12.9
OTROS TIPOS DE VÁLVULAS
Los tipos de válvulas de macho descritas en los apartados anteriores son los de uso más común.
Pero existen en el mercado otros modelos especiales de uso para ciertos servicios particulares.
Entre ellos, destacamos los siguientes:
12.9.1 VÁLVULAS DE PRESIÓN EQUILIBRADA
El agarrotamiento o bloqueo del macho es un fenómeno muy corriente en las válvulas de
macho convencionales, especialmente cuando se trata de manejar fluidos de elevadas presiones
de trabajo, o de presiones pulsantes. Ello es debido al desequilibrio de las fuerzas que actúan
sobre las caras del macho como se observa en la FIGURA 1.
12.9.2 VÁLVULAS DE DOBLE BLOQUEO
En la lección 11 nos referíamos a un tipo de válvulas llamado de doble bloqueo y purga
(DBB valve), destinadas a aislar totalmente los fluidos existentes aguas arriba y aguas abajo
sustituyendo dos válvulas de bloqueo por una sola.
Cuando se requiere una válvula DBB de mayor tamaño, o para ciertas condiciones de trabajo,
que aconsejen el uso de una válvula de macho se recurre al uso de una válvula de macho de
doble bloqueo (double isolation plug valve). Estas válvulas suelen tener la misma distancia
entre caras de bridas que una válvula sencilla.
Inyección de
líquido sellante
Para evitar este problema, se utilizan las válvulas de presión equilibrada (balanced
pressure valves).
Estas válvulas son, normalmente, del tipo de macho invertido. En ellas, a fin de evitar el
riesgo mencionado de bloqueo debido a la presión del fluido, el macho va provisto de dos taladros
practicados en sus caras superior e inferior, lo que equilibra la presión existente en ambas caras.
El taladro de la cara inferior es simplemente un orificio pasante, mientras el de la cara superior va
provisto de una bola que actúa como una válvula de retención. En la FIGURA 2 se aprecia el efecto
mencionado de equilibrio de presiones en las caras internas y externas de una válvula de este tipo.
Purga
Inyección de
lubricante
Detalle
Válvula de retención
Un ejemplo típico de la aplicación de este tipo de válvulas se presenta en las estaciones de
compresión de un sistema de transporte de gas natural, como se muestra en las siguientes figuras:
Configuración usando válvulas de bola
FIGURA 1
FIGURA 2
Normalmente, estas válvulas suelen estar también provistas de conexiones para inyección
de grasa lubricante, para facilitar el accionamiento del macho.
Compresor
Purga
Purga
Configuración usando válvulas de macho
de doble aislamiento
Válvula
primaria
Punto de
drenaje
Válvula de
respaldo
Compresor
044
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
045
12.9.3 VÁLVULAS DE DOBLE ASIENTO EXPANDIBLE
Una variante de las válvulas DBB, es la válvula de doble asiento expandible (twin seal
valve). En estas válvulas, el macho va provisto de dos piezas deslizantes (slips) a la entrada
y a la salida, que bloquean alternativamente ambas bocas. El interior de la válvula se drena
por medio de una pequeña válvula de purga. En servicio de líquidos, deben llevar, además, un
sistema de alivio de sobrepresión por expansión térmica.
En el esquema incluido a continuación se describe su forma de operar.
Válvula abierta
Los asientos elásticos (A) están
fijados a los slips (B), los cuales
están montados sobre el macho.
1
B
Indicador de posición
Accionamiento
2
Vástago
Tapa superior
A
Válvula cerrando
Durante el giro del macho,
se mantiene una separación
entre el macho y el cuerpo de la
válvula, facilitando el movimiento
y evitando una posible abrasión
del cuerpo.
Sistema de purga
Macho
Cuerpo
3
Expansión de los slips
Cuando el macho ha girado 90º,
empieza a descender, obligando
a los slips a comprimirse contra el
cuerpo, logrando un cierre eficaz.
4
Válvula cerrada
Los slips están completamente
expandidos, logrando un cierre
metal-metal efectivo.
Slips
Tapa inferior
La válvula se drena mediante su
sistema de drenaje incorporado.
046
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
047
VÁLVULAS DE MANGUITO
048
VÁLVULAS
Introducción
50
13.1 Características
51
13.2 Operación
52
13.3 Clasificación
53
13.4 Descripción
54
13.5 El cuerpo
55
13.5.1 Bastidor abierto
55
13.5.2 Cuerpo cerrado
55
13.6 El manguito
56
13.7 Pinzado
57
13.7.1 Acción simple
57
13.7.2 Acción doble
57
13.8 Válvulas neumáticas
58
GRUPO CUÑADO
049
13.1
CARACTERÍSTICAS
Las válvulas de manguito son del tipo “multivueltas”. Son adecuadas tanto para servicio
de todo o nada como para regulación. Este tipo de válvulas puede ser considerado como
verdaderas válvulas de control manuales.
VENTAJAS
INTRODUCCIÓN
Una válvula de manguito (pinch valve) está constituida, básicamente, por un tubo – manguito
- de caucho u otro material elastómero y un cuerpo o armazón metálico en el que se incluye
un mecanismo de pinzado del manguito. Este mecanismo consiste, generalmente, en una o
dos varillas metálicas que, al ser accionadas por un volante o por un actuador, estrangulan, en
mayor o menor grado, el paso del fluido a través del manguito elástico.
El diseño de este tipo de válvulas es el más simple de todos los existentes. Por ello es una
válvula de bajo coste, tanto inicial como de mantenimiento.
Su utilización está particularmente indicada en el manejo de líquidos con sólidos en suspensión
o, incluso, en sistemas de transporte neumático de sólidos. Igualmente, y como consecuencia
del total aislamiento de las partes metálicas de la válvula y el fluido, también encuentran una
excelente aplicación en el manejo de líquidos corrosivos o contaminantes.
• Bajo coste ya que su diseño es muy simple, pues se limita a cuerpo, manguito y actuador.
• No necesitan juntas de unión para las bridas, ya que el manguito se extiende por las caras
de las bridas, haciendo de junta.
• Paso recto y laminar, incluso en servicio de regulación, con lo que no se producen daños
debidos a turbulencias.
• Nula pérdida de carga en posición de totalmente abierta.
• Estanqueidad total, ya que no llevan empaquetaduras.
• La única operación de mantenimiento requerida es el cambio de manguito.
• Poco nivel de ruido.
DESVENTAJAS
• No válidas para elevadas presiones o temperaturas.
• Dificultad para cerrar al 100%.
• El rango efectivo de regulación se sitúa, normalmente, entre el 10% y el 95% del flujo
nominal.
• El elastómero va perdiendo sus propiedades resistivas en el tiempo en contacto con fluidos
corrosivos.
• El límite de fatiga del manguito debe estar dentro del número de aperturas y cierres
previstos para la válvula.
Válvula abierta
050
VÁLVULAS
Válvula cerrada
GRUPO CUÑADO
051
13.2
OPERACIÓN
13.3
CLASIFICACIÓN
La operación de una válvula de manguito es muy simple. Se basa en estrangular el manguito
de elastómero mediante un accionamiento que actúa sobre un vástago que, a su vez acciona
unas barras de pinzado, abriendo o cerrando el paso del fluido. La operación puede llevarse
a cabo, bien mediante cierre total de la válvula, o por estrangulamiento parcial, ya que este
tipo de válvulas pueden utilizarse en servicios de regulación de caudal.
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
CUERPO
Abierto
Cerrado
MANGUITO
Standard
Cónico
De paso reducido
Las válvulas de manguito de accionamiento manual, al ser del tipo multivueltas, van provistas
de un volante. Este tipo de válvulas no requiere un gran esfuerzo para su accionamiento, por
lo que no es frecuente que se requiera el auxilio de un reductor de engranajes.
PINZADO
Acción simple
Acción doble
OTROS TIPOS
DE VÁLVULAS
Neumáticas
Es frecuente su automatización mediante la incorporación de actuadores neumáticos,
hidráulicos o eléctricos. De esta forma pueden funcionar como válvulas de control.
Eléctrico
052
VÁLVULAS
Neumático
Hidráulico
GRUPO CUÑADO
053
13.4
DESCRIPCIÓN
13.5
EL CUERPO
Como ejemplo, se incluye la nomenclatura de piezas constituyentes de una válvula de
manguito, de cuerpo cerrado, acción doble y accionamiento por volante.
La clasificación más general que puede hacerse en cuanto a la estructura del cuerpo, se
basa en el hecho de si los elementos internos de la válvula están encerrados en un cuerpo
de protección o, si por el contrario resultan accesibles sin necesidad de desmontar el cuerpo de
la válvula.
Volante
Engrasador
Casquillo
Vástago
Tuercas de ajuste
Indicador de posición
Casquillo central
13.5.1 BASTIDOR ABIERTO
Siendo el manguito y sus mecanismos de pinzado y de accionamiento las únicas partes
internas de estas válvulas, no se requiere, normalmente, para mantenerlas en posición, más
que un bastidor metálico.
Este tipo de válvulas, llamadas de bastidor abierto (open frame), que es el más simple y
económico, presenta la ventaja de que el manguito es totalmente visible en todos sus grados
de apertura o cierre.
Barra superior de pinzado
Husillo
Cuerpo
Guía
Manguito
Barra inferior de pinzado
Casquillos laterales
Tapón
13.5.2 CUERPO CERRADO
Las válvulas de cuerpo cerrado (enclosed body) van provistas de un cuerpo de protección,
normalmente metálico, formado por dos mitades unidas por tornillos y tuercas fácilmente
desmontables. Este cuerpo no necesita tener unas elevadas condiciones mecánicas ya que no
está sometido a esfuerzos.
Se utilizan cuando se requiere proteger al manguito y mecanismo de pinzado de la intemperie.
054
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
055
13.6
EL MANGUITO
13.7
PINZADO
El manguito (sleeve) es la pieza básica de estas válvulas y la que da nombre a estas válvulas.
Es una pieza elástica fabricada en material elastómero, normalmente reforzado con tejido
poliéster o nylon. La elección del material debe hacerse en función de las características y
condiciones del fluido o materiales a vehicular.
La forma de cerrar el paso del fluido a través de la válvula se lleva a cabo mediante un
pinzamiento del manguito. Dependiendo de la forma en que se realiza el pinzamiento, se
distinguen dos tipos de válvulas:
Los materiales más utilizados en la fabricación de manguitos son:
CAUCHO
BUTILO
NEOPRENO
VITÓN
EPDM
BUNA N 13.7.1 ACCIÓN SIMPLE
HYPALÓN TEFLÓN
Los extremos del manguito están formados por dos coronas circulares que, en caso necesario,
van taladradas para permitir el paso de los pernos de unión a las bridas de la tubería, ya que
actúan como juntas de unión. Para ello, estas coronas están respaldadas por placas metálicas
que forman parte del cuerpo o bastidor de la válvula, y que actúan como bridas de unión.
En este caso, una pieza metálica comprime la parte superior del manguito por su parte
central, hasta que ésta hace contacto con la parte inferior del manguito, el cual, a su vez,
apoya contra el fondo metálico del bastidor o del cuerpo de la válvula, provocando de esta
forma el cierre de la válvula.
Chapas de sujeción para
barra de pinzado superior
Chapas de sujeción para
barra de pinzado inferior
13.7.2 ACCIÓN DOBLE
El interior del manguito puede presentar diversas geometrías, dependiendo del tipo de
paso deseado:
En el caso de válvulas de acción doble, un mecanismo hace descender una varilla que oprime
el manguito por su parte superior al tiempo que asciende otra varilla que lo oprime por su
parte inferior, hasta producir el estrangulamiento del manguito.
• MANGUITO STANDARD
En el manguito standard, o recto, el interior es cilíndrico y en él, el
área de paso del fluido coincide con el de la tubería. El flujo permanece
uniforme y de régimen laminar, incluso en posición de regulación de flujo.
Este tipo presenta como ventajas sobre el de acción simple un flujo más homogéneo y una
menor deformación del manguito.
• MANGUITO CÓNICO
En éstos manguitos el interior presenta un perfil cónico. Son especialmente
recomendados para servicios de regulación, ya que con él se logra un control
muy ajustado del paso del fluido. El espesor del elastómero es mayor aguas
abajo, a fin de proporcionar mejor resistencia al desgaste.
• DE PASO REDUCIDO
Los manguitos de paso reducido presentan una reducción del paso en
su parte central, pero a diferencia de los cónicos vuelven a presentar un
paso de tamaño completo en el extremo de salida. Este tipo de manguitos
está siendo reemplazado últimamente por los de tipo cónico.
056
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
057
13.8
VÁLVULAS NEUMÁTICAS
Existe un modelo de válvulas de manguito, menos frecuente, en el cual la compresión del
manguito se lleva a cabo insuflando aire comprimido en el cuerpo de la válvula. En estas
válvulas puede decirse que la cavidad anular existente entre el manguito y el cuerpo hace las
veces de actuador.
Obviamente este tipo de válvulas solo pueden ser del tipo de cuerpo cerrado.
Aire
Válvula abierta
058
VÁLVULAS
Válvula cerrada
GRUPO CUÑADO
059
VÁLVULAS DE MEMBRANA
060
VÁLVULAS
Introducción
62
14.1Características
63
14.2Operación
64
14.2.1Manual
64
14.2.2Automática
65
14.3 Clasificación
66
14.4Descripción
66
14.5 El cuerpo
67
14.5.1 Paso recto
67
14.5.2 De vertedero
67
14.6 El diafragma
68
14.6.1 Para paso recto
68
14.6.2 Para tipo vertedero
68
14.7 Otros tipos de válvulas
69
14.7.1 Con revestimiento interno
69
14.7.2Termoplásticas
70
GRUPO CUÑADO
061
14.1
CARACTERÍSTICAS
Las válvulas de membrana presentan características similares, en cierto modo, a las de
Manguito.
Son del tipo multivueltas y se utilizan no solo para cierre, sino también para regulación,
ya que la geometría de su cuerpo permite una pérdida de carga reducida. Como ocurre con
las válvulas de manguito, pertenecen al tipo denominado “sin empaquetadura”.
VENTAJAS
INTRODUCCIÓN
Las válvulas de membrana, son también llamadas “de diafragma” (diaphragm valves) debido
a la forma de su elemento de cierre. También se conocen como válvulas tipo “Saunders” en
homenaje a P. K. Saunders, inventor de estas válvulas en 1928.
Están formadas por tres elementos básicos: el cuerpo, la membrana y la tapa, aunque ésta
última, a su vez, suele estar formada por un conjunto de piezas, que forman los elementos
móviles de la válvula.
El elemento característico de estas válvulas y que da origen a su nombre es una membrana
de material flexible, aprisionada entre la tapa y el cuerpo de la válvula, que al ser actuada
por un empujador, o compresor (compressor), restringe, en mayor o menor grado el paso
del fluido, llegando hasta el cierre total, cuando la membrana entra en contacto con la parte
inferior del cuerpo.
El aislamiento total de las partes móviles con respecto al fluido circulante, debido a la presencia
de la membrana, es la razón por la que este tipo de válvulas esté plenamente recomendado
para ser usado en medios corrosivos o erosivos, así como en servicios en los que se requiera
ausencia de posibles contaminaciones, como es el caso de la industria farmacéutica. Asimismo,
y como consecuencia de su total estanqueidad, son muy utilizadas en servicios de vacío.
•D
ada la geometría interna de su cuerpo, estas válvulas permiten un flujo laminar y sin
turbulencias.
• Muy recomendable para manejo de fluidos con sólidos en suspensión.
• Estanqueidad total.
• Muy bajo coste de mantenimiento, ya que el diafragma tiene una larga vida. El fluido no
puede dañar elementos de la válvula.
• Pueden ser instaladas en cualquier posición, horizontal, vertical o inclinada, e incluso en
posición invertida, aunque esta última no se recomienda.
• Su uso supone un considerable ahorro al poder sustituir, en ciertos servicios muy corrosivos,
el uso de válvulas fabricadas en materiales sofisticados y costosos por otras de hierro
fundido con un adecuado revestimiento.
DESVENTAJAS
•
•
•
•
Uso limitado para elevadas presiones o temperaturas.
Pobres características de flujo.
El elastómero va perdiendo sus propiedades en el tiempo, en contacto con fluidos corrosivos.
El límite de fatiga de la membrana debe estar dentro del número de aperturas y cierres
previstos para la válvula.
Válvula abierta
062
VÁLVULAS
Válvula cerrada
GRUPO CUÑADO
063
14.2
OPERACIÓN
Son válvulas del tipo multivueltas. Su operación es muy similar a la de una válvula de
manguito. La diferencia esencial consiste en que el elemento de obturación, en lugar de ser un
manguito cilíndrico es una membrana sujeta a la parte superior del interior del cuerpo, la cual,
al ser empujada por un compresor, presiona contra la parte inferior del cuerpo, produciendo
el cierre de la válvula.
14.2.2 AUTOMÁTICA
Como en el caso de las válvulas de manguito, la operación puede llevarse a cabo, bien
mediante cierre total de la válvula, o en forma parcial, ya que este tipo de válvulas pueden
utilizarse en servicios de regulación de caudal.
Como ocurre con otras válvulas de control, en ocasiones, la válvula de membrana de
accionamiento automático va provista también de un volante para poder ser operada en forma
manual.
Abierta
En regulación
En este tipo de válvulas, la operación automática suele utilizarse en servicios de regulación de
flujo. Para ello van provistas de un actuador, generalmente neumático, o, menos frecuentemente,
eléctrico o hidráulico.
Cerrada
La operación de estas válvulas puede ser, como en general, manual o automática.
Válvula con
actuador neumático
14.2.1 MANUAL
Válvula con accionamiento
automático y manual
El accionamiento manual de estas válvulas se suele llevar a cabo por medio de volante o,
en el caso muy frecuente de válvulas de pequeño tamaño, mediante un pomo.
Cuando son actuadas por medio de volante, son, en general de volante fijo y vástago
ascendente, por lo que el grado de apertura se determina por la longitud de vástago visible.
Las actuadas por pomo suelen ir provistas de un faldón de color diferente cuya parte visible
indica el grado de apertura.
Indicador de
grado de apertura
064
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
065
14.3
CLASIFICACIÓN
14.5
EL CUERPO
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
CUERPO
Paso recto
De vertedero
La clasificación de válvulas de membrana en función de la forma del cuerpo, se basa en la
geometría interna que presenta el mismo y, en particular su parte inferior. Así, se distinguen
dos tipos de válvulas:
14.5.1 PASO RECTO
En las válvulas de paso recto, el interior del cuerpo ofrece un perfil recto, sin alteraciones.
DIAFRAGMA
Para paso recto
Para tipo vertedero
OTROS TIPOS
DE VÁLVULAS
En la operación de cierre, el compresor oprime el diafragma contra el fondo de la válvula.
La pérdida de carga en este tipo de válvulas es mínima, debido a que el fluido no experimenta
cambios de dirección.
Revestidas
Termoplásticas
14.4
DESCRIPCIÓN
Membrana
Membrana
Abierta
Cerrada
14.5.2 DE VERTEDERO
Válvula tipo vertedero, de cuerpo sin revestimiento y con accionamiento manual, por volante.
En las válvulas tipo vertedero, el cuerpo presenta un perfil ondulado, en vez del clásico perfil
recto. Ello se debe a que la parte central de la superficie inferior muestra una protuberancia
(weir), que sirve de asiento a la membrana en posición de válvula cerrada. Esto permite que
la deformación de la membrana sea mínima.
Vástago
Volante
Casquillo
Pasador de fijación
Empujador
Tapa
Diafragma
Cuerpo
Este tipo de válvulas presenta el inconveniente de que el flujo no es totalmente recto,
sino ondulado. Por ello, este tipo de válvulas se conoce, también, como de paso ondulado.
En cualquier caso, aunque la pérdida de carga en estas válvulas es mayor que en las de paso
recto, tampoco es elevada, dada la ausencia de cambios bruscos de dirección.
Vertedero
Vertedero
066
VÁLVULAS
Membrana
Membrana
Abierta
Cerrada
GRUPO CUÑADO
067
14.6
EL DIAFRAGMA
14.7
OTROS TIPOS DE VÁLVULAS
La membrana, o diafragma (diaphragm) se fabrica en una amplia variedad de materiales,
tales como:
La particularidad de las válvulas de membrana es el total aislamiento de su trim y el
fluido circulante, como ocurre con las válvulas de manguito. Por ello, ambos tipos de válvulas
resultan idóneas para el manejo de fluidos corrosivos y son muy empleadas en las industrias
químicas y similares.
CAUCHO NATURAL
HYPALON
EPDM
BUTILO VITONSILICONA
NITRILO TEFLONHNBR
NEOPRENOPOLIURETANO
Pero, a diferencia de las válvulas de manguito, en las de membrana, el fluido sí está en
contacto con el cuerpo de la válvula, y en el caso de válvulas de cuerpo metálico, pueden no
ser adecuadas para el servicio con fluidos corrosivos.
Por esta razón es frecuente el uso de otros tipos de válvulas de membrana, como son:
14.7.1 CON REVESTIMIENTO INTERNO
Diafragma
de caucho
Diafragma
de Teflón
La membrana ha de tener flexibilidad suficiente para poder deformarse en función del grado
de apertura de la válvula:
Las dimensiones y geometría del diafragma dependen del tipo de cuerpo en la que vaya instalado.
14.6.1 PARA PASO RECTO
En el caso de válvulas de paso recto, al ser
mayor la distancia entre la parte superior del cuerpo
de la válvula, en la que va sujeta la membrana, y
el fondo de la válvula, donde debe asentar en el
caso de válvula cerrada, la membrana ha de ser de
tamaño suficiente para poder alcanzar ese punto
de asiento, o tener gran flexibilidad para adoptar
la deformación requerida.
14.6.2 PARA TIPO VERTEDERO
En cambio, cuando se trata de válvulas con
vertedero, la distancia antes mencionada se reduce,
por la altura del vertedero y, en consecuencia, la
membrana puede tener menor tamaño, o ser menos
flexible, porque sufre una menor deformación.
068
VÁLVULAS
Estas son válvulas de cuerpo metálico, pero cuyo interior está revestido de un material en
cierto modo de características similar al de la membrana, evitando así el contacto del fluido
con el metal del cuerpo.
Los materiales de revestimiento más utilizados son:
CAUCHO
VITRIFICADOSPLÁSTICOS
Caucho duro (ebonita)
Vidrio (halar)
Polipropileno
Caucho blando (butilo)
Etil tetrafluoretileno
Teflón
Membrana
Revestimiento
Cuerpo
Válvula con revestimiento
de Teflón
GRUPO CUÑADO
069
14.7.2 TERMOPLÁSTICAS
Aparte del uso de materiales metálicos, si las características del fluido requieren un tipo
de material resistente a la corrosión, como alternativa al revestimiento interior del cuerpo,
pueden utilizarse válidos para el servicio requerido. En este caso, lo más común es el uso de
materiales termoplásticos.
Aunque las válvulas termoplásticas se comercializan en muchos de los tipos de válvulas
descritos en este curso, se hace especial mención de las de membrana, por ser éstas de muy
amplia utilización en la industria.
El material termoplástico está formado por resinas sintéticas (polímeros). Se conocen como
materiales termoplásticos porque son moldeados por inyección o extruidos bajo presión y
temperatura.
Los más utilizados para la fabricación de válvulas son:
• PVC (Cloruro de polivinilo)
El PVC es el más económico y el más utilizado.
Soporta temperaturas entre 0 y 60ºC.
• CPVC (PVC clorado)
Similar al PVC pero algo más dúctil y más
resistente a las altas temperaturas.
Su rango está entre 0 y 95ºC.
• PP (Polipropileno)
Es un material ligero de peso y con buenas
propiedades mecánicas.
No es válido para productos clorados.
Soporta temperaturas entre –20 y 90ºC
Válvula de CPVC
Válvula de PP
• PVDF (Fluoruro de polivinilideno)
El PVDF es superior a otros termoplásticos en resistencia química y a la abrasión.
Amplio rango de temperaturas (de –40 a 120ºC).
• Teflón, o PTFE (Politetrafluoroetileno)
Es casi totalmente insoluble y químicamente inerte.
También tiene amplia utilización como material del diafragma.
070
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
071
VÁLVULAS DE SEGURIDAD
072
VÁLVULAS
Introducción
74
15.1 Normas de seguridad
75
15.2 Operación
76
15.3 Clasificación
77
15.4 Descripción
77
15.5 Apertura
78
15.5.1 Instantánea
78
15.5.2 Progresiva
78
15.6 Acción
79
15.6.1 Directa
79
15.6.2 Indirecta
79
15.7 Escape
80
15.7.1 Libre
80
15.7.2 Conducido
81
GRUPO CUÑADO
073
15.1
NORMAS DE SEGURIDAD
Toda instalación industrial está provista de dispositivos electrónicos, neumáticos o hidráulicos
que controlan las variables del fluido tales como presión, temperatura y caudal. Esos dispositivos
requieren una fuente de energía de algún tipo, tales como electricidad o aire comprimido.
Pero una válvula de seguridad es capaz de operar en todo momento, incluso en caso de fallo
de energía, cuando los sistemas de control no pueden operar. La única fuente de energía que
necesita una válvula de seguridad es el fluido de proceso.
INTRODUCCIÓN
En general, las válvulas pueden ser accionadas en forma manual o automática. Pero existe un
tercer grupo, al cual ya hemos visto pertenecen las válvulas de retención, que son accionadas
por el propio fluido. Las válvulas de seguridad (safety valves) pertenecen a esta categoría.
La misión de estas válvulas consiste en proteger el sistema en el que se encuentran instaladas,
de una eventual elevación anormal de la presión de trabajo, por causas imprevistas (error de
operación, situaciones anómalas de servicio, emergencias, etc.), o por una elevación excesiva
de la temperatura ocasionada por fallos en la operación o por un incendio, ya que ello suele
ocasionar, igualmente, una elevación de la presión del sistema.
Las válvulas de seguridad, por su propia índole están obligadas a cumplir estrictamente con
las Normas de Seguridad aplicables en cada caso. Como garantía de seguridad, van provistas
de un mecanismo de precintado del elemento que regula la presión de tarado, a fin de impedir
una manipulación no autorizada de este elemento.
Estas válvulas deben ser totalmente desmontadas e inspeccionadas periódicamente para
asegurar que todas sus piezas permanecen en perfectas condiciones de uso, y que están libres
de suciedades e impurezas que puedan afectar su funcionamiento. Además, debe comprobarse
que se produce su disparo a la presión de tarado, la cual nunca debe sobrepasar la presión
de diseño ni la máxima de servicio de la instalación protegida.
Aunque estas válvulas son del tipo de accionamiento automático, es conveniente que vayan
provistas de una palanca de apertura manual, que posibilite una descarga a presión inferior a
la de tarado. Ello permite la comprobación eventual del correcto funcionamiento de la válvula.
Deberá evitarse, en lo posible, instalar una válvula de cierre entre el equipo o sistema a
proteger y la válvula de seguridad. Cuando sea preciso, a fin de tener la posibilidad de acceder
a una válvula de seguridad para su mantenimiento sin tener que interrumpir el servicio al que está
conectada, se instalan en paralelo dos o más válvulas de seguridad, con sus correspondientes
válvulas de bloqueo. En este caso se requiere que la o las válvulas que permanezcan en servicio
deben disponer de la capacidad total de descarga necesaria para proteger la instalación por sí
mismas. Por otra parte, en este tipo de instalación, se requiere un sistema de enclavamiento
que impida el bloqueo simultáneo de más de una válvula.
Precintado
074
VÁLVULAS
Palanca de
accionamiento
GRUPO CUÑADO
075
15.2
OPERACIÓN
15.3
CLASIFICACIÓN
La operación de una válvula de seguridad se produce de un modo automático, accionada
por la propia presión del fluido.
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
APERTURA
Instantánea
Al producirse una sobrepresión excesiva, el propio fluido actúa sobre los dispositivos de
apertura de la válvula, lo que produce una liberación de cierto caudal del fluido, hasta
restablecerse una presión dentro de límites admisibles.
Progresiva
ACCIÓN
Al disminuir la presión por efecto de la evacuación de fluido producida, la válvula vuelve a
cerrar a una presión ligeramente inferior a la de tarado quedando en disposición de volver a
actuar ante una nueva situación de sobrepresión.
Indirecta
El tipo más corriente funciona como una válvula de globo (normalmente de ángulo) en la
que el disco de cierre se mantiene presionado contra el asiento por medio de un muelle.
Las válvulas de seguridad deben ir conectadas al equipo a proteger por medio de una
conexión lo más corta posible, sin estrechamientos y con una sección de paso, como mínimo,
igual al área neta de entrada de la válvula, a fin de lograr una mínima pérdida de carga entre
el equipo y la válvula.
Un ejemplo de la forma de operación se muestra en las siguientes figuras: El recipiente a
presión “R” debe mantenerse a una presión inferior a 10 Kg/cm2, para proteger el recipiente
se instala una válvula de seguridad tarada a dicha presión. En la FIGURA 1 el manómetro
indica una presión de 6 Kg/cm2 y la válvula de seguridad se mantiene cerrada. En la FIGURA 2
el manómetro indica que la presión ha subido hasta 10 Kg/cm2 lo que provoca la apertura de
la válvula, liberando fluido hasta restablecerse la presión inicial.
Directa
ESCAPE
Libre
Conducido
15.4
DESCRIPCIÓN
Dentro de las múltiples variantes existentes en válvulas de seguridad, para su descripción
se ha elegido una válvula típica, de apertura instantánea y acción directa.
Caperuza
Tuerca de fijación
Biela
Tornillo de ajuste
Palanca
Tapa
Arandela del resorte
Resorte
Vástago
Venteo de la tapa
Arandela del resorte
Guía del vástago
Casquillo del vástago
FIGURA 1
FIGURA 2
Anillo soporte del disco
Cuerpo
076
VÁLVULAS
Tubo eductor
Disco
Anillo de ajuste
Tobera
GRUPO CUÑADO
077
15.5
APERTURA
La apertura de la válvula, al producirse un aumento de presión superior al admisible puede ser:
15.5.1 INSTANTÁNEA
Las válvulas de seguridad de apertura instantánea (pop action), se suelen identificar
mediante las siglas SV (Safety Valve) o PSV (Pressure Safety Valve).
Este tipo de válvulas suele utilizarse en servicios de gases compresibles.
Al separarse de su asiento, el disco de cierre presenta al fluido una
superficie mayor, lo que provoca un fuerte aumento de la fuerza
resultante causando una brusca separación del disco y su asiento,
produciéndose una repentina evacuación del fluido.
Una variedad de este tipo de válvulas es la válvula de seguridad
de vacío, o VSV (Vacuum Safety Valve), que protege al recipiente al
que va acoplada de un descenso de su presión mínima de diseño.
15.5.2 PROGRESIVA
Las válvulas de apertura progresiva, o de alivio se identifican por las siglas RV (Relief Valve)
o PRV (Pressure Relief Valve). Su evacuación se produce de forma gradual y proporcionalmente
al incremento de presión.
Las válvulas de alivio se emplean, normalmente, en servicios de fluidos no compresibles
(líquidos) a diferencia de las de apertura instantánea, comúnmente utilizadas para fluidos
compresibles (gases y vapores).
Una variedad de este tipo de válvulas son las de “alivio térmico”, o TRV (termal relief
valves). Estas se utilizan para prevenir un aumento de presión en el caso de un incremento
excesivo de la temperatura del fluido.
15.6
ACCIÓN
La clasificación de válvulas de seguridad según su “acción”, se basa en la forma de producirse
su apertura: si se produce directamente por el fluido (acción directa), o a través de la acción
intermedia de una válvula piloto (acción indirecta).
15.6.1 DIRECTA
Las válvulas de seguridad de acción directa son las válvulas
convencionales de seguridad, en las que, al alcanzarse una presión
prefijada de tarado, su obturador se abre automáticamente debido a
la acción de la presión del fluido bajo él. La fuerza debida a la presión
del fluido está contrarrestada por una fuerza mecánica, normalmente
un resorte, o, en ocasiones, una palanca y un peso.
15.6.2 INDIRECTA
Las válvulas de acción indirecta, o válvulas operadas por piloto,
se identifican mediante las siglas POSV (Pilot Operated Safety Valves)
o PORV (Pilot Operated Relief Valves). En ellas, el accionamiento se
produce con la ayuda de una válvula auxiliar (válvula piloto).
El funcionamiento de una válvula de seguridad operada por piloto es el siguiente:
Con la válvula principal - la válvula de seguridad propiamente dicha – cerrada (posición
normal), la presión del sistema es transmitida desde la entrada a la válvula piloto, y de ésta a
la cámara de la válvula principal mediante un tubo de interconexión. Ello equilibra la presión
en la parte superior del pistón con la de la parte inferior. Al ser la superficie de la cara
superior del pistón superior a la de la cara inferior, este diferencial de área da como resultado
una fuerza hacia abajo que mantiene la válvula cerrada. Al aumentar la presión, el pistón de
la válvula piloto se mueve cortando la comunicación con la cámara de la válvula principal y
descargando la válvula piloto a la atmósfera. En la válvula principal, el pistón sube impulsado
por el aumento de presión en la parte inferior del pistón y la válvula descarga hasta que se
restablece una presión inferior a la de tarado.
Válvula piloto
Cámara
Sello del
pistón
Asiento
Toma de presión
078
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
079
15.7
ESCAPE
Al producirse la apertura de la válvula, el fluido liberado es expulsado por la boca de salida
de la válvula. Esta descarga de fluido puede ser, como se ha visto anteriormente, en forma
instantánea o progresiva. En cualquier caso, es un fluido no aprovechable pero que, debido a
su presión y temperatura puede ser peligroso para el personal que esté en su ámbito de acción.
La descarga, o escape, puede ir directamente a la atmósfera (válvulas de escape libre) o
mediante tubería (escape conducido) a un lugar seguro, a la antorcha, o a un recipiente de
recogida de gases de escape (blow down).
15.7.2 CONDUCIDO
En este caso, la salida de la válvula está conectada a una tubería que conduce el fluido de
escape a un lugar seguro, que generalmente es un recipiente de blow down o a una antorcha
(flare) donde es enviado a la atmósfera una vez inflamado.
Normalmente, todas las descargas de las válvulas de seguridad de una planta industrial
suelen reunirse mediante colectores en un sistema común de recogida (Blow-down system),
o en un sistema de antorcha (Flare system).
Por ello, han de considerarse dos condiciones de escape de las válvulas de seguridad:
15.7.1 LIBRE
En el caso de escape libre, el fluido (normalmente gas) es enviado a la atmósfera directamente,
pero siempre a un lugar lejos del acceso humano, o sea, a una altura elevada y lejos de
plataformas de operación o mantenimiento.
Válvula de seguridad con escape conducido
PSV
Válvula de seguridad operada por piloto, con escape libre
Antorcha
PSV
Colector de antorcha
Diagrama de descarga de válvulas de seguridad a antorcha
080
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
081
VÁLVULAS DE CONTROL
Introducción
16.1 Lazos de control
16.2 Operación
16.3 Clasificación
16.4 Descripción
16.5 Número de asientos
16.5.1 Simple asiento
16.5.2 Doble asiento
16.6 Número de vías
16.6.1 Dos vías
16.6.2 Tres vías
16.7 Característica de la válvula
16.7.1 Característica de flujo
16.7.2 Regulación de la apertura
16.8 Guiado del obturador
16.8.1 Doble vástago
16.8.2 Jaula
16.9 Otras válvulas de control
16.9.1 Válvulas de bola control
16.9.2 Válvulas de mariposa control
16.9.3 Válvulas de tapón rotativo
16.9.4 Válvulas reductoras de presión
16.10 El actuador
16.10.1 Actuador tipo muelle-diafragma
16.10.2 El posicionador
082
VÁLVULAS
84
85
86
87
88
89
89
89
90
90
90
91
91
92
93
93
93
94
94
94
95
96
99
99
100
GRUPO CUÑADO
083
16.1
LAZOS DE CONTROL
Los elementos constitutivos de una instalación industrial llevan a cabo un proceso cuyo objeto
es obtener, a partir de unas materias primas y/o energía, un producto final que cumpla con
unas especificaciones y calidad predeterminadas. Para ello, es preciso actuar durante el proceso
sobre determinadas variables (caudal, presión, temperatura, nivel…), realizando mediciones
de las mismas y provocando actuaciones que las mantengan en las condiciones establecidas.
El tratamiento de estas mediciones y de las actuaciones requeridas se llevan a cabo mediante
los llamado sistemas de control.
Mat. Primas
INTRODUCCIÓN
Energía
Actuaciones
Las válvulas de control (control valves), son válvulas normales a las que se sustituye la
acción manual por actuador sólo cuando el control es de tipo todo-nada. Para una regulación
continua son válvulas específicamente diseñadas. Son, generalmente, del tipo de regulación,
aunque también pueden ser del tipo todo-nada, cuando se requiere un cierre automático.
Por lo dicho anteriormente, en general, cuando se han estudiado los distintos tipos de válvulas,
cualquiera de ellas puede considerarse de control cuando son accionadas por actuadores, sólo
cuando el control es todo-nada.
Las válvulas tipo globo son las más utilizadas en las plantas de proceso. Estas válvulas
pertenecen a la categoría de las conocidas como de acción lineal, también llamadas de
vástago deslizante. En ellas, el empuje del actuador se transmite de forma lineal, a través
del vástago, al obturador.
Por la razón mencionada de ser el tipo más común de válvulas de control, en esta lección
daremos prioridad al estudio de las válvulas tipo globo.
Además dedicaremos un apartado a las llamadas válvulas reguladoras – o reductoras – de
presión, por entender que su misión encaja perfectamente en la categoría de válvulas de control.
Producto final
Proceso
Mediciones
Sistema de
control
Al conjunto de elementos constitutivos de un sistema de control se le conoce como lazo de
control (control loop).
Los elementos básicos del lazo de control son el transmisor, el controlador y la válvula
de control, denominándose esta última elemento final de control, siendo ésta el elemento
último del lazo de control. En el concepto de “válvula de control” se suele incluir el conjunto
formado por el actuador y la válvula propiamente dicha.
El controlador (controller) es el elemento que envía a la válvula una señal, neumática o
electrónica, para provocar su actuación. La función del controlador consiste en detectar el
valor de una variable de proceso, procedente de un sistema de medición y compararlo con el
punto de ajuste (set point) fijado. En ese momento envía la señal al actuador de la válvula
de control, el cual actúa abriendo o cerrando la válvula y variando así el caudal del fluido
hasta lograr llevar de nuevo la variable de proceso hasta el valor establecido. Es frecuente que
esta acción sea auxiliada por la acción de otro elemento, llamado posicionador (positioner).
En el esquema incluido a continuación se representa, como ejemplo, un lazo de control de
flujo típico.
Controlador
Válvula
de control
tipo globo
Válvula reductora
de presión
Actuador
Medidor
de caudal
Bomba
084
VÁLVULAS
Medidor Válvula de
de caudal control
GRUPO CUÑADO
085
16.2
OPERACIÓN
16.3
CLASIFICACIÓN
La forma de operar un lazo de control se muestra, esquemáticamente, en el diagrama
incluido a continuación.
Algunas de las válvulas estudiadas en las lecciones anteriores se pueden utilizar para control,
generalmente del tipo todo-nada.
Válvula de
regulación
Sensor de
presión
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
NÚMERO DE PASOS
Simple
Doble
Válvula de
seguridad
Paso recto
Manómetro
Válvula de
bloqueo
Válvula
de Control
Válvula de
bloqueo
Manómetro
Dos vías
Paso angular
Tres vías
Mezcladoras
NÚMERO DE VÍAS
Desviadoras
Controlador
PERFIL DEL DISCO
En él se representa cómo se opera una válvula de control para controlar la presión en un
circuito mediante un lazo de control.
Apertura lineal
Apertura isoporcentual
Un controlador recibe las señales de presión de un sensor y las compara con la pérdida de
carga requerida para obtener la presión deseada (set point).
Al tener este tipo de válvulas una tecnología más sofisticada que las manuales, suelen
precisar más tareas de mantenimiento. A fin de poder realizar estos trabajos sin necesidad de
parar la operación de la unidad de proceso, es frecuente instalar la válvula de control entre
dos válvulas de bloqueo (generalmente de compuerta). A su vez, se instala, en paralelo, una
válvula de regulación (generalmente de globo). De esta forma, es posible aislar la válvula de
control para operaciones de mantenimiento mientras se regula manualmente mediante la
válvula instalada en by-pass.
Las variables controladas por un lazo de control pueden ser múltiples, pero las más importantes
son caudal, temperatura, presión y nivel.
Apertura rápida
GUIADO DEL DISCO
Doble vástago
Jaula
DISEÑO
Globo lineal
Válvulas rotativas
Mariposa control
Bola control
Tipo Camflex
086
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
087
16.4
DESCRIPCIÓN
16.5
NÚMERO DE ASIENTOS
Como ejemplo, se representa una válvula de control típica de las siguientes características
El número de asientos se refiere al número de elementos de cierre que tiene la válvula.
•
•
•
•
•
•
Según este criterio, pueden ser:
Acción lineal, tipo globo
Simple asiento
Dos vías, paso recto
Obturador guiado superiormente
Apertura rápida
Actuador tipo membrana de acción inversa
16.5.1 SIMPLE ASIENTO
Las válvulas de control de acción lineal tipo globo y de simple asiento son el tipo más común
de válvulas de control. El cuerpo es muy similar al de una válvula de globo manual. En ellas,
el fluido pasa una abertura del cuerpo de la válvula que deja circular más o menos caudal por
medio de un obturador simple.
Resorte
Actuador
Diafragma
Obturador
Puente
Indicador de posición
Conector
Asiento
Empaquetadura
Tapa
Vástago
Obturador
Asiento
Cuerpo
16.5.2 DOBLE ASIENTO
Este tipo de diseño, aunque en desuso, lo mantienen algunos fabricantes, cuando quieren
equilibrar fuerzas en el obturador y reducir el tamaño del actuador.
En las válvulas de doble asiento, el fluido efectúa un paso por cada uno de los asientos, por
lo que el vástago también tiene dos discos obturadores.
Obturador superior
Asiento superior
Obturador inferior
Asiento inferior
088
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
089
16.6
NÚMERO DE VÍAS
16.7
CARACTERÍSTICA DE LA VÁLVULA
El número de vías de una válvula se refiere al número de bocas de entrada o salida de fluido
que tiene la válvula.
Al estar el perfil del disco, en una válvula de control tipo globo, muy relacionado con el
concepto de “Características de Flujo”, nos referiremos, en primer lugar a este importante
concepto.
De acuerdo con este criterio, pueden ser:
16.6.1 DOS VÍAS
16.7.1 CARACTERÍSTICA DE FLUJO
Las válvulas de dos vías son el tipo más común. El cuerpo de estas válvulas es muy similar
al de una válvula de globo manual. Estas válvulas disponen de una sola boca de entrada del
fluido y otra de salida. Como ocurre con las válvulas manuales, las de control también pueden
ser de paso recto o de paso angular.
En las válvulas de control y, especialmente en las tipo globo, hay un parámetro que afecta
al diseño de los internos de la válvula. Este parámetro es la Característica de Flujo (Flow
Characteristic) de la válvula.
Paso angular
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Lineal
Igual porcentaje
Apertura rápida
Raíz cuadrada
Parabólica
Hiperbólica
16.6.2 TRES VÍAS
Las válvulas tipo globo de tres vías tienen, a diferencia de
las de dos vías, tres bocas, pudiendo utilizarse dos de ellas
para entrada del fluido y la tercera para salida, o viceversa.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Flujo %
Paso recto
Este parámetro indica la relación existente entre el caudal y la apertura de la válvula.
Suele representarse mediante un gráfico que relaciona el caudal con el grado de apertura
de la válvula, ambos expresados en porcentaje. Los gráficos correspondientes a las posibles
Características de Flujo son:
Grado de apertura %
Las válvulas de tres vías, según el servicio a que estén
destinadas pueden ser:
• VÁLVULAS MEZCLADORAS
En las válvulas mezcladoras de tres vías dos
fluidos entran por dos bocas diferentes A y B y
salen, mezclados, por una tercera boca C.
A
• VÁLVULAS DESVIADORAS
En éstas, el fluido entra por una boca A y sale
repartido por las otras dos B y C.
090
VÁLVULAS
C
A
C
B
B
Mezcladora
Desviadora
GRUPO CUÑADO
091
16.8
GUIADO DEL OBTURADOR
16.7.2 REGULACIÓN DE LA APERTURA
La regulación del grado de apertura de la válvula correspondiente a una determinada
Característica de Flujo se obtiene mediante la adopción de un perfil específico en el obturador
de la válvula o en la jaula dependiendo del diseño del fabricante.
De entre los posibles tipos de apertura, nos centraremos en las tres más usuales, que son:
• APERTURA RÁPIDA
La característica de flujo de apertura rápida (quick
opening) se presenta cuando se obtiene un flujo máximo
con un mínimo recorrido del elemento de cierre.
Uno de estos dispositivos es el doble vástago. Este
dispositivo consiste en incorporar al disco un semieje
inferior, que se aloja en un casquillo guía situado en
la parte inferior del cuerpo de la válvula.
Apertura
100
Guía del vástago
Otro dispositivo que suele utilizarse para guiado
del disco es la jaula (cage). La jaula consiste en un
casquillo con orificios para permitir el paso del fluido.
El obturador se desliza por el interior de la jaula.
Flujo
Jaula
Apertura
100
La jaula, además de cumplir la misión de guiado
del disco, es muy utilizada en condiciones de servicio
severo. Puede cumplir, por ejemplo, con las siguientes
funciones:
• Actúa como atenuador de ruido, y como dispositivo anti-cavitación.
100
Flujo
Jaula anticavitación
y atenuadora de ruido
Apertura
100
• Según la geometría de sus aberturas
de paso, determina, juntamente con el
perfil del disco, la característica de flujo
de la válvula.
VÁLVULAS
Doble
vástago
100
0
092
Casquillo
guía
16.8.2 JAULA
Flujo
0
• CARACTERÍSTICA ISOPORCENTUAL
En la característica de apertura isoporcentual, o de
igual porcentaje (equal percentage), a iguales incrementos
de recorrido corresponden iguales porcentajes de aumento
de caudal.
16.8.1 DOBLE VÁSTAGO
100
0
• CARACTERÍSTICA LINEAL
La característica de apertura lineal (linear) se obtiene
cuando la capacidad aumenta en forma lineal con la
apertura del obturador.
En ocasiones se usan obturadores con un dispositivo que sirve para guiar el recorrido del
disco y, de esta forma, minimizar vibraciones.
Jaulas para
distintas
características
de flujo
Apertura
rápida
Lineal
Igual
porcentaje
GRUPO CUÑADO
093
16.9
OTRAS VÁLVULAS DE CONTROL
Además de las válvulas tipo globo, descritas en detalle en los apartados anteriores, hay
otros tipos de válvulas que merecen ser descritas por ser de uso muy extendido en la industria.
16.9.1 VÁLVULAS DE BOLA CONTROL
Tienen un mayor coeficiente de caudal (Cv), una menor pérdida de carga, y, dependiendo de
los materiales y la configuración de los internos pueden ser adecuadas para trabajar con fluidos
con partículas o erosivos. Su configuración más habitual es aquella en la cual el obturador es
un sector de bola, en algunos casos con una geometría especial (V-notch), para el control de
pequeños flujos. Pueden tener algún tipo de dispositivo adicional para utilizarse en servicios
especiales como cavitación o ruido aerodinámico.
16.9.3 VÁLVULAS DE TAPÓN ROTATIVO
Las válvulas del tipo de tapón rotativo excéntrico (eccentric rotary plug) son muy utilizadas
cuando se requiere controlar el caudal de fluidos en severas condiciones de servicio con alta
probabilidad de cavitación y erosión, así como en líquidos de alta viscosidad o erosivos.
El obturador de estas válvulas es del tipo disco de una válvula de globo, pero cuyo movimiento,
en vez de producirse en forma lineal, se produce mediante un giro sobre un eje, como se ve
en las figuras incluidas a continuación.
Abierta
En regulación
Cerrada
16.9.2 VÁLVULAS DE MARIPOSA CONTROL
Del mismo modo que en el caso de la válvula de bola de control tienen un mayor coeficiente de
caudal. El tipo de mariposa a utilizar es habitualmente aquella que presenta doble excentricidad
y, en algunos casos puede incorporar algún tipo de difusor o variación en la construcción de la
mariposa para utilizarse en servicios de cavitación o ruido aerodinámico. Presentan como principal
ventaja frente a las bolas de control su mayor compacidad, muy apropiada para instalaciones con
falta de espacio, que suele traducirse además en un menor coste económico.
La firma MASONEILAN ha patentado un modelo de este tipo de válvulas, también conocidas
con el nombre de Válvulas tipo CAMFLEX.
Eje de giro
Asiento
Obturador
094
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
095
Estas válvulas, instaladas en un tramo horizontal y debido a la forma de su cuerpo y la
disposición de sus elementos internos, permiten su utilización en fluidos con sólidos en suspensión.
Las válvulas reductoras de presión pueden ser, atendiendo a su forma de operar, de acción
directa o bien operadas por piloto.
• VÁLVULAS DE ACCIÓN DIRECTA
El ejemplo más común de este tipo de válvulas lo encontramos en los tanques de agua
caliente de los sistemas de calefacción. En ellos, la válvula reguladora de presión es un
dispositivo de seguridad, para prevenir la explosión del tanque debida a una sobrepresión por
recalentamiento. Por esta razón este tipo de válvulas puede ser también considerado como
de seguridad. También se suelen instalar a las entradas de suministro exterior de agua en
viviendas, oficinas e instalaciones industriales.
16.9.4 VÁLVULAS REDUCTORAS DE PRESIÓN
Dentro de la categoría de válvulas de control pueden incluirse las llamadas “autorreguladoras”.
Estas válvulas no precisan de una fuente de energía externa para accionar el actuador, ya
que son accionadas por el propio fluido circulante. Un ejemplo característico de este tipo de
válvulas son las válvulas reductoras de presión.
En las válvulas reductoras de presión (pressure reducing valves) también llamadas válvulas
reguladoras de presión (pressure regulating valves), la operación se produce, no por medios
manuales, sino actuadas, en forma automática, por la presión del propio fluido circulante. Su
función consiste en mantener una presión constante a la salida de la válvula y, en cualquier
caso, siempre inferior a la presión de entrada, independientemente de las fluctuaciones que
ésta pueda presentar.
Son válvulas del tipo globo, aunque normalmente el elemento de obturación está constituido
por un pistón de diseño especial. Su principio de funcionamiento se basa en utilizar la presión
de salida de la válvula para enviar una señal que produce el accionamiento del obturador,
abriendo en mayor o menor grado hasta lograr la presión de salida previamente fijada mediante
un tornillo de regulación.
La válvula recibe directamente la señal enviada por la presión del fluido aguas abajo. La
presión del fluido actúa por la parte inferior del obturador, del tipo pistón, mientras que por
su parte superior actúa la regulación de presión, auxiliada por un muelle.
La presión del fluido a la entrada de la válvula empuja el obturador del tipo pistón contra
un muelle ajustable, cuando se excede la presión deseada. Cuando la presión a la entrada se
reduce la válvula se cierra para mantener la contrapresión. Para que el funcionamiento sea
correcto, la contrapresión a la salida debe ser siempre menor que la deseada a la entrada.
Tornillo de
regulación
Muelle
Tornillo de
ajuste de presión
Pistón
Juntas
Paso del
fluido
Como ocurre con las válvulas de control típicas, éstas también deben instalarse entre dos
válvulas de bloqueo y con una válvula de regulación manual en paralelo.
Pistón
Anillo de
asiento
Disco
Guía
Representación esquemática
Válvula reductora de presión
Compuerta
Muelle
Compuerta
Purga
Purga
Globo
Esquema típico de instalación
096
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
097
16.10
EL ACTUADOR
Como apartado final de esta lección, es preciso hablar de los actuadores.
• VÁLVULAS OPERADAS POR PILOTO
En las válvulas operadas por piloto, o de acción indirecta, una válvula piloto (1), normalmente
de diafragma, percibe la presión aguas abajo a través de la toma de presión (2). Si la presión se
eleva por encima del valor predefinido, el piloto envía la sobrepresión a la cámara superior (3)
de la válvula principal. Esta sobrepresión hace descender el diafragma (4), provocando un cierre
parcial del obturador (5) y así la presión aguas abajo desciende a un nivel inferior al predefinido.
Si, en cambio, la presión aguas abajo es menor que el valor predefinido, el piloto libera la
presión acumulada haciendo que la válvula principal se abra.
Entre la válvula piloto y la cámara superior de la válvula principal, se instala una válvula
de aguja (6) de control de caudal unidireccional que estabiliza la reacción de la válvula en
condiciones difíciles de regulación, restringiendo la salida del flujo de la cámara de control.
Adicionalmente se instalan válvulas de bloqueo (7) para permitir aislar la válvula piloto para
tareas de mantenimiento.
(1) Válvula piloto
(6)
(7)
(3)
(4)
(6)
(7)
(3) Cámara superior
(3)
(4) Diafragma
(4)
(5) Obturador
(2)
(7)
(7)
(2)
(6) Válvula de aguja
Muelles
Actuador
(7) Válvulas de bloqueo
(5)
Tornillo de regulación
Diafragma
En la última lección de este mismo curso nos referimos más ampliamente a otros tipos de
actuadores utilizados para automatizar válvulas.
El funcionamiento del actuador tipo muelle-diafragma, se basa en que, al recibir una señal
neumática, como respuesta, mueve el obturador de la válvula hasta una posición de mayor o
menor grado de apertura. Lo que se busca en un actuador tipo muelle-diafragma es que cada
valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago.
(1)
(2) Toma de Presión
El actuador, también llamado accionador, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico,
pero los más utilizados son los neumáticos por ser los más sencillos y de rápida actuación.
Aproximadamente el 90% de las válvulas de control utilizadas en la industria son accionadas
neumáticamente, y de ellas, la mayoría usan un actuador tipo muelle-diafragma, especialmente
en válvulas de control de acción lineal. Por esta razón, en esta lección nos centraremos en
describir este tipo.
16.10.1 ACTUADOR TIPO MUELLE-DIAFRAGMA
(1)
(7)
La diferencia básica entre una válvula manual y una de control reside en el actuador que
es el dispositivo que acciona el obturador de la válvula en el caso de estas últimas.
Muelle
Vástago
Diafragma
Vástago
Indicador de
posición
Conector
Yugo
Cuerpo de
la válvula
Válvula de control tipo globo, de simple asiento, dos vías y apertura lineal
con actuador neumático tipo diafragma, de acción inversa
Obturador
Válvula piloto
098
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
099
Las válvulas de control accionadas por un actuador tipo muelle-diafragma pueden ser,
atendiendo al modo en que el aire inyectado al actuador actúa sobre la válvula:
• DE ACCIÓN DIRECTA
En estas válvulas, el aire es inyectado al actuador por su parte superior, provocando un
descenso del diafragma y el vástago, y cerrando la válvula en mayor o menor grado. Las válvulas
de acción directa se conocen también como válvulas “normalmente abiertas” (NA) o “normally
open” (NO) porque en caso de no recibir señal que inyecte aire, la válvula permanece abierta.
• DE ACCIÓN INVERSA
En este caso, el aire es introducido por la parte inferior del actuador, elevando la membrana
y, con ella el vástago, y abriendo la válvula. Las válvulas de acción inversa se conocen como
válvulas “normalmente cerradas” (NC) o normally closed.
Aire
Movimiento
Originalmente fueron de tecnología totalmente neumática, apareciendo más tarde los
electroneumáticos analógicos. Actualmente son de uso frecuente los posicionadores inteligentes
(microprocesadores) capaces de elaborar bloques diagnósticos, lazos de control, comunicaciones
en buses de campo, etc.
Los posicionadores admiten la siguiente clasificación:
• POSICIONADORES NEUMÁTICOS
El posicionador recibe una señal neumática. El posicionador traslada esta señal a la válvula,
suministrando al actuador de la presión de aire necesaria para mover el obturador a la posición deseada.
El posicionador neumático recibe una señal de entrada neumática de un dispositivo de control
y modula la presión de suministro hacia el actuador de la válvula de control, ofreciendo una
posición precisa del vástago de la válvula que es proporcional a la señal de entrada neumática.
Movimiento
Aire
Indicador de
posición abierta
Indicador de
posición cerrada
Válvula de acción directa
(Normalmente abierta)
Válvula de acción inversa
(Normalmente cerrada)
16.10.2 EL POSICIONADOR
El posicionador es un servomecanismo, conectado al vástago de la válvula o del actuador,
mecánicamente o por otros medios, que automáticamente ajusta su movimiento a fin de mantener
la posición deseada en función de la señal recibida. El posicionador corrige automáticamente
la influencia de las presiones estática y dinámica sobre el obturador, el roce en el husillo y la
histéresis propia de la membrana; con él se consigue una regulación fácil y precisa.
• POSICIONADORES ELECTRONEUMÁTICOS
Son posicionadores neumáticos convencionales que poseen un transductor electroneumático
adicional integrado. El transductor recibe la señal de entrada de corriente continua analógica
del sistema de control y la convierte en una señal neumática proporcional, que es enviada al
posicionador convencional.
Controlador
Actuador
Posicionador
Sensor
Válvula con posicionador
100
VÁLVULAS
Esquema de instalación
GRUPO CUÑADO
101
• POSICIONADORES INTELIGENTES
Los posicionadores inteligentes están diseñados para poder ser actuados desde controladores,
sistemas de control, o desde softwares de PC. Ofrecen claras ventajas sobre los posicionadores
convencionales, como reducir el efecto de fricción de la válvula, mayor exactitud y menor
tiempo de posicionamiento.
Pueden ser analógicos o digitales, dependiendo de que la señal electrónica de conversión
sea de uno u otro tipo.
Los posicionadores inteligentes pueden ser:
• No comunicativos
El posicionador recibe la señal eléctrica y por su parte controla la electrónica y la salida.
• Comunicativos
Son capaces de establecer comunicación de dos vías por el mismo cableado por el que recibe
la señal analógica o digital. La comunicación puede llevarse a cabo mediante el protocolo HART
(highway addressable remote transducer), o mediante un protocolo de campo (tecnología
Fieldbus o Profibus).
Estos protocolos de comunicación son el medio más adecuado para proporcionar comunicación
bidireccional muy fiable entre dispositivos y sistemas “inteligentes” cuando el tiempo de
reacción es importante.
102
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
103
VÁLVULAS PARA SERVICIOS
ESPECIALES
Introducción
17.1 Válvulas para pipelines
17.1.1 Válvulas de compuerta
17.1.2 Válvulas de bola
17.1.3 Rascadores de tuberías
17.2 Válvulas criogénicas 17.2.1Características
17.2.2Descripción
17.3 Válvulas de cierre a presión
17.3.1Características
17.3.2Descripción
17.4 Válvulas selladas por fuelle
17.4.1Características
17.4.2Descripción
17.5 Válvulas de alquilación HF
17.5.1Características
17.5.2Descripción
17.6 Válvulas encamisadas
17.6.1 Clasificación
17.6.2 Encamisado total y parcial
17.6.3 Camisa soldada y camisa desmontable
17.7 Válvulas atemperadoras de vapor
17.7.1 Sistemas de atemperación de vapor
17.7.2 Tipos de válvulas atemperadoras 17.7.3 Dispositivos auxiliares
17.7.4Atemperadores
17.7.5 Elección de un atemperador
104
VÁLVULAS
106
107
108
109
109
111
111
112
113
113
114
115
115
116
117
117
118
119
119
120
121
122
123
125
128
129
136
GRUPO CUÑADO
105
17.1
VÁLVULAS PARA PIPELINES
Se da el nombre genérico de pipelines a las conducciones de productos petrolíferos, ya sean
líquidos, frecuentemente petróleo crudo (oleoductos) o gaseosos, generalmente gas natural
(gasoductos o gaseoductos).
Tanto los oleoductos como los gasoductos suelen ir enterrados en zanjas. Para accionar las
válvulas, se construyen arquetas en la zona de la válvula, para hacerlas accesibles. En ocasiones,
la solución consiste en proveer a la válvula de una extensión del vástago para poderlas accionar
desde la superficie del terreno. Pero las pipelines tienen también estaciones de operación, así
como el inicio y fin de la pipeline. En estos casos las válvulas están en el exterior y no enterradas.
INTRODUCCIÓN
En las lecciones anteriores se han estudiado válvulas que, en general, son de gran utilización
en la industria y de uso en una amplia variedad de servicios y condiciones de trabajo.
Pero en ocasiones se precisa disponer de válvulas que sean aptas para ciertos servicios menos
frecuentes, como consecuencia de distintas condiciones como pueden ser particularidades del
fluido circulante, condiciones de operación, etc. En estos casos es frecuente adaptar alguna de las
consideradas como “válvulas para servicios generales” a las nuevas condiciones, modificando
algunas de sus características constructivas para adaptarla al nuevo servicio. Estas válvulas así
adaptadas al nuevo servicio son conocidas como “válvulas para servicios especiales”.
La característica principal de este tipo de válvulas es que deben presentar un interior
totalmente homogéneo que haga posible el paso a su través de los rascadores (pigs) utilizados
para la limpieza de las tuberías. Por esta razón, en la práctica, los únicos tipos de válvulas que
son aptas para este servicio, son las válvulas de compuerta de paso integral y las válvulas
de bola de paso total.
Aparte de utilizarse, en las instalaciones de superficie, válvulas de retención, normalmente
del tipo clapeta, aquí nos vamos a centrar en las válvulas de corte de diseño especial,
especialmente las instaladas en los tramos enterrados de las pipelines.
Existen muchas opciones posibles de válvulas para servicios especiales. De entre todas ellas,
hemos optado por algunas de las más utilizadas en la industria.
Válvulas para
pipelines
Válvulas
criogénicas
Válvulas de cierre
a presión
Válvulas selladas
por fuelle
Válvulas de bola en una estación de operación de pipelines
Válvulas para
alquilación HF
106
VÁLVULAS
Válvulas
encamisadas
Válvulas
atemperadoras
GRUPO CUÑADO
107
17.1.1 VÁLVULAS DE COMPUERTA
17.1.2 VÁLVULAS DE BOLA
Las válvulas de compuerta son muy utilizadas en servicios de pipelines. Cuando se requiere
que a través de ellas puedan pasar los rascadores de tuberías (pigs), se utiliza un tipo de
válvulas de compuerta conocido como “de paso integral” (through conduit).
Como en el caso de las válvulas de compuerta de paso integral, también las válvulas de
bola son muy utilizadas en servicios de transporte de productos petrolíferos, en su versión de
paso total, para lo que ofrecen la ventaja de una pérdida de carga prácticamente nula.
Las principales características de este tipo de válvulas son:
• S u compuerta está formada por una placa metálica de forma alargada en la que su parte
inferior lleva un orificio de un diámetro interior idéntico al de la tubería a la que va
acoplada la válvula. Por esta razón estas válvulas son conocidas también por el nombre
de “válvulas de compuerta de placa” (slab gate).
Cuando la válvula está enterrada en zanja y ha de ser accionada desde la superficie, además
de prolongar el vástago para hacer accesible el accionamiento, en válvulas lubricadas se habilitan
tubos de engrase accesibles también desde el terreno.
•E
l cuerpo presenta una cavidad en su parte inferior, en la que se aloja el anillo de la
compuerta, cuando la válvula está en posición de cerrada. Esta cavidad va provista de
una válvula de drenaje para evacuar el líquido almacenado en ella.
Engrasadores
•D
ebido a la forma de su interior, sin discontinuidad alguna en caso de válvula en posición
de abierta, permiten el paso de los rascadores de tuberías (pigs).
•L
a estanqueidad del cierre se consigue por la propia presión del fluido que comprime la
compuerta contra el anillo de asiento posterior. A veces, esta acción se ve reforzada por
la acción de muelles en los anillos flotantes.
•L
as válvulas para oleoductos suelen estar diseñadas y construidas con una fuerte protección
ante condiciones climatológicas adversas. Así, el husillo va, normalmente, protegido por
un tubo, y con engrase permanente.
En superficie o arqueta
Enterrada
17.1.3 RASCADORES DE TUBERÍAS
Volante
Engrasador
Vástago
Prensaestopas
Empaquetadura
Tapa
Engrasador
Compuerta
Asiento
Cuerpo
108
VÁLVULAS
Los rascadores de tuberías (pigs) son unas piezas especiales que se utilizan para, haciéndolas
circular por el interior de una tubería (especialmente por pipelines), realizar en ella diversas
funciones.
El nombre de “pig”, aunque es un acrónimo de Pipeline Inspection Gauge, también se dice
que proviene del sonido que producen al circular por la tubería, similar al gruñido de un cerdo.
Hay una gran variedad de tipos de pigs, dependiendo de la misión que deban cumplir:
• Limpieza
Rascando las paredes de la tubería, eliminan de ella
sedimentos, acumulaciones de producto, etc. Se suele
comenzar con un rascador suave para después pasar
otro más abrasivo. Estos rascadores tienen formas muy
diversas.
Pigs limpiadores
GRUPO CUÑADO
109
17.2
VÁLVULAS CRIOGÉNICAS
• Separación de productos
Se utilizan cuando por la misma tubería van a circular productos diferentes, a fin de evitar
contaminaciones entre ellos.
• Cierre
Se utilizan para cerrar los extremos de la tubería para poder realizar en ella trabajos de
mantenimiento.
Cuando es preciso manipular gases licuados tales como oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, gas
natural, argón, helio, etc., así como gases licuados de petróleo (GLP) o gas natural licuado
(GNL) a muy bajas temperaturas (en ocasiones por debajo de -150ºC), se requiere la utilización
de válvulas especiales que soporten las condiciones de servicio impuestas por tan bajas
temperaturas. Las válvulas que cumplen con estas condiciones son conocidas como válvulas
para servicio criogénico, o simplemente, válvulas criogénicas (cryogenic valves).
Para este tipo de servicio se utilizan válvulas de los tipos usuales: compuerta, globo,
retención, bola, mariposa, etc., pero empleando materiales resistentes a las bajas temperaturas
y características constructivas especiales que permitan un uso fiable y seguro a las temperaturas
del fluido.
• Inspección
Suministran datos e información sobre las condiciones de la
tubería. Pueden detectar corrosión, fracturas y otros defectos.
Se suelen conocer como rascadores inteligentes (Smart pigs).
Smart Pig
Al principio y al final del tramo de pipeline por el que ha de circular un pig, es preciso
instalar una estación lanzadora (pig launching station) y otra receptora. Estas instalaciones
se sitúan en superficie, para poder ser operadas.
Pig
Lanzador
Compuerta
Estación de lanzamiento de pigs
Los pigs se introducen en la tubería desde los lanzadores de pigs (pig launchers). Para ello,
en primer lugar se drena el barril lanzador y se carga el pig a través de un portón y se cierra.
Entonces se impulsa el pig introduciendo en el lanzador un fluido de impulsión que generalmente
es el propio producto de la pipeline a presión, y en otras ocasiones aire comprimido o nitrógeno. El
pig es recogido en la siguiente estación mediante un sistema de recogida similar al de lanzamiento.
Venteo
Válvula
principal
Pipeline
Portón
Impulsión
Drenaje
110
VÁLVULAS
Globo
Mariposa
Bola
17.2.1 CARACTERÍSTICAS
Todas las válvulas criogénicas, excepto las de retención, presentan
una característica particular que las diferencia de una válvula del mismo
tipo (compuerta, globo, bola, mariposa) para servicios generales. Esta
particularidad consiste en una extensión de la tapa de la válvula, que
aumenta considerablemente su altura con respecto a la de una válvula
normal.
De esta forma se logra que el gas licuado que circula por la válvula
se caliente en la parte superior de esta extensión, vaporizándose y
creando una columna de gas de suficiente longitud como para evitar el
contacto de la empaquetadura con el líquido circulante por la válvula a
baja temperatura. A fin de favorecer la vaporización, la extensión de la
tapa no debe ir provista de aislamiento.
GRUPO CUÑADO
111
17.3
VÁLVULAS DE CIERRE A PRESIÓN
17.2.2 DESCRIPCIÓN
Como ejemplo, se describe una válvula criogénica de compuerta, de volante fijo y vástago
saliente, con tapa atornillada y extremos bridados.
A fin de cumplir con la necesidad de disponer de una válvula que, básicamente, presente
la configuración típica de una válvula de compuerta, globo o retención, pero que sea capaz
de soportar condiciones muy severas de presión y temperatura, aparecieron en el mercado las
válvulas denominadas “de cierre a presión” (pressure seal valves).
Generalmente, las válvulas de cierre a presión suelen limitarse a los tipos de compuerta,
globo y retención, similares a las utilizadas para servicios generales, pero adaptadas, mediante
ciertas modificaciones constructivas, para poder soportar condiciones más rigurosas.
Volante
Su utilización está muy extendida en sistemas de vapor de alta presión, centrales nucleares,
así como en las industrias del petróleo, química, petroquímica, etc.
Empaquetadura
Vástago extendido
Cuerpo
Tapa extendida
Asientos
Compuerta
Compuerta
Globo
Retención
17.3.1 CARACTERÍSTICAS
La característica que distingue este tipo de válvulas es su sistema de sellado. Este sistema
aprovecha la propia presión del sistema para aumentar la eficacia del sellado entre cuerpo y
tapa. A mayor presión del fluido, mayor es la fuerza de sellado.
A fin de lograr el efecto de transmisión de la presión del fluido al anillo de sellado, las
superficies de contacto entre el anillo y la tapa son de forma cónica. De esta manera, el
empuje ejercido por la cara cónica de la tapa sobre el anillo se descompone en una fuerza
vertical, y otra horizontal, soportada por el cuerpo de la válvula. Cuanto menor sea el ángulo
del cono, mayor será el empuje horizontal transmitido y, por tanto, la efectividad del cierre.
Sin embargo, si este ángulo es demasiado pequeño, puede resultar imposible el desmontaje
del anillo. Por ello, normalmente, no resulta práctico utilizar ángulos inferiores a los 25º.
Ángulo 25º
B
C
D
D
A
112
VÁLVULAS
A
D
Tapa
Anillo de sellado
Cuerpo
Ángulo 45º
A
D
A
A Presión del sistema
B Tendencia de la tapa
a ascender al aumentar
la presión
C Tendencia de la tapa
a descender al disminuir
la presión
D Fuerza de sellado debida
a la presión
GRUPO CUÑADO
113
17.4
VÁLVULAS SELLADAS POR FUELLE
17.3.2 DESCRIPCIÓN
Los componentes de estas válvulas, son similares a las de una válvula standard de compuerta,
globo o retención. Las únicas diferencias básicas consisten en el diseño de la tapa y en el
sistema particular de sellado entre ésta y el cuerpo de la válvula. En efecto, en las válvulas
de cierre a presión, la tapa se introduce en el interior del cuerpo y presenta una base de gran
superficie que está sometida a la presión existente en el fluido circulante.
Cuando se manejan fluidos explosivos, corrosivos, venenosos, contaminantes, o altamente
inflamables, es necesario, por razones de seguridad o ecológicas, evitar cualquier fuga al
exterior. Esta necesidad de reducir a nulas las fugas puede ser también debida a razones de
ahorro de energía.
Entre la tapa y el cuerpo, como elemento de sellado, se dispone un anillo metálico de
asiento, llamado anillo de sellado que es oprimido por efecto de la propia presión interna.
Entre los componentes de una planta industrial, entre los potencialmente más susceptibles de
originar fugas están las válvulas. Por ello surgió la necesidad de desarrollar un tipo de válvulas
que fueran, en teoría, totalmente estancas. Así aparecieron las válvulas selladas por fuelle
(bellow seal valves) también conocidas como “válvulas de fugas cero” (zero leak valves) o
“válvulas no contaminantes” (emission free valves).
Como ilustración, a título de ejemplo, se representa una válvula de compuerta de cuña
flexible y una de retención de clapeta oscilante, ambas con extremos para soldar a tope.
Las válvulas selladas por fuelle son válvulas de compuerta o de globo, a las que se le han
incorporado los elementos mecánicos precisos para convertirlas en totalmente estancas.
17.4.1 CARACTERÍSTICAS
La zona de una válvula potencialmente más susceptible de originar fugas es la de contacto de
una pieza móvil, el vástago, con otra fija, la empaquetadura. Por ello, en las válvulas selladas
por fuelle, la empaquetadura convencional es sustituida, o, más frecuentemente suplementada,
por una envoltura metálica del vástago, en forma de fuelle soldado por un extremo a la tapa
de la válvula y por el otro al extremo inferior del vástago. Este fuelle actúa alargándose o
retrayéndose como un acordeón, solidariamente con el desplazamiento del vástago o husillo
de la válvula, evitando el contacto del fluido con el husillo.
Otra modificación es, normalmente, una extensión del cuerpo o de la tapa, a fin de
proporcionarle la altura suficiente para albergar el fuelle. Sin embargo es preciso reseñar
que, a fin de evitar la torsión del fuelle, las válvulas de este tipo han de ser de volante fijo y
vástago ascendente, aún en las válvulas de globo.
114
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
115
17.5
VÁLVULAS DE ALQUILACIÓN HF
Por otra parte, y al ser la estanqueidad el principal objetivo en estas válvulas, se procura
eliminar cualquier posible origen de fugas. Al haberse logrado suprimir el principal, que es
a través de las piezas en movimiento, se suelen, además, suprimir las juntas entre cuerpo
y tapa, recurriéndose, con frecuencia, a la solución de “tapa soldada” (welded bonnet) en
lugar de “tapa atornillada” (bolted bonnet). Incluso, en estas válvulas, es común el utilizar
extremos soldados.
Empaquetadura
El proceso de alquilación es un procedimiento de refino de petróleo en el que se combinan
olefinas con parafinas para formar isoparafinas de alto peso molecular especialmente utilizadas
como combustible de aviación. En este proceso se emplea el ácido fluorhídrico, un ácido
altamente corrosivo.
Las válvulas de alquilación (alkilation valves), más conocidas como válvulas de alquilación
HF (HF alkilation valves), son válvulas aptas para el manejo de ácido fluorhídrico, un ácido
altamente corrosivo. Por esta razón deben cumplir con una serie de requisitos que le permitan,
en primer lugar, resistir la corrosividad del ácido y, sobre todo, y por razones de seguridad,
evitar las fugas del fluido. Se fabrican en tipos compuerta, globo, retención y macho. Pero las
más comunes son las de compuerta y a ellas dedicamos este apartado.
Tapa
Fuelle
Vástago ascendente
Cuerpo
17.4.2 DESCRIPCIÓN
En la figura que se incluye se representa una válvula de globo, y otra de compuerta, ambas
con la extensión soldada al cuerpo y a la tapa, y con extremos para soldar a tope.
17.5.1 CARACTERÍSTICAS
Algunas de las particularidades que presentan este tipo de válvulas son:
Tapa
Vástago
Extensión
del cuerpo
Fuelle
Cuerpo
Obturador
Globo
Compuerta
Diseño según Normas API 600 y API 602
Internos construidos en monel
Pintura detectora de presencia de ácido
Inyectores de grasa en monel
Diseño especial de obturadores y asientos
Asientos soldados al cuerpo, evitando
uniones roscadas
• Radiografiado 100% y otras pruebas
y ensayos rigurosos
•
•
•
•
•
•
Cuña sólida
de monel
Anillos de
asiento con
doble soldadura
Asiento secundario
metal-metal antifuego
Asiento
primario resiliente
La figura muestra un detalle típico del conjunto cuña-asientos en una válvula de compuerta.
116
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
117
17.6
VÁLVULAS ENCAMISADAS
17.5.2 DESCRIPCIÓN
Volante fijo
Engrasador
Casquillo de asiento
trasero en monel
Vástago saliente de monel
Bridas del prensaestopas
Prensaestopas
Empaquetadura
Tapa
En un sistema de tuberías se requiere, en ocasiones, poder calentar el fluido circulante,
bien sea por razones del proceso o por las propias características del fluido (por ejemplo,
alta viscosidad). En estos casos, se suele recurrir a dos alternativas: la primera consiste en
acompañar las tuberías, accesorios y válvulas de unos tubos de pequeño diámetro por los que
circula vapor de agua procediendo además a un aislamiento del conjunto para evitar la pérdida
de calor al exterior. A este sistema de calentamiento se llama traceado de vapor (steam
tracing). El traceado también se puede hacer con agua caliente en lugar de vapor, aunque es
una solución menos utilizada.
Una segunda solución para calentar el sistema, consiste en envolver las tuberías, accesorios
y válvulas con una envolvente de mayor tamaño por la que se hace circular el fluido calefactor
(generalmente vapor de agua). Esta envolvente se conoce como camisa (jacket) y las válvulas
así calentadas, como válvulas encamisadas (jacketed valves).
Junta de anillo tórico
Pintura detectora
de ácido
Cuña
Cuerpo
Anillos de asiento
Válvula de macho con
encamisado total
Válvula de macho con
encamisado parcial
17.6.1 CLASIFICACIÓN
BASE DE CLASIFICACIÓN
TIPOS DE VÁLVULAS
EXTENSIÓN DEL
ENCAMISADO
Total
Parcial
TIPO DE CAMISA
Camisa soldada
Camisa desmontable
118
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
119
17.6.2 ENCAMISADO TOTAL Y PARCIAL
17.6.3 CAMISA SOLDADA Y CAMISA DESMONTABLE
El encamisado de una válvula se lleva a cabo recubriendo el cuerpo de la válvula una chapa
metálica envolvente estanca, que forma la camisa (jacket).
En el caso de camisa soldada, la camisa va unida al cuerpo o bridas de la válvula mediante
soldadura, en cuyo caso la camisa no puede ser desmontada, pero se garantiza su estanqueidad.
Esta camisa va provista de conexiones, normalmente roscadas, para la entrada de vapor
y salida de condensado.
Si la camisa está formada por dos mitades atornilladas entre sí, se denomina camisa
desmontable. Este tipo de camisa permite su desmontaje para el mantenimiento de la válvula.
Dependiendo de la parte de la válvula que va cubierta por la camisa, las válvulas encamisadas
pueden ser:
En este caso no puede asegurarse una perfecta estanqueidad en la camisa.
• ENCAMISADO TOTAL
Es cuando la camisa cubre la totalidad del cuerpo, incluyendo los cuellos, excepto únicamente
las bridas de acoplamiento a la tubería. En el caso de este tipo de encamisado, las bridas suelen
ser de un tamaño superior al tamaño de la válvula, para compensar el sobredimensionamiento
debido a la camisa.
Vapor
Camisa desmontable
Camisa
Condensado
Válvula de bola con encamisado total
• ENCAMISADO PARCIAL
Llamadas también “de cuerpo encamisado”. En éstas, el encamisado reviste solo la parte
principal del cuerpo de la válvula, sin incluir los cuellos de unión a las bridas.
Vapor
Camisa
Condensado
Válvula de bola con encamisado parcial
120
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
121
17.7
VÁLVULAS ATEMPERADORAS DE VAPOR
Cuando el vapor de agua está a una temperatura superior a la de saturación para la presión
a la que se encuentra se le llama vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado almacena una
energía mayor que el saturado y tiene un volumen específico también mayor.
En muchos procesos industriales, se genera vapor sobrecalentado que se distribuye a alta
temperatura y presión por razones de eficiencia. Ello permite utilizar tuberías de conducción
de menor diámetro debido a su bajo volumen específico y, cuando se utiliza para alimentar
turbinas de vapor, la eficiencia de estas máquinas se optimiza.
Pero, para un uso más eficiente de la energía térmica del vapor, conviene volver a reducir
su temperatura casi hasta la temperatura de saturación. Con el vapor a la temperatura de
saturación o cerca de ella, es posible recuperar la gran cantidad de energía que se consumió
cuando el vapor fue sobrecalentado.
A la operación de reducir la temperatura del vapor sobrecalentado para llevarla a una
próxima a la de saturación, se le llama atemperación del vapor, o en inglés desuperheating. Esta
operación se lleva a cabo mediante las llamadas válvulas atemperadoras, desrecalentadoras,
o, simplemente atemperadores, o por su nombre en inglés, desuperheaters.
17.7.1 SISTEMAS DE ATEMPERACIÓN DE VAPOR
Un sistema de atemperación, DS, (del inglés Desuperheating System) está formado,
básicamente, por tres componentes:
•U
na válvula de control que regula la inyección de agua mediante el control de la temperatura
del vapor aguas abajo del atemperador.
• El elemento atemperador propiamente dicho, que es el dispositivo rociador del agua en
la corriente de vapor. Este elemento puede ser independiente de la válvula de control, o
formar un solo cuerpo con ella (válvula de atemperación).
• Los elementos de control necesarios para que todo el sistema funcione correctamente
La siguiente figura muestra un esquema de una estación de atemperación típica mediante
inyección en línea de agua de refrigeración, con atemperador independiente de la válvula
de control:
Controlador/indicador
de temperatura
VÁLVULA
DE CONTROL
La atemperación de vapor puede hacerse sin contacto directo entre el vapor y el líquido
refrigerante, como es el caso de un intercambiador de vapor de carcasa y tubos, o mediante
contacto directo, como es el caso de los atemperadores
Todos los atemperadores tienen el mismo principio de operación. Se introduce condensado,
o simplemente agua en la tubería de vapor sobrecalentado, donde se mezcla íntimamente
con él. El agua inyectada se vaporiza al contacto con el vapor recalentado y el resultado es
un aumento del caudal de vapor a menor temperatura. Variando la cantidad de agua inyectada
puede controlarse la temperatura final del vapor.
El término “turndown ratio”, que en español puede traducirse como “rango de regulación”,
se utiliza para indicar la relación entre el flujo máximo y mínimo de vapor en los que un
atemperador determinado puede operar. Este es un parámetro importante que ha de ser
tomado en consideración para la elección de un atemperador, ya que cualquier variación en la
presión de entrada, temperatura, o caudal de vapor, implica un cambio en el caudal requerido
de agua de refrigeración.
Agua de
refrigeración
ATEMPERADOR
Vapor
sobrecalentado
Sensor de temperatura
Vapor
atemperado
Tobera
10m mínimo
Y el esquema siguiente representa la misma estación de atemperación, pero con el elemento
atemperador incorporado en la válvula atemperadora.
Controlador/indicador
de temperatura
VÁLVULA
ATEMPERADORA
Agua de
refrigeración
ATEMPERADOR
Vapor
sobrecalentado
Sensor de temperatura
Vapor
atemperado
Tobera
10m mínimo
122
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
123
Muy frecuentemente y, en especial, en condiciones de servicio severas, se necesita reducir la
presión de vapor antes de atemperarlo. En este caso, se debe utilizar lo que se conoce como sistema
de reducción de presión y atemperación, PRDS (Pressure Reducing & Desuperheating System).
Una estación de reducción de presión y atemperación de vapor está formada, además de
por el sistema de control por los siguientes componentes principales que funcionan como una
unidad, además, por supuesto, de los elementos de control auxiliares necesarios:
17.7.2 TIPOS DE VÁLVULAS ATEMPERADORAS
El tipo de válvula atemperadora de vapor más simple es una válvula de control de temperatura
del agua de refrigeración, a la que se ha incorporado, en la boca de salida, un dispositivo de
inyección del agua en la tubería de vapor. Este dispositivo de inyección de agua es lo que se
conoce como “atemperador”. Posteriormente haremos una descripción de los distintos tipos
de atemperadores más utilizados.
• Una válvula reguladora de presión del vapor.
• Una válvula de control que regula la inyección de agua mediante el control de la temperatura
del vapor aguas abajo del atemperador.
• El elemento atemperador propiamente dicho, que es el dispositivo rociador del agua en
la corriente de vapor.
Controlador/indicador
de temperatura
Válvula
atemperadora
Estos tres elementos pueden ser individuales, o pueden reunirse los dos últimos en una
válvula atemperadora, como vimos en el caso anterior, añadiendo una válvula reguladora de
presión (ver lección 16 de este curso). Pero, incluso pueden integrarse los tres elementos en
uno solo, formando lo que se conoce como una válvula reductora y atemperadora de vapor.
El primero de los siguientes esquemas muestra una PRDS con los tres elementos independientes
(válvula de control, válvula reguladora de presión y atemperador) y el segundo esquema, con
los tres integrados en un único elemento, una válvula reductora y atemperadora de vapor:
Válvula reductora
de presión
Atemperador
Vapor
sobrecalentado
Vapor
atemperado
Vástago
Agua de
refrigeración
Vapor
sobrecalentado
Sensor de temperatura
La siguiente figura muestra una válvula atemperadora de vapor de este tipo, junto con un
detalle de la zona de inyección de agua:
Válvula Controlador de
de control temperatura
Controlador
de presión
Agua
Actuador
Vapor
atemperado
Vástago
Atemperador
Brida de acoplamiento
Controlador
de presión
VÁLVULA REDUCTORA
Y ATEMPERADORA
Brida de acoplamiento
a la tubería de vapor
Agua
Conexión para
entrada de agua
Tubería
de vapor
Vapor
Controlador de
temperatura
124
VÁLVULAS
Toberas de Inyección
GRUPO CUÑADO
125
En las válvulas del tipo de atemperación en línea, la válvula se instala en la misma línea
de vapor y el agua de refrigeración se inyecta directamente en el cuerpo de la válvula.
Reducción
de presión
Vástago
Atemperación
Difusor
Jaula del
obturador
Entrada
de agua
Entrada
de vapor
Salida
de vapor
Obturador
Toberas de
inyección de agua
En otro tipo de válvulas reductoras y atemperadoras de vapor, el agua y el vapor se
mezclan en una cámara de mezclado existente en el cuerpo de la válvula, después de la jaula
de expansión, en la que se lleva a cabo la reducción de presión del vapor sobrecalentado,
como se muestra en la siguiente figura:
Más frecuentes que las válvulas atemperadoras como las descritas más arriba, son las válvulas
reductoras y atemperadoras de vapor, que cumplen la doble finalidad de reducir la presión
del vapor recalentado además de su temperatura.
Vástago
del actuador
Un modelo de este tipo de válvula es el que se muestra a continuación, en la que el vapor,
primero de expande y luego se atempera.
Actuador
El vapor sobrecalentado, al entrar en la válvula, pasa a través de la jaula del obturador, con
lo que se produce una expansión del vapor, reduciéndose su presión. En el modelo de válvula
del ejemplo, el agua de refrigeración se inyecta perpendicularmente a la corriente de vapor
mediante una corona de toberas localizadas junto a la boca de salida, donde se mezcla con
el vapor, que fluye en régimen turbulento y a alta velocidad, ocasionando la atomización del
agua. A continuación, el vapor mezclado con el agua pasa a través de un difusor para conseguir
una mezcla más completa.
En las siguientes figuras se incluye un detalle de las zonas de reducción de presión y de
atemperación en este tipo de válvulas.
Entrada
de agua
Jaula de
expansión
Cámara de
mezclado
Entrada
de vapor
Entrada
de agua
Cámara de
mezclado
Salida
de vapor
126
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
127
17.7.3 DISPOSITIVOS AUXILIARES
Agua de
refrigeración
En los sistemas de atemperación de vapor, suelen utilizarse algunos dispositivos adicionales
a las válvulas y atemperadores propiamente dichos, que tienden a mejorar la eficiencia
del sistema.
• Cámara de expansión
La mezcla vapor–agua pasa, después de la válvula, por una cámara de expansión de forma
cónica en la que se reduce la velocidad hasta un valor compatible con la práctica normal en
los sistemas de tuberías. Además, la cámara de expansión dispone de una placa difusora,
gracias a la cual se logra una mezcla más íntima vapor-agua.
PANTALLA TÉRMICA
Vapor
sobrecalentado
Vapor
atemperado
• Cono difusor
Este dispositivo suele utilizarse conjuntamente con la pantalla térmica. Es una pieza de
perfil cónico situado en el eje del tubo y cuya misión es aumentar la velocidad y turbulencia
de la mezcla vapor-agua, aumentando la eficiencia del mezclado.
Cámara de expansión
Cono difusor
Pantalla térmica
Placa difusora
Tobera de inyección
• Pantalla térmica
Es preciso controlar que la inyección de agua de refrigeración no incida directamente sobre las
paredes de la tubería, ya que esto podría generar tensiones térmicas resultantes en fracturas.
A fin de evitarlo, suelen disponerse pantallas térmicas (thermal sleeves) que no son más que
tubos situados en el interior de la tubería principal y que protegen a ésta del impacto directo del
agua rociada, creando, al mismo tiempo, una zona anular entre la pantalla y el diámetro interior
de la tubería, que permite la circulación del vapor sobrecalentado alrededor de la pantalla.
128
VÁLVULAS
17.7.4 ATEMPERADORES
Como se ha mencionado, un atemperador, o desrecalentador, es el elemento que, en
un sistema de atemperación de vapor (DS o PRDS), bien formando parte de una válvula
atemperadora, o recibiendo el agua desde una válvula de control, tiene la misión de inyectar
el agua de refrigeración en la corriente de vapor saturado para disminuir su temperatura.
GRUPO CUÑADO
129
Existen en el mercado muchos modelos de atemperadores. En este apartado se describen
algunos de los de mayor uso. Los dos modelos más utilizados son, posiblemente, el de inyección
axial y el tipo venturi.
La inyección axial del agua de refrigeración mejora el mezclado con el vapor, debido a dos
características particulares de este método:
1. Como el agua es inyectada por el eje de la tubería, su mezcla con el vapor es más completa.
• De inyección axial
En estos atemperadores, el agua se inyecta desde una o más boquillas localizadas en el
eje de la tubería. Estos atemperadores normalmente utilizan pantallas térmicas.
2. L
a tubería de agua que se inserta en la línea de vapor actúa como una obstrucción, creando
una turbulencia adicional que favorece el mezclado, como se ve en la siguiente figura:
Tubo de inyección
de agua
Turbulencias
Pantalla térmica
• Tipo venturi
Los atemperadores tipo venturi utilizan una restricción en la conducción de vapor sobrecalentado
mediante la inserción de un tubo venturi, lo que crea una zona de alta velocidad y turbulencias,
en la que se inyecta el agua de refrigeración. Esto ayuda a establecer una mezcla íntima entre
el vapor y el agua, mejorando le eficiencia del proceso de atemperamiento.
Tobera
Tobera
Una variante de este tipo consiste en girar la tobera de rociado de forma que el agua se inyecte
aguas arriba, es decir, contra la corriente de vapor. La elevada velocidad del vapor sobrecalentado
invierte el flujo del agua de refrigeración y la envía a través de una cámara de mezclado. Ello resulta
en una mezcla más eficiente y una longitud de absorción más corta.
Tubo venturi
Tobera
Difusor
Difusor interno
Difusor
Tubo venturi
Tobera
Difusor interno
A continuación se citan otros atemperadores de uso frecuente:
Tobera
Cámara de
mezclado
130
VÁLVULAS
• De inyección axial múltiple
En este caso, el agua se inyecta desde una o más boquillas localizadas en el eje de la
tubería. Estos atemperadores, en lugar de disponer de una única tobera, presentan varias
localizadas a lo largo del tubo de inyección. Esta disposición mejora la dispersión de las
partículas de agua.
GRUPO CUÑADO
131
Pueden presentarse en dos tipos diferentes:
• De área fija
Todas las toberas rociadoras permanecen abiertas. El caudal de agua de refrigeración se
regula por medio de la válvula de atemperación.
• De inyección radial en un punto
El método más simple de introducir agua de refrigeración es insertando una tobera de
rociado en la pared de la tubería, con lo que el agua es inyectada en forma perpendicular
a la corriente de vapor.
Válvula atemperadora
Válvula atemperadora
Tobera
Toberas múltiples
• De área variable
La temperatura del vapor atemperado, aguas abajo, determina el número de toberas
abiertas. El agua de refrigeración entra en el atemperador por una camisa por cuyo
interior se desplaza el obturador, en forma de pistón, de la válvula de atemperación.
Si se detecta un aumento de temperatura aguas abajo, el sistema de control acciona la
válvula, que hace descender el obturador, abriendo nuevos orificios de rociado.
Pantalla térmica
• De inyección radial en varios puntos
El agua de refrigeración es inyectada en forma radial desde varios orificios de una corona
por la periferia de la tubería.
Inyector radial
Vástago
Camisa de agua
Pistón del obturador
132
VÁLVULAS
Corona de inyección
GRUPO CUÑADO
133
• De atomización de vapor
En estos atemperadores se utiliza vapor auxiliar de alta presión para atomizar el agua
de refrigeración. El uso de vapor de atomización genera finas partículas de agua, lo que
asegura una transferencia de calor eficiente y una rápida evaporación.
2. E
n la segunda etapa, una niebla húmeda sale del difusor y se mezcla con la corriente
principal de vapor sobrecalentado. Inmediatamente se produce una evaporación aguas
abajo del atemperador y desciende la temperatura del vapor.
Agua de
refrigeración
Obturador
Resorte
1. L
a primera etapa se realiza en el difusor, donde el agua es atomizada por la alta velocidad
del vapor de alta presión. Esta presión debe ser, como mínimo 1,5 veces la de entrada del
vapor sobrecalentado. El caudal del vapor de atomización está normalmente entre el 2%
y el 5% del de la línea principal de vapor. El uso de vapor de atomización permite utilizar
agua de refrigeración a menor presión que en otros tipos de atemperador.
Vapor de
atomización
Tope
Jaula
El proceso se lleva a cabo en dos etapas:
Corona de rociado
Asiento
La posición del obturador dentro de la jaula depende del flujo de vapor sobrecalentado en la
línea principal. Si no hay flujo (a), el tapón descansa sobre su asiento rodeado por una corona o
anillo que contiene el agua de refrigeración. Cuando el vapor sobrecalentado comienza a fluir
(b), el obturador es forzado a subir separándose de su asiento y dejando entrar una pequeña
cantidad de agua. Al aumentar el flujo de vapor (c), el tapón continúa ascendiendo, hasta el
tope superior, aumentando el área abierta de la corona de agua.
Tobera
interna
Difusor
(a)
134
(b)
(c)
• De orificio variable
Un atemperador de orificio variable controla el flujo de agua de refrigeración por medio
de un obturador o tapón flotando libremente en la corriente de vapor sobrecalentado.
La velocidad de paso del vapor por el atemperador crea una caída de presión en el anillo de
agua, forzando la entrada de agua de refrigeración en la corriente de vapor, en forma de fina
neblina. Además, la turbulencia asociada al cambio de velocidad y dirección del vapor ayuda a
la mezcla entre el vapor y el agua y a conseguir una longitud de absorción relativamente corta.
El obturador se mueve verticalmente guiado por el interior de una jaula. Su movimiento
está limitado por un tope situado en la parte superior de la jaula y por un asiento en la
inferior. El obturador está provisto de un mecanismo de resorte que aumenta la fricción
entre el obturador y la jaula, frenando en cierto modo su movimiento.
El hecho de que el agua de refrigeración no sea inyectada a presión en la tubería de
vapor y que prácticamente todo el proceso de atemperamiento se produzca en el cuerpo del
atemperador, implica que la erosión de la tubería o el propio atemperador sea mínima. Por
ello, en este tipo de atemperador no se requiere el uso de pantallas térmicas.
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
135
Así como la mayoría de los atemperadores pueden instalarse tanto en tramos horizontales
como verticales de tubería, los del tipo de orificio variable han de instalarse en vertical y con
el flujo de vapor en sentido ascendente.
Este es un parámetro importante que ha de ser tomado en consideración, ya que cualquier
variación en la presión de entrada, temperatura, o caudal de vapor, implica un cambio en el
caudal requerido de agua de refrigeración.
Si es precisa su instalación en una línea de vapor horizontal, debe adoptarse la configuración
que se muestra en la siguiente figura:
A continuación se incluye una tabla que incluye algunas de las características aplicables a
los tipos de atemperadores más utilizados:
Sensor de temperatura
Controlador de
temperatura
1
2
3
4
Inyección axial
3:1
10º
0,5
6,0
50
1.200
Venturi
5:1
3º
1.0
6,0
50
1.300
Inyección axial múltiple
(área fija)
8:1
8º
4.0
6,0
150
1.500
Inyección axial múltiple
(área variable)
12:1
8º
3,5
9,0
150
1.500
Inyección radial múltiple
3:1
10º
1.0
6,0
20
600
Atomización de vapor
50:1
6º
Mayor que la
del vapor
1,5
100
1.500
Orificio variable
9:1
8º
15,5
9,0
150
600
TIPO
Codo 90º radio largo
Válvula de atemperación
Atemperador de orificio variable
Codo 90º radio largo
Mín
5
Máx
1. Relación de turndown del vapor
2. Temperatura mínima por encima de la de saturación (ºC)
3. Presión mínima del agua de refrigeración por encima de la presión del vapor sobrecalentado (bar).
17.7.5 ELECCIÓN DE UN ATEMPERADOR
Para elegir el atemperador más adecuado para el servicio al que va a ser destinado, es
preciso tomar en consideración, además del aspecto económico, otros factores tales como
condiciones de presión y temperatura del vapor sobrecalentado, condiciones a las que se
desea obtener el vapor atemperado, tamaño de la conducción de vapor, presión del agua de
refrigeración disponible, etc.
4. Velocidad a caudal mínimo (m/s)
5. Tamaño de la tubería de vapor (DN)
Un parámetro aplicable a los atemperadores es la relación de turndown (turndown ratio) de
vapor, que en español puede traducirse como “relación de retorno”, aunque se suele emplear
su término en inglés.
La relación de turndown expresa la relación entre el flujo máximo y mínimo de vapor en
los que un atemperador determinado puede operar.
Turndown
136
VÁLVULAS
Flujo máximo
Flujo mínimo
GRUPO CUÑADO
137
18
ACTUADORES
138
VÁLVULAS
Introducción
140
18.1 Clasificación
141
18.2 Criterios de elección
142
18.3 Actuadores eléctricos
143
18.3.1 Acción lineal
143
18.3.2 Acción rotativa
144
18.4 Actuadores neumáticos
145
18.4.1 Acción lineal
146
18.4.2 De cremallera y piñón
146
18.4.3 De yugo escocés
148
18.5 Actuadores hidráulicos
150
18.6 Actuadores electro-hidráulicos
151
18.7 Actuadores de gas
152
18.7.1Directos
152
18.7.2 Gas sobre aceite
152
18.8 Conexión actuador-válvula
153
18.9 Elementos de control en panel
154
GRUPO CUÑADO
139
18.1
CLASIFICACIÓN
La variedad de actuadores disponibles en el mercado es muy variada. En este curso vamos
a presentar aquellos más usuales en la industria de la valvulería.
En la lección relativa a las Válvulas de Control se describían los actuadores de muellediafragma, como los más usuales en aquél tipo de válvulas. Excluimos, por tanto, en esta
lección, este tipo de actuadores, centrándonos en el resto de ellos.
La clasificación más racional que se puede establecer es la basada en el tipo de energía
con la que son alimentados. De acuerdo con este principio, los actuadores pueden ser de los
siguientes tipos:
INTRODUCCIÓN
Hemos considerado de interés el incluir, como colofón de este curso de Válvulas, una última
lección que de una visión general de un producto industrial de importantísima aplicación al
mundo de las válvulas. Este elemento es el actuador.
ELÉCTRICOS
Acción lineal
Acción rotativa
Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía eléctrica, neumática o hidráulica,
en una acción mecánica capaz de accionar los elementos de apertura y cierre de una válvula.
De cuarto de vuelta
La necesidad del uso de un actuador, en lugar de optar por el accionamiento manual puede
deberse a varias razones:
• Dificultad de acceso a la válvula por su situación física
• Dificultad de maniobra manual por el esfuerzo requerido
• Por la necesidad de automatización de la válvula
Multivueltas
Simple efecto
NEUMÁTICOS O
HIDRÁULICOS
Acción lineal
Doble efecto
Simple efecto
Acción rotativa
Cremallera y piñón
Doble efecto
Aunque existe en el mercado una gran variedad de tipos y modelos de actuadores, en este
curso nos hemos limitado a describir los más utilizados en la actualidad.
Yugo escocés
OTROS TIPOS
Electro-hidráulicos
De gas
Directos
Gas sobre aceite
Actuador eléctrico
140
VÁLVULAS
Actuador neumático
Actuador hidráulico
GRUPO CUÑADO
141
18.2
CRITERIOS DE ELECCIÓN
18.3
ACTUADORES ELÉCTRICOS
A la hora de elegir el actuador más adecuado, es preciso tomar en consideración diferentes
condicionantes (coste, rapidez de actuación, disponibilidad de la energía requerida, etc.)
Un actuador eléctrico está formado, generalmente, por un motor eléctrico y los mecanismos
necesarios para transmitir el movimiento deseado al eje de accionamiento, conectado al
vástago de la válvula.
En el siguiente cuadro se presentan las principales ventajas y desventajas que presentan los
tres tipos más usuales de actuadores. Excluimos de esta evaluación los actuadores de gas, ya
que éstos tienen su uso limitado a conducciones de gas natural.
TIPO
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Eléctricos
Precisos y fiables
Silenciosos
Fácil control
Fácil instalación
Potencia limitada
Neumáticos
Bajo costo
Rápidos
Sencillos
Robustos
Ruidosos
Requieren instalaciones especiales
Hidráulicos
Rápidos
Esfuerzos elevados
Estos mecanismos incluyen uno o varios trenes
de engranajes y limitadores de par y de recorrido.
Normalmente disponen, además, de un volante de
accionamiento manual, para su operación en caso
de fallo de energía.
Por ir provistas de motor eléctrico, las válvulas
dotadas de este tipo de actuadores, se denominan
válvulas motorizadas.
Los actuadores eléctricos son muy utilizados para
servicios de control de procesos. Las señales eléctricas
se transmiten, entre el centro de control de proceso
y el actuador, a través de una unidad de control.
Requieren instalaciones especiales
Difícil mantenimiento
Coste elevado
Válvula de compuerta con
actuador eléctrico y volante
para accionamiento manual
18.3.1 ACCIÓN LINEAL
Un actuador eléctrico de acción lineal necesita transformar el movimiento de giro del
motor eléctrico en el movimiento lineal que debe transmitirse al vástago de la válvula. Ello
se logra mediante un tren de engranajes.
Este tipo de actuadores no es muy utilizado. Su uso se limita a algunas válvulas cuyo
obturador tenga movimiento lineal, como ocurre con las válvulas de compuerta y globo de
pequeño tamaño. También pueden sustituir a los actuadores de muelle-diafragma de válvulas
de control cuando no haya disponible aire comprimido.
Tren de engranajes
Motor
eléctrico
Vástago
142
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
143
18.4
ACTUADORES NEUMÁTICOS
18.3.2 ACCIÓN ROTATIVA
En los actuadores de acción rotativa, el movimiento de giro del motor se transmite al eje
de accionamiento, reduciendo la velocidad de giro mediante trenes de engranajes.
Los actuadores neumáticos utilizan el empuje que una inyección de aire comprimido en el
actuador produce sobre un diafragma membrana (actuador tipo muelle-diafragma) o sobre
un pistón (actuador tipo pistón).
Los actuadores del tipo muelle-diafragma han sido descritos en la lección de Válvulas de
Control. Por ello, en esta lección nos limitaremos al estudio de los actuadores de pistón.
Estos actuadores pueden ser de dos tipos:
• MULTIVUELTAS
En éstos, el eje gira las vueltas necesarias para abrir o cerrar totalmente la válvula a la
que va acoplada.
Este tipo de actuadores se utiliza frecuentemente en válvulas de compuerta y de globo.
• DE CUARTO DE VUELTA
Son similares en todo a los multivueltas, pero provistos de un reductor (interno o externo)
que transforma el multivueltas en 90º.
Se usan con todo tipo de válvulas de cuarto de vuelta, como son las de mariposa o bola.
1
3
El componente principal de un actuador neumático es el cilindro neumático, por el interior
del cual se desplaza un émbolo o pistón, impulsado por aire comprimido. Cuando el movimiento
lineal del pistón es transmitido directamente al vástago de la válvula se obtiene un actuador de
acción lineal. Si el movimiento lineal del pistón es transformado, mediante algún mecanismo,
en movimiento rotativo, se obtiene un actuador de acción rotativa.
Es preciso diferenciar dos tipos de cilindros neumáticos:
• DE SIMPLE EFECTO
En los cilindros de simple efecto
solamente hay una entrada de aire.
Para que el pistón retorne, se corta el
suministro de aire y un muelle lo empuja
hacia su posición inicial.
Aire
Movimiento
5
8
6
• DE DOBLE EFECTO
Disponen de dos entradas de aire, una a cada extremo del cilindro. Dependiendo de la
entrada por la que se inyecte el aire, el pistón se desplaza en uno u otro sentido.
Dependiendo del tipo de cilindro de que vayan provistos, todos los actuadores neumáticos
admiten la misma clasificación de simple efecto o doble efecto.
7
4
1. Motor eléctrico
2. Sensores de fin de carrera y de par
3. Tren de engranajes
4. Conexión al vástago de la válvula
5. Accionamiento manual
6. Control del actuador
7. Conexión eléctrica
8. Palanca de bloqueo
2
Aire
Movimiento
Movimiento
144
VÁLVULAS
Aire
GRUPO CUÑADO
145
18.4.1 ACCIÓN LINEAL
Los actuadores neumáticos de acción lineal se denominan así porque el vástago del cilindro
neumático transmite directamente su movimiento lineal al vástago de la válvula.
Este tipo de actuadores, normalmente se utiliza en válvulas de cuarto de vuelta. Dentro
de la categoría de actuadores neumáticos, son, posiblemente los de mayor utilización.
Pueden ser:
• DE ACCIÓN SENCILLA
Se dice que son de acción sencilla, o simple, cuando una sola cremallera actúa al piñón
que va conectado al vástago.
A su vez, pueden ser de un solo cilindro, o de dos cilindros, actuando cada uno de ellos
por un extremo de la cremallera.
Indicador de posición
Como todos los actuadores neumáticos, los de acción lineal pueden ser de simple efecto o
doble efecto, en función del tipo de cilindro de que vayan provistos.
Aire
Muelle
Aire
Tope regulable
Muelle
Cremallera
Aire
(Abriendo válvula)
(Cerrando válvula)
Vástago
Pistón
De un cilindro
Pistón
Piñón
Aire
Vástago
Entrada/Salida de aire
Entrada/Salida de aire
Aire
Tope
regulable
Vástago
Simple efecto
Doble efecto
Tope
regulable
Pistón Cremallera
Pistón
De dos cilindros
18.4.2 DE CREMALLERA Y PIÑÓN
En los actuadores de acción rotativa, es preciso convertir el movimiento lineal del vástago
del cilindro neumático en giratorio, para ello, existen diversos dispositivos.
El más utilizado es el llamado de cremallera y piñón (rack and pinion). En él, el vástago
del cilindro neumático está conectado a un engranaje recto (cremallera) que a su vez engrana
con otro de tipo piñón. Éste va solidariamente unido al vástago de la válvula, al que transmite
su movimiento de giro. Como ya se ha mencionado, estos actuadores también pueden ser
accionados por cilindros de simple o doble efecto.
146
VÁLVULAS
• DE ACCIÓN DUAL
Los actuadores de acción dual van provistos de dos cremalleras que accionan simultáneamente,
en dos puntos diametralmente opuestos, al piñón conectado al vástago. Esta disposición permite
equilibrar los esfuerzos generados sobre el vástago de la válvula.
El recorrido de los pistones se limita de forma que el piñón solo gire 90º, por lo que estos
actuadores solo se acoplan a válvulas de cuarto de vuelta.
GRUPO CUÑADO
147
Esquema de funcionamiento
Eje de giro
Aire
Aire
Válvula abriendo
Barra guía
Yugo
Biela
Válvula cerrando
Simple efecto
Aire
Mecanismo de yugo escocés
Aire
Aire
Aire Aire
Aire
Válvula abriendo
Aire
Aire
Válvula cerrando
Doble efecto
Indicador de posición
Piñón
Los actuadores de yugo escocés de simple efecto están formados por tres módulos. El primer
módulo contiene en su interior el cilindro neumático, el intermedio, el yugo y el último, el
muelle de recuperación.
Módulo de
cilindro
Módulo
de yugo
Módulo de muelle
Tope regulable
Pistón
Biela
Muelle
Barra guía
Yugo
Pistón
Muelle
Cremallera
Tope regulable
Aire
Vástago
Los actuadores de doble efecto tienen
solo dos módulos, ya que carecen del módulo
de muelle.
Aire
Actuador de cremallera y piñón de acción dual y simple efecto
Cilindro neumático
Barra guía
Aire
Biela
18.4.3 DE YUGO ESCOCÉS
Otro mecanismo muy utilizado en los actuadores neumáticos para transformar el movimiento
lineal en rotativo es el llamado yugo escocés (scotch yoke), que consiste en una biela que
encaja en una ranura del yugo, a cuyo eje de giro va, a su vez, conectado el vástago de la
válvula, que gira solidariamente con el eje del yugo. Al ser este giro limitado, estos actuadores
se utilizan únicamente con válvulas de un cuarto de vuelta y no con las multivueltas.
148
VÁLVULAS
Pistón
Aire
Yugo
Eje de giro
GRUPO CUÑADO
149
18.5
ACTUADORES HIDRÁULICOS
18.6
ACTUADORES ELECTRO-HIDRÁULICOS
Los actuadores hidráulicos son muy similares en todo a los neumáticos. Se diferencian de
éstos en que el fluido utilizado para proporcionar la energía suficiente para accionar el actuador
es un líquido, en lugar de aire. Por ello se utilizan cilindros hidráulicos en lugar de neumáticos.
Últimamente está experimentando mucho auge un tipo particular de actuadores, que son
los llamados actuadores electro-hidráulicos. Estos actuadores se utilizan cuando se requiere
una acción hidráulica para obtener la potencia suficiente pero, como ocurre frecuentemente,
no hay disponible una instalación que proporcione el fluido a presión requerido. El actuador
electro-hidráulico se alimenta con energía eléctrica que acciona un motor eléctrico, el cual a
su vez acciona una bomba que impulsa el fluido hidráulico contenido en un recipiente. Este
fluido hidráulico acciona un actuador hidráulico convencional.
La razón principal para elegir un actuador hidráulico en lugar de neumático es la fuerza
requerida para accionar la válvula ya que el accionamiento hidráulico proporciona una fuerza
superior. Todo lo indicado para actuadores neumáticos, en cuanto a tipos de actuadores,
configuración de los mismos, etc. es válido para los actuadores hidráulicos. Por esta razón
obviamos la descripción de estos actuadores.
Como ejemplo, se muestra un actuador hidráulico de yugo escocés y simple efecto.
Un actuador electro-hidráulico está formado por dos módulos:
• Un módulo de energía que contiene los elementos eléctricos e hidráulicos necesarios
para alimentar el actuador.
• Un módulo actuador que consiste en el actuador hidráulico propiamente dicho.
Actuador electro-hidráulico de yugo escocés
Conexión entre módulos Indicador de posición
Eje de giro
Yugo
Actuador hidráulico
Tornillo tope
Cilindro hidráulico
Muelle
Tornillo tope
Módulo del actuador
Barra guía
Módulo de energía
Sistema de control
Pistón
Biela
Válvula de bola con
actuador electro-hidráulico
Módulo de energía
1
2
3
4
5
9
8
7
6
1. Caja de control
2. Filtro
3. Bomba eléctrica
4. Recipiente de flujo hidráulico
5. Manómetro
6. Válvula de selección manual-automática
7. Bomba manual de emergencia
8. Depósito acumulador de fluido hidráulico a presión
9. Motor eléctrico
150
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
151
18.7
ACTUADORES DE GAS
18.8
CONEXIÓN ACTUADOR-VÁLVULA
En los gasoductos para accionar las válvulas localizadas en lugares apartados, donde no hay
otra fuente de energía disponible, o en las líneas submarinas (sealines), es preciso recurrir a
la energía de la propia presión del gas transportado para accionar el actuador.
A fin de llevar a cabo la conexión mecánica entre el actuador y la válvula, es preciso, en
primer lugar, realizar un acoplamiento solidario entre el vástago del actuador y el de la válvula.
Además, se precisa colocar un soporte rígido sobre la válvula, sobre el que debe descansar
el actuador.
Los actuadores que aprovechan la energía del gas natural transportado por el gasoducto
pueden diferenciarse en dos grandes grupos:
• Actuadores de gas directos
• Actuadores de gas sobre aceite
En el mercado hay muchos tipos, tanto de acoplamientos como de soportes.
A continuación se muestran los más comunes.
18.7.1 DIRECTOS
Si el hidrocarburo transportado por el gasoducto es “dulce”,
es decir que no contiene sulfuro de hidrógeno, puede utilizarse
directamente el gas sobre el actuador, como en un actuador
neumático. Estos actuadores se conocen como actuadores de
gas directos, o simplemente, de gas.
Actuador de gas en
válvula de gasoducto
18.7.2 GAS SOBRE ACEITE
Pero si el gas es “ácido” lo que significa que contiene una alta concentración de sulfuro de
hidrógeno, entonces se utilizan los llamados actuadores de gas sobre aceite.
En estos actuadores también se aprovecha la presión del gas transportado por el gasoducto,
pero, en vez de actuar directamente, a fin de evitar el contacto del gas “ácido” con los internos
del actuador, lo hace sobre un cilindro hidráulico, que es el que actúa sobre el vástago de la
válvula, por lo que este actuador funciona como un actuador hidráulico.
Soportes
Tanques Gas/hidráulico
Válvula de control
Vástago
Acoplamiento
Bomba manual
Cilindro hidráulico
Soporte
Conjunto soporte - acoplamientos
Acoplamientos
Cilindro hidráulico
Actuador de horquilla escocesa
Actuador gas sobre aceite en válvula de gasoducto
152
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
153
18.9
ELEMENTOS DE CONTROL EN PANEL
Con el fin de centralizar la operación de un actuador desde un panel central de control, es
frecuente disponer en él algunos elementos de control del actuador.
Una válvula solenoide típica utilizada para el control de un actuador neumático es la llamada
“de tres vías”: (1) entrada de aire de instrumentos, (2) salida al actuador y (3) escape del aire.
Aquí nos limitaremos a mencionar los elementos de control más básicos que suelen instalarse
en panel:
(3)
(2)
• Filtro manureductor
Es un elemento que reduce la presión de la red de aire comprimido con el fin de hacerla
válida para su utilización en los actuadores neumáticos.
El manoreductor lleva incorporado un filtro que elimina impurezas y seca el aire. Suelen
instalarse en el panel de control con un manómetro que indica la presión reducida, facilitando
la operación de ajuste.
SOLENOIDE
(1)
(3)
(2)
SOLENOIDE
(1)
• Finales de carrera
Un final de carrera es un dispositivo, eléctrico o neumático que envía una señal al posicionador
del actuador con el fin de limitar su recorrido entre dos posiciones, superior e inferior. A su
vez, nos permite conocer la posición de apertura o cierre de la válvula.
• Válvula solenoide
Una válvula solenoide o, simplemente, un solenoide consiste, básicamente, en una bobina
por la que circula una corriente eléctrica creando un campo magnético en su interior, el cual
atrae un elemento obturador tipo pistón, en función de la circulación, o no, de corriente por
el solenoide
Las válvulas solenoide se utilizan en los actuadores neumáticos para controlar el suministro
de aire. Esta operación se lleva a cabo dejando pasar o deteniendo el paso de aire en un lado
del pistón y dejándolo salir al exterior en la otra.
154
VÁLVULAS
GRUPO CUÑADO
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NOTAS
Curso de
Válvulas
C/ Camino del Olivar, 2 (Esquina Calle México)
28806 Alcalá de Henares – Madrid (SPAIN)
Tel.: (+34) 91 887 87 00 / Fax: (+34) 91 887 87 33
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Curso de Válvulas - Volumen 2
Manual de Formación para Profesionales
Vol. 2