UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA Y CIVIL CAMPUS COATZACOALCOS

“TEORIA DIMENSIONAMIENTO Y EFECTO DE LAS VALVULAS DE CONTROL EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES”

MONOGRAFIA Que para obtener el titulo de:

Ingeniero Mecánico Electricista Presenta:

Juan Manuel López Cortéz

Coatzacoalcos Ver.

2011

2

*DEDICATORIAS*

A DIOS:

A MIS PADRES:

Ya que gracias a él contamos con

Por todo el apoyo que nos ofrecieron

todas las capacidades para poder

al

realizar todo lo que esté a nuestro

encaminándonos por la dirección de la

alcance. En cierto modo por darnos la

perfección; siendo ellos un ejemplo

vida y sobre todas las cosas porque

completo de la responsabilidad, del

Dios se halla en la punta de nuestros

esfuerzo y de la entrega total en

bolígrafos, de los pinceles, de las

nuestras labores diarias, mismas que

agujas, de los corazones, pero sobre

nos abrirán las puertas en un futuro.

realizar

este

trabajo,

todo en nuestro pensamiento.

A NUESTROS PROFESORES:

A NUESTROS PROPIOS AMIGOS:

Ellos juegan un papel muy importante

Los propios amigos nos necesitamos

en

unos

nuestro

estudiantes,

desempeño puesto

que

como

a

los

otros,

puesto

que

siempre

necesitamos del intercambio de las

estarán ahí cuando necesitemos de

ideas y de la valoración de la amistad,

ellos, y sobre todo aconsejándonos,

para poder así llegar a una sola

que no consideremos al estudio como

conclusión, sabiendo que un amigo es

un deber, sino como una oportunidad

aquel que adivina siempre el momento

para llegar al maravilloso mundo del

preciso en que se le necesita.

saber.

3

INDICE PAGINAS

INTRODUCCION

7

JUSTIFICACION

8

OBJETIVO GENERAL

8

CAPITULO I .- DEFINICIONES Y CONCEPTOS 1.1.- Válvula de control

10

1.2.- Actuador

13

1.3.- Cuerpo de la Válvula

13

1.4.- Categorías de Válvulas.

13

1.4.1.- Válvulas de compuerta

14

1.4.2.- Válvulas de macho

16

1.4.3.- Válvulas de globo

18

1.4.4.- Válvulas de bola

19

1.4.5.- Válvulas de mariposa

21

1.4.6.- Válvulas de diafragma

23

1.4.7.- Válvulas de apriete

24

1.4.8.- Válvulas de retención (check) y de desahogo (alivio)

26

1.4.8.1.1.- Válvulas de retención de columpio

26

1.4.8.1.2.-Válvulas de retención de elevación

28

1.4.8.1.3.-Válvula de retención de mariposa

29

1.4.8.2.-Válvulas de desahogo (alivio)

30

4

CAPITULO II.- LA VÁLVULA COMO ELEMENTO FINAL PARA EL CONTROL DE PROCESOS EN LOS SISTEMAS DE CONTROL. 2.1. Dimensionamiento de la válvula de control

36

2.2.- Cuestionamientos

42

2.3.- Análisis y cálculos

42

2.3.1.- Cálculo del diámetro de la válvula y aperturas normales de trabajo.

42

2.3.2.- Calculo del máximo caudal que circulara por la válvula

44

2.3.3.-Calculo del caudal en función de la apertura (característica de flujo

46

instalada) y ganancia de la válvula en el rango normal de trabajo

2.3.4.- La característica inherente de la válvula instalada.

48

2.4.- La válvula de control como elemento final de control.

49

2.4.1.-Que es la Válvulas de control.

49

2.5.- Especificación de válvulas de control.

51

2.6.- Tipos de Válvulas de control

52

CAPITULO III COMPORTAMIENTO DE LA VALVULA DE CONTROL EN LOS SISTEMAS DE CONTROL PARA PROCESOS INDUSTRIALES

3.1.- Efecto de las válvulas de control en los procesos.

55

3.2.- Comportamiento de la válvula de control en un controlador todo-nada

58

(on-off).

5

3.3.- Comportamiento de la válvula de control con la acción de un sistema

62

de control proporcional.

3.4.- Comportamiento de la válvula de control con la acción de un sistema

64

de control integral.

3.5.- Comportamiento de la válvula de control con la acción de un sistema

65

de control proporcional más integral.

3.6.- Fallas más comunes de las válvulas de control en los procesos

68

industriales.

3.6.1.- Elementos de regulación y control

70

3.6.2.- Elementos específicos de seguridad.

72

3.6.3.- Válvulas, modos de fallo y tipos de accidentes

74

3.6.4.- Descripciones de fallas

75

3.7.- Selección de Válvulas. Importancia de la prevención

81

CONCLUSIONES

89

BIBLIOGRAFIA

90

6

INTRODUCCIÓN El control automático ha evolucionado rápidamente desde un arte relativamente crudo hasta una ciencia de altas matemáticas. Sin embargo en este trabajo no se pretende desarrollar los aspectos avanzados de los sistemas de control, sino más bien resumir ciertos fundamentos para que sirvan de base para trabajos que traten de aplicaciones especificas de control en la industria. Las cuatro componentes básicas de un sistema de control pueden ser consideradas las siguientes: 1.- El proceso, 2.- El transmisor, 3.- El controlador y 4.- El elemento final de control. Y será la sección del elemento de control final o el elemento de control final, el objeto de estudio en este trabajo en especial las válvulas de control. El elemento final de control es un dispositivo que puede ser impulsado por la señal de salida del controlador para regular el flujo de energía o material para un proceso (válvulas de control, interruptores, reóstato, impulsores de bombas de velocidad variable y servomecanismos). De esta forma una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación de líquidos o mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios.

Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria debido a su uso. Las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia. Por lo antes mencionado, en este trabajo se analizaran las características como los materiales

de

construcción,

clasificación,

mantenimientos

requeridos

y

especificaciones así como las ventajas y desventajas que ofrecen estos elementos finales de control,(válvulas de control).

7

JUSTIFICACION En este trabajo se pretende conceptualizar los términos más comúnmente utilizados en los Sistemas de control que se encuentran en la industria principalmente los elementos finales de control en especial las válvulas de control.

De esta forma se dará a conocer los términos más utilizados comúnmente así como la clasificación de las válvulas y sus aplicaciones o servicio en general como en aceites, petróleo, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.

También se mencionara sus ventajas como la Alta capacidad, Cierre hermético, Bajo Costo y funcionamiento sencillos. Poca resistencia a la circulación. Y sus Desventajas. Por ultimo se mencionara el tipo de mantenimiento al que deben ser sometidas las válvulas.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar una guía que sirva como ejemplo para analizar sistemas de control de lazo cerrado en sus cuatro componentes básicos en especial en los elementos finales de control, por usuarios esporádicos pero con los conocimientos básicos de sistemas de control. También se mencionara en este trabajo las características de cada tipo de válvula que se fabrica con una descripción general de cada tipo en un formato general. Se darán recomendaciones para servicio, aplicaciones, ventajas, desventajas y otra información útil. Por ultimo será la válvula de control automática, el objeto de análisis para comprender su comportamiento con los diferentes modos de control existentes.

8

9

CAPITULO I DEFINICIONES Y CONCEPTOS. 1.1.- Válvula de control: La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en un lazo de control de lazo cerrado instalado en la línea del proceso como se puede apreciar en la figura 1 y se comporta como un orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada. Variable manipulada

Variable controlada por el elemento final de control (Válvula) PROCESO CONTROLADOR

1.- Esquema de control de lazo cerrado

En la industria los términos mas usados en este sistema de lazo cerrado son: Variable controlada.- Es la condición o cantidad que se mide para su control (presión, temperatura, flujo, nivel, etc.) Medio controlado.- Es la materia o sustancia del cual la variable controlada es una condición o característica (agua, vapor, combustible, etc.) Variable manipulada.- Es la condición o cantidad variada por el elemento final de control, de tal forma que afecte el valor de la variable controlada. Agente de control.- Es la materia o sustancia del cual la variable manipulada es una condición o característica. Estado estable.- Es cuando el proceso se encuentra estable y la variable controlada es constante.

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Punto de control.- Es el valor de la variable controlada en estado estable.

Punto de ajuste.- Es el valor deseado de la variable controlada.

Desviación.- Es la diferencia entere el valor medio de la variable controlada en un momento dado y el punto de ajuste.

Retroenlace.- Es la señal que está relacionada con la variable controlada.

Señal de error.- Es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de retroenlace. Proceso.- Es un fenómeno químico o físico-químico en el cual se realizan transformaciones, consiste de una operación o serie de operaciones las cuales producen un resultado final.

Elemento final de control.- Es el elemento de un sistema de control que produce directamente cambios en la variable manipulada. Transmisor.- Dispositivo que detecta una variable del proceso mediante un elemento primario y que tiene una salida cuyo valor estacionaria varía solo con una función predeterminada de la variable proceso.

Aire de suministro.- Es la energía que utiliza los equipos neumáticos para operar. El aire de instrumento deberá ser puro y seco.

Presión.- Es la fuerza aplicada a un área predeterminada.

Partes de la válvula de control. Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo.

11

FIGURA 1.- VALVULA DE CONTROL COMPLETA CON ACTUADOR.

DIAFRAGMA

CARCASA

PLATO DEL DIAGRAGMA

RESORTE DEL ACTUADOR

VASTAGO DEL ACTUADOR

ASIENTO DEL RESORTE AJUSTADOR DEL RESORTE YUGO CONECTOR ESCALA INDICADOR

FIGURA 2.- PARTES DE LA VÁLVULA DE CONTROL

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1.2.- Actuador: El actuador también llamado accionador o motor, puede ser neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte. Lo que se busca en un actuador de tipo neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los actuadores.

Se puede seleccionar el área del diafragma y la constante del resorte de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera.

1.3.- Cuerpo de la válvula: El cuerpo de la válvula esta provisto de un obturador o tapón, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la dirección de su propio eje mediante un movimiento. Esta unido por medio de un vástago al actuador.

1.4.- Categorías de válvulas. Debido a las diferentes variables no puede haber una válvula universal; por tanto, para satisfacer los cambiantes requisitos de la industria se han creado innumerables diseños y variantes con el paso de los años, conforme se han desarrollado nuevos materiales. Todos los tipos de válvulas recaen en nueve categorías: I.- Válvulas de compuerta. II.- Válvulas de globo.

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III.- Válvulas de bola. IV.- Válvulas de mariposa. V.- Válvulas de apriete. VI.- Válvulas de diafragma. VII.- Válvulas de macho. VIII.- Válvulas de retención. IX.- Válvulas de desahogo (alivio). Estas categorías básicas se describen a continuación. Seria imposible mencionar todas las características de cada tipo de válvula que se fabrica y no se ha intentado hacerlo. Más bien se presenta una descripción general de cada tipo Y se dan recomendaciones

para

servicio,

aplicaciones,

ventajas,

desventajas

y

otra

información útil. 1.4.1.- VÁLVULAS DE COMPUERTA. La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento (fig. 3)

. FIGURA 3.- VÁLVULA DE COMPUERTA.

14

Válvula de compuerta Recomendada para: 1.- Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación. 2.- Para uso poco frecuente. 3.- 3.- Para resistencia mínima a la circulación 4.-Para mínimas cantidades de fluido o líquido atrapado en la tubería. APLICACIONES 5.- Servicio general, aceites, petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor, gases, líquidos no condensables y líquidos corrosivos.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

1.- Alta capacidad

1.- Control deficiente de la circulación

2.- Cierre hermético

2.- Se requiere mucha fuerza para :::::::accionarla

3.- Bajo costo

3.- Produce cavitación con baja caída de ….presión

4.- Diseño y funcionamiento sencillos

4.- Debe estar abierta o cerrada por …..completo

5.- Poca resistencia a la circulación

5.- La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.

Materiales de construcción: Cuerpo de bronce, hierro fundido, hierro, acero forjado, monel, acero fundido, acero inoxidable, plástico de PVC.

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Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Lubricar a intervalos periódicos. Corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. Enfriar siempre el sistema al cerrar una tubería para líquidos calientes y al comprobar que las válvulas estén cerradas. No cerrar nunca las llaves a la fuerza con la llave o una palanca. Cerrar las válvulas con lentitud para ayudar a descargar los sedimentos y mugre atrapados. Lubricar a intervalos periódicos.

1.4.2.- VÁLVULAS DE MACHO La válvula de macho es de ¼ de vuelta, que controla la circulación por medio de un macho cilíndrico o cónico que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90° (fig. 1-2).

FIGURA 4.- VÁLVULA DE MACHO.

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Válvula de Macho Recomendada para: 1.- Servicio con apertura total o cierre total. 2.- Para accionamiento frecuente. 3.- 3.- Para baja caída de presión a través de la válvula 4.- Para resistencia mínima a la circulación.. 5.- Para cantidad mínima de fluido atrapado en la tubería APLICACIONES 6.- Servicio general, pastas semilíquidas, líquidos, vapores, gases, corrosivos.

VENTAJAS 1.- Alta capacidad

DESVENTAJAS 1.- Requiere alta torsión (par) para …..Accionarla.

2.- Cierre hermético

2.- Desgaste del asiento

3.- Bajo costo

3.- Cavitación con baja caída de presión

4.- Funcionamiento rápido.

Materiales de Construcción: Hierro, hierro dúctil, acero al

carbono, acero

inoxidable, aleación 20, Monel, níquel, Hastelloy, camisa de plástico

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Dejar espacio libre para mover la manija en las válvulas accionadas con una llave. En las válvulas con macho lubricado, hacerlo antes de ponerlas en servicio. En las válvulas con macho lubricado, lubricarlas a intervalos periódicos. 17

1.4.3.- VÁLVULAS DE GLOBO Una válvula de globo es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar paralelo con la circulación en la tubería (fig. 1-3).

FIGURA 5.- VÁLVULA DE GLOBO. Válvula de Globo Recomendada para: 1.- Estrangulación o regulación de circulación. 2.- Para accionamiento frecuente. 3.- 3.- Para corte positivo de gases o aire 4.- Cuando es aceptable cierta resistencia a la circulación. APLICACIONES 5.- Servicio general, líquidos, vapores, gases, corrosivos, pastas semilíquidas. VENTAJAS 1.- Estrangulación eficiente con

DESVENTAJAS 1.- Gran caída de presión.

estiramiento o erosión mínimos del disco o asiento

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2.- Carrera corta del disco y pocas

2.- Costo relativo elevado

vueltas para accionarlas, lo cual reduce el tiempo y desgaste en el vástago y el bonete 3.- Control preciso de la circulación

3.- Cavitación con baja caída de presión

4.- Disponible con orificios múltiples. Materiales de construcción: Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, plásticos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Instalar de modo que la presión este debajo del disco, excepto en servicio con vapor a alta temperatura. Apretar la tuerca de la empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas por la empaquetadura. 1.4.4.- VÁLVULAS DE BOLA Las válvulas de bola son de ¼ de vuelta, en las cuales una bola taladrada gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto (fig. 1-4).

FIGURA 6.-VÁLVULA DE BOLA.

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Válvula de Bola Recomendada para: 1.- Para servicio de conducción y corte, sin estrangulación. 2.- Cuando se requiere apertura rápida. 3.- 3.- Para temperaturas moderadas 4.- Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación APLICACIONES 5.- Servicio general, altas temperaturas, pastas semilíquidas. VENTAJAS 1.- Bajo costo

DESVENTAJAS 1.- Características deficientes para estrangulación.

2.- Alta capacidad.

2.- Alta torsión para accionarla

3.- Corte bidireccional

3.- Susceptible al desgaste de sellos o

4.- Circulación en línea recta.

empaquetaduras

5.- Pocas fugas

4.-Propensa a la cavitación.

6.- Se limpia por si sola

5.- Alto costo

7.- Poco mantenimiento 8.- No requiere lubricación 9.- Tamaño compacto 10.- Cierre hermético con baja torsión (par)

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Materiales: Cuerpo: hierro fundido, hierro dúctil, bronce, latón, aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables, titanio, tántalo, zirconio; plásticos de polipropileno y PVC.

Asiento: TFE, TFE con llenado, Nylon, Buna-N, neopreno.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Dejar suficiente espacio para accionar una manija larga.

1.4.5.- VÁLVULAS DE MARIPOSA La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación (fig. 1-5).

FIGURA 7.- VÁLVULA DE MARIPOSA.

Válvula de Mariposa Recomendada para: 1.- Servicio con apertura total o cierre total. 2 Servicio con estrangulación. 3.- 3.- Para accionamiento frecuente 4.- Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos. 5.- Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería

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6.- Para baja ciada de presión a través de la válvula APLICACIONES 7.- Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión VENTAJAS 1.- Ligera de peso, compacta, bajo

DESVENTAJAS 1.- Alta torsión (par) para accionarla.

costo. 2.- Requiere poco mantenimiento.

2.- Capacidad limitada para caída de presión

3.- Numero mínimo de piezas móviles

3.- Propensa a la cavitación

4.- No tiene bolas o cavidades. 5.- Alta capacidad 6.- Circulación en línea recta 7.- Se limpia por si sola Materiales: Cuerpo: hierro, hierro dúctil, aceros al carbono, acero forjado, aceros inoxidables, aleación 20, bronce, Monel. Disco: todos los metales revestimientos de elastómeros como TFE, Kynar, Buna-N, neopreno, Hypalon. Asiento: Buna-N, viton, neopreno, caucho, butilo, poliuretano, Hypalon, Hycar, TFE. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Se puede accionar con palanca, volante o rueda para cadena. Dejar suficiente espacio para el movimiento de la manija, si se acciona con palanca. Las válvulas deben estar en posición cerrada durante el manejo y la instalación. 22

1.4.6.- VÁLVULAS DE DIAFRAGMA Las válvulas de diafragma son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la circulación (fig. 1-6).

FIGURA 1-6 VÁLVULA DE DIAFRAGMA. Válvula de Diafragma Recomendada para: 1.- Servicio con apertura total o cierre total. 2 Para servicio de estrangulación. 3.- Para servicio con bajas presiones de operación. APLICACIONES 4.- Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos VENTAJAS

DESVENTAJAS

1.- Bajo costo.

1.- Diafragma susceptible de desgaste.

2.- No tienen empaquetaduras.

2.- Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.

3.- No hay posibilidad de fugas por el

3.- Propensa a la cavitación.

vástago

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4.- Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de gomas en los productos que circulan.

Materiales: Metálicos, plásticos macizos, con camisa, en gran variedad de cada uno. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Lubricar a intervalos periódicos. No utilizar barras, llaves ni herramientas para cerrarla.

1.4.7.- VÁLVULAS DE APRIETE La válvula de apriete es de vueltas múltiples y efectúa el cierre por medio de uno o mas elementos flexibles, como diafragmas o tubos de caucho que se pueden apretar u oprimir entre si para cortar la circulación (fig. 1-7).

FIGURA 1-7 VÁLVULA DE APRIETE.

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Válvula de Apriete Recomendada para: 1.- Servicio de apertura y cierre. 2 Para servicio de estrangulación. 3.- Para servicio con bajas presiones de operación. APLICACIONES 4.- Pastas semilíquidas, lodos y pastas de minas, líquidos con grandes cantidades de sólidos en suspensión, sistemas para conducción neumática de sólidos, servicio de alimentos. VENTAJAS 1.- Bajo costo.

DESVENTAJAS 1.- Aplicación limitada para vació. .

2.- Poco mantenimiento.

2.- Difícil de determinar el tamaño.

. 3.- No hay obstrucciones o bolsas internas que la obstruyan 4.- Diseño sencillo 5.- No corrosiva y resistente a la abrasión.

Materiales Caucho, caucho blanco, Hypalon, poliuretano, neopreno, neopreno blanco, Buna-N, Buna-S, Viton A, butilo, caucho de siliconas, TFE.

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Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Los tamaños grandes pueden requerir soportes encima o debajo de la tubería, si los soportes para el tubo son inadecuados.

1.4.8.- VÁLVULAS DE RETENCIÓN (CHECK) Y DE DESAHOGO (ALIVIO) Hay dos categorías de válvulas y son para uso específico, más bien que para servicio general: válvulas de retención (check) y válvulas de desahogo (alivio). Al contrario de los otros tipos descritos, son válvulas de accionamiento automático, funcionan sin controles externos y dependen para su funcionamiento de sentido de circulación o de las presiones en el sistema de tubería. Como ambos tipos se utilizan en combinación con válvulas de control de circulación, la selección de la válvula, con frecuencia, se hace sobre la base de las condiciones para seleccionar la válvula de control de circulación. 1.4.8.1.-Válvulas de retención (check). La válvula de retención (fig. 1-8) esta destinada a impedir una inversión de la circulación. La circulación del líquido en el sentido deseado abre la válvula; al invertirse la circulación, se cierra. Hay tres tipos básicos de válvulas de retención: 1) Válvulas de retención de columpio, 2) de elevación y 3) de mariposa. 1.4.8.1.1.-Válvulas de retención del columpio. Esta válvula tiene un disco embisagrado o de charnela que se abre por completo con la presión en la tubería y se cierra cuando se interrumpe la presión y empieza la circulación inversa. Hay dos diseños: uno en "Y" que tiene una abertura de acceso en el cuerpo para el esmerilado fácil del disco sin desmontar la válvula de la tubería y un tipo de circulación en línea recta que tiene anillos de asiento reemplazables. Recomendada para Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación.

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Cuando hay cambios poco frecuentes del sentido de circulación en la tubería. Para servicio en tuberías que tienen válvulas de compuerta. Para tuberías verticales que tienen circulación ascendente. Aplicaciones Para servicio con líquidos a baja velocidad. Ventajas Puede estar por completo a la vista. La turbulencia y las presiones dentro de la válvula son muy bajas. El disco en "Y" se puede esmerilar sin desmontar la válvula de la tubería. Variaciones Válvulas de retención con disco inclinable. Materiales Cuerpo: bronce, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero fundido, acero inoxidable, acero al carbono. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento En las tuberías verticales, la presión siempre debe estar debajo del asiento. Si una válvula no corta el paso, examinar la superficie del asiento. Si el asiento esta dañada o escoriado, se debe esmerilar o reemplazar. Antes de volver a armar, limpiar con cuidado todas las piezas internas.

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1.4.8.1.2.-Válvulas de retención de elevación Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo, excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se cierra por gravedad y la circulación inversa.

FIGURA 1-8 VÁLVULA DE RETENSIÓN (TIPO DE ELEVACIÓN). Recomendada para Cuando hay cambios frecuentes de circulación en la tubería. Para uso con válvulas de globo y angulares. Para uso cuando la caída de presión a través de la válvula no es problema. Aplicaciones Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con altas velocidades de circulación. Ventajas Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total. Acción rápida. Variaciones Tres tipos de cuerpos: horizontal, angular, vertical. Tipos con bola (esfera), pistón, bajo carga de resorte, retención para vapor.

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Materiales Cuerpo: bronce, hierro, hierro fundido, acero forjado, Monel, acero inoxidable, PVC, Penton, grafito impenetrable, camisa de TFE. Componentes: diversos. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento La presión de la tubería debe estar debajo del asiento. La válvula horizontal se instala en tuberías horizontales. La válvula vertical se utiliza en tubos verticales con circulación ascendente, desde debajo del asiento. Si hay fugas de la circulación inversa, examinar disco y asiento.

1.4.8.1.3.-Válvula de retención de mariposa Una válvula de retención de mariposa tiene un disco dividido embisagrado en un eje en el centro del disco, de modo que un sello flexible sujeto al disco este a 45° con el cuerpo de la válvula, cuando esta se encuentra cerrada. Luego, el disco solo se mueve una distancia corta desde el cuerpo hacia el centro de la válvula para abrir por completo. Recomendada para Cuando se necesita resistencia mínima a la circulación en la tubería. Cuando hay cambios frecuentes en el sentido de la circulación. Para uso con las válvulas de mariposa, macho, bola, diafragma o de apriete. Aplicaciones Servicio para líquidos o gases.

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Ventajas El diseño del cuerpo se presta para la instalación de diversos tipos de camisas de asiento. Menos costosa cuando se necesita resistencia a la corrosión. Funcionamiento rápido. La sencillez del diseño permite construirlas con diámetros grandes. Se puede instalar virtualmente en cualquier posición. Variaciones Con camisa completa. Con asiento blando. Materiales Cuerpo: acero, acero inoxidable, titanio, aluminio, PVC, CPCB, polietileno, polipropileno, hierro fundido, Monel, bronce. Sello flexible: Buna-N, Viton, caucho de butilo, TFE, neopreno, Hypalon, uretano, Nordel, Tygon, caucho de siliconas. Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento En las válvulas con camisa, esta se debe proteger contra daños durante el manejo. Comprobar que la válvula queda instalada de modo que la abra la circulación normal. 1.4.8.2.-Válvulas de desahogo (alivio) Una válvula de desahogo (figura. 1.9) es de acción automática para tener regulación automática de la presión. El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla.

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La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles. El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.

FIGURA 1-9 VÁLVULA DE DESAHOGO (ALIVIO). Recomendada para Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones. Aplicaciones Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores. Ventajas Bajo costo. No se requiere potencia auxiliar para la operación. Variaciones Seguridad, desahogo de seguridad. Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo.

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Materiales Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del codigo ASME para recipientes de presión sin fuego. Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento.

La acción ideal de una válvula de alivio es la de aliviar el flujo total generado por la bomba una vez que se ha llegado al limite de presión fijado mediante la carga del resorte, desafortunadamente esta condición es prácticamente imposible de lograr. La presión de ruptura esta definida por el valor de presión al cual el aceite comienza a pasar del circuito principal al tanque. En las válvulas de alivio de acción directa, para que ello ocurra el sistema de presión tiene que balancear la tensión de oposición del resorte. La compresión de este resorte hace que para obtener una apertura total de la válvula de alivio deba incrementarse la presión a valores no aceptables en un circuito bien diseñado. En la Figura 1.10, observamos la performance de una típica válvula de alivio de acción directa de construcción sumamente económica, ella está ajustada a una de ruptura de 1.000 lb./pulg² y está conectada a un sistema que entrega 20 galones por minuto hacia un cilindro hidráulico. Cuando este cilindro alcanza el final de su carrera o se detiene por acción de su trabajo, la presión se incrementa llegando al punto A del diagrama al nivel e 1.000 lb./pulg² Cuando la carga se incrementa, parte del aceite que entrega la bomba es descargado al tanque y el cilindro desciende su velocidad de trabajo. Por ejemplo cuando la presión está a 1.200 libras. Aproximadamente 10 galones por minuto son entregados al cilindro moviéndose este a la mitad de la velocidad. A 1.500 lb. el cilindro se detiene, recién a

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esa presión todo el caudal de la bomba es enviado al tanque a través de la válvula de alivio. De este hecho podemos deducir que no solo el cilindro ve afectada su velocidad de desplazamiento sino, que se produce una gran perdida de energía transformada en calor que concluye con el sobrecalentamiento de todo el sistema hidráulico. }

Figura 1.10

VÁLVULAS DE ALIVIO DE OPERACIÓN PILOTO Una válvula de alivio accionada por piloto está constituida por un vástago principal cerrado en una cámara primaria donde se hace presente la presión hidráulica, el nivel de regulación es efectuado por una pequeña válvula de alivio de acción directa ubicada sobre el cuerpo de la válvula principal y controlada a través de un volante de ajuste. El resorte principal es relativamente liviano, motivado porque el vástago principal en cuestión está compensado en cualquier rango de presión a que opera la válvula, por otra parte puede ser montado en cualquier posición. Las ventajas de este tipo de válvulas son las siguientes: 1) La diferencial existente entre la presión de ruptura y la de alivio total es mucho menor que las válvulas de acción directa. 2) Tiene un rango de ajuste mucho más extendido que las válvulas de acción directa.

33

3) Pueden ser controladas en forma remota para cambiar y variar la presión de servicio como ser desviadas totalmente permitiendo descargarla bomba libremente al tanque. ACCIÓN DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO OPERADA POR PILOTO En la Figura. 1.11 observamos el diagrama de acción de una válvula de este tipo.- En el diagrama surge que la diferencial de presiones entre el punto A ( presión de ruptura) y el punto B ( total alivio del sistema) es de escasamente 100 lb., lo que en el caso del circuito anterior permitiría la detención absoluta del cilindro sobrecargado

Figura 1.11

34

35

CAPITULO II LA VÁLVULA COMO ELEMENTO FINAL PARA EL CONTROL DE PROCESOS EN LOS SISTEMAS DE CONTROL.

2.1. DIMENSIONAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL Por dimensionamiento se entiende la determinación del tamaño de la válvula, que viene dada por su diámetro. Hay razones económicas que hacen que esta tarea se importante, hay que tratar que este dispositivo tenga el menor tamaño (y por lo tanto el menor costo). Pero también hay razones técnicas, ya que válvulas sobre dimensionadas pueden llegar a tener un pobre desempeño cuando trabajan en lazo de control.

El método más aceptado para el dimensionamiento es conocido como el Procedimiento de Cv. Cv es el Coeficiente de flujo de la válvula y depende del tipo, diámetro y grado de apertura de este dispositivo. Las formulas básicas para el cálculo de Cv son:

36

Donde: F: Caudal. Para líquidos en (gal/min), para vapor en (lb/h) y para gases en (ft 3/seg) estándar (60°F y 14.7 psia). ∆Pv: Pérdida de carga en la válvula en (Psig). P1: Presión aguas arriba (psia) P2: Presión aguas abajo (psia) ¥: Densidad relativa del liquido respecto del agua a 60° F. Tsh: Recalentamiento del vapor respecto de las condiciones de saturación (°F). Vale cero para vapor saturado. G: Densidad relativa del gas respecto al aire a 60°F).

Esto solo se aplica cuando el régimen de flujo es subcrìtico y turbulento. Además, para líquidos hay que verificar que no se produzca cavitaciòn. Se el régimen es viscoso o de transición se deben aplicar otras formulas. Cuando hay vaporización parcial del líquido, el régimen es crítico y se tiene en cuenta con una ecuación de dimensionamiento distinta con un coeficiente adicional. Para gases, también se debe tener en cuenta si régimen es crítico o de transición.

Para un tipo determinado de válvula, el coeficiente Cv es proporcionado por el fabricante y depende del diámetro (d ) y de la apertura ( x ):

Cv = Cv(d,x)

Válvula cerrada

X= 0

Cv= Cvmin

F= Fmin

Válvula totalmente abierta

X=1

Cv=Cvmax

F= Fmax

Los fabricantes proveen tablas (o gráficos) de Cv en funcionamiento del diámetro y la apertura.

37

Los datos que se precisan par dimensionar una válvula son: 1.- Presión aguas arriba y abajo de la válvula. Si la válvula se va a instalar en una línea existente, esto se puede conocer, ya que existe el mecanismo de movimiento de fluido (bombas, altura gravimétrica, colector de alta y baja presión, etc.) Si se está proyectando la línea en la que se instala la válvula, se debe adoptar una pérdida de carga “razonable”. La experiencia sugiera que la pérdida de carga sea aproximadamente la tercera parte de la perdida de carga total (incluida la válvula). 2.- Rango de caudales de trabajo. Se deben conocer entre que valores de flujos trabajará en estado estacionario la válvula. Esto implica fijar Fnmin: Caudal de estado estacionario mínimo. Fnmax: Caudal de estado estacionario máximo.

Para estos dos caudales habrá que calcular los respectivos Cv (Cv Nmin, CvNmax). De tablas de Cv proporcionada por los fabricantes se puede calcular la apertura en el rango de operación. Se debe escoger el diámetro de modo que la válvula trabaje en el término medio de su carrera (30 al 70% de apertura), preferentemente lo más próximo al límite superior.

Una práctica recomendada es evaluar también el caudal máximo que pasara en condiciones de máxima apertura (Fmax). La experiencia práctica recomienda que Fmax sea el 25 a 30% mayor a FNmax. 3.- Temperatura y propiedades físicas del fluido. Dependiendo del tipo de servicio se requiere conocer temperatura, densidad, viscosidad, presión de vapor, etc.

38

Características de flujo.

La relación entre el flujo que pasa por una válvula y su apertura se denomina Característica de flujo. Los fabricantes proveen lo que se denomina Característica Inherente de flujo, que es la relación caudal apertura para perdida de carga constante, que en definitiva es la relación de Cv con la apertura. Esta es una propiedad intrínseca de la válvula. Existen características inherentes ampliamente difundidas entre los fabricantes algunas de las cuales se presentan en la Tabla 2.1 y en la Figura 2. 1

TABLA 2.1.-PRINCIPALES TIPOS DE CARACTERISTICAS INHERENTES

En la figura 2.2 se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de enfriamiento de una torre humidificadora y se desea dimensionar la válvula de control que será de globo balanceada (asiento doble) guiada en los dos extremos, marca Taylor, tipo 'TA'.

39

FIGURA 2.1.- CARACTERISTICAS INHERENTES DE FLUJO

FIGURA 2.2: INSTALACIÓN DE LA VÁLVULA EN EL PROCESO 40

El agua tiene una temperatura que puede oscilar entre 15 y 20 °C y circula por una cañería de 12 pulgadas que descarga a la atmósfera. Se puede despreciar la diferencia de altura entre el nivel de líquido en el tanque y la descarga. La característica de operación de la bomba centrífuga dada por el fabricante es: Tabla 2.2.- Caída de presión en la bomba en función del caudal F (gpm)

0

400

800

1200

1600

2000

2300

27.50

27.14

26.04

24.22

21.67

18.39

15.45

Los caudales que normalmente circulan, según el Encargado de la División Procesos de Enfriamiento, están entre 600 y 1900 (gpm). La pérdida de carga de la línea (cañería, accesorios y filtro) se estima con buena precisión con la fórmula: PL = 2.5 10-6 F2 Calculada usando el factor de Fanning para escurrimiento en cañerías y un equivalente para el filtro. La pérdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm). La tabla de los coeficientes de flujo de la válvula proporcionados por el fabricante es la mostrada a continuación: Tabla 2.3.-: Coeficiente de descarga en función de la apertura para distintos diámetros Apertura de la válvula en %

Diámetro carrera (pulg.)

(pulg)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

6

2

8.67 15.1 25.0 38.2 57.0 84.5 124

178

328

449

8

2

9.36 15.6 25.7 42.1 70.2 121

218

382

577

780

10

3

24.4 37.5 56.4 86.6 137

214

337

522

768

1110

12

3

25.0 55.0

342

525

800

1230

1680

90.0

145

41

225

2.2.-Cuestionamientos.En base a las tablas anteriores nos podemos hacer las siguientes preguntas:

1.- ¿Indicar el diámetro de la válvula? 2.- ¿En que ámbito estará la apertura de la válvula normalmente? 3.- ¿Graficar PL y P de la bomba en función del caudal. Indique el P v para los caudales normales? 4.- ¿Cuál es el caudal máximo que circulará por la válvula y cuánto vale P v para ese caudal? 5.- ¿Graficar caudal en función de la apertura? 6.- ¿Varía apreciablemente la ganancia de la válvula en el rango normal de trabajo? 7.- ¿Calcular el valor del parámetro alfa de la instalación? 8.- ¿Graficar la relación entre caudal y caudal máximo como función de la apertura para la válvula instalada y suponiendo que la pérdida de carga en la línea nula. ¿Hay deformación de la característica inherente de flujo? 9.- ¿Indicar el diámetro de la válvula?

2.3.- ANALISIS Y CALCULOS.2.3.1.- Cálculo del diámetro de la válvula y aperturas normales de trabajo.Para los distintos caudales se puede calcular la caída de presión en los distintos elementos de la línea. Esta información puede evaluarse en forma muy conveniente empleando una hoja de cálculo. En la tabla 2.4, lo que esta sombreado en gris puede verse las caídas de presión en el ámbito normal de trabajo.

42

Tabla 2.4: Distribución de las caídas de presión en función del caudal F (gpm)

P (bomba) (Psi)

P (línea)

P (válvula)

0

27.50

0.00

27.50

200

27.41

0.10

27.31

400

27.14

0.40

26.74

26.68

0.90

25.78

800

26.04

1.60

24.44

1000

25.22

2.50

22.72

1100

24.74

3.03

21.72

1200

24.22

3.60

20.62

1300

23.65

4.23

19.43

1400

23.03

4.90

18.13

1500

22.37

5.63

16.75

1600

21.67

6.40

15.27

1700

20.92

7.23

13.69

1800

20.12

8.10

12.02

19.28

9.03

10.25

2000

18.39

10.00

8.39

2100

17.45

11.03

6.43

2200

16.47

12.10

4.37

2300

15.45

13.23

2.22

2399

14.39

14.39

0.00

600 Normal Mínimo

1900 Normal Máximo

43

Usando la ecuación de flujo de la válvula se evalúan los valores de C V para los caudales normal máximo y normal mínimo resultando:

Si analizamos la Tabla 2.3, Se debe elige la válvula de control globo balanceada de 12 pulgadas, porque ésta trabajará entre el 35 % de apertura para el caudal normal mínimo y el 70% aproximadamente para el normal máximo. En el rango de trabajo la válvula está en el tramo medio de carrera.

El diámetro de la válvula debe ser 12 pulgadas y Trabajará normalmente entre 35 % y 70 % de apertura . 2.3.2.-CALCULO DEL MÁXIMO CAUDAL QUE CIRCULARÁ POR LA VALVULA

Desarrollo de las gráficas de PL y P de la bomba en función del caudal. Donde se Indica el Pv para los caudales normales.

44

PL y P de la bomba en función del caudal En la figura 2.3 puede verse la distribución de caídas de presión en la línea en función del caudal. El máximo caudal que circularía por la línea sería 2400 gpm si no existiera la válvula de control (caída presión en la válvula igual a cero).

Figura 2.3.- Caída de presión en función del caudal De la tabla 3 se extrae los siguientes valores:

Caudal

∆P (válvula)

Normal Mínimo 600 gpm

25.78 psi

Normal Máximo 1900 gpm

10.25 psi

El máximo caudal que circulará se establece cuando la válvula está completamente abierta (apertura del 100 %, x = 1). El correspondiente valor de Cv es Cv Max y de 23002.22

45

2300 máximo de la bomba Acuerdo con la Tabla 2 vale 1680 para 12 pulgadas de diámetro. Resolviendo la ecuación:

2.22--_1.489966443

= 1680cv*1.489966443=2503gpm Se encuentra que el máximo caudal corresponde a 2315 gpm con una pérdida de carga de ∆ Pv de 1.89 psi. =2300gpm máximo por la bomba->1543cv

El caudal máximo que circulará por la instalación es 2315 gpm y corresponde a una pérdida de carga en la válvula de 1.89 psi.

2.3.3.-CALCULO

DEL

CAUDAL

EN

FUNCIÓN

DE

LA

APERTURA

(CARACTERÍSTICA DE FLUJO INSTALADA) Y GANANCIA DE LA VÁLVULA EN EL RANGO NORMAL DE TRABAJO La válvula trabajará normalmente entre 35 y 70 % de aperturas. En la Figura 2.3 Esta representado el caudal como función de la apertura.

46

FIGURA 2.4: CAUDAL QUE CIRCULA POR LA VÁLVULA EN FUNCIÓN DE LA APERTURA

Evaluado numéricamente (o en forma gráfica) la pendiente de la curva de caudal como función de la apertura (Figura 2.4), se puede obtener la ganancia del cuerpo de la válvula, que se representa en la Figura siguiente:

FIGURA 2.5: GANANCIA DEL CUERPO DE LA VÁLVULA EN FUNCIÓN DE LA APERTURA

47

Como se ve en la Figura 2.4.-, la ganancia de la válvula aumenta entre el 35 % y el 55% donde alcanza un máximo de 38 y luego empieza a disminuir hasta que toma el valor de 27.6 para el 70%. En el ámbito de operación, la relación entre las ganancias máximas y mínima no supera el valor 2.

2.3.4.- LA CARACTERÍSTICA INHERENTE DE LA VALVULA INSTALADA

Este valor de

∞

tan pequeño indica que la característica inherente de la válvula se

deformará en forma apreciable una vez instalada, como podrá constatarse más adelante (Figura 2.5). Relación entre Características de Flujo Inherente e Instalada

Figura 2.6: caudales referidos al máximo que circula por la válvula en función del caudal

48

Como se observa en la Figura 2.6 una vez que la válvula está instalada cambia en forma pronunciada su característica de flujo, de acuerdo con el siguiente patrón de distorsión: Igual porcentaje

Lineal

(Inherente)

(Instalada)

Este resultado es totalmente congruente con el pequeño valor de alfa calculado.

2.4.-LA VÁLVULA DE CONTROL COMO ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una señal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Esta variable manipulada es la que incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más común en procesos es que la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en línea existen primariamente dos mecanismos:

1.-Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable) 2.-Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases)

De los diversos elementos finales de control, el de más amplia difusión es la válvula automática con actuadores neumáticos o eléctricos.

2.4.1.- Que es la válvula de control La válvula de control es básicamente un orificio variable por efecto de un actuador. Constituye el elemento final de control en más del 90% de las aplicaciones industriales. En la figura siguiente se ve una válvula globo con un actuador neumático de diafragma en donde se indican las diversas piezas que lo constituyen

49

Cabezal

Diafragma

Resorte

Indicador de posición

Conector Armadura Empaquetadura Bonete

Vástago

Obturador Asiento Cuerpo

FIGURA 2.7.- CORTE DE UNA VÁLVULA DE CONTROL

Esta válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormente transformada a una de tipo neumática que incide el cabezal.

Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes: 1.- Actuador Resibe la señal de

controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o

rotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma. 2.- Cuerpo El diafragma esta ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal.

50

Con el siguiente diafragma a bloques se puede representar a la válvula como un sistema en serie.

FIGURA 2.7.- LA VÁLVULA COMO SISTEMA EN SERIE

Desde el punto de vista estático en actuador es moderadamente lineal y la dinámica más significativa es la del llenado del cabezal con una constante de tiempo del orden de los segundos. El cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de flujo como se verá. 2.5.-ESPECIFICACIÓN DE VÁLVULAS DE CONTROL.

Para especificar una válvula de control implica determinar las 3 características siguientes: 1.- Cuerpo e internos: Indicando el tipo, material y serie que se fija de acuerdo al servicio que debe prestar. También hay que indicar el diámetro que esta relacionado con la capacidad y a estos se le denomina dimensionamiento. Por ultimo, algunos tipos de válvula permiten elegir la característica de flujo. 2.- Actuador: Una vez conocido los detalles del cuerpo se debe elegir el tipo de motor(neumático de cabezal o pistón, eléctrico, etc), la acción ante falla y el tamaño.

51

3.- Accesorios: Corresponde a elementos adicionales como transductores I/P

(electrónicos

neumáticos) o (eléctricos neumáticos) V/P, volante para accionamiento manual, posicionador, etc. 2.6.-TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROL

Existen diversos tipos de cuerpos, que se adaptan a la aplicación. Los que más se emplean en la práctica industrial se muestran en la tabla 4. Teóricamente deben adoptarse en función de las necesidades del proceso, aunque a veces hay razones, económicas por ejemplo, que obligan a usar un tipo aunque este no sea el más adecuado.

Tabla 4.- Características de las principales válvulas de control

52

Tabla 4.- Características de las principales válvulas de control

53

54

CAPITULO III COMPORTAMIENTO DE LA VALVULA DE CONTROL EN LOS SISTEMAS DE CONTROL PARA PROCESOS INDUSTRIALES.

3.1.- EFECTO DE LAS VALVULAS DE CONTROL EN LOS PROCESOS.

Los efectos de las válvulas de control en los procesos dependen de varios factores, uno de estos factores es la característica de flujo instalada es decir la relación de flujo respecto a la apertura de la válvula en la línea con las condiciones de trabajo. Cuando una válvula de control se instala en una planta de proceso, su característica de flujo depende de la Característica Inherente y del resto del sistema. El flujo a través de la

válvula está sujeto a resistencia por fricción en la propia

válvula y en el resto de la línea como se muestra en la figura 3.1

FIGURA 3.1.- VALVULA SUJETA A FRICCION

En la figura 3.2, se puede apreciar como cambia la pérdida de carga en la válvula (∆Pv) y línea (∆PL) según el caudal que circula. Para medir la influencia que ejerce la instalación en la característica de flujo de la válvula se define el coeficiente mencionado anteriormente en el capitulo 2:

55

Entonces

∞ = 1, significa que toda la pérdida de carga se concentra en la válvula

independientemente del flujo que circules y por lo tanto la línea no tiene ninguna influencia en la característica de flujo. Valores decrecientes de

∞ indicaran una creciente incidencia de la instalación

En los gráficos 3.3. y 3.4 se pone una evidencia que la instalación puede tener una influencia sustancial y la característica de flujo instalada produce en algunos casos importantes distorsiones respecto de la inherente.

FIGURA 3.2.-RELACION ENTRE DIFERENCIAS DE PRESIONES Y CAUDALES

EN LA LINEA

56

FIGURA 3.3.- DISTORSION DE LA CARACTERISTICA DE FLUJO POR INFLUENCIA DE LA INSTALACION PARA UNA VALVULA DE TIPO IGUAL PORCENTAJE .

FIGURA 3.4.- DISTORSION DE LA CARACTERISTICA DE FLUJO POR INFLUENCIA DE LA INSTALACION PARA UNA VALVULA DE TIPO LINEAL

57

La característica de flujo instalada es crucial ya que determina la ganancia de estado estacionario del cuerpo de la válvula, y como se aprecia en las graficas 3.3 y 3.4 puede tener grandes cambios dependiendo del punto particular de trabajo. La elección de la característica mas apropiada deberá hacerse según el criterio: “Elegir la característica que asegure una ganancia global del lazo lo mas constante dentro del rango de trabajo.” O mejor según la regla: “Elegir la característica que asegure que el margen de estabilidad del lazo sea lo mas constante dentro del rango de trabajo. 3.2.-

COMPORTAMIENTO

DE

LA

VALVULA

DE

CONTROL

EN

UN

CONTROLADOR TODO-NADA (ON–OFF).

Este tipo de Control de dos posiciones como su nombre lo indica hace que la válvula de control solo tome dos posiciones es decir totalmente abierta (100%) o totalmente cerrada (0%) y nunca podrá adoptar valores intermedios. La figura 3.6 muestra gráficamente el comportamiento de la válvula de control en este tipo de controladores on-off,

y se aprecia el comportamiento según los

requerimientos de la variable controlada y set point. El control de dos posiciones no puede hacer una corrección exacta; por lo tanto la variable nunca alcanza una condición estable, sino que oscila alrededor del punto de ajuste

En esta forma de control, la válvula de control va de un extremo a otro, es decir, recorre toda su carrera quedando en una de sus posiciones externas, o todo abierto o todo cerrado.

En la siguiente figura observamos una válvula de 72”.

58

FIGURA 3.5.- VALVULA DE 72“PARA CONTROL DE PROCESO DE UNA TERMOELECTRICA. Se recomienda usar el control de dos posiciones cuando;

1.- Los trazos en la transmisión están presentes ya sea en el proceso o en forma de modificaciones. El atraso de proceso causado por transmisión y tiempo muerto producen una desviación y una amplitud de ciclo. 2.- La velocidad de reacción de proceso de proceso debe ser tan grande como sea posible, esto se logra teniendo un proceso de pequeña capacidad. 3.- La autorregulación es grande. 4.- Los cambios de cargas no son tan grandes ni frecuentes. 5.- El atraso es la medición es pequeña. 6.-Los mas importantes para este control, es la reacción inmediata del proceso y del control.

El control de dos posiciones es muy utilizado por su simplicidad, su acción es esencialmente cíclica en proceso donde la variable controlada varia con regularidad.

59

100%

VALVULA De CONTROL

75% 50% 25% 0%

100 % 75%

SET POINT

50% 25% 0%

FIGURA 3.6.- COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL EN UN CONTROL DE DOS POSICIONES.

En este tipo de procesos la velocidad de reacción debe ser tan grande como sea posible, esto se logra teniendo un proceso de pequeña capacidad.

Lo más importante para este tipo de control, es la reacción inmediata del proceso y del control.

Las expresiones que determinan el comportamiento del control on-off son: m(t)=M1

para e(t)>0-----------expresión 1-La válvula control cierra.

m(t)=M2 para e(t)>0------------expresión 2--La válvula de control abre

La Tabla ejemplo siguiente muestra el comportamiento de una válvula de control con un controlador on-off según las Diferentes calibraciones del PT(transmisor de presión)

60

ALTA (Psi)

BAJA (Psi)

DIFERENCIAL (Psi)

50

40

10

55

35

20

65

30

35

80

20

60

Tabla ejemplo

APERTURA Y CIERRE DE LA VALVULA DE CONTROL

VARIABLE CONTROLADA PRESION

100%

Elemento Final de control

75% 50% 25% 0%

100% 75%

Punto de ajuste

50% 25% 0%

FIGURA

3.7.-

CONTROL

DE

DOS

POSICIONES.-

SU

ACCIÓN

ES

ESENCIALMENTE CÍCLICA EN PROCESO DONDE LA VARIABLE CONTROLADA VARIA CON REGULARIDAD.

Observe como el comportamiento de la grafica 3.6 y 3.7 son muy similares estos es debido a que la válvula solo adopta dos posiciones (cerrado-abierto).

61

100 ALTA 80 60 DIFERENCIAL  Tiempo muerto

40 20

BAJA

0

FIG. 3.8.- Registrador de acuerdo a la máxima calibración.

3.3.- COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL CON LA ACCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PROPORCIONAL.

En el modo proporcional hay una relación lineal continua entre el valor de la variable controlada y la posición de la válvula de control. En otras palabras, la válvula se mueve la misma cantidad por cada unidad de desviación.

La figura 3.10. Muestra la relación entre la variable controlada y la posición de la válvula. La posición de la válvula cambia en proporción exacta a la desviación. El modo proporcional responde únicamente a la magnitud de la desviación y es insensible a la razón o duración de la desviación, cuando la variable controlada regresa, la válvula también regresa a su posición inicial. Es fundamental que cualquier cambio en la carga de un proceso requiera una nueva posición del elemento final de control para corregirla. Pero como se muestra en la figura 3.9, el modo proporcional requiere un cambio en la desviación para producir la nueva posición del elemento final de control

En la figura 3.10.- se muestra en la gráfica la variable controlada nivel y la posición de la válvula para un proceso bajo control de modo proporcional. Inicialmente, el

62

punto de ajuste está a 100%. Un minuto después ocurre un cambio de carga de escalón. Note que la temperatura del agua no es regresada al valor deseado de 100% por el control proporcional, sino que se estabiliza en un nuevo valor de 90%.

Figura 3.9 Vista de la acción de una válvula de control para control del nivel.

1

7

14

28 1

21

35

42

tiempo

Posición Válvula

Posición inicial

Variable nivel Punto de ajuste

Figura 3.10.- La válvula de control y el control proporcional . El modo proporcional puede producir una corrección exacta para solamente una condición de carga; en todas las cargas, habrá siempre alguna desviación (error). Este error es llamado desviación permanente y es una característica ineludible del modo proporcional. En la figura 3.10 la desviación permanente fue de 10% en el intervalo de21 a 28 minutos.

63

Esta desviación permanente puede ser eliminada por reajuste manual del punto de ajuste.

En la figura 3.10 en el minuto 21, el punto de control fue elevado

manualmente para llevar la temperatura al valor deseado de 100%. Sin embargo, tal reajuste manual elimina a la desviación permanente únicamente para un simple valor de carga. El factor de importancia en relación con el modo proporcional, es que es capaz de ajustes en amplios rangos, pero tienen la característica indeseable del error de desviación permanente.

Es decir si hay un cambio de carga durante la acción de corrección del error, aunque la válvula abra el porcentaje de error marcado al inicio, la variable controlada no podrá llegar al valor deseado (set-point).

Este error solo se eliminara si la válvula abre o cierra una proporción igual a la carga demandada. Y esta acción de abrir o cerrar la válvula puede ser manual o automática.

3.4.- COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL CON LA ACCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL INTEGRAL.

FIGURA 3.11 VALVULAS DE CONTROL EL Control integral En la figura 3.12 se muestra la relación de nivel a posición de la válvula de control, la característica del control integral después de un cambio de carga de escalón. La razón de la carrera de la válvula es proporcional a la desviación.

64

Cuando la

desviación es máxima (tiempo ½ minuto) la velocidad de la carrera de la válvula es máxima. El factor de importancia primordial en relación con el modo integral es que mientras la desviación continúe, la corrección a la posición del elemento final continúa. El control integral responde a la cantidad y la duración de la desviación. Así, este modo de control continúa operando hasta que produce una corrección exacta para cada cambio de carga. Esta es una ventaja única del modo integral sobre cualquier otro elemento.

NIVEL

FIGURA 3.12 CONTROL INTEGRAL PARA NIVEL

3.5.- COMPORTAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROL CON LA ACCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PROPORCIONAL MÁS INTEGRAL.

La figura 3.13 muestra el comportamiento de la posición de la válvula bajo control automático en el tiempo cero, y en ese momento ocurre un escalón de aumento de carga. El modo proporcional impone una corrección grande a la posición de la válvula al desviarse el nivel y más tarde desaparece completamente al regresar el nivel al punto de ajuste. Pero debe notarse que la corrección exacta es aplicada totalmente por la componente del modo integral.

El área sombreada A, bajo la curva de la

componente proporcional, representa la energía agregada por el modo proporcional.

65

El área B, representa la energía agregada por el modo integra. El área C, bajo la curva de la posición de la válvula resultante, representa el exceso de corrección (esto es, la corrección en exceso de la corrección exacta) que fue aplicada y retirada por el modo proporcional.

En la industria la medición del nivel del líquido es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas como de productos finales.

Figura 3.13.- Control proporcional mas integral para nivel

EJEMPLO PRACTICO PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA DE CONTROL DE ACCION PROPORCIONAL + DERIVATIVO

La forma mas fácil de explicar lo que hace el modo proporcional más derivativo es dibujar por separado los componentes del movimiento de la válvula debido a cada modo, como se indica en la figura 3.14

66

FIGURA 3.14 CONTROL PROPORCIO NAL MAS Note que el tamaño de la corrección por modo derivativo es proporcional a la razón DERIVATIVO de cambio (pendiente) de la curva de la variable controlada.

Cuando la variable está cambiando más rápidamente (tiempo cero) la corrección por modo derivativo es la mayor.

Cuando la pendiente de la variable es invertida (tiempo 0.4) su razón de cambio es cero, y la componente por modo derivativo también es cero. Cuando la variable está cambiando, alejándose del punto de control, el modo derivativo agrega la energía representada por el área A, para oponerse a este cambio.

Cuando la variable está cambiando hacia el punto de control, el modo derivativo sustrae la energía representada por el área B para oponerse a este cambio.

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FIGURA 3.15.-

PROCESO DONDE SE MUESTRAN DOS VALVULAS DE

CONTROL AUTOMATICO.

3.6.-FALLAS MÁS COMUNES DE LAS VÁLVULAS DE CONTROL EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES.

Los accidentes que ocurren en la industria de proceso, en plantas de almacenaje o en el transporte de sustancias peligrosas, pueden ser debidos tanto a fallos materiales como humanos, organizativos o ambientales. Un análisis estadístico de accidentes producidos por fallos de componentes en la industria, y especialmente de los que son consecuencia de fallos en válvulas de regulación y control, ya sean manuales o automáticas. Se referencian también algunos accidentes reales en los que se detalla cuál fue la causa que indujo el fallo de la válvula en cada caso, por tratarse de situaciones frecuentes que por su carácter aleccionador puede ser provechoso conocerlas.

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Las bases de datos que han sido consultadas para la realización del estudio estadístico, son: MARS ( Major Accident Reporting System) es una base de datos de accidentes mayores establecida por la Comisión Europea como forma de implementar la Directiva Seveso (82/501/CEE). Las autoridades competentes de cada estado miembro notifican al registro establecido los accidentes mayores ocurridos, que a finales de 1997, son aproximadamente 200. MHIDAS ( Major Hazard Incident Data Service) es una base de datos desarrollada en nombre del Major Hazards Assessment Unit of the United Kingdom Health and Safety Executive (Unidad de Valoración de Riesgos Mayores de la Ejecutiva de Seguridad y Salud del Reino Unido). También se ha considerado la base documental de accidentes graves de origen químico estudiados por el Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo en su Centro de Barcelona. Fallos de los componentes Cualquier elemento que forme parte de una instalación puede fallar bajo unas condiciones de trabajo determinadas, descontrolándose la operación y pudiéndose producir algún tipo de accidente. Equipos principales y maquinaria En equipos principales como columnas de destilación, tanques de alm acenaje y reactores, los modos de fallo más comunes son la corrosión interna, el desgaste, las grietas o la rotura de soldaduras y la sobrepresión. En tuberías, los fallos se producen generalmente por conexiones defectuosas, corrosión (tanto interna como externa), obstrucciones, roturas o debilitamiento, ya sea por vibraciones o por tensiones cíclicas. El estudio estadístico realizado (Tabla 3.1) indica que el mayor porcentaje de accidentes con implicación de equipos principales o maquinaria, pertenece a l os

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tanques de almacenaje y a las tuberías fijas. Debe tenerse en cuenta que el número de depósitos y de tuberías que existen en una planta es mucho mayor que el que puede haber, por ejemplo, de columnas de destilación, hornos o intercambiadores de calor, por lo que el número de accidentes producidos por los primeros o en los que han estado implicados es mucho más elevado, observándose porcentajes considerables de accidentabilidad. TABLA 3.1. Grado de implicación de equipos en accidentes graves de origen químico

Tanques de almacenaje

39%

Tuberías fijas

39%

Reactores

9%

Hornos

4%

Intercambiadores de calor

2%

Bombas

2%

Compresores

1%

Gasómetros,

condensadores,

evaporadores,

4%

vaporizadores, centrifugadoras, agitadores...

3.6.1.-Elementos de regulación y control El mayor porcentaje de accidentes entre los causados por fallos en elementos de regulación y control corresponde a las válvulas, ya sean manuales o automáticas, como se muestra en la Tabla 3.2. Los modos de fallo de estos componentes se

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analizan dada la importancia y el gran número de estas válvulas que existen tanto en la industria de proceso como en plantas de almacenaje. TABLA 3.2. Grado de implicación de elementos de regulación y control en accidentes graves de origen químico

Válvulas manuales/automáticas

91%

Indicadores/Reguladores

6%

Válvulas de drenaje/purga

2%

Sala de control

1%

Los fallos de válvulas incluidas en bucles de control o en sistemas de regulación de presión, temperatura, nivel o caudal, se incluyen estadísticamente dentro del grupo de fallos de indicadores y reguladores, pues su mal funcionamiento implica a todo el sistema en su conjunto. El error en la transmisión de la señal, ya sea eléctrica o neumática, es otro tipo común de fallo en los sistemas de indicadores o de reguladores. Las válvulas de drenaje y purga también se tienen en cuenta aparte, pues sus características y funciones son claramente diferentes del resto de válvulas consideradas. Por último, cabe mencionar que los fallos más comunes que ocurren en sala de control y que son causa del porcentaje de accidentes que se muestra en la Tabla 3 .2 son, principalmente, falsas indicaciones y errores en el sistema de control remoto.

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3.6.2.-Elementos específicos de seguridad Los elementos específicos de seguridad pueden originar un accidente tanto si al ser necesaria su actuación no llevan a cabo la función para la que han sido diseñados. Del grupo de elementos de seguridad el más utilizado es la válvula de seguridad (válvula de alivio de presión), por lo que de los accidentes ocasionados por el fallo de alguno de estos componentes el mayor número corresponde al fallo de estas válvulas (Tabla 3.3). Los tipos de accidente que se producen al fallar una válvula de alivio de presión suelen ser explosiones y escapes, generalmente por bloqueos o aperturas descontroladas de las válvulas. TABLA 3.3.-. Grado de implicación de elementos de seguridad en accidentes graves de origen químico

Válvulas de seguridad

83%

Alarmas

8%

Discos de ruptura

5%

Detectores de gases

4%

En la Tabla 3.4 se presenta el porcentaje de accidentes en los que han estado implicados cada uno de los cuatro grupos de componentes que se han especificado con anterioridad. Se observa que el número de accidentes con la implicación de equipos principales (donde también se incluyen las tuberías) es el mayor, pero debe tenerse en cuenta que en algunos de los accidentes incluidos en este grupo no se ha podido conocer cuál fue la causa de su fallo y que, por tanto, el accidente se ha introducido como propio del equipo aunque pudiera ser debido a algún otro componente (elemento de seguridad, de control...)

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TABLA 3.4.- Grado de implicación de componentes en accidentes graves de origen químico

Equipos principales y maquinaria

75%

Elementos de regulación y control

18%

Instalaciones auxiliares

5%

Elementos de seguridad

2%

La Tabla 3.5 muestra una estadística general de las principales fuentes de origen de los accidentes en la industria química. En este caso no se indica el porcentaje dentro de un grupo específico de componentes, sino el tanto por ciento al tener en cuenta el conjunto global de todos ellos. Tabla 3.5.- Distribución porcentual general de accidentes graves de origen químico

Tanques almacenaje

29%

Tuberías fijas

29%

Válvulas manuales/automáticas

16%

Reactores

7%

Tuberías carga/descarga

3%

73

Válvulas de seguridad

2%

Sistema eléctrico

2%

Indicadores/Reguladores

1%

Otros

11%

3.6.3.-Válvulas, modos de fallo y tipos de accidentes. El término modo de fallo se utiliza para hacer referencia a las distintas formas en que un componente de una instalación puede fallar. Un componente puede tener uno o varios modos de fallo. Los usuarios de componentes con funciones de seguridad deben conocer los diferentes modos de fallo de los mismos, con el objetivo de poder adoptar las debidas medidas de control para evitar que éstos sucedan y en todo caso minimizar sus consecuencias. Los fabricantes deberían suministrar información precisa sobre los modos de fallo y su probabilidad de acontecimiento en las condiciones de trabajo en las que los componentes han de actuar. El fallo de una válvula puede provocar diferentes tipos de accidentes, como escapes de líquidos o gases causados por un fallo de la junta de estanqueidad, por la rotura o por el bloqueo de la válvula; reacciones incontroladas o explosiones si el cierre de la válvula es defectuoso (no estanco) y permite el paso de un fluido a un equipo determinado de la instalación, cuando no es debido. Este tipo de accidente también puede producirse a causa de una inversión del sentido del flujo, que puede ser consecuencia del fallo de una válvula antirretorno. Fallo por falta de estanqueidad Se considera cuando la válvula tiene una fuga y provoca la pérdida del producto que pasa por ella. La falta de estanqueidad suele ser debida a la corrosión o

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debilitamiento de los materiales, a un diseño inadecuado o a la falta de mantenimiento y control de estos elementos. Tanto los prensaestopas como las juntas de estanqueidad en las bridas de conexión deben ser cuidadosamente seleccionados y revisados. Tras una desconexión, la junta de estanqueidad debe sustituirse siempre, aunque aparentemente esté en buen estado. La formación de nubes de gases tóxicos y/o corrosivos es el tipo de accidente generado por la falta de estanqueidad de una válvula, que suele ocasionar mayores daños personales.

FIGURA 3.16.- VALVULAS DE CONTROL MARCA RAMEN

3.6.4.- Descripciones de fallas. 1.- A causa de la fuga en una válvula afectada por corrosión, desde una planta se vertieron a un río 4000 litros de ácido clorhídrico concentrado. Los efectos del ácido fueron reducidos debido al alto nivel del río. Modo de fallo: falta de estanqueidad Causa de fallo: corrosión interna

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Tipo de accidente: escape de un líquido tóxico y corrosivo 2.- En una planta de producción de cloruro de vinilo monómero, falló la válvula de un filtro en la línea del monómero. El informe del equipo de peritaje señaló que el operador dañó la válvula al apretarla (hermetificarla) con una herramienta no autorizada. Modo de fallo: falta de estanqueidad Causa de fallo: factor humano. Incumplimiento de procedimientos Tipo de accidente: escape de sustancia tóxica e inflamable, fuego

3.- Fallo en operación Se producen durante el funcionamiento normal de la instalación y se consideran aquellos que no permiten que se ejecute la función propia de la válvula. Se incluyen en este modo de fallo: Bloqueo de la válvula Obstrucción de la sección de paso de la válvula Cierre defectuoso que permite el paso de fluido cuando el cierre tendría que ser estanco Actuaciones incontroladas, como apertura o cierre por vibraciones, por sobre presiones. Se pueden producir reacciones incontroladas si, a causa del cierre defectuoso de una válvula, se permite el paso de un fluido indebido a un reactor, a un horno, etc. Si se requiere un cierre estanco, las válvulas de mariposa no son las más indicadas pues, aunque la pérdida de carga que provocan a su paso es pequeña y son económicas para grandes diámetros, su principal defecto es el cierre no hermético, por lo que se evita instalarlas para servicios todo-nada. Este tipo de válvulas son buenas para el bloqueo en servicios de baja presión, no críticos, como el manejo de 76

agua y aire. Como válvulas de regulación se pueden utilizar a partir de diámetros de 150 milímetros. Si el cierre es defectuoso también es común que si la válvula comunica la conducción con el exterior se produzcan, o bien fugas de sustancias volátiles que se difunden en el entorno ambiental y si son tóxicas pueden afectar a personas no necesariamente próximas a las instalaciones, o bien derrames de líquidos que podrían contaminar el suelo o los cauces fluviales. La obstrucción de una válvula puede provocar un cierre incompleto de la misma que permita, aunque no se desee, el paso de fluido a través de ella. En el caso de una obstrucción total, al fluido le puede quedar completamente impedido el paso a través de la válvula, aunque ésta haya recibido la orden de apertura. Las válvulas cónicas o de aguja son válvulas de regulación cuyo diseño sólo es factible para tamaños muy pequeños. El diámetro de abertura es muy reducido, proporcionando gran pérdida de presión al fluido que la atraviesa y un gran riesgo de obstrucción debido al posible arrastre de sólidos. Las válvulas de compuerta han generado tradicionalmente dificultades en el cierre por obstrucciones debidas a la sedimentación de sólidos en el canal de ajuste. Este problema, en la actualidad ha sido resuelto mediante un mejor diseño del cuerpo de la válvula y el recubrimiento de elastómero en la propia compuerta. Una de las causas más frecuentes del bloqueo de válvulas es la formación de hielo. El mecanismo de accionamiento de la válvula queda agarrotado por la congelación, no pudiendo accionarse cuando es necesario. El bloqueo puede ser ocasionado también por la polimerización de fluidos. En las válvulas de bola, el área que rodea la esfera, entre los asientos, se encuentra siempre expuesta al fluido del proceso porque, en la posición de cierre, el canal a través de la esfera está abierto hacia la cavidad del cuerpo de la válvula, pudiendo quedar ésta agarrotada en el caso de producirse polimerización.

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4.- Las válvulas de salida de un tanque no pudieron ser cerradas debido a la acción del hielo. Se escaparon 20000 litros de queroseno, de los cuales 6500 empaparon y contaminaron el suelo. Modo de fallo: fallo en operación Causa de fallo: bloqueo válvula (por formación de hielo) Tipo de accidente: escape de sustancia inflamable y formación de charco. 5.- Rotura Se consideran los accidentes que han sido provocados por la rotura de una válvula. El debilitamiento de las válvulas a causa de la corrosión o las vibraciones, puede provocar su rotura, así como golpes con carretillas, grúas u otros equipos móviles que pueden generar impactos contundentes. La válvula de una tubería subterránea de 10 pulgadas que conectaba una unidad de alquilación con esferas de almacenaje, sufrió corrosión al fugar ácido sulfúrico hacia el foso abierto lleno de agua de lluvia. La válvula se rompió cuando un operario intentó limpiar la línea con agua a alta presión. Modo de fallo: rotura Causa de fallo: corrosión externa Tipo de accidente: explosión y fuego Un palet (plataforma para el manejo de mercancías) en una carretilla de horquilla elevadora cayó y fracturó una válvula. Del tanque de almacenaje se desprendió amoníaco. Modo de fallo: rotura Causa de fallo: impacto Tipo de accidente: escape de líquido y formación de nube de gas tóxico e inflamable 78

6.- Fallo a demanda Este modo de fallo consiste en la falta de respuesta de la válvula cuando recibe la orden de apertura o cierre. Así, se incluyen los accidentes causados por fallo al cierre a demanda y fallo a la apertura a demanda. La falta de respuesta frente a la demanda puede ser debida tanto a un fallo mecánico, a un fallo de transmisión de la señal o bien a alteraciones de las condiciones del sistema, como sobrepresiones, etc. Accidente en la línea de alimentación de un reactor. Se produjo un fallo inicial en la válvula automática de control de flujo, la cual permanecía excesivamente abierta. Por ello se generó un aumento de temperatura en el reactor. Al alcanzarse una temperatura límite, la instrucción de cierre automático de la válvula de bloqueo no pudo materializarse, al ser excesiva la sobré presión que generaba el paso del flujo. El proceso químico se descontroló. Válvula de bloqueo Modo de fallo: fallo a demanda Causa de fallo: sobré presión Tipo de accidente: explosión física 7.- Inversión de flujo Las válvulas antirretorno se utilizan para impedir el flujo inverso en los sistemas de tuberías. Cuando el fluido está pasando a través de la válvula, ésta se mantiene abierta. Si la velocidad del fluido se acerca a cero o si se invierte el sentido del flujo, la válvula cierra. En el caso de que la válvula fallara y no cerrase podría producirse el accidente. La fiabilidad de respuesta de estas válvulas es muy limitada. Un reactor para la obtención de etanolamina disponía de líneas independientes de alimentación para cada reactivo (óxido de etileno y amoníaco). El óxido de etileno se 79

almacenaba en un tanque y era enviado al reactor mediante una bomba impulsora, a la salida de la cual existía una válvula de seguridad que ante una presión excesiva se abría, interconectando la conducción con la de alimentación. Se produjo un reflujo de amoníaco hacia la línea de óxido de etileno. Este reflujo consiguió pasar a través de diversas válvulas antirretorno de la línea de óxido de etileno. También logró remontar la bomba impelente del óxido a través de la interconexión de la válvula de escape de seguridad. Al llegar al tanque de almacenaje del óxido de etileno, el amoníaco reaccionó con 30 m 3 de este producto. Se produjo la ruptura violenta del tanque y la explosión de la nube de vapor formada. Modo de fallo: inversión del flujo Causa de fallo: válvulas antirretorno como insuficiente sistema de seguridad Tipo de accidente: formación de nube de vapor y explosión En la Tabla 7 se presenta el porcentaje de accidentes que se producen como consecuencia de cada uno de los modos de fallo en válvulas especificados anteriormente. TABLA 3.6.- Porcentaje accidentes según el modo de fallo de válvulas

Fallo por falta de estanqueidad

47%

Fallo en operación

26%

Rotura

18%

Fallo a demanda

6%

Inversión de flujo

3%

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3.7.- Selección de válvulas. Importancia de la prevención Para seleccionar la válvula más apropiada para un servicio determinado, debe examinarse cada operación que la válvula deberá realizar y las condiciones bajo las cuales llevará a cabo su función. Principalmente debe tenerse en cuenta: Temperatura de diseño Presión de diseño Necesidades de control y márgenes de maniobra Caída de presión admisible Naturaleza corrosiva del fluido Posibilidades de erosión Posibilidades de ensuciamiento o incrustación Peligro de fugas Conservación del calor Para válvulas de control en servicios vitales o peligrosos, una selección deficiente puede conducir a: Primer coste excesivamente alto Costo alto de mantenimiento Tiempo improductivo (por avería o arreglo) Fugas Ejecución deficiente de su función Vibraciones peligrosas Ruido excesivo

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Cuando el fluido de proceso presenta una situación especial, como la de tratarse de materia letal o nociva, de un producto extremadamente valioso o bien de un producto de baja viscosidad (como hidrógeno, refrigerantes o fluidos cambiadores de calor), las fugas a la atmósfera son especialmente problemáticas. Las fugas en válvulas suelen ser resultado de la erosión, la corrosión o del fallo de las juntas de estanqueidad, empaquetamientos o empernados. Así, el material de construcción para una válvula se encuentra limitado por la naturaleza corrosiva y de erosión del fluido que se maneja, como también lo está por las temperaturas y presiones de diseño. El mantenimiento de las válvulas es esencial para evitar su excesivo deterioro. En válvulas manuales que se encuentren integradas en un proceso continuo, donde existen menos fluctuaciones y el rendimiento de las válvulas es mayor, una inspección visual periódica puede ser suficiente, en cambio, las válvulas automáticas generalmente se encuentran más sometidas al desgaste, por lo que deben desmontarse y revisarse con mayor frecuencia. Uno de los tipos de válvula más utilizados para el servicio todo-nada es la válvula de bola. Actualmente existe la tendencia a instalar estas válvulas soldadas a la tubería, con lo que quedan como parte integrada de ésta, evitándose así tanto la inclusión de bridas como, sobre todo, las fugas de producto a la atmósfera que podrían darse a través de ellas.

Las válvulas de compuerta con diámetros de 2 pulgadas o mayores son normalmente embridadas, aunque también se usan con extremos para soldarlas a la tubería. En las válvulas de asiento pueden evitarse fugas a través de la empaquetadura instalando el asiento de una aleación blanda de plomo que se acopla mejor con el obturador.

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Erosión La erosión se localiza siempre en puntos en los que la velocidad de impacto es alta. El daño producido por la erosión puede reducirse seleccionando la válvula adecuada para cada servicio, con: Sección de paso grande y sin estrangulamientos Sección de paso lisa, con pocas irregularidades Los mínimos giros del fluido posibles La superficie del asiento y del obturador endurecida En algunos casos, el daño más grave puede reducirse variando las condiciones de operación, por ejemplo cambiando una bomba impulsora si está provocando altas presiones de forma innecesaria. Para combatir la erosión más fuerte (especialmente debida a fangos), las válvulas de diafragma y las de apriete son las más indicadas. Corrosión La corrosión, generalmente ocasionada por el ataque de una sustancia química o impurezas, puede ser general o local. La corrosión general suele dar un deterioro bastante uniforme de toda la superficie, en cambio, la corrosión local implica un daño poco generalizado pero un ataque local severo, normalmente en puntos de la superficie con imperfecciones o con fatiga. La mejor forma de evitarla es seleccionar para la válvula la aleación más resistente o, en casos extremos, instalarla de cerámica, revestida de vidrio o con cuerpo entero de plástico. En cualquier caso, el material del que se construya la válvula debe resistir al agente corrosivo particular. Las tablas de corrosión son útiles para una visión general de posibles materiales de construcción pero no aseguran una correcta selección para una aplicación particular. La resistencia a la corrosión de cualquier material puede estar afectada por trazas de diferentes sustancias, por eso el mejor método para escoger el material de la válvula

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es la toma de datos experimentales con muestras expuestas a los fluidos que realmente serán manejados bajo las condiciones de operación previstas. Existen numerosas razones por las que una válvula puede inutilizarse por corrosión al contener un fluido; un caso habitual es que el flujo de un gas esté previsto que sea seco y en cambio contenga pequeñas cantidades de líquido que causan la corrosión; también puede suceder que por un almacenaje inadecuado se dañen las válvulas, quedando los efectos escondidos hasta que la válvula se expone a las condiciones de operación. Cuando el daño no es grave es posible reparar el cuerpo de la válvula, al menos provisionalmente, con una soldadura de metal o, para bajas presiones y temperaturas, con resinas epoxi. Cavitación La cavitación es un fenómeno que puede afectar a la eficiencia de las válvulas y que, dependiendo de su severidad, puede causar erosión, ruido excesivo o vibraciones peligrosas. Este fenómeno consiste en la formación y colapso de cavidades de vapor en un flujo de líquido. La cavidad de vapor puede formarse en cualquier lugar del flujo donde la presión local se reduce a la presión de vapor del líquido a la temperatura del líquido. En estos puntos una parte del líquido vaporiza y se forman burbujas o cavidades de vapor . El colapso de las burbujas empieza cuando se desplazan hacia regiones donde la presión local es mayor que la presión de vapor. Como ningún material puede resistir el continuo golpeo de las burbujas que implosionan, la solución es evitar la formación del vapor de cavitación o bien, prevenir su implosión. Para ello, las características que debería tener la válvula son: Capacidad de recuperación de baja presión Un camino de descarga en el orificio que suponga la implosión del vapor de cavitación en medio de la corriente de flujo en lugar de hacerlo contra los límites de la conducción.

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Una abertura preparada para la libre descarga a un tanque u otro contenedor de líquido Una forma que permita la aspiración de gas no condensable y su mezcla con las burbujas de vapor, para la prevención de implosiones súbitas De los tipos de válvula estándar, la válvula de globo con orificio de paso en forma de V permite la recuperación de presión más baja y es la menos susceptible a sufrir cavitación. Las válvulas de mariposa y esféricas tienen una recuperación de presión desfavorablemente alta en largas aperturas, pero algunas tienen pasos de caudal que confinan las cavitaciones leves al centro de la corriente. Las válvulas especiales anticavitación se caracterizan por múltiples y pequeños canales de flujo y pasos tortuosos. Asumidos tanto los modos de fallo más frecuentes que pueden producirse en válvulas, manuales o automáticas, como los accidentes que pudieran ocasionarse como consecuencia de ellos, debe estudiarse su fiabilidad para llevar a cabo el mantenimiento preventivo de estos elementos. Para realizar el mantenimiento preventivo de las válvulas, se tendrá en cuenta su probabilidad de fallo, pues de esta manera podrá conocerse cuál es el momento más adecuado para revisarlas, evitando así llegar a una situación en la que la probabilidad de que ocurra el fallo sea elevada. A continuación se definen los términos de fiabilidad y tasa de fallo, así como la utilidad que éste último dato tiene para llegar a conocer la probabilidad de fallo: Fiabilidad es la probabilidad de que un componente o dispositivo lleve a cabo una función definida en condiciones establecidas para un periodo de tiempo señalado.

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Tasa de fallo es la frecuencia con que se presentan los fallos en los componentes, es decir, el número de fallos que ocurren en un componente dividido por el tiempo transcurrido. Una evaluación cuantitativa del riesgo de un acontecimiento indeseado mediante la aplicación del árbol de fallos y errores, precisa conocer la probabilidad de fallo o indisponibilidad de los sucesos básicos (representados en un círculo en el árbol) y determinar valores probabilísticos de fallo a los sucesos no desarrollados (representados por un rombo). La probabilidad de fallo de un componente se calcula, en función del modo de fallo ocurrido, a partir de la tasa de fallo, que puede obtenerse principalmente de la experiencia, y de no tenerse se obtiene en bancos de datos como el del Institute of Chemical Engineers, la base de datos Reldat de AEA, el Offshore Reliability Data (OREDA-84), etc. Según el mecanismo de operación de las válvulas, suelen producirse diferentes modos de fallo, y cada uno de estos modos de fallo sucede con la frecuencia que indica su tasa de fallo (λ). En la tabla 8 se presentan diferentes tipos de válvulas en función de su mecanismo de actuación, algunos modos de fallo que suelen afectarlas y la tasa de fallo media estimada.

Considerando el tipo de válvula específico, se presenta también la Tabla 9 dónde se muestra para cada tipo de válvula y su forma de actuación, las tasas de fallo encontradas en la bibliografía especializada en el caso en que el modo de fallo es el fallo en operación

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TABLA 3.7.-. Fallas según el mecanismo de operación en válvulas MECANISMO DE OPERACIÓN DE

MODO DE FALLO

LA VÁLVULA

Fallo al cierre (queda abierta)

Válvulas de control automático

Fallo

a

la

apertura

(queda

cerrada. Bloqueo) Fuga externa (empaquetamiento) Fallo a demanda

Válvulas motorizadas

Bloqueo Fuga externa o rotura Fallo a demanda

0,3/año

Bloqueo

0,3/año

Bloqueo

0,1/año

Agarrotamiento

0,1/año

Fuga

0,1/año

Válvulas solenoide

Válvulas manuales

.

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TABLA 3.8. Fallas mas comunes en válvulas. modo de fallo: fallo en operación

TIPO DE VÁLVULA Válvulas de globo

Válvulas de diafragma

Válvulas de mariposa Válvulas

obturadoras

MÉTODO DE ACTUACIÓN

FUNCIÓN

Solenoide

Aislamiento/Cierre

Neumático

Control/Regulación

Manual

Aislamiento/Cierre

Neumático

Aislamiento/Cierre

Neumático

Control/Regulación

Manual

Aislamiento/Cierre

Neumático

Control/Regulación

y Neumático

esféricas

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Aislamiento/Cierre

CONCLUSIONES En el capitulo uno se manejaron varios conceptos básicos relacionados a las válvulas de control como variable controlada, variable manipulada, agente de control, punto de ajuste o se point, proceso, elemento final de control etc. También de comentan las partes y tipos de las válvulas, donde se hacen recomendaciones de que tipo de válvula es recomendada para tal proceso y ventajas y desventajas de las válvulas, las válvulas que se mencionaron son: I.- Válvulas de compuerta, II.-

Válvulas de globo, III.- Válvulas de bola, IV.- Válvulas de mariposa,

V.- Válvulas de apriete, VI.- Válvulas de diafragma, VII.- Válvulas de macho, VIII.Válvulas de retención y IX.- Válvulas de desahogo (alivio). En el capitulo II, se comenta que es y como se debe dimensionar una válvula de control, y se explica ampliamente con ejemplos, graficas y tablas. En este capitulo también se hacen unos cuestionamientos para que el lector reflexione y analice con profundidad las preguntas ahí presentadas. Donde mas adelante se dan respuesta a esos cuestionamientos. Los cuestionamientos fueron por ejemplo, ¿Indicar el diámetro de la válvula?, ¿En que ámbito estará la válvula trabajando normalmente?, etc. Las respuestas que se dan es en base al análisis, cálculos y expresiones que se presentan en este trabajo. Por ultimo se explica que es la válvula de control. En el capitulo III se trato del comportamiento de la válvula de control en los sistemas de control para procesos industriales y los efectos que están provocan dependiendo de la acción del controlador en turno, es decir si esta el controlador en modo proporcional, integral, on-off etc. Por ultimo se habla de las fallas más comunes en las válvulas de control en los procesos industriales y los daños que provocan estas fallas, a los equipos, medio ambiente y personal de operación. Esto se logra dando una descripción de la falla y se comentan algunos casos reales.

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