a,p,a,valvulas de control
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ITSICA INSTITUTO TECNOLÓGICO
DE INSTRUMENTACIÓN
INDUSTRIAL Y CONTROL
AUTOMÁTICO DE PROCESOS
FUNDAMENTOS DE VALVULAS DE CONTROL
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INDICE
DEFINICION
CAPACIDAD DE UNA VALVULA
RETROALIMENTACION
COMPARACION DE UNA VALVULA DE CONTROL CON UNA ON-OFF
VALVULAS DE GLOBO
VALVULAS DE GUIA DE CAJA
INTERCAMBIABILIDAD DEL TRIM1
VALVULAS DE VASTAGO O POSTE GUIADO
VALVULAS DE BOLA
VALVULAS DE CORTE EN V
VALVULAS DE PLUG ROTATIVO EXCENTRICO
VALVULAS DE MARIPOSA
VALVULAS DE MARIPOSA DE ALTO RENDIMIENTO
SELECCION DE PARAMETROS
RANGOS DE PRESION
CLASES ANSI
RATAS DE CAIDA DE PRESION
CAPACIDAD
RATAS DE TEMPERATURA
CARACTERISTICA INHERENTE VS. INSTALADA
RUIDO, CAVITACION Y FLASHING
CIERRE
TRIM es un término utilizado para definir las partes constitutivas que se encuentran directamente en contacto
con el fluido del proceso.
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ANSI CLASES DE LIQUEOS ( FUGAS )
TERMINALES PARA CONEXIONES
CONSIDERACIONES DE COSTO
MANTENIMIENTO
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VALVULAS DE CONTROL
DEFINICION
Una válvula de control es el Elemento Final de Control mas comúnmente utilizado para
regular el flujo de un proceso, que en un lazo de un proceso es solamente la resistencia de
la variable de un sistema.
Se espera que una válvula del mando module continuamente en respuesta a una señal de
control para mantener la variable de un proceso estable, debido a la gran variedad de
diseños de válvulas de control, hay una considerable flexibilidad en selección de su tamaño.
Hay también varias opciones para el diseño del cuerpo, característica de flujo, tipo de
actuador y diseño del arreglo.
Para definir una válvula de control, aplicaremos la definición de ISA
2, que es la sociedad
que avaliza los estándares, procedimientos y definiciones, que normalmente se refieren a
los procesos industriales.
ISA define una válvula de control como Un dispositivo operado por una fuerza, la cual
modifica la rata de fluido, en un proceso o sistema de control. Esto consiste en una válvula
conectada a un mecanismo actuador, que es capaz de cambiar la posición a través de un
elemento controlador, la válvula responde a la señal del sistema de control.
CAPACIDAD DE UNA VALVULA
Los fabricantes de válvulas han adoptado una base común para tasar capacidades de
válvulas de control. La unidad de medición aceptada para este propósito es el término
conocido como coeficiente de flujo (Cv) y ha estado en uso desde mediados de los años 40.
El coeficiente de la válvula Cv se define como:
2 Instrument Society of America
Cv q P G / ( / ) / 1 2
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donde q es la rata de flujo volumétrico a través de la válvula en galones por minuto, P es la caída de presión
a través de la válvula en psi (incluyendo pérdidas en la entrada y salida) y G es la gravedad específica del
fluido. Dicho de otra manera, es el número de galones por minuto de agua a temperatura ambiente qué
atravesará una restricción de flujo dada con una caída de presión de 1 psi. Por ejemplo, en una válvula de
control que en la posición completamente abierta pasan 25 gpm de agua con una caída de presión de 1 psi,
tiene un coeficiente de flujo máximo de 25.
RETROALIMENTACION
En otras palabras, una válvula de control responde automáticamente a una
retroalimentación desde el elemento que mide la variable, en el lazo de control de un
proceso. La variable puede ser temperatura, presión, flujo o nivel. El elemento sensor
envía una señal, directamente o a través de un control intermedio al actuador. El actuador
que comúnmente es operado neumáticamente, responde a la señal y ajusta la posición de la
válvula.
COMPARACION DE UNA VALVULA DE CONTROL CON UNA ON-OFF
Las definiciones de ISA, tienen grandes diferencias entre las válvulas de control y las que
no son de control. Las que no son de control son conocidos generalmente como ON-OFF,
operadas manualmente y diseñados para servicios ligeros o intermitentes.
Las válvulas de control responden automáticamente a frecuentes cambios de las variables
en el lazo de control, pueden responder rápida o cíclicamente de una manera muy
frecuente, desde muchas veces al día, hasta muchas veces por minuto. Por estas razones la
válvula de control deber ser robusta, para brindar una operación consistente y confiable,
día a día en un elevado servicio cíclico. Así comparadas con las válvulas ON-OFF, las
válvulas de control generalmente son de materiales de alto grado de dureza y partes
internas duras y con tolerancias más precisas. Otra diferencia básica entre las válvulas
ON-OFF y las de control es en el diseño del vástago, que cumplen propósitos específicos
en cada una.
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1.- Una válvula ON-OFF, es generalmente usada en una tubería abierta, con flujo
directo o conexiones cerradas, para bloqueo o paradas de emergencia. De esta
forma las válvulas ON-OFF ofrecerán poca restricción cuando están abiertas y
brindan un buen cierre en bloqueo. Esta es la función para la que han sido
diseñadas.
2.- Por el contrario una válvula de control, es usada para absorber energía en un
proceso imperfecto. Así cuando esta totalmente abierta, absorbe una fracción de
energía y provee al sistema un efecto inmediato de incremento en el cierre. Una
válvula de control debe moverse desde un 15% a un 20% del recorrido disponible,
para tener un impacto significativo en el sistema. De esta forma, una válvula de
control da una respuesta inmediata; mientras que una ON-OFF, introducirá un
inaceptable retardo, si se la usa en una aplicación rápida.
VALVULAS DE GLOBO
GENERALIDADES
Las válvulas de globo son el tipo más comúnmente utilizadas en la actualidad y han sido
durante muchos años. Estas válvulas pueden ser divididas en varias categorías, incluyendo
un solo puerto, puerto doble y tres vías. Las válvulas de cuerpo partido y de ángulo son
clasificadas como válvulas de globo de tipo especiales.
Las válvulas de globo Figura, son llamadas así porque, el flujo atraviesa por una cavidad
esférica globular. Estas robustas válvulas usan un tapón para cortar el fluido en el asiento
de la válvula y controlar el flujo que pasa por el cuerpo. El tapón se encuentra unido al
vástago de la válvula y es empujado a través del bonete. El bonete retiene la presión del
cuerpo de la válvula, tiene empaques para prevenir liqueos del proceso por el vástago de
la válvula. Esto porque el tapón tiene un movimiento lineal en la válvula. La mayoría de
las válvulas de globo se hallan en una de las dos categorías; válvulas de caja guiada y
vástago o poste guiado.
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VALVULAS DE CAJA GUIADA
FUNCIONES DE LA CAJA
La caja sirve para dos funciones principales. Primero, brinda un alineamiento positivo y
control al tapón. Segundo, debido a que el flujo es direccionado a través de aperturas o
ventanas que se encuentran en las paredes de la caja, la caja puede modificar o caracterizar
el flujo a través del cuerpo de la válvula. Diferentes características de flujo son obtenidas
variando la forma de las ventanas. En muchos diseños, la caja es usada también para
sostener el asiento en su sitio, en el cuerpo de la válvula.
GUIAMIENTO MASIVO
La función principal de diseño de las válvulas de caja guiada, es que la caja brinde un
guiamiento masivo. En servicio, la fuerza dinámica del fluido, en las partes internas de la
válvula puede causar vibración y fuerzas contrarias que pueden resultar en inestabilidad
del tapón de la válvula y obtenerse un desgaste prematuro. Guiando el tapón en el diámetro
interino de la caja, por todo lo largo del recorrido del tapón, la caja guiada minimiza los
efectos negativos de la vibración y la inestabilidad. Otros tipos de válvulas, no ofrecen una
mejor área de guiamiento, como las válvulas de caja guiada.
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INTERCAMBIABILIDAD DEL TRIM3
La intercambiabilidad del trim es otra función importante de diseño, porque el tapón, la caja
y el asiento, es decir todo el juego del trim; puede ser reemplazado con otro juego de trim,
para una condición diferente de servicio, las válvulas de caja guiada son extremadamente
versátiles.
MAXIMA DE DISEÑO
Como máxima facilidad de diseño, permite el reemplazo de todas las partes del trim, se las
hace retirando el bonete, abriendo la válvula y sin retirarla de la tubería.
TRIM DESBALANCEADO
Las válvulas de simple asiento son simples en construcción, frecuentemente usadas en
tamaños de 2 pulgadas y menores, brinda un buen cierre metal - metal o asientos
compuestos, pueden tener altas fuerzas desbalanceadas en el tapón requiriendo actuatores
grandes. Pueden construirse para que el tapón se mueva incrementando la fuerza de carga
del actuador.
Con los trims no balanceados, todas las fuerzas asociadas al flujo del fluido del proceso son
aplicadas directamente en la parte inferior del tapón, esto da por resultado una presión
diferencial entre la parte superior e inferior del tapón, si la dirección del flujo es tal, que da
como resultado que el flujo empuja al tapón hacia arriba, se necesitará de un actuador más
grande para asentar la válvula, en aplicaciones de alta presión. La principal ventaja del trim
no balanceado es un muy buen acentamiento del tapón para aplicaciones de bloqueo.
TRIM BALANCEADO
Se desarrollaron válvulas de doble asiento para equilibrar las fuerzas que normalmente
actúan en las válvulas de asiento simple, generalmente tienen capacidades de flujo más
altas y requieren fuerzas del vástago más pequeñas comparadas al mismo tamaño de las de
asiento simple. Frecuentemente se especifican para tamaños mayores que 2 pulgadas pero
no debe usarse cuando el goteo es inaceptable. Una construcción especial puede
3 TRIM es un término utilizado para definir las partes constitutivas que se encuentran directamente en
contacto con el fluido del proceso.
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proporcionarse para brindar un asentado mas firme cuando se requiere.
El trim balanceado usa un pórtico a través de los ejes verticales del tapón de la válvula
permitiendo al proceso comunicarse con la cavidad encima del tapón. Estas fuerzas
balanceadas producidas por el fluido del proceso sobre y debajo del tapón, dan por
resultado una reducción de la fuerza, que el actuador necesita para realizar el cierre de la
válvula.
APLICACIONES TIPICAS
Estas robustas válvulas, de excelente control, fácil intercambio de trim y adaptaciones de
caja guiada, están instaladas en casi toda la industria. Sin embargo son apropiadas para un
amplio rango de servicios generales con fluidos limpios, alta presión y extremas
temperaturas. La única aplicación que comúnmente no son usadas es en procesos con
fluidos viscosos y erosivos, donde las partes guiadas no son deseadas.
LIMITACIONES
Con flujos lentos es común para todas las válvulas una pérdida de capacidad en ciertos
tamaños, comparadas con las válvulas de eje rotativo. La apertura que da al cierre, que
acompañan a las cajas guiadas, las excluye en el uso con resinas o materiales
extremadamente arenosos o fluidos en procesos lodosos. En tamaños de hasta seis
pulgadas, estas son un poco más costosas que las válvulas rotativas. Porque son robustas,
largas, pesadas, requieren de tecles o cadenas para ser movilizadas o instaladas. Las de
diseño no balanceado requieren un actuador más largo.
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VASTAGO GUIADO
Así como las válvulas de caja guiada figura anterior, las válvulas de vástago o poste guiado,
usan un tapón para controlar el fluido en un proceso. En este diseño, el vástago de la
válvula es guiado por un reductor, alrededor del vástago o poste.
CONSIDERACION DEL FLUJO ABIERTO
Estas válvulas proveen más ganancia en flujo abierto que las válvulas de caja guiada, por
esto son usadas en aplicaciones con medios lodosos, viscosos o pegajosos que obstruyen las
válvulas de caja guiada. Por esto son comúnmente usadas en aplicaciones de servicios
corrosivos.
PARA USOS EN MEDIOS DIFICILES
Un diseño de las válvulas de vástago o poste guiado, es el que el reductor guiado no está
generalmente en contacto con el fluido, porque la superficie guía esta protegida de los
efectos del flujo, este diseño es usado en aplicaciones viscosas y erosivas, o en servicios de
cosión. Con medios arenosos se tiende a formar una costra en la parte superior, que
interfiere con la caja guiada.
MAXIMA DE DISEÑO
Así como la válvula de caja guiada, el trim y otras partes internas, pueden fácilmente ser
cambiadas o realizar mantenimiento, mientras la válvula esta instalada en la tubería.
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CONFIGURACION BASICA
Las válvulas de vástago y poste guiado están instaladas en un buen número de
aplicaciones. Las siguientes distinciones de diseño deben ser realizadas:
1. Para aplicaciones de uso general se requieren válvulas pequeñas, una construcción
económica de este diseño puede dar una solución de costos y de control efectiva.
2. Para servicios especiales con químicos donde se deben utilizar aleaciones exóticas, este
tipo de válvulas pueden ser fabricadas de materiales, que le brindarán una considerable
seguridad en el moldeo o forja, del cuerpo de la válvula.
3. Adaptaciones en diseños de servicio pesado, son usadas para:
a) Servicios que involucran fluidos de proceso lodosos y viscosos.
b) Servicios corrosivos, encontrados en la industria química y otras aplicaciones
industriales.
4. Finalmente construcciones especiales son disponibles, para manejar servicios difíciles
con rangos de presión de hasta 50,000 PSI.
APLICACIONES
Válvulas económicas, existen en una variedad de servicios generales que involucran fluidos
limpios (aire o agua) a temperaturas y presiones moderadas. Todas las otras
configuraciones son aplicadas, en la mayoría de servicios difíciles que involucran fluidos
de proceso erosivos, corrosivos, arenas, lodos y viscosos. Como ejemplo, los diseños
estándares de servicio pesado, son comúnmente usados con resinas en amplios rangos de
condiciones de presión y temperatura. En diseños de almacenamiento y en servicios
químicos, son usados en producción de químicos y químicos especiales.
Diseños de alta presión son usados en producción de aceite y de gas, fabricación de
plásticos y aplicaciones de corte de servicio.
LIMITACIONES
Comparadas con las válvulas de caja guiada, las de vástago o poste guiado, tiene más
opciones de suministros de trims, para aplicaciones especiales, con ruido o cavitación.
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En algunos diseños desbalanceados, la presión de proceso, es completamente aplicada en la
parte baja del tapón y tiene de la tendencia a que el flujo abra a la válvula, de esta forma
aplicaciones de alta presión requieren una considerable fuerza en el actuador para asentar el
tapón de la válvula. Las válvulas económicas no tiene una larga superficie de guiado, así, la
inestabilidad del tapón puede limitar la capacidad de manejo de presión.
Así como las válvulas de caja guiada, son largas, pesadas y costosas, comparadas con las
válvulas rotativas. En cuanto al tamaño de las válvulas, tiene menor capacidad que las de
eje rotativo.
VALVULAS DE BOLA
BREVE DESCRIPCION
Las válvulas de bola usan una esfera completa o una porción de una esfera para controlar el
flujo a través del orificio de paso en el cuerpo de la válvula. Existen tres categorías
comunes de válvulas de bola y son: bola de orificio reducido, tapón rotatorio y válvula
segmentada en V.
VALVULA DE BOLA DE ORIFICIO REDUCIDO
BOLA TIPO VENTURI
La válvula de bola de orificio reducido figura siguiente, controla el flujo con una rotación
completa de la bola. El orificio de la bola es reducido, con respecto al tamaño de la línea,
de tal manera que la válvula comience a controlar el flujo, tan pronto como esta empiece a
cerrar. Esto es conseguido con la definición de válvula de control dada anteriormente.
Debido a esta característica, estas válvulas también son conocidas como "válvulas de bola
venturi" para disntinguirse de las de orificio total, no diseñadas para control.
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PERDIDA MINIMA DE PRESION
Una característica es que existe una mínima obstrucción hacia la puerta u orificio de la
bola. Como resultado, esas válvulas son comúnmente usadas para alta capacidad,
aplicaciones de alta presión donde las pérdidas de presión deben ser mínimas.
REGULACION DE ALTA PRESION
Debido a que estas están sujetas a considerable presión y flujo este tipo de válvula es de
construcción robusta. Ejes, sellos y conexiones del actuador son sobredimensionados, para
satisfacer los requerimientos para servicios de ajuste de alta presión.
APLICACIONES TIPICAS
Estas válvulas combinan un fuerte cierre y pérdidas mínimas de presión, con la habilidad
para responder rápidamente a las perturbaciones del sistema, estas válvulas de orificio
reducido son comúnmente usadas para regulación de presión y control de flujo requerido
en líneas de transmisión de gas, distribución de gas y oleoductos.
LIMITACIONES
Comparadas con otros tipos de válvulas, las de orificio reducido son más costosas y tienen
limitaciones de capacidad en temperatura. Su aplicación es generalmente con temperaturas
bajo los 300 °F.
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VALVULAS DE CORTE EN V
SUPERFICIE ESFERICA PARCIAL
Las válvulas de bola segmentadas en V usan solo una porción esférica para controlar el
flujo. El segmento esférico tiene un contorno cortado con el que proporciona una
característica de flujo, que está asociado con el control preciso en una amplia gama de
rangos de aplicaciones. El segmento se mantiene en contacto con la superficie de sello
mientras esta rotando.
RANGEABILIDAD
El mayor beneficio que se obtiene con este diseño es que brinda una amplia rangeabilidad o
la habilidad para controlar ratas de muy bajo flujo y ratas de muy alto flujo. Cuando el
segmento del corte en V, esta completamente abierto, habrá una mínima obstrucción y se
obtendrá un máximo flujo. De esta forma, el segmento en V cuando se aproxime al cierre
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dará una buena respuesta de control para una baja rata de flujo antes del cierre. La
rangeabilidad es expresada como una relación del máximo al mínimo coeficiente de flujo
controlable, es aproximadamente de 300: 1 para este tipo de válvulas.
VENTAJA ECONOMICA
Si se compara con una válvula de globo con igual capacidad de flujo, estas son más
pequeñas, livianas y requieren menos material y elaboración. Especialmente en tamaños
sobre las 6 pulgadas, esto da por resultado una respuesta excelente de control con buena
economía, en comparación con la válvula de globo.
CIERRE Y CORTE
Debido a que el segmento de la bola, esta en constante contacto con los sellos, el diseño de
corte en V da un efecto como el asiento de un segmento de bola. Esta característica le hace
particularmente disponible para aplicaciones con resinas fibrosas y fluidos con sólidos.
También brinda una acción de autolimpieza cuando se usa con fluidos que tienden a hacer
incrustaciones en las partes internas de la válvula.
APLICACIONES TIPICAS
Su amplia rangeabilidad, flujo continuo, la acción del corte en el cierre hacen a estas
válvulas muy populares en las industrias de pulpas y papel, donde las impurezas de fibras
de madera tienden a obstruir otros tipos de válvulas. Su mínima pérdida de presión y amplia
rangeabilidad, hacen a estas válvulas populares en la industria del gas natural. Excelente
respuesta de control y costos favorables han incrementado la aplicación en industrias
químicas y otras. Las válvulas de corte en V representan un excelente valor para control de
flujo a través de largas líneas de oleoducto.
LIMITACIONES
Comparadas con las válvulas de globo, las válvulas de bola de corte en V tienen una
reducida capacidad de manejo de presión y no pueden aplicarse en amplios rangos en
servicios corrosivos o erosivos. En procedimientos de mantenimiento normales,
generalmente involucran el procedimiento de laminado para dar un apropiado sello con el
segmento de la válvula. Debido a que ellas son válvulas de alta recuperación, pueden tender
a cavitar en ciertas condiciones de servicio.
VALVULAS DE PLUG ROTATIVO EXCENTRICO
SEGMENTO ESFERICO
Las válvulas de plug excéntrico rotativo figura siguiente, usan un segmento de bola como
un componente de control. Cuando la válvula esta cerrada el segmento asienta sobre un
asiento metálico en forma de anillo. En algunos diseños el anillo de asiento es un elemento
flotante, el cual se auto centra sin el uso de láminas.
CARACTERISTICA DE EXCENTRICIDAD
El diseño básico difiere de las válvulas de bola de orificio reducido y las de segmento
cortado en V, en que el segmento de bola o tapón operan excéntricamente y no están en
contacto con la superficie del sello durante el recorrido. Con este diseño se ayuda a prevenir
el desgaste en el anillo y requiere menor torque de operación.
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CONFIABILIDAD DE CIERRE
Las superficies de asentamiento metal a metal, dan un confiable cierre en aplicaciones con
erosivos, alta temperatura, y alta presión. Los métodos de asentamiento dan un efecto de
auto asentamiento, de esta manera, el cierre se garantiza.
PASO DE FLUJO EN TORRENTE
Las características de diseño de flujo en que se demande efectos de flujo a alta velocidad y
las impregnaciones de medios arenosos, pasan directamente por el cuerpo de la válvula,
por lo que se tiene partes de fácil recambio muy endurecidos. Cuando se construyen trims
con materiales endurecidos como la estelita o tungsteno al carbón, este tipo de válvulas son
deseadas para condiciones de servicios de extrema erosión.
APLICACIONES TIPICAS
Estos tipos de válvulas se usan comúnmente en producción minera, refinerías y otros
procesos de extrema corrosión, donde es difícil extender y mantener la vida de los trims de
las válvulas. Por el éxito alcanzado en estos servicios difíciles, las válvulas de tapón
excéntrico se han ido incrementando su uso en aplicaciones no erosivas donde la economía
y la larga vida del trim se requieren. (Comparadas con las válvulas de globo).
LIMITACIONES
La capacidad de caída de presión disminuye rápidamente con el incremento del tamaño.
Son generalmente, disponibles en limitados rangos y tamaños, típicamente hasta 8
pulgadas. Ya que estas válvulas son de alta recuperación tienden a cavitar, bajo ciertas
condiciones de servicio.
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VALVULAS DE MARIPOSA
GENERALIDADES
Las válvulas de mariposa se encuentran disponibles en dos estilos básicos, para servicio
pesado y para alto rendimiento.
VALVULAS MARIPOSA PARA SERVICIO PESADO
DISCO ROTATIVO
Las válvulas para servicio pesado, usan un disco rotativo para controlar el flujo a través de
la tubería. El disco es generalmente operado por rotación de 90 grados, por esto a estas
válvulas se las conoce como válvulas de un cuarto de giro.
DISEÑO STANDARD
Las válvulas mariposa estándar son llamadas de recorrido y balanceo, porque las válvulas
no tienen un sello en la superficie del asiento, lo que da por resultado en un moderado
cierre.
VALVULAS FORRADAS
Algunas variedades de válvulas de mariposa, usan un forro elástico y/o un disco recubierto.
Por esto se las denomina válvulas forradas y son usadas para dar un buen cierre o
resistencia con algunos fluidos corrosivos.
ALTA CAPACIDAD
Ya que el disco de estas válvulas ofrece muy poca obstrucción relativa al paso del fluido,
estas válvulas brindan una muy alta capacidad, cuando se las compara con otros tipos de
válvulas.
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DISEÑO ECONOMICO
Un número pequeño de partes y correctores aguas abajo dan más capacidad de inversión,
comparados con otros tipos de válvulas. Esta ventaja de costos se incrementa
dramáticamente en tamaños sobre las 20 pulgadas.
APLICACIONES TIPICAS
Las válvulas de mariposa estándares, son usadas en una variedad de servicios donde la
economía es de consideración y no se requiere de un cierre hermético. Pueden ser usadas
para una gran variedad de servicios de líquidos y gases, incluidos aquellos con arenas
erosivas, o con tendencias a producir partículas asentadas en las partes internas de la
válvula. En servicios donde se desea un buen cierre o se requiere resistencia a la corrosión,
los productos forrados pueden ser usados.
LIMITACIONES
Ya que la amplia superficie del disco, actúa como una palanca, en aplicación de las fuerzas
dinámicas de medios flujos sobre el eje, las válvulas de mariposa son generalmente
limitadas en presión manejando capacidad, comparadas con otros tipos de válvulas. Por su
alta recuperación, tienden a cavitar en ciertas condiciones de servicio.
Los diseños estándares son limitados en capacidad de cierre, las válvulas generalmente
están limitadas para servicios con fluidos limpios y requieren mayor torque, para asentar o
desasentar el disco.
VALVULAS DE MARIPOSA DE ALTO RENDIMIENTO
FUERTE CIERRE
Las válvulas de mariposa de alto rendimiento, incorporan al diseño básico, un disco
excéntrico y un método de cierre. Esta combinación da como resultado una respuesta
económica de control y un fuerte cierre.
DISCO EXCENTRICO
El movimiento excéntrico creado por un doble disco compensado, remueve la superficie
del asiento del disco del sello tan rápidamente como la válvula es desasentada. Esta
acción excéntrica reduce el desgaste en la superficie sellante y reduce el torque que se
requiere para asentar o desasentar la válvula.
COMPACTA
Combinando la economía de una válvula mariposa estándar, con un buen método de
sellado, da como resultado un buen cierre y control, en un compacto y una estructura
liviana.
ECONOMICA
Como otras válvulas mariposa, las válvulas de disco excéntrico, tienen un favorable costo,
especialmente cuando se las compara con las válvulas de globo, en tamaños sobre 4 a 6
pulgadas.
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APLICACION TIPICA
Las válvulas de disco excéntrico, son comúnmente usadas en servicios no severos, que
requieren economía, moderada capacidad de caída de presión y buen cierre. Aplicaciones
típicas incluyen, servicios para fluidos limpios y gases, baja presión de vapor y algunos
medios corrosivos.
LIMITACIONES
El control y la estabilidad no son tan buenas como con las válvulas de globo o como las
válvulas de segmento cortado en V. En términos de capacidad de manejo de presión, las
válvulas de disco excéntrico, tienen menos capacidad que las válvulas de globo, pero mayor
capacidad que las válvulas estándares de mariposa. Como otras válvulas de alta capacidad,
tienen un potencial de cavitación, bajo ciertas condiciones de servicio.
SELECCION DE PARAMETROS
GENERALIDADES
Cuando se selecciona una válvula para un servicio específico, muchos parámetros de diseño
de válvulas y rendimiento deben ser evaluados. En esta discusión enfocaremos las más
importantes especificaciones y atributos a ser considerados cuando se selecciona una
válvula de control. Estos son: presión y temperatura, compatibilidad del material,
capacidad, características del flujo, cierre, cavitación y flashing, ruido, conexiones, costos
y mantenimiento.
RANGOS DE PRESION
INTRODUCCION
Cuando se selecciona una válvula para un servicio dado, debemos considerar la presión de
entrada y la máxima caída de presión de la válvula de control.
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CLASES ANSI
Las presiones de entrada se refieren a la capacidad que los componentes como el cuerpo o
el bonete poseen para soportar la presión. Esta capacidad es expresada comúnmente en
términos de clase ANSI. Los estándares ANSI son del Instituto Americano de Estándares.
Los valores de la clase ANSI usados comúnmente son: 150, 300, 600, 900, 1500 y 2500
libras. Generalmente, se dice que las válvulas con una clase alta ANSI, tienen componentes
pesados y duros para resistir la presión.
OTRAS RATAS
Otras especificaciones ANSI definen los requerimientos para clases sobre los 2500 y otras
categorías especiales. Así como los estándares ANSI son comúnmente referidos, también
son usados otros estándares como el API (Instituto Americano del Petróleo) para definir las
capacidades de presión y temperatura.
LIMITES DE CLASES ANSI
Una válvula dada en clase ANSI, debe ser capaz de soportar mayor presión de entrada que
la nominal. Por ejemplo, una clase ANSI 150, su límite no es 150 psig. En efecto una clase
ANSI 150, cuyo cuerpo es de acero al carbón, su rata típica es de 285 psig a bajas
temperaturas.
INFLUENCIA DEL MATERIAL
Con una misma clase ANSI, diferentes materiales tienen diferentes capacidades de presión
y temperatura. Así, cuando una válvula sea seleccionada, no necesariamente están cubiertos
completamente los requerimientos de presión para el servicio, es posible seleccionar la
misma válvula, en la misma clase ANSI, pero con diferentes materiales, para cubrir los
requerimientos de presión y temperatura. En muchos casos será más económico seleccionar
un cuerpo más pesado con una clase ANSI más alta.
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INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
Aumentos de temperatura limitarán las presiones máximas de entrada; a mayor temperatura
se tiene baja la máxima de presión de entrada.
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RATAS DE CAIDA DE PRESION
DEFINICION DE CAIDA DE PRESION
Muchas veces, el mayor limitante de clase ANSI es la caída de presión (P). La caída de
presión esta definida como la diferencia entre las presiones de entrada y salida de la
válvula. Mientras la presión de entrada de la válvula esta determinada por las partes que
reciben la fuerza de la presión como son el cuerpo y bonetes. La capacidad de caída de
presión de la válvula de control es más que una función de las partes internas de la válvula,
elementos de cierre, vástago, ejes, rodamientos y así sucesivamente.
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PRESION DIFERENCIAL FLUYENDO
La presión diferencial fluyente, se refiere a la diferencia entre la presión aguas abajo y
aguas arriba, mientras la válvula esta controlando. La caída de presión fluyente es la mas
alta cuando los componentes de cierre de la válvula están cerca del asiento. En esta
posición la presión aguas abajo se reduce grandemente, la velocidad en la válvula es grande
y la fuerza del fluido sobre los componentes de cierre se incrementa.
CAIDA DE PRESION EN EL CIERRE
Como regla general, la caída de presión de cierre es equivalente a la presión aguas arriba.
Cuando la válvula esta cerrada, la presión aguas abajo es esencialmente cero, así la
máxima presión de entrada es la caída de presión. La excepción de esta regla, es cuando la
presión regresiva aguas abajo actúa para reducir la caída de presión o donde el vacío aguas
abajo incrementa la caída de presión.
EFECTOS DE LA CAIDA DE PRESION
La presión contenida es a veces acompañada por un cambio del estado de la energía, un
cambio de la presión estática o energía potencial a una forma de energía cinética como
calor, vibración o ruido. Alguna de esas fuerzas puede producir daños en los componentes
de la válvula de control.
FACTORES LIMITANTES
Dependiendo de las fuerzas asociadas con la caída de presión que se aplican a los
componentes de cierre y de control, cualquiera ya sea la caída de presión de cierre o
fluyente, llegan a ser factores limitantes cuando se selecciona una válvula de control. En las
válvulas de eje rotativo, las fuerzas actuando en los elementos de cierre, pueden tensionar o
desestabilizar los componentes. En adición, esas fuerzas se convierten en un torque
aplicado al eje, rodamientos, pasadores y otros componentes conectados a los elementos de
cierre o al eje. En las válvulas de globo o de deslizamiento, las fuerzas asociadas con la
caída de presión resultan en fuerzas comprensibles o tensionadas en el vástago, tensión en
las conexiones entre el vástago y el tapóne inestabilidad en el tapón de la válvula. Cuando
se aplica a una válvula de control, se debe determinar que la válvula seleccionada tenga el
máximo flujo y que caída de presión cierre cumpla con las condiciones de servicio. Los
fabricantes de válvulas de control determinan y publican tanto presión fluyente como la
caída de presión de cierre.
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OTRAS CONSIDERACIONES
El actuador de la válvula de control debe ser dimensionado para una efectiva fuerza de
oposición a las fuerzas del flujo en los componentes de cierre. De esta forma, una válvula
de globo no balanceada y muchas válvulas de eje rotativo, requieren extremas
consideraciones de fuerza, para condiciones específicas.
La caída de presión es definida como la diferencia entre la presión aguas arriba y aguas
abajo
RATAS DE TEMPERATURA
RELACION CON LA PRESION
La capacidad de temperatura, es esencialmente una función de los materiales usados. De
esta forma, cuando se miran las cartas de presión - temperatura ANSI, la temperatura y la
presión están interrelacionadas; así, con altas temperaturas, se tienen bajas presiones.
RATAS DETERMINANDAS
Cada componente de una válvula, tiene su rata de temperatura, el cuerpo, el trim, sellos y
empaques. De esta forma, la capacidad de temperaturas del ensamblaje, esta definida por
los componentes, con la rata mas crítica. En algunos ejemplos, los pernos del bonete tienen
un límite máximo de 450° de temperatura. Sin embargo, todos los otros materiales tienen
capacidad de temperatura mayor, las especificaciones de los pernos son el factor limitante.
Muchos fabricantes tienen sistemas de inspección y en sitio para prevenir inconsistencias
en la selección de materiales.
EXPANSION Y CONTRACCION TERMICA En muchas instancias, los efectos de la expansión y contracción térmica pueden ser más limitantes que las
ratas de temperatura nominales de los materiales empleados en su construcción. Esta es una gran verdad,
cuando componentes largos o altos son usados, para servicios extremos de alta o baja temperatura. En estas
instancias, las válvulas, pueden tener una más limitada capacidades de temperatura que los materiales de que
fueron hechos. Los fabricantes, generalmente, consideran estos factores y especifican sus productos con
suficiente criterio.
SELECCION DE MATERIALES
CONSIDERACIONES DE SELECCION
La especificación de los materiales es un paso importante en la selección de válvulas de
control. El material seleccionado tiene una gran importancia, para el acoplamiento
conveniente de la válvula con el medio, la vida y costo de la válvula. Los factores que
determinan la selección de materiales son:
1. Compatibilidad química con el fluido del proceso.
2. Habilidad física para resistir los efectos o el uso, la caída de presión y fluidos
erosivos.
MATERIALES COMUNES DEL TRIM
Los materiales del trim, deben ser de mayor dureza que los del cuerpo, porque están en
- 27 -
27
contacto con el fluido y tienen mayor uso. Tratamientos térmicos o endurecimiento con
acero inoxidable, son comúnmente utilizados en los trims de las válvulas.
MATERIALES COMUNES DEL CUERPO
Los cuerpos de acero al carbón son populares, debido a su economía y amplios rangos de
disponibilidad. Los cuerpos de acero inoxidable deben ser especificados para capacidades
excepcionales altas o bajas de temperaturas deseables o para resistir algunos procesos con
fluidos corrosivos.
PARTES BLANDAS
Los componentes blandos de la válvula como los asientos, sellos y empaques son
suministrados en amplios rangos de materiales naturales o sintéticos. Requerimientos de
aplicación como la temperatura y la compatibilidad química dictaminan el uso de los
materiales.
SERVICIOS EROSIVOS
En aplicaciones erosivas, las partes del trim deben ser de caras endurecidas fabricadas o
con materiales muy duros como el Aleación 6, Tungsteno al carbón, Cerámica y otros
nuevos materiales.
SERVICIOS CORROSIVOS
Para servicios extremadamente corrosivos, los cuerpos y los trims deben ser hechos con
amplias gamas de níquel basados en aleaciones como el Hastelloy(1)
, Inconel(2)
y Monel(2)
.
IMPORTANCIA DE LA IDENTIFICACION DE LOS MATERIALES
Como una palabra de precaución, existen muchos estándares diferentes para describir los
materiales. Los materiales pueden ser descritos con nombres comunes como “Acero
Inoxidable” o con nombres propios como el Inconel el cual es el nombre de fábrica de la
Compañía Internacional del Níquel. En forma general, los términos deben aplicarse a
cualquiera de los materiales especificados de la familia. Por ejemplo, una referencia general
del Inconel, podría interpretarse como Inconel 718 o Inconel 600. El material 718 tiene una
fuerza de tensión de hasta 180,000 psi, mientras que el material 600 tiene una fuerza de
tensión de solo 25,000 psi. Así, con una amplia gama de capacidades en la misma familia
de materiales, es importante especificar con exactitud los materiales deseados.
CAPACIDAD
DEFINICION DE CAPACIDAD
La capacidad está definida como, la rata de flujo que pasa a través de una válvula bajo
condiciones establecidas y es expresada como coeficiente de flujo. El coeficiente de flujo es
suministrado por el fabricante y es usado para determinar el tamaño de la válvula de control
necesitada para cumplir con los requisitos de un flujo dado. Diferentes coeficientes de flujo
son usados para cada condición física, líquido, gas y vapor.
COEFICIENTE DE FLUJO
La capacidad de los líquidos está expresada como el coeficiente Cv. El Cv es definido como
el número de galones americanos de agua a 60°F, que fluirán a través de la válvula en un
minuto, con una caída de presión de 1 psi, en condiciones establecidas.
Las condiciones establecidas incluirán el porcentaje de recorrido de la válvula.
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28
COEFICIENTE DE FLUJO PARA GAS Y VAPOR
Las capacidades del gas y vapor son expresados con un coeficiente de flujo diferente,
porque tienen comportamientos diferentes que los líquidos. Para obtener este coeficiente
han sido tomados en cuenta los efectos de comprensibilidad y otros factores importantes. El
coeficiente Cg para gases y Cs para vapor, son comúnmente utilizados.
RATAS ESTANDARD
Las especificaciones estándar ANSI, son procedimientos estándares comúnmente
aceptadas, para determinar el coeficiente de flujo. Esos estándares definen los
procedimientos para determinar los coeficientes de flujo, por pruebas de las tuberías
actuales y por cálculo. Los procedimientos usados por diferentes fabricantes para
determinar el coeficiente de flujo, pueden variar, así es buena práctica, conocer las ratas
típicas, de las válvulas del fabricante, normales y optimizadas. El resultado de pruebas, son
preferibles para tener una mejor precisión.
COEFICIENTES DE FLUJO
Capacidad = Rata de flujo
Coeficiente de flujo = rata de flujo bajo condiciones establecidas
Cv = Coeficiente de flujo usado comúnmente para líquidos
Cg = Coeficiente de flujo usado comúnmente para gas
Cs = Coeficiente de flujo usado comúnmente para vapor
Cv = Número de galones americanos que fluyen a través de la válvula en un minuto con
una caída de presión de 1 psi
Los coeficientes de flujo de las válvulas son publicados por los fabricantes
Durante el proceso de dimencionamiento, los coeficientes de flujo pueden ser usados
para determinar si una válvula seleccionada puede proveer la capacidad deseada para
los requerimientos del proceso
COMPARACION POR EL TIPO DE VALVULA
Por interés general, compararemos el coeficiente de flujo de cada tipo de válvula de control.
FLUJO DE LIQUIDOS
Las válvulas de eje rotativo, con excepción de las de tapón rotativo excéntrico, proveen el
mas alto coeficiente de flujo para líquidos. Esto se consigue ya que esta válvulas tienen un
continuo flujo directo con una mínima obstrucción. Mientras esperamos que una válvula de
bola completa tenga el mas alto coeficiente de flujo, recapitulando que la válvula de bola
completa tuvo una puerta reducida para proveer una exacta regulación de control. Porque
las válvulas de globo tienen un flujo más tortuoso que las de eje rotativo, esperamos que
ellas tengan algo de disminución en la capacidad que las de eje rotativo.
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FLUJO DE GAS
Cuando fluyen gases, la diferencia en capacidad entre las familias de válvulas es menos
pronunciada. Ya que el coeficiente de flujo de líquidos depende de cuan tortuoso el flujo es
mientras el coeficiente de flujo de gas es mas una función del área seccional mínima de
flujo de la válvula de control.
EXCEPCIONES
La tabla representa solamente una jerarquía general de capacidad. Muchas excepciones
podrían ser creadas cambiando los diámetros de las puertas, el tapón de las válvulas, tipo
de disco y métodos de sellado.
RECUPERACION Estrechamente relacionada con la capacidad, la recuperación es un término relativo usado para describir como
la presión aguas abajo es afectada por la geometría y el diseño de la válvula de control. Por ejemplo, las
válvulas de globo tienden a ser válvulas de baja recuperación, porque tienen un flujo relativamente tortuoso el
cual limita su capacidad. Por otro lado la mayoría de las válvulas rotativas (bola y mariposa) tienen una línea
de vista que proveen alta capacidad y son referidas como válvulas de alta recuperación. Las válvulas de alta
recuperación tienen el beneficio de ser válvulas de alta capacidad, también son mas susceptibles a los
problemas y daños como la cavitación.
CARACTERISTICA DE FLUJO DEFINICION
Las características de flujo determinan como cambia el coeficiente de flujo, en respuesta a
los cambios de posición de la válvula; en otras palabras, como la rata de flujo cambiará,
cuando la válvula recibe una señal desde un instrumento sensor. La selección de la mejor
característica de flujo para un proceso es algo relativo al proceso mismo; así para
propósitos de ésta discusión simplemente identificaremos las características más comunes.
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30
CARACTERISTICAS COMUNES
Las características más comunes son: Apertura rápida, Lineal e Igual porcentaje.
Apertura rápida.- Una característica inherente en la cual existe un máximo
coeficiente de flujo para un mínimo recorrido.
Lineal.- Una característica inherente de flujo, la cual puede ser representada
idealmente por una línea recta de coeficiente de flujo, contra un porcentaje igual, de
recorrido. (Incrementos iguales de recorrido, producen iguales incrementos de flujo,
con una caída de presión constante).
Igual Porcentaje.- Una característica inherente de flujo, en la cual un porcentaje
dado del cambio de recorrido de la válvula, producirá una cantidad igual porcentaje
de cambio, en el coeficiente de flujo existente.
CARACTERISTICAS DE FLUJO
La característica de flujo de una válvula de caja guiada puede ser determinada por la forma
de las ventanas de la caja. Las válvulas de vástago o poste guiado, pueden ser
caracterizadas por la forma del tapón y en la mayoría de válvulas rotativas tienen una
característica de flujo inherente por su diseño básico.
CARACTERISTICA INHERENTE VS. INSTALADA
Las características de flujo discutidas, son características inherentes que describen que la
característica de flujo, bajo condiciones estáticas de presión constante y caída de presión.
En condiciones de servicio, cambios en la presión y en la caída de presión, cambiarían
dramáticamente las características de flujo. De esta forma, una distinción debe ser hecha,
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31
entre las características inherentes y la instalada. La característica instalada toma en cuenta
cambios en la presión diferencial y otras condiciones del sistema.
CARACTERISTICAS INHERENTES DE FLUJO
IMPORTANCIA DE LA CARACTERISTICA APROPIADA
El escoger la característica apropiada tiene una influencia considerable en la estabilidad del
proceso, sin embargo, esto representa el cambio relativo de flujo comparado con la señal
recibida desde un equipo controlador. Para determinar la mejor característica para una
aplicación dada, un completo análisis del lazo de flujo debe ser realizado. En muchos casos,
sin embargo, reglas establecidas son suficientes.
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32
CARACTERISTICAS DEL FLUJO
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33
VALVULAS DE CONTROL
RUIDO, CAVITACION Y FLASHING
RUIDO.-
Introducción
En esta sección trataremos acerca del ruido en válvulas de control. Se Incluye temas
relacionados con, puntos de generación del ruido, la transmisión, la prevención, la
absorción, métodos para aislar, predecir y controlar el ruido.
Los niveles de ruido producidos por una válvula de control, pueden ser determinados,
usando técnicas de predicción del ruido, que serán tratados en esta sección.
Adjunto con estas técnicas de tratamiento de ruido, se puede obtener varias líneas de
productos, que son muy efectivos para el control de ruido, cubriendo muchas
aplicaciones.
El mayor problema que se tiene en las plantas industriales y en otros sitios de trabajo, es el
efecto que el ruido tiene en las personas. Debemos entender que, si no existe alguien, que
deba escuchar el ruido, no tenemos problemas de ruido.
Por ejemplo, una compañía de transportación de gas, instalará una estación reductora de
presión, en un sitio alejado de una población.
En el proceso de reducción de presión gas, la válvula tiende a recorrer en dirección al
cierre, para disminuir la cantidad de gas en el proceso; esto produce un aumento de la
velocidad del gas en la restricción que presenta la válvula, creando condiciones
favorables, para la generación de ruido aerodinámico.
En estas condiciones, para prevenir problemas de ruido, se ve claramente que la estación
de reducción de presión de gas, debe estar en un sitio despoblado.
Igual ejemplo sucede con aeropuertos que están rodeados de zonas pobladas, en los que se
instalan sistemas de absorción o desviación del ruido, con paredes, muros, paneles etc.
que protegen y evitan problemas de ruido en la población.
En instalaciones con problemas de ruido, se debe considerar que existen regulaciones
muy precisas, en el campo de la seguridad e higiene industrial. Que regulan la
exposición de personas o trabajadores al ruido, basados en el nivel de ruido existente y el
número de horas de exposición.
En un ambiente, que tenga un nivel de ruido de 90 decibeles, es permitido trabajar
ocho horas al día, se presenta una tabla que relaciona la exposición permitida a una
persona en número de horas por día y el nivel de ruido existente.
Existe un factor de corrección del ruido, con respecto a la respuesta o comportamiento del
oído humano, ante la presencia de un ruido o sonido con una frecuencia y una amplitud. Es
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34
decir que el oído humano responde de diferente forma, ante un sonido de amplitud y
frecuencia específico.
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
20 50 100 200 500 1000 2000 5000 1000
0 20000
En la gráfica podemos observar en comportamiento del oído humano ante distintos
estímulos de sonido, medidos en decibeles y en hertz la frecuencia.
Se puede ver que a un nivel de 1,000 hz. La respuesta del oído humano, tiene un factor de
corrección de cero, que a medida que la frecuencia baja, la respuesta del oído humano
también baja y que pasados los 20,000 hz. La respuesta del oído humano también baja.
En un rango de 600 a 10,000 hz. El factor de corrección es básicamente cero, más allá de
10,000 hz. y debajo de los 600 hz. El oído humano pierde sensibilidad o respuesta.
Para tener un conocimiento acertado en las técnicas del sonido o ruido, se expone a
continuación los niveles de sonido que presentan varios ambientes o áreas de trabajo.
dB / Hz
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35
CARACTERISTICAS DE SONIDO PARA VARIOS AMBIENTES
Nivel de sonido Ambiente
En Decibeles 130 125 Despegue de un jet 120 115 110 Banda de rock and roll 105 100 Martillo neumático 95 90 Camión o tractor 85 Avenida de una ciudad 80 75 70 65 Oficina de negocios 60 Conversación normal 55 50 45 40 Hall de un hotel 35 Librería pública 30 25 Habitación para dormir 20 Dentro de un bosque profundo
Las organizaciones encargadas de la salud ocupacional y la seguridad industrial
recomiendan tiempos de exposición máximos permitidos, para operadores, trabajadores,
técnicos, que realizan sus actividades y tareas en áreas ruidosas. A continuación se puede
observar los tiempos de exposición permitidos, en número de horas por día y el nivel de
sonido, en un área de trabajo.
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36
TIEMPOS PERMITIDOS DE EXPOSICIÓN AL RUIDO
DURACION NIVEL DE SONIDO O RUIDO
HORAS POR DIA dBA
8 90
6 92
4 95
3 97
2 100
1 ½ 102
1 105
½ 110
¼ o menos 115
CARACRERISTICAS DEL SONIDO
Nivel de sonido desde una fuente generadora.
El nivel de sonido generado por una válvula, debe ser medido a un metro aguas debajo y a
un metro hacia fuera de la tubería de la válvula. La medición debe ser realizada sin ninguna
obstrucción en el intermedio desde la válvula al micrófono medidor y no debe existir una
superficie que refleje el sonido.
Las líneas de sonido que se generan, tienen la forma imaginaria de unos cilindros
concéntricos. Con el eje de la x en el centro de la tubería.
Se observan cilindros concéntricos en movimiento, que se alejan de la tubería. El nivel de
presión de sonido ( SPL ), decrece inversamente a los cambios en el área de la superficie de
los cilindros imaginarios.
La siguiente ecuación define el nivel de presión de sonido ( SPL ) a una distancia de un
metro de la superficie de la tubería.
1 + r
SPL = F + 10Log _______
R + r
Donde:
R = La distancia en metros desde la superficie de la tubería
r = El radio de la tubería, basándose en el diámetro exterior.
F = El nivel de sonido a un metro de distancia desde la superficie.
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37
Ejemplo
Cual es el nivel de presión de sonido a 50 pies ( 15.24 metros ) desde una
tubería de 12 pulgadas ( radio 6.38 pulgadas o 0.16 metros ), donde el de
sonido es de 95 dBA a un metro de distancia.
1 + r
SPL = F + 10Log _____________
R + r
1.00 + 0.16
SPL = 95 + 10 Log __________
15.24 + 0.16
SPL = 95 - 11.2 SPL = 83.8 dBA
Este procedimiento determina el nivel de sonido generado solo por la válvula y la
tubería, puede estar combinado el sonido con otros componentes de ruido, otras
fuentes diversas, generando otras presiones de ruido adicionales.
En la figura se muestra el punto recomendado para mediciones de ruido.
GENERACIÓN DE RUIDO PUNTUAL
En aplicaciones de venteo, se tiene un solo punto de generación del ruido, el
mismo que se propaga en forma de esferas imaginarias, con el punto de
generación en el centro.
50 metros.
3 metros. 50 metros.
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38
Así se observa que los movimientos de sonido salen desde el centro de
generación y decrecen en forma inversa según el área de las esferas
imaginarias.
La siguiente ecuación describe la presión de sonido a una distancia de 3
metros desde el punto de generación.
SPL = F + 20 Log 3 / R
Donde:
R = La distancia en metros desde la fuente de sonido
F = El nivel de sonido a 3 metros de la fuente de sonido
Ejemplo:
Cual es la presión de ruido a 50 pies ( 15.24 metros. ), desde un punto de ruido de
100 dBA a 3 metros ?
3.00
SPL = F + 20 Log _____
15.24
SPL = 100 dBA - 14 dBA
SPL = 86 dBA.
El Procedimiento indicado, sirve para calcular el nivel de presión de ruido para
fuentes puntuales. Difiere del procedimiento anterior ya, que el ruido en la
superficie de la tubería, se propaga en forma de cilindros imaginarios. En cambio el
ruido desde una fuente puntual, se propaga en forma de esferas imaginarias.
FUENTES DE RUIDO COMBINADAS
El ruido que se obtiene en un sitio específico, es el resultado de la combinación de
varias fuentes de ruido, que provienen de las áreas vecinas.
Es necesario comprender que la relación entre la cantidad de fuerza del sonido, la
presión del sonido y los decibeles, crean una confusión, cuando se combinan y
comparan diferentes sonidos. La fuerza del sonido varía en función del cuadrado de
la presión del sonido.
Energía del sonido
Debemos tener precaución cuando combinamos dos o más fuentes de sonido y
queremos determinar los resultados de los niveles de sonido. Debemos recordar que
estamos combinando dos fuentes de energía. La energía o fuerza de dos fuentes
combinadas directamente de 2 vatios cada una, el resultado es 4 vatios, este
cumple con una relación matemática directa, pero la relación combinada de energía
sonora no es directa, se deben calcular separadamente y combinadas en función
logarítmica, la tabla presentada a continuación nos facilita el resultado de dos
fuentes combinadas
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39
FUENTES COMBINADAS DE GENERACION DE RUIDO
Diferencia entre las dos fuentes Decibeles que deben ser añadidos
En dB para obtener el resultado final
0 3.01
1 2.54
2 2.12
3 1.76
4 1.42
5 1.20
6 0.97
7 0.79
8 0.64
9 0.52
10 0.42
11 0.33
12 0.27
13 0.22
14 0.17
15 0.14
16 0.11
17 0.09
18 0.07
19 0.06
20 0.05
Para diferencias mayores 0.04
En la zona marcada con la flecha, se mide la diferencia en decibeles, desde las dos
fuentes combinadas de sonido.
En el ejemplo arriba descrito y usando la tabla de ruido combinado, se puede
observar que, con una diferencia de 0 decibeles, se debe agregar 3.01 a dicho valor
Es decir que en la zona marcada con la flecha, se tiene un ruido de 68.01 decibeles.
La combinación de dos o más fuentes de generación de ruido, donde la una fuente
es de 95 decibeles y la otra de 65 decibeles, la diferencia en decibeles es de 3
65 dB 65 dB
68.01 dB
- 40 -
40
0 dB., usando la tabla se debe agregar 0.04, obteniéndose 95.04 dB., el resultado
está cercano al valor superior.
FUENTE DE RUIDO GENERADA POR UNA VALVULA DE CONTROL
Las válvulas de control son fuentes de generación de ruido, se debe tener en
consideración que este, es producido por las características inherentes del proceso,
del fluido y de las válvulas. Las principales fuentes de generación son, las
características mecánicas del proceso, las condiciones aerodinámicas y/o las
hidrodinámicas.
CARACTERÍSTICA MECÁNICAS DEL PROCESO
Los componentes de una válvula que están sometidos a fluctuaciones de presión,
tienen por consecuencia vibraciones y ruido, producido por las partes mecánicas
sometidas a tal trabajo, estas condiciones producen vibraciones y ruido, producido
por el cuerpo y demás partes de la válvula; la frecuencia típica del ruido que se
presenta, está en los 1500 ciclos por segundo, con características de ruido metálico.
Estas condiciones son favorables para desgastar las superficies que guían el
movimiento de las válvulas.
Se puede presentar situaciones con vibración en resonancia, las vibraciones se
presentan en múltiplos de la frecuencia principal y con una máxima amplitud, con
frecuencias típicas entre los 3000 y los 7000 ciclos.
Estas situaciones producen una fatiga anticipada de los materiales que constituyen
una válvula, con un desgaste del vástago al deslizarse en el bonete, el cuerpo,
asiento, orines de sellado etc.
Esta vibración mecánica en resonancia puede ocasionar una falla total de la válvula,
con serios problemas en las partes mecánicas.
RUIDO AERODINAMICO
El ruido aerodinámico esta asociado al flujo de gases, aire y vapor, con turbulencias
del fluido, está asociado con las válvulas de alta capacidad y alta presión en los
sistemas de proceso. Es usual que se presente en línea de distribución de 2 pulgadas
95 dB
95.04 dB
65 dB
- 41 -
41
con caídas de presión del orden de 200 psi. El ruido aerodinámico, afecta
directamente en el comportamiento humano, ocasionándole el estrés.
Las turbulencias del fluido, generan ruido aerodinámico aleatorio y/o periódico,
donde predominan las frecuencias de 1000 a 8000 ciclos.
LAS FUENTES DEL RUIDO AERODINAMICO
En el ruido aerodinámico está presente en condiciones como, obstrucciones del
fluido, expansión rápida, deceleración de fluidos con alta diferencia de presión entre
la válvula, altas velocidades de gases, distribución en altas presiones
Cambio brusco de dirección, headears o cabezotes, reguladores de presión,
expansión de líneas y codos.
RUIDO HIDRODINAMICO
El ruido hidrodinámico resulta del flujo de líquidos en tuberías, Este ruido es
ocasionado por las restricciones en el fluido, ocasionando grandes caídas de presión
en las líneas.
Si la caída de la presión va más allá de la presión de vaporización del líquido, da
por resultado que el líquido pase a la condición física de vapor, con dos
posibilidades: que aguas abajo, en el proceso el vapor vuelva a ser líquido o que
siga siendo vapor.
Si regresa a líquido, se presenta el fenómeno de la cavitación.
Si el fluido no regresa a la condición de líquido y continúa en forma de gas, se
presenta el fenómeno del flashing.
Las dos condiciones son favorables para la generación del ruido, con problemas en
los materiales de las válvulas y desgastes prematuros.
Estas condiciones de proceso, a obligado a fabricantes, a diseñar dispositivos de
combate de ruido, cavitación y flashing. Los mismos que continuamente son
analizados y rediseñados, para obtener mejores rendimientos en los procesos y más
larga vida en válvulas y componentes.
La cavitación es el principal generador de ruido hidrodinámico y este resulta por la
formación de burbujas de vapor, que se forman en el fluido, por la caída de presión del
mismo, por debajo de la presión de vaporización del líquido, estas burbujas, aguas abajo
del proceso regresan al estado líquido con la involución de dichas burbujas, fenómeno que
se conoce como la cavitación.
La involución de las burbujas tiene alta energía almacenada, con una presión de 10000
libras por pulgada cuadrada. De producirse la cavitación sobre las partes de una válvula o
sobre componentes del proceso, como tubería y accesorios, estos sufren un deterioro
violento con desgaste y fatiga de materiales, afectando el tiempo de vida de los equipos
que reciban los efectos de la cavitación.
La frecuencia típica de la cavitación, está alrededor de 115 dB.
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42
CAUSA Y EFECTOS DE LA CAVITACION
En una tubería en la que se debe restringir el flujo, con un orificio o con una válvula. Se
forma la vena contracta, que es la reducción del area por donde circula el fluido, esta
reducción es aún menor que el área del orificio. La vena contracta se ubica inmediatamente
después del orificio y coincide con el punto de mínima presión que alcanza el proceso.
Si la presión en la vena contracta está por debajo de la presión de vaporización del líquido
se presentan dos posibilidades, si regresa el fluido al estado líquido, se presenta la
cavitación; si el fluido no regresa al estado líquido y queda como gas, se produce el
flashing.
Los desgastes en los materiales en los dos casos son acelerados, con diferentes aspectos.
En los dos casos se presentan cavidades de desgaste en el material.
En la cavitación el aspecto es opaco de color negro y material quemado; mientras que en el
flashing, las cavidades son brillosas y pulidas.
Características del fluido luego de una restricción o válvula, curva de presión / distancia.
PRESION
DISTANCIA
PRESION DE
VAPORIZACION
CAVITACION
FLASHING
PRESION 1 PRESION 2
ORIFICIO VENA CONTRACTA
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43
PREDICCIONES DEL RUIDO
Por muchos años se desarrollaron técnicas para predecir el ruido y tratar de eliminarlo
Se debe contar con un programa para combatir el ruido. Para ambientes con ruido se
pueden contar con programas y equipos que reduzcan el ruido a niveles permitidos.
Se puede recurrir a tratamientos en la válvula de control o sitio de origen del ruido, se
puede además combatir el ruido agua abajo del punto de generación o la utilización de las
dos técnicas combinadas.
PARAMETROS DE FLUJO
En las técnicas de control de ruido se deben considerar loa parámetros más importantes que
están involucrados en la generación de ruido y son:
La presión diferencial en la válvula de control
El coeficiente de flujo
La relación de la presión diferencial sobre la válvula
La geometría de la válvula
La cédula de la tubería utilizada
La presión aguas abajo
ECUACION PARA LA PREDICCION DEL RUIDO
En las técnicas de predicción del ruido se utiliza la siguiente formula:
SPL = SLP P + SPL cg + SPL P/P1 + SPL k + SPL P2
Donde:
SPL = Ruido en decibeles en un sitio predeterminado 1 metro aguas abajo y 1
Metro a un lado.
SLP P = Es el ruido en decibeles como una función de la presión diferencial P
SPL cg = Corrección en decibeles como función del coeficiente de flujo
SPL P/P1 = Corrección de decibeles por el tipo de válvula y la relación de presión
SPL k = Corrección de decibeles por la cédula de la tubería
SPL P2 = Corrección de decibeles por la presión aguas abajo P2.
Una de las fuentes de mayor generación de ruido es la deceleración de un líquido a través de una válvula
instalada en una línea. La parte más importante en el análisis del ruido es la velocidad en el proceso. La
salida de la válvula hacia aguas abajo, debe ser diseñada de tal forma que, el promedio de la velocidad del
fluido sea de 0.5 la velocidad del sonido. La siguiente ecuación es usada para determinar la velocidad en
cualquier punto del sistema
V = Q / A
- 44 -
44
Donde:
V = La velocidad del fluido
Q = La rata de flujo en pies cúbicos por segundo
A = El area de la sección de la tubería en pulgadas cuadradas.
Para encontrar Q en una tubería estándar. La ecuación que determina la cantidad de gas
que pasa por una tubería en pies cúbicos por hora o la rata de flujo de vapor en libras por
hora, deben ser relacionadas a las condiciones actuales de presión, temperatura y densidad.
Vs = √ KGRT.
Donde:
G = La contante gravitacional, 32.2 ft. / seg. Pies por segundo
K = La relación de calor específico para el gas.
( 1.4 para el aire y 1.3 para el vapor sobre calentado)
R = Constante para el gas, pies / peso molecular, en pies por grado Rankine.
( 1545 / peso molecular)
Ejemplo: Determinar la velocidad de vapor sobre calentado a 800 ° F
Vs = √ 1.3*32.2*(1545/18)*800 + 460
Vs = 2128 pies / segundo En los manuales se recomienda velocidades razonables de 10000 a 20000 pies por segundo
para vapor sobrecalentado. Una velocidad 0.1 de la del sonido tiene una velocidad de 213
pies por segundo o 12780 pies por minuto.
El gráfico muestra la relación entre la presión diferencial en la válvula y el ruido generado,
siendo válido para cualquier tipo de válvula. El valor que se obtenga de la tabla servirá para
el cálculo del ruido SPL.
100
80 SPL P
SPL P 60
dB 40
20
0
1 2 4 4 8 10 2 4 6 8 100 2 4 6 8 1000 2 4 6 8 10000
P - PSI
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45
En la figura se puede observar el ruido generado en una válvula y la rata de flujo. La una
recta corresponde a una válvula en la que se cambia el número de pórticos durante el
recorrido y la otra, cuando se mantiene fijo el número de pórticos durante el recorrido.
La figura representa, dos pórticos de válvulas, por los que circula igual rata de flujo y
poseen diferente presión de ruido.
El efecto producido entre la presión diferencial sobre la válvula y el ruido por esta
generado, esta relacionado con el tipo de válvula, el tipo de trim y los cambios de dirección
que presenta el flujo. ∆ SPL ∆ P/P1.
Existe otro factor de ruido que esta determinado por las condiciones de los accesorios y las
tuberías, estos son: Espesor de la tubería, diámetro de la tubería, los soporte, Los aislantes
térmicos y acústicos ∆ SPL K.
El último factor de ruido que se toma en cuenta es la magnitud de P2, es la atenuación de
ruido presentada por las variaciones de la tubería. ∆ SPL P2.
100
80 SPL cg
SPL P cg 60
dB 40
20
0
1 2 4 4 8 10 2 4 6 8 100 2 4 6 8 1000 2 4 6 8 10000
cg RATA DE FLUJO
# de pórticos varia con el
recorrido de la válvula
# de pórticos no varia con el
recorrido de la válvula
R a t a d e f l u j o 1 = R a t a d e f l u j o 2
R u i d o 1 = 2 R u i d o 2
d B 1 = d B 2 + 3
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Curva de nivel de sonido contra presión 2
TECNICAS DE CONTROL DEL RUIDO
Para realizar un control eficiente del ruido, se deben tener en cuenta el sitio de origen del
mismo. Una ves generado en la válvula de control, se puede realizar el control en la propia
válvula y en la zona aguas abajo de la misma.
En válvulas de control de caja, es frecuente utilizar trims especiales, que direccionan el
flujo y evitan los cambios de dirección bruscos. Tratando de obtener un flujo laminar.
La utilización de dispositivos aguas abajo da la válvula es también efectiva, se puede usar
silenciadores en línea y difusores, tanto para la línea como para los venteos.
Se utiliza aislantes acústicos y térmicos que ayudan a absorber ruido. Se usa también
revestimientos de cemento para la tubería.
RUIDO HIDRODINÁMICO
El ruido hidrodinámico es característico por la presencia de fluido líquidos con condiciones
favorables para la cavitación.
Debe entenderse por cavitación el fenómeno por el cual, un líquido pasa del estado líquido
al gaseoso y regresa al estado líquido; con presencia en el primer momento, de burbujas de
gas, las mismas que regresan al estado líquido. A este fenómeno físico, de involución o
colapso de burbujas, que regresan al estado líquido, se llama cavitación.
La cavitación posee una alta energía en su proceso, presentándose, energía del orden de
10000 libras por pulgada cuadrada, esta energía si llega a topar partes de válvulas o tuberías
las destruye en forma violenta.
En las técnicas de control de la cavitación se recomienda usar dispositivos especiales para
las válvulas como son los trims anticavitación los mismos que direccionan el flujo que la
cavitación se elimine en el interior y centro de la tubería de tal manera que se neutralice ella
mismo.
10
5
0 SPL P2 P/P1 = 0.7
SPL P 2 -5
dB -10
-15
-20
1 2 4 4 8 10 2 4 6 8 100 2 4 6 8 1000 2 4 6 8 10000
P2 - PSI
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La reducción de la presión del proceso en etapas, es una práctica muy efectiva. Se utiliza
caídas de presión en etapas de dos o tres. Estas evitan la cavitación por caída de presión
brusca, evitando llegar a niveles por debajo de la presión de vaporización del líquido.
En la figura podemos observar la formación de burbujas de vapor o gas, luego el
crecimiento de las mismas, su colapso y la zona de cavitación.
FLASHING
El flashing como ya vimos es un proceso de directo, que el fluido pasa del estado líquido al
estado gaseoso, que por efectos de proceso, el fluido no regresa al estado líquido.
Este fenómeno tiene presencia de ruido, con características de deterioro de materiales
iguales a los que se presentan con la cavitación, con la diferencia que, el aspecto del
material es brilloso como pulido, a diferencia es opaco en la cavitación.
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CIERRE
ANSI CLASES DE LIQUEOS ( FUGAS )
El cierre, ordinariamente se encuentra en términos de clases de fugas de asientos esta
definido, por el INSTITUTO NACIONAL DE ESTANDARES AMERICANO, para
liquéos de asientos de válvulas de control. En servicio, los liqueos dependen de muchos
factores, incluyendo la caída de presión, temperatura, las condiciones de las superficies de
sellado y la fuerza de la carga en el asiento –el cual es una función de la fuerza del actuador
disponible. Así, las ratas de cierre están basadas en condiciones estándares de prueba, las
cuales pueden ser muy diferentes a las condiciones actuales de servicio. El liqueo de
servicio, no puede ser absolutamente predictivo. De esta forma, los estándares ANSI para
cierres, suministran una buena referencia de comparación con otras de igual o similar
configuración.
COMPARACION CLASES ANSI
Tan pronto como identifiquemos los diferentes estándares de liqueos de asientos, podremos
calcular el liqueo de una válvula típica de tres pulgadas de globo la cual estará regida por los
estándares de liqueos. Primero, las clases de liqueo ANSI dos, tres y cuatro, están expresados,
como un porcentaje de la capacidad, tendremos que calcular la apertura de flujo normal de nuestra
válvula de tres pulgadas, bajo condiciones de prueba. La fórmula básica para calcular flujo es: Cv
por la raíz cuadrada de P, deberemos conocer el Cv de la válvula y la caída de presión de
nuestro ejemplo. El máximo valor de Cv es 140 que viene de los datos que dan los manuales del
fabricante y la caída de presión de 50 psi, es una de las condiciones de prueba de los estándares
ANSI, resolviendo la ecuación, encontraremos que nuestra válvula de 3 pulgadas producirá un
flujo máximo de aproximadamente 1000 galones por minuto, bajo condiciones de prueba.
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CLASIFICACION DE LIQUEOS
TERMINALES PARA CONEXIONES
GENERALIDADES
La selección de los terminales de conexiones, es una simple cuestión de instalar o no un
tipo deseado de terminales, los estilos que son suministrados deben ser considerados, según
los tipos de válvulas. En algunos casos, sin embargo, los tipos de conexiones son regidos
por los estándares de seguridad o las normas de las plantas.
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CONECCIONES ROSCADAS
Las conexiones roscadas pueden ser usadas en tamaños de hasta dos pulgadas, en
aplicaciones de servicios generales.
CONECCIONES TIPO FLANGE
Las conexiones tipo brida son suministradas en muchos estilos:
Las bridas de cara plana, permiten un contacto total en toda la cara. Estas son usadas
comúnmente en aplicaciones con presiones bajas, con válvulas de aceros moldeados o de
bronce.
Las bridas de cara levantada, son las más populares de todos los tipos de conexiones. Estas
tienen una superficie ranurada sellante, para dar un gran sello al empaque y ayudar a
prevenir deslizamientos del mismo. Estas bridas pueden ser usadas con temperaturas de
hasta 1500 °F y presiones de hasta 6000 psig.
Las bridas tipo anillo de juntura, son similares a los de cara levantada, excepto que tienen
un anillo metálico compresible que se acuña en dos muescas, cuando las bridas son
ajustadas. Estos son usados para altas presiones de hasta 1500 psi pero no son usadas con
altas temperaturas.
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Las bridas separables, son fabricados independientemente del cuerpo de la válvula y son
asegurados al cuerpo, con anillos separados. Estos son económicos y beneficiosos, cuando
los cuerpos son fabricados con aleaciones costosas para servicios corrosivos o erosivos.
Porque, el fluido de proceso no está en contacto con las bridas, las bridas pueden ser
fabricadas con materiales más económicos.
CONEXIONES SOLDADAS
Las conexiones soldadas, tienen la ventaja de dar un fuerte cierre a liqueos en todas las
presiones y temperaturas. Obviamente, son solamente usadas con materiales soldables y
son más difíciles para separar de las tuberías.
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Las conexiones para suelda tipo enchufe, son dimensionadas para las mismas cédulas de las
tuberías y son usadas para tuberías de hasta dos pulgadas.
Las conexiones para sueldas tipo cola son preparadas, cada terminal de la válvula con una
inclinación, la misma que deberá ser igual a las inclinaciones que tenga la tubería. La
preparación de cada terminal, será diferente para cada tipo de cédula de tubería. Este tipo
de terminales son típicamente usados, para válvulas por sobre las dos pulgadas.
INFLUENCIAS DE LA SELECCION
En algunos casos, las condiciones de servicio son las que rigen los estilos de las
conexiones. Por ejemplo, las conexiones para suelda serán usadas para presiones extremas
de servicio, o cuando el medio del proceso ataque los materiales de los empaques. Para
aplicaciones de seguridad contra incendios, los terminales deberían ser soldados. Si se
requieren terminales soldados para válvulas de vástagos deslizantes, deben ser
especificados. Así solo algunas válvulas mariposa o de bola tienen terminales para suelda y
estas tienden a ser relativamente costosas.
CONSIDERACIONES DE COSTO
GENERALIDADES
La economía en la compra de las válvulas de control con respecto a los precios y el tiempo
de vida en los embarques es una consideración muy importante.
COSTO VS. CALIDAD
Para ayudar a pensar en perspectiva, podemos comparar los costos relativos de los varios de
tipos de válvulas, discutidas con anterioridad. No es de sorprenderse que los productos más
caros como las válvulas de globo de caja guiada, son además, las más durables y versátiles
que hay. Donde los contenidos de extra calidad sean requeridos, deberemos sujetarnos a
algunas decisiones. Habrá casos que una válvula ligera pueda satisfacer los requisitos por
un largo tiempo de vida; pero un producto de vida más duradero será instalado para un
tiempo de vida mayor, la decisión deberá esperar un tanto. Con un corto plan de negocios,
el producto mas barato deberá ser adquirido. Para un plan mayor, donde el producto tenga
un alto costo inicial, tendrá el menor costo, en tiempo de vida. En otras situaciones, la
naturaleza del proceso dictará, cual tipo de válvula debe ser usada. Para casos de servicios
de cavitación, en que se requieran controles exactos, se recomendaría, una robusta válvula
de globo con caja guiada, con un trim especial.
INFLUENCIA DEL TAMAÑO EN EL COSTO
El tamaño, será el que nos hará tomar la decisión final.
Como mencionamos anteriormente, las válvulas mariposa tienen un costo ventajoso en
válvulas de gran tamaño. En tamaños sobre las ocho o diez pulgadas, deberíamos
considerar si van a satisfacer los requerimientos del servicio.
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En tamaños de dos pulgadas o menores, las válvulas de globo son una buena opción. Estas
tienden a ser ligeramente más costosas que otros tipos, en este rango de tamaños, la
extrema durabilidad y funcionabilidad son generalmente mayores proporcionalmente que
su costo extra.
En los rangos medios de seis a ocho pulgadas, el escoger resulta más difícil. En estos
rangos, las válvulas de bola representan un buen compromiso entre costo y valor recibido.
MANTENIMIENTO
GENERALIDADES
El mantenimiento y servicio son factores que los fabricantes consideran cuando diseñan un
producto. Sin embargo, algunas válvulas son difíciles para darles mantenimiento debido a
su diseño básico.
MANTENIMIENTO DE LAS VALVULAS DE GLOBO
Un servicio rutinario puede ser realizado en el cuerpo de la válvula de globo mientras esta
se mantiene en línea. Simplemente removiendo el bonete nos da acceso para revisar los
sellos y las partes del trim, la mayoría de las válvulas de globo están disponibles con
conexiones de brida y esto hace posible trabajos más fáciles en la instalación.
MANTENIMIENTO DE LAS VALVULAS ROTATORIAS
El acceso a las partes internas de las válvulas de bola y mariposa se debe hacerlo siempre
removiendo la válvula de la tubería para realizar mantenimiento o desarmado. Muchas
válvulas rotativas son más económicas cuando son de galleta las cuales pueden ser
centradas entre dos bridas. Dependiendo de la frecuencia del mantenimiento requerido, el
costo por este servicio deberá ser bien considerado.