especificacion de valvulas de control-6
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Especicaciones de
vlvulas de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Por Ing. Agustn Arroyo Arroyo
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2 Especicaciones para vlvulas de control|413 2000 CCI. Todos derechos reservados / All rights reserved.
Especicaciones devlvulas de control
n Por Ing. Agustn Arroyo Arroyo, de CCI Mxico
Presentado al X Congreso de energa elctrica y mquinas rotatorias
de CEEMER Veracruz 2000
Boca del Ro, Veracuz, Mxico. 4, 5 y 6 de octubre de 2000
Resumen
Las plantas de proceso requieren adems del buen
funcionamiento de las vlvulas de control que su costo operativo
y de mantenimiento sea bajo, para poder sostener la produccin
y competir en precios.
Por lo tanto es imperativo que al requerirse las vlvulas de con-
trol se consideren las especicaciones que deben de cumplir
adems de las condiciones operativas.
En este breve trabajo se comentan y recomiendan las especica-
ciones mnimas que deben de cumplir las vlvulas de controlconsiderando cada una de sus partes principales de acuerdo con
la normativa de los ltimos aos.
Especicaciones para vlvulas de control
Las especicaciones para vlvulas de control son lo que indica
lo mnimo que debe de contener una vlvula para satisfacer
todas las condiciones de operacin, el tipo de aplicacin y
los requerimientos de el usuario. Todas las especicaciones se
relacionan con las partes de la vlvula de control y el ujo de
uidos, considerando la experiencia acumulada del usuario y de
las instituciones que normalizan todo lo relacionado con las
vlvulas de control, como es la ISA que rige para toda Amrica.
Las especicaciones mencionan cmo deben de disearse y calcu-
larse las diferentes partes de la vlvula de control en funcin de
los datos y detalles de operacin y diseo y de los requerimientos
del usuario.
Cuando un usuario solicita una vlvula de control para una
construccin nueva o en substitucin de una vlvula existente,
debe de dar junto con los datos de operacin las especicaciones,
pero si no las diera el fabricante debe de respetar lo mnimo
especicado por la ISA.
Por lo tanto, en general las especicaciones para una vlvula de
control deben de ser las siguientes:
ACTUADOR
Tipos de Actuador
El fabricante ser responsable del tamao seleccionado del
actuador, tomando en consideracin las condiciones de
operacin y estas especicaciones. Los actuadores pueden ser
tipo neumtico de diafragma o de pistn de doble accin.Para
aplicaciones con vlvulas mayores de 2 pulgadas de dimetro y
cadas de presin de > 580 psi no deben de usarse actuadores de
diafragma. La presin de aire ser de 135 psi o menores.
Se pueden usar otro tipo de actuadores como excepcin, por
peticin escrita del vendedor al comprador.
Materiales
El material de un actuador tipo pistn debe ser el requerido para
la aplicacin y las condiciones ambientales.
El material de la tubera, vlvulas y accesorios para el aire entre el
actuador y la vlvula de control debe de ser de acero inoxidable
AISI 316. El dimetro mnimo debe de ser de de pulgada NPT.
Funcionamiento.
La inexactitud de la carrera de la vlvula debido a cualquier
limitacin, debe ser menor a 2%.
El actuador cuando module debe de presentar estabilidad, sola-
mente se permite una condicin de inestabilidad de 2% en las
pruebas en la fbrica y en el campo. El vendedor junto con lapropuesta debe de presentar un reporte de prueba, que muestre la
curva de funcionamiento en una experiencia previa en condicio-
nes similares con la misma especicacin.
La posicin a la falla debe de llevarse a cabo sin ayuda de
la presin del proceso. La posicin a la falla de aire debe de
probarse durante la inspeccin y antes de que la vlvula opere
estando el sistema depresionado. Cuando el resorte de retorno
en un actuador tipo pistn no alcance la posicin a la falla,
el actuador debe ser equipado con un sistema seguro de falla.
Los aumentadores de seal (booster) deben usarse cuando se
necesiten para dar la velocidad de accin de actuacin ya sea
rpida o lenta, de acuerdo con la seal controlada.
El fabricante debe seleccionar una vlvula con su actuador que
cumpla con los requerimientos de velocidad de cierre o apertura
especicados en las hojas de datos del proceso.
En todo tipo de aplicacin se necesita vericar la velocidad de
accin de la vlvula. Los tiempos de apertura y cierre de la vlvula
deben de vericarse con el 100 % de rango de la seal de control
sin ayuda de la presin del proceso. Estos tiempos se deben
de probar durante la inspeccin del vendedor. Se pueden usar
aumentadores de seal para alcanzar la velocidad requerida, pero
los movimientos de la vlvula al 20, 50 y 80 % de seal deben de
permanecer estables en cada cambio.
El tiempo requerido para operacin rpida de la vlvula bajo
condiciones de falla deben ser especicados separadamente. El
fabricante puede usar vlvulas de apertura rpida, probando que
sto no interere con el control normal de operacin del sistema
del actuador.
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CUERPO
Cada vlvula de control debe disearse y seleccionarse para
proveer una operacin y control conable a las condiciones de
operacin y diseo especicadas. El dimensionamiento de una
vlvula de control generalmente debe basarse en ISA S75.01 que
son las ecuaciones de ujo para dimensionar vlvulas de control.
El fabricante debe de seleccionar una vlvula de control junto
con su actuador y evaluar cuidadosamente el requerimientomnimo de funcionamiento de sus internos.
Los clculos de capacidad de la vlvula para todas las condiciones
de operacin deben de darse. Las bases de clculo y resultados
deben ser mostradas por medio de clculos en forma manual o
por computadora.
La capacidad seleccionada de los internos de la vlvula de control
Cvdeben de cumplir con lo siguiente:
Para una caracterstica de igual porcentaje los internos deben
operar al 95% de carrera a mximo ujo.
Para caracterstica lineal y de apertura rpida los internos deben
de operar al 90 % a mximo ujo.
Cuando se menciona 95 o 90 % se reere a la abertura que
debe de mostrar la vlvula de control con el ujo mximo. A la
capacidad requerida Cvque cumpla con el criterio mencionado
se le llama Cvrequerida. A la capacidad Cvactual de la vlvula
se le llama Cvseleccionada. Las aplicaciones especcas pueden
requerir una capacidad Cvsobre dimensionada, lo cual debe ser
especicado por el usuario.
Debe de tomarse en cuenta el factor FP cuando la vlvula decontrol se va a colocar entre reductores u otros accesorios, por
lo que la Cvcalculada debe ser corregida debido a la reduccin
de capacidad de la vlvula, de acuerdo a lo que se menciona en
ISA S75.01.
Los internos de una vlvula de control pueden ser muy sencillos
pero reducen su rea de paso mientras mas ocupan espacio
dentro del cuerpo. El cuerpo de una vlvula de control con
internos reducidos deben de ser considerados para aplicaciones
con las condiciones siguientes:
Cadas de presin > 750 psiVelocidades de salida de gas o vapor
que excedan 0.3 Mach
Nivel de ruido alto > 85 decibeles audibles
Estrangulacin de ujo
Vaporizacin instantnea sostenida> 5 % del lquido que se trate
Fluidos erosivos
Si se proyecta aumento de capacidad en el futuro.
Para cualquier caso el tamao del cuerpo de la vlvula no debe
de exceder el tamao de la tubera que la contendr.
El tamao de cada vlvula de control seleccionada debe de cum-
plir con cualquier variacin de ujo a todas las condiciones
de operacin especicadas. La condicin de ujo mnimo especi-
cada debe ser totalmente controlable.
El cuerpo de la vlvula de control debe de calcularse para que
tenga el grueso suciente debido a las condiciones de presin ytemperatura especicados. Para vlvulas con bridas, la clase de la
vlvula debe ser al mnimo igual a la de las bridas que usan. La
clase de las bridas de una vlvula de control menor a 16 pulgadas
debe ser como mnimo ASME 300. La clase de las bridas de una
vlvula mayor de 16 pulgadas debe ser mnimo ASME 150.
Los materiales del cuerpo deben de alcanzar o exceder los requeri
mientos de la aplicacin. El material del cuerpo y sus internos
deben de cumplir los requerimientos de temperatura. Las vl-
vulas que manejen hidrocarburos deben de ser de materiales
resistentes a la presencia de sulfuros de acuerdo con NACE MR
0175.
INTERNOS
Los internos de una vlvula de control en ingls lo llaman trim.
Los internos tienen una parte ja y una parte mvil que es la
permite que la vlvula se mantenga abierta o cerrada. La parte
mvil es el ensamble del tapn con la parte de el vstago
que estar en contacto con el medio. La parte ja de los
internos es muy sencilla en aplicaciones convencionales, pero
en aplicaciones para servicio severo es una jaula con diferentes
diseos, por ejemplo jaulas concntricas, placas perforadas, pila
de discos, etc., y con las piezas necesarias para acomodar la jaula
por dentro.
Los internos deben de ser del tipo de cambio rpido, por lo que
ningn componente debe de ir soldado o roscado en el cuerpo
o bonete.
Como en algunas vlvulas de control se nota que el tapn a veces
se pega y queda jo en una posicin, por lo tanto se debe de
especicar que los internos deben de tener un anillo igualador de
presin alrededor del tapn para minimizar la vibracin y que no
se exione el tapn por ujo concentrado en una sola porcin
del tapn. El fabricante debe de cumplir con este diseo para
cumplir con los requerimientos de la especicacin.
Para las aplicaciones de servicio severo, cuando un fabricante
proponga el diseo de ciertos internos, debe de haber probado
durante cinco aos este diseo lo cual debe de certicarlo.
Los uidos lquidos o gaseosos al pasar por una vlvula de
control con gran cada de presin pueden provocar ciertos
fenmenos, los cuales normalmente son destructivos. Los lqui-
dos pueden provocarcavitacin yashing, y los gases pueden
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provocarruido y su fenmeno asociado que es la vibracin. Todos
estos fenmenos son funcin de la velocidad alta del uido, por
lo que todos pueden evitarse controlando la velocidad del uido
al pasar y salir de los internos. Lo nico que no puede evitarse
es el ashing porque las condiciones del proceso no lo permiten,
pero regulando la velocidad del lquido a travs de la vlvula se
modera el efecto destructivo de este fenmeno.
Por lo tanto cuando se detecte que la presin de entrada es igual
al doble o mas de la presin de salida de la vlvula, se sabe que
se trata de una aplicacin de servicio severo o crtico o riguroso
o riesgoso pues la energa potencial de la diferencial de presiones
puede convertirse en energa cintica dentro y a la salida de los
internos de la vlvula que es donde la velocidad sera la mayor,
entonces se deber especicar cuidadosamente la requisicin de
una vlvula, pues de no hacerlo el ingeniero se arriesga a seleccio-
nar un equipo deciente que podra causar problemas operativos
de control y fsicos, costos enormes operativos y de manteni-
miento y en algunas ocasiones riesgos, sobre todo cuando se
manejan combustibles.Las especicaciones que se mencionan en los libros especializa-
dos como el de Crane y de la ISA son el resultado de las experien-
cias recopiladas en los ltimos 50 aos y muy someramente se
mencionan.
Especicaciones relacionadas con los internos
de las vlvulas de control que manejen lquidos.
VELOCIDADLa velocidad de un lquido a la salida de los inter-
nos de la vlvula de control debe ser menor a 23 metros por
segundo. Ntese que no se dice a la salida de la vlvula, pues ah
sera ya la velocidad correspondiente a una tubera.
Los internos que permiten hacer un diseo a la medida de la
aplicacin son los que se llaman tipo multipasos multietapas,
que al entrar el lquido a la vlvula se divide en varios pasajes
o pasos de ujo y cada pasaje contiene una serie de etapas
o accesorios como los de la tubera (codos, expansiones) que
vienen siendo cambios de direccin en 90 grados que reducen la
velocidad del lquido al hacerlo pasar por el nmero sucientes
de etapas que resultan de aplicar la Ecuacin de Darcy. Las etapas
existen fsicamente dentro de los internos de la vlvula y se
pueden ver en un dibujo.La velocidad del lquido se debe alcanzar SIN articios en la
tubera anterior y posterior de la vlvula de control.
DIRECCINDE FLUJOLa direccin del lquido en la vlvula de
control debe ser por arriba del tapn o sea en el sentido en que la
vlvula cierra. sto es porque los lquidos suelen llevar slidos ya
sea por xidos u otro material, los cuales seran atrapados en la
pila de discos o en la jaula de la vlvula y solamente pasaran las
partculas slidas que dejaran pasar los internos y no incidiran
directamente sobre los asientos de la vlvula.
ANILLO IGUALADORDE PRESINLos internos deben de con-
tener un anillo igualador de presin que distribuya el ujo
de lquido alrededor del tapn para evitar vibracin por
concentracin de ujo en una sola seccin y exionamiento del
tapn que puede provocar que el tapn se pegue en alguna
posicin.
Especicaciones relacionadas con los internos de
las vlvulas de control que manejen gas o vapor.
VELOCIDADLa velocidad de un gas o vapor a la salida de los
internos de la vlvula de control debe ser equivalente a una
cabeza velocidad Vh menor a 70 psia. La cabeza velocidad Vh
es igual a la densidad del gas multiplicada por la velocidad al
cuadrado, todo entre 2 g que es la constante universal de clculo.
Se preere la Vh porque el gas que es un uido compresible vara
su densidad por el peso molecular, la presin y la temperatura.
Desde luego que si se habla de velocidad se debe siempre
recordar que no se deben manejar velocidades cercanas al Mach
correspondiente del gas o vapor, pues se tendran vibraciones en
la vlvula de control que pudieran fracturar el material de alguna
parte del sistema.
En aplicaciones de operacin poco frecuente se puede aceptar
una Vh < 150 psia.
Los internos que permiten un diseo a la medida de la vlvula
de control cuando se tienen grandes cadas de presin, cuando se
tiene que regular la velocidad del gas o vapor y el nivel de sonido,
son aquellos que son tipo multipasosmultietapas, pues estos
internos tendrn las etapas requeridas por donde pasar el gas
para bajar verdaderamente la velocidad hasta alcanzar el nivel de
sonido especicado.DIRECCINDE FLUJOLa direccin del gas o vapor en la vlvula
de control puede ser por abajo o por arriba del tapn si se trata
de un gas o vapor limpio, pero si se sospecha que puede haber
contaminacin con slidos, es imperativo que la direccin del
gas sea por arriba del tapn, para proteger los asientos de la
vlvula por los efectos de los slidos que pudieran causar erosin
y abrasin.
NIVELDE SONIDOEl nivel de sonido de un gas o vapor a la
salida de los internos de una vlvula de control debe ser menor a
85 decibeles audibles a un metro de distancia, sin aisalmiento deningn tipo, pues el ruido se genera por el paso del gas a travs
de la vlvula y si se modera el ruido con aislamiento, el efecto
fsico del ruido a la vlvula no se elimina. El ruido tiene efecto
sobre las aleaciones y est asociado con la vibracin.
El nivel de sonido < 85 decibeles audibles a un metro de distan-
cia se debe alcanzarsin articios en la tubera anterior y posterior
a la vlvula, como oricios, deectores, etc.
Para aplicaciones no frecuentes y recirculacin se acepta un nivel
de sonido < 90 decibeles A.
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ANILLO IGUALADORDE PRESINLos internos de la vlvula
deben de contener un anillo igualador de presin para distribuir
el ujo alrededor del tapn para evitar vibracin inducida por
ujo concentrado en una seccin y que se exione el tapn.
Si usted requiere mas informacin hable al telfono 01 (464)
11769; fax: 01(464)71424; e-mail: [email protected] o a
CCI Mxico, Apartado postal 5-2., en Salamanca, Gto.
Hermeticidad de las vlvulas de control
Considerando que en las instalaciones automatizadas y con
vlvulas de control hay grandes prdidas por fugas internas en
los asientos de las vlvulas cuando estn cerradas, y adems
situaciones anmalas de operacin cuando una vlvula al
estar cerrada deja pasar constantemente el uido que maneja
provocando que se pierda el sello de una fase lquida hacia una
gaseosa por ejemplo, es muy conveniente saber cmo especicar
la hermeticidad de una vlvula de control al estar cerrada.
Si usted observa un cabezal que contenga una vlvula de control
con sus vlvulas de bloqueo y su vlvula de derivacin (bypass),sabe que para darle mantenimiento a la vlvula de control debe
de cerrar las vlvulas de bloqueo antes y despus de ella y abrir lo
requerido a la de bypass, dichas vlvulas de bloqueo no permiten
fugas al estar cerradas. La norma que rige la hermeticidad de las
vlvulas de control es FCI 70-2 y se tienen clase IV, V, VI, donde
una clase IV tiene menos hermeticidad que la clase V, y la clase
VI tiene una hermeticidad superior, pero la VI utiliza asientos no
metlicos que a temperaturas elevadas y con uidos que caviten
o vaporizen no deben de utilizarse, entonces para una aplicacin
de servicio severo que requiera hermeticidad muy buena se espe-
cica clase VI cuando se pueda, y clase V donde los asientos deltapn y de la vlvula son metlicos. Pero si se requiere una mejor
hermeticidad, cuando el usuario especica fuga cero, entonces
en comparacin con las vlvulas de bloqueo se especica herme-
ticidad tipo vlvula de bloqueo cuya norma es MSS SP61.
Hay vlvulas de control que pueden disearse con heremeticidad
MSS-SP61. Por qu las vlvulas de diferente clase son mas o
menos hermticas? sto es porque cada vlvula se disea con un
actuadormas o menos potente (mas o menos grande) que man-
tiene mejor cerrada la vlvula, sto es que la fuerza disponible
por el actuador aprieta el asiento del tapn contra el asiento
del cuerpo de la vlvula. Esto puede ser suciente pero cuandoel tamao del actuador ya es muy grande o no da la fuerza
requerida, entonces los internos de ciertas vlvulas de control
cuentan con avances que aumentan la fuerza de cierre del tapn
utilizando la presin disponible del uido antes de la vlvula.
Analizando por qu la hermeticidad de una vlvula de control es
tan importante, se comenta que si una vlvula con alta cada de
presin debe de permanecer cerrada la mayor parte del tiempo,
pero si no se mantiene muy bien cerrada, tiende a haber fuga
y sta aumenta con el tiempo pues la energa debido a la dife-
rencial de presiones es muy alta y el uido se abrir camino,
erosionando mas y mas a los asientros ya sea del tapn o del
cuerpo de la vlvula. Si se compara lo que fuga una vlvula clase
V vs una MSS SP61, debe de hacerse en funcin del Cv provocado
por las condiciones de operacin, si se cree que es muy poca la
ganancia especicando una clase V en lugar de MSS SP61, por
qu no especicar mejor una clase IV?
Comparativamente la hermeticidad de las vlvulas de control
dependen de la fuerza de que disponen para mantener cerrada la
vlvula como se ve enseguida:
FUERZA REQUERIDA PARACLASE MANTENER CERRADA LA VLVULA
IV 5.4 kgsf/mm de la circunferencia del Asiento
V 8.9 kgsf/mm
MSS-SP61 17.9 kgsf/mm
La circunferencia del asiento se dene como la lnea de contacto
entre el tapn y el asiento en el cuerpo de la vlvula cuando
la vlvula est en la posicin totalmente cerrada. Por esto esnecesario solicitar la memoria de clculos del actuador y / o los
internos de la vlvula que solo o juntos darn la fuerza de cierre
necesaria para la hermeticidad escogida.
Aplicaciones de servicio severo
Como ya se ha mencionado las aplicaciones de servicio severo
son aquellas cuando va a haber cada alta de presin a travs de
la vlvula de control.
En la industria de la fuerza hay muchas aplicaciones de servicio
severo por ejemplo:
Recirculacin de condensado; Control de nivel del desaerador;
Control de nivel del domo; Recirculacin o ujo mnimo del
agua de alimentacin; Agua de atemperacin; Vapor auxiliar;
Soplado de holln; Bypass de turbina.
En la industria del petrleo:
Vlvulas choke; Recirculacin o ujo mnimo en bombas de
crudo del tercer separador; Vlvulas de antisurge y recirculacin
de gas en compresores; Flujo mnimo en bombas de carga de
cualquier planta; Control de presin de agua de contraincendio;
Manejo de condensados del gas; gas al quemador de campo;Control de nivel de separadores de alta presin; Manejo de ui-
dos en plantas criognicas, etc.
Evaluacin de dos vlvulas de control
de marca diferente
Cuando se requisita una vlvula de control y se reciben dos o mas
ofertas de diferentes fabricantes, se deben evaluar correctamente
las vlvulas que les proponen. Para la mejor evaluacin tcnica, no
se deben ver los precios de inmediato. Con los documentos de las
propuestas revise y compare lo siguiente:
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6 Especicaciones para vlvulas de control|413 2000 CCI. Todos derechos reservados / All rights reserved.
Peso de cada una de las vlvulas de control propuestas.
Tipo de actuador propuesto.
Tipo de vlvula propuesta.
Tipo de internos propuestos.
Memorias de clculo del Cv.
Memorias de clculo de la Velocidad del uido.
Memorias de clculo del ruido si se trata de un gas o vapor.
Memorias de clculo del actuador y la clase de hermeticidad
propuesta y cmo se logra.
Memorias de clculo del nmero de etapas
Dibujo que muestre los internos de la vlvula.
Hoja de datos de la vlvula propuesta.
Lista de lugares donde haya instaladas vlvulas similares a las
propuestas en aplicacin similar.
Descripcin detallada de la vlvula propuesta.
Catlogo con fotos de la vlvula propuesta donde se mencionen
algunas de las aplicaciones.
Si el proveedor no entrega la documentacin mencionada
o si no cumple con las condiciones de operacin y las
especicaciones que usted requiri, entonces se deben de
descalicar las vlvulas que no cumplan totalmente. sto
se puede ver en la junta donde se abren las propuestas
tcnicas, y si lo amerita revisarlo muy cuidadosamente.
Conclusiones
Cuando se pida una nueva vlvula de control, siempre d los
datos de operacin (cuando menos 3) y las especicaciones
y adems mencione lo que usted quiere que la vlvula haga.
Cuando le propongan una vlvula, primero vea si le proponen
totalmente lo que usted requisit, revise las bases o frmulas
de clculo y sus resultados, pues es la clave de un buen diseo.
Descalque la propuesta que no tenga muy claramente todo
lo que usted pidi. Apruebe la que cumpla con todo, si tiene
dudas consulte los libros tcnicos o al fabricante que est porseleccionar.
Revise cuidadosamente y mas de una vez las especicacio-
nes que usted requiere, tambin las memorias de clculo
que proporcione el fabricante (que deben de ser muy expl-
citas), si lo que le proponen no cumple la totalidad de los
datos de operacin y las especicaciones o si las memorias
de clculo no son correctas o tan confusas que no se entien-
dan, entonces en principio descalique dicha propuesta
haciendo una lista de lo no cumplido. Adems es de priorita-
ria importancia que la vlvula de control que le proponenno sea un prototipo, o sea que el fabricante debe de com-
probar que tiene la experiencia necesaria de los internos de
la vlvula propuesta con una lista de sitios con direccin y
telfonos donde se encuentren instaladas sus vlvulas con
los internos que esta proponiendo y en una aplicacin
igual. Cuando un fabricante expresa que cumple totalmente
con lo requerido, debe de demostrarlo matemticamente
y con los dibujos y catlogos necesarios solicitados por el
usuario. Recuerde tambin que el usuario debe estar prepa-
rado para hacer la evaluacin de las vlvulas de control que
le propongan, y esa preparacin empieza en que debe de
saber y respetar las especicaciones normativas internacio-
nales que se mencionan en los libros especializados como
los de la isa de las ltimas ediciones. Dedique el tiempo
necesario en hacer la evaluacin de cada vlvula de control
que le propongan, no se permita equivocaciones ya que un
ingeniero evaluador tiene la responsabilidad directa de qu
equipo seleccionar correctamente. Una vlvula de control
mal seleccionada provocar control defectuoso, costos ope-
rativos enormes, mantenimiento frecuente, paros de planta
por falla en el equipo relacionado (bomba, compresor, tur-
bina, caldera, etc), riesgos, etc.
Referencias
Flujo de uidos. Crane.
Vlvulas. Greene
Control Valves: Practical Guides for Measurement and Control. G.
Burden and P. Friedman. ISA 1998.
Web site: http://www.ccivalve.com
Si requiere informacin adicional, comuniquese a 01(464)11769;
fax 01(464) 71424; e-mail: [email protected]