Todo lo que necesita saber sobre las válvulas de control neumáticas

Una válvula de control neumática utiliza aire comprimido como fuente de energía y un cilindro neumático como actuador. Con la ayuda de accesorios como posicionadores de válvulas eléctricas, convertidores, válvulas solenoides y válvulas de retención abierta, acciona la válvula para lograr un control de encendido/apagado o proporcional. Recibe señales de control de sistemas de control de automatización industrial para regular diversos parámetros del proceso del medio en la tubería, como caudal, presión y temperatura. Las características clave de las válvulas de control neumático son su mecanismo de control simple, respuesta rápida y naturaleza intrínsecamente segura, lo que elimina la necesidad de medidas adicionales a prueba de explosiones.

Las válvulas de control neumáticas normalmente constan de un actuador neumático y una válvula de control, que se instalan y ponen en funcionamiento juntos. Los actuadores neumáticos se pueden clasificar en tipos de acción simple y de acción doble; los actuadores de acción simple contienen un resorte de retorno, mientras que los actuadores de acción doble no. En caso de pérdida de suministro de aire o falla repentina, un actuador de acción simple regresará automáticamente a la posición abierta o cerrada inicialmente establecida de la válvula.

Las válvulas de control neumáticas se clasifican según su modo de funcionamiento en tipos aire-abrir y aire-cerrar, también conocidos como tipos normalmente abiertos y normalmente cerrados. El funcionamiento de aire para abrir o aire para cerrar una válvula de control neumático normalmente se logra mediante la acción directa o inversa del actuador y diferentes configuraciones de ensamblaje del cuerpo de la válvula.

Modos de funcionamiento de las válvulas de control neumático:

En el tipo de aire a abrir (normalmente cerrado), cuando aumenta la presión de aire en el cabezal del diafragma, la válvula se mueve en la dirección de mayor apertura; cuando se alcanza el límite superior de la presión de aire de entrada, la válvula está en la posición completamente abierta. Por el contrario, cuando la presión del aire disminuye, la válvula se mueve en la dirección de cierre; en ausencia de aire de entrada, la válvula está completamente cerrada. Por lo tanto, comúnmente nos referimos a las válvulas de control de aire para abrir como válvulas de falla para cerrar.

El tipo de aire a cerrar (normalmente abierto) funciona en la dirección opuesta al tipo de aire a abrir. Cuando la presión del aire aumenta, la válvula se mueve hacia la posición cerrada; cuando la presión del aire disminuye o está ausente, la válvula se mueve hacia la posición abierta o hasta que esté completamente abierta. Por lo tanto, las válvulas de control de aire para cerrar se denominan comúnmente válvulas de apertura por falla.

La elección entre válvulas de aire para abrir y de aire para cerrar se determina desde la perspectiva de la seguridad del proceso. Depende de si es más seguro que la válvula de control esté en la posición cerrada o en la posición abierta cuando se corta el suministro de aire.

Por ejemplo, en el control de combustión de un horno de calentamiento, donde se instala una válvula de control en la tubería de gas combustible para regular el suministro de combustible en función de la temperatura de la cámara del horno o la temperatura del material calentado en la salida del horno, es más seguro seleccionar una válvula de aire para cerrar. Esto se debe a que, si cesa el suministro de aire, es preferible que la válvula esté en la posición cerrada en lugar de completamente abierta. Si se interrumpe el suministro de aire mientras la válvula de combustible está completamente abierta, esto podría provocar un sobrecalentamiento y representar un peligro para la seguridad. Otro ejemplo es un intercambiador de calor enfriado por agua de refrigeración, donde el material caliente se enfría mediante intercambio de calor con el agua de refrigeración dentro del intercambiador. La válvula de control está instalada en la tubería de agua de enfriamiento y el flujo de agua de enfriamiento se controla en función de la temperatura del material después del intercambio de calor. En caso de interrupción del suministro de gas, es más seguro que la válvula de control esté en la posición abierta; por lo tanto, se debe seleccionar una válvula de control de aire a cierre (FO).

Posicionadores de válvulas

Los posicionadores de válvulas son accesorios esenciales para las válvulas de control y se utilizan ampliamente junto con las válvulas de control neumáticas. Reciben la señal de salida del controlador y la utilizan para controlar la válvula de control neumático. Una vez que se activa la válvula de control, el desplazamiento del vástago de la válvula se devuelve al posicionador de la válvula a través de un mecanismo mecánico y el estado de la posición de la válvula se transmite al sistema de nivel superior a través de una señal eléctrica. Los posicionadores de válvulas se pueden clasificar según su forma estructural y principio de funcionamiento en posicionadores de válvulas neumáticos, posicionadores de válvulas electroneumáticos y posicionadores de válvulas inteligentes.

Los posicionadores de válvulas aumentan la potencia de salida de las válvulas de control, reducen el retraso en la transmisión de la señal, aceleran el movimiento del vástago de la válvula, mejoran la linealidad de la válvula, superan las fuerzas de fricción en el vástago de la válvula y eliminan los efectos de las fuerzas desequilibradas, asegurando así el correcto posicionamiento de la válvula de control.

Los actuadores se clasifican en tipos neumáticos y eléctricos, y a su vez se dividen en tipos lineales y rotativos. Se utilizan para abrir y cerrar de forma automática o manual diversas válvulas, amortiguadores y dispositivos similares.

Principios de instalación de válvulas de control neumáticas
(1) Las válvulas de control neumáticas deben instalarse a una cierta altura sobre el piso, con suficiente espacio por encima y por debajo de la válvula para permitir su desmontaje, montaje y mantenimiento. Para las válvulas de control equipadas con posicionadores de válvulas neumáticas y volantes, es esencial garantizar la facilidad de operación, observación y ajuste.
(2) Las válvulas de control deben instalarse en tuberías horizontales y posicionarse verticalmente con respecto a la tubería. Generalmente, la válvula debe apoyarse desde abajo para garantizar estabilidad y confiabilidad. En circunstancias especiales en las que es necesario instalar una válvula de control horizontalmente en una tubería vertical, la válvula también debe estar soportada (excepto en el caso de válvulas de control de pequeño calibre). Durante la instalación, se debe tener cuidado para evitar someter la válvula de control a tensiones adicionales.
(3) La temperatura del ambiente de operación de la válvula de control debe estar entre –30°C y +60°C, con una humedad relativa que no exceda el 95%.
(4) Debe haber una sección de tubería recta aguas arriba y aguas abajo de la válvula de control, con una longitud no menor a 10 veces el diámetro de la tubería (10D), para evitar que la sección de tubería recta sea demasiado corta y afecte las características del flujo.
(5) Si el diámetro de la válvula de control difiere del de la tubería de proceso, se debe utilizar un reductor para la conexión. Para válvulas de control de diámetro pequeño, se pueden utilizar conexiones roscadas. La flecha de dirección del fluido en el cuerpo de la válvula debe alinearse con la dirección real del flujo.
(6) Se debe instalar una tubería de derivación. El propósito es facilitar la conmutación o operación manual y permitir el mantenimiento de la válvula de control sin cerrar el proceso.
(7) Antes de instalar la válvula de control, elimine completamente cualquier materia extraña de la tubería, como suciedad o escoria de soldadura.

Fallas comunes y solución de problemas
1. La válvula de control no funciona
Primero, verifique si la presión del suministro de aire es normal e investigue cualquier falla en el suministro de aire. Si la presión de suministro de aire es normal, verifique si el amplificador en el posicionador o el convertidor electroneumático está produciendo una salida; si no hay salida, es posible que el orificio constante del amplificador esté bloqueado o que se haya acumulado humedad del aire comprimido en la válvula de bola del amplificador. Limpie el orificio constante con un alambre de acero fino, elimine cualquier residuo o limpie el suministro de aire.
Si todo lo anterior es normal y hay una señal pero no hay movimiento, el actuador está defectuoso, el vástago de la válvula está doblado o el tapón de la válvula está atascado. En tales casos, es necesario desmontar la válvula para realizar una inspección más detallada.

2. Atasco de la válvula de control
Si el movimiento alternativo del vástago de la válvula es lento, esto puede deberse a sustancias altamente viscosas dentro del cuerpo de la válvula, coquización y bloqueo, empaquetamiento demasiado comprimido, envejecimiento del empaquetamiento de PTFE o un vástago de la válvula doblado o rayado. Las fallas de bloqueo en las válvulas de control ocurren con mayor frecuencia en sistemas recién puestos en servicio o durante la fase inicial después de revisiones importantes. Esto a menudo es causado por escoria de soldadura, óxido u otros residuos dentro de la tubería que causan bloqueos en los puntos de estrangulamiento o guía, impidiendo así el flujo suave del medio. Alternativamente, puede deberse a que el empaque se aprieta demasiado durante el mantenimiento de la válvula, lo que aumenta la fricción y provoca una falla en la respuesta a señales pequeñas o un exceso en respuesta a señales grandes.
En tales casos, la línea de derivación o la válvula de control deben abrirse y cerrarse rápidamente para permitir que el medio elimine los residuos. Alternativamente, el vástago de la válvula se puede sujetar con una llave para tubos y girar con fuerza en ambas direcciones mientras se aplica una presión de señal externa, para permitir que el tapón de la válvula pase a través del área atascada. Si esto no resuelve el problema, aumentar la presión del suministro de aire y la potencia de accionamiento mientras se mueve repetidamente la válvula hacia arriba y hacia abajo varias veces debería resolver el problema. Si la válvula aún no funciona, será necesario desmontarla. Naturalmente, esta tarea requiere un alto nivel de conocimientos técnicos y debe llevarse a cabo con la asistencia de personal técnico cualificado; de lo contrario, las consecuencias podrían ser aún más graves.

3. Fuga de válvula
Las fugas en las válvulas de control generalmente se dividen en varias categorías: fugas internas, fugas de embalaje y fugas causadas por la deformación del tapón y el asiento. Estos se analizan a continuación.
(1) Fuga interna
Si el vástago de la válvula tiene una longitud inadecuada —por ejemplo, si el vástago de una válvula accionada por aire es demasiado largo—, el recorrido hacia arriba (o hacia abajo) del vástago puede ser insuficiente. Esto crea un espacio entre el tapón y el asiento, lo que evita el contacto total y provoca un sellado deficiente y fugas internas. De manera similar, en las válvulas de aire para cerrar, si el vástago es demasiado corto, puede formarse un espacio entre el tapón y el asiento, lo que impide el contacto total y da como resultado un sello incompleto y una fuga interna. Solución: El vástago de la válvula de control debe acortarse (o alargarse) para garantizar que la válvula tenga la longitud correcta, eliminando así las fugas internas.
(2) Fuga de embalaje
Después de instalar el embalaje en la cámara de embalaje, se aplica presión axial a través del prensaestopas. Debido a la deformación plástica del embalaje, se generan fuerzas radiales que hacen que entre en estrecho contacto con el vástago de la válvula. Sin embargo, este contacto no es del todo uniforme; algunas zonas están sueltas, otras están apretadas y, en algunos casos, no hay contacto alguno. Durante el funcionamiento, se produce un movimiento relativo entre el vástago de la válvula y el embalaje; esto se conoce como movimiento axial. Bajo la influencia de altas temperaturas, altas presiones y medios fluidos altamente permeables, la cámara de empaquetamiento es una de las áreas más propensas a fugas en las válvulas de control. La causa principal de las fugas en el embalaje es la fuga en la interfaz; en el caso del embalaje textil, también pueden producirse filtraciones (donde el medio presurizado escapa a través de pequeños espacios entre las fibras del embalaje). La fuga de interfaz entre el vástago de la válvula y el embalaje es causada por factores tales como la reducción gradual de la presión de contacto y el envejecimiento del propio embalaje; en tales casos, el medio presurizado escapa a través del espacio de contacto entre el embalaje y el vástago de la válvula.
Para facilitar la instalación del embalaje, se mecaniza un chaflán en la parte superior del prensaestopas y en la parte inferior se coloca un anillo protector metálico con un espacio libre pequeño y una alta resistencia a la erosión. Es importante asegurarse de que la superficie de contacto de este anillo protector con el embalaje no esté inclinada, para evitar que el embalaje sea expulsado por la presión del medio. Las superficies del prensaestopas en contacto con el embalaje deben mecanizarse con precisión para mejorar el acabado de la superficie y reducir el desgaste del embalaje. Se selecciona grafito flexible como material de embalaje debido a su excelente hermeticidad, baja fricción, cambio dimensional mínimo durante un uso prolongado, bajo desgaste y carbonización, facilidad de mantenimiento y el hecho de que la fricción permanece sin cambios después de volver a apretar los pernos del prensaestopas. También ofrece buena resistencia a la presión y al calor, no es susceptible a la erosión por el medio interno y no provoca picaduras ni corrosión del metal en contacto con el vástago de la válvula y el interior de la cámara de embalaje. Esto protege eficazmente el sello del prensaestopas del vástago de la válvula, garantizando la confiabilidad del sello del empaque y extendiendo significativamente su vida útil.
(3) Fugas por deformación del tapón de la válvula y del asiento
La causa principal de fugas en el tapón y el asiento de la válvula son defectos de fundición o forjado durante el proceso de fabricación de la válvula de control, que pueden exacerbar la corrosión. Además, el paso de medios corrosivos y la acción de fregado del medio fluido también pueden provocar fugas en la válvula de control. La corrosión se produce principalmente en forma de erosión o cavitación. Cuando los medios corrosivos pasan a través de la válvula de control, erosionan e impactan el tapón de la válvula y los materiales del asiento, provocando que se vuelvan elípticos o se deformen de otro modo. Con el tiempo, esto provoca una falta de coincidencia entre el tapón de la válvula y el asiento, creando espacios que impiden un sellado hermético y provocan fugas.

Es fundamental garantizar la correcta selección de los materiales para el tapón y el asiento de la válvula. Se deben elegir materiales resistentes a la corrosión y se deben rechazar estrictamente los productos que presenten defectos como picaduras o poros. Si la deformación del tapón o del asiento de la válvula no es grave, se puede utilizar papel de lija fino para eliminar las marcas, mejorando el acabado de la superficie del sello para mejorar el rendimiento del sellado. Si el daño es grave, se debe reemplazar la válvula por una nueva.

4. Oscilación
La rigidez insuficiente del resorte en la válvula de control, combinada con una señal de salida inestable y que fluctúa rápidamente, puede hacer que la válvula oscile fácilmente. Además, si la frecuencia natural de la válvula seleccionada coincide con la del sistema, o si la tubería o la base de montaje vibra violentamente, la válvula de control vibrará en respuesta. La selección inadecuada de la válvula, cuando la válvula de control funciona con una abertura pequeña, produce fluctuaciones significativas en la resistencia al flujo, la velocidad y la presión. Cuando estos exceden la rigidez de la válvula, la estabilidad se deteriora y, en casos graves, se produce oscilación.

Como las causas de la oscilación son multifacéticas, cada situación debe analizarse caso por caso. Para vibraciones menores, se puede aumentar la rigidez para eliminar el problema, por ejemplo seleccionando una válvula de control con un resorte de alta rigidez o cambiando a un actuador de pistón; Si la tubería o base vibra violentamente, la interferencia de vibración se puede eliminar agregando soportes; si la frecuencia natural de la válvula coincide con la del sistema, reemplace la válvula de control por una de diseño diferente; Las oscilaciones causadas por el funcionamiento en una abertura pequeña se deben a una selección incorrecta, específicamente porque la capacidad de flujo de la válvula (valor C) es demasiado alta. Es necesario volver a seleccionar la válvula, eligiendo una con un valor C más bajo, o adoptar un control de rango dividido o una configuración de válvula maestro-esclavo para superar las oscilaciones generadas cuando la válvula de control opera en una abertura pequeña.

5. Ruido excesivo de las válvulas de control
Cuando el fluido fluye a través de una válvula de control, una diferencia de presión excesiva entre la entrada y la salida puede provocar cavitación en componentes como el tapón y el asiento de la válvula, lo que genera ruido de fluido. Si la capacidad de flujo (valor C) se ha seleccionado demasiado alta, se debe seleccionar una válvula de control con una capacidad de flujo adecuada para superar el ruido causado por la válvula que funciona en una abertura pequeña. A continuación se describen varios métodos para eliminar el ruido.

(1) Método para eliminar el ruido de resonancia
Sólo cuando una válvula de control resuena la superposición de energía produce un ruido intenso superior a 100 decibeles. En algunos casos, esto se manifiesta como una vibración fuerte con un ruido relativamente bajo; en otros, la vibración es débil mientras que el ruido es extremadamente fuerte; y en algunos casos, tanto la vibración como el ruido son significativos. Este ruido produce un sonido de un solo tono, normalmente con una frecuencia de 3.000 a 7.000 hercios. Está claro que eliminar la resonancia provocará naturalmente que el ruido desaparezca.
(2) Método para eliminar el ruido de cavitación
La cavitación es una fuente primaria de ruido fluidodinámico. Durante la cavitación, el colapso de las burbujas genera ondas de choque de alta velocidad, provocando intensas turbulencias locales y produciendo ruido de cavitación. Este ruido tiene un rango de frecuencia relativamente amplio y produce un sonido de traqueteo, similar al que se produce cuando hay arena o grava en un fluido. Eliminar o reducir la cavitación es un método eficaz para eliminar o reducir el ruido.
(3) Método de uso de tuberías de paredes gruesas
El uso de tuberías de paredes gruesas es uno de los métodos de tratamiento acústico. El uso de tuberías de paredes delgadas puede aumentar el ruido en 5 dB, mientras que el uso de tuberías de paredes gruesas puede reducir el ruido en 0–20 dB. Para el mismo diámetro de tubería, cuanto más gruesa sea la pared; para el mismo espesor de pared, mayor será el diámetro de la tubería; mejor será el efecto de reducción de ruido. Por ejemplo, en una tubería DN200, con espesores de pared de 6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20 y 21,5 mm respectivamente, la reducción de ruido es de -3,5, -2 (es decir, un aumento), 0, 3, 6, 8, 11, 13 y 14,5 decibeles respectivamente. Naturalmente, cuanto más gruesa sea la pared, mayor será el coste.
(4) Uso de materiales fonoabsorbentes
Este también es un método de tratamiento acústico relativamente común y muy eficaz. Se pueden utilizar materiales absorbentes del sonido para envolver la fuente de ruido y la tubería aguas abajo de la válvula. Cabe señalar que, a medida que el ruido se propaga a largas distancias a través del flujo de fluidos, la eficacia de la reducción del ruido cesa dondequiera que termine el material absorbente de sonido o comiencen las tuberías de paredes gruesas. Este método es adecuado para situaciones donde los niveles de ruido no son muy altos y la tubería no es muy larga, ya que es un enfoque relativamente costoso.
(5) Método del silenciador en serie
Este método es adecuado para atenuar el ruido aerodinámico; puede eliminar eficazmente el ruido dentro del fluido y suprimir el nivel de ruido transmitido a la capa límite sólida. Es más eficaz y económico en aplicaciones con altos caudales másicos o altas relaciones de caída de presión a través de la válvula. El uso de silenciadores en serie absorbentes puede reducir significativamente los niveles de ruido. Sin embargo, por razones económicas, la atenuación generalmente se limita a aproximadamente 25 decibeles.
(6) Método de cierre insonorizado
Este método utiliza recintos, habitaciones o edificios insonorizados para aislar la fuente de ruido en su interior, reduciendo así el nivel de ruido en el entorno externo a un rango aceptable.
(7) Método de limitación en serie
En aplicaciones donde la relación de presión de la válvula de control es alta (△P/P1 ≥ 0,8), se emplea el método de estrangulamiento en serie. Esto implica distribuir la caída de presión total entre la válvula de control y un elemento de estrangulamiento fijo aguas abajo de la válvula. Los ejemplos incluyen el uso de difusores o placas restrictivas perforadas, que son los métodos más eficaces para la reducción del ruido. Para lograr una eficiencia óptima del difusor, éste debe diseñarse (en términos de forma y dimensiones) de acuerdo con las condiciones específicas de instalación, asegurando que el nivel de ruido generado por la válvula coincida con el del difusor.

(8) Seleccione válvulas de bajo ruido
Las válvulas de bajo ruido funcionan desacelerando gradualmente el fluido a medida que pasa a través de la tortuosa trayectoria de flujo (multicanal, multiranura) del tapón y el asiento de la válvula, evitando así el flujo supersónico en cualquier punto dentro de la trayectoria de flujo. Hay una variedad de tipos y diseños de válvulas de bajo ruido (incluidas aquellas diseñadas específicamente para sistemas particulares) disponibles para su selección. Cuando los niveles de ruido no sean particularmente altos, se deben seleccionar válvulas de globo de bajo ruido, ya que pueden reducir el ruido en 10–20 decibeles y representan la opción más económica.

Fallos en los posicionadores de válvulas
Los posicionadores convencionales funcionan según el principio de equilibrio de fuerza mecánica, específicamente utilizando tecnología de orificio-aleta, y son propensos a los siguientes tipos de fallas:
(1) Como funcionan según el principio de equilibrio de fuerza mecánica, contienen numerosas partes móviles que son susceptibles a la temperatura y la vibración, lo que provoca fluctuaciones en la válvula de control;
(2) Con la tecnología de tapa de orificio, los orificios son muy pequeños y pueden bloquearse fácilmente por polvo o impurezas en el suministro de aire, impidiendo que el posicionador funcione correctamente;
(3) Cuando se opera según el principio de equilibrio de fuerza, el coeficiente elástico del resorte puede cambiar en condiciones de campo adversas, provocando no linealidad en la válvula de control y dando como resultado una calidad de control reducida.
(4) Los posicionadores inteligentes constan de componentes como un microprocesador (CPU), convertidores A/D y D/A; su principio de funcionamiento difiere completamente del de los posicionadores convencionales, ya que la comparación entre el punto de ajuste y el valor real es puramente una señal eléctrica más que un equilibrio de fuerza. En consecuencia, son capaces de superar los inconvenientes del mecanismo de equilibrio de fuerza que se encuentran en los posicionadores convencionales. Sin embargo, cuando se utilizan en aplicaciones de apagado de emergencia, como válvulas de apagado de emergencia o válvulas de ventilación de emergencia, se requiere que estas válvulas permanezcan estacionarias en una posición específica y solo necesiten funcionar de manera confiable cuando surge una emergencia. La retención prolongada en una sola posición puede provocar fácilmente que el convertidor eléctrico pierda el control, creando una situación peligrosa en la que la válvula no responde a pequeñas señales. Además, los potenciómetros de detección de posición utilizados en las válvulas funcionan en el campo, donde los valores de resistencia son propensos a fluctuar, lo que crea un riesgo de no actuar en respuesta a señales pequeñas o de apertura total en respuesta a señales grandes. Por lo tanto, para garantizar la fiabilidad y disponibilidad de los posicionadores inteligentes, es necesario probarlos con frecuencia.