Válvula de control neumática

Válvula de control neumática

La válvula de control neumática es uno de los dispositivos de control de procesos industriales más utilizados en la industria energética. El válvula de control de alta presión Es esencial en los sistemas de regulación y es un componente importante en la formación de sistemas de automatización industrial.

Principio de funcionamiento:

La válvula de control neumático utiliza aire comprimido como fuente de energía, con un cilindro como actuador y depende de accesorios como posicionadores de válvulas eléctricas, convertidores, válvulas de solenoide y válvulas de retención de presión para accionar la válvula. Logra una regulación de encendido/apagado o proporcional al recibir señales de control del sistema de control de automatización industrial para regular varios parámetros de proceso del medio de la tubería, como flujo, presión, temperatura, etc. Las características de la válvula de control neumático son control simple, rápido respuesta y seguridad inherente, sin necesidad de medidas adicionales a prueba de explosiones.

Principio de funcionamiento de la válvula de control neumática (diagrama)

La válvula de control neumática generalmente se compone de un actuador neumático y una válvula de control, que se conectan, instalan y depuran juntos. El actuador neumático se puede clasificar en dos tipos: de simple efecto y de doble efecto. El actuador de simple efecto tiene un resorte de retorno, mientras que el actuador de doble efecto no. En el caso de un actuador de simple efecto, puede volver automáticamente a la posición inicial abierta o cerrada de la válvula cuando se pierde el suministro eléctrico o se produce una falla repentina.

La válvula de control neumático se clasifica en dos tipos según el modo de acción: aire para abrir y aire para cerrar, también conocida como normalmente abierta y normalmente cerrada. La función de aire para abrir o aire para cerrar de la válvula de control neumático generalmente se logra mediante los diferentes métodos de ensamblaje de las acciones de avance y retroceso del actuador y el diseño estructural de la válvula.

Modo de funcionamiento de la válvula de control neumático.

El tipo de aire para abrir (normalmente cerrado) funciona aumentando la presión del aire en el diafragma, lo que hace que la válvula se mueva en la dirección de mayor apertura. Cuando la presión del aire de entrada alcanza su límite máximo, la válvula está completamente abierta. Por el contrario, cuando la presión del aire disminuye, la válvula se mueve hacia la dirección de cierre y cuando no hay entrada de aire, la válvula se cierra completamente. Por lo tanto, comúnmente nos referimos a la válvula de control de tipo aire para abrir como válvula de cierre fallido.

El tipo de aire para cerrar (normalmente abierto) opera en la dirección opuesta al tipo de aire para abrir. Cuando aumenta la presión del aire, la válvula se mueve en la dirección de cierre. Cuando la presión del aire disminuye o no hay aire, la válvula se mueve hacia la apertura o se abre completamente. Por lo tanto, comúnmente nos referimos a la válvula de control de tipo aire para cerrar como válvula de falla de apertura.

La selección de aire para abrir o aire para cerrar se basa en la perspectiva de seguridad del proceso de producción. Depende de si la válvula de control debe estar en la posición cerrada o abierta por seguridad cuando se corta el suministro de aire.

Por ejemplo, en el control de la combustión de un horno de calefacción, la válvula de control se instala en la tubería de gas combustible y regula el suministro de combustible en función de la temperatura en el horno o la temperatura del material calentado en la salida del horno. En este caso, es más seguro elegir una válvula de aire para abrir, porque si se interrumpe el suministro de aire, es más apropiado que la válvula esté cerrada en lugar de completamente abierta. Si la válvula de combustible está completamente abierta cuando se corta el suministro de aire, podría provocar un calentamiento excesivo, lo cual es peligroso. De manera similar, para un intercambiador de calor enfriado por agua de refrigeración, donde el material caliente intercambia calor con agua de refrigeración dentro del intercambiador, la válvula de control se instala en la tubería de agua de refrigeración y regula el flujo de agua de refrigeración en función de la temperatura del material después del intercambio de calor. En caso de una interrupción del suministro de aire, es más seguro que la válvula de control esté en la posición abierta, por lo que se prefiere una válvula de control de aire para cerrar (FO).

Posicionador de válvula

El posicionador de válvula es un accesorio importante de la válvula de control y se usa ampliamente junto con válvulas de control neumáticas. Recibe la señal de salida del controlador y utiliza su propia señal de salida para controlar la válvula de control neumático. Después de que la válvula de control opera, el desplazamiento del vástago de la válvula se devuelve al posicionador de la válvula a través de un dispositivo 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 en posicionadores de válvulas neumáticos, posicionadores de válvulas electroneumáticos y posicionadores de válvulas inteligentes según su estructura y principio de funcionamiento.

El posicionador de válvula puede aumentar la potencia de salida de la válvula de control, reducir el retraso de transmisión de la señal de control, acelerar la velocidad de movimiento del vástago de la válvula, mejorar la linealidad de la válvula, superar la fuerza de fricción del vástago de la válvula y eliminar la efectos de fuerzas desequilibradas, asegurando así el posicionamiento correcto de la válvula de control.

Los actuadores se clasifican en actuadores neumáticos y actuadores eléctricos, con tipos lineales y rotativos. Se utilizan para abrir y cerrar automática o manualmente varios tipos de válvulas, compuertas y otros equipos.

Principios de instalación de la válvula de control neumática.

(1) La válvula de control neumático debe instalarse a cierta altura del suelo, con espacio adecuado encima y debajo de la válvula para facilitar el desmontaje y el mantenimiento. Para las válvulas de control equipadas con volantes y posicionadores de válvulas neumáticas, es esencial garantizar que la operación, observación y ajuste sean convenientes.

(2) La válvula de control debe instalarse en una tubería horizontal y debe estar vertical con respecto a la tubería tanto arriba como abajo. Generalmente, se debe agregar soporte debajo de la válvula para garantizar la estabilidad y confiabilidad. En casos especiales en los que la válvula deba instalarse horizontalmente en una tubería vertical, la válvula también debe contar con soporte (excepto en el caso de válvulas de control de diámetro pequeño). Durante la instalación, se debe tener cuidado para evitar agregar tensión adicional a la válvula.

(3) La temperatura ambiente de funcionamiento 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 antes y después de la válvula de control, con una longitud no menor a 10 veces el diámetro de la tubería (10D), para evitar secciones rectas cortas que puedan afectar las características de flujo de la válvula.

(5) Si el tamaño de la válvula difiere del tamaño de la tubería, se debe utilizar una tubería reductora para la conexión. Para válvulas de control de diámetro pequeño, se pueden utilizar conexiones roscadas. La flecha de dirección del flujo en el cuerpo de la válvula debe ser consistente con la dirección del flujo del fluido.

(6) Se debe instalar una tubería de derivación para facilitar la conmutación o la operación manual, permitiendo el mantenimiento de la válvula de control sin apagar el sistema.

(7) Antes de la instalación, la válvula de control debe limpiarse a fondo para eliminar cualquier objeto extraño en la tubería, como suciedad, escoria de soldadura, etc.

Fallos comunes y solución de problemas

1.La válvula de control no funciona
- Primero, verifique si la presión del suministro de aire es normal y verifique si hay fallas en la fuente de aire. Si la presión del suministro de aire es normal, verifique si el posicionador o el amplificador del convertidor electroneumático está dando salida. Si no hay salida, el orificio de estrangulamiento constante del amplificador puede estar bloqueado o puede haberse acumulado humedad en el aire comprimido en la válvula de bola del amplificador. Utilice un alambre de acero fino para limpiar el orificio de estrangulación y eliminar los residuos o limpiar la fuente de aire.

- Si todo parece normal y hay una señal pero no hay acción, la falla puede deberse al actuador (como un mal funcionamiento), al vástago de la válvula doblado o al obturador de la válvula atascado. En este caso, la válvula debe desmontarse para una inspección más detallada.

2. Válvula de control atascada o atascada
- Si el movimiento alternativo del vástago de la válvula es lento, el cuerpo de la válvula puede contener sustancias viscosas, depósitos de carbón, presión excesiva del empaque o envejecimiento del empaque de PTFE (politetrafluoroetileno), o el vástago de la válvula puede estar doblado o rayado. El atasco de la válvula de control ocurre comúnmente en sistemas que acaban de ponerse en funcionamiento o poco después de reparaciones importantes. A menudo se debe a escoria de soldadura, óxido u otros desechos en la tubería que obstruyen el acelerador. o piezas guía, lo que provoca un flujo deficiente del medio. También puede ocurrir durante el mantenimiento cuando el empaque está demasiado apretado, lo que aumenta la fricción y provoca situaciones en las que las señales pequeñas no se activan o las señales grandes causan un movimiento excesivo.

Para solucionar este problema, intente abrir y cerrar rápidamente la línea de derivación o la válvula de control para permitir que el medio elimine los residuos. Alternativamente, use una llave para tubos para sujetar el vástago de la válvula y, bajo presión de señal adicional, aplique fuerza en ambas direcciones para girar el vástago y permitir que el obturador de la válvula pase la obstrucción. Si esto no resuelve el problema, aumente la presión del suministro de aire o la potencia motriz y mueva el vástago de la válvula hacia arriba y hacia abajo varias veces para eliminar la obstrucción. Si el problema persiste, desmonte la válvula. Sin embargo, esto requiere fuertes habilidades profesionales y sólo debe realizarse con la asistencia de personal calificado para evitar consecuencias más graves.

3. Fuga de válvula

Las fugas de la válvula de control generalmente incluyen fugas internas, fugas del empaque y fugas causadas por la deformación del obturador y el asiento de la válvula. A continuación se presentan los análisis de estos problemas comunes.

(1) Fuga interna

- Causa: El vástago de la válvula puede tener una longitud incorrecta. En el caso de una válvula de aire para abrir, si el vástago de la válvula es demasiado largo, la distancia desde la parte superior (o inferior) del vástago puede ser insuficiente, lo que resulta en un espacio entre el obturador de la válvula y el asiento. Este espacio impide el contacto adecuado y provoca fugas internas. De manera similar, en el caso de las válvulas de cierre de aire, si el vástago es demasiado corto, también puede haber un espacio que impida el contacto total entre el obturador y el asiento, lo que provoca un sellado inadecuado y fugas internas.
- Solución: La longitud del vástago de la válvula se debe ajustar acortándolo o extendiéndolo para garantizar que la válvula de control esté sellada adecuadamente y que no se produzcan fugas internas.

(2) Fugas en el empaque

- Causa: Después de cargar la empaquetadura en la caja de empaquetadura, el casquillo le aplica una presión axial. Debido a la deformación plástica de la empaquetadura, genera una fuerza radial que hace que entre en contacto apretado con el vástago de la válvula. Sin embargo, este contacto no es uniforme: algunas áreas pueden estar sueltas, mientras que otras están apretadas y, en algunas áreas, puede que no haya ningún contacto. Durante el uso, existe un movimiento relativo entre el vástago de la válvula y la empaquetadura, conocido como movimiento axial. Con el tiempo, especialmente en condiciones de alta temperatura, alta presión y medios fluidos permeables, las fugas en las empaquetaduras son un problema común. La causa principal de las fugas en los empaques son las fugas en la interfaz y, en el caso de los empaques textiles, pueden ocurrir fugas cuando el fluido se filtra a través de pequeños espacios entre las fibras del empaque.

Solución: Para facilitar la instalación del empaque, se debe aplicar un chaflán en la parte superior de la caja del empaque y en la parte inferior se debe colocar un anillo protector de metal con pequeños espacios y resistente a la corrosión. Este anillo protector no debe estar inclinado para evitar que la presión del medio empuje la empaquetadura hacia afuera. La superficie en contacto con el empaque en la caja del empaque debe mecanizarse finamente para mejorar la suavidad de la superficie y reducir el desgaste del empaque. Se recomienda la empaquetadura de grafito flexible debido a su excelente estanqueidad al gas, baja fricción, mínimo desgaste, fácil mantenimiento y buena resistencia a la presión y al calor. También es resistente a la corrosión del medio interno y no causa picaduras ni corrosión de los metales que entran en contacto con el vástago de la válvula o la caja de empaque. Esto garantiza la confiabilidad del sello del empaque y extiende su vida útil.

(3) Fuga debida a la deformación del obturador y el asiento de la válvula

Causa: Las fugas en el obturador y el asiento de la válvula se deben principalmente a defectos de fundición o forja durante el proceso de fabricación de la válvula de control, lo que puede provocar una mayor corrosión. El medio corrosivo que lo atraviesa y la acción abrasiva del medio fluido también pueden contribuir a la fuga. La corrosión se manifiesta principalmente en forma de erosión o cavitación. Cuando un medio corrosivo fluye a través de la válvula de control, erosiona e impacta los materiales del obturador y el asiento de la válvula, haciendo que se vuelvan elípticos o adopten otras formas deformadas. Con el tiempo, esta deformación conduce a un sellado inadecuado, lo que provoca fugas.

- Solución: Preste atención a la selección de materiales para el obturador y el asiento de la válvula. Resistente a la corrosión
Se deben elegir los materiales y eliminar los productos con defectos como picaduras o agujeros de arena. Si la deformación del obturador y el asiento de la válvula no es severa, se puede usar papel de lija fino para pulir las áreas afectadas, eliminando rastros y mejorando la suavidad de la superficie de sellado para mejorar el rendimiento del sellado. Si el daño es severo, el obturador y el asiento de la válvula deben ser reemplazados por piezas nuevas.

4. Oscilación

La oscilación en la válvula de control puede ocurrir cuando la rigidez del resorte es insuficiente, causando fluctuaciones inestables y bruscas en la señal de salida de la válvula. También puede ocurrir si la frecuencia de la válvula seleccionada coincide con la frecuencia del sistema, o si hay una vibración severa en la tubería o la base, haciendo que la válvula también vibre. Una selección inadecuada también puede provocar oscilaciones cuando la válvula opera en aberturas pequeñas, donde se producen cambios drásticos en la resistencia al flujo, el caudal y la presión. Cuando estos cambios exceden la rigidez de la válvula, su estabilidad disminuye, lo que puede provocar oscilaciones.

Dado que las causas de la oscilación son multifacéticas, cada cuestión debe analizarse específicamente. Para oscilaciones menores, aumentar la rigidez puede eliminar el problema, por ejemplo seleccionando una válvula con un resorte de mayor rigidez o cambiando a una estructura de actuador de pistón. Si hay vibraciones severas en la tubería o en la base, la interferencia de vibraciones se puede reducir agregando soportes adicionales. Si la frecuencia de la válvula coincide con la frecuencia del sistema, es necesario reemplazar la válvula por una de diseño estructural diferente. La oscilación causada por el funcionamiento con aberturas de válvula pequeñas generalmente resulta de una selección inadecuada de la válvula, específicamente debido al gran coeficiente de flujo de la válvula (valor C). En este caso, se debe volver a seleccionar la válvula con un valor C más pequeño, o se debe usar un sistema de control de rango dividido o una válvula operada por piloto (subválvula) para mitigar la oscilación en aberturas pequeñas.

5. Ruido excesivo de las válvulas de control

Cuando el fluido fluye a través de una válvula de control, si hay una gran diferencia de presión entre la entrada y la salida, puede producirse cavitación en componentes como el obturador y el asiento de la válvula, lo que provoca ruido. Si el coeficiente de flujo de la válvula seleccionada es demasiado grande, la válvula puede funcionar con aberturas pequeñas, generando ruido. En tales casos, el coeficiente de flujo de la válvula debe volver a seleccionarse adecuadamente para mitigar el ruido causado por las aberturas pequeñas de la válvula. A continuación se presentan varios métodos para reducir o eliminar el ruido:

(1) Eliminación del ruido de resonancia

La resonancia ocurre sólo cuando la válvula de control vibra, amplificando la energía y produciendo un ruido fuerte (más de 100 decibeles). Algunas válvulas pueden vibrar intensamente con relativamente poco ruido, mientras que otras pueden tener vibraciones débiles pero un ruido muy alto. En algunos casos, tanto la vibración como el ruido son intensos. Este ruido produce un sonido de un solo tono, normalmente en el rango de frecuencia de 3000 a 7000 Hz. Claramente, eliminar la resonancia hará que el ruido desaparezca naturalmente.

(2) Eliminación del ruido de cavitación

La cavitación es una fuente importante de ruido fluidodinámico. Cuando ocurre la cavitación, el colapso de las burbujas de vapor produce impactos de alta velocidad que causan turbulencias intensas localizadas, lo que resulta en ruido de cavitación. Este ruido tiene un amplio rango de frecuencia y se asemeja a un sonido "similar a la grava", similar al ruido producido por partículas como la arena en el fluido. Reducir o eliminar la cavitación es una forma eficaz de reducir el ruido.

(3) Uso de tuberías de paredes gruesas

El uso de tuberías de paredes gruesas es un método para tratar el ruido. Las tuberías de paredes delgadas pueden aumentar el ruido en 5 decibeles, mientras que las tuberías de paredes gruesas pueden reducir el ruido entre 0 y 20 decibeles. Por ejemplo, con una tubería DN200, el uso de diferentes espesores de pared (6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20, 21,5 mm) puede reducir el ruido en -3,5, -2 (aumento), 0, 3, 6 , 8, 11, 13 y 14,5 decibeles, respectivamente. Sin embargo, cuanto más gruesa sea la pared, mayor será el coste.

(4) Uso de materiales absorbentes de sonido

Este es un método común y muy eficaz para tratar el ruido. Se pueden envolver materiales absorbentes de sonido alrededor de la fuente de ruido y de la tubería aguas abajo de la válvula. Cabe señalar que el ruido se propaga a largas distancias a través del fluido, por lo que la eficacia de la absorción acústica termina donde termina el material o la tubería de paredes gruesas. Este método es adecuado para situaciones en las que el nivel de ruido no es demasiado alto y la tubería es relativamente corta, pero puede resultar costoso.

(5) Uso de silenciadores en línea

Este método es adecuado para reducir el ruido impulsado por el aire. Puede eliminar eficazmente el ruido dentro del fluido y suprimir el ruido transmitido a los límites sólidos del sistema. Este método es más eficaz y económico en lugares con altos caudales másicos o grandes caídas de presión a través de la válvula. El uso de un silenciador en línea de tipo absorción puede reducir significativamente el ruido. Sin embargo, desde el punto de vista económico, el nivel de ruido se reduce generalmente en unos 25 decibeles.

(6) Uso de recintos insonorizados

Los recintos, habitaciones o edificios insonorizados pueden aislar la fuente de ruido, reduciendo el nivel de ruido en el ambiente externo a un nivel aceptable para las personas.

(7) Método de limitación en serie

En los casos en los que la relación de presión a través de la válvula de control es alta (△P/P1 ≥ 0,8), se utiliza el método de estrangulamiento en serie. Esto implica distribuir la caída de presión total entre la válvula de control y los componentes de estrangulación fijos aguas abajo de la válvula, como difusores o limitadores de flujo porosos. Este es uno de los métodos más eficaces para reducir el ruido. Para lograr la mejor eficiencia del difusor, el diseño del difusor (incluyendo su forma y tamaño) debe adaptarse a la instalación específica, asegurando que el nivel de ruido producido por la válvula coincida con el nivel de ruido generado por el difusor.

(8) Selección de válvulas de bajo ruido

Las válvulas de bajo ruido presentan rutas de flujo tortuosas (múltiples canales o ranuras porosas) a través del obturador y el asiento de la válvula para ralentizar gradualmente el flujo de fluido, evitando así la generación de flujo supersónico en cualquier punto de la ruta. Hay varias formas y estructuras de válvulas de bajo ruido disponibles (algunas diseñadas para sistemas específicos). Cuando el nivel de ruido no es excesivamente alto, una válvula de manguito silenciosa puede reducir el ruido entre 10 y 20 decibeles, que es la opción de válvula silenciosa más económica.

Fallas del posicionador de válvula

Los posicionadores convencionales funcionan según un principio mecánico de equilibrio de fuerzas, utilizando una técnica de boquilla y aleta. Tienen las siguientes fallas comunes:

①. Problemas de equilibrio de fuerzas mecánicas: el posicionador tiene muchas piezas móviles, lo que lo hace susceptible a los efectos de temperatura y vibración, que pueden provocar fluctuaciones en la válvula de control.

②. Obstrucción debido al polvo: La boquilla, que tiene una pequeña apertura, puede bloquearse fácilmente con polvo o fuentes de aire sucias, impidiendo que el posicionador funcione correctamente.

③. Cambios en la elasticidad del resorte: La elasticidad del resorte en los posicionadores de equilibrio de fuerza puede cambiar en entornos hostiles, lo que provoca un comportamiento no lineal de la válvula de control y una calidad de control reducida.

4. Los posicionadores inteligentes, que constan de componentes como un microprocesador (CPU), convertidores A/D y D/A, funcionan basándose en señales eléctricas en lugar del equilibrio de fuerzas mecánicas. Esto les permite superar las limitaciones de los posicionadores convencionales. Sin embargo, en situaciones de apagado de emergencia (como válvulas de cierre de emergencia o válvulas de ventilación de emergencia), estas válvulas deben permanecer estacionarias en una posición determinada y solo moverse de manera confiable durante una emergencia. Si permanecen en una determinada posición durante un período prolongado, el convertidor eléctrico puede perder el control, lo que conlleva el riesgo de que no se mueva con pequeñas señales. Además, los sensores de posición (potenciómetros) utilizados en las válvulas pueden experimentar cambios de resistencia en el campo, lo que genera el riesgo de que no haya movimiento con señales pequeñas o que la válvula se abra completamente con señales grandes. Para garantizar la confiabilidad y usabilidad de los posicionadores inteligentes, se requieren pruebas frecuentes.