Actuadores de válvulas y dimensionamiento: neumáticos, eléctricos y posicionadores es la disciplina de seleccionar el dispositivo que mueve una válvula de abierta a cerrada, o la mantiene en cualquier punto intermedio, con suficiente fuerza y margen a lo largo de todo el recorrido.
Un actuador sobredimensionado se atasca, pierde, o no llega a asentar. Uno sobredimensionado desperdicia aire y dinero, y puede sobreparar los componentes internos de la válvula. Esto comienza con los tipos de actuadores disponibles y cómo se compara su salida con la demanda de la válvula.
Tres familias cubren casi todo el servicio industrial de válvulas.
La mayoría de las válvulas de control y de seguridad necesitan una posición definida ante pérdida de señal o energía. Los actuadores neumáticos de retorno por resorte lo garantizan, ya que el resorte almacena energía independiente del aire de planta.
La acción ante fallo es una decisión de seguridad de proceso y debe definirse junto con la selección de fail-safe de la válvula de control: aire-para-abrir vs aire-para-cerrar, ya que la dirección del resorte y la orientación del trim deben coincidir.
Dimensionar significa hacer coincidir la salida del actuador con la demanda de la válvula en cada punto del recorrido. Para válvulas rotatorias el actuador debe superar el par de arrancado (par pico para desasentar el disco o la bola, máximo en la posición cerrada por la fricción del asiento y la presión diferencial)
el par de funcionamiento a través del medio recorrido y el par de asiento, a menudo el punto de mayor demanda en válvulas mariposa con asiento elástico.
Para válvulas lineales (compuerta, globo), debe superar el empuje de desasentado, la fricción del empaque y, en válvulas de compuerta, el empuje de asiento contra la presión diferencial completa.
Un margen de seguridad de aproximadamente 25 a 50 por ciento por encima de la demanda máxima calculada es práctica estándar, cubriendo la caída de presión, el desgaste del asiento y la fricción estática (stiction). Compruébelo frente a la salida con el suministro mínimo esperado, ya que la salida disminuye con baja presión de aire o caída de tensión.
| Tipo de actuador | Salida típica | Método de seguridad ante fallos | Mejor aplicación |
|---|---|---|---|
| Neumático de diafragma con resorte | Empuje bajo a moderado | Retorno por resorte | Válvulas globo modulantes |
| Pistón neumático (lineal) | Empuje moderado a alto | Retorno por resorte o doble efecto | Válvulas de control y on/off de mayor tamaño |
| Neumático scotch-yoke | Alto par, curva no lineal | Retorno por resorte o doble efecto | Servicio on/off de cuarto de giro |
| Eléctrico accionado por motor | Alto empuje o par | Fallo en posición (batería opcional) | Aislamiento grande, zonas sin suministro de aire |
| Hidráulico | Mayor densidad de fuerza | Fallo en posición o respaldado por acumulador | Válvulas grandes de alta presión y ESD (parada de emergencia) |
Un posicionador es un dispositivo de retroalimentación en el actuador que compara la posición real del vástago o eje con la señal comandada y ajusta la presión de aire hasta que coinciden. Sin uno, un actuador de diafragma con resorte deriva ante cambios de fricción o fuerzas del proceso. Con un posicionador, se convierte en un servo de lazo cerrado, corrigiendo continuamente la fricción estática y la variación de carga.
Los posicionadores son esenciales en válvulas que realizan verdadero servicio modulante (estrangulamiento), donde la relación de caudal depende de la posición precisa del vástago a lo largo de la curva completa del coeficiente de flujo Cv de la válvula de control. En un servicio simple de on/off, a menudo no es necesario.
El tipo de servicio determina la mayoría de las decisiones de selección.
Las fallas de actuadores rara vez ocurren sin aviso: tiempos de carrera lentos, fugas de aire por el diafragma, deriva del posicionador o aumento del par de arrancado a medida que se desgastan los asientos.
Registrar las tendencias de tiempo de carrera y las alarmas del posicionador en un CMMS convierte estos avisos en reemplazos programados de sellos o resortes en lugar de paradas no planificadas.
Fabrico permite a los equipos de mantenimiento rastrear intervalos de prueba de actuadores, resultados de pruebas de recorrido parcial e historial de par para cada válvula con etiqueta, de modo que los actuadores degradados se detecten antes de dejar de moverse.
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El mecanismo convierte el empuje lineal del pistón en par rotatorio mediante un pasador deslizante y una ranura. La ventaja mecánica cambia a lo largo del recorrido, dando mayor par cerca de los extremos cerrado y abierto, coincidiendo con la mayor demanda de par de arrancado y de asiento de muchas válvulas de cuarto de giro.
Los actuadores eléctricos estándar fallan en posición ante pérdida de energía porque el motor y la caja de engranajes mantienen la posición. Un verdadero comportamiento de fallo-abierto o fallo-cerrado requiere una batería añadida, un condensador o una unidad de retorno por resorte, lo que aumenta el coste en comparación con un actuador neumático.
Redimensione cada vez que aumente la presión diferencial, cambie el material del trim o del asiento, se reduzca la presión de aire de instrumentación o la válvula sea reempaquetada con empaques de mayor fricción. El desgaste del asiento con los años también aumenta el par de asiento, por lo que las pruebas periódicas de par en válvulas críticas son buena práctica.
Una prueba de recorrido parcial mueve una válvula de seguridad un pequeño porcentaje del recorrido total y la devuelve, confirmando que el actuador no está atascado sin sacar la válvula de servicio, generando confianza entre las pruebas funcionales completas.
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