Un actuador de válvula es el mecanismo para abrir y cerrar una válvula . Las válvulas operadas manualmente requieren que alguien esté presente para ajustarlas usando un mecanismo directo o con engranajes conectado al vástago de la válvula. Los actuadores operados a motor, que usan presión de gas, presión hidráulica o electricidad, permiten ajustar una válvula de forma remota o permiten el funcionamiento rápido de válvulas grandes. Los actuadores de válvula operados a motor pueden ser los elementos finales de un circuito de control automático que regula automáticamente algún flujo, nivel u otro proceso. Los actuadores pueden ser solo para abrir y cerrar la válvula, o pueden permitir un posicionamiento intermedio; algunos actuadores de válvula incluyen interruptores u otras formas de indicar de forma remota la posición de la válvula.
Los actuadores, que se utilizan para la automatización de válvulas industriales , se pueden encontrar en todo tipo de plantas de proceso. Se utilizan en plantas de tratamiento de aguas residuales, centrales eléctricas , refinerías , procesos mineros y nucleares, fábricas de alimentos y tuberías. Los actuadores de válvulas desempeñan un papel importante en la automatización del control de procesos . Las válvulas que se van a automatizar varían tanto en diseño como en dimensión. Los diámetros de las válvulas varían desde una décima de pulgada hasta varios pies.
Los tipos comunes de actuadores son: manuales, neumáticos, hidráulicos, eléctricos y de resorte.
Un actuador manual emplea palancas, engranajes o ruedas para mover el vástago de la válvula con una determinada acción. Los actuadores manuales se accionan con la mano. Los actuadores manuales son económicos, normalmente autónomos y fáciles de operar por humanos. Sin embargo, algunas válvulas grandes son imposibles de operar manualmente y algunas válvulas pueden estar ubicadas en entornos remotos, tóxicos u hostiles que impiden las operaciones manuales en algunas condiciones. Como medida de seguridad, ciertos tipos de situaciones pueden requerir una operación más rápida de la que pueden proporcionar los actuadores manuales para cerrar la válvula.
La presión del aire (u otro gas) es la fuente de energía para los actuadores de válvulas neumáticas. [1] Se utilizan en válvulas lineales o de un cuarto de vuelta. La presión del aire actúa sobre un pistón o diafragma de fuelle creando una fuerza lineal en un vástago de válvula. Alternativamente, un actuador de paletas de un cuarto de vuelta produce un par para proporcionar un movimiento rotatorio para operar una válvula de un cuarto de vuelta. Un actuador neumático puede estar dispuesto para cerrarse o abrirse por resorte, con la presión del aire superando el resorte para proporcionar movimiento. Un actuador de "doble acción" utiliza aire aplicado a diferentes entradas para mover la válvula en la dirección de apertura o cierre. Un sistema de aire comprimido central puede proporcionar el aire comprimido limpio y seco necesario para los actuadores neumáticos. En algunos tipos, por ejemplo, reguladores para gas comprimido, la presión de suministro se proporciona desde la corriente de gas de proceso y el gas residual se ventila al aire o se vierte en tuberías de proceso de menor presión.
Los actuadores hidráulicos convierten la presión del fluido en movimiento. De manera similar a los actuadores neumáticos, se utilizan en válvulas lineales o de un cuarto de vuelta. La presión del fluido que actúa sobre un pistón proporciona un empuje lineal para válvulas de compuerta o de globo. Un actuador de un cuarto de vuelta produce un par para proporcionar un movimiento rotatorio para operar una válvula de un cuarto de vuelta. La mayoría de los tipos de actuadores hidráulicos pueden suministrarse con funciones de seguridad para cerrar o abrir una válvula en circunstancias de emergencia. La presión hidráulica puede suministrarse mediante una bomba de presión hidráulica autónoma. En algunas aplicaciones, como las estaciones de bombeo de agua, el fluido del proceso puede proporcionar presión hidráulica, aunque los actuadores deben utilizar materiales compatibles con el fluido.
El actuador eléctrico utiliza un motor eléctrico para proporcionar par motor y hacer funcionar una válvula. Son silenciosos, no tóxicos y energéticamente eficientes. Sin embargo, debe haber electricidad disponible, lo que no siempre es el caso, también pueden funcionar con baterías.
Los actuadores con resortes retienen un resorte. Cuando se detecta una anomalía o se pierde la energía, el resorte se libera y la válvula se activa. Solo pueden funcionar una vez, sin necesidad de reiniciarse, por lo que se utilizan para fines de un solo uso, como emergencias. Tienen la ventaja de que no requieren una fuente de alimentación eléctrica potente para mover la válvula, por lo que pueden funcionar con energía de batería limitada o automáticamente cuando se pierde toda la energía.
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Un actuador lineal abre y cierra válvulas que pueden operarse mediante fuerza lineal, el tipo que a veces se denomina válvula de "vástago ascendente". Estos tipos de válvulas incluyen válvulas de globo, válvulas de bola de vástago ascendente, válvulas de control y válvulas de compuerta. [2] Los dos tipos principales de actuadores lineales son los de diafragma y los de pistón.
Los actuadores de diafragma están hechos de una pieza redonda de goma y se aprietan alrededor de sus bordes entre dos lados de un cilindro o cámara que permite que la presión del aire ingrese por ambos lados empujando la pieza de goma en una u otra dirección. Una varilla está conectada al centro del diafragma para que se mueva cuando se aplica la presión. Luego, la varilla se conecta a un vástago de válvula que permite que la válvula experimente el movimiento lineal, abriéndose o cerrándose. Un actuador de diafragma es útil si la presión de suministro es moderada y el recorrido y el empuje de la válvula requeridos son bajos.
Los actuadores de pistón utilizan un pistón que se mueve a lo largo de un cilindro. El vástago del pistón transmite la fuerza ejercida sobre el pistón al vástago de la válvula. Los actuadores de pistón permiten presiones más altas, rangos de recorrido más largos y fuerzas de empuje más altas que los actuadores de diafragma.
Se utiliza un resorte para proporcionar un comportamiento definido en caso de pérdida de potencia. Esto es importante en incidentes relacionados con la seguridad y, a veces, es el factor determinante en las especificaciones. Un ejemplo de pérdida de potencia es cuando el compresor de aire (la fuente principal de aire comprimido que proporciona el fluido para que el actuador se mueva) se apaga. Si hay un resorte dentro del actuador, forzará la apertura o el cierre de la válvula y la mantendrá en esa posición mientras se restablece la energía. Un actuador puede especificarse como "apertura en caso de falla" o "cierre en caso de falla" para describir su comportamiento. En el caso de un actuador eléctrico, la pérdida de potencia mantendrá la válvula estacionaria a menos que haya una fuente de alimentación de respaldo.
Un ejemplo típico de válvulas que se deben automatizar es una válvula de control de tipo tapón. De la misma manera que el tapón de la bañera se presiona en el desagüe, el tapón se presiona en el asiento del tapón mediante un movimiento de carrera. La presión del medio actúa sobre el tapón mientras que la unidad de empuje debe proporcionar la misma cantidad de empuje para poder sujetar y mover el tapón contra esta presión.
Los motores de corriente alterna trifásicos asíncronos robustos se utilizan principalmente como fuerza motriz, aunque para algunas aplicaciones también se utilizan motores de corriente alterna o continua monofásicos. Estos motores están especialmente adaptados para la automatización de válvulas, ya que proporcionan pares más altos desde parado que los motores convencionales comparables, un requisito necesario para destrabar válvulas atascadas. Se espera que los actuadores funcionen en condiciones ambientales extremas, sin embargo, generalmente no se utilizan para un funcionamiento continuo ya que la acumulación de calor del motor puede ser excesiva.
Los interruptores de límite indican cuando se ha alcanzado una posición final. El interruptor de par mide el par presente en la válvula. Si se supera un límite establecido, se indica de la misma manera. Los actuadores suelen estar equipados con un transmisor de posición remoto que indica la posición de la válvula como una señal de corriente o tensión continua de 4-20 mA .
A menudo se utiliza un engranaje helicoidal para reducir la alta velocidad de salida del motor eléctrico. Esto permite una alta relación de reducción dentro de la etapa de engranaje , lo que conduce a una baja eficiencia, que es lo que se desea para los actuadores. Por lo tanto, el engranaje es autoblocante, es decir, evita cambios accidentales e indeseados de la posición de la válvula al actuar sobre el elemento de cierre de la válvula.
El montaje de la válvula consta de dos elementos. En primer lugar, la brida que sirve para unir firmemente el actuador a la contraparte del lado de la válvula. Cuanto mayor sea el par que se debe transmitir, mayor será la brida necesaria.
Segundo: el tipo de transmisión de salida que se utiliza para transmitir el par o el empuje desde el actuador hasta el eje de la válvula. Así como hay una multitud de válvulas, también hay una multitud de accesorios para válvulas.
Las dimensiones y el diseño de la brida de montaje de la válvula y de los accesorios de la válvula se estipulan en las normas EN ISO 5210 para actuadores multivueltas o EN ISO 5211 para actuadores de fracción de vuelta. El diseño de los accesorios de la válvula para actuadores lineales se basa generalmente en la norma DIN 3358.
En su versión básica, la mayoría de los actuadores eléctricos están equipados con un volante para accionarlos durante la puesta en servicio o en caso de corte de energía. El volante no se mueve durante el funcionamiento del motor.
Los interruptores electrónicos de limitación de par no funcionan durante la operación manual. Los dispositivos mecánicos de limitación de par se utilizan comúnmente para evitar la sobrecarga de par durante la operación manual.
Tanto las señales del actuador como los comandos de operación del DCS se procesan dentro de los controles del actuador. En principio, esta tarea puede ser asumida por controles externos, por ejemplo, un PLC . Los actuadores modernos incluyen controles integrados que procesan las señales localmente sin ningún retraso. Los controles también incluyen el cuadro de distribución necesario para controlar el motor eléctrico. Estos pueden ser contactores inversores o tiristores que, al ser un componente eléctrico, no están sujetos a desgaste mecánico. Los controles utilizan el cuadro de distribución para encender o apagar el motor eléctrico dependiendo de las señales o comandos presentes. Otra tarea de los controles del actuador es proporcionar al DCS señales de retroalimentación, por ejemplo, cuando se alcanza una posición final de la válvula.
Los cables de alimentación del motor y los cables de señal para transmitir los comandos al actuador y enviar señales de retroalimentación sobre el estado del actuador están conectados a la conexión eléctrica. La conexión eléctrica puede diseñarse como un tapón terminal sellado por separado o un conector de enchufe/toma. Para fines de mantenimiento, el cableado debe poder desconectarse y reconectarse fácilmente.
La tecnología de bus de campo se utiliza cada vez más para la transmisión de datos en aplicaciones de automatización de procesos. Por ello, los actuadores eléctricos pueden equiparse con todas las interfaces de bus de campo habituales que se utilizan en la automatización de procesos. Para la conexión de cables de datos de bus de campo se requieren conexiones especiales.
Tras recibir una orden de funcionamiento, el actuador mueve la válvula en dirección ABRIR o CERRAR. Al alcanzar la posición final, se inicia un proceso de desconexión automático. Se pueden utilizar dos mecanismos de desconexión fundamentalmente diferentes. Los controles desconectan el actuador tan pronto como se alcanza el punto de disparo ajustado. Esto se denomina asiento límite. Sin embargo, existen tipos de válvulas en las que el elemento de cierre debe moverse a la posición final con una fuerza o un par definidos para garantizar que la válvula selle herméticamente. Esto se denomina asiento de par. Los controles están programados para garantizar que el actuador se desconecte al superar el límite de par ajustado. La posición final se señala mediante un interruptor de límite.
El interruptor de par no sólo sirve para el asentamiento del par en la posición final, sino que también sirve como protección contra sobrecargas durante todo el recorrido y protege la válvula contra un par excesivo. Si un par excesivo actúa sobre el elemento de cierre en una posición intermedia, por ejemplo debido a un objeto atrapado, el interruptor de par se activará al alcanzar el par de activación ajustado. En esta situación, la posición final no es señalizada por el interruptor de fin de carrera. Por lo tanto, los controles pueden distinguir entre la activación del interruptor de par en funcionamiento normal en una de las posiciones finales y la desactivación en una posición intermedia debido a un par excesivo.
Para proteger el motor contra el sobrecalentamiento se necesitan sensores de temperatura. En algunas aplicaciones de otros fabricantes también se controla el aumento de la corriente del motor. Los interruptores térmicos o termistores PTC integrados en los devanados del motor suelen cumplir esta tarea de forma fiable. Se activan cuando se supera el límite de temperatura y los controles apagan el motor.
Debido a la creciente descentralización de la tecnología de automatización y a la introducción de microprocesadores, se han transferido cada vez más funciones del DCS a los dispositivos de campo. En consecuencia, el volumen de datos que se debe transmitir se ha reducido, en particular mediante la introducción de la tecnología de bus de campo. Este desarrollo también afecta a los actuadores eléctricos, cuyas funciones se han ampliado considerablemente. El ejemplo más sencillo es el control de posición. Los posicionadores modernos están equipados con autoadaptación, es decir, el comportamiento de posicionamiento se supervisa y optimiza continuamente mediante parámetros del controlador.
Los actuadores eléctricos están equipados con controladores de proceso completos (controladores PID). Especialmente para instalaciones remotas, por ejemplo, para el control de caudal de un tanque elevado, el actuador puede asumir las tareas de un PLC que, de lo contrario, tendría que instalarse adicionalmente.
Los actuadores modernos disponen de amplias funciones de diagnóstico que pueden ayudar a identificar la causa de una avería. También registran los datos de funcionamiento. El estudio de los datos registrados permite optimizar el funcionamiento modificando los parámetros y reducir el desgaste tanto del actuador como de la válvula.
Si una válvula se utiliza como válvula de cierre, entonces estará abierta o cerrada y no se mantienen posiciones intermedias...
Para establecer un caudal estático a través de una tubería se utilizan posiciones intermedias definidas. Se aplican los mismos límites de tiempo de funcionamiento que en el servicio de apertura y cierre.
La característica más distintiva de una aplicación de circuito cerrado es que las condiciones cambiantes requieren un ajuste frecuente del actuador, por ejemplo, para establecer un caudal determinado. Las aplicaciones de circuito cerrado sensibles requieren ajustes en intervalos de unos pocos segundos. Las exigencias sobre el actuador son mayores que en el funcionamiento de apertura y cierre o posicionamiento. El diseño del actuador debe ser capaz de soportar el elevado número de arranques sin que se deteriore la precisión del control.
Los actuadores se especifican para la vida útil y confiabilidad deseadas para un conjunto determinado de condiciones de servicio de aplicación. Además de la carga estática y dinámica y el tiempo de respuesta requeridos para la válvula, el actuador debe soportar el rango de temperatura, el entorno de corrosión y otras condiciones de una aplicación específica. Las aplicaciones de actuadores de válvulas a menudo están relacionadas con la seguridad, por lo tanto, los operadores de planta imponen altas exigencias a la confiabilidad de los dispositivos. La falla de un actuador puede causar accidentes en plantas controladas por procesos y pueden filtrarse sustancias tóxicas al medio ambiente.
Las plantas de control de procesos suelen funcionar durante varias décadas, lo que justifica las mayores exigencias que se imponen a la vida útil de los dispositivos.
Por este motivo, los actuadores siempre se diseñan con una carcasa de alta protección. Los fabricantes dedican mucho trabajo y conocimientos a la protección contra la corrosión .
Los tipos de protección de la carcasa se definen según los códigos IP de la norma EN 60529. Las versiones básicas de la mayoría de los actuadores eléctricos están diseñados con la segunda protección de carcasa más alta, IP 67. Esto significa que están protegidos contra la entrada de polvo y agua durante la inmersión (30 min a una columna de agua máxima de 1 m). La mayoría de los fabricantes de actuadores también suministran dispositivos con protección de carcasa IP 68, que proporciona protección contra la inmersión hasta una columna de agua máxima de 6 m.
En Siberia , pueden alcanzarse temperaturas de hasta -60 °C y, en plantas de procesos técnicos, pueden superarse los +100 °C. El uso del lubricante adecuado es crucial para un funcionamiento completo en estas condiciones. Las grasas que se pueden utilizar a temperatura ambiente pueden volverse demasiado sólidas a bajas temperaturas para que el actuador supere la resistencia dentro del dispositivo. A altas temperaturas, estas grasas pueden licuarse y perder su poder lubricante. A la hora de dimensionar el actuador, la temperatura ambiente y la selección del lubricante correcto son de suma importancia.
Los actuadores se utilizan en aplicaciones en las que pueden producirse atmósferas potencialmente explosivas, como refinerías, oleoductos , prospecciones de petróleo y gas o incluso minería . Cuando se produce una mezcla de gas y aire o de gas y polvo potencialmente explosiva, el actuador no debe actuar como fuente de ignición. Deben evitarse las superficies calientes del actuador, así como las chispas de ignición creadas por el actuador. Esto se puede lograr mediante una carcasa a prueba de llamas , en la que la carcasa está diseñada para evitar que las chispas de ignición salgan de la carcasa incluso si se produce una explosión en el interior.
Los actuadores diseñados para estas aplicaciones, al ser dispositivos a prueba de explosiones, deben ser calificados por una autoridad de prueba (organismo notificado). La protección contra explosiones no está estandarizada a nivel mundial. Dentro de la Unión Europea, se aplica la ATEX 94/9/EC, en EE. UU., la NEC (aprobación de FM ) o la CEC en Canadá (aprobación de CSA ). Los actuadores a prueba de explosiones deben cumplir con los requisitos de diseño de estas directivas y regulaciones.
Los actuadores eléctricos pequeños se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones de ensamblaje , empaquetado y prueba . Dichos actuadores pueden ser lineales , rotativos o una combinación de ambos, y se pueden combinar para realizar trabajos en tres dimensiones. Dichos actuadores se utilizan a menudo para reemplazar cilindros neumáticos . [4]
