Comprender el par de apriete de las válvulas de cuarto de vuelta

Figura 1: Conjunto de actuador eléctrico con válvula de mariposa metálica

El par es la fuerza necesaria para girar el vástago de una válvula, abriéndola o cerrándola. La estimación del par ayuda a determinar qué tipo y tamaño de actuador se necesita para el sistema de válvulas. En este artículo se explica cómo estimar el par motor para varios diseños.

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Par de accionamiento para válvulas

El par del actuador se refiere al par que puede crear un actuador. Al girar el vástago de la válvula, un actuador convierte el par en movimiento de la válvula (apertura, cierre o mantenimiento del movimiento).

Es importante tener en cuenta que cada tipo de válvula necesita un par específico para abrirse o cerrarse por completo. La cantidad de par que puede producir un actuador es un factor clave para definir su capacidad de rendimiento. En función de sus capacidades de par, los distintos actuadores son adecuados para diversas tareas. El par del actuador debe ser mayor que el par de rotura de la válvula (que se tratará más adelante).

Importancia del par del actuador derecho

No tener suficiente fuerza de giro para una válvula determinada puede causar graves problemas. Por ejemplo, si un actuador no tiene fuerza suficiente para girar el vástago de la válvula, ésta no se abrirá y podría quedarse atascada a medio camino. Pero si un actuador ejerce demasiada fuerza, puede dañar la válvula y el sistema.

Características del par de las válvulas

El par necesario para accionar diferentes válvulas varía en función de su aplicación, diseño y tipo.

Una válvula de mariposa necesita una fuerza de giro considerable para abrirla o cerrarla, pero requiere una fuerza mínima para estrangular el flujo. En cambio, una válvula de bola con asiento metálico requiere mucha fuerza de giro (los materiales duros utilizados tanto para la bola como para el asiento crean un contacto metal-metal de alta fricción) para abrirla o cerrarla y ajustar el caudal.
Una válvula de control suele necesitar más par que las válvulas on-off con funciones sencillas como abrir o cerrar. Las válvulas de control requieren más par porque funcionan con distintos grados de caudal y presión, y necesitan mantener la posición frente a las fuerzas del fluido para mantener un control preciso. Las válvulas On-off sólo realizan ciclos entre las posiciones totalmente abiertas o cerradas sin modular ni resistir variaciones continuas de presión, por lo que requieren menos par.

Diferentes medidas de par

Existen diferentes tipos de par:

Par de rotura: El par de rotura, también conocido como par de apertura, es el par necesario para abrir una válvula desde su posición cerrada.
Par motor: El par de funcionamiento, o par a mitad de carrera, es el par necesario para vencer las fuerzas de fricción mientras la válvula está en movimiento, manteniendo su posición en cualquier punto entre completamente abierta y completamente cerrada.
Par de cierre: El par de cierre, también llamado par de asiento, es necesario para cerrar completamente una válvula.
Par máximo admisible del vástago (MAST): MAST, o par máximo del eje, es el par más alto que se puede aplicar a los componentes de una válvula, como el vástago, sin causar daños o fallos.

El par máximo del actuador nunca debe exceder el par máximo de la válvula durante el funcionamiento. En las aplicaciones que utilizan actuadores manuales, el par producido por el mando o la caja de engranajes no suele ser muy elevado, por lo que la preocupación por sobrepasar el MAST de la válvula es menor. Las válvulas manuales de cuarto de vuelta se utilizan a menudo en aplicaciones en las que no se dispone de alimentación eléctrica o en las que se desea un mecanismo a prueba de fallos. Sin embargo, las válvulas manuales también pueden atascarse y requerir más par de torsión para abrirse del que puede aplicarse a mano. En este caso, el usuario debe ampliar el "brazo de torsión" utilizando un mango más largo o una llave inglesa.

Margen de seguridad

Al calcular el valor de par máximo de una válvula, puede haber errores, que pueden provocar accidentes en la industria. Estos accidentes pueden ser caros y causar daños importantes. Se recomienda mantener un margen de seguridad del 25%. Por ejemplo, si se necesitan 125 pulgadas-libra (in-lb) de par para cerrar una válvula, el usuario debe planificar como si se necesitaran 150 in-lb de par para cerrarla, manteniendo así un margen de seguridad del 25%.

Como regla general, MAST debe ser

1,2 veces el par del actuador para válvulas utilizadas en servicios generales.
1,5 veces el par del actuador para procesos pesados como la purga
2 veces el par del actuador para aplicaciones de seguridad como el apagado de la planta

Par en diferentes tipos de válvulas

Para todos los tipos de válvulas, los fabricantes tienen en cuenta los siguientes factores a la hora de calcular el par de apriete:

Tamaño de la válvula y presión nominal: Las válvulas más grandes y las válvulas diseñadas para presiones más altas generalmente requerirán más par de apriete.
Presión diferencial: Los diferenciales de mayor presión suelen requerir más par para funcionar.
Propiedades de los medios de comunicación: El tipo de medio (líquido, gas, lodo), su viscosidad y si contiene partículas pueden afectar al par necesario.
Temperatura: Las temperaturas más altas pueden cambiar las propiedades del material del asiento, lo que afecta al par motor.
Material del asiento: Las válvulas con asientos más blandos suelen requerir menos par de torsión para funcionar.
Periodo de paralización: Las válvulas que han estado en una posición estacionaria durante un período prolongado pueden requerir más par para funcionar debido al aumento de la fricción.
Lubricación: Una lubricación adecuada reduce los requisitos de par de apriete.

Par de la válvula de mariposa

Los cálculos de par varían entre los diferentes estilos de válvulas de mariposa debido a sus características de diseño únicas.

Válvulas de mariposa de asiento elástico:
- El asiento de una válvula de mariposa de asiento elástico es ligeramente mayor que el disco, y cuando la válvula está cerrada, el disco comprime el asiento. Esto garantiza un cierre hermético y aumenta el par necesario para accionar la válvula.
- Con el tiempo, el asiento de goma puede desgastarse o cambiar debido a la compresión, alterando potencialmente los requisitos de par.
Válvulas de mariposa de alto rendimiento:
- Las válvulas de mariposa de alto rendimiento suelen tener un asiento metálico o una combinación de metal y materiales más blandos, que pueden soportar temperaturas y presiones más elevadas que las válvulas de asiento elástico.
- El cálculo del par para estas válvulas debe incluir factores como la interferencia entre el disco y el asiento, la fricción de los cojinetes y las características de los medios de flujo a altas presiones o temperaturas.
- Las válvulas de alto rendimiento suelen tener requisitos de par constantes a lo largo de su ciclo de vida, ya que los asientos metálicos no se degradan tan rápidamente como los de goma.
Válvulas de mariposa de triple desplazamiento:
- A diferencia de las válvulas de mariposa de asiento elástico, las válvulas de mariposa de triple offset suelen tener un asiento y una junta metal-metal. Este diseño puede soportar temperaturas y presiones más altas, pero requiere más precisión en la fabricación para garantizar un cierre hermético. El par necesario para lograr esta estanqueidad depende sobre todo de la precisión de los componentes y de la fuerza necesaria para vencer la resistencia inicial cuando la junta metálica laminada o maciza entra en contacto con el asiento.

Ejemplo

Considere la posibilidad de seleccionar una válvula de mariposa para un sistema de distribución de agua. El cliente tiene las siguientes especificaciones para el sistema:

Medio: Agua
Presión máxima de funcionamiento: 150 psi (libras-fuerza por pulgada cuadrada)
Temperatura máxima de funcionamiento: 25°C (77°F)
Tamaño de la tubería: 8 pulgadas (DN200)

El cliente tiene la intención de utilizar un actuador eléctrico para accionar la válvula y quiere asegurarse de que el actuador seleccionado puede proporcionar un par suficiente para abrir y cerrar la válvula en todas las condiciones de funcionamiento.

Consulte las tablas o curvas de par de apriete del fabricante de la válvula para calcular los requisitos exactos de par de apriete. En este ejemplo, el par de apriete correspondiente a una tubería de 8 pulgadas y una presión de 150 psi es de 1.180 pulgadas-libra (Tabla 1). Considerando un factor de seguridad de 1,5, elija un actuador que proporcione un par de 1.770 pulgadas-libra. Algunos fabricantes también proporcionan el factor de seguridad exacto para multiplicar con el par estimado para diversas aplicaciones.

Tabla 1: Ejemplo de diagrama de par de válvulas de mariposa

Valores de par (pulgadas-libra)
Tamaño (pulgadas)	Presión diferencial
Tamaño (pulgadas)	125 psi	150 psi	200 psi	250 psi
2	100	106	111	117
2 ½	150	160	176	189
3	200	220	322	244
4	290	320	357	390
5	420	480	540	598
6	600	690	783	875
8	1,060	1,180	1,300	1,430
10	1,670	1,872	2,000	2,275
12	2.568	2,790	3,000	3,250
14	2,640	3,000	-	-
16	4,260	4,880	-	-
18	6,280	7,243	-	-
20	8,360	9,180	-	-
24	15,427	16,813	-	-

Cálculo del par de la válvula de bola

Las variaciones en los diseños de las válvulas de bola pueden dar lugar a diferencias significativas en los requisitos de par.

Válvulas de bola flotantes: En una válvula de bola flotante, la bola se coloca por la compresión de los dos asientos elastoméricos contra ella. La bola puede pivotar libremente, por lo que se denomina "flotante". Cuando la válvula está cerrada, la presión del fluido empuja la bola contra el asiento, creando un sello. El par necesario para una válvula de bola flotante aumenta con la presión del fluido, ya que una mayor presión empuja la bola con más fuerza contra el asiento, aumentando la fricción.
Válvulas de bola montadas sobre muñón: Las válvulas montadas en muñón tienen un soporte adicional para la bola, normalmente con un eje en la parte superior e inferior. Este diseño reduce el par necesario para girar la válvula, evitando que la bola empuje contra los asientos bajo presión. En consecuencia, las válvulas de bola montadas en muñón suelen preferirse para tamaños mayores y aplicaciones de mayor presión en las que una válvula de bola flotante requeriría un par excesivo.
Válvulas de bola de entrada superior: El par necesario para accionar una válvula de bola de entrada superior suele ser relativamente bajo. Sin embargo, el par necesario puede aumentar considerablemente si la válvula no está correctamente dimensionada, el diferencial de presión es elevado o la válvula no está lubricada.
Puerto completo frente a puerto reducido: Las válvulas de bola de paso total tienen un diámetro interior igual al diámetro de la tubería, lo que minimiza la caída de presión a través de la válvula pero puede requerir más par de apriete debido a la mayor superficie de la bola en contacto con los asientos. Las válvulas de paso reducido tienen un orificio más pequeño y pueden requerir menos par de apriete.
Material del asiento: Las válvulas de bola de asiento blando, que suelen utilizar materiales como el PTFE, tienen menores requisitos de par debido a las características de menor fricción del material del asiento. Las válvulas de asiento metálico, utilizadas en condiciones de servicio más severas, requieren más par de apriete.

Lea nuestro artículo sobre válvulas para servicio de hidrógeno para obtener más detalles sobre los parámetros que hay que tener en cuenta al seleccionar una válvula para servicio de hidrógeno.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Cuál es el par de una válvula de control?

El par de una válvula de control es la medida de la fuerza necesaria para hacer girar el elemento de cierre de la válvula, como una bola, un disco o un obturador, para conseguir el control de caudal deseado.