Actuador de válvula

Un actuador manual utiliza palancas, engranajes o ruedas para mover el vástago de la válvula con una acción determinada. Los actuadores manuales se accionan manualmente. Son económicos, generalmente autónomos y fáciles de operar. Sin embargo, algunas válvulas grandes son imposibles de operar manualmente, y otras pueden estar ubicadas en entornos remotos, tóxicos u hostiles que impiden su operación manual en determinadas condiciones. Como medida de seguridad, ciertas situaciones pueden requerir una operación más rápida que la que ofrecen 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 cuarto de vuelta. La presión del aire actúa sobre un pistón o diafragma de fuelle, creando una fuerza lineal sobre el vástago de la válvula. Alternativamente, un actuador de paletas de cuarto de vuelta produce un par para proporcionar movimiento rotatorio y operar una válvula de cuarto de vuelta. Un actuador neumático puede estar configurado para cerrarse o abrirse mediante un resorte, donde la presión del aire vence el resorte para proporcionar el movimiento. Un actuador de "doble efecto" utiliza aire aplicado a diferentes entradas para mover la válvula en la dirección de apertura o cierre. Un sistema central de aire comprimido puede proporcionar el aire comprimido limpio y seco necesario para los actuadores neumáticos . En algunos tipos, por ejemplo, los reguladores para gas comprimido, la presión de suministro proviene del flujo de gas del proceso y el gas residual se ventila al aire o se descarga en tuberías de proceso de menor presión.

Los actuadores hidráulicos convierten la presión del fluido en movimiento. Al igual que los actuadores neumáticos, se utilizan en válvulas lineales o de cuarto de vuelta. La presión del fluido que actúa sobre un pistón proporciona el empuje lineal para las válvulas de compuerta o de globo. Un actuador de cuarto de vuelta genera un par motor que proporciona el movimiento rotatorio para accionar una válvula de cuarto de vuelta. La mayoría de los actuadores hidráulicos pueden incluir sistemas de seguridad para abrir o cerrar una válvula en caso de emergencia. La presión hidráulica puede ser suministrada por una bomba hidráulica autónoma. En algunas aplicaciones, como las estaciones de bombeo de agua, el fluido del proceso puede proporcionar la presión hidráulica, aunque los actuadores deben utilizar materiales compatibles con dicho fluido.

El actuador eléctrico utiliza un motor eléctrico para proporcionar el par necesario para accionar una válvula. Son silenciosos, no tóxicos y energéticamente eficientes. Sin embargo, requieren suministro eléctrico, lo cual no siempre es posible; también pueden funcionar con baterías.

Los actuadores de resorte mantienen un resorte en tensión. Al detectar cualquier anomalía o interrumpirse el suministro eléctrico, el resorte se libera, accionando la válvula. Solo pueden funcionar una vez, sin posibilidad de reinicio, por lo que se utilizan para aplicaciones puntuales, como emergencias. Su ventaja radica en que no requieren una fuente de alimentación eléctrica potente para mover la válvula, lo que les permite funcionar con una batería de capacidad limitada o automáticamente en caso de un corte total de energía.

Los robustos motores asíncronos trifásicos de CA se utilizan principalmente como fuerza motriz; para algunas aplicaciones también se emplean motores monofásicos de CA o CC. Estos motores están especialmente adaptados para la automatización de válvulas, ya que proporcionan pares más elevados desde parado que los motores convencionales comparables, un requisito indispensable para desbloquear válvulas atascadas. Se espera que los actuadores funcionen en condiciones ambientales extremas; sin embargo, generalmente no se utilizan para funcionamiento continuo, dado que la acumulación de calor en el motor puede ser excesiva.

Los interruptores de límite indican cuándo se ha alcanzado una posición final. El interruptor de par mide el par presente en la válvula. Cuando se supera un límite preestablecido, se señaliza de la misma manera. Los actuadores suelen estar equipados con un transmisor de posición remoto que indica la posición de la válvula mediante una señal continua de corriente o voltaje de 4-20 mA .

A menudo se utiliza un engranaje helicoidal para reducir la alta velocidad de salida del motor eléctrico. Esto permite una elevada relación de reducción dentro de la etapa de engranajes , lo que resulta en una baja eficiencia, deseable para los actuadores. Por lo tanto, el engranaje es autoblocante, es decir, evita cambios accidentales e indeseados en la posición de la válvula al actuar sobre su elemento de cierre.

El accesorio de la válvula consta de dos elementos. Primero: La brida, que se utiliza para conectar firmemente el actuador a su contraparte en el lado de la válvula. Cuanto mayor sea el par a transmitir, mayor será la brida necesaria.

Segundo: El tipo de accionamiento de salida utilizado para transmitir el par o el empuje del actuador al eje de la válvula. Así como existe una multitud de válvulas, también existe una multitud de accesorios para válvulas.

Las dimensiones y el diseño de la brida de montaje y los accesorios de la válvula se especifican en las normas EN ISO 5210 para actuadores multivuelta o EN ISO 5211 para actuadores de vuelta parcial. El diseño de los accesorios de 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 marcha o en caso de fallo eléctrico. El volante no se mueve durante el funcionamiento del motor.

Los interruptores electrónicos limitadores de par no funcionan durante el funcionamiento manual. Para evitar la sobrecarga de par durante el funcionamiento manual, se suelen utilizar dispositivos mecánicos limitadores de par.

Tanto las señales del actuador como las órdenes 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 demora. Los controles también incluyen el interruptor necesario para controlar el motor eléctrico. Este puede consistir en contactores de inversión o tiristores que, al ser componentes eléctricos, no están sujetos a desgaste mecánico. Los controles utilizan el interruptor para encender o apagar el motor eléctrico según las señales o órdenes presentes. Otra función de los controles del actuador es proporcionar señales de retroalimentación al DCS, por ejemplo, al alcanzar una posición final de la válvula.

Los cables de alimentación del motor y los cables de señal para transmitir las órdenes al actuador y enviar señales de retroalimentación sobre su estado están conectados a la conexión eléctrica. Esta conexión puede diseñarse como un conector de enchufe/toma sellado individualmente. Para facilitar el mantenimiento, el cableado debe poder desconectarse y volverse a conectar fácilmente.

La tecnología Fieldbus se utiliza cada vez más para la transmisión de datos en aplicaciones de automatización de procesos. Por lo tanto, los actuadores eléctricos pueden equiparse con todas las interfaces Fieldbus comunes utilizadas en la automatización de procesos. Se requieren conexiones especiales para la conexión de los cables de datos Fieldbus.

Tras recibir una orden de operación, el actuador mueve la válvula en dirección de APERTURA o CIERRE. Al alcanzar la posición final, se inicia un procedimiento de desconexión automática. Se pueden utilizar dos mecanismos de desconexión fundamentalmente diferentes. Los controles desconectan el actuador tan pronto como se alcanza el punto de disparo establecido. Esto se denomina cierre por 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 un sellado hermético. Esto se denomina cierre por par. Los controles están programados para asegurar que el actuador se desconecte cuando se supere el límite de par establecido. La posición final se señala mediante un interruptor de límite.

El interruptor de par no solo se utiliza 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 atascado, el interruptor de par se activará al alcanzar el par de activación preestablecido. En esta situación, el interruptor de límite no indica la posición final. 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 desconexión en una posición intermedia debido a un par excesivo.

Se requieren sensores de temperatura para proteger el motor contra el sobrecalentamiento. En algunas aplicaciones de otros fabricantes, también se monitoriza el aumento de la corriente del motor. Los termostatos o termistores PTC integrados en los devanados del motor suelen cumplir esta función de forma fiable. Se activan cuando se supera el límite de temperatura y el sistema de control desconecta el motor.

Debido a la creciente descentralización en la tecnología de automatización y la introducción de microprocesadores, cada vez se transfieren más funciones del DCS a los dispositivos de campo. El volumen de datos a transmitir se ha reducido en consecuencia, en particular gracias a la introducción de la tecnología de bus de campo. Los actuadores eléctricos, cuyas funciones se han ampliado considerablemente, también se ven afectados por este desarrollo. El ejemplo más sencillo es el control de posición. Los posicionadores modernos están equipados con autoadaptación, es decir, el comportamiento de posicionamiento se monitoriza y optimiza continuamente mediante parámetros del controlador.

Mientras tanto, los actuadores eléctricos están equipados con controladores de proceso completos (controladores PID). Especialmente para instalaciones remotas, como el control de flujo a un tanque elevado, el actuador puede asumir las funciones de un PLC que, de otro modo, tendría que instalarse adicionalmente.

Los actuadores modernos cuentan con amplias funciones de diagnóstico que ayudan a identificar la causa de una falla. Además, registran los datos de funcionamiento. El análisis de estos datos permite optimizar el funcionamiento mediante la modificación de los parámetros y reducir el desgaste tanto del actuador como de la válvula.

Si una válvula se utiliza como válvula de cierre, estará abierta o cerrada, y no se mantienen posiciones intermedias...

Se utilizan posiciones intermedias definidas para establecer un flujo estático a través de una tubería. Se aplican los mismos límites de tiempo de funcionamiento que en el ciclo de apertura y cierre.

La característica más distintiva de una aplicación de lazo cerrado es que las condiciones cambiantes requieren ajustes frecuentes del actuador, por ejemplo, para establecer un caudal determinado. Las aplicaciones de lazo cerrado sensibles requieren ajustes en intervalos de pocos segundos. Las exigencias sobre el actuador son mayores que en las funciones de apertura y cierre o posicionamiento. El diseño del actuador debe ser capaz de soportar un elevado número de arranques sin que se deteriore la precisión del control.

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 diseñadas con el segundo grado de protección más alto, IP 67. Esto significa que están protegidos contra la entrada de polvo y agua durante la inmersión (30 minutos a una altura máxima de columna de agua de 1 metro). La mayoría de los fabricantes de actuadores también ofrecen dispositivos con protección IP 68, que proporciona protección contra la inmersión hasta una altura máxima de columna de agua de 6 metros.

En Siberia , pueden registrarse temperaturas de hasta -60 °C, y en plantas de procesamiento técnico , incluso superar los  +100 °C. El uso del lubricante adecuado es crucial para un funcionamiento óptimo en estas condiciones. Las grasas que se pueden usar a temperatura ambiente pueden solidificarse demasiado a bajas temperaturas, impidiendo que el actuador supere la resistencia interna del dispositivo. A altas temperaturas, estas grasas pueden licuarse y perder su capacidad lubricante. Al dimensionar el actuador, la temperatura ambiente y la selección del lubricante correcto son de suma importancia. 

Los actuadores se utilizan en aplicaciones donde pueden presentarse atmósferas potencialmente explosivas. Esto incluye, entre otros, refinerías, oleoductos , exploración de petróleo y gas, e incluso minería . Cuando se produce una mezcla potencialmente explosiva de gas y aire o de gas y polvo, el actuador no debe actuar como fuente de ignición. Deben evitarse las superficies calientes del actuador, así como las chispas de ignición que este genere. Esto se puede lograr mediante una carcasa antideflagrante , diseñada para impedir que las chispas de ignición salgan de ella incluso en caso de explosión interna.

Los actuadores diseñados para estas aplicaciones, al ser dispositivos antiexplosivos, deben ser homologados por un organismo de ensayo ( organismo notificado ). La protección contra explosiones no está estandarizada a nivel mundial. En la Unión Europea, se aplica la directiva ATEX 94/9/CE; en EE. UU., la NEC (con homologación de FM ); y en Canadá, la CEC (con homologación de CSA ). Los actuadores antiexplosivos deben cumplir los requisitos de diseño de estas directivas y reglamentos.