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Soluciones en Automatización Industrial

Serie HTS - Válvula Globo Neumática Mono-Asiento Guiada por la Parte Superior

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La válvula de control industrial es el elemento final de control en un lazo de proceso. Su función es modular el flujo de fluido en respuesta a una señal del controlador (típicamente 4-20 mA o 3-15 PSI), con el objetivo de mantener una variable de proceso (presión, temperatura, flujo, nivel) en su valor de consigna.

La Serie HTS de THINKTANK Process Management es una válvula globo de paso recto, mono-asiento, guiada por la parte superior (top-guided), disenada para servicio pesado en lineas de proceso de alta y baja temperatura, alta presión diferencial y requerimientos de control de alta precision.

 

Ventajas del Diseño HTS

-      Paso en S: baja pérdida de presión, alta capacidad de flujo (Cv hasta 797 para DN200)

-      Guia superior amplia: alta resistencia a vibraciones, estabilidad mecánica

-      Actuador diafragma o piston compacto con multiples resortes: respuesta rápida y precisa

-      Conforme a IEC 60534 y JIS B2005

-      Rangeabilidad inherente: 50:1 a 75:1

-      Histéresis: <3% F.S. sin posiciónador, <1% F.S. con posiciónador

-      Fugas en asiento: Clase IV (metal) o Clase V/VI (suave) según ANSI B16.104

 

2.1 Configuración Estándar

Componente	Especificación
Tipo de válvula	Globo de paso recto (straight-through) - cuerpo en S
Tallas nominales	3/4" a 8" (DN20 a DN200)
Presión nominal	ANSI Class 125, 150, 300, 600 | JIS 10K-40K | PN1.6 a PN10.0 MPa
Conexion extremos	Bridada: FF, RF, RJ, LG (ANSI B16.5, JIS B2201, JB/T79.1, PN1.6MPa) | Soldada: SW, BW | Roscada: Rc
Material cuerpo	WCB, WC6, LCB, CF8, CF8M, CF3, CF3M (ver Seccion 5)
Empaque del vástago	V-PTFE, PTFE, Grafito flexible
Juntas	Acero inox SUS304/316/316L, cobre, aluminio
Obturador	Mono-asiento, tipo contorneado (contoured plug)
Temp. ambiente actuador	-30 a +70°C
Rangeabilidad	50:1 o 75:1
Histéresis sin posiciónador	Dentro de +/-3% F.S.
Histéresis con posiciónador	Dentro de +/-1% F.S.
Linealidad sin posiciónador	Dentro de +/-5% F.S.
Linealidad con posiciónador	Dentro de +/-1% F.S.

 

2.2 Capacidad de Flujo - Tabla de Kv / Cv Nominales

Los valores de Kv (m3/h con agua a dP=1 bar) y Cv (USgal/min con agua a dP=1 PSI) son los valores NOMINALES (100% de carrera) para cada talla y tamaño de puerto. Para el diseño, útilice Cv_válvula calculado según Seccion 8.

Conversión: Cv = Kv x 1.156 | Kv = Cv x 0.865

 

DN (mm)	Tamaño Puerto (mm)	Kv EQ%	Cv EQ%	Kv Lineal	Cv Lineal	Carrera (mm)
DN20	20	6.3	7.3	6.9	8.0	16
DN25	20	6.3	7.3	6.9	8.0	16
DN25	25	10	11.6	11	12.7	16
DN32	20	6.3	7.3	6.9	8.0	16
DN32	25	10	11.6	11	12.7	16
DN32	32	16	18.5	17.6	20.3	25
DN40	25	10	11.6	11	12.7	16
DN40	32	16	18.5	17.6	20.3	25
DN40	40	25	28.9	27.5	31.8	25
DN50	32	16	18.5	17.6	20.3	25
DN50	40	25	28.9	27.5	31.8	25
DN50	50	40	46.2	44	50.9	25
DN65	40	25	28.9	27.5	31.8	25
DN65	50	40	46.2	44	50.9	25
DN65	65	63	72.8	69	79.8	40
DN80	50	40	46.2	44	50.9	25
DN80	65	63	72.8	69	79.8	40
DN80	80	100	115.6	110	127.2	40
DN100	65	63	72.8	69	79.8	40
DN100	80	100	115.6	110	127.2	40
DN100	100	160	185.0	176	203.5	40
DN125	80	100	115.6	110	127.2	40
DN125	100	160	185.0	176	203.5	40
DN125	125	250	289.0	275	317.9	60
DN150	100	160	185.0	176	203.5	40
DN150	125	250	289.0	275	317.9	60
DN150	150	400	462.4	440	508.7	60
DN200	125	250	289.0	275	317.9	60
DN200	150	400	462.4	440	508.7	60
DN200	200	630	728.3	690	797.7	60

Nota: Para flujos muy pequenos en DN20 y DN25, selecciónar Modelo HLS.

 

La característica de flujo define la relación entre el porcentaje de apertura (carrera del vástago) y el porcentaje de flujo máximo que pasa por la válvula, a presión diferencial constante. La Serie HTS ofrece dos características inherentes: Porcentaje Igual (EQ%) y Lineal.

 

3.1 Tabla R50 - Porcentaje de Flujo vs. Carrera

Los valores en verde representan el rango de diseño recomendado (40-80% de carrera).

 

Carrera L (%)	Porcentaje Igual EQ% (Q/Qmax %)	Lineal (Q/Qmax %)
0%	2%	2%
10%	11.8%	3%
20%	21.6%	4.37%
30%	31.4%	6.5%
40%	41.2%	9.6%
50%	51%	14.1%
60%	60.8%	20.9%
70%	70.6%	30.9%
80%	80.4%	45.7%
90%	90.2%	67.6%
100%	100%	100%

 

3.2 Comparación y Selección de Cage (Jaula)

El cage (jaula) es el elemento interno que define la característica de flujo de la válvula. En la Serie HTS el cage es intercambiable, lo que permite cambiar la característica de flujo en campo sin reemplazar el cuerpo de la válvula.

 

Cage de Porcentaje Igual (Equal-Percentage) - Corte en V

El cage de porcentaje igual identificado en las imagenes de componentes tiene las siguientes características de fabrica confirmadas:

-      Material: CF8 (equivalente AISI 316, Acero Inoxidable Austenitico)

-      Patrón de corte: Corte en V / parabola (V-notch) en la pared cilindrica

-      Cv nominal: 100 (en la talla correspondiente a DN80 Port-80)

-      Carrera nominal: 40 mm

-      Norma de fugas: Clase IV (metal seat) o Clase V/VI (soft seat) según ANSI B16.104

El corte en V produce una apertura de flujo que crece de forma exponencial con la carrera del vástago. Esta geometria asegura que cada incremento igual de carrera produce el mismo incremento PORCENTUAL de flujo, lo que otorga alta estabilidad de control en aplicaciones donde la presión diferencial varia con el caudal.

 

Cage Lineal - Ventanas Rectangulares

El cage lineal útiliza ventanas o ranuras de seccion rectangular o uniforme. El area de flujo crece de forma proporcional y directa con la carrera del vástago, produciendo una relación lineal entre apertura y flujo a presión diferencial constante.

 

Característica	Cage Porcentaje Igual (EQ%)	Cage Lineal
Patrón de corte	Corte en V / parabola (V-notch)	Ventanas rectangulares / ranuras uniformes
Material estándar	CF8 (AISI 316 equiv.) - Acero Inoxidable	CF8 o WCB según servicio
Cv típico disponible	Cv = 100 en DN80 (Kv=86.5)	Cv = 110 en DN80 (Kv=95)
Rangeabilidad inherente	50:1 a 75:1	50:1 a 75:1
Comportamiento del flujo	Exponencial: Q/Qmax crece exponencialmente con la carrera	Proporcional: Q/Qmax proporcional a la carrera
Zona de diseño óptima	40% - 80% de carrera (zona verde)	40% - 80% de carrera (zona verde)
Aplicaciones ideales	Control de temperatura, presión, flujo variable con alta relación de control	Nivel, mezcla, aplicaciones con caída de presión constante o casi constante
Comportamiento a baja apertura	Más estable y predecible (curva suave)	Puede ser inestable a muy baja apertura
Normativa de fugas	Clase IV (metal) o Clase VI (soft seat) ANSI B16.104	Clase IV o Clase VI ANSI B16.104

 

Cuándo Especificar Cada Cage

Especifique Cage EQ% (Porcentaje Igual) cuando...	Especifique Cage Lineal cuando...
-      Control de temperatura de proceso -      Control de presión con caída de presión variable -      Control de flujo con alta relación de turndown (>10:1) -      Sistemas donde dP disminuye al aumentar el flujo (bombas centrifugas) -      Aplicaciones que requieren alta sensibilidad a bajas aperturas -      Quimicos, reactores, intercambiadores de calor	-      Control de nivel de tanque -      Mezcla de fluidos (blending) -      Caída de presión relativamente constante a traves del sistema -      Aplicaciones donde se desea relación directa apertura/flujo -      Control de distribución en redes de agua o gas

 

La selección del material del cuerpo de la válvula depende del fluido de proceso, temperatura, presión y agresividad química. La Serie HTS esta disponible en los siguientes materiales según ASTM:

 

Código / Material	Norma	Temp. Min.	Temp. Max.	Servicio Típico
WCB	A216 WCB	-5°C	+425°C	Agua, vapor, hidrocarburos, servicio general
WC6	A216 WC6	-5°C	+538°C	Vapor de alta temperatura, petróleo caliente
LCB	A352 LCB	-45°C	+350°C	Servicios a baja temperatura, GNL
CF8	A351 CF8	-196°C	+538°C	Acero inox 304 - ácidos, agua tratada, químicos limpios
CF8M	A351 CF8M	-196°C	+538°C	Acero inox 316 - cloruros, ácidos concentrados, industria farmacéutica
CF3	A351 CF3	-196°C	+538°C	Inox 304L - soldar sin recocido posterior
CF3M	A351 CF3M	-196°C	+538°C	Inox 316L - soldadura, alta corrosion

 

Para cuerpos en acero al carbon (WCB/WC6/LCB): el trim (obturador y asiento) es de SS 304/316. Para cuerpos en acero inoxidable (CF8/CF8M/CF3/CF3M): el trim tambien es de SS 304/316, con temperatura de trabajo desde -196 hasta +538°C según el tratamiento superficial del obturador.

 

El trim comprende el conjunto obturador (plug) + asiento (seat). La selección correcta determina la clase de fugas y el rango de temperatura de trabajo:

 

Tipo de Obturador	Superficie Sello	Clase Fuga (ANSI B16.104)	Temperatura	Aplicación
Metal (Acero Inox)	Pulido espejo SS	Clase IV (<0.01% Cv max)	-196 a +538°C	Vapor, gas, fluidos de alta T, servicio duro
Suave RPTFE	Recubrimiento RPTFE	Clase V/VI (<0.00001% Cv max)	-80 a +200°C	Cierre hermético, agua, químicos, fluidos limpios
Stellite (ST)	Soldadura Stellite	Clase IV/V	-196 a +538°C	Fluidos erosivos/corrosivos, vapor de alta presión
SS (Inox pulido)	Acero Inox SS	Clase IV/V/VI	-196 a +538°C	Servicio criogénico, ultra-alta pureza

 

Criterios de Fugas ANSI B16.104

-      Clase IV: Fuga <0.01% del Cv máximo. Obturador y asiento metalicos pulidos.

-      Clase V: Fuga <0.0005 ml/min por pulgada de asiento por PSI. Metal con tratamiento Stellite.

-      Clase VI: Fuga <0.00001% del Cv máximo. Asiento suave (RPTFE u otro elastómero). Máximo cierre hermético.

 

El bonete protege el empaque del vástago y debe selecciónarse en función de la temperatura del fluido de proceso:

 

Tipo de Bonete	Rango de Temperatura	Descripción / Aplicación
Estándar (Plain)	-17 a +230°C	Servicio general de agua, vapor de baja/media presión, hidrocarburos
Extension Tipo 1	-45 a -17°C y +230 a +566°C	Servicios de baja temperatura y alta temperatura. El alargamiento protege el empaque de las temperaturas extremas del proceso
Extension Tipo 2 Criogénico (integral)	-196 a -100°C	GNL, nitrógeno líquido y otros criogénicos. Cuerpo soldado tipo integral
Extension Tipo 2 Criogénico (soldado)	-196 a -100°C	Alternativa soldada para servicio criogénico profundo (-196 a -100°C)
Fuelle (Bellows Seal)	-196 a +566°C	Cero fugas al ambiente. Ideal para fluidos tóxicos, carcinógenos, radiactivos o de alto valor. Cumple normas de emisión
Camisa de Vapor (Steam Jacket)	Según proceso	Mantiene temperatura del fluido. Para viscosos que solidifican, resinas, azufre, asfalto

 

El actuador convierte la señal de aire de instrumentación (4-20 mA via I/P, o 3-15 PSI directo) en movimiento lineal del vástago. La Serie HTS ofrece tres tipos de actuador:

 

7.1 Tipos de Actuador

-      Actuador de diafragma simple acción (PZMA/PZMB): El mas comun. Diafragma de nylon con capas de caucho EPDM. Resorte de retorno integrado. Sencillo y economico.

-      Actuador de piston simple acción: Mayor fuerza para tallas grandes (DN65 a DN200). Resorte de retorno.

-      Actuador de piston doble acción: Sin resorte. Requiere suministro de aire en ambas caras. Mayor fuerza disponible. Necesita solenoide de seguridad (fail-safe).

 

7.2 Acción de Falla (Fail-Safe)

Parámetro	Acción FO (Aire para Cerrar)	Acción FC (Aire para Abrir)
Código	FO - Fail Open (Falla Abierta)	FC - Fail Close (Falla Cerrada)
Mecanismo	Actuador directo + resorte cierra	Actuador inverso + resorte abre
Posición de falla (sin aire)	Válvula ABRE	Válvula CIERRA
Aplicación típica	Enfriamiento de emergencia, alivio de presión, inyección de agua contra incendio	Control de flujo de combustible, dosificación de químicos peligrosos
Norma ISA	ISA-5.1: Actuador directo	ISA-5.1: Actuador inverso
Rango de resorte diafragma	20-100 kPa / 40-200 kPa / 80-240 kPa	20-100 kPa / 40-200 kPa / 80-240 kPa
Rango de resorte piston	125-375 kPa	125-375 kPa
Presión de suministro	0.14 / 0.25 / 0.4 / 0.5 MPa	0.14 / 0.25 / 0.4 / 0.5 MPa

 

7.3 Accesorios Opciónales del Actuador

-      Posiciónador P/P o I/P (recomendado para precision de control)

-      Filtro regulador de aire

-      Volante de mando (handwheel) lateral o superior para operacion manual

-      Limite de carrera (limit switch) para retroalimentación de posición

-      Válvula solenoide para on/off rápido o falla de seguridad adicional

-      Transmisor de posición (motion transmitter) 4-20 mA

-      Booster relay para aumentar velocidad de respuesta

-      Lock-up valve para retener posición en falla de aire

-      Air lock relay

 

Este procedimiento sigue la metodologia ISA 75.01 para cálculo de Cv y los criterios de selección HTS para garantizar un diseño correcto:

 

Paso	Acción	Criterio / Fórmula
1	Definir condiciónes del proceso	Q (m3/h o MMSCFD), P1 (bar), P2 (bar), T (deg C), fluido, densidad/SG, Pv (presión vapor)
2	Calcular Cv o Kv requerido	Fórmula ISA 75.01: Cv = Q / (N1 * sqrt(dP/SG)) para líquido. Ver calculadora en cematic.com.mx
3	Aplicar factor de seguridad	Cv_seguro = Cv_calculado x 1.20 (mínimo 20% de margen)
4	Selecciónar apertura de diseño	Rango objetivo: 40% - 80% de carrera (recomendado 60-70%)
5	Calcular Cv válvula a pedir	Cv_válvula = Cv_seguro / apertura_diseño (ej: Cv_seguro / 0.70)
6	Selecciónar tamaño DN	Elegir de Tabla 1 (HTS): Cv_válvula <= Cv_EQ% o Cv_Lineal según característica
7	Verificar apertura real	apertura_real = (Cv_seguro / Cv_válvula) x 100%. Debe estar entre 38% y 82%
8	Selecciónar característica de flujo	EQ% para presión variable/temperatura/alta rangeabilidad. Lineal para nivel/presión constante
9	Selecciónar material de cuerpo	CF8/CF8M para químicos/inox; WCB para servicio general; LCB para bajas temperaturas
10	Definir tipo de bonete	Según temperatura del proceso (ver Tabla de Bonetes)
11	Selecciónar asiento	Metal-ST para vapor/alta T; RPTFE para cierre hermético; Stellite para erosion
12	Definir acción del actuador	FO si válvula debe abrir en falla; FC si válvula debe cerrar en falla
13	Especificar posiciónador	Recomendado siempre que se requiera: histéresis <1% F.S., linealidad +-1% F.S.
14	Verificar presión diferencial admisible	Consultar Tabla de Presión Diferencial Admisible HTS según actuador y talla de asiento

 

Herramienta de apoyo: Utilice la Calculadora de Cv disponible en cematic.com.mx para automatizar los pasos 2 al 7 con gráficas de característica de flujo y punto de diseño.

 

9.1 Asiento Metal - Actuador Diafragma (Referencia HTS)

La presión diferencial máxima admisible depende del diámetro de asiento, el rango de resorte del actuador y si se útiliza posiciónador. Ejemplos representativos (actuador aire para cerrar PZMA-5, asiento dg=40mm):

-      Resorte 20-100 kPa, sin posiciónador: dP max = 0.32 MPa

-      Resorte 20-100 kPa, con posiciónador: dP max = 0.84 MPa

-      Resorte 40-200 kPa, con posiciónador: dP max = 1.10 MPa

-      Resorte 80-240 kPa, con posiciónador: dP max = 2.15 MPa

Para valores exactos consulte las tablas completas del datasheet HTS (NO. TT2018-01-0802). Para altas presiónes diferenciales en tallas grandes se recomienda actuador piston.

 

Para cotizar o solicitar la válvula HTS, proporcione la siguiente información:

-      Talla nominal: DN [mm] o NPS [pulgadas]

-      Puerto: tamaño del asiento [mm]

-      Presión nominal: ANSI Class XXX o PN X.X MPa

-      Conexion extremos: RF / FF / BW / SW / Rc

-      Material cuerpo: WCB / CF8 / CF8M / LCB / etc.

-      Característica de flujo: EQ% o Lineal

-      Tipo de asiento: Metal (SS) / Suave RPTFE / Stellite

-      Tipo de bonete: Estándar / Extension T1 / Extension T2 / Fuelle / Camisa vapor

-      Acción: FO (aire para cerrar) o FC (aire para abrir)

-      Tipo de actuador: Diafragma / Piston SA / Piston DA

-      Rango de resorte: 20-100 / 40-200 / 80-240 kPa

-      Presión de suministro: 0.14 / 0.25 / 0.4 / 0.5 MPa

-      Accesorios: Posiciónador / Volante / Limit switch / etc.

-      Fluido, temperatura, presión P1/P2, caudal nominal (para verificación de Cv)

 

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