Diagnóstico y eliminación de sobretensiones y oscilaciones de válvulas de control.

1. Descripción del problema y ámbito de aplicación.

Este manual está destinado a diagnosticar y solucionar problemas de sobretensiones u oscilaciones de las válvulas de control en sistemas industriales. El bombeo de la válvula es el movimiento errático, a menudo cíclico, del vástago de la válvula causado por fallas internas de la válvula/posicionador o por la interacción del proceso. Las oscilaciones son cambios rápidos y a menudo irregulares en la posición de la válvula. Estos fenómenos pueden provocar:

• Desgaste significativo de los componentes internos de la válvula, sellos y actuador.
• Pérdida de control sobre el proceso tecnológico, lo que afecta la calidad del producto y la eficiencia de la producción.
• Aumento del consumo de energía debido a una regulación ineficiente.
• Daños a los equipos asociados (bombas, compresores, tuberías) debido a golpes hidráulicos o cambios de presión.
• Aumentar los riesgos de situaciones de emergencia.

Tipos de equipos afectados: Todo tipo de válvulas de control, incluidas válvulas de bola, de diafragma, de compuerta, de mariposa y de compuerta, utilizadas en las industrias de petróleo y gas, química, alimentaria y energética.

Clasificación de gravedad:

• Crítico: Un aumento repentino incontrolado que provoca un cierre de emergencia de la producción o una amenaza directa a la seguridad. La intervención inmediata es crítica.
• Significativo: Un aumento o fluctuación constante que conduce a una disminución significativa en la calidad del producto, un mayor consumo de recursos y un desgaste acelerado de los equipos. Requiere atención inmediata.
• Menor: Fluctuaciones intermitentes o pequeñas que provocan pequeñas desviaciones en el proceso, pero que no amenazan la seguridad ni el apagado. Requiere planificación de acciones correctivas.

2. Precauciones

🛡 ⚠ ADVERTENCIA DE SEGURIDAD ⚠ 🛡
Antes de comenzar cualquier trabajo en las válvulas de control, se deben tomar los siguientes pasos:

• Bloqueo y marcado (LOTO): Aislar la válvula de las fuentes de energía (eléctrica, neumática, hidráulica) y bloquearla en una posición segura de acuerdo con los procedimientos internos de la empresa y DSTU Requisitos ES ISO 14118.
• Equipo de protección personal (PPE): Utilice siempre el EPP adecuado, incluidos gafas de seguridad, guantes, casco y ropa protectora.
• Energía almacenada: tenga cuidado con los resortes impulsores y otros elementos que contienen energía almacenada. Siga las instrucciones del fabricante para un desmontaje y montaje seguros.
• Descomprimir el sistema: Asegúrese de que el sistema en el que está instalada la válvula esté completamente despresurizado y drenado para evitar la liberación de sustancias peligrosas o lesiones por alta presión.
• Sustancias peligrosas: Verifique el tipo de líquido/gas que se transporta y tome precauciones adicionales si es corrosivo, tóxico, inflamable o tiene una temperatura alta.

No seguir estas instrucciones podría provocar lesiones graves o la muerte.

3. Herramientas de diagnóstico necesarias

4. Lista de verificación de evaluación inicial

Antes de comenzar un diagnóstico detallado, debe recopilar la siguiente información y realizar una inspección visual. Esto ayudará a localizar el problema y acelerará el análisis posterior.

5. Diagnóstico sistemático (esquema de toma de decisiones)

1. Síntoma: La válvula de control oscila u oscila.
   1. Compruebe el posicionador:
      1. ¿Está calibrado el posicionador?
         • NO: Realice una calibración completa del posicionador utilizando un calibrador.
         • SÍ: Vaya al siguiente paso.
      2. ¿La configuración del posicionador (GANANCIA, AMORTIGUACIÓN, FILTRO) cumple con las condiciones del proceso?
         • NO: Optimice la configuración. Reduzca gradualmente la GANANCIA, aumente la AMORTIGUACIÓN y, si es necesario, aumente el tiempo de filtrado.
         • SÍ: Verifique el estado mecánico del posicionador.
      3. ¿El posicionador funciona correctamente (sin contragolpes, fugas ni suciedad)?
         • NO: Considere reparar o reemplazar el posicionador.
         • SÍ: Vaya a comprobar la unidad.
   2. Comprobación del actuador:
      1. ¿El tamaño del actuador coincide con los requisitos de la válvula y del proceso (fuerza/par requeridos)?
         • NO: Realice el cálculo y, si es necesario, reemplace el actuador con un actuador del tamaño adecuado.
         • SÍ: Vaya al siguiente paso.
      2. ¿El diafragma o el sello del actuador está intacto y sin fugas?
         • NO: Reemplace el diafragma/el sello.
         • SÍ: Verifique los resortes del actuador.
      3. ¿Los resortes impulsores tienen la rigidez correcta y no están dañados?
         • NO: Reemplace los resortes.
         • SÍ: Vaya a la comprobación de fricción de la válvula.
   3. Diagnóstico de fricción de la válvula:
      1. ¿Hay fricción excesiva en el prensaestopas o en la varilla guía?
         • NO: Vaya al siguiente paso.
         • SÍ: Reduzca la tensión del prensaestopas (si es posible sin fugas) o reemplace el prensaestopas/los anillos. Comprobar y, si es necesario, sustituir las guías.
      2. ¿Hay alguna evidencia de corrosión, depósitos o daño mecánico en el vástago/émbolo de la válvula?
         • NO: Vaya a Análisis de interacción del proceso.
         • SÍ: Repare o reemplace los componentes internos de la válvula.
   4. Análisis de interacción con el proceso:
      1. ¿Están los parámetros del controlador PID configurados de manera óptima para este circuito?
         • NO: Vuelva a sintonizar el controlador PID, comenzando con valores bajos de los coeficientes, incrementándolos gradualmente hasta lograr la estabilidad.
         • SÍ: Verifique la dinámica del proceso.
      2. ¿Existe inestabilidad derivada del proceso en sí (p. ej., pulsaciones, cambio de fase de fluido, medidor de flujo inestable)?
         • NO: Considere una combinación de varias causas pequeñas o mal funcionamiento del sensor.
         • SÍ: Resuelva el problema a nivel de proceso o considere usar algoritmos de control más avanzados (por ejemplo, PID adaptativo).

6. Matriz de causa de mal funcionamiento

7. Análisis de las causas fundamentales de las averías.

7.1. Ajuste incorrecto del posicionador

Por qué sucede esto: Los posicionadores tienen parámetros como GANANCIA, AMORTIGUACIÓN y FILTRO. Una configuración incorrecta puede provocar una sensibilidad excesiva (GANANCIA alta) o una respuesta demasiado lenta (amortiguación alta). Los ajustes agresivos provocan movimientos rápidos e incontrolados (bombeo), mientras que una amortiguación excesiva puede enmascarar otros problemas.

Cómo confirmar: Utilice un calibrador de posicionador o un software especializado (por ejemplo, ValveLink™) para comprobar la configuración. Realice una prueba de paso de señal y analice la respuesta de la válvula (sobreimpulso, tiempo de estabilización, estabilidad).

Daños si no se repara: Acelera el desgaste de sellos, vástago, émbolo y asientos de válvula debido al movimiento constante. El ruido y las vibraciones están aumentando. Puede causar daños y fugas en los componentes internos.

7.2. Fricción excesiva en el conjunto del casquillo o la varilla guía.

Por qué sucede esto: Con el tiempo, el prensaestopas puede desgastarse, endurecerse o apretarse demasiado. También se puede acumular suciedad, depósitos cristalinos o corrosión en el vástago y las guías. Esto crea una fricción variable que al posicionador le resulta difícil compensar, lo que provoca inestabilidad y sobretensiones.

Cómo confirmar: Después de aislar y descomprimir la válvula, desconecte el actuador del vástago e intente mover el vástago manualmente. Cualquier atascamiento, resistencia desigual o esfuerzo significativo indica un problema de fricción. Utilice un dinamómetro para cuantificar la fuerza de fricción. La fricción permitida no suele superar el 10-15% de la fuerza nominal del accionamiento.

Daños, si no se eliminan: Acelera el desgaste de la varilla, prensaestopas y casquillos guía. Aumenta la probabilidad de fugas a través del prensaestopas. La precisión del ajuste disminuye.

7.3. Tamaño inadecuado del accionamiento (actuador)

Por qué sucede esto: El actuador puede ser demasiado pequeño o demasiado grande para la válvula y las condiciones del proceso. Un actuador demasiado pequeño no puede proporcionar suficiente fuerza para superar las fuerzas de fricción y la caída de presión. Un impulsor demasiado grande puede ser demasiado sensible o crear demasiado impulso, lo que contribuye al aumento, especialmente con una configuración del posicionador subóptima.

Cómo confirmar: Vuelva a calcular la fuerza o el par requerido del actuador, teniendo en cuenta la caída de presión máxima, la fricción del sello de aceite y otras cargas. Compare con el esfuerzo nominal de la unidad instalada. Verifique la presión en las cámaras del actuador durante el funcionamiento; si la presión es inestable o fluctúa excesivamente, esto puede indicar una discrepancia.

Daño si no se repara: La unidad funciona al límite de sus capacidades, lo que provoca un desgaste acelerado. Fallo de una válvula para alcanzar o mantener una posición establecida que afecta el control del proceso.

7.4. Defecto del posicionador

Por qué sucede esto: Daños mecánicos (desgaste de palancas, sensor de posición), contaminación de canales neumáticos, fugas de aire a través de membranas o sellos, fallas electrónicas. Esto da como resultado una determinación incorrecta de la posición de la válvula o un control inexacto de la presión de aire al actuador.

Cómo confirmar: Realizar un diagnóstico completo del posicionador mediante un calibrador, comprobar todas sus funciones, calibración, linealización. Inspeccione visualmente si hay fugas y desgaste. Verificar las señales eléctricas del sensor de posición.

Daños si no se repara: Pérdida total del control de la válvula, movimiento impredecible, alto desgaste de la válvula y el actuador.

7.5. Inestabilidad del lazo de control (controlador PID)

Por qué sucede esto: Si los parámetros del controlador PID (proporcional, integral, diferencial) se configuran de manera demasiado agresiva o no se corresponden con la dinámica del proceso, el controlador puede reaccionar de forma exagerada ante las más mínimas desviaciones, lo que hace que la válvula se mueva constantemente y provoque oscilaciones en el circuito.

Cómo confirmar: Analice las tendencias de los parámetros tecnológicos (PV - valor actual, SP - valor establecido, OP - señal de salida del controlador) durante un período determinado. Las fluctuaciones en PV correlacionadas con OP indican un problema con el controlador PID. Realice una prueba de paso de señal cambiando SP u OP y evalúe la respuesta del sistema.

Daños si no se repara: Disminución de la calidad del producto, aumento del consumo de energía, desgaste acelerado de válvulas y actuadores debido al funcionamiento continuo.

8. Procedimientos de solución de problemas paso a paso

8.1. Corrección de la configuración del posicionador.

1. Aislamiento y seguridad: Realice el procedimiento LOTO y proporcione acceso a la válvula.
2. Conexión del calibrador: Conecte un calibrador de posicionador (por ejemplo, Beamex MC6) a los terminales de señal y a los puertos neumáticos del posicionador.
3. Calibración de punto cero y rango: Realice una calibración automática o manual del recorrido de la válvula al 0% y al 100%. Asegúrese de que la "zona muerta" no supere el 0,2-0,5% de la carrera completa.
4. Optimización de GANANCIA: Comience con el valor de GANANCIA recomendado por el fabricante o un valor bajo. Aumente gradualmente la GANANCIA hasta que aparezcan ligeras oscilaciones, luego disminúyala entre un 10 y un 20% de este valor.
5. Optimización de DAMPING: Comience con el valor de DAMPING recomendado por el fabricante o un valor bajo. Aumente gradualmente la AMORTIGUACIÓN para reducir el exceso, pero evite ralentizar demasiado la respuesta.
6. Configuración de FILTRO: Aplique el filtro (aumente el tiempo de filtrado) solo si la señal de entrada de la válvula se ve afectada por ruidos de alta frecuencia que causan pequeñas oscilaciones.
7. Comprobación de linealización: Realice una prueba de linealización comprobando que la señal de control coincida con la posición real de la varilla en todo el rango. La desviación no debe exceder el ±1% de la carrera completa.
8. Verificación: Retire el calibrador y vuelva a poner el sistema en condiciones de funcionamiento (después de retirar LOTO). Monitorear la estabilidad de la válvula y del proceso.

8.2. Eliminación de fricción

1. Aislamiento y Seguridad: Realizar el procedimiento LOTO, descompresión del sistema.
2. Para desconectar el actuador: Desconecte el vástago de la válvula del actuador.
3. Clasificación de fricción: Mueva manualmente el vástago de la válvula a lo largo de todo el rango de recorrido. Calcule el esfuerzo requerido (se puede utilizar un dinamómetro). Fricción permitida: <10-15% de la fuerza motriz nominal.
4. Reemplazo del anillo/empaquetadura del casquillo: Si la fricción es alta, afloje con cuidado el conjunto del casquillo. Si esto no ayuda, reemplace el relleno/anillos de acuerdo con las instrucciones del fabricante de la válvula. Utilice materiales de alta calidad que cumplan con las condiciones de funcionamiento (temperatura, ambiente).
5. Inspección de guías: Inspeccione los casquillos de guía y la varilla en busca de desgaste, rayones o corrosión. Reemplace los artículos dañados. Asegúrese de que haya espacios libres adecuados entre el vástago y las guías.
6. Limpieza y Lubricación: Limpiar la varilla de depósitos, aplicar el lubricante adecuado recomendado por el fabricante (si lo proporciona).
7. Montaje y verificación: Monte la válvula, conecte el actuador. Comprobar el movimiento de la varilla con el actuador. Vuelva a comprobar el posicionador.

8.3. Reemplazo de la unidad (actuador)

1. Aislamiento y Seguridad: Realizar el procedimiento LOTO, descompresión del sistema.
2. Determinación de la fuerza requerida: Según la caída de presión máxima a través de la válvula, la fricción del empaque y otros factores (usando los datos del fabricante), calcule la fuerza o el torque requerido para el actuador.
3. Selección del actuador: Elija un actuador con el margen de esfuerzo adecuado (se recomienda un margen del 25 % al 50 %) y la velocidad de respuesta. Preste atención al tipo (neumático, eléctrico, hidráulico) y al tipo de acción (directa, inversa).
4. Desmontaje del actuador antiguo: Desmonta con cuidado el actuador existente, siguiendo las instrucciones del fabricante y teniendo en cuenta la energía almacenada (resortes).
5. Instalación del nuevo actuador: Instale el nuevo actuador, asegurándose de que el vástago de la válvula y el actuador estén correctamente alineados. Apriete los sujetadores al par recomendado.
6. Conexión y calibración: Conecte el posicionador al nuevo actuador y realice una calibración completa del posicionador con el nuevo rango y características.
7. Verificación: Devuelve el sistema al estado de funcionamiento (después de eliminar LOTO). Verifique la estabilidad del funcionamiento de la válvula en todo el rango.

8.4. Optimización de la configuración del controlador PID

1. Análisis de tendencias: recopile datos de comportamiento del proceso (PV, SP, OP) antes y durante las fluctuaciones.
2. Modo manual: Pon el controlador en modo manual.
3. Ajuste del factor proporcional (P): Comience con un valor bajo de P. Aumente gradualmente P observando la respuesta de PV al paso OP. Deténgase cuando el PV comience a fluctuar. Reducir P en un 30-50% de este valor.
4. Configuración de tiempo integral (I): Disminuya gradualmente I (aumente la acción integral) para eliminar el error estático pero no causar oscilaciones lentas.
5. Ajuste de sincronización diferencial (D): Aplique D con cuidado para reducir el exceso y acelerar la respuesta, pero evite ser demasiado sensible al ruido.
6. Verificación: Después de cada paso, observe la respuesta del sistema a los cambios de SP o perturbaciones externas. Apunte a una configuración rápida sin sobreajustes ni oscilaciones.

9. Precauciones

10. Repuestos y componentes

Las piezas de repuesto críticas deben estar disponibles para una prevención y resolución de problemas efectivas. UNITEC-D GmbH ofrece una amplia gama de componentes para válvulas de control.

Busque estos y otros componentes en nuestro catálogo UNITEC-D en línea.

11. Enlaces

• DSTU ES ISO 9001:2018 Sistemas de gestión de la calidad. Requisitos
• DSTU ES ISO 14118:2023 Seguridad de las máquinas. Prevención de arranque inesperado.
• DSTU EN 60534-2-1:2020 Válvulas de control industriales. Parte 2-1. Ancho de banda.
• Manuales de operación y mantenimiento de fabricantes de válvulas (por ejemplo, Emerson, Samson, Fisher, KOSO).
• UNITEC-D: Otros manuales de mantenimiento.