903-HM120-P09-GUD-014

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PROCESOS 903-HM120-P09-GUD-014 Rev. 0

GUA PARA LOS DATOS DE PROCESOS DE LAS VLVULAS DE CONTROL Y DIMENSIONAMIENTO DE LOS DESVOS

903-HM120-P09-GUD-014/31/07/2008/AA/pa 1 de 56 INEDON

FECHA OBJETO ELABOR Iniciales REVIS Iniciales

APROB Iniciales/Cargo

JUL. 08 Emisin Original AA ABA ABA/GP

Este Documento Sustituye a la Gua de Diseo de los Desvos (Bypasses) de las Vlvulas de Control, N 903-P3100-P09-GUD-014, REV. 2 AGO. 07

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n d i c e

Pgina

1. INTRODUCCIN .................................................................................................... 52. OBJETIVOS ........................................................................................................... 53. USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 64. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA .................................................................... 65. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA ................................................ 76. ACRNIMOS Y SIGLAS ........................................................................................ 87. MEMORIA DE CLCULO ....................................................................................... 98. LECCIONES APRENDIDAS ................................................................................... 99. DEFINICIONES GENERALES ............................................................................... 910. CLCULO DE PRDIDA DE PRESIN ............................................................... 1811. VLVULAS DE CONTROL ................................................................................... 2011.1. Informacin Bsica ............................................................................................... 2011.2. Caractersticas de Flujo ........................................................................................ 2111.3. Requerimientos de Flujo ....................................................................................... 2211.4. Evaluacin de una Vlvula de Control Existente .................................................. 2511.5. Datos de Procesos para las Vlvulas de Control .................................................. 2712. VLVULAS DE DESVO ....................................................................................... 3812.1. Importancia de la Seleccin de la Vlvula de Desvo ........................................... 3812.2. Dimensionamiento de la Vlvula de Desvo ......................................................... 3812.3. Disponibilidad del Tipo de Vlvula de Desvo ....................................................... 4312.4. Limitaciones de la Garanta Hidrulica ................................................................. 4713. CONSIDERACIONES ESPECIALES ................................................................... 4913.1. Caso de Gas Blow-By ........................................................................................... 4913.2. Flujo Bifsico Aguas Arriba de la Vlvula ............................................................. 5013.3. Servicios en Alta Presin ...................................................................................... 5113.4. Cavitacin ............................................................................................................. 5213.5. Hidratos de Gas .................................................................................................... 5414. RECOMENDACIONES PARA LAS PROPUESTAS TCNICAS .......................... 5415. REFERENCIAS .................................................................................................... 54

ANEXO 1 FORMATO DE HOJA DE DATOS DE VLVULA DE CONTROL ..... 56

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LISTA DE SMBOLOS

Smbolo Definicin Unidad

CV Coeficiente de flujo para las variables en unidades USC [ - ] CV, G Coeficiente de flujo para servicio gaseoso [ - ] CV, G2 Coeficiente de flujo calculado con el flujo de gas WG2 [ - ] CV, G+FB Coeficiente de flujo para flujo bifsico aguas abajo de la

vlvula debido al gas que se condensa [ - ]

CV, L Coeficiente de flujo para servicio lquido [ - ] CV, L2 Coeficiente de flujo calculado con el flujo de lquido WL2 [ - ] CV, L+FB Coeficiente de flujo para flujo bifsico aguas abajo de la

vlvula debido a la expansin del lquido [ - ]

FF Factor de relacin de la presin crtica del lquido [ - ] k Relacin de los calores especficos (= cP/cV) a las

condiciones aguas arriba de P1 y T1 [ - ]

P1 Presin absoluta aguas arriba de la vlvula [bara], [psia] P2 Presin absoluta aguas abajo de la vlvula [bara], [psia] PA Presin absoluta y conocida en el punto A [bara], [psia] PB Presin absoluta y conocida en el punto B [bara], [psia] PC Presin absoluta en el punto crtico termodinmico [bara], [psia] PCF Presin absoluta de flujo crtico [bara], [psia] PV1 Presin absoluta de vapor aguas arriba de la vlvula [bara], [psia] PVENA Presin absoluta en la vena contracta [bara], [psia] T1 Temperatura aguas arriba de la vlvula [C], [F] T2 Temperatura aguas abajo de la vlvula [C], [F] WG Flujo msico de gas [kg/h], [lb/h] WG2 Flujo msico del gas remanente aguas abajo de la

vlvula despus de la condensacin [kg/h], [lb/h]

WL Flujo msico de lquido [kg/h], [lb/h] WL1 Flujo msico de lquido aguas arriba de la vlvula [kg/h], [lb/h]

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LISTA DE SMBOLOS

Smbolo Definicin Unidad

WL2 Flujo msico del lquido generado aguas abajo de la vlvula despus de la condensacin del gas

[kg/h], [lb/h]

P Prdida de presin a travs de la vlvula [bar], [psi] P1 Prdida de presin aguas arriba de la vlvula [bar], [psi] P2, 3, 4 Prdidas de presin aguas abajo de la vlvula [bar], [psi] PH Presin esttica generada por la diferencia de altura de

lquido [bar], [psi]

1 Densidad del fluido a las condiciones aguas arriba de P1 y T1

[kg/m3], [lb/ft3]

2 Densidad del fluido a las condiciones aguas abajo de P2 o PCF (si existe flujo crtico para servicio de gas) y T2

[kg/m3], [lb/ft3]

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1. INTRODUCCIN

La Disciplina de Procesos suministra una parte de los datos requeridos para la especificacin y posterior diseo de las vlvulas de control; tambin es funcin de la Disciplina, el dimensionamiento de las vlvulas manuales usadas en los desvos (bypasses) de las vlvulas de control (Figura 1). El personal de la Disciplina de Procesos requiere estar familiarizado con los criterios usados en inelectra para las vlvulas de control y sus correspondientes desvos. La especificacin tcnica de las vlvulas de control es elaborada por la Disciplina de Automatizacin y Control.

Figura 1. Esquema del desvo de una vlvula de control.

2. OBJETIVOS Los objetivos principales de este INEDON son: A) Suministrar informacin general sobre las vlvulas de control y sus

desvos. B) Proporcionar informacin para los clculos de prdida de presin

relacionados a las vlvulas de control y de desvo. C) Vlvulas de control:

Unificar la metodologa para suministrar los datos de Procesos de las vlvulas de control.

Vlvula de controlcon actuador

neumticoVlvula de bloqueo

Vlvula de desvo (bypass)

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Descripcin del formato de la hoja de datos de las vlvulas de control. D) Vlvulas de desvo:

Unificar la metodologa para dimensionar los desvos de las vlvulas de control.

Facilitar el clculo de la vlvula de desvo cuando se desconoce el

coeficiente de flujo (CV) de las vlvulas de control.

Seleccionar el tipo de vlvula de desvo segn la prdida de presin requerida.

Seleccionar al tamao de la vlvula desvo en funcin de valores

referenciales del coeficiente de flujo cuando no se tiene informacin del fabricante.

La Disciplina de Automatizacin y Control selecciona la capacidad de lavlvula de control, si ese valor es conocido, se recomienda seleccionaruna vlvula de desvo con el mismo coeficiente de flujo.

3. USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA

I. Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los

indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algn criterio, el Lder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobacin del Cliente para usar los criterios mostrados aqu.

II. El usuario de este INEDON tiene la obligacin de utilizar la revisin ms

actualizada de la normativa (normas, cdigos, estndares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional usada en el Proyecto. As como, solicitar al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local usada en el pas donde se construye la instalacin.

4. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA

Procedimientos para la gestin de la calidad relacionados con este INEDON: Ingeniera (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003 Equivalencia de Trminos entre Centros de

Ejecucin

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Gestin de la Calidad (HM060) 903-P9010-G09-ADM-914 Elaboracin y Actualizacin de Instrucciones de

Trabajo Procesos (HM120) 903-K3100-P09-ADM-919 Listas de Verificacin 903-P3100-P09-ADM-901 Bases de Diseo 903-P3100-P09-ADM-912 Hoja de Datos de Proceso para Vlvulas de

Control (HDPVC)

5. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: Procesos (HM120) 903-HM120-P09-GUD-013 Bases y Criterios de Diseo 903-HM120-P09-GUD-025 Gua para la Elaboracin de los Diagramas de

Tuberas e Instrumentacin 903-HM120-P09-GUD-041 Gua de Diseo para los Sistemas de Alivio de

Presin 903-HM120-P09-GUD-049 Gua para los Clculos de Gas Blow-By 903-HM120-P09-GUD-050 Gua sobre Flujo Crtico para Fluidos

Compresibles 903-P3100-P09-GUD-052 Gua para la Elaboracin de la Memoria de Clculo903-HM120-P09-GUD-054 Gua para la Seleccin de los Materiales de

Construccin 903-P3100-P09-GUD-063 Lineamientos para la Evaluacin de los Hidratos

de Gas 903-P3100-P09-GUD-067 Dimensionamiento de Lneas de Transporte con

Flujo Multifsico 903-P3100-P09-GUD-069 Gua para los Clculos de Prdida de Presin 903-HM120-P09-GUD-071 Gua para los Clculos de Despresurizacin Diseo Mecnico (HM140) 903-P3060-T05-GUD-X02 Instructivo de Especificaciones de Materiales de

Tuberas

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Automatizacin y Control (HM160) 903-K3200-I41-ESP-068 Control Valves and Regulators Specification 903-P3200-I01-GUD-033 Criterios de Diseo de Automatizacin y Control

Los Procedimientos y las Instrucciones de Trabajo estn relacionados demanera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: elINEDON contiene informacin adicional para el usuario; pero no escitado en este documento.

6. ACRNIMOS Y SIGLAS

ANSI American National Standards Institute ASME American Society of Mechanical Engineers DFP Diagrama de Flujo de Procesos: Process Flow Diagram DN Dimetro Nominal [en milmetros] DTI Diagrama de Tuberas e Instrumentacin: Piping and

Instrumentation Diagram EUA Estados Unidos de Amrica FC Fail-Closed (Cuadro 2) FIP Fail-In-Place (Cuadro 2) FO Fail-Open (Cuadro 2) FS Fail-Safe (Cuadro 2) HdD Hoja de Datos IEC International Electrotechnical Commission INEDON inelectra Documento Normalizado ISA International Society for Measurement and Control

(antiguamente: Instrument Society of America) ISO International Organization for Standardization: Organizacin

Internacional de Estandarizacin NPS Nominal Pipe Size: Tamao Nominal de la Lnea o de la

Vlvula [en pulgadas] PSV Pressure Safety Valve: Vlvula de Seguridad por sobre Presin RO Restriction orifice: Orificio de Restriccin SI Sistema Internacional de Unidades USC United State Customary (Units): (Unidades de Medicin)

Habituales en los EUA

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7. MEMORIA DE CLCULO

La memoria de los clculos de prdida de presin de las vlvulas de control y sus desvos, es realizada segn el INEDON Gua para la Elaboracin de la Memoria de Clculo, N 903-P3100-P09-GUD-052. El formato para la Hoja de Datos (HdD, Anexo 1) no solicita las condiciones aguas abajo de la vlvula, porque estas no son requeridas para dimensionar la vlvula. Sin embargo, los datos aguas arriba y aguas abajo son incluidos en la memoria de clculo. La HdD de la vlvula de control, elaborada por la Disciplina de Procesos es incluida en la memoria de clculo del circuito de prdida de presin, para su revisin.

8. LECCIONES APRENDIDAS Las Lecciones Aprendidas estn disponibles a travs de la pgina de intranet de Ingeniera. El sistema de Lecciones Aprendidas puede contener informacin adicional para el tema de este INEDON. El INEDON Procedimiento para la Identificacin, Registro y Aplicacin de Lecciones Aprendidas, N 903-P3000-A20-ADM-917, establece los pasos para la identificacin, captura, registro en el sistema, etc. de las Lecciones Aprendidas.

El INEDON Procedimiento para la Identificacin, Registro y Aplicacinde Lecciones Aprendidas, N 903-P3000-A20-ADM-917, indica losiguiente cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema deLecciones Aprendidas, se levantar una No Conformidad durante unarevisin tcnica.

9. DEFINICIONES GENERALES

Actuador (Actuator) Dispositivo accionado neumtica, hidrulica o elctricamente, el cual suministra fuerza y movimiento para posicionar el dispositivo de cierre de las vlvulas de control entre una posicin cerrada o abierta [2]. La Figura 2 muestra los principales tipos de actuadores y su simbologa en los DTI.

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Figura 2. Simbologa en los DTI de los principales tipos de actuadores. Aguas o Corriente Arriba (Upstream) Trmino usado para indicar que una variable del procesos (por ejemplo, la presin y temperatura), un equipo o instrumento, est ubicado antes de otro equipo o instrumento en el sentido del flujo (Figura 3).

Figura 3. Descripcin de los trminos aguas arriba y aguas abajo. Aguas o Corriente Abajo (Downstream) Trmino usado para indicar que una variable del procesos (por ejemplo, la presin y temperatura), un equipo o instrumento, est ubicado despus de otro equipo o instrumento en el sentido del flujo (Figura 3). Bases de Diseo (Basis of Design) Consulte el INEDON Bases de Diseo, N 903-P3100-P09-ADM-901. Carrera Nominal (Rated Travel) Desplazamiento del dispositivo de cierre desde su posicin cerrada hasta la posicin definida de apertura total [2].

Elemento quedefine el lmite

Sentido de flujo

Aguas arriba Aguas abajo

Neumtico Electromecnico o motorizado

M

Pistn Diafragma

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Clasificacin de Presin-Temperatura (Pressure-Temperature Rating) Las clasificaciones de presin-temperatura son las mximas presiones manomtricas permitidas de operacin para el material y la designacin de la clase para un rango de temperaturas definidas [1]. Las clasificaciones ms comunes son 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. En varios INEDON de inelectra, la clasificacin de presin-temperatura es denominada como libraje o rating. Coeficiente de Flujo, CV (Flow Coefficient) Coeficiente de una vlvula de control, el cual es numricamente representando como la cantidad de galones por minuto de agua a una temperatura entre 40 F y 100 F, la cual fluye a travs de una vlvula durante un 1 minuto cuando se genera una prdida de presin de una libra por pulgada cuadrada [13]. El coeficiente de flujo est relacionado con la geometra de la vlvula para una apertura o carrera definida [12] y es establecido por el fabricante de la vlvula. La nomenclatura del SI usa KV en metros por hora [m/h] y, en resumen, equivale al flujo de un metro cbico por hora para generar una prdida de presin de 105 Pa (1 bar) con una temperatura del fluido entre 5 C a 40 C. El trmino de coeficiente de flujo tambin es usado para las vlvulas manuales y algunos instrumentos con paso de flujo; sin embargo, la manera para determinarlo es diferente a la usada para las vlvulas de control.

La norma IEC 60534-1 [13] no establece unidades de medicin para elCV; pero de la siguiente ecuacin, se puede establecer que sera galonesde los EUA por minuto:

=

wV p

pQC

Cv Ec. 1

Donde: Q es el flujo volumtrico medido en USgpm; es la densidad del fluido en lb/ft3;

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w es la densidad del agua en un rango entre 40 F y 100 F, en lb/ft3; p es la prdida esttica de presin medida a travs de la vlvula en psi; pCv = 1 psi. Basado en lo anterior:

= 33

lb/ftlb/ft

psipsiUSgpmVC Ec. 2

Hasta que la unidad de medicin no est establecida formalmente en lanormativa internacional para las unidades USC, se indica que el CV notiene dimensin [ - ], lo cual est acorde con la costumbre general de laindustria.

Coeficiente de Flujo Evaluado o Clasificado (Rated Flow Coefficient) Valor del coeficiente de flujo a la carrera nominal [2]. Condiciones Estndar y Normales (Standard & Normal Conditions) Presin y temperatura base para la especificacin del volumen de gas y lquido, los valores tpicos son:

Condicin Presin absoluta Temperatura

[bar] [psi] [C] [F]

Estndar 1 atmsfera estndar 1,01325 14,6959

15,56 60,00

Normal 0,00 32,00 Las designaciones S para estndar y N para normal son de uso comn en la industria. Ejemplos: SCF (Sft3), pie cbico estndar; Nm3, metro cbico normal.

Las condiciones estndar o normales estn definidas en las Bases deDiseo del Proyecto.

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Designaciones para el Espesor de Pared y No. de Cdula (Schedule, SCH) A) Acero al carbono (carbon steel: CS), ASME B36.10M [9]:

Las designaciones para el espesor de pared STD (estndar), XS (extra fuerte) y XXS (doble extra fuerte) han sido comercializadas por aos [9]. Los nmeros de cdula fueron aadidos luego. El No. de cdula 40 y la designacin STD son idnticos hasta un NPS de 10, inclusive. El No. de cdula y designacin XS son iguales hasta un NPS de 8, inclusive.

B) Acero inoxidable (stainless steel: SS), ASME B36.19M [10]: Las designaciones son 5S, 10S, 40S y 80S.

Consulte tambin el INEDON Gua para los Clculos de Prdida de Presin, N 903-P3100-P09-GUD-069. Dimetro Nominal (DN) y Tamao Nominal de la Lnea (NPS) (Nominal Diameter y Nominal Pipe Size) El sistema de medicin mtrico usa la abreviatura DN, en vez de Nominal Pipe Size (NPS); el Cuadro 1 muestra las equivalencias.

El ASME B36.10M [9] contiene valores de NPS hasta 80 (DN 2000) ytambin los valores en el sistema mtrico.

Cuadro 1. Equivalencias entre NPS y DN [9].

NPS DN NPS DN NPS DN NPS DN

1/8 6 2 50 10 250 26 650

1/4 8 2 65 12 300 28 700

3/8 10 3 80 14 350 30 750

1/2 15 3 90 16 400 32 800

3/4 20 4 100 18 450 34 850

1 25 5 125 20 500 36 900

1 32 6 150 22 550 38 950

1 40 8 200 24 600 40 1000

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Equipo Interno de la Vlvula de Control (Valve Trim) Componentes funcionales de la vlvula que estn en contacto con el fluido. Estos componentes excluyen el cuerpo (body), bonete (bonet) y la tapa cegada (blind head), si est presente [2]. En este INEDON, se usa la palabra interno como simplificacin. Escape o Fuga del Asiento (Seat Leakage) Cantidad del fluido que pasa a travs de la vlvula, cuanto esta se encuentra completamente cerrada con una presin diferencial a travs del interno. Las clases de fugas son designadas con nmeros romanos desde I hasta VI; mientras mayor el nmero, ms hermtico es el asiento de la vlvula. Si no se establece un valor, la mnima clase es IV, consulte el INEDON Control Valves and Regulators Specification, N 903-K3200-I41-ESP-068.

La palabra escape o fuga es usada en esta definicin como un pasointerno del fluido, no una salida del fluido hacia la atmsfera.

Especificacin de Materiales de la Lnea (Piping Material Specification) Cdigo de cuatro dgitos que indica la clasificacin de presin-temperatura, el grupo del fluido, el tipo de material y sobre espesor por corrosin o la variable de civil. Ejemplo: 1 AC D Consulte el INEDON Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberas, N 903-P3060-T05-GUD-X02, para ms informacin. Lnea (Line, Pipe) Con el objeto de generalizar este trmino, el INEDON usa el concepto de lnea para los tubos, las tuberas, caeras, los caos y ductos: conducto de forma cilndrica por donde se transportan los fluidos de procesos

[Corrosin permitida, D: 1,27 mm]

[Clase, AC: hidrocarburos no corrosivos (entre otros fluidos) y acero al carbono como material] [Clasificacin de presin-temperatura, 1: 150]

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(hidrocarburos, productos petroqumicos, etc.) o de servicios (agua, aire, gas combustible, gas inerte, etc.). Modo de Falla de las Vlvulas Posicin a la cual se mueve el dispositivo de cierre de la vlvula cuando falla la fuente de energa [2], generalmente aire de instrumentos (por ejemplo una vlvula neumtica) o potencia elctrica (por ejemplo una vlvula motorizada). El modo de falla es usado para las vlvulas de control y las de apertura y cierre (on/off). El Cuadro 2 muestra la nomenclatura tpica.

Cuadro 2. Modo de falla de las vlvulas [2].

Modo de falla Nomenclatura(ingls) Descripcin

Cerrada FC El dispositivo de cierre va la posicin cerrada

Abierta FO El dispositivo de cierre va la posicin abierta ltima posicin de operacin FIP

El dispositivo de cierre permanece en la posicin de operacin

Falla segura FS

El dispositivo de cierre va la posicin cerrada, abierta o permanece en la

posicin de operacin, segn la definicin requerida para proteger el

proceso Presin de Flujo Crtico (Critical Flow Pressure) Usada para gas y vapor, corresponde a la presin que se alcanza en la garganta o vena contracta de una restriccin de flujo (por ejemplo una vlvula de alivio de presin). Depende de la presin absoluta aguas arriba de la restriccin y de la relacin de las capacidades calorficas del fluido (k). Para los hidrocarburos gaseosos, oscila entre el 50 % ( 0,5) y 58 % ( 0,58) de la presin absoluta de entrada. Consulte el INEDON Gua sobre Flujo Crtico para Fluidos Compresibles, N 903-HM120-P09-GUD-050.

Evite confundir la Presin de Flujo Crtico con la Presin CrticaTermodinmica (Figura 4).

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Punto Crtico Termodinmico (Thermodynamical Critical Point) Presin y temperatura a la cual el estado lquido de la materia cesa de existir ( 31Figura 4). Cerca del punto crtico i) las densidades del lquido y del gas se acercan una a la otra hasta que son iguales y el lmite de las fases desaparece, ii) pequeos cambios de presin o temperatura originan grandes cambios de densidad.

Figura 4. Diagrama de presin y temperatura. Temperatura Mnima de Diseo del Metal (Minimum Design Metal Temperature, MDMT) Mnima temperatura esperada en servicio para el metal [8], excepto cuando se permiten temperaturas ms bajas segn el cdigo de diseo, por ejemplo el ASME B31.3. Unidades de Medicin de Presin

El SI establece que las unidades de presin no llevan la letra a paravalores absolutos ni g para valores manomtricos. Actualmente, losestndares estadounidenses tambin estn comenzando a usar el SI,especialmente cuando son estndares idnticos para la ISO. El SI indicaque la palabra presin es calificada apropiadamente, ejemplo: presinabsoluta de 10 kPa. Sin embargo, este INEDON an emplea lasunidades barg, bara, psia, psig, etc. hasta que el uso del SI est msgeneralizado.

Temperatura

Pres

in

Curva de punto de roco

Curva de punto de burbuja

Punto crtico termodinmico

Presin crticaTe

mpe

ratu

ra c

rtic

a

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Vlvula Tipo Globo (Globe Valve) Vlvula manual o de control con una cmara globular (Figura 5).

Figura 5. Esquemtico [16] y ejemplos de vlvulas manuales tipo globo. Vlvula Tipo Mariposa (Butterfly Valve) Vlvula manual o de control con un disco interno y conectado con un eje al cuerpo de la vlvula (Figura 6).

Figura 6. Esquemtico [16] y ejemplos de vlvulas manuales tipo mariposa.

Eje

Asiento

Prensa estopas

Cuerpo

Disco

Cunico ARI Valve Corp.

Volante

Vstago

Asiento

Prensa estopas

Cuerpo

Disco

Shangyu Group Co., Ltd.

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Vena Contracta Constituye la porcin de la corriente de flujo donde la velocidad del fluido corresponde a la mxima, y donde la presin esttica del fluido y el rea de la seccin transversal son mnimas. La vena contracta normalmente ocurre justo aguas abajo de la restriccin fsica (Figura 7).

Figura 7. Ilustracin de la vena contracta. Volante (Handwheel) Dispositivo manual y mecnico usado para abrir o cerrar una vlvula o limitar su carrera [2].

Figura 8. Indicacin en el DTI del volante de una vlvula de control.

10. CLCULO DE PRDIDA DE PRESIN El INEDON Bases y Criterios de Diseo, N 903-HM120-P09-GUD-013, estable los criterios para los circuitos de prdida de presin. El INEDON Gua para los Clculos de Prdida de Presin, N 903-P3100-P09-GUD-069, contiene informacin detallada sobre ese tema. Esta seccin muestra los pasos bsicos para el clculo de la prdida de presin aguas arriba y abajo de una vlvula de control y desvo. La principal diferencia

Volante

Presin aguas arriba

Flujo

Restriccin

Presin aguas abajo

Vena contracta

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es que la vlvula de desvo considera las secciones de lnea aguas arriba y aguas abajo de la misma. La Figura 9 es un ejemplo de un circuito de prdida de presin; la vlvula de control y su vlvula de desvo estn ubicadas entre dos recipientes a presin.

Figura 9. Ejemplo de la prdida de presin requerida en las vlvulas.

Calcule la presin aguas arriba de la vlvula de control (P1), la cual puede ser usada tambin para la vlvula de desvo (vase la Figura 9): a) Determine el punto de presin conocida, PA. b) Calcule la presin de la altura esttica del lquido con el nivel ms

bajo (LLLL), PH. El ejemplo considera el LLLL para ser conservador en el coeficiente de flujo calculado.

c) Elabore el circuito de prdida de presin segn la geometra de la

lnea y los accesorios; y calcule la prdida de presin aguas arriba de la vlvula, P1.

d) La presin aguas arriba de la vlvula es:

11 PPPP HA += Ec. 3

LC

V-1 V-2

PC PC

Valor de ajuste a PA Valor de ajuste a PB

P1

P1 = PA + PH P1

P2

P2 = PB + P2+ P3+ P4

P1 P2

P3

P4

LLLL

PH

1

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Calcule la presin aguas abajo de la vlvula de control (P2), la cual puede ser usada tambin para la vlvula de desvo (vase la Figura 9): a) Determine el punto de presin conocida, PB. b) Elabore el circuito de prdida de presin segn la geometra de la

lnea y los accesorios; y calcule la prdida de presin aguas abajo de la vlvula, P2.

c) La presin aguas abajo de la vlvula es:

4322 PPPPP B +++= Ec. 4

La prdida de presin requerida en la vlvula es:

21 PPP = Ec. 5

Hasta el Paso 3, llega el clculo de prdida de presin para la vlvula de control y de desvo. El dimensionamiento de las vlvulas de desvo contina en la Seccin 12.2.

Figura 10. Pasos bsicos para la prdida de presin requerida en las vlvulas.

11. VLVULAS DE CONTROL

11.1. Informacin Bsica Las vlvulas de control son los elementos finales para el control de las variables de procesos como flujo, temperatura, presin, composicin, etc. (Figura 11). El control es logrado por medio de la restriccin del paso de flujo, lo

Presin aguas arriba de la vlvula

1 Presin aguas abajo de

la vlvula

2

Prdida de presin requerida

3

3

2

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que origina un P a travs de la vlvula en funcin de una seal de la variable del proceso.

Figura 11. Seccin de un DFP con vlvulas de control.

11.2. Caractersticas de Flujo El diseo del interno de la vlvula de control afecta cmo cambia la capacidad de la vlvula en funcin del movimiento del dispositivo de cierre. Los internos son diseados o caracterizados para lograr una amplia variedad de requerimientos de control. Las caractersticas de flujo se definen como: A) Caractersticas inherentes de flujo (Figura 12), las ms comunes son:

a) Lineal: la capacidad de flujo se incrementa linealmente con el

movimiento del dispositivo de cierre.

b) Igual porcentaje: la capacidad de flujo se incrementa exponencialmente con el movimiento del dispositivo de cierre. Esta las caracterstica ms comn para las vlvulas de control.

Control de flujo en cascada con la seal de nivel

Control de flujo en cascada con la seal de temperatura

Control de nivelControl de flujo

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c) Apertura rpida: proporciona el mximo cambio de la capacidad de

flujo con pequeos cambios del movimiento del dispositivo de cierre.

El INEDON Criterios de Diseo de Automatizacin y Control, N 903-P3200-I01-GUD-033, contiene informacin adicional sobre las caractersticas inherentes de flujo.

Figura 12. Caractersticas inherentes de flujo, adaptado de [12]. B) Caracterstica instalada de flujo:

Es la relacin entre la capacidad de flujo y el movimiento del dispositivo de cierre mientras la prdida de presin a travs de la vlvula de control es influenciada por el circuito de prdida de presin, es decir, las bombas, lneas, los accesorios y otros equipos.

11.3. Requerimientos de Flujo

Existen Proyectos que no disponen de informacin suficiente para establecer los requerimientos de flujo de las vlvulas de control, debido a que se dispone de una simulacin del proceso con un flujo normal de operacin y no existen casos mnimos ni mximos de operacin.

100

80

60

40

20

0100806040200

Lineal

Aperturarpida

Igual porcentaje

Porc

enta

je d

el fl

ujo

mx

imo

Porcentaje de la carrera nominal

INEDON




El uso de un solo valor de flujo para la especificacin de las vlvulas de control, puede ocasionar que la vlvula carezca de un rango adecuado para operar ante fluctuaciones en la operacin de la instalacin. A continuacin, se indican los requerimientos cuando no se dispone de otra fuente de informacin para establecer los flujos mnimos y mximos, y otras consideraciones: A) Flujo mnimo de la vlvula:

a) Si el diseo de la instalacin considera un flujo mnimo de operacin (designado en ingls como turndown) o un flujo de arranque, utilice ese valor, el cual puede ser (por ejemplo) 50 % ( 0,5) del flujo normal de operacin. Referencia: Bases de Diseo del Proyecto. Es posible que no exista una simulacin del proceso y que el requerimiento de flujo mnimo de operacin sea especificado para algunos equipos y no todos los existentes en la instalacin.

b) Si no existe definicin del flujo mnimo de operacin o flujo de arranque, use el 70 % ( 0,7) del flujo normal como flujo mnimo, esto significa una reduccin del 30 % considerando al flujo normal como 100 %.

B) Flujo mximo de la vlvula:

Use el 110 % ( 1,1) del flujo normal como flujo mximo.

C) Vlvulas de control en la descarga de equipos rotativos: a) El flujo mximo de la vlvula de control equivale al flujo de diseo del

equipo.

b) El flujo normal de la vlvula de control es el flujo normal del equipo.

c) El flujo mnimo se determina de acuerdo la capacidad mnima del equipo.

D) Vlvulas de control para flujo mnimo de las bombas centrfugas:

El flujo mnimo de una bomba centrfuga es el flujo normal de la vlvula de recirculacin por flujo mnimo. Debido a la operacin discontinua de las

INEDON




lneas de flujo mnimo, no se requiere la especificacin de flujo mnimo ni mximo para la vlvula de control.

E) Lnea de desvo para control de temperatura (Figura 13), los flujos para el

diseo de la vlvula de control (y su correspondiente desvo) son:

a) El flujo mximo de la vlvula de control es 130 % ( 1,3) del flujo de diseo del intercambiador.

b) El flujo mnimo de la vlvula de control es 10 % ( 0,1) del flujo

normal del intercambiador. Este caso tiene mayor rango para el flujo de la vlvula de control, debido a lo crtico que puede ser el control de temperatura.

Figura 13. Esquema de un desvo con vlvula de control para control de temperatura a travs de un intercambiador de calor.

F) Gas para compensacin de presin:

El flujo de desalojo es suministrado en la simulacin del proceso (Figura 14); pero el flujo de inyeccin no es suministrado. La recomendacin es usar el mismo flujo volumtrico actual aguas arriba de las dos vlvulas. El Cuadro 3 muestra un ejemplo de clculo cuando se conoce el flujo msico del gas de salida.

TC

INEDON




Figura 14. Esquema de un sistema de compensacin de presin. Cuadro 3. Ejemplo de clculo para gas de compensacin de presin.

Propiedades a las condiciones aguas arriba

PV-001A Condiciones y

propiedades del gas de salida

PV-001B

Condiciones y propiedades del gas inyectado

Flujo msico [kg/h] 562 69,6

Presin [barg] 5 0,14

Temperatura [C] 45 30

Peso molecular (1) [ - ] 35 22

Factor de compresibilidad [ - ] 0,89 0,91

Densidad [kg/m3] 8,9 1,1

Flujo volumtrico [m3/h] 62,9 62,9 Nota: (1) El gas de salida puede ser diferente al gas inyectado. Ejemplo: gas salida con

componentes pesados; gas de inyeccin del sistema de gas combustible tratado.

11.4. Evaluacin de una Vlvula de Control Existente

La prdida de presin en una vlvula de control existente est definida por el tipo de vlvula y la geometra de la instalacin, entre otras variables. En este

PC

PV-001A

PV-001B

INEDON




caso, la Disciplina de Procesos suministra los datos requeridos a la Disciplina de Automatizacin y Control (o al fabricante) para que determine el P y luego incorporarlo al clculo de prdida de presin como un P conocido.

Si la Disciplina de Procesos tiene que calcular el P de la vlvula de control existente, se usan las siguientes recomendaciones:

A) Verifique que el CV evaluado del modelo de la vlvula no est restringido

debido a internos especiales y limitaciones en la apertura (mecnicas o de configuracin en la sala de control).

B) Use las ecuaciones adecuadas: Preferiblemente, consiga el programa de dimensionamiento del

fabricante de la vlvula a travs de la Disciplina de Automatizacin y Control o por la Internet.

La norma ANSI/ISA-75.01.01 [1] contiene las ecuaciones usadas en la

industria. C) Como regla general, el porcentaje de apertura est entre 20 % y 80 %

para un control ptimo; si el resultado es menor o mayor, consulte a la Disciplina de Automatizacin y Control o al fabricante.

Figura 15. Evaluacin de una vlvula existente en un circuito de prdida de presin.

Fabricante, datos del modelo, curva caracterstica de la vlvula, CV evaluado

Flujo Coeficiente de flujo

Porcentaje de apertura

Propiedades del fluido

P de la vlvula

Clculo de prdida de presin en el circuito

INEDON




Las vlvulas de control pueden ser del tipo globo, mariposa, etc.; pero suP no se calcula con los valores de la longitud equivalente (L/D) de lasvlvulas manuales.

11.5. Datos de Procesos para las Vlvulas de Control

El Anexo 1 muestra el formato de inelectra para la HdD de las vlvulas de control; el formato est basado en el estndar de la Disciplina de Automatizacin y Control para el programa INtools (Intergraph Corporation).

El formato se encuentra, al momento de la emisin de este INEDON, enrevisin por parte de la Unidad de Automatizacin y Control. ElElaborador de la Disciplina de Procesos consulta a la Disciplina deAutomatizacin y Control si existe algn cambio en el formato.

El objetivo de este INEDON es guiar a los elaboradores de la HdD de las Disciplinas de Automatizacin y Control y de Procesos. Es importante tener presente que algunos datos que aade la Disciplina de Procesos, pueden ser verificados por la Disciplina de Automatizacin y Control, y viceversa. Adicionalmente, ambas Disciplinas pueden apoyarse mutuamente para completar la HdD.

La emisin de la HdD por parte de la Disciplina de Procesos aplica enlos Proyectos donde est establecido que Procesos y Automatizacin yControl emiten HdD por separado o cuando no existe apoyo de laDisciplina de Automatizacin y Control. La recomendacin es que laDisciplina de Procesos coloque los datos directamente en la Hoja deDatos de la Disciplina de Automatizacin y Control.

Las siguientes secciones describen los datos requeridos, ejemplos y las referencias. Solo se describen los datos que son aadidos por la Disciplina de Procesos. Las celdas con los datos que aade la Disciplina de Procesos tienen color amarillo claro, las celdas restantes son llenadas por la Disciplina de Automatizacin y Control o el fabricante. A) Datos Generales (General Data).

N de identificacin (Tag Number) Nmero asignado por la Disciplina de Automatizacin y Control o

Procesos para identificar la vlvula de control. Ejemplo: PCV-1001.

INEDON




Referencias: Lista de Instrumentos, DTI. Caso (Case)

Caso de operacin usado para la especificacin. Ejemplos: caso rico,

caso normal, caso pobre. Si es requerido, se puede elaborar una HdD para diferentes casos.

Referencia: Bases de Diseo, Descripcin del Proceso, Balance de

Materia y Energa. Servicio (Service) Descripcin breve o nombre del fluido del proceso o del servicio

industrial que maneja la vlvula. Ejemplos: gas combustible al horno, vapores de tope de la T-1001, agua para la caldera SG-5001.

Referencias: DFP, DTI. N del DTI (P&ID N) N del DTI donde se muestra la vlvula de control.

B) Lnea de entrada (Inlet Line). Dimetro (Diameter) Dimetro nominal de la lnea de entrada. Ejemplo: 12 (para unidades

USC).

Este dimetro no es el resultante de alguna reduccin aguas arriba de la vlvula de control (Figura 16). El tamao de la reduccin es establecido con el tamao de la vlvula.

Referencias: DTI, Lista de Lneas, Memoria de Clculo. Nmero (Number) Nmero completo de identificacin de la lnea de entrada. Ejemplo:

12-HC-10001-1ACD-NI.

INEDON




Referencias: DTI, Lista de Lneas, Memoria de Clculo.

Figura 16. Ejemplo para el valor de dimetro que es colocado en la HdD. Cdula de la lnea (Line schedule) Nmero de cdula de la lnea de entrada. Ejemplos: 40, XS.

Referencias: Especificacin de Materiales del Proyecto, Memoria de

Clculo. Clase de la Lnea (Piping class) Clase de la especificacin de la lnea de entrada. Ejemplo: 1ACD. Referencias: DTI, Especificacin de Materiales del Proyecto.

C) Lnea de salida (Outlet Line). Dimetro (Diameter) Dimetro nominal de la lnea de salida. Ejemplo: 12 (para unidades

USC).

Este dimetro no es el resultante de alguna expansin aguas abajo de la vlvula de control (Figura 16). El tamao de la reduccin es establecido con el tamao de la vlvula.

El tamao de la reduccin/expansin es determinado cuando se conoce el tamao de la vlvula de control

12 1212 x 10 12 x 10

Dimetro de la lnea para la HdD

INEDON




Referencias: DTI, Lista de Lneas, Memoria de Clculo. Nmero (Number) Nmero completo de identificacin de la lnea de salida. Ejemplo: 12-

HC-10002-1ACD-NI. Referencias: DTI, Lista de Lneas, Memoria de Clculo. Cdula de la lnea (Line schedule) Nmero de cdula de la lnea de salida. Ejemplos: 40, XS. Referencias: Especificacin de Materiales del Proyecto, Memoria de

Clculo. Clase de la Lnea (Piping class) Clase de la especificacin de la lnea de salida. Ejemplo: 1ACD. Referencias: DTI, Especificacin de Materiales del Proyecto.

D) Condiciones de Operacin (Operating Conditions). Servicio cido o agrio (Sour service) Indique la existencia y cantidad de componentes que promuevan la

corrosin cida. Ejemplo: H2S, CO2. Referencias: Descripcin del Proceso, Balance de Materia y Energa,

Simulacin del Proceso. Consulte el INEDON Gua para la Seleccin de los Materiales de

Construccin, N 903-HM120-P09-GUD-054. Condiciones de especiales (Special conditions) Indique la existencia de componentes que promuevan la corrosin, a

excepcin de los indicados anteriormente (por ejemplo el cido sulfrico diluido) o la erosin (por ejemplo la arena).

INEDON




Referencias: Descripcin del Proceso, Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso.

Peso molecular (MW: molecular weight) Peso molecular del fluido a las condiciones de entrada.

Este dato es solo requerido para servicio de gas o vapor. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo. Viscosidad (Viscosity) Viscosidad dinmica o cinemtica del fluido a las condiciones de

presin y temperatura de entrada a la vlvula.

El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda azul claro.

Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo de Prdida de Presin. Si existen casos especiales, por ejemplo un arranque en fro, donde la

viscosidad sea muy diferente a la de operacin normal, se requiere otra hoja de datos para considerar el efecto de la viscosidad en la presin de entrada y de salida.

Relacin de los calores especficos, cP/cV Los calores especficos son determinados a las condiciones de



Memoria de Clculo de Prdida de Presin. En otras secciones de este INEDON, se usa la nomenclatura k para la

relacin de los especficos, por ser comn cuando se usan unidades USC.

INEDON




Factor de Compresibilidad (Compressibility) El factor de compresibilidad es determinado a las condiciones de



Memoria de Clculo de Prdida de Presin. Densidad mnima, normal o mxima (Dens. min, Dens. nor, Dens. Max) Densidad del fluido a la presin y temperatura de entrada a la vlvula.

Los valores corresponden con el flujo mnimo, normal o mximo.

El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda azul claro.

Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo de Prdida de Presin. Presin de vapor a la temperatura normal de operacin (Vapor pressure at T norm.) Presin absoluta de vapor a la temperatura entrada para fluidos

lquidos, correspondiente con el flujo normal.

El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo de Prdida de Presin. Presin crtica (Critical pressure) Presin absoluta crtica termodinmica del fluido.

El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso.

INEDON




Temperatura crtica (Critical temperature) Temperatura crtica termodinmica del fluido.

El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso. Fluido (Fluid) Descripcin breve del fluido. Ejemplos: hidrocarburo, agua, gas

combustible. Referencias: Descripcin del Proceso, Balance de Materia y Energa,

Simulacin del Proceso. Fase (Phase) Seleccione entre fase simple, flujo bifsico homogneo, flujo bifsico

no homogneo. Si el flujo bifsico es homogneo o no, se verifica comparando las

velocidades superficiales de las fases, si las velocidades son iguales o similares, considere que el flujo es homogneo. Consulte el INEDON Dimensionamiento de Lneas de Transporte con Flujo Multifsico, N 903-P3100-P09-GUD-067.

Use flujo bifsico homogneo, si la HdD es elaborada en una etapa

del Proyecto donde no se tiene informacin suficiente. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso. Estado (State) Seleccione el estado fsico del fluido. Ejemplos: lquido, agua, gas o

vapor, vapor de agua (steam). Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso.

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Flujo mnimo, normal y mximo (Minimum, normal and maximum flow) Valores de flujo requeridos en el proceso. En funcin de la aplicacin,

las variables del proceso tienen relacin entre s y los valores de flujo. Ejemplo: la prdida de presin como funcin del flujo.

El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda

azul claro. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo. Vase la Seccin 11.3 para los requerimientos de flujo de las vlvulas

de control.

Los valores mnimos, normales y mximos aplican para el flujo, lasotras variables del proceso cambian en funcin del flujo. Es decir, los valores mnimos, normales y mximos no son usados para lapresin de entrada, de salida, temperatura de entrada, etc.

Temperatura (Temp: Temperature) Temperatura aguas arriba de la vlvula de control para los flujos

mnimo, normal y mximo. El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda

azul claro. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo de Prdida de Presin. Presin (Press: Pressure) Presin absoluta aguas arriba de la vlvula de control para los flujos

mnimo, normal y mximo. El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda

azul claro.

INEDON




Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso

(para una Ingeniera Conceptual), Memoria de Clculo de Prdida de Presin (Ingeniera Bsica o de Detalle).

Diferencia de Presin (DP: pressure difference) Diferencia de presin en la vlvula de control. El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda

azul claro. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso

(para una Ingeniera Conceptual), Memoria de Clculo de Prdida de Presin (Ingeniera Bsica o de Detalle).

Posicin cuando falla el aire (Air-fail position) Posicin a la cual se mueve el dispositivo de cierre de la vlvula

cuando falla la fuente de energa [2], vase el Cuadro 2. Referencias: Anlisis del Sistema de Alivio de Presin, DTI.

Consulte tambin el INEDON Gua de Diseo para los Sistemas de Alivio de Presin, N 903-HM120-P09-GUD-041, para las recomendaciones sobre la posicin de falla.

E) Cuerpo de la vlvula (Valve body).

Presin diseo (Design pressure) Indique el valor mnimo, por ejemplo presin de vaco (si existe), y el

mximo de la presin de diseo de la lnea. Referencias: Lista de Lneas. Temperatura diseo (Design temperature) Indique el valor mnimo, por ejemplo mnima temperatura de diseo

del metal (si existe), y el mximo de la temperatura de diseo de la lnea.

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Referencias: Lista de Lneas. Mxima presin diferencial de cierre (Max DP closed type) El dimensionamiento del actuador requiere la mxima presin que

pudiese alcanzar el fluido cuando la vlvula est cerrada. El criterio es usar la mayor presin de diseo (generalmente, aguas

arriba de la vlvula) y la presin atmosfrica para establecer la mxima presin diferencial que pudiese existir a travs de la vlvula.

El criterio considera la presin de diseo como mximo valor posible

de presin a la cual puede ser sometida la vlvula, y la presin atmosfrica como mnima presin si la lnea es despresurizada, por ejemplo, debido a mantenimiento aguas abajo de la vlvula.

Referencia para la presin de diseo: Lista de Lneas. El Elaborador de la HdD incluye la unidad de medicin en la celda

azul claro.

El valor conservador de la presin de cierre garantiza que elactuador genere la fuerza suficiente para lograr que la vlvula decontrol se abra aun cuando exista la mxima presin diferencial a travs de la vlvula.

(Opcional para Procesos) Clase del Escape o Fuga (Seat leakage class) La clase de fuga del asiento es especificada por la Disciplina de

Automatizacin y Control en funcin de la normativa del Proyecto o el requerimiento del Cliente.

Sin embargo, en algunos casos, la Disciplina de Procesos puede solicitar (o recomendar) una clase de fuga del asiento ms exigente al normalmente usado. Por ejemplo, existen algunos Clientes que permiten el uso de una vlvula de control para limitar una zona de despresurizacin (INEDON Gua para los Clculos de Despresurizacin, N 903-HM120-P09-GUD-071); en este caso, la clase de fuga es equivalente a la usada para las vlvulas del sistema de parada de emergencia.

INEDON




Verifique el uso de la vlvula y las especificaciones del Proyecto.

F) Accesorios (Accessories).

Volante (Handwheel) Las vlvulas de control, que no pueden ser provistas de una vlvula

de desvo, son provistas con volante, esto es indicado en la HdD y en los DTI.

Referencia: Bases de Diseo del Proyecto, DTI.

G) Notas (Notes).

Debido a que el formato carece de casillas especificas para la siguiente informacin, esta es colocada en la seccin de Notas: Temperatura aguas abajo (Downstream temperature):

Este valor es crtico cuando existe un enfriamiento significativo debido

a la expansin del fluido (por ejemplo los gases licuados de petrleo) y permite la correcta seleccin de los materiales de construccin de la vlvula.

El Elaborador coloca la unidad de medicin correspondiente. Referencias: Balance de Materia y Energa, Simulacin del Proceso,

Memoria de Clculo.

Modo de operacin (Operating mode):

Indique si la vlvula opera de modo continuo o discontinuo.

Referencia: Descripcin del Proceso.

Otra informacin: Cualquier otra informacin que se considera relevante para la especificacin de la vlvula de control, puede ser aadida en la seccin de Notas.

INEDON




12. VLVULAS DE DESVO

12.1. Importancia de la Seleccin de la Vlvula de Desvo La importancia de la correcta seleccin de la vlvula de desvo radica en que: A) Las vlvulas de control, provistas de vlvulas de bloqueo aguas arriba y

aguas abajo, requieren de una vlvula de desvo que permitan, en un momento dado, sacar de servicio la vlvula de control y continuar la operacin de forma manual a travs del desvo (Figura 1).

B) En algunos proyectos existe una prueba de garanta hidrulica; en tal

prueba, el Cliente tiene la opcin de colocar fuera de servicio la vlvula de control y operar con la vlvula de desvo para verificar su correcto dimensionamiento. Vase la Seccin 12.4.

12.2. Dimensionamiento de la Vlvula de Desvo

Las ecuaciones mostradas en esta seccin, para calcular el coeficientede flujo de una vlvula manual, son una simplificacin. Las ecuacionesusadas para dimensionamiento de las vlvulas de control son mscomplejas.

Recuerde: el clculo del coeficiente de flujo de la vlvula de desvo noes requerido si se conoce el coeficiente de la vlvula de control.

El dimensionamiento de la vlvula de desvo sigue los pasos mostrados en la Figura 17 y descritos a continuacin. Los Pasos 1, 2 y 3 estn descritos en la Seccin 10.

Calcule el coeficiente de flujo requerido en funcin del tipo de fluido. Coeficiente de flujo para lquido, CV, L: Unidades mtricas

PWC LLV = 1

03640,, Ec. 6a

Unidades USC:

PWC LLV = 1 563,,

Ec. 6b

4

4a

INEDON




Figura 17. Pasos para el dimensionamiento de la vlvula de desvo. Coeficiente de flujo para gas, CV, G: a) Calcule la presin del flujo crtico, PCF:

1

1 12

+=kk

CF kPP Ec. 7

Coeficiente de flujo en funcin del tipo de fluido

Flujo bifsico aguas abajo

Gas4b

Presin aguas arriba de la vlvula

1 Presin aguas abajo

de la vlvula

2

Prdida de presin requerida

3

4

Lquido 4a

Lquido que vaporiza

4cGas que

condensa

4d

Tipo de vlvula segn la prdida de presin 5

Representacin en el DTI 7

Tamao de la vlvula 6

4b

INEDON




b) Determine si el flujo es crtico o subcrtico:

Si P2 PCF el flujo es crtico, use PCF en vez de P2.

Si P2 > PCF el flujo es subcrtico, mantenga el valor de P2.

Consulte tambin el INEDON Gua sobre Flujo Crtico para Fluidos Compresibles, N 903-HM120-P09-GUD-050.

c) Realice una expansin isentlpica desde P1 y T1 hasta P2 o PCF para obtener la densidad (2) y temperatura (T2) aguas abajo de la vlvula, vase la Figura 18. Use un simulador de procesos o de prdida de presin, si es requerido.

Figura 18. Ejemplo de una expansin isentlpica para obtener el valor de 2.

El uso de la densidad del gas a P2 o PCF y T2, considera que 2 es menor, por ende el coeficiente de flujo requerido es mayor (clculo conservador).

d) Calcule el coeficiente de flujo requerido para gas, CV, G:

Unidades mtricas

PWC GGV = 2

03640,, Ec. 8a

Unidades USC:

PWC GGV = 2 563,,

Ec. 8b

P1, T1 P2 o PCF, T2 2

?

?

INEDON




Coeficiente de flujo para flujo bifsico aguas abajo de la vlvula cuando el lquido se expande y produce lquido ms gas, CV, L+FB: Unidades mtricas:

111

1 80327 =+ ),,, VF

LFBLV PFP(

WC Ec. 9a

Unidades USC:

111

1 80363 =+ ),,, VF

LFBLV PFP(

WC Ec. 9b

C

VF P

PF 1280960 ,, =

(ambos sistemas de unidades)

Ec. 10

Coeficiente de flujo para flujo bifsico aguas abajo de la vlvula cuando el gas se condensa y produce lquido ms gas, CV, G+FB: a) Determine los flujos de gas (WG2) y lquido (WL2) aguas abajo de la

vlvula por medio de una expansin isentlpica. b) Calcule el coeficiente de flujo (CV, L2) para el flujo de lquido (WL2) con

las condiciones aguas abajo y la Ec. 6. Es importante considerar que la densidad del lquido es diferente debido a la generacin de gas aguas abajo.

c) Calcule el coeficiente de flujo (CV, G2) para el flujo de gas (WG2) segn

la Ec. 8. d) Calcule el coeficiente total de flujo, CV, G+FB:

2 2 GVLVFBGV CCC ,,, +=+ Ec. 11

4c

4d

INEDON




Seleccione el tipo de la vlvula de desvo en funcin de la prdida de presin: Cuadro 4. Tipo de vlvula de desvo en funcin de la prdida de presin.

Prdida de presin Tipo de vlvula Smbolo en el DTI

0,7 bar (10,2 psi) Globo < 0,7 bar (10,2 psi) Mariposa

Seleccione el tamao de la vlvula de desvo en funcin del tipo y el coeficiente de flujo requerido. Tamao para vlvulas tipo globo en funcin del coeficiente de flujo (cuando no se tiene informacin del fabricante):

Cuadro 5. Coeficientes de flujo para vlvulas tipo globo.

DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

8 (1/4) 2 150 (6) 430

15 (1/2) 3 200 (8) 810

20 (3/4) 4,8 250 (10) 1325

25 (1) 7 300 (12) 1600

40 (1) 20 350 (14) 2500

50 (2) 29 400 (16) 3400

80 (3) 92 450 (18) 4500

100 (4) 180

Valores obtenidos de catlogos de los fabricantes Bonney Forge, Stockham y Velan.

Tamao para vlvulas tipo mariposa en funcin del coeficiente de flujo (cuando no se tiene informacin del fabricante):

5

6

6a

6a

INEDON




Cuadro 6. Coeficientes de flujo para vlvulas tipo mariposa. DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

50 (2) 115 200 (8) 1400 80 (3) 300 250 (10) 2480 100 (4) 570 300 (12) 4500 150 (6) 920

Valores obtenidos de catlogos de los fabricantes Crane y Stockham.

Para finalizar, coloque el tamao y tipo correspondiente de la vlvula de desvo en el DTI. Consulte el INEDON Gua para la Elaboracin de los Diagramas de Tuberas e Instrumentacin, N 903-HM120-P09-GUD-025.

12.3. Disponibilidad del Tipo de Vlvula de Desvo

Los tipos de vlvulas especificados por la Disciplina de Procesos para las vlvulas de desvo son de globo o de mariposa, vase el Cuadro 4. Sin embargo, la disponibilidad de esos tipos de vlvulas est limitada en funcin del tamao y el servicio. El Cuadro 7 muestra los tamaos disponibles de las vlvulas de globo y de mariposa segn el INEDON Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberas, N 903-P3060-T05-GUD-X02. El uso de vlvulas de bola (esfricas) es solo permitido cuando tienen un interno segmentado en forma de V (V-notch o V-port). Con esa clase de interno, la vlvula tiene un amplio rango y produce una caracterstica de flujo de igual porcentaje y en conjunto con discos especiales, la vlvula de bola es comparable con una vlvula de globo [12].

Aunque exista una limitacin en la disponibilidad de las vlvulas tipoglobo o mariposa, la Disciplina de Procesos solicita al Proyecto lainclusin de esas vlvulas en la especificacin de materiales. Lasvlvulas de globo y de mariposa son las autorizadas por Procesos parapermitir una garanta hidrulica en un Proyecto (si es solicitado por elCliente); en su defecto se usan vlvulas manuales especiales para elcontrol de flujo (designadas en ingls como hand control valves),consulte a la Disciplina de Automatizacin y Control.

7

INEDON




Cuadro 7. Disponibilidad de las vlvulas de globo y de mariposa en la especificacin de materiales1.

Clasificacin Clase Servicio Globo [DN (NPS)] Mariposa

[DN (NPS)]

150

1ACD Fluidos de procesos en general 15 a 300 (1/2 a 12)

1AGA Aire de procesos y agua potable 15 a 100 (1/2 a 4)

1ALD Baja temperatura 15 a 300 (1/2 a 12)

1AUB Proceso corrosivo 50 a 300 (2 a 12)

1BCE Fluidos de procesos en general 15 a 300 (1/2 a 12)

1BRE Hidrocarburos corrosivos 15 a 300 (1/2 a 12)

1BSA Criognico 15 a 200 (1/2 a 8)

1CCH Soda custica (rea A/B) 15 a 200 (1/2 a 8) 250 a 600 (10 a 24)

1CMB Soda custica (rea C) 15 a 200 (1/2 a 8)

1CNA Agua corrosiva de procesos y de mar 100 a 900 (4 a 36)

1CSB Proceso corrosivo 15 a 300 (1/2 a 12)

1DNA Agua salada 100 a 900 (4 a 36)

1FHB Agua + fenoles con trazas de HCl 15 a 200 (1/2 a 8)

1GND Proceso cido 150 (6)

1HKE Alta temperatura y fluidos corrosivos 15 a 600 (1/2 a 24)

1LCG Medio vaco 15 a 250 (1/2 a 10)

1LKD Baja temperatura 15 a 200 (1/2 a 8)

1 Los tamaos en milmetros (DN) son aadidos como complemento, la referencia solo dispone de los tamaos nominales en pulgadas (NPS).

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Cuadro 7. Disponibilidad de las vlvulas de globo y de mariposa en la especificacin de materiales. (Continuacin).


[DN (NPS)]

150

1MCD Alto vaco

1PCD Agua de procesos (corrosiva) 15 a 100 (1/2 a 4) 100 a 900 (4 a 36)

1SCD Vapor y condensado de agua 15 a 300 (1/2 a 12)

1TCD Agua para combate de incendios 15 a 200 (1/2 a 8) 150 a 600 (6 a 24)

300


3ALD Baja temperatura 15 a 300 (1/2 a 12)

3ARD Fluidos de procesos en general 15 a 750 (1/2 a 30)

3BCE Fluidos de procesos en general 15 a 300 (1/2 a 12)


3CRC Hidrocarburos corrosivos 15 a 200 (1/2 a 8) 80 a 600 (3 a 24)


3DMB cido fluorhdrico 15 a 200 (1/2 a 8)

3DSA Hidrocarburos corrosivos 15 a 300 (1/2 a 12)

3ESA Fluidos de procesos en general 15 a 300 (1/2 a 12)


3LKD Baja temperatura 15 a 200 (1/2 a 8)


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[DN (NPS)]

600




6CRC Hidrocarburos corrosivos 15 a 200 (1/2 a 8) 80 a 600 (3 a 24)



6ESA Fluidos de procesos en general (15 a 200 1/2 a 8)


6IKB Alta temperatura 20 a 150 (3/4 a 6)


900





9ESA Fluidos de procesos en general 15 a 300 (1/2 a 12)



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[DN (NPS)]

1500





12.4. Limitaciones de la Garanta Hidrulica

Existen especificaciones de Clientes que establecen alguno de los siguientes parmetros para las vlvulas de desvo: Un dimetro mximo para el uso de vlvulas de globo (o de mariposa)

como vlvulas de desvo y a partir de dicho dimetro, solicitan el uso de vlvulas de compuerta.

Contienen cuadros del tamao de la vlvula desvo en funcin del tamao de la vlvula de control y de la lnea, algunas especificaciones inclusocitan la API RP 550 Installation of Refinery Instruments and Control Systems (marzo de 1965), la cual ha sido remplazada por las normas API RP 551 [3], API RP 552 [4], API RP 553 [5] y API RP 554 [6]

El uso de vlvulas de compuerta o de tamaos preestablecidos no considera los siguientes aspectos: A) La capacidad de la vlvula de desvo tiene que ser acorde con la

capacidad de la vlvula de control, esto se logra realizando un clculo de prdida de presin y comparando los coeficientes de flujos de ambas vlvulas.

B) Los coeficientes de flujo de las vlvulas de compuerta pueden ser significativamente mayores que los coeficientes de las vlvulas de globo para un tamao definido, el Cuadro 8 muestra un ejemplo.

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Cuadro 8. Comparacin de los coeficientes de flujo de vlvulas de compuerta y

de globo de un mismo fabricante para DN 100 (NPS 4).

Clasificacin Coeficiente de flujo evaluado

Vlvula de compuerta Vlvula de globo

150 1234 166

300 1195 165

600 1069 190 Un coeficiente mayor de flujo implica que la vlvula tiene mayor capacidad para condiciones definidas de operacin, esto tiene como resultado que pequeos cambios en la apertura de la vlvula, origine grandes cambios de flujo.

C) Las vlvulas de compuerta no son recomendadas para control de flujo,

porque su caracterstica de flujo no es adecuada para un control de flujo preciso y consistente [11]. Adicionalmente, la vlvula de compuerta puede ser daada por las altas velocidades a travs del asiento.

D) Si la especificacin del Cliente preestablece el tamao de las vlvulas de

desvo, el coeficiente de flujo evaluado puede ser diferente al especificado para la vlvula de control, debido a que ests ltimas permiten el uso de internos que reducen su capacidad. El Cuadro 9 muestra un ejemplo.

Cuadro 9. Comparacin de los coeficientes de flujo evaluados para 100 % de la

carrera nominal [15].

DN (NPS) Dimetro del

orificio Carrera del eje del actuador

Coeficiente de flujo evaluado

[in] [in] [ - ]

100 (4) 2,000 5,75 92

2,419 5,75 138

3,000 5,75 230

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Adicionalmente, el INEDON Criterios de Diseo de Automatizacin y Control, N 903-P3200-I01-GUD-033, indica, que en general, no se utilizan vlvulas de control de un tamao de cuerpo nominal a la mitad del dimetro de la lnea. En caso de necesitarse capacidades menores a ste mnimo, se especifica la vlvula con un interno reducido.

Aunque se est siguiendo la especificacin del Cliente, los Proyectos son exhortados a limitar la garanta hidrulica; es decir, inelectra se exime de dicha garanta en los desvos de las vlvulas de control, en caso que la especificacin del Cliente contenga los siguientes casos: A) Exige el uso de vlvulas de compuerta como vlvulas de desvo.

B) Preestablece el tamao de las vlvulas de desvo, aun si son del tipo

globo, y se corrobora que el coeficiente de flujo de la vlvula de globo no es acorde con la vlvula de control.

13. CONSIDERACIONES ESPECIALES

13.1. Caso de Gas Blow-By

El caso de gas blow-by es un evento que puede presentarse cuando sistemas de alta presin estn comunicados por vlvulas de control (o su correspondiente desvo) con sistemas de baja presin, consulte el INEDON Gua para los Clculos de Gas Blow-By, N 903-HM120-P09-GUD-049. El mximo flujo que puede pasar a travs de la vlvula de control o de desvo considera: a) La vlvula de control 100 % abierta, para lo cual se usa el CV evaluado

y suministrado por la Disciplina de Automatizacin y Control o el fabricante de la vlvula.

b) El desvo 100 % abierto, para lo cual se usa el CV evaluado del Cuadro

10 para las vlvulas tipo globo y el Cuadro 11 para las vlvulas tipo mariposa.

Consulte tambin el INEDON Gua de Diseo para los Sistemas deAlivio de Presin, N 903-HM120-P09-GUD-041, para ms detalles delas consideraciones de seguridad.

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Cuadro 10. Coeficientes de flujo para vlvulas tipo globo y el caso del clculo

de alivio (cuando no se tiene informacin del fabricante). DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

20 (3/4) 7 100 (4) 201

25 (1) 11 150 (6) 487

40 (1) 29 200 (8) 873

50 (2) 50 250 (10) 1400

80 (3) 114 300 (12) 2064 Valores mximos obtenidos de catlogos de los fabricantes Bonney Forge, Stockham y Velan.

Cuadro 11. Coeficientes de flujo para vlvulas tipo mariposa y el caso del

clculo de alivio (cuando no se tiene informacin del fabricante). DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

DN (NPS) [mm (in)]

CV [ - ]

50 (2) 140 200 (8) 1579

80 (3) 302 250 (10) 3136

100 (4) 600 300 (12) 5340

150 (6) 1022 Valores mximos obtenidos de catlogos de los fabricantes Crane y Stockham.

Los valores del Cuadro 10 y Cuadro 11 son mximos y por tal motivo,conservadores cuando no se dispone de informacin del fabricante de lavlvula de desvo en evaluacin.

13.2. Flujo Bifsico Aguas Arriba de la Vlvula

El control de flujo bifsico a la entrada de una vlvula (desvo o de control) es muy difcil, y casi imposible en muchos casos, por tal motivo se evita colocar vlvulas de control y de desvo en esa clase de servicio.

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13.3. Servicios en Alta Presin

Los servicios de alta presin pueden permitir el uso de vlvulas de bloqueo con dimetros reducidos. A continuacin, se presentan dos ejemplos para servicios de lquido y gas a alta presin: Ejemplo 1. Servicio lquido: alta presin y clasificacin de presin-temperatura 600 o superior, sin formacin de gas aguas abajo.

Figura 19. Reduccin de los dimetros de las vlvulas de bloqueo, servicio lquido.

Ejemplo 2. Servicio gas, alta presin y clasificacin de presin-temperatura 600 o superior, alto P.

Figura 20. Reduccin de los dimetros de las vlvulas de bloqueo, servicio gas.

Siempre se evala el impacto de reducir los dimetros de las vlvulas debloqueo el clculo de P1 y P2.

P1

P1

P2

P2

DN 250 (NPS 10)

DN 200(NPS 8)

DN 200(NPS 8)

DN 400 (NPS 16)

DN 400 (NPS 16)

DN 300(NPS 12)

DN 250 (NPS 10)

DN 250 (NPS 10)

DN 250(NPS 10)

DN 250 (NPS 10)

DN 200(NPS 8)

DN 200(NPS 8)

DN 200(NPS 8)

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13.4. Cavitacin

La cavitacin es difcil de determinar en las vlvulas manuales, debido a que tal fenmeno depende de la configuracin interna de la vlvula. Una vlvula de desvo con un paso muy intrincado tiene un factor de paso de flujo cercano a 1; mientras que una vlvula de paso directo (por ejemplo, tipo mariposa) puede tener un factor cercano a 0,6. Los factores de paso tambin dependen del grado de apertura de la vlvula. A continuacin, se indica como determinar la posibilidad de cavitacin en una vlvula; pero es conveniente revisar los resultados de los clculos de la vlvula de control asociada a la vlvula de desvo. Se tiene especial cuidado con las vlvulas que manejan lquidos subenfriados y altos P (por ejemplo: reciclos, bombas, inyeccin de agua). En estos casos se verifica que la presin en la vena contracta de la vlvula (tanto de control como el desvo) sea superior a la presin de vapor del lquido a la temperatura aguas arriba, T1.

Figura 21. Cavitacin en una vlvula de control. Como se puede observar en la Figura 21, si la presin en la vena contracta cae por debajo de la presin de vapor del fluido (debido al incremento de la

Presin de cambio de fase

Presin de cavitacinPV

Se formanburbujas de gas

(vaporizacin)Las burbujas colapsan (cavitacin)

P1 P2

Punto de menorrea de paso de

flujo en la vlvula

P1

Vena contracta

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velocidad en ese punto), se forman burbujas de gas en la corriente de flujo. Si la presin en la salida de la vlvula permanece por debajo de la presin de vapor del lquido, las burbujas de gas permanecen aguas abajo del sistema y ocasionan una vaporizacin en la corriente. La cavitacin ocurre cuando la presin en la vena contracta es menor que la presin de vapor del lquido y P2 es mayor que la presin de vapor. Para estimar rpidamente la presin en la vena contracta se puede usar la siguiente ecuacin: ( )211 351 PPPPVENA = , Ec. 12 Si PVENA PV1 cavitacin. Si existe cavitacin, se tienen dos posibilidades: A) El uso de un interno especial para cavitacin (geometra y quiz

materiales especiales), con el objetivo de contrarrestar el efecto de la cavitacin, esto aplica a la vlvula de control solamente. Esta opcin es evaluada por la Disciplina de Automatizacin y Control.

B) Si se tiene un solo flujo constante; por ejemplo, reciclo continuo, se

puede usar un orificio de restriccin (RO), como se muestra en la Figura 23. El RO solo toma el 30 % del P; de esta manera se puede aumentar la presin P2, lo suficiente para que la presin en la vena contracta no caiga por debajo de la presin de vapor.

Figura 22. Interno anti-cativacin para vlvula de control [12].

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Figura 23. Orificio de restriccin aguas abajo de la vlvula.

13.5. Hidratos de Gas La disminucin de la presin aguas abajo de una vlvula de control o de desvo, puede generar un cambio brusco de la temperatura del fluido, y si existe la composicin adecuada, se pueden generar hidratos de gas. Consulte el INEDON Lineamientos para la Evaluacin de los Hidratos de Gas, N 903-P3100-P09-GUD-063, para ms informacin.

14. RECOMENDACIONES PARA LAS PROPUESTAS TCNICAS A) La evaluacin de las vlvulas existentes requiere del apoyo de la

Disciplina de Automatizacin y Control, la cual establece su estimado de horas para la Propuesta. Esto puede ser requerido incluso para una Ingeniera Conceptual, si esta tiene como objetivo revisar la capacidad de la instalacin. Verifique el alcance de la Propuesta.

B) La solicitud de una garanta hidrulica puede estar limitada segn lo

establecido en la Seccin 12.4. Verifique las especificaciones del Cliente.

15. REFERENCIAS Leyenda de la ubicacin de las referencias: Servicio de Normas Internacionales en la ineweb. Directorio de Instrucciones de Trabajo en el servidor de inelectra

Panam, S. A.

Intranet de Procesos.

RO

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[1] ANSI/ISA-75.01.01 (IEC 60534-2-1 Mod)-2007. Flow Equations for

Sizing Control Valves. [2] ANSI/ISA-75.05.01-2000. Control Valve Terminology. [3] API Recommended Practice 551. Process Measurement

Instrumentation. First Edition, May 1993. [4] API Recommended Practice 552. Transmission Systems. Manufacturing,

Distributing, and Marketing Department. First Edition, October 1994. [5] API Recommended Practice 553. Refinery Control Valves. First Edition,

September 1998. [6] API Recommended Practice 554. Process Control and Instrumentation.

Manufacturing, Distributing, and Marketing. First Edition, September 1995.

[7] ASME B16.5-2003. Pipe Flanges and Flanges Fittings. [8] ASME B31.3-2004. Process Piping. [9] ASME B36.10M-2004. Welded and Seamless Wrought Steel Pipe. [10] ASME B36.19M-2004. Stainless Steel Pipe. [11] Crane. Cast Steel Valves. Sin ao de publicacin. [12] Fisher Controls International LLC. Control Valve Handbook. Fourth

Edition, USA, 2005. [13] IEC 60534-1. Industrial-process control valves Part 1: Control valve

terminology and general considerations. Third edition 2005-01. [14] IEC 60534-7. Industrial-process control valves Part 7: Control valve

data sheet. First edition 1989-11. [15] Masoneilan Control Valve Sizing Handbook (Supplement). 1995. [16] Velan Field Engineering Services. URL: www.valvediagnostics.com.

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A N E X O 1 F O R M A T O D E H O J A D E D A T O S D E V L V U L A D E C O N T R O L

(903-HM120-P09-GUD-014-1.xls)

1. INTRODUCCIN2. OBJETIVOS3. USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA4. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA5. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA6. ACRNIMOS Y SIGLAS7. MEMORIA DE CLCULO8. LECCIONES APRENDIDAS9. DEFINICIONES GENERALES10. CLCULO DE PRDIDA DE PRESIN11. VLVULAS DE CONTROL11.1. Informacin Bsica11.2. Caractersticas de Flujo11.3. Requerimientos de Flujo11.4. Evaluacin de una Vlvula de Control Existente11.5. Datos de Procesos para las Vlvulas de Control12. VLVULAS DE DESVO12.1. Importancia de la Seleccin de la Vlvula de Desvo12.2. Dimensionamiento de la Vlvula de Desvo12.3. Disponibilidad del Tipo de Vlvula de Desvo12.4. Limitaciones de la Garanta Hidrulica13. CONSIDERACIONES ESPECIALES13.1. Caso de Gas Blow-By13.2. Flujo Bifsico Aguas Arriba de la Vlvula13.3. Servicios en Alta Presin13.4. Cavitacin13.5. Hidratos de Gas14. RECOMENDACIONES PARA LAS PROPUESTAS TCNICAS15. REFERENCIASAnexo 1 Formato de Hoja de Datos de Vlvula de Control

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