A evolução da-válvula esférica abrangente

O design compacto, a simplicidade de uso, a facilidade de reparo e a ampla capacidade de desempenho ajudaram a tornar a válvula esfera um projeto dominante nas aplicações industriais modernas.

A invenção da válvula esférica provou ser um desenvolvimento revolucionário para a indústria de válvulas, fornecendo inúmeras soluções exclusivas que atendem aos requisitos modernos de controle de fluxo. Mas a sua aplicação bem sucedida não foi imediatamente evidente.

No início da vida da válvula esfera, seus ativos e valores circulantes não foram realizados. Não existia a falta de tecnologia de usinagem para fazer uma bola verdadeiramente redonda. E os materiais de vedação da época, associados ao uso de borrachas naturais, eram muito limitados e impediam que a válvula esfera fosse aplicada em qualquer uso industrial significativo.

Durante a Segunda Guerra Mundial e na década de 1950, a tecnologia de usinagem desenvolvida para o esforço de guerra permitiu que as vantagens inerentes da válvula esfera fossem introduzidas no uso militar. O desenvolvimento de materiais sintéticos como o politetrafluoroetileno (PTFE), frequentemente conhecido pela marca Teflon, abriu caminho para aplicações no setor industrial.

Hoje, a válvula esfera é usada em uma ampla gama de aplicações para controle de fluxo de líquidos, gases e até mesmo sólidos. Essas aplicações ocorrem em temperaturas que variam de -450 graus F (-267 graus) a mais de 1600 graus F (871 graus). As pressões podem variar de vácuo total até mais de 20.000 psi.

Projeto de válvula de esfera

Os principais componentes da válvula esfera são o corpo, a esfera, as sedes e a haste. Esses componentes podem ser feitos de uma ampla variedade de materiais. As válvulas esfera são oferecidas em diversas conexões finais, incluindo flangeadas, rosqueadas, soldadas e wafer, bem como conexões finais especializadas.

Noções básicas

Os projetos de válvulas de esfera se enquadram na categoria de válvulas de quarto de volta, incluindo válvulas macho e borboleta. Esta categoria de quarto-de volta significa que a haste da válvula é girada 90 graus para operação.

Os mais comuns desses designs são o design flutuante e o design montado-em munhão. Eles são normalmente bidirecionais-na vedação e podem ser orientados em qualquer posição ou direção para abertura e fechamento.

Algumas das vantagens básicas que essas válvulas de esfera têm sobre outros projetos incluem:

porta completa para alta-eficiência de fluxo

menor torque

faixa mais ampla de pressão e temperatura

alta capacidade de ciclo

vedações de haste superiores

à prova de fogo-à prova de fogo

menor custo para automatizar.

O design da esfera flutuante comprime inicialmente a esfera entre as sedes macias quando a válvula é montada. Isso força o material da sede a fluir-frio para dentro dos poros da esfera, criando um vácuo e uma vedação-de baixa pressão. Na posição fechada, a pressão da linha força a esfera para dentro da sede a jusante. Isto proporciona um fechamento hermético sobre o projeto de pressão e temperatura da sede.

O design flutuante é mais comum em tamanhos que variam de 1/4 a 12 polegadas, embora alguns fabricantes ofereçam tamanhos de até 18 polegadas. O tamanho da válvula esférica flutuante é limitado pelo tamanho e peso da esfera e pelo torque necessário para girá-la à medida que o tamanho aumenta.

Projetos montados-em munhões funcionam exatamente de forma oposta ao projeto flutuante. No projeto do munhão, a esfera não pode flutuar, mas é rigidamente localizada pela haste na parte superior e por um eixo ou munhão, utilizando rolamentos na parte inferior. As sedes são comprimidas contra a esfera usando uma mola ou molas para desenvolver a vedação inicial de baixa-pressão.

As sedes da válvula munhão são projetadas com vedações para serem energizadas-pelo processo, com o aumento da pressão forçando a sede a montante com mais força para dentro da esfera. Isto proporciona um fechamento hermético sobre o projeto de pressão e temperatura da sede.

Os designs de munhão normalmente assumem o controle onde a aplicação do design de bola flutuante termina e podem ser encontrados em uma faixa de tamanho de 3 a 72 polegadas. A vantagem deste projeto de válvula torna-se aparente à medida que o tamanho da válvula aumenta.

O peso da esfera e o torque operacional não são fatores, pois as sedes de uma válvula munhão não suportam a esfera. Isso significa que as sedes das válvulas munhão podem ser especializadas na vedação da esfera, permitindo válvulas muito maiores com atuação menor do que as que podem ser feitas em qualquer tipo de projeto flutuante.

Corpo

O corpo da válvula esférica pode ser fundido, forjado ou usinado em praticamente todos os metais concebíveis. Isto se deve ao design simples e compacto da válvula esférica. Os metais aplicáveis ​​incluem:

Não-ferrosos, como latão, bronze e alumínio

Metais-com base ferrosa, incluindo ferro, aços carbono e aços inoxidáveis

Metais-à base de níquel, que incluem Hastelloy, Inconel e níquel

Metais reativos, incluindo titânio, tântalo e zircônio.

As válvulas esfera também são fabricadas em uma variedade de plásticos e polímeros, incluindo PVC, polietileno e polipropileno. As válvulas de esfera também podem ser revestidas com polímeros e plásticos, e podem ser feitas ou revestidas com cerâmica, como alumina e zircônia.

O projeto básico dos corpos de válvulas nos Estados Unidos atende às diretrizes da norma B16.34 da ASME (Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos). Esses padrões determinam espessuras de parede, níveis de tensão e outros parâmetros em conjunto com relações de pressão-temperatura para a maioria das ligas ferrosas.

As diretrizes B16.10 também especificam as dimensões aceitáveis ​​de muitas classes de válvulas, como padrões-específicos do setor, como o padrão 6D da API (American Petroleum Institute) para válvulas de dutos e API 608, "Válvulas de esfera de metal-extremidades flangeadas, rosqueadas e soldadas". Estas especificações controlam as dimensões, os materiais e as aplicações para garantir que o projeto da válvula permaneça consistente de fabricante para fabricante e seja seguro para a aplicação pretendida.

As válvulas de esfera em serviços de abastecimento de água são cobertas pelo padrão AWWA (American Waterworks Association), C507-18, "Válvulas de esfera, 6 pol. a 60 pol. (150 mm a 1500 mm)."

Muitos outros países têm normas nacionais e diversas organizações também promovem normas internacionais. Os fabricantes de válvulas que desejam entrar no mercado global devem estar em conformidade com os padrões ISO (International Organization for Standardization), PED (Diretiva de Equipamentos de Pressão da Comissão Europeia -), CE (PED) e ATEX (Bureau Veritas), entre muitos outros que existem, como na China e na Rússia. O cumprimento destas normas tornou-se um mandato para o comércio com a União Europeia, bem como as normas JIS para o Japão e requisitos semelhantes noutros locais.

Outras especificações comuns para a classificação de válvulas de esfera incluem WOG (água/óleo/gás), CWP (pressão de trabalho a frio) e WSP (pressão de trabalho de vapor). Essas classificações são mais limitadas e normalmente estabelecidas pelo fabricante individual. Todas essas especificações estabelecerão uma curva de pressão/temperatura para o projeto da válvula, o que reduz a classificação de pressão à medida que a temperatura aumenta.

Os designs da carroceria são divididos em quatro configurações básicas:

Três-peças oscilantes. O corpo é projetado em três peças com a capacidade de girar facilmente a seção central do corpo para fora da linha para reparo, sem a necessidade de remover a válvula inteira. Isto é útil quando as válvulas são rosqueadas ou soldadas em uma tubulação.

Fim da entrada. Este design usa um design-de peça única ou monobloco. Todos os componentes internos são montados na válvula através da extremidade, onde um tampão final é instalado para reter as peças. Este projeto elimina qualquer forma de vedação do corpo ou do castelo, eliminando um possível caminho de vazamento.

Corpo dividido. Este projeto (Figura 5), ​​como o nome indica, divide o corpo em duas metades e permite fácil montagem e menos uma vedação do corpo do que o projeto de três{2}}peças.

Este projeto de corpo dividido é especialmente vantajoso quando o tamanho da válvula é grande, facilitando a montagem de componentes grandes.

Entrada superior. O design da entrada superior utiliza um corpo-de peça única como a entrada final, exceto que a parte superior do corpo fica exposta para montar as peças internas. Uma tampa é então aparafusada na parte superior da válvula, tornando esse projeto reparável em-linha, semelhante ao projeto de três-peças. Os projetos de entrada superior mais comuns são exclusivos dos projetos de válvulas de esfera, pois a esfera e as sedes flutuam e operam em uníssono e em um cone dentro do corpo, ao contrário dos outros projetos.

A bola

O elemento de controle de fluxo da válvula esférica é, obviamente, a esfera. A esfera atua contra a sede e pode parar ou controlar o fluxo através da válvula. As esferas são projetadas e fabricadas com tolerâncias exatas para acabamento superficial e esferosidade ou circularidade. Tanto a esfera quanto a sede são essenciais para uma operação suave, torque reduzido e bom desempenho de vedação, especialmente quando são necessárias sedes de metal e vedação de metal-com{4}}metal. A configuração da porta esférica pode variar de um estilo padrão reto e-com furo passante até um estilo-de múltiplas portas para válvulas esfera que oferecem designs de portas de três- a cinco{9}}vias. Embora a maioria dos projetos de válvulas esféricas use uma esfera totalmente esférica, também existem projetos que usam meia esfera (setor) e aqueles que usam ação de came para forçar a esfera na sede.

As esferas usadas nas válvulas são usinadas em diversos materiais, incluindo metal, cerâmica ou plástico. As bolas de metal podem ser aprimoradas com uma variedade de revestimentos ou tratamentos de superfície. Eles são usados ​​para fornecer melhor resistência ao desgaste, resistência à corrosão ou alta dureza para evitar escoriações, que é onde o metal base não resiste.

Os aprimoramentos de superfície podem incluir polímeros, spray de chama, níquel sem eletrólito, revestimentos PVD e processos de difusão, como aplicação de nitreto e boreto. Essas melhorias são uma das principais razões para a aplicação bem-sucedida de válvulas de esfera na ampla variedade de aplicações em que são usadas atualmente.

Assentos

O aprimoramento do design e da tecnologia da sede permitiu que a válvula esfera se expandisse para uma ampla gama de aplicações. Essas sedes podem fornecer múltiplas funções, dependendo do projeto da válvula e do material da sede.

Eles precisam fornecer fechamento hermético no caso de materiais resilientes, bem como apoiar a esfera em projetos de esfera flutuante, resistir ao serviço e proporcionar um bom ciclo de vida. Os assentos também podem incorporar portas caracterizadas para fins de controle de fluxo.

Os designs de sede macia são comumente chamados de designs de "bloqueio", que fornecem contato total-com a face quando montados, ou como designs de lábios flexíveis que têm contato facial reduzido para menor torque e maior vida útil do ciclo.

Diferentes designs de corpo usarão estes ou variações do design básico do assento macio. Os projetos de muitos fabricantes também fornecem alguma forma de alívio de pressão da cavidade, evitando danos à sede e à válvula no caso de pressão da cavidade aprisionada pelo meio preso em uma válvula fechada.

Os materiais de assento macio usados ​​hoje incluem, mas não estão limitados a:

Borrachas, incluindo neoprene e Buna

Fluoropolímeros, incluindo PTFE, TFM, PBI e PFA

UHMWPE (polietileno de ultra{0}}peso molecular)

PEEK (poliéter éter cetona)

Delrin

Nylon

Projetos de sede metálica são usados ​​em válvulas de esfera para lidar com as aplicações mais severas, incluindo alta pressão, alta temperatura, abrasividade e controle de fluxo.

Existem muitos projetos de sede de metal em uso, os mais comuns dos quais incorporam sedes de metal sólido, com superfície endurecida ou revestida, e lapidadas em uma esfera que foi endurecida de forma semelhante. Isso combina com as superfícies da esfera e da sede para proporcionar uma boa vedação.

Outros designs incluem metal sinterizado impregnado com grafite ou PTFE e até alguns designs flexíveis. As sedes resilientes precisam ser herméticas-de bolhas, mas a maioria das válvulas com sedes de metal permite algum vazamento de acordo com as taxas de especificação de vazamento das válvulas de esfera com sede-de metal. As especificações mais comuns são MSS-SP-61 e API 598. Outras especificações comumente aplicadas a válvulas esfera com sede metálica incluem FCI 70.2 e padrões API.

A maioria dos projetos de esfera flutuante com sede-de metal usa molas e/ou vedações para comprimir as sedes contra a esfera e para vedar a parte traseira da sede para baixas pressões. A esfera flutua contra a sede a jusante à medida que a pressão aumenta, proporcionando fechamento sobre o projeto de pressão e temperatura da sede, semelhante à ação da versão-com sede macia.

Em projetos de munhão, molas e muitas vezes diversas vedações são usadas para capturar a pressão da linha, forçando as sedes com mais força contra a esfera à medida que a pressão aumenta. Alguns fabricantes até usinam a superfície de assentamento no corpo da válvula, eliminando molas e vedações em uma direção. Isto, no entanto, normalmente resulta numa operação de válvula unidirecional.

Caules

A haste é usada na válvula esférica para girar a esfera para uma posição aberta ou fechada, ou para uma posição intermediária para controle de fluxo. Os materiais considerados para as hastes devem suportar mais do que apenas a pressão do corpo, da esfera ou dos assentos. Eles têm que resistir à corrosão e à temperatura do processo, mantendo resistência suficiente para suportar o torque aplicado a eles quando a válvula é operada. Por esse motivo, materiais de maior resistência e{3}}resistentes à corrosão são geralmente selecionados para a fabricação de hastes.

Como a haste é a conexão com a bola, ela deve passar pelo corpo para poder ser operada externamente. Isto requer que a haste tenha vedações para evitar que o meio da válvula escape. As vedações devem vedar-à prova de bolhas, suportar a corrosão e a temperatura do fluido e proporcionar um bom ciclo de vida.

Os materiais típicos de vedação da haste incluem polímeros como PTFE e PEEK. Para temperaturas mais altas ou segurança contra incêndio, normalmente são usadas vedações de haste de grafite. Esses materiais permanecem flexíveis em amplas faixas de temperatura e são quimicamente resistentes. Em válvulas-vedadas contra incêndio, as vedações devem sobreviver a um incêndio sem vazar.

Projetos de válvulas rotativas de quarto de volta-como a válvula esférica têm as vedações da haste com melhor-desempenho. Isso se deve ao movimento giratório da haste, em oposição ao movimento ascendente da haste encontrado nas válvulas gaveta e globo. Com as preocupações e regulamentações ambientais atuais, o desempenho da vedação da haste é fundamental para fabricantes de válvulas e usuários-finais.

Os designs de vedação da haste se enquadram em duas categorias básicas: vedações energizadas da haste-e vedações energizadas do corpo-. Esses projetos usam muitos tipos diferentes de vedações, sendo os mais comuns anel plano, chevron, copo e cone e elementos monolíticos.

Haste Energizada.Neste projeto, geralmente existem vários anéis de vedação. Alguns deles estão dentro do limite de pressão do corpo da válvula que se torna a vedação primária, e outros estão fora do limite de pressão no que é chamado de caixa de "gaxeta" ou "recheio".

Essas vedações são comprimidas ou energizadas pela ação de puxar a haste para cima com uma porca de haste, que comprime simultaneamente as vedações superiores com um seguidor de gaxeta. A maioria desses projetos incorpora molas Belleville para carregar as vedações. Isso torna o conjunto de vedação da haste auto{2}}ajustável e compensador de temperatura, permitindo um ciclo de vida mais longo antes que o reajuste seja necessário.

Corpo Energizado.Neste projeto, a vedação é realizada acima do limite de pressão na caixa de gaxeta, novamente usando anéis de vedação simples ou múltiplos. Alguns fabricantes podem usar um rolamento axial na haste abaixo do limite de pressão, mas nenhuma vedação é realizada ali.

Essas vedações são carregadas por meio de um "jugo" ou "placa de glândula", comprimindo as vedações na caixa de empanque por meio de parafusos rosqueados no corpo. O projeto normalmente utiliza diversas molas Belleville nos parafusos para "carregar novamente" a placa da sobreposta, tornando a vedação da haste auto-ajustável.

A vantagem deste projeto é que a haste pode flutuar livremente dentro das vedações, reduzindo o torque e aumentando a vida útil da vedação da haste. Esse projeto também permite a incorporação de projetos de "emissão fugitiva", que utilizam vários conjuntos de vedações, criando vedações adicionais ou redundantes para aplicações tóxicas e de alto-ciclo.

Aplicativos

Com os designs e materiais avançados oferecidos nas válvulas esfera modernas, elas são utilizadas em muitos serviços e indústrias. O sucesso nessas aplicações depende da especificação correta de todos esses projetos e componentes conforme discutido.

Os designs das bolas não estão limitados ao serviço liga/desliga. Eles podem ser usados ​​para desviar, controlar ou misturar fluxos. Diferentes funções podem ser realizadas com múltiplas portas para desvio e mixagem, ou com uma porta caracterizada, como uma porta V-, para controle de fluxo.

O uso de válvulas esféricas com controle de um quarto de volta está se tornando mais comum em aplicações de controle de fluxo com queda de pressão moderada. Isso se deve às vantagens do processo de menor custo, fechamento hermético e alta precisão quando acoplado a controles digitais de atuação elétrica e pneumática.

Existem também projetos especiais de válvulas esféricas para aplicações exclusivas. Isso pode incluir válvulas para serviços criogênicos, que devem suportar temperaturas extremamente baixas, e válvulas para vapor de alta-pressão, que devem suportar temperaturas e pressões extremamente altas.

Outras aplicações de válvulas de esfera incluem seu uso em indústrias como farmacêutica, aeroespacial, nuclear, biotecnologia e celulose e papel. As aplicações onde são usados ​​incluem ácidos e produtos químicos, lamas, fluidos térmicos, vapor e criogenia.

Conclusão

O design compacto, a simplicidade de uso, a facilidade de reparo e a ampla capacidade de desempenho ajudaram a tornar a válvula esfera um projeto dominante nas aplicações industriais modernas. E as válvulas esfera continuam a evoluir para atender demandas novas e mais difíceis.

O sector industrial dá cada vez mais ênfase à segurança, ao ambiente, à melhoria da eficiência e à redução de custos. Assim, os ativos da válvula esférica continuarão a torná-la um participante importante com muitas funções futuras.