L'evoluzione della-valvola a sfera onnicomprensiva

Il design compatto, la semplicità d'uso, la facilità di riparazione e l'ampia capacità prestazionale hanno contribuito a rendere la valvola a sfera un design dominante nelle moderne applicazioni industriali.

L'invenzione della valvola a sfera si è rivelata uno sviluppo rivoluzionario per l'industria delle valvole, fornendo numerose soluzioni uniche che soddisfano i moderni requisiti di controllo del flusso. Ma il suo successo applicativo non fu immediatamente evidente.

All'inizio della vita della valvola a sfera, le sue attività e valori attuali non furono realizzati. Non esisteva la mancanza di tecnologia di lavorazione per realizzare una palla veramente rotonda. E i materiali di tenuta dell'epoca, associati all'uso di gomme naturali, erano molto limitati e impedivano l'applicazione della valvola a sfera a qualsiasi uso industriale significativo.

Durante la seconda guerra mondiale e negli anni '50, la tecnologia di lavorazione sviluppata per lo sforzo bellico ha consentito di introdurre i vantaggi intrinseci della valvola a sfera nell'uso militare. Lo sviluppo di materiali sintetici come il politetrafluoroetilene (PTFE), spesso noto con il marchio Teflon, ha aperto la strada ad applicazioni nel settore industriale.

Oggi la valvola a sfera viene utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni per il controllo del flusso di liquidi, gas e persino solidi. Queste applicazioni sono a temperature che vanno da -450 gradi F (-267 gradi) a più di 1600 gradi F (871 gradi). Le pressioni possono variare dal vuoto totale a oltre 20.000 psi.

Progettazione di valvole a sfera

I componenti principali della valvola a sfera sono il corpo, la sfera, le sedi e lo stelo. Questi componenti possono essere realizzati con un'ampia varietà di materiali. Le valvole a sfera sono offerte in numerose connessioni terminali, tra cui flangiate, filettate, a saldare e wafer, nonché connessioni terminali specializzate.

Nozioni di base

I design delle valvole a sfera rientrano nella categoria delle valvole a quarto-giro, comprese le valvole a maschio e a farfalla. Questa categoria di quarto-giro significa che lo stelo della valvola viene ruotato di 90 gradi per il funzionamento.

I più comuni di questi design sono il design mobile e il design montato su perno-. Sono tipicamente bi-direzionali nella tenuta e possono essere orientati in qualsiasi posizione o direzione per l'apertura e la chiusura.

Alcuni dei vantaggi fondamentali che queste valvole a sfera hanno rispetto ad altri modelli includono:

porta completa per un'efficienza di flusso-elevata

coppia inferiore

intervallo di pressione e temperatura più ampio

elevata capacità di ciclo

guarnizioni dello stelo superiori

antincendio-safe

costi inferiori per automatizzare.

Il design a sfera flottante comprime inizialmente la sfera tra sedi morbide quando la valvola viene assemblata. Ciò costringe il materiale della sede a fluire-freddo nei pori della sfera, creando un vuoto e una tenuta a bassa-pressione. Nella posizione chiusa, la pressione della linea forza la sfera nella sede a valle. Ciò garantisce una chiusura ermetica della pressione e della temperatura del sedile.

Il design flottante è più comune in un intervallo di dimensioni compreso tra 1/4 e 12 pollici, sebbene alcuni produttori offrano dimensioni fino a 18 pollici. La dimensione della valvola a sfera flottante è limitata dalle dimensioni e dal peso della sfera e dalla coppia richiesta per ruotarla all'aumentare delle dimensioni.

I design montati su perno- funzionano esattamente l'opposto del design mobile. Nel modello a perno, la sfera non può galleggiare ma è fissata rigidamente tramite lo stelo in alto e un albero o perno, utilizzando cuscinetti nella parte inferiore. Le sedi vengono compresse contro la sfera utilizzando una o più molle per sviluppare la tenuta iniziale a bassa pressione.

Le sedi delle valvole a snodo sono progettate con guarnizioni per essere energizzate dal processo-, con l'aumento della pressione che forza la sede a monte più forte nella sfera. Ciò garantisce una chiusura ermetica della pressione e della temperatura del sedile.

I design del perno in genere subentrano dove termina l'applicazione del design della sfera flottante e possono essere trovati in una gamma di dimensioni da 3 a 72 pollici. Il vantaggio di questo design della valvola diventa evidente man mano che le dimensioni della valvola crescono.

Il peso della sfera e la coppia operativa non sono fattori determinanti, poiché le sedi di una valvola a snodo non supportano la sfera. Ciò significa che le sedi delle valvole a snodo possono specializzarsi nella tenuta della sfera, consentendo valvole molto più grandi con un'attuazione più piccola di quella che può essere realizzata in qualsiasi tipo di design flottante.

Corpo

Il corpo della valvola a sfera può essere fuso, forgiato o lavorato a macchina da qualsiasi metallo immaginabile. Ciò è dovuto al design semplice e compatto della valvola a sfera. I metalli applicabili includono:

Non-ferrosi, come ottone, bronzo e alluminio

Metalli a base ferrosa-, inclusi ferro, acciai al carbonio e acciai inossidabili

Metalli a base di nichel-, tra cui Hastelloy, Inconel e nichel

Metalli reattivi, inclusi titanio, tantalio e zirconio.

Le valvole a sfera sono realizzate anche in una varietà di plastiche e polimeri, tra cui PVC, polietilene e polipropilene. Le valvole a sfera possono anche essere rivestite con polimeri e plastica e possono essere realizzate o rivestite con ceramica come allumina e zirconio.

La progettazione di base dei corpi valvola negli Stati Uniti soddisfa le linee guida standard B16.34 dell'ASME (American Society of Mechanical Engineers). Questi standard determinano gli spessori delle pareti, i livelli di stress e altri parametri insieme alle relazioni pressione-temperatura per la maggior parte delle leghe ferrose.

Le linee guida B16.10 specificano inoltre le dimensioni accettabili di molte classi di valvole, come gli standard-specifici del settore come lo standard 6D dell'API (American Petroleum Institute) per le valvole delle tubazioni e l'API 608, "Valvole a sfera in metallo-Flange, filettate e con estremità a saldare". Queste specifiche controllano le dimensioni, i materiali e le applicazioni per garantire che il design della valvola rimanga coerente da produttore a produttore e sia sicuro per l'applicazione prevista.

Le valvole a sfera nel servizio degli acquedotti sono coperte dallo standard AWWA (American Waterworks Association), C507-18, "Valvole a sfera, da 6 pollici a 60 pollici (da 150 mm a 1500 mm)".

Molti altri paesi hanno standard nazionali e diverse organizzazioni promuovono anche standard internazionali. I produttori di valvole che desiderano entrare nel mercato globale devono conformarsi agli standard ISO (Organizzazione internazionale per la standardizzazione), PED (Direttiva sulle attrezzature a pressione della Commissione europea -), CE (PED) e ATEX (Bureau Veritas), tra i molti altri esistenti, come in Cina e Russia. Il rispetto di questi standard è diventato un mandato per il commercio con l’Unione Europea, così come gli standard JIS per il Giappone e requisiti simili altrove.

Altre specifiche comuni per la classificazione delle valvole a sfera includono WOG (acqua/olio/gas), CWP (pressione di esercizio a freddo) e WSP (pressione di esercizio del vapore). Queste valutazioni sono più limitate e vengono generalmente stabilite dal singolo produttore. Tutte queste specifiche stabiliscono una curva pressione/temperatura per il progetto della valvola, che riduce la pressione nominale all'aumentare della temperatura.

I design della carrozzeria sono divisi in quattro configurazioni di base:

Tre-pezzi oscillanti. Il corpo è progettato in tre pezzi con la possibilità di spostare facilmente la sezione centrale del corpo fuori dalla linea per la riparazione senza dover rimuovere l'intera valvola. Ciò è utile quando le valvole vengono filettate o saldate in una tubazione.

Fine immissione. Questo design utilizza un design a pezzo unico o unibody. Tutti i componenti interni sono assemblati nella valvola attraverso l'estremità, dove è installato un tappo terminale per trattenere le parti. Questo design elimina qualsiasi forma di tenuta del corpo o del coperchio, eliminando un potenziale percorso di perdita.

Corpo diviso. Questo design (Figura 5), ​​come suggerisce il nome, divide il corpo in due metà e consente un facile assemblaggio e una guarnizione del corpo in meno rispetto al design in tre-pezzi.

Questo design a corpo diviso è particolarmente vantaggioso quando la dimensione della valvola è grande, facilitando l'assemblaggio di componenti di grandi dimensioni.

Entrata in alto. Il design con ingresso dall'alto utilizza un corpo in un unico pezzo-come l'ingresso finale, tranne per il fatto che la parte superiore del corpo è esposta per assemblare le parti interne. Un coperchio viene quindi imbullonato sulla parte superiore della valvola, rendendo questo design riparabile in linea-, simile al design in tre-pezzi. I design con ingresso dall'alto più comuni sono esclusivi dei design delle valvole a sfera, poiché la sfera e le sedi fluttuano e funzionano all'unisono e su una rastremazione all'interno del corpo, a differenza degli altri design.

La palla

L'elemento di regolazione del flusso della valvola a sfera è ovviamente la sfera. La sfera agisce contro la sede e può arrestare o controllare il flusso attraverso la valvola. Le sfere sono progettate e prodotte rispettando tolleranze rigorose per finitura superficiale e sferosità o rotondità. Sia la sfera che la sede sono fondamentali per un funzionamento regolare, una coppia ridotta e buone prestazioni di tenuta, soprattutto quando sono necessarie sedi metalliche e tenuta metallo-su-metallo. La configurazione delle porte a sfera può variare da uno stile standard con foro dritto e passante-a uno stile a porte multiple-per valvole a sfera che offrono design delle porte da tre- a cinque-vie. Sebbene la maggior parte dei modelli di valvole a sfera utilizzino una sfera completamente sferica, esistono anche modelli che utilizzano una mezza sfera (settore) e altri che utilizzano l'azione della camma per forzare la sfera nella sede.

Le sfere utilizzate nelle valvole sono realizzate in molti materiali, tra cui metallo, ceramica o plastica. Le sfere metalliche possono essere migliorate con una varietà di rivestimenti o trattamenti superficiali. Questi vengono utilizzati per fornire una migliore resistenza all'usura, resistenza alla corrosione o elevata durezza per prevenire il grippaggio, che è dove il metallo di base non regge.

I miglioramenti superficiali possono includere polimeri, spray a fiamma, nichel chimico, rivestimenti PVD e processi di diffusione come l'applicazione di nitruro e boruro. Questi miglioramenti sono una delle ragioni principali del successo dell’applicazione delle valvole a sfera nell’ampia varietà di applicazioni in cui sono attualmente utilizzate.

Sedili

Il miglioramento del design e della tecnologia della sede ha consentito alla valvola a sfera di espandersi in un'ampia gamma di applicazioni. Queste sedi possono fornire molteplici funzioni, a seconda del design della valvola e del materiale della sede.

Devono garantire una chiusura ermetica nel caso di materiali resilienti, nonché supportare la sfera nei modelli con sfera flottante, resistere al servizio e garantire un buon ciclo di vita. I sedili possono anche incorporare porte caratterizzate per scopi di controllo del flusso.

I design delle sedi morbide sono comunemente definiti design "inceppati" che forniscono-un contatto completo con la superficie una volta assemblati oppure design con labbra flessibili che hanno un contatto frontale ridotto per una coppia inferiore e una durata del ciclo migliorata.

Diversi modelli di carrozzeria utilizzeranno questi o variazioni del design di base del sedile morbido. I progetti di molti produttori forniscono anche una qualche forma di scarico della pressione nella cavità, prevenendo danni alla sede e alla valvola in caso di pressione nella cavità intrappolata dal fluido intrappolato in una valvola chiusa.

I materiali morbidi dei sedili utilizzati oggi includono, ma non sono limitati a:

Gomme, compreso neoprene e Buna

Fluoropolimeri, tra cui PTFE, TFM, PBI e PFA

UHMWPE (polietilene ad altissimo peso molecolare)

PEEK (polietere etere chetone)

Delrin

Nylon

I design delle sedi metalliche vengono utilizzati nelle valvole a sfera per gestire le applicazioni più severe, tra cui alta pressione, alta temperatura, abrasività e controllo del flusso.

Esistono molti modelli di sedi metalliche in uso, le più comuni delle quali incorporano sedi di metallo solido, indurito o rivestito in superficie e lappate su una sfera che è stata similmente indurita. Ciò abbina le superfici della sfera e della sede per garantire una buona tenuta.

Altri design includono metallo sinterizzato impregnato con grafite o PTFE e persino alcuni design flessibili. Le sedi resilienti devono essere a tenuta-di bolle, tuttavia alla maggior parte delle valvole con sedi metalliche è consentita una certa perdita in base ai tassi di perdita specificati per le valvole a sfera-con sede metallica. Le più comuni di queste specifiche sono MSS-SP-61 e API 598. Altre specifiche comunemente applicate alle valvole a sfera con sede metallica includono FCI 70.2 e gli standard API.

La maggior parte dei modelli di sfere flottanti con sede metallica-utilizza molle e/o guarnizioni per comprimere le sedi contro la sfera e per sigillare la parte posteriore della sede per le basse pressioni. La sfera galleggia contro la sede a valle all'aumentare della pressione, garantendo l'arresto della pressione e della temperatura della sede, simile all'azione della versione con sede morbida-.

Nei modelli con perno, vengono utilizzate molle e spesso diverse guarnizioni per catturare la pressione della linea, forzando le sedi con maggiore forza contro la sfera all'aumentare della pressione. Alcuni produttori addirittura lavorano la superficie di appoggio nel corpo della valvola, eliminando molle e guarnizioni in una direzione. Ciò, tuttavia, si traduce tipicamente in un funzionamento della valvola unidirezionale.

Steli

Lo stelo viene utilizzato nella valvola a sfera per ruotare la sfera in una posizione aperta o chiusa oppure in una posizione intermedia per il controllo del flusso. I materiali considerati per gli steli devono resistere a qualcosa di più della semplice pressione del corpo, della sfera o delle sedi. Devono resistere alla corrosione e alla temperatura del processo mantenendo allo stesso tempo una resistenza sufficiente per sopportare la coppia applicata loro quando viene azionata la valvola. Per questo motivo, per la produzione dello stelo vengono solitamente selezionati materiali più robusti e resistenti alla corrosione-.

Poiché lo stelo costituisce il collegamento alla sfera, deve passare attraverso il corpo per poter essere azionato dall'esterno. Ciò richiede che lo stelo sia dotato di guarnizioni per impedire la fuoriuscita del fluido nella valvola. Le guarnizioni devono essere a tenuta di bolle-, resistere alla corrosione e alla temperatura del fluido e garantire un buon ciclo di vita.

I materiali tipici della tenuta dello stelo includono polimeri come PTFE e PEEK. Per temperature più elevate o sicurezza antincendio, vengono generalmente utilizzate guarnizioni dello stelo in grafite. Questi materiali rimangono flessibili in ampi intervalli di temperature e sono chimicamente resistenti. Nelle valvole antincendio-, le guarnizioni devono sopravvivere al fuoco senza perdite.

I design delle valvole rotanti a quarto di giro-come la valvola a sfera hanno le guarnizioni dello stelo-con le migliori prestazioni. Ciò è dovuto al movimento rotatorio dello stelo rispetto al movimento ascendente dello stelo presente nelle valvole a saracinesca e a globo. Con le preoccupazioni e le normative ambientali odierne, le prestazioni della tenuta dello stelo sono fondamentali per i produttori di valvole e gli utenti finali.

I design delle guarnizioni dello stelo rientrano in due categorie fondamentali: guarnizioni dello stelo-energizzate e guarnizioni del corpo-energizzate. Questi design utilizzano molti tipi diversi di guarnizioni, tra cui le più comuni sono ad anello piatto, chevron, a coppa e cono ed elementi monolitici.

Stelo energizzato.In questo design, solitamente sono presenti più anelli di tenuta. Alcuni di questi si trovano all'interno del limite di pressione del corpo valvola che diventa la tenuta primaria, mentre altri si trovano all'esterno del limite di pressione in quella che viene chiamata "guarnizione" o "premistoppa".

Queste guarnizioni vengono compresse o energizzate attraverso l'azione di sollevamento dello stelo con un dado dello stelo, che contemporaneamente comprime le guarnizioni superiori con un premistoppa. La maggior parte di questi progetti incorporano molle Belleville per caricare in tensione le guarnizioni. Ciò rende il gruppo della tenuta dello stelo autoregolante-e compensante della temperatura, consentendo una durata del ciclo più lunga prima che sia necessaria una nuova regolazione.

Corpo energizzato.In questo modello, la tenuta viene eseguita al di sopra del limite di pressione nel premistoppa, sempre utilizzando anelli di tenuta singoli o multipli. Alcuni produttori possono utilizzare un cuscinetto reggispinta sullo stelo al di sotto del limite di pressione, ma in quel punto non viene effettivamente eseguita alcuna sigillatura.

Queste guarnizioni vengono caricate utilizzando un "giogo" o "piastra premistoppa", comprimendo le guarnizioni nel premistoppa mediante bulloni avvitati nel corpo. Il design utilizza tipicamente più molle Belleville sui bulloni per "caricare nuovamente" la piastra premistoppa, rendendo la tenuta dello stelo autoregolante-.

Il vantaggio di questo design è che lo stelo è libero di fluttuare all'interno delle guarnizioni, riducendo la coppia e aumentando la durata della guarnizione dello stelo. Questo design consente inoltre l'incorporazione di progetti di "emissioni fuggitive", che utilizzano più set di sigilli, creando sigilli aggiuntivi o ridondanti per applicazioni tossiche e ad alto-ciclo.

Applicazioni

Con i design e i materiali avanzati offerti nelle moderne valvole a sfera, vengono utilizzate in molti servizi e industrie. Il successo in queste applicazioni dipende dalle specifiche corrette di tutti questi progetti e componenti, come discusso.

I design delle palle non si limitano al servizio on/off. Possono essere utilizzati per deviare, controllare o mescolare i flussi. È possibile realizzare diverse funzioni disponendo di più porte per la deviazione e la miscelazione oppure disponendo di una porta caratterizzata, ad esempio una porta V-, per il controllo del flusso.

L'utilizzo di valvole a sfera con controllo a un quarto-di giro sta diventando sempre più comune nelle applicazioni di controllo del flusso con-cadute di pressione moderate. Ciò è dovuto ai vantaggi del processo quali costi inferiori, chiusura ermetica ed elevata precisione se abbinati a controlli digitali sull'attuazione elettrica e pneumatica.

Sono disponibili anche modelli di valvole a sfera speciali per applicazioni uniche. Questi possono includere valvole per servizi criogenici, che devono gestire temperature estremamente basse, e valvole per vapore ad alta-pressione, che devono gestire temperature e pressioni estremamente elevate.

Altre applicazioni delle valvole a sfera includono il loro utilizzo in settori quali quello farmaceutico, aerospaziale, nucleare, biotecnologico e della pasta e della carta. Le applicazioni in cui vengono utilizzati includono acidi e prodotti chimici, fanghi, fluidi termici, vapore e criogenia.

Conclusione

Il design compatto, la semplicità d'uso, la facilità di riparazione e l'ampia capacità prestazionale hanno contribuito a rendere la valvola a sfera un design dominante nelle moderne applicazioni industriali. E le valvole a sfera continuano ad evolversi per soddisfare esigenze nuove e più difficili.

Il settore industriale pone sempre più attenzione alla sicurezza, all'ambiente, al miglioramento dell'efficienza e alla riduzione dei costi. Pertanto, le risorse della valvola a sfera continueranno a renderla un attore importante con molti ruoli futuri.