Una válvula de bola cuenta con un disco esférico para abrir y cerrar el flujo del fluido. Son el estándar de la industria para aplicaciones de cierre de tuberías, ya que su diseño garantiza un sellado muy hermético y sin fugas incluso después de años de funcionamiento. Los dos tipos principales de válvulas de bola son los diseños flotante y de muñón (entrada lateral o superior). El cuerpo puede ser fundido o forjado y monolítico o dividido (en 2 o 3 piezas). Las especificaciones clave son API 6D y ASME B16.34.
¿Qué es una válvula de bola?
Las válvulas de bola son dispositivos clave para cerrar y regular el flujo de un fluido (petróleo, gas, vapor, etc.) en la industria petroquímica.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS VÁLVULAS DE BOLA
Este tipo de válvula tiene las siguientes ventajas:
- Pueden abrirse y cerrarse rápidamente con un movimiento de un cuarto de vuelta
- Aseguran un cierre muy hermético sin necesidad de fuerzas de par elevadas
- Tienen un diseño compacto (esta es la principal diferencia entre una válvula de bola y una válvula de compuerta – que son dispositivos de apertura y cierre)
Las desventajas son:
- la válvula tiene poca capacidad de regulación y estrangulamiento, ya que está diseñada para el cierre de la tubería en lugar de la modulación del flujo (esta es una función ideal para las válvulas de globo): el estrangulamiento hace que el asiento parcialmente expuesto se erosione debido al flujo de alta velocidad y la presión experimentada por la válvula. El desgaste puede conducir a una fuga progresiva de la válvula.
- La válvula no puede utilizarse para lodos, ya que la acumulación de partículas en suspensión y residuos haría que la válvula tuviera fugas. Estas partículas pueden solidificarse en las cavidades en la proximidad de la bola y los asientos. Las válvulas de bola son mucho más eficientes con gases y otros fluidos líquidos (incluso con productos químicos desafiantes como el cloro seco, el ácido fluorhídrico o el ácido clorhídrico, y el oxígeno).
- Pueden ser difíciles de limpiar (excepto el diseño de entrada superior)
La posición de apertura, cierre o apertura parcial de la válvula se puede detectar mirando la posición de la palanca:
- cuando la palanca está alineada con la tubería, la válvula está abierta; cuando está perpendicular a la tubería, la válvula está cerrada;
- cuando está en cualquier otra posición, la válvula está parcialmente abierta (o parcialmente cerrada) y está modulando el flujo.
Estas válvulas pertenecen a la familia de las válvulas de «cuarto de vuelta» o «válvula de 1/4 de vuelta» (junto con las válvulas de mariposa y de tapón), ya que las operaciones de apertura y cierre se ejecutan girando 90 grados una palanca conectada al disco.
Las especificaciones clave de las válvulas de bola son la API 6D, BS 5351 (forjada) y ASME B16.34 (valores nominales de presión y temperatura), ASME B16.5/B16.47 (extremos embridados) y ASME B16.25 (extremos de soldadura a tope).
¿Cómo funciona?
La bola dentro de la válvula tiene un orificio a través del cual el flujo pasa libremente cuando está completamente alineado con los dos extremos de la válvula. Cuando el orificio está completamente perpendicular a los extremos del dispositivo, la válvula está perfectamente sellada.
De lo contrario, cuando el orificio está en cualquier otra posición (perpendicular a los extremos de la válvula, por ejemplo) el flujo se interrumpe total o parcialmente.
Válvula de bola vs válvula de compuerta
Esta válvula absuelve la misma función que una válvula de compuerta (cierre). La diferencia entre una válvula de bola y una de compuerta es que la primera utiliza una bola esférica para abrir/cerrar el flujo, mientras que la segunda utiliza un disco asentado sobre un asiento. La diferencia entre estas dos válvulas radica, por tanto, en el diseño y la compacidad.
Válvula de bola frente a válvula de globo
Estas válvulas no son tan precisas como las de globo para estrangular el flujo de fluido, ya que suelen tener posiciones positivas (a 0, 45 y 90 grados) en lugar de incrementales. Además, la válvula se dañaría por las posiciones parcialmente abiertas (o por las repetidas operaciones de apertura/cierre) a largo plazo (no es un problema para las válvulas de globo).
Tipos de válvulas de bola
Las válvulas de bola pueden clasificarse según múltiples criterios:
- Diseño: flotante, montada en muñón y de doble purga y bloqueo
- Número de puertos: el tipo estándar es con diseño de 2 puertos (1 entrada, 1 salida), pero también está disponible el diseño de 3 vías (1 entrada y 2 salidas o viceversa)
- Tamaño del agujero: agujero completo o reducido (FB vs. RB), y muesca en V
- Montaje del cuerpo: unibody (el cuerpo de la bola está hecho de una sola pieza de acero fundido o forjado), 2 piezas o 3 piezas (el cuerpo resulta del ensamblaje de dos o tres piezas diferentes)
- Acceso a la bola: entrada lateral o entrada superior (según se pueda acceder a la bola, para su mantenimiento, desde el lateral de la válvula o desde su parte superior)
- Tipo de asiento: metálico o blando (teflón)
Válvula de bola flotante
En una válvula flotante, la bola está suspendida en el fluido que fluye y se mantiene en posición por la compresión de dos asientos elastoméricos contra ella.
El eje está conectado en la parte superior de la bola y permite pasar de una posición abierta a una cerrada con un movimiento de un cuarto de vuelta (90 grados).
Cuando se mueve el eje, se aplica una carga a la bola que se presiona contra sus asientos.
Este diseño, que es ligero y económico, se adapta a tamaños de orificio de hasta 10 pulgadas: por encima de este tamaño de orificio, los asientos de la válvula no podrían soportar bolas cada vez más pesadas y la válvula no funcionaría de forma segura y eficiente.
Las válvulas flotantes permiten un cierre bidireccional del flujo (como el tipo trunnion).
(Fuente: Canal de Youtube de Walworth Valves)
Válvula de bola trunnion
Las válvulas trunnion se han introducido para hacer frente a las limitaciones de tamaño de las válvulas flotantes estándar mencionadas anteriormente. En efecto, en este tipo de válvulas el eje, la bola y el muñón de soporte actúan como un único conjunto sólido capaz de soportar las fuertes cargas generadas por bolas de grandes dimensiones.
Además de una ventaja de flexibilidad en cuanto al tamaño, una válvula de muñón presenta un par de funcionamiento más bajo en comparación con un diseño de válvula flotante (lo que puede convertirse en una ventaja cuando la válvula necesita ser accionada, ya que se pueden instalar actuadores más pequeños y económicos para operar la válvula).
Válvula de bola de acero inoxidable, tipo de montaje en muñón
(Fuente: Robert Cort – Wartsila Valves Youtube Channel)
Entrada lateral VS. ENTRADA SUPERIOR
¿Cuál es la diferencia entre una válvula de bola de entrada lateral y una de entrada superior?
Estos términos se refieren a la forma en que se puede acceder a la bola de la válvula y a sus partes internas, desde el lado (entrada lateral) o desde la parte superior (entrada superior).
Las válvulas de bola flotantes y montadas en muñón están disponibles con un diseño de «entrada lateral» y «entrada superior».
El diseño de entrada superior se especifica cuando se esperan frecuentes actividades de mantenimiento en línea en la válvula.
Esto se debe a que las válvulas de bola de entrada superior permiten un acceso más fácil y rápido a la bola y al embellecedor de la válvula en comparación con las válvulas de entrada lateral (que requieren más tiempo y espacio de mantenimiento para las mismas operaciones).
Las principales diferencias entre estos dos diseños de válvulas de bola son:
- Las válvulas de bola de entrada superior se fabrican, generalmente, con cuerpos de acero fundido; las válvulas de entrada lateral se fabrican con cuerpos (robustos) de acero forjado
- Las válvulas de bola de entrada superior tienen una estructura monolítica (están hechas por una sola pieza); las válvulas de entrada lateral tienen un conjunto de dos o tres piezas
- Las válvulas de bola de entrada superior requieren más pruebas no destructivas que las de entrada lateral debido a sus cuerpos fundidos;
- Las válvulas de bola de entrada lateral son más fáciles de ensamblar y fabricar que las de entrada superior, que requieren una larga experiencia y artesanía para funcionar correctamente
- Las válvulas de bola de entrada superior son generalmente más caras que las de entrada lateral y tienen plazos de entrega más largos debido a las operaciones de fundición necesarias para fabricar el cuerpo
3 VÍAS
Generalmente, una válvula de bola tiene dos entradas (o «dos vías»).
Sin embargo, para algunas aplicaciones, se puede especificar una válvula de bola de 3 vías. Una válvula de bola de 3 vías tiene 3 puertos (entradas), en lugar de sólo dos.
Este diseño de puertos múltiples es necesario para desviar el fluido que viene de la entrada de la válvula principal a dos direcciones diferentes (en lugar de sólo una), cada una servida por dos salidas separadas de la válvula. Otra aplicación típica de una válvula de bola de 3 vías es tener la línea de flujo principal servida por dos entradas separadas y alternativas.
La bola de una válvula de bola de 3 vías puede tener un diseño en L o en T como se muestra en la imagen de abajo. Además, este tipo especial de válvula de bola está disponible en diseño flotante o de muñón, con cualquier tipo de extremo de la válvula (conexión bridada, de casquillo o roscada) y en varios materiales, desde plásticos hasta acero al carbono, aleado e inoxidable.
PUERTO COMPLETO VS PUERTO REDUCIDO
Estos conceptos se refieren a la relación entre el diámetro del orificio de la válvula y el sistema de tuberías conectado. Más en detalle:
- El tipo «Full port» (FB) tiene un tamaño de agujero (el agujero de la bola) que coincide con el tamaño del agujero de la tubería conectada. Las válvulas de bola de puerto completo minimizan la caída de presión que se genera en las válvulas de puerto reducido, pero, por supuesto, son más voluminosas, pesadas y caras. Las válvulas de bola FB son más adecuadas que las RB para aplicaciones de estrangulación.
- La válvula de bola de «puerto reducido» (RB) tiene un tamaño de orificio menor que el de la tubería conectada (por ejemplo, un tubo). El medio que fluye a través de la válvula está, en este caso, limitado a un porcentaje (generalmente entre el 70 y el 80%) del flujo total en la tubería. La válvula de bola de puerto reducido crea una caída de presión en la tubería.
MATERIALES
Este tipo de válvula está disponible con materiales de cuerpo fundido o forjado (monobloque, o partido).
Generalmente, las válvulas de menos de 2 pulgadas de diámetro tienen cuerpos forjados de dos o tres piezas (el más común es ASTM A105 para servicio de alta temperatura, ASTM A350 LF2 y LF3 para servicio de baja temperatura y ASTM A182 F304, F316 para válvula de acero inoxidable o grados más altos, como las válvulas dúplex ASTM A182 F51 y súper dúplex ASTM A182 F53/F55).
Los cuerpos forjados también se utilizan para las válvulas de alta presión de mayor tamaño (con construcción de cuerpo dividido en 2 o 3 piezas).
Ejemplos de válvulas de bola forjadas (tamaño pequeño y válvula de acero inoxidable con cuerpo forjado, montado en muñón).
Las válvulas de tamaños superiores a 2 pulgadas tienen un cuerpo fundido (los grados más comunes son ASTM A216 WCB para servicio de alta temperatura, ASTM A352 para servicio de baja temperatura y ASTM A351 CF8, CF8M para válvulas de acero inoxidable fundido).
El símbolo de este tipo de válvula en los diagramas P&ID se representa a continuación
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