Una valvola a sfera presenta un disco sferico per aprire e chiudere il flusso del fluido. Sono lo standard industriale per le applicazioni di chiusura delle condutture, poiché il loro design garantisce una tenuta molto stretta e senza perdite anche dopo anni di funzionamento. I due tipi principali di valvole a sfera sono il design flottante e quello a perno (ingresso laterale o superiore). Il corpo può essere fuso o forgiato e monolitico o diviso (in 2 o 3 pezzi). L’API 6D e l’ASME B16.34 sono specifiche chiave.
Che cos’è una valvola a sfera?
Le valvole a sfera sono dispositivi chiave per chiudere e regolare il flusso di un fluido (petrolio, gas, vapore, ecc.) nell’industria petrolchimica.
Vantaggi e svantaggi delle valvole a sfera
Questo tipo di valvola ha i seguenti vantaggi:
- può essere aperta e chiusa rapidamente con un movimento di un quarto di giro
- garantisce una tenuta molto stretta senza bisogno di forze di coppia elevate
- ha un design compatto (questa è la differenza principale tra una valvola a sfera e una valvola a saracinesca – che sono entrambi dispositivi on/off)
Gli svantaggi sono:
- la valvola ha scarse capacità di regolazione e strozzatura, poiché è progettata per l’arresto delle tubazioni invece che per la modulazione del flusso (questa è una funzione ideale per le valvole a globo): la strozzatura causa l’erosione della sede parzialmente esposta a causa del flusso ad alta velocità e della pressione sperimentata dalla valvola. L’usura può portare ad una perdita della valvola progressivamente.
- la valvola non può essere usata per i fanghi, poiché l’accumulo di particelle sospese e di detriti farebbe perdere la valvola. Queste particelle possono solidificarsi nelle cavità in prossimità della sfera e delle sedi. Le valvole a sfera sono molto più efficienti con i gas e altri fluidi liquidi (anche prodotti chimici impegnativi come cloro secco, acido fluoridrico o acido cloridrico e ossigeno).
- possono essere difficili da pulire (eccetto per il design dell’entrata superiore)
La posizione aperta, chiusa o parzialmente aperta della valvola può essere rilevata guardando la posizione della leva:
- quando la leva è allineata al tubo, la valvola è aperta; quando è perpendicolare al tubo, la valvola è chiusa;
- quando è in qualsiasi altra posizione, la valvola è parzialmente aperta (o parzialmente chiusa) e sta modulando il flusso.
Queste valvole appartengono alla famiglia delle valvole “quarto di giro” o “1/4 di giro” (insieme alle valvole a farfalla e a tappo), in quanto le operazioni di apertura e chiusura vengono eseguite ruotando di 90 gradi una leva collegata al disco.
Le specifiche principali della valvola a sfera sono le API 6D, BS 5351 (forgiata) e ASME B16.34 (valori di pressione e temperatura), ASME B16.5/B16.47 (estremità flangiate) e ASME B16.25 (estremità con saldatura di testa).
Come funziona?
La sfera all’interno della valvola ha un foro attraverso il quale il flusso passa liberamente quando è completamente allineato con le due estremità della valvola. Quando il foro è completamente perpendicolare alle estremità del dispositivo, la valvola è perfettamente a tenuta.
Altrimenti, quando il foro è in qualsiasi altra posizione (perpendicolare alle estremità della valvola per esempio) il flusso è totalmente o parzialmente interrotto.
Valvola a sfera vs saracinesca
Questa valvola assolve la stessa funzione di una saracinesca (chiusura). La differenza tra una valvola a sfera e una valvola a saracinesca è che la prima utilizza una sfera sferica per aprire/chiudere il flusso, la seconda utilizza un disco seduto su una sede. La differenza tra queste due valvole è quindi nel design e nella compattezza.
Valvola a sfera vs valvola a globo
Queste valvole non sono così precise come le valvole a globo per strozzare il flusso del fluido, poiché hanno generalmente posizioni positive (a 0, 45 e 90 gradi) invece che incrementali. Inoltre, la valvola verrebbe danneggiata da posizioni parzialmente aperte (o da ripetute operazioni di apertura/chiusura) nel lungo periodo (non è un problema per le valvole a globo).
Tipi di valvole a sfera
Le valvole a sfera possono essere classificate secondo diversi criteri:
- Design: galleggiante, con perno e a doppio spurgo e blocco
- Numero di porte: il tipo standard è con design a 2 porte (1 ingresso, 1 uscita), ma è disponibile anche il design a 3 vie (1 ingresso e 2 uscite o viceversa)
- Dimensione del foro: a foro pieno o ridotto (FB vs. RB), e V-notch
- Assemblaggio del corpo: unibody (il corpo della sfera è fatto da un unico pezzo di acciaio fuso o forgiato), 2 pezzi o 3 pezzi (il corpo risulta dall’assemblaggio di due o tre parti diverse)
- Accesso alla sfera: entrata laterale o entrata dall’alto (a seconda che si possa accedere alla sfera, per la manutenzione, dal lato della valvola o dalla sua parte superiore)
- Tipo di sede: metallica o morbida (teflon)
VALVOLA A SFERA FLOTTANTE
In una valvola flottante, la sfera è sospesa nel fluido che scorre ed è tenuta in posizione dalla compressione di due sedi elastomeriche contro di essa.
L’albero è collegato alla parte superiore della sfera e permette di passare da una posizione aperta a una chiusa con un movimento di un quarto di giro (90 gradi).
Quando l’albero si muove, un carico viene applicato alla sfera che viene premuta contro le sue sedi.
Questo design, leggero ed economico, è adatto a fori fino a 10 pollici: al di sopra di questo diametro, le sedi della valvola non sarebbero in grado di sopportare sfere sempre più pesanti e la valvola non funzionerebbe in modo sicuro ed efficiente.
Le valvole flottanti permettono una chiusura bidirezionale del flusso (come il tipo a cerniera).
(Fonte: Walworth Valves Youtube Channel)
VALVOLA A SFERA A TRUNNIONE
Le valvole a cerniera sono state introdotte per far fronte alle limitazioni delle dimensioni delle valvole flottanti standard descritte sopra. Infatti, in questo tipo di valvole l’albero, la sfera e la cerniera di supporto agiscono come un unico insieme solido in grado di sopportare i pesanti carichi generati da sfere di grandi dimensioni.
Oltre al vantaggio della flessibilità delle dimensioni, una valvola a perno è caratterizzata da una coppia di funzionamento inferiore rispetto al design di una valvola flottante (che può diventare un vantaggio quando la valvola deve essere azionata, poiché possono essere montati attuatori più piccoli ed economici per azionare la valvola).
Una valvola a sfera in acciaio inossidabile, tipo montato su perno
(Fonte: Robert Cort – Wartsila Valves Youtube Channel)
SIDE ENTRY VS. TOP ENTRY
Qual è la differenza tra una valvola a sfera con entrata laterale e una con entrata dall’alto?
Questi termini si riferiscono al modo in cui la sfera della valvola e le sue parti interne possono essere accessibili, dal lato (entrata laterale) o dall’alto (entrata dall’alto).
Le valvole a sfera flottanti e montate su perno sono disponibili con un design “side entry” e “top entry”.
Il design con entrata dall’alto è specificato quando sono previste frequenti attività di manutenzione in linea sulla valvola.
Questo è dovuto al fatto che le valvole a sfera con entrata dall’alto permettono un accesso più facile e veloce alla sfera e al trim della valvola rispetto alle valvole con entrata laterale (che richiedono più tempo e spazio di manutenzione per le stesse operazioni).
Le principali differenze tra queste due valvole a sfera sono:
- Le valvole a sfera con entrata dall’alto sono fabbricate, generalmente, con corpi in acciaio fuso; le valvole con entrata laterale sono fabbricate con corpi (robusti) in acciaio forgiato
- Le valvole a sfera con entrata dall’alto hanno una struttura monolitica (sono fatte da un solo pezzo); le valvole con entrata laterale hanno un assemblaggio di due o tre pezzi
- Le valvole a sfera con entrata dall’alto richiedono più test non distruttivi rispetto alle entrate laterali a causa dei loro corpi fusi;
- Le valvole a sfera ad entrata laterale sono più facili da assemblare e fabbricare di quelle ad entrata dall’alto, che richiedono una lunga esperienza e maestria per funzionare correttamente
- Le valvole a sfera ad entrata dall’alto sono generalmente più costose di quelle ad entrata laterale e hanno tempi di consegna più lunghi a causa delle operazioni di fusione necessarie per fabbricare il corpo
3-VIE
In genere, una valvola a sfera ha due entrate (o “due vie”).
Tuttavia, per alcune applicazioni, può essere specificata una valvola a sfera a 3 vie. Una valvola a sfera a 3 vie ha 3 porte (ingressi), invece di solo due.
Questo design multi-porta è necessario per deviare il fluido proveniente dall’ingresso della valvola principale in due direzioni diverse (invece di una sola), ciascuna servita da due uscite separate della valvola. Un’altra applicazione tipica di una valvola a sfera a 3 vie è quella di avere la linea di flusso principale servita da due ingressi separati e alternativi.
La sfera di una valvola a sfera a 3 vie può avere un design a L o a T come mostrato nell’immagine sottostante. Inoltre, questo tipo speciale di valvola a sfera è disponibile con design flottante o a perno, con qualsiasi tipo di estremità della valvola (flangiata, a bicchiere o con attacco filettato) e in vari materiali, dalla plastica al carbonio, alla lega e all’acciaio inossidabile.
PORTA PIENA VS PORTA RIDOTTA RIDOTTA
Questi concetti si riferiscono alla relazione tra il diametro del foro della valvola e il sistema di tubazioni collegato. Più in dettaglio:
- Il tipo “Full port” (FB) ha una dimensione del foro (il foro della sfera) che corrisponde alla dimensione del foro della tubazione collegata. Le valvole a sfera a passaggio pieno minimizzano la caduta di pressione generata dalle valvole a passaggio ridotto, ma sono ovviamente più ingombranti, pesanti e costose. Le valvole a sfera FB sono più adatte, rispetto alle valvole a sfera RB, per le applicazioni di strozzamento.
- Il tipo di valvola a sfera “a passaggio ridotto” (RB) ha un foro più piccolo di quello della tubazione collegata (per esempio un tubo). Il fluido che scorre attraverso la valvola è, in questo caso, limitato a una percentuale (generalmente tra il 70 e l’80%) del flusso completo nella tubazione. La valvola a sfera a passaggio ridotto crea una caduta di pressione nella tubazione.
MATERIALI
Questo tipo di valvola è disponibile con corpo fuso o forgiato (monoblocco, o diviso).
Generalmente, le valvole sotto i 2 pollici di diametro hanno 2 pezzi o tre pezzi di corpi forgiati (il più comune è ASTM A105 per servizio ad alta temperatura, ASTM A350 LF2 e LF3 per servizio a bassa temperatura e ASTM A182 F304, F316 per valvola in acciaio inossidabile o gradi superiori, come valvole duplex ASTM A182 F51 e super duplex ASTM A182 F53/F55).
I corpi forgiati sono utilizzati anche per le valvole ad alta pressione di dimensioni di alesaggio più elevate (con costruzione del corpo diviso in 2 o 3 pezzi).
Esempi di valvole a sfera forgiate (valvola di piccole dimensioni e in acciaio inossidabile con un corpo forgiato, montato su perno).
Le valvole di dimensioni superiori ai 2 pollici hanno un corpo fuso (i gradi più comuni sono ASTM A216 WCB per servizio ad alta temperatura, ASTM A352 per servizio a bassa temperatura e ASTM A351 CF8, CF8M per valvole in acciaio inossidabile fuso).
Il simbolo per questo tipo di valvola nei diagrammi P&ID è rappresentato qui sotto
