Válvulas de diafragma versus válvulas de bola: cómo cada una sirve para aplicaciones de tuberías industriales

Una línea de 50 mm que mueve lechada de cal con un 15% de sólidos atascará una válvula de bola en cuestión de semanas, porque los sólidos se acumulan en la cavidad anular entre la bola y sus asientos. Instale una válvula de diafragma tipo vertedero en la misma línea y se abrirá y cerrará durante años sin reemplazar nada excepto el diafragma. Realice la misma comparación en un cabezal de agua de refrigeración limpio y la respuesta será la inversa: el vertedero del diafragma estrangula la línea y acciona el elastómero, mientras que una válvula de bola de puerto completo se abre en un cuarto de vuelta casi sin pérdida de presión.

Ambos cuerpos de válvula tienen una clasificación de presión nominal similar y ambos se atornillan con el mismo patrón de brida, que es exactamente la razón por la que los dos se confunden en los pedidos. La verdadera diferencia radica en lo que le sucede al fluido cuando la línea deja de moverse.

¿Qué separa una válvula de diafragma de una válvula de bola?

Una válvula de bola sella al girar una esfera perforada contra dos asientos, mientras que una válvula de diafragma sella presionando un diafragma flexible sobre un vertedero elevado, de modo que el fluido del proceso nunca llegue al vástago o al actuador.

De esa geometría se derivan tres consecuencias, y juntas establecen la mayoría de las especificaciones reales incluso antes de que se discuta el precio.

• Dónde se asienta el líquido. Una válvula de bola deja una cavidad entre la bola y la pared del cuerpo que se llena de producto y no puede drenar. Una válvula de diafragma de vertedero no tiene una cavidad de asiento de este tipo, aunque el propio recipiente del vertedero conserva un pequeño volumen residual.
• Cómo se sella el tallo. Una válvula de bola se basa en juntas tóricas o empaquetaduras alrededor de un vástago giratorio, un sello dinámico que ve el medio. Una válvula de diafragma no tiene ningún sello de vástago dinámico: el diafragma es la única barrera entre el fluido y la atmósfera.
• Cómo acelera la válvula. Una válvula de bola es un dispositivo de encendido/apagado y, al mantenerla parcialmente abierta, se dirige un chorro de alta velocidad al asiento aguas abajo. Una válvula de diafragma acelera limpiamente porque el diafragma se puede estacionar en cualquier punto de su carrera.

Cómo cada diseño cierra el flujo

Una válvula de bola se cierra con una rotación de 90 grados de una esfera, mientras que una válvula de diafragma se cierra con varias vueltas de volante empujando un diafragma hacia abajo sobre un vertedero.

Válvula de bola: carrera corta, paso total, asientos expuestos

Una válvula de bola de puerto completo tiene un diámetro interior igual al diámetro interior de la tubería, por lo que la caída de presión a través de una válvula abierta es cercana a la de una longitud de tubería equivalente. La carrera de un cuarto de vuelta hace que sea rápido de operar, fácil de automatizar y visualmente inequívoco desde la posición del mango. La desventaja es que los asientos se ubican en el camino del flujo. Cualquier partícula que se aloje en un asiento se presiona contra el elastómero en el siguiente cierre, y cada ciclo profundiza la contaminación.

Válvula de diafragma: carrera larga, sin empaquetadura, fluido aislado

Un compresor con un vástago roscado sujeta el diafragma en la unión del cuerpo al capó, por lo que una válvula manual necesita varias vueltas para pasar de abierta a cerrada. Nada en el mecanismo toca el medio: ni empaquetadura, ni juntas tóricas del vástago, ni anillos de asiento. Esa única barrera es la razón por la que las válvulas de diafragma resisten la química agresiva y también es la razón por la que toleran la estrangulación. El costo es hidráulico. Un cuerpo de vertedero estrecha la trayectoria del flujo y añade caída de presión, mientras que un cuerpo recto recupera la altura a expensas de una carcasa más grande y un comportamiento diferente del diafragma.

Dónde las válvulas de bola son la decisión correcta

Una válvula de bola es la elección correcta cuando el fluido está limpio, la tarea es el aislamiento de encendido/apagado y la línea necesita un diámetro cercano al tamaño de la tubería con una pérdida de presión mínima.

En plantas de proceso, patines de tratamiento de agua y líneas de productos químicos no metálicos, cubre más posiciones instaladas que cualquier otro tipo de válvula:

• Aislamiento de bombas y tanques en agua limpia, agua desmineralizada, salmuera y líneas de dosificación, donde la válvula está completamente abierta o completamente cerrada.
• Servicio de alto ciclo , porque un actuador de cuarto de vuelta realiza menos trabajo por operación y alcanza el cierre total en un solo movimiento.
• Líneas enrojecidas o pigged , porque un orificio de puerto completo no deja obstrucciones para un hisopo o un raspador.
• Cabezales de baja caída de presión , donde un vertedero agregaría una pérdida de carga que la bomba no puede compensar.

Es predecible dónde falla la válvula de bola. Cualquier fluido que se deposite, cristalice o se desgaste encontrará el asiento: una solución de sal cristalizada puede bloquear una válvula de bola en unos pocos ciclos térmicos, y una suspensión abrasiva pule la bola hasta que la válvula ya no sella en la posición cerrada.

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Donde las válvulas de diafragma ganan su costo

Una válvula de diafragma es la elección correcta cuando el fluido puede sedimentar, cristalizar, desgastar o atacar los asientos de elastómero de una válvula rotativa y cuando la línea puede absorber la caída de presión adicional.

El diseño mantiene exactamente un componente flexible en contacto con el medio y mantiene alejadas de él todas las superficies mecanizadas:

• química corrosiva como ácidos minerales, cáusticos, hipoclorito de sodio y corrientes de ácidos mixtos manejados en cuerpos de UPVC o CPVC.
• Lodos y suspensiones como cal, carbonato de calcio, retrolavado de filtros y lodos de hidróxido metálico provenientes de la neutralización de aguas residuales.
• Medios viscosos y fibrosos. , donde una válvula de bola esparciría producto sobre los asientos.
• Puntos de estrangulamiento y muestreo , donde una apertura parcial estable importa más que un golpe corto.
• Líneas de alta pureza , porque no hay empaquetaduras que puedan tener fugas ni grietas en el asiento que atrapen los residuos.

La limitación merece una línea en la hoja de datos. El diafragma es el límite de presión, por lo que el techo de presión y temperatura de la válvula es el techo del diafragma, no el del cuerpo.

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Cómo combinar la válvula con un sistema de tuberías no metálicas

En los sistemas de UPVC y CPVC, el material del cuerpo rara vez es el factor limitante; el elastómero, el estándar de brida y la reducción de presión-temperatura suelen serlo.

Las válvulas termoplásticas se especifican por el compuesto del cuerpo y por el estándar al que se atornillan. Un cuerpo de válvula de CPVC maneja la misma química que el Tubería de presión de CPVC donde se asienta, y el detalle de la conexión importa tanto como la propia válvula: casquillos de cemento solvente para líneas más pequeñas, cuerpos con bridas por donde debe salir la válvula para reemplazar el diafragma y revestimiento DIN o ANSI que debe coincidir con la perforación de la brida de acoplamiento.

ISO 15493 proporciona el marco para los componentes de tuberías industriales de PVC-C, y la reducción de presión y temperatura que se deriva de ella es la fuente más común de errores de especificación excesiva. Las curvas de CPVC publicadas reducen la presión permitida a aproximadamente la mitad de la clasificación de 23 C por 60 C, y aproximadamente a una cuarta parte cerca del límite superior del material. Esa reducción se aplica tanto a la válvula como a la tubería, y nuevamente se aplica al diafragma, que es un material más blando que el cuerpo.

Automatización, ciclo de vida y coste total de propiedad

El costo de actuación depende del par y la carrera, y la carrera lineal de una válvula de diafragma con un par predecible suele ser más sencilla de automatizar que una válvula de bola cuya fricción del asiento aumenta con la presión y la contaminación.

Torque y carrera del actuador

Una válvula de bola necesita suficiente torque para romper el contacto del asiento, y ese torque aumenta con la presión diferencial, el material del asiento y cualquier producto alojado en el asiento. Por lo tanto, los actuadores neumáticos y eléctricos tienen un margen de seguridad que aumenta a medida que la válvula envejece. Una válvula de diafragma necesita una fuerza lineal que es en gran medida función de la presión de la línea y el área del diafragma, lo que hace que el tamaño del actuador sea más predecible, pero su carrera es más larga y el actuador tiene que recorrer más distancia para obtener el mismo resultado.

¿Qué es lo que realmente impulsa el costo del ciclo de vida?

Durante un período de cinco años, el precio de compra es una pequeña parte del total. Predominan tres elementos: las piezas de repuesto, el tiempo de inactividad necesario para instalarlas y el coste de una fuga que llegue al medio ambiente. Se espera que una válvula de diafragma para lodos consuma diafragmas como pieza de desgaste, razón por la cual el cuerpo debe permitir el reemplazo sin cortar la tubería. Es posible que nunca se abra una válvula de bola en agua limpia, pero un asiento rayado en una línea abrasiva convierte una válvula de bajo costo en un elemento de mantenimiento recurrente.

El diseño del sellado es donde los dos diseños difieren más en la vida útil. La geometría del asiento, el acabado de la superficie de la bola y la precarga determinan si una válvula de bola aún mantiene un sello hermético después de miles de ciclos, y vale la pena revisar esos detalles antes de cualquier orden de compra; el Diseño de rendimiento de sellado de válvulas de bola con bridas de CPVC explica qué características importan.

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Cinco pasos para especificar la válvula correcta

Cinco comprobaciones, realizadas en este orden, resuelven la elección antes de solicitar una cotización.

Preguntas prácticas que hacen los compradores

¿Se pueden cambiar una válvula de bola y una válvula de diafragma una por una en la misma línea?

Mecánicamente, sólo si la longitud entre caras y la perforación de la brida coinciden, y a menudo no es así. Operacionalmente, el trabajo cambia: una válvula de diafragma instalada donde se quitó una válvula de bola de puerto completo agrega caída de presión y reduce el flujo máximo, mientras que una válvula de bola en una línea de lodo se atasca. Generalmente se requiere una pieza de carrete para un cambio.

¿Qué válvula maneja mejor los sólidos?

La válvula de diafragma, sin calificación. Una válvula de bola atrapa partículas entre la bola y el asiento y dentro de la cavidad del cuerpo; una válvula de diafragma no tiene cavidad de asiento y se cierra apretando la trayectoria del flujo. El límite práctico para una válvula de diafragma es el tamaño de las partículas en relación con la abertura del vertedero, no la presencia de sólidos.

¿A qué temperatura el elastómero se convierte en límite?

Para EPDM en servicio acuoso continuo, el techo práctico se sitúa entre 90 C y 100 C, que normalmente se alcanza antes del límite del cuerpo de CPVC. Los diafragmas revestidos de PTFE extienden la resistencia química más allá del rango de temperatura. Debido a que el diafragma es el límite de presión, su clasificación debe verificarse por separado de la clasificación de la tubería.

¿Qué válvula es más barata de tener en cinco años?

La respuesta depende del fluido y el cruce es brusco. En tareas de aislamiento de agua limpia, la válvula de bola gana en precio de compra y rara vez necesita piezas. En trabajos con lodos o productos químicos agresivos, la frecuencia de reemplazo de la válvula de bola generalmente excede el costo de las piezas de la válvula de diafragma, porque el diafragma es un elemento de desgaste económico, mientras que el asiento y la bola no lo son.

Ninguna válvula es una respuesta universal. Un sistema no metálico bien diseñado utiliza ambos, colocados donde su geometría realmente se adapta al fluido.