¿Qué es una válvula de globo?? – Soluciones de fundición a la cera perdida de precisión

1. Introducción

A válvula de globo Es una válvula de movimiento lineal que utiliza un disco móvil. (enchufar) que se asienta contra un asiento de anillo estacionario para regular el flujo.

Su configuración permite una aceleración precisa y un cierre relativamente hermético.; Los servicios típicos incluyen control de flujo., estrangulador, aislamiento con operación frecuente, y cuerpos de válvulas de control.
Las válvulas de globo siguen siendo las preferidas cuando se requiere un control de flujo preciso y un cierre positivo. (control de vapor, agua de alimentación, dosificación química, muestreo, y muchos arreglos de válvulas de control).

Se utilizan ampliamente en la generación de energía., petroquímico, aceite & gas, Industrias de tratamiento de agua y HVAC..

2. ¿Qué es una válvula de globo??

Descripción general de la estructura y el principio de funcionamiento..
Una válvula de globo típica consta de un cuerpo y un casquete. (alojamiento), un vástago que se traslada axialmente cuando se acciona, un disco o tapón unido al vástago, y un anillo de asiento fijado en el cuerpo..

El movimiento del disco perpendicular al asiento cambia el área de flujo.; La capacidad de estrangulamiento deriva del cambio progresivo del área de flujo anular entre el tapón y el asiento..

Usos típicos en sistemas de control de fluidos..

• Flujo estrangulador con buena controlabilidad. (P.EJ., regular el vapor, agua, flujo de gas).
• Servicio frecuente de encendido y apagado donde la estanqueidad es importante.
• Servicio donde la cavitación o el tapajuntas deben controlarse mediante etapas o accesorios especiales..
• Empleados como cuerpos de válvulas de control cuando están equipados con actuadores y posicionadores..

3. Construcción y componentes de la válvula de globo

Importancia del diseño para la presión., resistencia a la temperatura y a la corrosión.

La selección del material del cuerpo de la válvula debe coincidir con la presión/temperatura de diseño del sistema. (P.EJ., Clase ASME 150–2500) y la química de los fluidos (corrosión, erosión, fragilidad).

Los asientos y adornos se eligen para equilibrar la vida útil del sellado y la. desgaste/erosión; en servicio de vapor, revestimientos duros (Stellite) Son comunes para resistir la erosión y la cavitación..

4. Tipos de válvulas de globo

Las válvulas de globo no son una sola, producto de talla única: su geometría, El ajuste interno y el accionamiento se adaptan a las necesidades de la aplicación. (Bajas pérdidas frente a una aceleración precisa, alto ΔP versus servicio criogénico, control manual versus automatizado).

Por patrón de flujo (geometría del cuerpo)

Recto (T-type) válvula de globo

Geometría: Los puertos de entrada y salida están alineados axialmente.; El flujo sube a través del asiento y sale en la misma dirección general..Características & pros

• La geometría del globo más simple, cuerpo compacto.
• Buen control de aceleración con características Cv predecibles.
  Limitaciones
• La mayor pérdida de presión de las variantes de globo porque el flujo debe invertirse o cambiar de dirección en la trayectoria del asiento..
• Mayor par de funcionamiento y actuadores más grandes para un tamaño/Cv determinado.
  Uso típico
• Válvulas pequeñas a medianas donde la disposición de las tuberías es recta y se necesita una regulación precisa.

Válvula de globo en ángulo

Geometría: Los puertos de entrada y salida forman aproximadamente un ángulo de 90° dentro del cuerpo.; el asiento se encuentra en la esquina para que el flujo gire una vez.
Características & pros

• Beneficio del diseño de tuberías: reemplaza un codo, guardar una brida y un segmento de tubería.
• Menos resistencia a los sólidos y partículas suspendidas que el globo recto porque el flujo no se invierte tan bruscamente.
• Bueno para drenajes en curso y servicios donde la descarga debe mirar hacia abajo.
  Limitaciones
• Caída de presión aún mayor que las válvulas de compuerta/bola; El tamaño del cuerpo puede ser grande para un Cv alto..
  Uso típico
• Lodos, respiraderos de vapor, líneas de muestra/drenaje, servicios con sólidos arrastrados.

Válvula de globo en forma de Y (tallo oblicuo)

Geometría: el vástago y el tapón están en ángulo (~30°–45°) al eje de flujo; el recorrido del flujo es más recto que el de los globos rectos.

Características & pros

• Resistencia al flujo reducida (bajar K) y un par de operación más bajo que el globo recto; a menudo, entre un 20 % y un 60 % menos de resistencia hidráulica, según el ajuste..
• Mejor para un mayor flujo con necesidades de regulación; A menudo se elige cuando la caída de presión es una preocupación pero aún se requiere control de globo..
  Limitaciones
• Geometría de capó/empaque ligeramente más compleja; menos compacto que el globo recto en algunos tamaños.
  Uso típico
• Válvulas de control más grandes, Servicios donde se requiere un compromiso entre la precisión de la aceleración y un ΔP más bajo..

Por operación / Actuación

Manual (volante / caja de cambios)

Pros: simple, bajo costo, robusto; control local inmediato.
Contras: par limitado (no apto para válvulas grandes/alto ΔP), funcionamiento manual no apto para procesos automatizados.
Aplicaciones: aislamiento, servicios públicos, pequeñas tareas de estrangulamiento.

Actuadores neumáticos

Pros: respuesta rápida, alto empuje para el tamaño, Intrínsecamente seguro en muchas instalaciones., fácil de cerrar o abrir en caso de fallo con retorno por resorte.
Contras: requiere aire para instrumentos; Posicionador necesario para control proporcional..
Aplicaciones: control de procesos en química, petroquímico, plantas de energía.

Actuadores electricos

Pros: control de posición preciso, Fácil integración con sistemas digitales., No se requiere aire comprimido.
Contras: más lento que el neumático, Es posible que necesite cajas de cambios para un par elevado., Se deben abordar los riesgos eléctricos en algunas áreas..
Aplicaciones: mando a distancia, donde la precisión y el diagnóstico son importantes.

Actuadores hidráulicos

Pros: empuje muy alto y accionamiento rápido para válvulas muy grandes o ΔP muy alto.
Contras: complejidad, potencial de fuga, y necesidad de unidad de potencia hidráulica.
Aplicaciones: submarino, válvulas de aislamiento grandes, válvulas industriales de alta fuerza.

Por acabado y diseño interno (subtipos funcionales)

Trim define el comportamiento de control, Resistencia a la cavitación y vida erosiva..

• disco plano / tapizado de asiento plano: simple, robusto; Bueno para estrangulamiento general pero resistencia a la cavitación limitada..
• Tapón/guarnecido de tapón redondeado: característica de flujo más suave y mejor sellado para tareas de control.
• Aguja / moldura guiada por vástago: control fino a flujos bajos (aplicaciones de instrumentación).
• multietapa / adorno de jaula: Divide la caída de presión entre etapas para reducir la cavitación., Ruido y erosión: esenciales para servicios de control de alto ΔP.
• Diseños de enchufes equilibrados: Incluye pasajes de compensación de presión para reducir las fuerzas axiales netas y el torque del vástago en válvulas de alta presión diferencial..

Diseños de válvulas de globo especiales

Válvulas de globo criogénicas

Características de diseño: Bonetes extendidos para mantener el embalaje por encima de la zona fría., materiales compatibles con bajas temperaturas (acero inoxidable austenítico, sellos especiales), derechos de expansión térmica controlados.
Solicitud: GNL, almacenamiento y transferencia criogénica.
Nota clave: La selección del empaque y del actuador es crítica debido a la fragilización del material a bajas temperaturas..

De alta presión / válvulas de globo de alta temperatura

Características de diseño: cuerpos forjados o piezas fundidas pesadas, capós atornillados/soldados, pernos de alta resistencia, asientos de metal con metal o revestimiento duro (Stellite).
Solicitud: turbinas de vapor, cabezales de alta presión, calderas supercríticas.
Nota clave: El crecimiento térmico y el sellado a alta temperatura requieren una cuidadosa combinación de materiales y diseño del casquete..

Controlar cuerpos de válvulas de globo (servicio de modulación)

Características de diseño: moldura de ingeniería (igual porcentaje, lineal), montaje del posicionador, adornos anticavitación, atenuación de ruido.
Solicitud: bucles de control de proceso para flujo, presión, temperatura y nivel.
Métrica de rendimiento: controlar la variabilidad con frecuencia 50:1 a 200:1 dependiendo del acabado.

anticavitación / diseños atenuadores de ruido

Características de diseño: caída de presión por etapas, pasajes del laberinto, y adornos que disipan energía para reducir la erosión por cavitación y el ruido..
Solicitud: servicio de gas de alto ΔP, estrangulamiento de líquidos intermitentes.

Válvulas de globo con asiento metálico versus válvulas de globo con asiento blando

• Con asiento de metal: temperaturas extremas, fluidos erosivos; margen de fuga robusto pero mayor.
• Asiento blando (Ptfe, RTFE, OJEADA): Sellado hermético a bajas temperaturas y presiones.; Limitado a la compatibilidad química y la clasificación de temperatura del material del asiento..

5. Principio de trabajo

Control de flujo mediante movimiento perpendicular del disco..

A medida que el disco se eleva del asiento, se forma una trayectoria de flujo anular. El cambio en el área de flujo no es lineal., permitiendo un control preciso cerca de posiciones cerradas y mayores caudales cuando están más abiertas.

Caída de presión y comportamiento de estrangulamiento..

Las válvulas de globo producen intrínsecamente una mayor caída de presión que las válvulas de paso directo porque el flujo debe cambiar de dirección y pasa a través de la restricción..

El coeficiente de pérdida de carga. (K) para una válvula de globo es típicamente varias veces mayor que para una válvula de compuerta o de bola del mismo tamaño; esto las hace efectivas para estrangular pero ineficientes para aplicaciones de pérdida de presión mínima.

Comparación de eficiencia de flujo

La eficiencia del flujo en las válvulas se expresa comúnmente mediante la coeficiente de flujo (CV), definido como el volumen de agua en galones por minuto (gpm) que fluye a través de una válvula en 1 caída de presión psi (ΔP).

Un Cv más alto corresponde a una menor resistencia y una mejor eficiencia del flujo..

Válvulas de globo, aunque excelente para acelerar, exhiben una mayor caída de presión en posiciones completamente abiertas en comparación con otros tipos de válvulas.

6. Parámetros clave de rendimiento

Clasificación de presión

Clásico Clases de presión ANSI/ASME: 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. Espesor de la pared de la válvula, El diseño de pernos y asientos sigue estas clases y tensiones permitidas de materiales..

Coeficiente de flujo & rangobilidad

• CV utilizado para dimensionar; rangobilidad (rechazar) de ajustes de control típicamente 50:1–200:1 dependiendo del tipo de acabado (puerto único, jaula, multietapa).

Resistencia a la temperatura y a la corrosión.

Las temperaturas de servicio varían según los materiales y el embalaje.. Límites de ejemplo (aprox.):

• Acero carbono: hasta ~450 °C para servicio continuo (depende de la aleación).
• Acero inoxidable austenítico (304/316): hasta ~800–900 °C para servicio intermitente, pero el empaque y los sellos limitan la temperatura continua.
  Para productos químicos agresivos utilice dúplex., super dúplex, aleaciones de níquel (Monel, Hastelloy), o recubrimientos especiales.

Clase de fuga y pruebas.

• API 598 (Inspección y prueba) Se utiliza comúnmente para pruebas de presión. (carcasa y asiento).
• Fuga de asiento: Para válvulas de asiento blando (PTFE/RTFE), puede ser hermético; Para válvulas con asiento metálico, las tasas de fuga son más altas, pero están diseñadas para resistir altas temperaturas y erosión..
  Para válvulas de control, Los estándares IEC/ISA definen métricas de rendimiento de asientos y fugas. Especifique siempre la fuga máxima permitida requerida en la adquisición..

7. Procesos de fabricación de válvulas de globo

La producción de válvulas de globo es un proceso de varios pasos que combina metalurgia, mecanizado de precisión, y garantía de calidad para garantizar un rendimiento confiable bajo alta presión, a alta temperatura, o condiciones corrosivas.

El proceso de fabricación afecta directamente a la durabilidad de la válvula., rendimiento de fuga, y eficiencia operativa.

Fabricación del cuerpo y del capó de la válvula de globo

1. Fundición o Forja:

• Fundición de arena: Común para acero al carbono., acero inoxidable, y válvulas de hierro dúctil. Adecuado para formas corporales complejas y presiones moderadas..
• Casting de inversión: Utilizado para más pequeños, Válvulas de alta precisión que requieren conductos internos complejos y tolerancias estrictas..
• Forja: Aplicado a válvulas de alta presión o alta temperatura. (Clase ANSI 900 y arriba) Para una fuerza superior, densidad, y resistencia a la fatiga.

2. Tratamiento térmico:

• Alivio del estrés, normalización, o recocido para reducir las tensiones residuales y mejorar las propiedades mecánicas.
• Es fundamental que los componentes forjados eviten la distorsión durante el mecanizado y mantengan la estabilidad dimensional..

Mecanizado

Objetivo: Logre tolerancias precisas en las superficies de sellado, orificio, caras de brida, y pasajes de flujo interno.

Operaciones de mecanizado comunes:

• Girando y aburrido: Para orificios de cuerpo y capó, guías de vástago, e interfaces de disco.
• Molienda: Para caras de brida, patrones de pernos, y superficies de montaje del actuador.
• Molienda / Cojinete: Las superficies del asiento y del disco están rectificadas o traslapadas para lograr un sellado hermético y una geometría de contacto adecuada..
• Enhebrado: Roscas internas y externas para vástago., nueces de embalaje, y sujetadores.

Consideración clave: Las tolerancias dimensionales afectan directamente la estanqueidad de la válvula y el par de funcionamiento.. Las tolerancias típicas de la superficie de sellado son ±0,05 mm para asientos de metal con metal..

Fabricación de molduras

Componentes: Disco/enchufe, anillo de asiento, provenir, jaula (si el ajuste es de varias etapas), y bujes.

Procesos:

• Mecanizado CNC: Conformación de discos de alta precisión, asiento, y adornos de jaula.
• Ruidoso / Superposición de estelita: Aplicado sobre superficies de disco o asiento para mejorar la resistencia al desgaste y a la cavitación..
• Equilibrio / Perforación: Los tapones con presión equilibrada pueden tener orificios perforados con precisión para reducir las cargas axiales del vástago..

Controles de calidad: Aspereza de la superficie, concentricidad, y las pruebas de dureza son fundamentales para el rendimiento a largo plazo.

Asamblea

Pasos:

1. Instalación de vástago y disco: Inserte el vástago en el capó y conecte el disco/tapón.
2. Montaje de empaquetadura y prensaestopas: Instale los anillos de empaque y la brida del prensaestopas para garantizar un funcionamiento sin fugas a lo largo del vástago..
3. Instalación del capó: Atornillar el capó al cuerpo con junta o junta tórica.
4. Montaje del actuador: Adjuntar manual, eléctrico, neumático, o actuador hidráulico según sea necesario.

Mejores prácticas:

• Utilice herramientas de alineación para evitar que el vástago se doble o que el disco se desalinee.
• Apriete los pernos en forma cruzada para asegurar un sellado uniforme..

Pruebas y control de calidad

Pruebas hidrostáticas: Carcasa y asiento probados según API 598 para validar la integridad de la presión.

Pruebas de fugas:

• Válvulas de asiento blando: Pruebas herméticas.
• Válvulas con asiento de metal: Fugas permitidas definidas por aplicación; a menudo <0.5% de caudal nominal.

Pruebas no destructivas (NDT):

• Penetrante de tinte, partícula magnética, radiografía, o inspección ultrasónica para detectar defectos de fundición o soldadura.

Pruebas de flujo y funcionales:

• Algunas válvulas se someten a verificación de Cv, pruebas de accidente cerebrovascular, y calibración del actuador para confirmar el rendimiento operativo.

Tratamiento de superficie y acabado

• Cuadro / Revestimiento epoxi: Protección externa contra la corrosión para válvulas de acero al carbono..
• Pasivación: Válvulas de acero inoxidable para eliminar el hierro libre y mejorar la resistencia a la corrosión..
• Electro Excripción / Recubrimiento de PTFE: Opcional para superficies mojadas para reducir la fricción y el ataque químico..

8. Ventajas de las válvulas de globo

Las válvulas de globo ofrecen beneficios únicos que las hacen irremplazables en el control de flujo de precisión.:

• Regulación precisa: Precisión de flujo de ±1–2%, VS. ±5–10% para válvulas de bola. Crítico para procesos como el mantenimiento 0.5% variación de carga de turbinas en centrales eléctricas.
• Sellado bidireccional: Puede aislar el flujo en cualquier dirección (a diferencia de las válvulas de compuerta, que sellan en una dirección). Reduce la complejidad y el costo de las tuberías..
• Fácil mantenimiento: Componentes internos (desct, asiento, embalaje) son reemplazables sin quitar la válvula de la tubería. Reduce el tiempo de mantenimiento en 50% VS. válvulas de bola soldadas.
• Cierre apretado: Los diseños con asiento blando alcanzan la norma ISO 5208 Fuga de clase VI, Adecuado para fluidos tóxicos o estériles..
• Amplia gama de aplicaciones: Compatible con todos los fluidos (líquidos, gases, lavas) y condiciones de funcionamiento (-269°C a 1.090°C, 0–4200 psi).

9. Limitaciones de las válvulas de globo

A pesar de sus fortalezas, Las válvulas de globo tienen inconvenientes que limitan su uso en determinadas aplicaciones.:

• Mayor caída de presión: ΔP es 5–10 veces mayor que las válvulas de compuerta/bola (P.EJ., 18 psi frente a. <1 psi para una válvula de 2 pulgadas en 100 gpm). Aumenta los costos de energía de la bomba entre un 10% y un 15% para sistemas de alto flujo.
• Mayor tamaño y peso: Una válvula de globo de 2 pulgadas pesa entre un 30% y un 50% más que una válvula de bola del mismo tamaño (P.EJ., 25 libras vs.. 17 lbs). Aumenta los costos de instalación y los requisitos de espacio..
• Actuación más lenta: Las válvulas de globo manuales requieren entre 30 y 60 segundos para abrirse o cerrarse, VS. 1–5 segundos para válvulas de bola. No apto para paradas de emergencia (ESDS).
• No es ideal para apertura/cierre total de alto flujo: El Cv es entre 5 y 10 veces menor que el de las válvulas de bola/compuerta., haciéndolos ineficientes para tuberías de gran diámetro (≥12 pulgadas).

10. Aplicaciones industriales de válvulas de globo

Generación de energía (vapor & agua). Las válvulas de globo controlan el agua de alimentación., Rutas de vapor de derivación y turbina..

Servicio tipico: vapor a 10–160 bar y hasta 520 ° C (Los materiales deben seleccionarse en consecuencia.).

Petroquímico & químico. Estrangulamiento de fluidos corrosivos, control de flujos de dosificación, y aislamiento de muestras. Materiales como Hastelloy o acero inoxidable dúplex son comunes.

HVAC & tratamiento de agua. Equilibrio, Aislamiento y control dentro de sistemas de agua fría y calefacción urbana..

Aceite & tuberías de gases & refinación. Regulación de flujo, Control de inyección y sistemas de seguridad controlados por válvulas. (Variantes de válvulas de control con lógica ESD).

Otro: farmacéutico, pulpa & papel, sistemas marinos, Criogénica (con diseño especial).

11. Comparación con otros tipos de válvulas

12. Innovaciones y tendencias recientes

Válvulas de globo inteligentes y automatizadas

• Integración de IoT: Válvulas equipadas con presión, temperatura, y sensores de vibración (P.EJ., Emerson Rosemount 3051) Transmitir datos en tiempo real a los sistemas SCADA.
  Los algoritmos de IA predicen el desgaste de los asientos (3–6 meses de antelación) y riesgo de cavitación, reduciendo el tiempo de inactividad no planificado por 30%.
• Actuación inalámbrica: Actuadores eléctricos con batería (10-vida anual) permitir la operación remota en ubicaciones remotas o en alta mar, Eliminar los costos de cableado ($50,000+ por válvula).

Innovación de materiales

• Compuestos de matriz de cerámica (CMCS es el mejor): Los cuerpos CMC soportan 1.200°C (VS. 815°C para Hastelloy C276), Adecuado para reactores nucleares de próxima generación y sistemas de combustible de aviones hipersónicos..
• Asientos mejorados por grafeno: Asientos ptfe con 0.1% Aumento de grafeno Aumento de la resistencia al desgaste por 50%, extender la vida del ciclo de 10,000 a 15,000 ciclos.

3Componentes impresos en D

• Fabricación aditiva: 3Discos guiados por jaula con impresión D (Proceso SLM) con puertos de flujo complejos (P.EJ., canales de caída de presión de múltiples etapas) mejorar la precisión de aceleración 20% VS. discos mecanizados.
• Prototipos rápidos: 3Los patrones de cera impresos en D para fundición a la cera perdida reducen el tiempo de entrega desde 4 semanas para 2 días para diseños de válvulas personalizados.

13. Desarrollos futuros

Industria 4.0 Integración

• Gemelos digitales: Réplicas virtuales de válvulas de globo (Tenía E3D) simular el rendimiento en condiciones variables (presión, temperatura), optimizar los horarios de mantenimiento y reducir la revisión por 20%.
• Mantenimiento predictivo: Los modelos de aprendizaje automático analizan los datos de los sensores para predecir fallas con 90% exactitud, Permitir el mantenimiento basado en condiciones. (VS. basado en el tiempo).

Diseños livianos y de alta eficiencia

• Cuerpos Compuestos: Polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) los cuerpos reducen el peso 40% VS. metal, Ideal para sistemas de fluidos aeroespaciales y automotrices..
• Válvulas de patrón en Y de bajo ΔP: Las rutas de flujo optimizadas por CFD reducen la caída de presión en 20% VS. diseños tradicionales en forma de Y, reducir los costos de energía de la bomba 15%.

Soluciones medioambientales y energéticamente eficientes

• Embalaje de bajas emisiones: La empaquetadura híbrida de grafito y PTFE reduce las emisiones fugitivas al 95%, Cumplir con las últimas regulaciones de gases de efecto invernadero de la EPA. (40 Parte CFR 63).
• Materiales reciclados: 90% Los cuerpos de acero inoxidable reciclado reducen la huella de carbono al 40% VS. acero virgen, alinearse con objetivos netos cero.

14. Conclusión

Las válvulas de globo son indispensables cuando se requiere una regulación precisa del flujo y un cierre confiable.

Su diseño ofrece una capacidad de control excepcional, pero a costa de una mayor caída de presión y actuadores más grandes..

Selección correcta de materiales., La configuración de los internos y el tamaño del actuador son fundamentales para una larga vida útil y un bajo costo del ciclo de vida..

Avances recientes en actuación inteligente, El diseño de internos y la ciencia de materiales continúan ampliando la utilidad de las válvulas de globo en procesos agresivos y exigentes..

Preguntas frecuentes

¿Cómo dimensiono una válvula de globo para una línea de proceso??

Determinar el caudal requerido, Propiedades del fluido y caída de presión permitida..

Utilice ecuaciones de dimensionamiento de Cv (Cv = Q √(SG/ΔP) para equivalentes de agua) y consultar curvas de rendimiento de equipamiento de los fabricantes.

¿Las válvulas de globo son adecuadas para servicio de apertura y cierre??

Sí, proporcionan un buen cierre. Para encendido/apagado rápido en diámetros grandes, Las válvulas de bola o mariposa pueden ser más económicas..

¿Cuál es el requisito de torque típico para una válvula de globo??

El par depende del tamaño de la válvula, caída de presión, tipo de asiento y eficiencia del actuador.

Por ejemplo, un globo pequeño de 1″ a 2″ puede requerir <50 Nuevo Méjico, mientras que las válvulas de 6″–12″ a alta presión pueden requerir de varios cientos a miles de N·m. Utilice siempre las curvas de torsión del fabricante..

¿Cómo manejan las válvulas de globo la cavitación??

Los adornos estándar pueden erosionarse bajo la cavitación.. Utilice internos de múltiples etapas o anticavitación., estrangulamiento por etapas, o reducir el ΔP a través de la válvula para mitigar la cavitación.

¿Se puede convertir una válvula de globo en una válvula de control??

Sí, muchas válvulas de globo están diseñadas como cuerpos de válvulas de control y aceptan actuadores., posicionadores y trims de control.

La especificación de la válvula de control debe considerar la capacidad de rango, CV, protección contra ruido y cavitación.