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Introducción a la válvula de bola: características estructurales, análisis de fallas, aplicaciones

Ball Valve Introduction: Structural Features, Failure Analysis, Applications

Introducción a la válvula de bola: características estructurales, análisis de fallas, aplicaciones

20 de agosto de 2025

Las válvulas de bola, que surgieron en la década de 1950, se han convertido rápidamente en una categoría importante de válvulas en unas pocas décadas. Las primeras válvulas de bola evolucionaron a partir de válvulas de tapón, utilizando una bola en lugar de un tapón para controlar el flujo de fluido. El área de paso de flujo dentro de la válvula coincide con el diámetro de la tubería, lo que permite que el fluido pase directamente con una caída de presión mínima. La operación de completamente abierto a completamente cerrado requiere solo un giro de 90 ° del vástago de la válvula. El conjunto de la válvula consta de algunos componentes diferentes, lo que facilita su mantenimiento y reparación. Las válvulas de bola son muy adecuadas para transportar fluidos como líquidos y gases. Sin embargo, como los asientos suelen estar hechos de caucho, nailon o PTFE, la temperatura de funcionamiento generalmente se limita a menos de 200 °C. Para lodos, sólidos o medios de alta temperatura, se deben usar asientos metálicos. Hoy en día, las válvulas de bola se aplican ampliamente en diversos campos, como la petroquímica.
 
I.. Clasificación de la válvula de bola
1. Por estructura: Clasificadas en válvulas de bola flotantes y de muñón según el mecanismo de soporte.
2. Por montaje: Dividido en válvulas de bola de entrada superior, entrada lateral (una pieza, dos piezas, tres piezas) y en ángulo según el método de instalación de bola.
3. Por estructura de bola: Incluye válvulas de bola integrales, bolas segmentadas y bolas con puerto en V (bola de segmento arqueado, bola de segmento elíptico).
4. Por paso de flujo: Clasificadas en válvulas de bola de dos vías, tres vías y cuatro vías.
5. Por material del asiento: Dividido en válvulas de bola de sello blando y de sello duro según el material de las partes internas (principalmente el asiento).
6. Por actuación: Incluye válvulas de bola manuales, neumáticas, eléctricas e hidráulicas.
7. Por aplicación: Categorizado en válvulas de bola de vacío, válvulas de bola criogénicas, válvulas de bola de alta temperatura, válvulas de bola de camisa aislada y válvulas de bola revestidas resistentes a la corrosión.

Las válvulas de bola se pueden clasificar de muchas maneras. Las categorías más comunes son cuatro: válvulas de bola flotantes de sello blando, válvulas de bola flotantes de sello duro, válvulas de bola de sello suave de muñón y válvulas de bola de sello duro de muñón, como se ilustra.
Fleyenda Flow Floating Soft-Seal Ball ValveFleyenda Flow Floating Hard-Seal Ball Valve
Fleyenda Flow Fixed Soft-Seal Ball ValveFleyenda Flow Fixed Hard-Seal Ball Valve

II.. Características de las válvulas de bola

En comparación con otros tipos de válvulas, las válvulas de bola tienen varias ventajas. En primer lugar, tienen una alta capacidad de flujo. Las válvulas de bola están disponibles con configuraciones de paso reducido y total, e independientemente del diseño, generalmente tienen un bajo coeficiente de resistencia al flujo. En segundo lugar, ofrecen un funcionamiento rápido y sencillo. Por lo general, una rotación de 90 ° del vástago de la válvula es suficiente para abrir o cerrar completamente la válvula, lo que permite una actuación rápida. Además, las válvulas de bola están equipadas con un diseño de vástago anti-explosión para garantizar un uso y mantenimiento más seguros.

Características principales de las válvulas de bola de sello blando
1. Las válvulas de bola de sello suave suelen presentar un diseño de montaje directo de plataforma alta con un prensaestopas oculto ajustable. La empaquetadura se puede ajustar sin desmontar el cilindro ni ningún otro componente.
2. Buen sellado: Actualmente, la mayoría de los asientos de válvulas de bola de sello suave están hechos de materiales elásticos no metálicos, lo que proporciona excelentes capacidades de cierre y garantiza cero fugas.
3. Estructura de protección contra incendios: De acuerdo con los requisitos de diseño AP1607, las válvulas de bola de sello blando cuentan con una estructura a prueba de incendios: dos sellos: un asiento blando y un asiento de respaldo de metal. Incluso en caso de incendio, la válvula mantiene el soporte y el sellado, evitando fugas.
4. Dispositivo antiestático: el vástago de la válvula está equipado con dos pequeñas bolas de acero conductoras. Estas bolas mantienen un contacto constante con el cuerpo de la válvula y la bola bajo fuerza, lo que permite que la electricidad estática generada por las colisiones de fluidos se descargue durante la operación.
5. Diseño de asiento de alivio automático: este diseño evita que los medios líquidos o gaseosos residuales dentro de la cavidad de la válvula causen aumentos de presión explosivos debido al aumento de temperatura cuando la válvula está completamente cerrada o completamente abierta.
6. Larga vida útil: los asientos no metálicos, como el PTFE, proporcionan una buena autolubricación, lo que resulta en una baja fricción y desgaste contra la pelota. Los procesos mejorados de fabricación de bolas reducen la rugosidad de la superficie, mejorando la vida útil de la válvula.

Características principales de las válvulas de bola de sello duro
1. Las válvulas de bola de sello duro utilizan bolas y asientos mecanizados de alta precisión. Dependiendo de la aplicación, las superficies de la bola y el asiento tienen un revestimiento duro con materiales como aleación a base de cobalto, aleación a base de níquel o recubiertas con carburo de tungsteno, lo que proporciona una excelente resistencia al desgaste.
2. Rendimiento de sellado: Un proceso de pulido único garantiza que las superficies de la bola y el asiento logren una alta redondez y suavidad, lo que resulta en un sellado hermético a las burbujas y potencialmente cero fugas.
3. Estructura de sellado elástica: evita que la válvula se atasque debido a la expansión térmica a altas temperaturas, lo que garantiza un funcionamiento flexible incluso en condiciones de alta temperatura.
4. Aplicabilidad: adecuado para fluidos que contienen partículas sólidas o lodos a diferentes temperaturas y presiones.

III.. Diseño y cálculo de válvulas de bola
1) Al diseñar una válvula de bola, primero debe confirmar el diámetro de la válvula de bola d: el diámetro del canal de bola se divide en dos tipos: diámetro reducido y no reducido:

Diámetro no reducido: d es igual al diámetro del canal del cuerpo de la válvula especificado en las normas pertinentes
Diámetro reducido: generalmente d = 0,78 el diámetro del canal del cuerpo de la válvula especificado en las normas pertinentes. En este momento, su sección de transición está mejor diseñada como una transición de ángulo de cono para garantizar que la resistencia al flujo no aumente.

2) Después de determinar el diámetro, debe determinar el radio de la bola. Generalmente, se usa R = (0.75 ~ 0.95) d. Para diámetros pequeños, el cálculo toma un valor relativamente grande para R y viceversa. Para garantizar que la superficie de la bola pueda cubrir completamente la superficie de sellado del asiento de la válvula, después de seleccionar el diámetro de la bola, debe verificarse de acuerdo con la siguiente fórmula:Dmin=√D12+ √2

Dmin: diámetro mínimo calculado de la bola
D1: diámetro exterior de la superficie de contacto del asiento de la válvula
d: diámetro del orificio del canal de bolas
D: diámetro real de la bola

3) Determinación del espesor de la pared del cuerpo de la válvula (generalmente seguimos los estándares ASME) Fórmula de cálculo del espesor de la pared:SB=S'B+C

SB: espesor real de la pared
S'B: espesor calculado
C: margen de corrosión

Al determinar el espesor calculado S'B, consulte la presión real, las condiciones de temperatura y las propiedades del material. Por lo general, la norma ASME B16.34 proporciona un método específico de cálculo del espesor de la pared.

4) Fórmula de cálculo de la presión relativa entre la bola y el asiento de la válvula:qMF

qMF: presión relativa requerida de la superficie de sellado
q: presión relativa calculada de la superficie de sellado
[q]: presión relativa admisible de la superficie de sellado

5) Cálculo del acortamiento de rotación de la válvula de bola:M = Mm+Mt+ Mu+ Mo

M: par total
Mm: par de fricción entre el sello del asiento de la válvula y la bola
Mt: par de fricción entre el vástago de la válvula y la empaquetadura
Mu: par de fricción entre el hombro del vástago de la válvula y la arandela de empuje
Mo: par de fricción entre el vástago de la válvula y la junta tórica.

6) Cálculo de la resistencia del vástago de la válvula:
Tensión de torsión en la conexión entre el vástago de la válvula y la bolaτN1= M/n1≤ [τ]
Tensión de torsión en la conexión entre el vástago de la válvula y el actuadorτN2= M/n2≤ [τ]

M: par total
w1: coeficiente de torsión de la sección del vástago de la válvula en la conexión con la bola
w2: coeficiente de torsión de la sección del vástago de la válvula en la conexión con el actuador
[τ] :Tensión de torsión permitida del material.

IV.. Análisis de fugas de válvulas de bola
Las fugas de la válvula de bola se pueden clasificar en fugas externas e internas. Las fugas externas a menudo resultan en el desperdicio de materias primas y energía, contaminación ambiental y peligros potenciales como incendios, explosiones o envenenamiento, lo que genera pérdidas económicas significativas.

Causas de fugas externas:
1. Cuerpo de la válvula: comúnmente causado por defectos de fundición como poros o agujeros de arena, lo que provoca fugas medias. Por lo general, se detecta mediante pruebas hidráulicas.
2. Conexiones: Fugas en el cuerpo de la válvula, conexiones laterales del cuerpo o conexiones del cuerpo de la válvula a la brida de la tubería. Por lo general, se debe a problemas como el tipo, el material o el tamaño inadecuados de la junta, la mala calidad de la superficie de sellado de la brida o las cargas externas excesivas en los pernos de conexión.
3. Vástago de la válvula: A menudo debido a un diseño o selección de material incorrectos, lo que hace que el vástago de la válvula se agarrote en una posición específica, lo que impide un cierre adecuado y provoca fugas significativas.
4. Prensaestopas: Causado por un prensaestopas suelto, un sellado inadecuado, un tipo o calidad de embalaje inadecuado, o el envejecimiento o desgaste del embalaje.

Causas de fugas internas:
1. Diseño y fabricación: Problemas que causan un sellado inadecuado y fugas en el medio, generalmente a través de filtraciones o pequeñas descargas continuas.
2. Daño durante la manipulación: Daño en la superficie de sellado de la bola o del asiento durante la fabricación, el transporte, la inspección, la instalación o el uso, lo que provoca fugas.
3. Partículas sólidas en el medio: impurezas sólidas en el medio que causan un cierre inadecuado de la válvula y fugas en el medio, que van desde pequeñas filtraciones hasta grandes caudales.

Aplicaciones de las válvulas de bola
Debido a sus numerosas ventajas, las válvulas de bola se utilizan ampliamente. Recomendado para sistemas que requieren ajuste de dos posiciones, sellado estricto, lodo, resistencia al desgaste, rutas de flujo de paso completo, operación rápida, cierre de alta presión (presión diferencial grande), bajo nivel de ruido, vaporización y fugas mínimas, bajo par de operación y baja resistencia a los fluidos.

V.. Cómo elegir la válvula de bola adecuada para diversas aplicaciones:
- Gasoductos urbanos/gasoductos de gas natural: Válvulas de bola flotantes bridadas o roscadas.
- Tuberías de oxígeno en metalurgia: Válvulas de bola estrictamente desengrasadas.
- Líneas de procesamiento de alimentos: válvulas de bola pulidas de grado sanitario.
- Tuberías principales en la transmisión de petróleo y gas: válvulas de bola soldadas de paso total enterradas bajo tierra.
- V-Port Control: Válvulas de bola con aberturas en forma de V para un cierto rendimiento de regulación.
- Petroquímica, refinación y generación de energía: válvulas de bola de sello blando para sistemas que operan por debajo de 200 °C y válvulas de bola de sello duro para sistemas por encima de 200 °C.

En conclusión, las válvulas de bola se utilizan ampliamente y su suministro global aumenta anualmente. La tendencia de desarrollo incluye alta temperatura, alta presión, gran diámetro, alto rendimiento de sellado, larga vida útil, excelente regulación y multifuncionalidad. Debido a su resistencia a la corrosión, ligereza y rentabilidad, han reemplazado parcialmente las válvulas de compuerta, las válvulas de globo y las válvulas de control. Con los avances en la tecnología de válvulas de bola, se espera que su uso en industrias como la pulpa y el papel, la transmisión de gas natural, la refinación y la energía nuclear se expanda significativamente en el futuro previsible.
  Fleyenda se enfoca en diseñar, fabricar y entregar productos de primer nivel mientras brinda un servicio al cliente excepcional. Nuestra gama de productos incluye varias válvulas, como válvulas manuales, válvulas eléctricas, válvulas neumáticas y accesorios para válvulas de control de flujo. Estas válvulas están diseñadas para satisfacer las necesidades de diversas industrias, incluidas las petroquímicas y químicas, el petróleo y el gas, el agua y las aguas residuales, los productos farmacéuticos y la biotecnología, y los nuevos sectores energéticos.

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