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

Ball Valve Introduction: Structural Features, Failure Analysis, Applications

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

09.en.2026

Las válvulas de bola, que surgieron en los años 50, se han convertido rápidamente en una categoría importante de válvulas a lo largo de unas pocas décadas. Las primeras válvulas de bola evolucionaron a partir de válvulas de tapa, utilizando una bola en lugar de un tapón para controlar el flujo de fluidos. La zona de paso del flujo dentro de la válvula coincide con el diámetro de la tubería, permitiendo que el fluido pase directamente con una caída de presión mínima. El funcionamiento de completamente abierto a totalmente cerrado solo requiere un giro de 90° del vástago de la válvula. El conjunto de válvulas consta de varios 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 goma, nailon o PTFE, la temperatura de funcionamiento suele estar limitada a menos de 200°C. Para suspensiones, sólidos o medios de alta temperatura, deben usarse asientos metálicos. Hoy en día, las válvulas de bola se utilizan ampliamente en diversos campos como la petroquímica.
 
I... Clasificación de la válvula de bola
1. Por estructura: Clasificado en válvulas de bola flotantes y de trunnion según el mecanismo de soporte.
2. Montando: Dividido en Entrada Superior, Entrada Lateral (de una pieza, dos piezas, tres piezas) y Válvulas de Bola Anguladas según el método de instalación de bolas.
3. Por estructura de la bola: Incluye las válvulas de bola integral, bola segmentada y bola V-port (bola segmentada arqueada, bola segmentada elíptica).
4. Por Pasaje de Flujo: Clasificado en válvulas de bola de dos vías, tres y cuatro vías.
5. Material por asiento: Dividido en válvulas de bola de sellado suave y válvulas de sellado duro según el material de las partes internas (principalmente el asiento).
6. Por actuación: Incluye válvulas manuales, neumáticas, eléctricas e hidráulicas de bola.
7. Por aplicación: Categorizado en válvulas de bola de vacío, válvulas de bola criogénicas, válvulas de bola de alta temperatura, válvulas de bola con camisa aislante y válvulas de bola revestidas resistentes a la corrosión.

Las válvulas de bola pueden clasificarse de muchas maneras. Las categorías más comunes son cuatro: válvulas de bola flotantes de sello blando, válvulas de bola flotantes de sellado duro, válvulas de bola de sello suave con trunnion y válvulas de bola de sellado duro con trunnion, 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 caudal. Las válvulas de bola están disponibles con configuraciones de diámetro reducido y de diámetro total y, independientemente del diseño, generalmente tienen un coeficiente de resistencia de flujo bajo. En segundo lugar, ofrecen una operación rápida y sencilla. Normalmente, 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-reventón para garantizar un uso y mantenimiento más seguros.

Características principales de las válvulas de bola de sellado suave
1. Las válvulas de bola de sellado suave suelen tener un diseño de montaje directo de plataforma alta con una prensaprensas oculta ajustable. El empaquetado puede ajustarse sin desmontar el cilindro ni ningún otro componente.
2. Buen sellado: Actualmente, la mayoría de los asientos de válvula de bola con sellado 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: Según los requisitos de diseño AP1607, las válvulas de bola de sellado suave cuentan con una estructura resistente al fuego: dos sellos: un asiento blando y un asiento metálico de respaldo. 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 contacto constante con el cuerpo de la válvula y la bola bajo fuerza, permitiendo que la electricidad estática generada por colisiones de fluidos se descargue durante la operación.
5. Diseño de asiento auto-aliviante: Este diseño evita que los residuos líquidos o gaseosos dentro de la cavidad de la válvula provoquen aumentos explosivos de presión debido al aumento de temperatura cuando la válvula está completamente cerrada o abierta.
6. Larga vida útil: Los asientos no metálicos, como el PTFE, proporcionan una buena autolubricación, resultando en baja fricción y desgaste contra la bola. Los procesos mejorados de fabricación de bolas reducen la rugosidad superficial, mejorando la vida útil de la válvula.

Características principales de las válvulas de bola de sellado duro
1. Las válvulas de bola de sellado duro utilizan bolas y asientos mecanizados de alta precisión. Dependiendo de la aplicación, las superficies de la bola y del asiento están recubiertas con materiales como aleación a base de cobalto, aleación a base de níquel o recubiertas con carburo de tungsteno, proporcionando una excelente resistencia al desgaste.
2. Rendimiento de sellado: Un proceso único de rectificado asegura que las superficies de la bola y el asiento alcancen una alta redondez y suavidad, resultando en un sellado hermético a burbujas y potencialmente ninguna fuga.
3. Estructura de sellado elástico: Evita que la válvula se bloquee debido a la expansión térmica a altas temperaturas, asegurando un funcionamiento flexible incluso en condiciones de alta temperatura.
4. Aplicabilidad: Adecuado para fluidos que contienen partículas sólidas o lodos bajo 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: no reducido y de diámetro reducido:

Diámetro no reducido: d es igual al diámetro del canal del cuerpo de válvulas especificado en las normas correspondientes
Diámetro reducido: generalmente d=0,78 el diámetro del canal del cuerpo de válvulas especificado en las normas correspondientes. En este momento, su sección de transición se diseña mejor como una transición angular en cono para asegurar que la resistencia del flujo no aumente.

2) Después de determinar el diámetro, necesitas determinar el radio de la bola. Generalmente, se utiliza R= (0,75~0,95) d. Para diámetros pequeños, el cálculo toma un valor relativamente grande para R, y viceversa. Para asegurar que la superficie de la bola cubra completamente la superficie de sellado del asiento de la válvula, tras seleccionar el diámetro de la bola, debe comprobarse según 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 bola
D: diámetro real de la bola

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

SB: grosor real de la pared
S'B: grosor 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. Normalmente, la norma ASME B16.34 proporciona un método específico de cálculo del grosor 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 permitida 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 el empaquetado
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 de la vástago de la válvula:
Tensión de torsión en la conexión entre el vástago de la válvula y la bolaτN1= M/w1≤ [τ]
Tensión de torsión en la conexión entre el vástago de la válvula y el actuadorτN2= M/w2≤ [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] :esfuerzo de torsión permitido del material.

IV... Análisis de fugas de válvulas de bola
La fuga de válvula de bola puede clasificarse en fuga externa e interna. Las fugas externas suelen provocar el desperdicio de materias primas y energía, contaminación ambiental y posibles peligros como incendios, explosiones o intoxicaciones, lo que provoca pérdidas económicas significativas.

Causas de fugas externas:
1. Cuerpo de válvula: Comúnmente causado por defectos de fundición como poros o agujeros de arena, lo que provoca fugas medias. Normalmente se detecta mediante pruebas hidráulicas.
2. Conexiones: Fuga en el cuerpo de válvula, las conexiones laterales del cuerpo o las conexiones del cuerpo de la válvula a la brida de la tubería. Normalmente se debe a problemas como un tipo, material o tamaño de junta incorrectos, mala calidad de la superficie de sellado de bridas o cargas externas excesivas en los pernos de conexión.
3. Vástago de válvula: A menudo debido a un diseño o selección inadecuada de materiales, lo que provoca que el vástago de la válvula se bloquee en una posición específica, impidiendo un cierre adecuado y provocando fugas significativas.
4. Prensaestoparillos: Causado por una prensaprensas de empaquetado floja, sellado inadecuado, tipo o calidad de empaquetado incorrectos, o envejecimiento o desgaste del empaquetado.

Causas de fugas internas:
1. Diseño y fabricación: Problemas que causan un sellado incorrecto y fugas medias, normalmente por filtraciones o descarga continua pequeña.
2. Daños durante el manejo: Daños en la superficie por sellado de bolas o asientos durante la fabricación, transporte, inspección, instalación o uso, lo que puede provocar fugas.
3. Partículas sólidas en el medio: Impurezas sólidas en el medio que causan un cierre incorrecto de la válvula y fugas en el medio, que van desde pequeñas filtraciones hasta altos 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 en dos posiciones, sellado estricto, suspensión de lodos, resistencia al desgaste, trayectorias de flujo en pleno diámetro, operación rápida, cierre a alta presión (gran diferencia de presión), bajo ruido, mínima vaporización y fugas, bajo par de funcionamiento y baja resistencia al fluido.

V.. Cómo elegir la válvula de bola adecuada para diversas aplicaciones:
- Gasoductos urbanos/gas natural: válvulas de bola flotantes con brida o rosca.
- Tuberías de oxígeno en metalurgia: válvulas de bola estrictamente desengrasadas.
- Líneas de procesamiento de alimentos: válvulas de bola de grado sanitario pulido.
- Tuberías principales en la transmisión de petróleo y gas: válvulas de bola soldadas de calibre completo enterradas bajo tierra.
- Control de V-Puerto: Válvulas de bola con aberturas en forma de V para cierto rendimiento regulatorio.
- Petroquímica, Refinación y Generación de Energía: Válvulas de bola de sellado blando para sistemas que operan por debajo de 200°C y válvulas de bola de sellado 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, su ligereza y su rentabilidad, han sustituido parcialmente las válvulas de compuerta, las válvulas 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 de pasta y papel, la transmisión de gas natural, la refinación y la energía nuclear crezca significativamente en un futuro previsible.
  Fleyenda se centra en diseñar, fabricar y entregar productos de primera categoría, ofreciendo un servicio al cliente excepcional. Nuestra gama de productos incluye diversas válvulas, como válvulas manuales, eléctricas, neumáticas y accesorios para válvulas de control de caudal. Estas válvulas están diseñadas para satisfacer las necesidades de diversas industrias, incluyendo petroquímica y química, petróleo y gas, agua y aguas residuales, farmacéutica y biotecnología, y nuevos sectores energéticos.

No dudes en contactarnos para obtener detalles sobre las válvulas y las últimas ofertas de válvulas. El equipo profesional de Fleyenda está dedicado a ayudarte a encontrar las soluciones perfectas para tus aplicaciones.

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