¿Qué es una válvula de globo? Principio de funcionamiento, tipos, aplicaciones y mantenimiento

Una válvula de globo es una válvula de movimiento lineal que se utiliza para iniciar, detener y regular el flujo de líquidos, gases o vapor a través de un sistema de tuberías. Controla el flujo moviendo un disco o tapón hacia o desde un asiento estacionario. A diferencia de una válvula de cuarto de vuelta, una válvula de globo normalmente requiere varias vueltas de un volante o actuador para moverse entre las posiciones completamente abierta y completamente cerrada.

Las válvulas de globo se utilizan ampliamente en sistemas de vapor, plantas de energía, instalaciones de procesamiento químico, redes de agua de enfriamiento, sistemas de combustible, líneas de agua de alimentación de calderas y muchas otras aplicaciones industriales. Su trayectoria de flujo interna crea más pérdida de presión que algunos otros tipos de válvulas, pero su capacidad para regular el flujo con precisión las hace valiosas en sistemas donde el rendimiento de control es más importante que la resistencia mínima.

La función principal de una válvula de globo es la regulación del flujo. También puede proporcionar un cierre confiable cuando el disco se presiona firmemente contra el asiento. Debido a que el disco se mueve en línea recta en lugar de girar, el área de apertura se puede cambiar gradualmente, lo que permite a los operadores o sistemas de control automatizados ajustar el flujo con mayor precisión.

¿Cuál es la función principal de una válvula de globo?

La función principal de una válvula de globo es controlar la tasa de flujo de fluido a través de una tubería. Cuando el vástago de la válvula mueve el disco lejos del asiento, el área de flujo disponible aumenta. Cuando el disco se acerca al asiento, el área de flujo se vuelve más pequeña y la tasa de flujo disminuye.

Este cambio gradual en la apertura hace que una válvula de globo sea adecuada para aplicaciones de estrangulamiento. Se puede posicionar en cualquier lugar entre completamente abierta y completamente cerrada, lo que permite un ajuste relativamente preciso del flujo, la presión o las condiciones del proceso.

Una válvula de globo puede realizar varias funciones en un sistema industrial:

• Regulación del flujo: Ajustar la cantidad de líquido, gas o vapor que pasa a través de la válvula.
• Control de presión: Crear una caída de presión controlada en una línea de proceso o de servicios.
• Aislamiento del flujo: Detener el movimiento del fluido presionando el disco firmemente contra el asiento.
• Equilibrio del proceso: Regular el flujo entre diferentes ramas de una red de tuberías.
• Control automático: Modular el flujo cuando se instala con un actuador neumático, eléctrico o hidráulico.
• Protección del equipo: Limitar el flujo o la presión para ayudar a mantener condiciones de operación seguras.

Las válvulas de globo son especialmente útiles cuando un sistema requiere ajustes frecuentes. Sin embargo, su trayectoria de flujo interna cambia de dirección a medida que el fluido se mueve a través del cuerpo, produciendo más turbulencia y pérdida de presión que una válvula de compuerta o una válvula de bola de puerto completo.

¿Cómo funciona una válvula de globo?

El principio de funcionamiento de la válvula de globo se basa en el movimiento vertical de un disco en relación con un asiento de válvula fijo. El disco está conectado a un vástago, y el vástago se mueve mediante un volante, una caja de engranajes o un actuador.

En una válvula de globo operada manualmente, girar el volante rota el mecanismo de vástago roscado. Dependiendo del diseño de la válvula, el vástago puede subir y bajar visiblemente o moverse internamente. Este movimiento eleva o baja el disco.

1. Posición completamente cerrada: El disco se presiona contra el asiento, bloqueando el paso del flujo.
2. Apertura inicial: El vástago levanta el disco ligeramente del asiento, creando un área de flujo pequeña.
3. Posición de estrangulamiento: El disco se posiciona entre completamente abierto y completamente cerrado para regular el flujo.
4. Posición completamente abierta: El disco se levanta lejos del asiento, proporcionando el área de flujo máximo disponible.
5. Operación de cierre: El vástago mueve el disco de regreso hacia el asiento hasta que se detiene el flujo de fluido.

La forma del disco y el asiento influye en las características del flujo. Un disco de forma de tapón convencional puede proporcionar un buen rendimiento de estrangulamiento, mientras que los diseños de aguja se utilizan donde se requiere un ajuste de flujo muy fino.

Debido a que el disco se mueve contra la fuerza del fluido, el par de operación puede aumentar cuando el diferencial de presión a través de la válvula es alto. Las válvulas de globo grandes pueden requerir operadores de engranajes o actuadores motorizados.

¿Por qué se llama válvula de globo?

El nombre "válvula de globo" proviene del cuerpo redondeado o en forma de globo utilizado en muchos diseños tradicionales. Dentro del cuerpo, una partición separa los pasajes de entrada y salida. El asiento de la válvula se encuentra en esta partición, y el disco se mueve perpendicular al asiento.

Las válvulas de globo modernas no siempre son perfectamente esféricas. Algunas tienen cuerpos compactos, aerodinámicos o angulares. Sin embargo, el nombre continúa describiendo válvulas que utilizan el mismo principio de funcionamiento lineal básico de disco y asiento.

Componentes principales de una válvula de globo

Una válvula de globo contiene varios componentes de retención de presión, sellado y operación. La construcción exacta varía según el tamaño, la clase de presión, la temperatura y los requisitos de servicio.

El cuerpo y la tapa deben soportar la presión y temperatura internas. Los materiales del disco, asiento y vástago deben resistir la corrosión, la erosión y el desgaste mecánico. En servicio de vapor a alta temperatura, se pueden usar superficies de asiento endurecidas para mejorar la durabilidad.

Tipos comunes de válvulas de globo

Hay varios tipos de válvulas de globo disponibles para satisfacer diferentes diseños de tuberías, requisitos de caída de presión y condiciones de mantenimiento.

Válvula de Globo Tipo Z

La válvula de globo tipo Z es el diseño tradicional. Sus conexiones de entrada y salida están alineadas en línea recta, pero la trayectoria de flujo interna cambia de dirección a medida que el fluido pasa a través del área del asiento.

Este diseño proporciona un estrangulamiento y cierre efectivos, pero produce una caída de presión relativamente alta debido a los cambios internos en la dirección del flujo.

Válvula de Globo Tipo Y

Una válvula de globo de patrón Y posiciona el vástago y el asiento en un ángulo con respecto a la tubería. Esto crea una trayectoria de flujo más directa y reduce la pérdida de presión en comparación con una válvula tipo Z convencional.

Las válvulas de globo en Y se utilizan a menudo en sistemas de alta presión o alta temperatura donde se desea una menor resistencia. Su cuerpo angulado también puede ayudar a reducir la erosión en servicios exigentes.

Válvula de Globo Angular

Una válvula de globo en ángulo cambia la dirección del flujo aproximadamente 90 grados. Combina la función de una válvula de globo y un codo de tubería, lo que puede simplificar la disposición de las tuberías.

Las válvulas de patrón en ángulo se utilizan comúnmente donde la tubería debe cambiar de dirección cerca de la válvula. También pueden ser útiles en servicios que involucran fluidos con destello o descarga de alta velocidad.

Válvula de globo de aguja

Una válvula de aguja utiliza un tapón largo y cónico que se ajusta en una abertura de asiento pequeña. El movimiento estrecho del tapón permite un ajuste muy fino de caudales bajos.

Las válvulas de aguja se utilizan con frecuencia en líneas de instrumentación, sistemas de muestreo, conexiones de manómetros y equipos de laboratorio. Generalmente están diseñadas para tamaños de tubería más pequeños y caudales relativamente bajos.

Válvula de globo con fuelle sellado

Una válvula de globo con fuelle sellado utiliza un fuelle metálico flexible alrededor del vástago. El fuelle forma una barrera de presión y reduce la posibilidad de fugas de fluido a través del área del empaque del vástago.

Este diseño es útil para fluidos peligrosos, tóxicos, radiactivos, de alta pureza o sensibles al medio ambiente. La válvula puede contener empaque secundario como sello de respaldo.

Válvula de globo de sello por presión

Una válvula de globo de sello por presión utiliza la presión interna para mejorar el sello entre el cuerpo y la tapa. A medida que aumenta la presión del sistema, el mecanismo de sello por presión se vuelve más apretado.

La construcción de sello por presión es común en aplicaciones de plantas de energía de alta presión y alta temperatura, incluidos los sistemas de vapor principal y de agua de alimentación de calderas.

Aplicaciones típicas de las válvulas de globo

Las válvulas de globo se utilizan en sistemas donde el flujo debe controlarse con frecuencia o precisión. Su combinación de capacidad de estrangulamiento y rendimiento de cierre las hace adecuadas para muchos servicios industriales.

• Sistemas de vapor: Las válvulas de globo controlan el flujo de vapor hacia equipos de proceso, intercambiadores de calor y auxiliares de turbinas.
• Sistemas de agua de alimentación de calderas: Las válvulas de globo de alta presión regulan el agua que ingresa a calderas y generadores de vapor.
• Sistemas de agua de enfriamiento: Equilibran y controlan el flujo de agua a través de equipos y ramales del sistema.
• Sistemas de aceite combustible: Las válvulas de globo regulan la entrega de combustible a quemadores y calentadores de proceso.
• Procesamiento químico: Las válvulas de globo resistentes a la corrosión controlan ácidos, solventes y otros químicos de proceso.
• Sistemas de aire comprimido: Regulan el flujo de aire y proporcionan aislamiento para equipos aguas abajo.
• Sistemas hidráulicos: Las válvulas de globo y de aguja controlan el flujo de fluido hidráulico.
• Bucles de control automático: Las válvulas de globo accionadas sirven como válvulas de control para la regulación de flujo, presión, temperatura y nivel.

Ventajas de una válvula de globo

Las válvulas de globo proporcionan varios beneficios importantes en aplicaciones que requieren ajuste de flujo.

• Buen rendimiento de estrangulamiento: El disco se puede posicionar gradualmente para controlar el flujo.
• Regulación precisa: La relación entre el movimiento del vástago y el área de flujo permite un ajuste predecible.
• Cierre confiable: Las superficies de asiento bien mantenidas pueden proporcionar un aislamiento efectivo.
• Movimiento corto del disco: El disco requiere menos recorrido que la compuerta en una válvula de compuerta.
• Adecuada para automatización: Los actuadores neumáticos o eléctricos pueden proporcionar un posicionamiento preciso.
• Partes internas reemplazables: Muchos diseños permiten reparar o reemplazar los componentes del disco, asiento y vástago.
• Amplio rango de servicio: Las válvulas de globo están disponibles para sistemas de agua de baja presión y servicio de vapor de alta presión.

Limitaciones de las válvulas de globo

La principal desventaja de una válvula de globo es su caída de presión relativamente alta. El fluido debe cambiar de dirección dentro del cuerpo de la válvula y pasar a través de una abertura de asiento restringida. Esto crea turbulencia y pérdida de energía.

Las válvulas de globo también son generalmente más pesadas y más caras que algunas otras válvulas del mismo tamaño nominal. Su operación de múltiples vueltas es más lenta que la acción de cuarto de vuelta de una válvula de bola o mariposa.

Una alta presión diferencial puede aumentar la fuerza requerida para mover el disco. Las válvulas grandes pueden necesitar una caja de engranajes o un actuador motorizado. Una dirección de flujo incorrecta también puede dificultar la operación y afectar el desgaste del asiento.

Válvula de globo vs. válvula de compuerta

Las válvulas de globo y las de compuerta son ambas válvulas de movimiento lineal, pero están diseñadas para diferentes propósitos.

Una válvula de globo utiliza un disco que se mueve perpendicular al asiento y es adecuada para estrangulamiento. Una válvula de compuerta utiliza una compuerta plana o en forma de cuña que se mueve dentro o fuera de la trayectoria del flujo. Las válvulas de compuerta están diseñadas principalmente para servicio completamente abierto o completamente cerrado.

Cuando está completamente abierta, una válvula de compuerta generalmente crea menos pérdida de presión porque la compuerta se retira de la trayectoria del flujo. Una válvula de globo crea más resistencia porque el fluido debe pasar a través de un asiento interno y cambiar de dirección.

Una válvula de globo generalmente se prefiere cuando se requiere regulación frecuente del flujo. Una válvula de compuerta a menudo se prefiere para aislamiento de tuberías donde la baja resistencia al flujo es importante.

Válvula de globo vs. válvula de bola

Una válvula de bola utiliza un cierre esférico giratorio y normalmente se abre o cierra con un giro de 90 grados. Es compacta, rápida y capaz de proporcionar un cierre hermético con una pérdida de presión relativamente baja.

Una válvula de globo utiliza un disco lineal y requiere múltiples vueltas o movimiento del actuador. Es más lenta de operar pero proporciona un mejor control en aplicaciones de estrangulamiento.

Una válvula de bola se selecciona comúnmente para aislamiento rápido. Una válvula de globo se selecciona comúnmente para ajuste de flujo, reducción de presión y control automático de procesos. Las válvulas de bola con puerto en V también pueden regular el flujo, pero las válvulas de control de globo convencionales siguen siendo ampliamente utilizadas donde se requiere una modulación precisa y estable.

Dirección del Flujo en la Válvula de Globo

Muchas válvulas de globo tienen una dirección de flujo preferida marcada con una flecha en el cuerpo de la válvula. La dirección correcta depende del diseño de la válvula, la aplicación y las recomendaciones del fabricante.

En muchas válvulas de globo convencionales, el fluido entra debajo del disco y sale por encima del asiento. Esta disposición puede hacer que el cierre sea más suave y puede ayudar a evitar que la válvula se cierre de golpe. También puede permitir cierto mantenimiento del empaque del vástago en condiciones específicas de aislamiento.

En ciertas aplicaciones de alta presión o alta temperatura, el flujo puede estar dispuesto sobre el disco. Esto puede usar la presión del proceso para ayudar al cierre, pero puede aumentar la fuerza requerida para abrir la válvula.

Debido a que la dirección correcta varía, los instaladores siempre deben seguir la flecha de flujo y las instrucciones del fabricante en lugar de confiar únicamente en la práctica general.

Cómo seleccionar una válvula de globo

Saber cómo seleccionar una válvula de globo requiere comprender las condiciones del proceso, los requisitos de control y las limitaciones de instalación. Seleccionar solo por el tamaño de la tubería puede resultar en una pérdida de presión excesiva, un control inestable o un desgaste interno prematuro.

Los factores de selección importantes incluyen:

• Tamaño de la tubería y capacidad de flujo requerida
• Presión máxima de operación
• Temperatura de operación mínima y máxima
• Tipo de fluido y composición química
• Precisión requerida del control de flujo
• Caída de presión esperada a través de la válvula
• Presencia de sólidos, flasheo o cavitación
• Clase de fuga o cierre requerida
• Materiales del cuerpo, asiento, disco y vástago
• Operación manual o actuada
• Conexiones bridadas, roscadas o soldadas
• Diseño del bonete y del sellado del vástago
• Códigos industriales aplicables y especificaciones del proyecto

El tamaño de la válvula debe basarse en los cálculos de flujo requerido y caída de presión, no solo en el diámetro de la tubería. Una válvula de globo de control sobredimensionada puede operar cerca del asiento durante la mayor parte de su vida útil, causando un control inestable y una erosión acelerada. Una válvula subdimensionada puede no proporcionar suficiente flujo cuando está completamente abierta.

La compatibilidad de materiales también es esencial. El acero al carbono puede ser adecuado para servicios generales de vapor y agua, mientras que el acero inoxidable o aleaciones especiales pueden ser necesarios para productos químicos corrosivos. Se puede seleccionar un revestimiento duro para aplicaciones de alta temperatura, alta presión o erosivas.

Para fluidos peligrosos, una válvula de globo con fuelle sellado puede reducir las emisiones fugitivas. Para vapor de alta presión, un bonete de sello de presión puede proporcionar un mejor sellado que un bonete atornillado convencional.

Requisitos de instalación de la válvula de globo

La instalación correcta es esencial para un rendimiento fiable de la válvula de globo. Antes de la instalación, se deben inspeccionar la válvula y la tubería en busca de suciedad, escoria de soldadura, óxido y materiales extraños. Los residuos pueden dañar las superficies de asiento o quedar atrapados entre el disco y el asiento.

Se debe verificar la flecha de dirección del flujo en el cuerpo antes de instalar la válvula. Una orientación incorrecta puede aumentar la fuerza de operación, crear un control inestable o reducir la vida útil.

La válvula debe instalarse sin usarla para corregir la desalineación de la tubería. El estrés excesivo en la tubería puede deformar el cuerpo, afectar el movimiento del vástago y causar fugas en las juntas bridadas o del cuerpo.

Los pernos de las bridas deben apretarse uniformemente. Las válvulas roscadas no deben apretarse en exceso, y se deben usar procedimientos adecuados para válvulas soldadas para evitar que el calor excesivo dañe el empaque, los asientos o los componentes internos.

Las válvulas de globo a menudo se instalan con el vástago vertical y el volante por encima del cuerpo. Esta orientación proporciona un acceso conveniente y ayuda a prevenir que los residuos del proceso se acumulen alrededor del vástago y el bonete. Otras orientaciones pueden ser aceptables cuando son aprobadas por el fabricante.

Se debe proporcionar un espacio adecuado para la operación del volante, el movimiento del actuador y la extracción del bonete. Las válvulas grandes o accionadas pueden requerir un soporte independiente para evitar una carga mecánica excesiva en la tubería.

Mantenimiento de la válvula de globo

El mantenimiento regular de la válvula de globo ayuda a preservar el rendimiento de cierre, reducir las fugas del vástago y prevenir una operación difícil. La frecuencia de inspección depende de la severidad del servicio, los ciclos de operación, el fluido del proceso y la importancia de la válvula.

Un programa de mantenimiento típico puede incluir:

• Verificar el cuerpo, el bonete y las bridas en busca de fugas
• Inspeccionar el área del empaque del vástago
• Monitorear la fuerza de operación del volante o actuador
• Verificar el vástago en busca de corrosión, dobladuras o daños en las roscas
• Inspeccionar el disco y el asiento en busca de erosión o rayaduras
• Limpiar los depósitos de los pasajes de flujo internos
• Ajustar o reemplazar el empaque del vástago
• Reemplazar juntas y sellos dañados
• Probar el recorrido del actuador y la posición de la válvula
• Registrar los resultados de inspección y el historial de mantenimiento

Una fuga menor del vástago a veces se puede corregir ajustando cuidadosamente la prensaestopas. Se debe evitar un apriete excesivo porque puede aumentar la fricción del vástago y dañar el empaque.

Una fuga interna a través de una válvula cerrada a menudo indica superficies de asiento dañadas, residuos atrapados o recorrido incompleto del disco. La válvula puede necesitar ser desmontada para que el disco y el asiento puedan limpiarse, repararse o reemplazarse.

Problemas comunes de las válvulas de globo

Fuga interna del asiento

La fuga interna ocurre cuando el fluido continúa pasando a través de una válvula completamente cerrada. Las causas comunes incluyen superficies de asiento dañadas, erosión, corrosión, residuos atrapados y un disco mal alineado.

La operación continua con superficies de asiento dañadas puede empeorar la fuga. Dependiendo del diseño de la válvula, el asiento puede necesitar ser lapeado, mecanizado o reemplazado.

Fuga del empaque del vástago

La fuga alrededor del vástago puede resultar de empaque desgastado, ajuste incorrecto de la prensaestopas, corrosión del vástago o ciclos de operación excesivos. El empaque debe ajustarse o reemplazarse según los procedimientos de mantenimiento aprobados.

Operación difícil

Una válvula de globo puede volverse difícil de abrir o cerrar debido a roscas del vástago dañadas, empaque demasiado apretado, corrosión, depósitos internos o presión diferencial excesiva. Aplicar fuerza excesiva puede dañar el volante, el vástago o el actuador.

Erosión del disco y el asiento

El flujo de alta velocidad a través de una válvula parcialmente abierta puede erosionar el disco y el asiento. La cavitación, el flasheo y las partículas abrasivas pueden acelerar este daño. Un dimensionamiento adecuado de la válvula, los materiales del revestimiento y el diseño de control de flujo pueden reducir la erosión.

Caída de presión excesiva

Todas las válvulas de globo crean alguna pérdida de presión, pero una válvula dimensionada incorrectamente o un patrón de cuerpo inadecuado pueden producir más resistencia de lo esperado. Se deben revisar los cálculos de flujo cuando la caída de presión afecta el rendimiento del sistema.

Preguntas frecuentes

¿Para qué se usa una válvula de globo?

Una válvula de globo se usa principalmente para regular el flujo de fluido. También puede proporcionar cierre en sistemas de tuberías de vapor, agua, gas, combustible y productos químicos.

¿Es adecuada una válvula de globo para estrangulamiento?

Sí. Las válvulas de globo están entre los tipos de válvulas más comunes utilizados para estrangulamiento porque el disco se puede posicionar gradualmente con respecto al asiento.

¿Se puede usar una válvula de globo para aislamiento?

Sí. Una válvula de globo puede detener el flujo cuando el disco está completamente asentado. Sin embargo, una válvula de bola o de compuerta puede proporcionar una menor pérdida de presión en aplicaciones utilizadas principalmente para aislamiento.

¿Por qué una válvula de globo tiene una alta caída de presión?

La trayectoria de flujo interna obliga al fluido a cambiar de dirección y pasar a través de una abertura de asiento restringida. Esto crea turbulencia y mayor resistencia.

¿Cuál es la diferencia entre una válvula de globo y una válvula de compuerta?

Una válvula de globo está diseñada para la regulación del flujo y el cierre controlado. Una válvula de compuerta está diseñada principalmente para servicio completamente abierto o completamente cerrado con menor resistencia al flujo.

¿Cuál es la dirección de flujo correcta para una válvula de globo?

La dirección correcta depende del diseño de la válvula y las condiciones de servicio. Los instaladores deben seguir la flecha de flujo en el cuerpo y las instrucciones del fabricante.

¿Se puede automatizar una válvula de globo?

Sí. Las válvulas de globo pueden equiparse con actuadores neumáticos, eléctricos o hidráulicos. Las válvulas de globo actuadas se utilizan ampliamente como válvulas de control de procesos.

¿Qué es una válvula de globo con fuelle sellado?

Una válvula de globo con fuelle sellado utiliza un fuelle metálico flexible para reducir fugas alrededor del vástago. A menudo se selecciona para fluidos peligrosos o ambientalmente sensibles.

Conclusión

Una válvula de globo es una válvula de movimiento lineal utilizada principalmente para regular el flujo de líquidos, gases y vapor. Funciona moviendo un disco hacia o desde un asiento estacionario, permitiendo que el área de flujo se ajuste gradualmente.

Las válvulas de globo son valoradas por su rendimiento de estrangulamiento, control preciso y cierre confiable. Se utilizan ampliamente en sistemas de vapor, líneas de agua de alimentación de calderas, procesos químicos, redes de agua de enfriamiento y bucles de control automático.

Diferentes patrones de cuerpo están disponibles para diferentes aplicaciones. Las válvulas tipo Z proporcionan rendimiento de estrangulamiento tradicional, las tipo Y reducen la pérdida de presión, las de ángulo cambian la dirección de la tubería y los diseños con fuelle sellado reducen las fugas del vástago.

La principal limitación de una válvula de globo es su caída de presión relativamente alta. Por esta razón, debe seleccionarse cuando el control de flujo es más importante que la resistencia mínima. El dimensionamiento adecuado, la dirección del flujo, la selección de materiales y el diseño del actuador son esenciales para un rendimiento confiable.

Cuando se selecciona, instala y mantiene correctamente, una válvula de globo proporciona un método efectivo y controlable para regular y aislar el flujo de fluidos en sistemas de tuberías industriales.