Válvulas de diafragma versus válvulas de esfera: como cada uma atende aplicações de tubulação industrial

Uma linha de 50 mm movendo lama de cal com 15% de sólidos irá aprisionar uma válvula de esfera dentro de semanas, porque os sólidos se acumulam na cavidade anular entre a esfera e suas sedes. Instale uma válvula de diafragma do tipo barragem na mesma linha e ela abrirá e fechará por anos sem nada substituído, exceto o diafragma. Execute a mesma comparação em um coletor de água de resfriamento limpo e a resposta se inverte: o açude do diafragma estrangula a linha e aciona o elastômero, enquanto uma válvula esférica de passagem completa abre em um quarto de volta quase sem perda de pressão.

Ambos os corpos de válvula possuem uma classificação de pressão nominal semelhante e ambos são aparafusados ​​no mesmo padrão de flange, e é exatamente por isso que os dois ficam confusos nas requisições. A verdadeira diferença está no que acontece com o fluido quando a linha para de se mover.

O que separa uma válvula de diafragma de uma válvula esférica

Uma válvula de esfera veda girando uma esfera perfurada contra duas sedes, enquanto uma válvula de diafragma veda pressionando um diafragma flexível em um vertedouro elevado, de modo que o fluido do processo nunca alcance a haste ou o atuador.

Três consequências decorrem dessa geometria e, juntas, estabelecem a maioria das especificações reais antes mesmo de o preço ser discutido.

• Onde fica o fluido. Uma válvula esférica deixa uma cavidade entre a esfera e a parede do corpo que se enche de produto e não pode drenar. Uma válvula de diafragma de vertedouro não possui cavidade de sede desse tipo, embora o próprio reservatório do vertedor retenha um pequeno volume residual.
• Como a haste é selada. Uma válvula de esfera depende de anéis de vedação ou vedação em torno de uma haste rotativa, uma vedação dinâmica que vê o meio. Uma válvula de diafragma não possui nenhuma vedação dinâmica da haste: o diafragma é a única barreira entre o fluido e a atmosfera.
• Como a válvula acelera. Uma válvula de esfera é um dispositivo liga/desliga e mantê-la parcialmente aberta direciona um jato de alta velocidade na sede a jusante. Uma válvula de diafragma estrangula de forma limpa porque o diafragma pode ser estacionado em qualquer ponto do seu curso.

Como cada projeto interrompe o fluxo

Uma válvula de esfera fecha com uma rotação de 90 graus de uma esfera, enquanto uma válvula de diafragma fecha ao longo de várias voltas do volante, empurrando um diafragma para baixo em um açude.

Válvula de esfera: curso curto, passagem total, sedes expostas

Uma válvula esfera de passagem completa tem um diâmetro igual ao diâmetro interno do tubo, de modo que a queda de pressão em uma válvula aberta é próxima à de um comprimento equivalente de tubo. O curso de um quarto de volta torna-o rápido de operar, fácil de automatizar e visualmente inequívoco em relação à posição da alavanca. A desvantagem é que os assentos ficam no caminho do fluxo. Qualquer partícula que se aloje em uma sede é pressionada contra o elastômero no próximo fechamento, e cada ciclo leva a contaminação mais profundamente.

Válvula de diafragma: curso longo, sem gaxeta, fluido isolado

Um compressor em uma haste roscada fixa o diafragma na junta do corpo ao castelo, de modo que uma válvula manual dá várias voltas para passar de aberta para fechada. Nada no mecanismo toca o meio: nenhuma gaxeta, nenhum O-ring da haste, nenhum anel de sede. Essa única barreira é a razão pela qual as válvulas de diafragma resistem à química agressiva e é também a razão pela qual toleram o estrangulamento. O custo é hidráulico. Um corpo de açude estreita o caminho do fluxo e adiciona queda de pressão, enquanto um corpo direto recupera a altura manométrica às custas de um alojamento maior e de um comportamento diferente do diafragma.

Onde as válvulas de esfera são a escolha certa

Uma válvula de esfera é a escolha correta quando o fluido está limpo, a função é de isolamento ligado/desligado e a linha precisa de um diâmetro próximo ao tamanho do tubo com perda mínima de pressão.

Em plantas de processo, plataformas de tratamento de água e linhas de produtos químicos não metálicos, que cobrem mais posições instaladas do que qualquer outro tipo de válvula:

• Isolamento de bomba e tanque em linhas de água limpa, água desmineralizada, salmoura e dosagem, onde a válvula está totalmente aberta ou totalmente fechada.
• Serviço de alto ciclo , porque um atuador de quarto de volta realiza menos trabalho por operação e atinge o fechamento total em um único movimento.
• Linhas que estão limpas ou pigged , porque um furo de passagem completa não deixa obstrução para swab ou pig.
• Cabeçalhos de baixa queda de pressão , onde um açude aumentaria a perda de carga que a bomba não pode poupar.

Onde a válvula esférica falha é previsível. Qualquer fluido que se deposite, cristalize ou desgaste encontrará a sede: uma solução salina cristalizante pode travar uma válvula de esfera dentro de alguns ciclos térmicos, e uma pasta abrasiva dá polimento à esfera até que a válvula não vede mais na posição fechada.

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Onde as válvulas de diafragma ganham seu custo

Uma válvula de diafragma é a escolha correta quando o fluido pode sedimentar, cristalizar, desgastar ou atacar as sedes de elastômero de uma válvula rotativa e quando a linha pode absorver a queda de pressão extra.

O design mantém exatamente um componente flexível em contato com o meio e mantém todas as superfícies usinadas afastadas dele:

• Química corrosiva como ácidos minerais, cáusticos, hipoclorito de sódio e fluxos de ácidos mistos manuseados em corpos UPVC ou CPVC.
• Pastas e suspensões como cal, carbonato de cálcio, retrolavagem de filtros e lama de hidróxido metálico proveniente da neutralização de águas residuais.
• Meios viscosos e fibrosos , onde uma válvula esférica espalharia o produto nas sedes.
• Pontos de estrangulamento e amostragem , onde uma abertura parcial estável é mais importante do que um curso curto.
• Linhas de alta pureza , porque não há gaxetas que possam vazar e nenhuma fenda na sede para reter resíduos.

A limitação merece uma linha na ficha técnica. O diafragma é o limite de pressão, portanto o limite máximo de pressão e temperatura da válvula é o limite máximo do diafragma, não o do corpo.

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Combinando a válvula com um sistema de tubulação não metálica

Nos sistemas UPVC e CPVC o material do corpo raramente é o fator limitante; o elastômero, o padrão do flange e a redução de pressão-temperatura geralmente são.

As válvulas termoplásticas são especificadas pelo composto do corpo e pelo padrão ao qual são aparafusadas. Um corpo de válvula CPVC lida com a mesma química que o Tubo de pressão CPVC ela fica assentada, e os detalhes da conexão são tão importantes quanto a própria válvula: soquetes de cimento solvente para linhas menores, corpos flangeados onde a válvula deve sair para substituição do diafragma e revestimento DIN ou ANSI que deve corresponder à perfuração do flange correspondente.

A ISO 15493 fornece a estrutura para componentes de tubulação industrial de PVC-C, e a redução de pressão-temperatura que se segue é a fonte mais comum de erros de especificação excessiva. As curvas de CPVC publicadas reduzem a pressão permitida para aproximadamente metade da classificação de 23 C em 60 C e para aproximadamente um quarto perto do limite superior do material. Essa redução se aplica tanto à válvula quanto ao tubo, e se aplica novamente ao diafragma, que é um material mais macio que o corpo.

Automação, Ciclo de Vida e Custo Total de Propriedade

O custo de atuação é determinado pelo torque e pelo curso, e o curso linear de uma válvula de diafragma com torque previsível é muitas vezes mais simples de automatizar do que uma válvula de esfera cujo atrito da sede aumenta com a pressão e a contaminação.

Torque e curso do atuador

Uma válvula de esfera precisa de torque suficiente para quebrar o contato da sede, e esse torque aumenta com a pressão diferencial, o material da sede e qualquer produto alojado na sede. Os atuadores pneumáticos e elétricos possuem, portanto, uma margem de segurança que aumenta à medida que a válvula envelhece. Uma válvula de diafragma precisa de uma força linear que é em grande parte uma função da pressão da linha e da área do diafragma, o que torna o dimensionamento do atuador mais previsível, mas seu curso é mais longo e o atuador precisa se deslocar mais para obter o mesmo resultado.

O que realmente impulsiona o custo do ciclo de vida

Num período de cinco anos, o preço de compra representa uma pequena parcela do total. Três itens dominam: peças de reposição, o tempo de inatividade necessário para instalá-las e o custo de um vazamento que atinja o meio ambiente. Espera-se que uma válvula de diafragma em serviço com lama consuma diafragmas como peça de desgaste, razão pela qual o corpo deve permitir a substituição sem cortar o tubo. Uma válvula de esfera em água limpa pode nunca ser aberta, mas uma sede marcada em uma linha abrasiva transforma uma válvula de baixo custo em um item de manutenção recorrente.

O projeto de vedação é onde os dois projetos mais divergem na vida útil. A geometria da sede, o acabamento da superfície da esfera e a pré-carga determinam se uma válvula de esfera ainda mantém uma vedação estanque após milhares de ciclos, e vale a pena revisar esses detalhes antes de qualquer pedido de compra; o projeto de desempenho de vedação de válvulas de esfera flangeadas de CPVC explica quais recursos são importantes.

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Cinco etapas para especificar a válvula certa

Cinco verificações, executadas nesta ordem, resolvem a escolha antes que uma cotação seja solicitada.

Perguntas práticas que os compradores fazem

Uma válvula de esfera e uma válvula de diafragma podem ser trocadas uma por uma na mesma linha?

Mecanicamente, somente se o comprimento face a face e a perfuração do flange corresponderem, o que geralmente não ocorre. Operacionalmente, o serviço muda: uma válvula de diafragma instalada onde uma válvula esférica de passagem completa foi removida aumenta a queda de pressão e reduz o fluxo máximo, enquanto uma válvula esférica em uma linha de lama irá emperrar. Geralmente é necessário um pedaço de carretel para uma troca.

Qual válvula lida melhor com sólidos?

A válvula de diafragma, sem qualificação. Uma válvula esférica retém partículas entre a esfera e a sede e dentro da cavidade do corpo; uma válvula de diafragma não tem cavidade de sede e fecha comprimindo o caminho do fluxo. O limite prático para uma válvula de diafragma é o tamanho das partículas em relação à abertura do vertedor, e não a presença de sólidos.

A que temperatura o elastômero se torna o limite?

Para EPDM em serviço aquoso contínuo, o teto prático fica próximo de 90°C a 100°C, que geralmente é atingido antes do limite do corpo do CPVC. Os diafragmas revestidos de PTFE estendem a resistência química mais do que a faixa de temperatura. Como o diafragma é o limite de pressão, sua classificação deve ser verificada separadamente da classificação do tubo.

Qual válvula é mais barata de possuir em cinco anos?

A resposta depende do fluido e o cruzamento é nítido. No serviço de isolamento de água limpa, a válvula esférica ganha no preço de compra e raramente precisa de peças. Em trabalhos com lama ou produtos químicos agressivos, a frequência de substituição da válvula esfera geralmente excede o custo das peças da válvula de diafragma, porque o diafragma é um item de desgaste barato, enquanto a sede e a esfera não o são.

Nenhuma das válvulas é uma resposta universal. Um sistema não metálico bem projetado usa ambos, colocados onde sua geometria realmente se adapta ao fluido.