Valvole a membrana e valvole a sfera: come ciascuna di esse serve le applicazioni di tubazioni industriali

Una linea da 50 mm che trasporta un liquame di calce al 15% di solidi grippa una valvola a sfera in poche settimane, poiché i solidi si accumulano nella cavità anulare tra la sfera e le sue sedi. Montare una valvola a diaframma del tipo a stramazzo sulla stessa linea e si aprirà e si chiuderà per anni senza che nulla venga sostituito tranne il diaframma. Eseguendo lo stesso confronto su un collettore con acqua di raffreddamento pulita, la risposta si inverte: lo stramazzo del diaframma strozza la linea e fa funzionare l'elastomero, mentre una valvola a sfera a passaggio totale si apre in un quarto di giro quasi senza perdita di pressione.

Entrambi i corpi valvola hanno una pressione nominale simile ed entrambi si avvitano nello stesso modello di flangia, motivo per cui i due vengono confusi nelle richieste. La vera differenza sta in ciò che accade al fluido quando la linea smette di muoversi.

Ciò che distingue una valvola a membrana da una valvola a sfera

Una valvola a sfera sigilla ruotando una sfera forata contro due sedi, mentre una valvola a membrana sigilla premendo un diaframma flessibile su uno stramazzo rialzato, in modo che il fluido di processo non raggiunga mai lo stelo o l'attuatore.

Da questa geometria derivano tre conseguenze, che insieme stabiliscono la maggior parte delle specifiche reali prima ancora che il prezzo venga discusso.

• Dove si trova il fluido. Una valvola a sfera lascia una cavità tra la sfera e la parete del corpo che si riempie di prodotto e non può drenare. Una valvola a membrana con stramazzo non ha una cavità della sede di questo tipo, sebbene la vasca dello stramazzo stessa conservi un piccolo volume residuo.
• Come viene sigillato lo stelo. Una valvola a sfera si basa su O-ring o guarnizioni attorno a uno stelo rotante, una tenuta dinamica che vede il mezzo. Una valvola a membrana non ha alcuna tenuta dinamica dello stelo: il diaframma è l'unica barriera tra il fluido e l'atmosfera.
• Come strozza la valvola. Una valvola a sfera è un dispositivo di accensione/spegnimento e, tenendola parzialmente aperta, dirige un getto ad alta velocità sulla sede a valle. Una valvola a membrana accelera in modo pulito perché la membrana può essere parcheggiata in qualsiasi punto della sua corsa.

Come ogni progetto interrompe il flusso

Una valvola a sfera si chiude con una rotazione di 90 gradi di una sfera, mentre una valvola a diaframma si chiude con diversi giri del volantino spingendo un diaframma verso il basso su uno stramazzo.

Valvola a sfera: corsa breve, passaggio totale, sedi esposte

Una valvola a sfera a passaggio totale ha un foro pari al diametro interno del tubo, quindi la caduta di pressione attraverso una valvola aperta è vicina a quella di una lunghezza equivalente di tubo. La corsa a un quarto di giro lo rende veloce da azionare, facile da automatizzare e visivamente inequivocabile dalla posizione della maniglia. Il compromesso è che i sedili si trovano nel percorso del flusso. Qualsiasi particella che si deposita su una sede viene pressata nell'elastomero alla chiusura successiva e ogni ciclo spinge la contaminazione più in profondità.

Valvola a membrana: corsa lunga, senza baderna, fluido isolato

Un compressore su uno stelo filettato blocca il diaframma nel giunto tra corpo e coperchio, quindi una valvola manuale impiega diversi giri per passare da aperta a chiusa. Niente nel meccanismo tocca il mezzo: nessuna guarnizione, nessun O-ring dello stelo, nessun anello della sede. Questa barriera unica è il motivo per cui le valvole a membrana resistono agli agenti chimici aggressivi ed è anche il motivo per cui tollerano la strozzatura. Il costo è idraulico. Un corpo con stramazzo restringe il percorso del flusso e aggiunge una caduta di pressione, mentre un corpo diretto recupera la prevalenza a scapito di un alloggiamento più grande e di un diverso comportamento della membrana.

Dove le valvole a sfera sono la scelta giusta

Una valvola a sfera è la scelta corretta quando il fluido è pulito, il compito è l'isolamento on/off e la linea necessita di un foro vicino alla dimensione del tubo con una perdita di pressione minima.

Su impianti di processo, skid per il trattamento dell'acqua e linee di prodotti chimici non metallici, che copre più posizioni installate rispetto a qualsiasi altro tipo di valvola:

• Isolamento pompa e serbatoio su acqua pulita, acqua demineralizzata, salamoia e linee di dosaggio, dove la valvola è completamente aperta o completamente chiusa.
• Servizio ad alto ciclo , perché un attuatore a quarto di giro esegue meno lavoro per operazione e raggiunge la chiusura completa con un unico movimento.
• Linee svuotate o pigged , perché un foro a passaggio completo non lascia ostruzioni per un tampone o un maiale.
• Collettori a bassa perdita di carico , laddove uno sbarramento aggiungerebbe perdite di carico che la pompa non può risparmiare.

Il punto in cui la valvola a sfera si guasta è prevedibile. Qualsiasi fluido che si deposita, cristallizza o si abrade troverà la sede: una soluzione salina cristallizzante può bloccare una valvola a sfera in pochi cicli termici e un impasto abrasivo lucida la sfera fino a quando la valvola non sigilla più nella posizione chiusa.

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Dove le valvole a membrana guadagnano il loro costo

Una valvola a membrana è la scelta corretta quando il fluido può depositarsi, cristallizzarsi, abradersi o attaccare le sedi in elastomero di una valvola rotativa e quando la linea può assorbire la caduta di pressione aggiuntiva.

Il design mantiene esattamente un componente flessibile in contatto con il mezzo e tiene lontana da esso ogni superficie lavorata:

• Chimica corrosiva come acidi minerali, sostanze caustiche, ipoclorito di sodio e flussi di acidi misti gestiti in corpi UPVC o CPVC.
• Liquami e sospensioni come calce, carbonato di calcio, controlavaggio dei filtri e fanghi di idrossido metallico derivanti dalla neutralizzazione delle acque reflue.
• Mezzi viscosi e fibrosi , dove una valvola a sfera spalmerebbe il prodotto sulle sedi.
• Punti di strozzamento e campionamento , dove un'apertura parziale stabile conta più di una corsa breve.
• Linee di elevata purezza , perché non vi sono guarnizioni che possano perdere e nessuna fessura nella sede che possa intrappolare i residui.

La limitazione merita una riga nella scheda tecnica. Il diaframma è il limite della pressione, quindi il limite massimo di pressione e temperatura della valvola è il limite massimo del diaframma, non quello del corpo.

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Abbinamento della valvola a un sistema di tubazioni non metalliche

Nei sistemi UPVC e CPVC il materiale del corpo raramente è il fattore limitante; solitamente lo sono l'elastomero, lo standard della flangia e il declassamento pressione-temperatura.

Le valvole termoplastiche sono specificate in base alla mescola del corpo e allo standard a cui si fissano. Un corpo valvola CPVC gestisce la stessa chimica del Tubo di pressione in CPVC su cui si appoggia e i dettagli della connessione sono importanti quanto la valvola stessa: prese per cemento solvente per linee più piccole, corpi flangiati da cui la valvola deve uscire per la sostituzione del diaframma e rivestimento DIN o ANSI che deve corrispondere alla foratura della flangia di accoppiamento.

La norma ISO 15493 fornisce il quadro normativo per i componenti delle tubazioni industriali in PVC-C e il declassamento pressione-temperatura che ne consegue è la fonte più comune di errori di specifica eccessiva. Le curve CPVC pubblicate riducono la pressione consentita a circa la metà del valore nominale di 23 C di 60 C e a circa un quarto vicino al limite superiore del materiale. Questa riduzione vale tanto per la valvola quanto per il tubo, e vale ancora per la membrana, che è un materiale più morbido del corpo.

Automazione, ciclo di vita e costo totale di proprietà

Il costo di attuazione dipende dalla coppia e dalla corsa e la corsa lineare di una valvola a membrana con coppia prevedibile è spesso più semplice da automatizzare rispetto a una valvola a sfera il cui attrito sulla sede aumenta con la pressione e la contaminazione.

Coppia e corsa dell'attuatore

Una valvola a sfera necessita di una coppia sufficiente per interrompere il contatto della sede e tale coppia aumenta con la pressione differenziale, il materiale della sede e qualsiasi prodotto depositato sulla sede. Gli attuatori pneumatici ed elettrici presentano quindi un margine di sicurezza che cresce con l'invecchiamento della valvola. Una valvola a membrana necessita di una forza lineare che è in gran parte funzione della pressione di linea e dell'area della membrana, il che rende il dimensionamento dell'attuatore più prevedibile, ma la sua corsa è più lunga e l'attuatore deve percorrere una distanza maggiore per ottenere lo stesso risultato.

Ciò che effettivamente determina il costo del ciclo di vita

Nell'arco di cinque anni il prezzo di acquisto rappresenta una piccola quota del totale. Tre elementi dominano: le parti di ricambio, i tempi di inattività necessari per installarle e il costo di una perdita che raggiunge l'ambiente. Si prevede che una valvola a membrana in servizio con liquami consumi i diaframmi come parte soggetta ad usura, motivo per cui il corpo dovrebbe consentire la sostituzione senza tagliare il tubo. Una valvola a sfera su acqua pulita potrebbe non essere mai aperta, ma una sede rigata su una linea abrasiva trasforma una valvola a basso costo in un elemento di manutenzione ricorrente.

Il design della tenuta è il punto in cui i due design divergono maggiormente in termini di durata. La geometria della sede, la finitura della superficie della sfera e il precarico determinano se una valvola a sfera mantiene ancora una tenuta a tenuta di bolle dopo migliaia di cicli e questi dettagli meritano di essere esaminati prima di qualsiasi ordine di acquisto; il progettazione delle prestazioni di tenuta delle valvole a sfera flangiate in CPVC spiega quali caratteristiche contano.

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Cinque passaggi per specificare la valvola giusta

Cinque controlli, eseguiti in questo ordine, risolvono la scelta prima che venga richiesto un preventivo.

Domande pratiche poste dagli acquirenti

È possibile scambiare una valvola a sfera e una valvola a membrana con una sulla stessa linea?

Meccanicamente, solo se la lunghezza da faccia a faccia e la foratura della flangia corrispondono, e spesso non è così. Dal punto di vista operativo, il compito cambia: una valvola a membrana installata dove è stata rimossa una valvola a sfera a passaggio totale aggiunge caduta di pressione e riduce il flusso massimo, mentre una valvola a sfera su una linea del liquame si grippa. Di solito è necessario un pezzo di bobina per uno scambio.

Quale valvola gestisce meglio i solidi?

La valvola a membrana, senza qualifica. Una valvola a sfera intrappola le particelle tra la sfera e la sede e all'interno della cavità del corpo; una valvola a membrana non ha cavità della sede e si chiude pizzicando il percorso del flusso. Il limite pratico per una valvola a membrana è la dimensione delle particelle relativa all'apertura dello stramazzo, non la presenza di solidi.

A quale temperatura l'elastomero diventa il limite?

Per l'EPDM in servizio acquoso continuo il limite pratico è compreso tra 90 C e 100 C, che viene solitamente raggiunto prima del limite del corpo CPVC. I diaframmi rivestiti in PTFE estendono la resistenza chimica oltre l'intervallo di temperature. Poiché il diaframma rappresenta il limite della pressione, la sua classificazione deve essere controllata separatamente dalla classificazione del tubo.

Quale valvola è più economica da possedere in cinque anni?

La risposta dipende dal fluido e il crossover è netto. Nel servizio di isolamento dell'acqua pulita, la valvola a sfera vince in termini di prezzo di acquisto e raramente necessita di parti. In caso di utilizzo di liquami o prodotti chimici aggressivi, la frequenza di sostituzione della valvola a sfera solitamente supera il costo delle parti della valvola a membrana, poiché la membrana è un elemento soggetto a usura poco costoso mentre la sede e la sfera non lo sono.

Nessuna delle due valvole è una risposta universale. Un sistema non metallico ben progettato li utilizza entrambi, posizionati dove la loro geometria si adatta effettivamente al fluido.