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Válvulas de esfera
Introdução
Este artigo contém todas as informações que você precisa saber sobre válvulas de esfera.

Capítulo 3: Tipos de Válvulas Esfera

As válvulas esfera podem ser classificadas de acordo com a montagem do corpo, design da esfera e perfil do furo.

Montagem de Habitação

Válvula de esfera de peça única

Montagem de Habitação
Válvula de esfera de peça única
Uma válvula de esfera de peça única possui um corpo fundido de peça única que abriga os componentes internos da válvula de esfera. Isto elimina o risco de vazamento do fluido da válvula. As válvulas esfera de peça única são as válvulas esfera mais baratas e sempre têm um diâmetro reduzido. Uma válvula de esfera soldada de peça única é mais comum, mas não pode ser desmontada para limpeza e reparada depois de danificada; portanto, é usado apenas para aplicações com baixa possibilidade de acúmulo de partículas e onde o saneamento não é uma grande preocupação. Por outro lado, as válvulas de esfera inteiriças aparafusadas podem ser limpas, reparadas e reparadas, mas a desmontagem requer ferramentas especiais.

Válvulas de esfera de corpo dividido
Válvulas esfera de corpo dividido são válvulas montadas nas laterais de suas esferas. Uma válvula esfera de corpo dividido pode ser uma válvula esfera de duas ou três peças:

Válvula de esfera de duas peças
Uma válvula de esfera de duas peças consiste em um invólucro dividido em duas peças encaixadas. A peça principal contém a bola e uma conexão em uma extremidade, e a outra peça mantém os componentes internos unidos e tem uma conexão na outra extremidade. A carcaça de duas peças é o tipo mais comum entre as válvulas esfera. As duas peças podem ser desmontadas para limpeza, manutenção e inspeção, mas é necessária a remoção da válvula do tubo.

Válvula de esfera de três peças
Uma válvula esférica de três peças consiste no alojamento dos componentes internos da válvula, que são montados e mantidos juntos por conexões aparafusadas em suas duas extremidades. As extremidades são rosqueadas ou soldadas ao tubo principal.

As válvulas esfera de três peças são utilizadas para aplicações que dependem fortemente de válvulas, cujas atividades de manutenção devem ser realizadas com frequência. Eles podem ser limpos e mantidos facilmente e suas sedes e vedações podem ser substituídas rotineiramente, bastando retirar o corpo da válvula sem perturbar as duas extremidades. As válvulas de esfera de três peças são comumente usadas nas indústrias de alimentos e bebidas e farmacêutica, onde a higienização é crucial para a segurança e a qualidade do produto.

Válvula de esfera de entrada superior
Uma válvula esférica de entrada superior permite acesso ao interior da válvula simplesmente removendo a tampa na parte superior da válvula. Isto permite atividades de manutenção em linha (ou seja, desmontagem, limpeza, inspeção e reparo da válvula) sem remover a válvula esférica do tubo principal.

Desenho de bola
Válvulas de esfera flutuantes
A esfera flutuante é o projeto de esfera mais comum em válvulas de esfera. A esfera fica suspensa dentro da válvula e livre para se mover lateralmente quando a válvula está na posição fechada. Ele está imprensado entre duas sedes que sustentam a válvula e a mantêm no lugar. A bola está conectada ao eixo em uma fenda em uma extremidade enquanto a outra extremidade está livre. Quando a válvula está na posição aberta, a conexão do eixo com a ranhura no topo da esfera evita que a esfera se mova lateralmente.

A ação de vedação depende apenas da pressão do fluido. Durante a operação de uma válvula de esfera flutuante, a pressão de entrada do fluido força a esfera para a sede de saída, o que evita que o fluido escape do corpo da válvula. A pressão do fluido na esfera e nas sedes é maior quando a válvula esférica está na posição fechada.

As válvulas de esfera flutuantes têm o design mais simples. Eles vêm em diâmetros menores e são adequados para líquidos e gases operando sob pressões baixas a moderadas. A aplicação de válvulas esfera flutuantes é limitada pela quantidade de pressão que as sedes podem suportar. Em alta pressão do fluido, as sedes podem ser deformadas pela pressão exercida pela esfera, o que pode afetar as características de vedação da válvula sob baixa pressão. Além disso, o torque para girar a haste depende da força necessária para neutralizar a mesma força do fluido que atua na esfera e nas vedações.

Válvulas de esfera munhão
Em uma válvula esfera munhão, a esfera é suportada por um eixo adicional em sua parte inferior, chamado munhão. Isto mantém a bola no seu lugar e limita o movimento da bola ao seu eixo. A bola só pode se mover se o eixo da válvula girar. As válvulas esfera munhão também possuem sedes com mola. A pressão do fluido de entrada ativa as molas em direção à esfera presa pelo munhão, o que cria uma vedação hermética.

As válvulas esfera munhão estão disponíveis em diâmetros pequenos a grandes, mas são mais caras do que os projetos de esfera flutuante. Eles podem operar com eficiência em uma ampla faixa de pressões e são ideais para aplicações de alta pressão, uma vez que a pressão do fluido também é dissipada para o munhão e as molas das sedes. Conseqüentemente, eles são mais fáceis de operar com um torque operacional mais baixo ou um atuador pequeno.

Válvula de esfera ventilada
Uma válvula de esfera ventilada é construída e opera da mesma maneira que uma válvula de esfera padrão, exceto que a esfera ventilada possui pequenos orifícios perfurados em sua lateral. Quando a válvula está fechada, o orifício é direcionado para o lado de saída da válvula. O orifício perfurado é usado para liberar gases presos, o que causa um aumento de pressão interna dentro da válvula, para evitar vazamento, falha da válvula e explosão.

As válvulas de esfera ventiladas são usadas em sistemas de ar comprimido. O processamento criogênico e o transporte de líquidos voláteis também são chamados de “válvulas criogênicas” devido à sua utilidade no processamento criogênico.

Perfil do furo
Válvula de esfera de passagem total
Um furo completo tem um diâmetro de furo semelhante ao diâmetro do tubo. A área de fluxo do fluido para válvulas full bore permanece constante, portanto a resistência ao fluxo oferecida por este tipo é muito baixa. Perda friccional mínima é encontrada durante o fluxo do fluido; portanto, a queda de pressão é baixa. Uma alta queda de pressão em um sistema de tubulação dificulta o bombeamento. No entanto, como o diâmetro do furo deve ser igual ao tamanho do tubo, é necessário um tamanho de esfera e alojamento maiores, o que o torna mais caro do que um furo reduzido.

As válvulas esfera de passagem total são mais fáceis de manter e limpar. Nos oleodutos, os tubos são mantidos e inspecionados por uma operação chamada pigging. Um dispositivo esférico ou cilíndrico chamado pigs pode fluir nos tubos para detectar e remover qualquer acúmulo sem interferir no fluido dentro da tubulação. Esta operação é possível com uma válvula esfera de passagem total instalada.

As válvulas esfera de passagem total também são usadas no transporte de líquidos com sólidos mistos, onde as restrições de fluxo causam o acúmulo de partículas que podem eventualmente causar a separação das misturas que fluirão através delas.

Válvula de esfera com furo reduzido
Um furo reduzido tem um diâmetro de furo menor em um tamanho de tubo do que o diâmetro do tubo (de conexão). A redução real é determinada pelo acordo entre o fabricante e o cliente. A área de fluxo do fluido torna-se mais estreita na saída a jusante, portanto, são introduzidas perdas por atrito que resultam em uma queda de pressão. Como a quantidade de descarga de fluxo permanece constante, a velocidade aumenta com a diminuição da área de fluxo.

As válvulas esfera de passagem reduzida são mais comuns do que as válvulas esfera de passagem total. Eles são usados em aplicações onde a vazão do produto e a turbulência não são preocupações potenciais e não é provável que ocorra acúmulo de partículas. O furo reduzido é mais barato que o furo completo, pois requer tamanho de esfera e alojamento menores. Em comparação com outros tipos de válvulas, as válvulas esfera de diâmetro reduzido apresentam queda de pressão relativamente menor.

Válvula de esfera segmentada
Uma válvula de esfera segmentada possui um entalhe em forma de V em sua esfera. Uma válvula de esfera segmentada possui um bom controle de vazão que depende da rotação da esfera. Além disso, também possui uma boa capacidade de desligamento. A característica de fluxo em uma válvula de esfera segmentada aproxima-se de uma característica de fluxo percentual igual. A vazão em uma válvula esfera segmentada aumenta exponencialmente à medida que a esfera atinge sua posição totalmente aberta.

Outros tipos de válvula esférica
Válvula de esfera cheia de cavidade
Uma válvula esfera com cavidade preenchida possui um design de sede que preenche a lacuna entre a esfera e seu corpo. Isto elimina a possibilidade de meios aprisionados ou acúmulo de partículas ao longo do tempo ao redor da esfera, o que pode causar contaminação ou bloqueio do fluxo de fluido. As válvulas esfera com cavidade preenchida são mais fáceis de limpar e manter.

As válvulas de esfera com cavidade preenchida são valiosas em indústrias onde o saneamento é crucial, como nas indústrias alimentícia, farmacêutica e de bioprocessamento. Eles são ideais no manuseio de misturas sólido-líquido, como lamas.

Válvula de esfera multiportas
As válvulas esfera multiportas são usadas para desviar, combinar, dividir ou desligar múltiplos fluxos de fluido por meio do uso de uma esfera com um furo em forma de L ou T segmentado no meio. Um fluxo a montante da entrada de uma válvula multivias pode ser dividido em múltiplos fluxos de saída. Ele pode dividir um fluxo, mas não pode distribuí-lo para seus fluxos de saída em vazões pré-determinadas. Ele também pode unir vários fluxos em um único fluxo ou simplesmente alterar a direção do fluxo do fluido. O diagrama esquemático abaixo mostra possíveis configurações de fluxo de uma válvula esfera multivias em forma de L e em forma de T.

Capítulo 4: Materiais de Construção de Válvulas Esfera
A esfera da válvula esférica e seu alojamento são comumente construídos com os seguintes materiais:

Latão
O latão é uma liga de cobre e zinco que pode ser distinguida pela sua cor amarelada a avermelhada, dependendo da quantidade de zinco. É o material mais comum para válvulas de esfera. O latão é um metal resistente, forte e durável que pode suportar altas temperaturas e pressões. O cobre na liga de latão possui propriedades antimicrobianas que inibem o crescimento e a reprodução de micróbios em sua superfície. O latão tem boa resistência química, à corrosão e à bioincrustação. É inerte à maioria dos ácidos, álcalis e bases, exceto soluções com alto teor de cloro. O cloro pode causar dezincificação, uma reação em que os íons cloreto retiram o zinco da liga, causando uma estrutura porosa. A dezincificação pode reduzir drasticamente a resistência do material.

As válvulas esfera de latão não são difíceis de fabricar devido à sua maleabilidade e também são fáceis de fundir e soldar. Elas são mais leves e mais baratas que as válvulas esfera de aço. Eles também são fáceis de montar no sistema de tubulação. As aplicações comuns de válvulas de esfera de latão são no processamento de alimentos, produtos químicos e petróleo e gás, e no transporte de fluidos gasosos. Também é seguro para uso no fornecimento de água potável.

Aço inoxidável
O aço inoxidável é um tipo de aço que contém maior teor de cromo e algumas quantidades de níquel. O teor de cromo do aço inoxidável faz com que ele adquira uma resistência superior à corrosão. O aço inoxidável é conhecido por sua excelente resistência, tenacidade e durabilidade. Ele também mantém sua resistência em altas temperaturas e pressões.

As válvulas de esfera de aço inoxidável são comumente construídas em aço inoxidável 304 e 316. O aço inoxidável 304 possui cromo 18% e níquel 8%, enquanto o aço inoxidável 316 possui cromo 18% e níquel 10% e vestígios de molibdênio. A combinação de níquel e molibdênio torna o Aço Inoxidável 316 resistente a cloretos.

Existem aplicações onde o uso de uma válvula esfera de aço inoxidável é uma excelente escolha. São utilizados em piscinas para tratar água clorada. Em ambientes industriais agressivos, como usinas de dessalinização e refino de petróleo, eles oferecem melhor resistência a produtos químicos corrosivos sob altas temperaturas e pressões. Nas cervejarias, tubos e válvulas de aço inoxidável são usados para manusear o mosto, um líquido reativo que é extraído durante o processo de mosturação.

Cloreto de polivinila (PVC)
O PVC é um material plástico resistente, rígido e durável. Comparadas às ligas de latão e aço inoxidável, elas geralmente têm menor resistência, mas são mais baratas. Eles são resistentes à corrosão e à maioria dos ácidos, bases e soluções salinas. No entanto, não são resistentes a compostos aromáticos e hidrocarbonetos. As válvulas de esfera de PVC têm uma classificação de temperatura e pressão mais baixa, de até 150 psi e 140°F, respectivamente. A aplicação de válvulas de esfera de PVC inclui sistemas de encanamento, irrigação e distribuição de água.

PVC clorado (CPVC) é um tipo de PVC que foi clorado por uma reação de radical livre iniciada pela luz ultravioleta. A cloração do PVC resulta em maior resistência à temperatura. As válvulas de esfera CPVC podem suportar temperaturas mais altas de até 200°F.

Válvula de esfera de polipropileno (PP)
PP é um termoplástico resistente, durável, leve e flexível feito de monômero de propileno. Oferece boa resistência à maioria dos ácidos e bases, mas possui compatibilidade seletiva com substâncias orgânicas e solventes. Sua resistência química diminui com o aumento da temperatura. A temperatura máxima de operação do PP é de 82°C. As válvulas esfera PP são adequadas para regular o fluxo de fluidos com uma ampla faixa de viscosidade. Eles são usados como materiais para válvulas de esfera na fabricação de açúcar, fertilizantes, produtos químicos, papel, entre outros.

Válvula de esfera de polipropileno reforçada com fibra de vidro (GFPP)
Nos GFPPs, as fibras de vidro são reforçadas com polipropileno para aumentar sua estabilidade dimensional, rigidez e resistência química, e para reduzir o coeficiente de expansão térmica do PP. Sua temperatura de deflexão térmica é aumentada até 150°C para um GFPP 40% a 264 psi. O reforço das fibras de vidro no PP aumenta a relação custo-benefício e faz com que ele opere em aplicações mais severas e pesadas.

Válvula de esfera de difluoreto de polivinilideno (PVDF)
PVDF é um fluoropolímero termoplástico durável e de alta pureza com alto peso molecular. É sintetizado a partir do monômero gasoso de fluoreto de vinilideno por um processo de polimerização por radicais livres. Também é resistente à abrasão. Este material possui excelente resistência química que o torna adequado para o manuseio de líquidos reativos e substâncias gasosas como ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico, hidrocarbonetos, combustíveis e solventes de natureza aromática, alifática e halogenada. É usado como material para válvulas de esfera em indústrias como purificação de água, tratamento de águas residuais e no processamento de alimentos e farmacêuticos devido às suas boas propriedades de bioincrustação que são resistentes ao crescimento de filmes microbianos. Ele também não é afetado pela exposição à luz solar e aos raios UV. A temperatura máxima de operação do PVDF é em torno de 115°C.

Polietileno (PE)
PE é um termoplástico durável, flexível, leve e o mais abundante. O PE é compatível com a maioria dos compostos, incluindo ácidos e bases fortes, e com alguns compostos orgânicos, incluindo óleos e álcoois. Sua crescente cristalinidade e densidade o tornam mais resistente a produtos químicos. As válvulas esfera PE são usadas no manuseio de fluidos em muitos processos de fabricação, bem como na purificação de água e tratamento de águas residuais. A temperatura máxima de operação do PVDF é em torno de 60°C.

Válvula de esfera de polietileno

A sede é feita de um material mais macio, como elastômero ou plástico, para melhor vedação com a esfera. Um material de assento qualificado também deve possuir as seguintes características:

Um baixo coeficiente de atrito
Alta resistência à compressão
Resistência à fluência
Alta resistência à corrosão e produtos químicos
Compatibilidade com a mídia fluida

Exemplos de materiais de sede para válvulas esfera são:

Politetrafluoroetileno (PTFE), ou também conhecido como Teflon TM
TFM
Poliamida (Nylon)
Poliéter éter cetona (PEEK)
Polietileno UHMW
Acetal
Uma válvula esférica com sede metálica tem a capacidade de suportar temperaturas e pressões hidráulicas mais altas. Eles podem lidar melhor com fluidos mais abrasivos e corrosivos.

Capítulo 5: Vantagens e Limitações das Válvulas Esfera
Os benefícios de usar uma válvula de esfera são os seguintes:

As válvulas esfera induzem uma baixa queda de pressão em comparação com outros tipos de válvulas, uma vez que o fluxo tem restrições mínimas. Em líquidos, uma grande queda de pressão através de uma válvula pode resultar em turbulência e cavitação. A cavitação acontece quando a pressão do líquido cai abaixo da pressão crítica, formando-se a fase vapor do líquido. À medida que a pressão recupera, as bolhas colapsam, o que danifica a válvula.
Como é necessário apenas um quarto de volta para fechar ou abrir totalmente, as válvulas esféricas restringem ou permitem imediatamente o fluxo. Esta vantagem é importante para controlar o nível de líquido de um tanque ou reservatório.
Uma pequena quantidade de torque ou um pequeno atuador é necessária para girar a válvula esférica.
A lubrificação é desnecessária devido às propriedades superficiais dos assentos.
As válvulas de esfera oferecem uma chance reduzida de vazamento porque a esfera veda firmemente contra as sedes. A ação de vedação é feita por pressão de fluido.
Vários designs de válvulas esféricas estão disponíveis para satisfazer uma aplicação específica. Alguns projetos de válvulas esféricas apresentam alívio de pressão, controle de taxa de fluxo variável, divisão de fluxo e mistura, etc.
As válvulas de esfera são relativamente mais baratas.
Existem várias limitações que o usuário deve lembrar para preservar a funcionalidade da válvula esfera:

O estrangulamento é possível em válvulas de esfera, mas deve ser sustentado por muito tempo. Quando a válvula esférica está na posição de estrangulamento, as sedes ficam expostas ao fluxo de fluido de alta velocidade e a mais força de compressão, o que causa erosão. Portanto, não é aconselhável limitar aplicativos. Válvulas de esfera padrão podem ser usadas no estrangulamento de gases de baixa pressão. Válvulas de esfera segmentadas podem ser usadas em aplicações de estrangulamento limitadas. No entanto, válvulas de esfera avançadas com designs modificados ou sedes feitas de materiais de engenharia adequados para aplicações de estrangulamento estão disponíveis comercialmente.
A aplicação é limitada pela temperatura máxima de trabalho permitida dos assentos. Para temperaturas mais elevadas, sedes metálicas ou cerâmicas são uma alternativa.
Partículas suspensas podem acumular-se entre o corpo e a esfera, causando vazamento, erosão e falha da válvula. Portanto, é aconselhável fazer manutenção frequente nas válvulas de esfera que manuseiam lamas e suspensões.
Conclusão
As válvulas esfera são válvulas de corte usadas para permitir ou obstruir o fluxo de fluidos girando a esfera com um furo em seu interior em 900. Elas podem ser operadas manualmente ou por um atuador.
As válvulas de esfera consistem na esfera, no eixo e na sede que estão contidos na carcaça da válvula. A bola é colocada entre dois assentos e possui uma haste que a conecta ao mecanismo de operação.
Os tipos de válvulas esfera são classificados de acordo com a montagem do corpo, design da esfera e perfil do furo. As válvulas esfera vêm em vários designs e recursos para satisfazer as necessidades de uma indústria específica.
Como a carcaça é dividida em várias peças, a limpeza e manutenção das válvulas esfera ficam mais fáceis, porém mais caras de adquirir.
Existem diferentes tipos de design de esfera para escolher, dependendo da pressão de trabalho na qual será instalada.
Um diâmetro de furo menor tem uma queda de pressão maior na válvula, o que torna o bombeamento difícil e mais caro. A esfera pode ter um furo multiportas que pode ser usado para dividir e combinar taxas de fluxo e desviar direções de fluxo.
O material das válvulas esfera deve ser duro, resistente e rígido. As sedes devem ter baixo coeficiente de atrito, alta resistência à compressão e compatibilidade com o fluido de trabalho. Contudo, a aplicação de válvulas esfera é limitada pela temperatura de trabalho das sedes.
As válvulas esfera são fáceis de operar e ativar e oferecem risco mínimo de vazamento.
O estrangulamento não é aconselhável para válvulas de esfera.
A manutenção adequada deve ser feita para evitar o acúmulo de partículas entre a bola e o corpo.
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