Válvulas de tapón con asiento metálico de elevación
Se explica el principio de funcionamiento, el diseño estructural, el análisis de elementos finitos y el proceso de fabricación de las partes principales de la válvula de tapón con asiento metálico de elevación.
1. Descripción general
El válvula de tapón Presenta una estructura simple y baja resistencia al flujo. Sin embargo, las válvulas de macho convencionales se sellan mediante contacto directo entre el macho y el cuerpo de la válvula, lo que presenta desventajas como un alto par de apertura y cierre, fácil desgaste de la superficie de sellado y un rendimiento de sellado deficiente. Las válvulas de macho convencionales de manguito, las válvulas de macho lubricadas y las válvulas generales no son aptas para altas temperaturas. La válvula de macho con asiento metálico de elevación, desarrollada según las condiciones de trabajo, soluciona el problema de su incapacidad para funcionar a altas temperaturas.
2. Actuación
La válvula de tapón con asiento metálico de elevación adopta un diseño de tapón integral fijo con pivote, asiento de aleación dura y ranura guía de doble rodillo. Esto permite elevar y girar la válvula sin fricción y reduce la probabilidad de abrasión, desgaste y adherencia de la superficie de sellado durante su funcionamiento. Esta válvula de tapón con asiento metálico de elevación ofrece las ventajas de una estructura innovadora, tecnología avanzada, operación eficiente, apertura y cierre rápidos, buen sellado, fácil mantenimiento, purga a alta temperatura e instalación integral. Es especialmente adecuada para tuberías de vapor de alta temperatura y salidas de bombas con alta diferencia de presión. También se puede utilizar en sistemas de coquización retardada, unidades de craqueo catalítico de aceite residual y unidades de craqueo de etileno, entre otros.
3. Principios de funcionamiento
Una válvula de tapón con asiento metálico de elevación se compone principalmente de tapas inferiores, placas de soporte inferiores, cuerpos de válvulas, tapones, placas de soporte superiores, bonetes, vástagos de válvulas, soportes, pasadores transversales, rodillos, tuercas de vástago, dispositivos de accionamiento, etc. (Figura 1). La parte superior del vástago de la válvula es la rosca trapezoidal, y la parte inferior del vástago de la válvula está conectada con el tapón a través de una ranura en forma de T. Un pasador horizontal está dispuesto en la parte media del vástago de la válvula, y un rodillo está fijado en cada extremo del pasador. La parte superior del soporte está provista de dos ranuras guía distribuidas a 180°, y las ranuras guía incluyen ranuras rectas y ranuras espirales. Cuando se abre la válvula, el dispositivo de accionamiento tal como un volante impulsa la tuerca del vástago para girar, el rodillo rueda a lo largo de la ranura recta; el vástago y el tapón se elevan juntos, y el tapón y la superficie de sellado del cuerpo de la válvula se separan axialmente sin fricción. La tuerca del vástago continúa girando. El rodillo rueda a lo largo de la ranura espiral; El vástago y el obturador giran 90° en sentido antihorario y la válvula se abre por completo. Al cerrarse, el dispositivo de accionamiento impulsa la tuerca del vástago; el rodillo rueda por la ranura espiral, y el vástago y el obturador giran 90° en sentido horario. La tuerca del vástago continúa girando y el rodillo rueda por la ranura recta. El vástago y el obturador descienden juntos. El obturador y las superficies de sellado del cuerpo entran en contacto hasta que se sellan.
4. Diseño estructural
El diseño de la válvula cumple con la norma API 599 y el par de sellado adopta una estructura de asiento metálico, adecuada para altas temperaturas. Dado que la presión específica de sellado de la válvula de tapón de elevación con asiento metálico se controla mediante el par proporcionado por el actuador externo, se considera una válvula de sellado forzado.
1. Tapas inferiores 2. Placas de soporte inferiores 3. Cuerpos de válvulas 4. Tapones 5. Placas de soporte superiores 6. Bonetes 7. Vástagos 8. Soportes 9. Pasadores transversales 10. Rodillos 11. Tuercas de vástago 12. Volantes
Figura 1 Elevación de válvulas de tapón con asiento metálico
4.1. Cuerpos de válvulas
El extremo del cuerpo de la válvula está bridado y el canal de flujo está reglado por Venturi, es decir, el área de la sección transversal de El canal de flujo disminuye gradualmente desde la entrada y la salida de la válvula hasta el sellado del asiento, pero su tamaño aumenta ligeramente en dirección vertical. El espesor mínimo de pared de la carcasa cumple con los requisitos para evitar la deformación permanente y la concentración de tensiones de los canales no circulares bajo la carga de la prueba de presión (1,5 veces la presión máxima de trabajo admisible).
Según inspecciones y pruebas reales, las partes donde la concentración de tensiones tiene el mayor impacto en la deformación del cuerpo de la válvula se encuentran en la cavidad y la superficie de sellado, lo que afecta su sellado. En el caso del cuerpo de la válvula de alta presión, se incorporan nervaduras de fundición integrales en el exterior (Figuras 2 y 3) o se aumenta el espesor de la pared para garantizar su rigidez a alta presión. La superficie de sellado del cuerpo de la válvula tiene una estructura interna convexa, lo que facilita su fabricación y facilita el mecanizado y el rectificado. Cuando la válvula está completamente cerrada, la cavidad central es adecuada para la purga.
Figura 2 Distribución de la tensión estática de la carga del cuerpo de la válvula.
Figura 3 Distribución del desplazamiento estático del cuerpo de la válvula bajo carga.
4.2. Tapones
El obturador presenta una estructura integral con buena rigidez, lo que facilita su uso en aplicaciones con altas diferencias de presión. El orificio pasante del obturador es aproximadamente rectangular y cuenta con pivotes superiores e inferiores que se integran con los orificios internos de alta precisión de las placas de soporte. El círculo exterior de la placa de soporte se ajusta con precisión al orificio interior en el extremo de las bridas superior e inferior del cuerpo de la válvula, de modo que la presión del medio que actúa sobre el obturador se transmite a este a través de la placa de soporte. Esto evita que el obturador vibre debido al desgaste por fluidos a alta velocidad bajo alta presión y alta diferencia de presión, mejorando así su estabilidad. Además, cuando el vástago de la válvula debe estar horizontal o inclinado, esta estructura también elimina el efecto negativo del obturador en el rendimiento de la válvula debido a su peso. Mediante análisis, la tensión y la deformación del obturador se concentran en el centro del obturador y en el borde del orificio pasante, lo cual debe considerarse en el diseño (Figuras 4 y 5).
Figura 4 Distribución de la carga de tensión estática de los tapones
Figura 5 Distribución de la carga de desplazamiento estático de los tapones
El obturador generalmente está fabricado con acero al carbono fundido con carburo de soldadura superficial. Para presiones superiores a la Clase 600, se recomienda utilizar acero al carbono forjado con carburo de soldadura superficial o acero inoxidable martensítico fundido mediante un proceso de endurecimiento superficial por calentamiento. La dureza después del tratamiento térmico se controla entre 35 y 40 HRC, y se previene la corrosión y la adhesión después del rectificado. Las superficies de sellado del cuerpo de la válvula y del obturador están revestidas con una aleación dura, lo que no solo previene el agarrotamiento, sino que también prolonga la vida útil de la válvula.
4.3. Vástagos de válvulas
La estructura del vástago de la válvula se refiere al diseño del vástago de la válvula de compuerta de cuña. Considerando que hay un orificio horizontal en el centro del vástago, su diámetro se incrementa considerablemente. Debido a la corta carrera de la válvula, la parte roscada del vástago es solo entre 1/10 y 1/5 de la de una válvula de compuerta de la misma especificación. Por lo tanto, la velocidad de apertura de la válvula de tapón con asiento metálico es rápida.
4.4. Cubiertas del capó y de la base
La estructura de sellado del bonete está diseñada como una superficie cóncava-convexa o una conexión de anillo para cumplir con los requisitos de diferentes niveles de presión. Para válvulas de gran diámetro, se adopta el diseño dividido del soporte y el bonete. Además, el orificio del vástago de la válvula del bonete de la válvula de tapón con asiento metálico cuenta con un asiento de sellado superior, que coopera con la superficie cónica de 90° en el extremo del vástago de la válvula para formar el par de sellado superior de la válvula, cumple con los requisitos de reemplazo en línea de empaquetadura y es fácil de mantener. Hay una ranura guía en la parte superior del soporte de la válvula, que coopera con el rodillo para completar las dos acciones de elevación y rotación del tapón. La brida en el extremo superior del soporte está diseñada para instalar varios actuadores. La cubierta inferior cuenta con orificios de descarga, que pueden usarse para eliminar y purgar la suciedad en la cavidad del cuerpo.
5. Fabricación e inspección
La superficie de sellado cónica del cuerpo de la válvula y del obturador de la válvula de tapón con asiento metálico de elevación presenta una forma estructural especial y requiere una alta precisión de mecanizado, lo cual constituye un punto clave y complejo en su fabricación. Primero, se utiliza un torno vertical CNC de gran tamaño para procesar la superficie cónica, y luego, con la misma muela, se rectifica la superficie cónica de sellado del cuerpo de la válvula y del obturador en un centro de rectificado CNC de alta precisión, de modo que la rugosidad superficial alcance Ra 0,2 μm. Tras varias pruebas del prototipo de la válvula de tapón, de acuerdo con los requisitos de la norma API 598, se aprobaron las pruebas de resistencia de la carcasa, sellado a alta y baja presión y sellado superior, y el prototipo se fabricó con éxito.
1. Descripción general
El válvula de tapón Presenta una estructura simple y baja resistencia al flujo. Sin embargo, las válvulas de macho convencionales se sellan mediante contacto directo entre el macho y el cuerpo de la válvula, lo que presenta desventajas como un alto par de apertura y cierre, fácil desgaste de la superficie de sellado y un rendimiento de sellado deficiente. Las válvulas de macho convencionales de manguito, las válvulas de macho lubricadas y las válvulas generales no son aptas para altas temperaturas. La válvula de macho con asiento metálico de elevación, desarrollada según las condiciones de trabajo, soluciona el problema de su incapacidad para funcionar a altas temperaturas.
2. Actuación
La válvula de tapón con asiento metálico de elevación adopta un diseño de tapón integral fijo con pivote, asiento de aleación dura y ranura guía de doble rodillo. Esto permite elevar y girar la válvula sin fricción y reduce la probabilidad de abrasión, desgaste y adherencia de la superficie de sellado durante su funcionamiento. Esta válvula de tapón con asiento metálico de elevación ofrece las ventajas de una estructura innovadora, tecnología avanzada, operación eficiente, apertura y cierre rápidos, buen sellado, fácil mantenimiento, purga a alta temperatura e instalación integral. Es especialmente adecuada para tuberías de vapor de alta temperatura y salidas de bombas con alta diferencia de presión. También se puede utilizar en sistemas de coquización retardada, unidades de craqueo catalítico de aceite residual y unidades de craqueo de etileno, entre otros.
3. Principios de funcionamiento
Una válvula de tapón con asiento metálico de elevación se compone principalmente de tapas inferiores, placas de soporte inferiores, cuerpos de válvulas, tapones, placas de soporte superiores, bonetes, vástagos de válvulas, soportes, pasadores transversales, rodillos, tuercas de vástago, dispositivos de accionamiento, etc. (Figura 1). La parte superior del vástago de la válvula es la rosca trapezoidal, y la parte inferior del vástago de la válvula está conectada con el tapón a través de una ranura en forma de T. Un pasador horizontal está dispuesto en la parte media del vástago de la válvula, y un rodillo está fijado en cada extremo del pasador. La parte superior del soporte está provista de dos ranuras guía distribuidas a 180°, y las ranuras guía incluyen ranuras rectas y ranuras espirales. Cuando se abre la válvula, el dispositivo de accionamiento tal como un volante impulsa la tuerca del vástago para girar, el rodillo rueda a lo largo de la ranura recta; el vástago y el tapón se elevan juntos, y el tapón y la superficie de sellado del cuerpo de la válvula se separan axialmente sin fricción. La tuerca del vástago continúa girando. El rodillo rueda a lo largo de la ranura espiral; El vástago y el obturador giran 90° en sentido antihorario y la válvula se abre por completo. Al cerrarse, el dispositivo de accionamiento impulsa la tuerca del vástago; el rodillo rueda por la ranura espiral, y el vástago y el obturador giran 90° en sentido horario. La tuerca del vástago continúa girando y el rodillo rueda por la ranura recta. El vástago y el obturador descienden juntos. El obturador y las superficies de sellado del cuerpo entran en contacto hasta que se sellan.
4. Diseño estructural
El diseño de la válvula cumple con la norma API 599 y el par de sellado adopta una estructura de asiento metálico, adecuada para altas temperaturas. Dado que la presión específica de sellado de la válvula de tapón de elevación con asiento metálico se controla mediante el par proporcionado por el actuador externo, se considera una válvula de sellado forzado.
1. Tapas inferiores 2. Placas de soporte inferiores 3. Cuerpos de válvulas 4. Tapones 5. Placas de soporte superiores 6. Bonetes 7. Vástagos 8. Soportes 9. Pasadores transversales 10. Rodillos 11. Tuercas de vástago 12. Volantes
Figura 1 Elevación de válvulas de tapón con asiento metálico
4.1. Cuerpos de válvulas
El extremo del cuerpo de la válvula está bridado y el canal de flujo está reglado por Venturi, es decir, el área de la sección transversal de El canal de flujo disminuye gradualmente desde la entrada y la salida de la válvula hasta el sellado del asiento, pero su tamaño aumenta ligeramente en dirección vertical. El espesor mínimo de pared de la carcasa cumple con los requisitos para evitar la deformación permanente y la concentración de tensiones de los canales no circulares bajo la carga de la prueba de presión (1,5 veces la presión máxima de trabajo admisible).
Según inspecciones y pruebas reales, las partes donde la concentración de tensiones tiene el mayor impacto en la deformación del cuerpo de la válvula se encuentran en la cavidad y la superficie de sellado, lo que afecta su sellado. En el caso del cuerpo de la válvula de alta presión, se incorporan nervaduras de fundición integrales en el exterior (Figuras 2 y 3) o se aumenta el espesor de la pared para garantizar su rigidez a alta presión. La superficie de sellado del cuerpo de la válvula tiene una estructura interna convexa, lo que facilita su fabricación y facilita el mecanizado y el rectificado. Cuando la válvula está completamente cerrada, la cavidad central es adecuada para la purga.
Figura 2 Distribución de la tensión estática de la carga del cuerpo de la válvula.
Figura 3 Distribución del desplazamiento estático del cuerpo de la válvula bajo carga.
4.2. Tapones
El obturador presenta una estructura integral con buena rigidez, lo que facilita su uso en aplicaciones con altas diferencias de presión. El orificio pasante del obturador es aproximadamente rectangular y cuenta con pivotes superiores e inferiores que se integran con los orificios internos de alta precisión de las placas de soporte. El círculo exterior de la placa de soporte se ajusta con precisión al orificio interior en el extremo de las bridas superior e inferior del cuerpo de la válvula, de modo que la presión del medio que actúa sobre el obturador se transmite a este a través de la placa de soporte. Esto evita que el obturador vibre debido al desgaste por fluidos a alta velocidad bajo alta presión y alta diferencia de presión, mejorando así su estabilidad. Además, cuando el vástago de la válvula debe estar horizontal o inclinado, esta estructura también elimina el efecto negativo del obturador en el rendimiento de la válvula debido a su peso. Mediante análisis, la tensión y la deformación del obturador se concentran en el centro del obturador y en el borde del orificio pasante, lo cual debe considerarse en el diseño (Figuras 4 y 5).
Figura 4 Distribución de la carga de tensión estática de los tapones
Figura 5 Distribución de la carga de desplazamiento estático de los tapones
El obturador generalmente está fabricado con acero al carbono fundido con carburo de soldadura superficial. Para presiones superiores a la Clase 600, se recomienda utilizar acero al carbono forjado con carburo de soldadura superficial o acero inoxidable martensítico fundido mediante un proceso de endurecimiento superficial por calentamiento. La dureza después del tratamiento térmico se controla entre 35 y 40 HRC, y se previene la corrosión y la adhesión después del rectificado. Las superficies de sellado del cuerpo de la válvula y del obturador están revestidas con una aleación dura, lo que no solo previene el agarrotamiento, sino que también prolonga la vida útil de la válvula.
4.3. Vástagos de válvulas
La estructura del vástago de la válvula se refiere al diseño del vástago de la válvula de compuerta de cuña. Considerando que hay un orificio horizontal en el centro del vástago, su diámetro se incrementa considerablemente. Debido a la corta carrera de la válvula, la parte roscada del vástago es solo entre 1/10 y 1/5 de la de una válvula de compuerta de la misma especificación. Por lo tanto, la velocidad de apertura de la válvula de tapón con asiento metálico es rápida.
4.4. Cubiertas del capó y de la base
La estructura de sellado del bonete está diseñada como una superficie cóncava-convexa o una conexión de anillo para cumplir con los requisitos de diferentes niveles de presión. Para válvulas de gran diámetro, se adopta el diseño dividido del soporte y el bonete. Además, el orificio del vástago de la válvula del bonete de la válvula de tapón con asiento metálico cuenta con un asiento de sellado superior, que coopera con la superficie cónica de 90° en el extremo del vástago de la válvula para formar el par de sellado superior de la válvula, cumple con los requisitos de reemplazo en línea de empaquetadura y es fácil de mantener. Hay una ranura guía en la parte superior del soporte de la válvula, que coopera con el rodillo para completar las dos acciones de elevación y rotación del tapón. La brida en el extremo superior del soporte está diseñada para instalar varios actuadores. La cubierta inferior cuenta con orificios de descarga, que pueden usarse para eliminar y purgar la suciedad en la cavidad del cuerpo.
5. Fabricación e inspección
La superficie de sellado cónica del cuerpo de la válvula y del obturador de la válvula de tapón con asiento metálico de elevación presenta una forma estructural especial y requiere una alta precisión de mecanizado, lo cual constituye un punto clave y complejo en su fabricación. Primero, se utiliza un torno vertical CNC de gran tamaño para procesar la superficie cónica, y luego, con la misma muela, se rectifica la superficie cónica de sellado del cuerpo de la válvula y del obturador en un centro de rectificado CNC de alta precisión, de modo que la rugosidad superficial alcance Ra 0,2 μm. Tras varias pruebas del prototipo de la válvula de tapón, de acuerdo con los requisitos de la norma API 598, se aprobaron las pruebas de resistencia de la carcasa, sellado a alta y baja presión y sellado superior, y el prototipo se fabricó con éxito.
