Diseño óptimo de pares de sellado de válvulas de compuerta de cuña de gran diámetro (Primera parte)
En este artículo se analizan la estructura y las características de funcionamiento de los pares de sellado de válvulas de compuerta de cuña de gran diámetro. Se diseñó y analizó la estructura de los pares de sellado de válvulas de compuerta eléctricas de cuña de DN1200, optimizando razonablemente su tamaño según las necesidades reales. Los resultados demuestran que el diseño cumple plenamente con los requisitos de resistencia.
1.Descripción general
A válvula de compuertaEs la válvula más común en aplicaciones industriales. El principio de funcionamiento de una válvula de compuerta es que la placa de la válvula se mueve perpendicularmente al canal del cuerpo de la válvula bajo la acción de la fuente de energía. Se utiliza para cortar el fluido en la tubería de transporte, es decir, abrirla o cerrarla completamente, lo que ofrece un sellado fiable. La resistencia al fluido de una válvula de compuerta es baja, y la resistencia al flujo del medio que pasa por el canal del cuerpo de la válvula es cercana a cero. Una válvula de compuerta es una válvula de dos vías con flujos bidireccionales. La dirección del flujo del medio en el canal del cuerpo de la válvula no está restringida. El medio puede fluir por ambos lados de la válvula de compuerta sin afectar su apertura y cierre normales. Por lo tanto, una válvula de compuerta es adecuada para tuberías donde la dirección del flujo del medio puede cambiar.
2.Principios de funcionamiento
La válvula de compuerta de cuña de gran diámetro se compone principalmente de un cuerpo, una tapa, un asiento, una placa, un vástago y un dispositivo eléctrico (Figura 1). El accionamiento eléctrico es la fuente de energía de la válvula. Cuando la válvula se abre, el dispositivo de transmisión eléctrica gira hacia adelante y la placa se mueve verticalmente hacia arriba a lo largo del canal a través del vástago y la tuerca. Cuando se alcanza la altura de apertura preestablecida, el dispositivo de transmisión eléctrica deja de accionar y la válvula se abre. Cuando se cierra, el dispositivo de transmisión eléctrica gira en sentido contrario y la placa se mueve verticalmente hacia abajo a lo largo del canal a través del vástago y la tuerca. Cuando se alcanza la altura de cierre preestablecida, el dispositivo de transmisión eléctrica deja de accionar y la válvula se cierra.
1. Dispositivos eléctricos 2. Tapas de válvulas 3. Vástagos de válvulas 4. Cuerpos de válvulas 5. Placas de válvulas
Figura 1 La estructura de las válvulas de compuerta de cuña
3. El diseño estructural de los pares de sellado
En este artículo se diseñan y optimizan la estructura y las dimensiones clave del cuerpo y la placa de la válvula de compuerta eléctrica tipo cuña de DN 1200 mm y PN 1.0MPa.
3.1 La estructura del cuerpo de la válvula
3.1.1 El tamaño de la cavidad media
El cuerpo de la válvula está fabricado mediante fundición integral (Figura 2); la brida superior tiene una estructura circular y su cavidad interior cuenta con nervaduras de refuerzo. La cavidad central del cuerpo de la válvula se deforma, lo que provoca una deformación excesiva de la superficie de sellado y fugas. Por lo tanto, se disponen nervaduras de refuerzo horizontales y longitudinales en diferentes posiciones de la pared interior de la cavidad del cuerpo de la válvula para limitar la deformación. Dos nervaduras de refuerzo horizontales y tres longitudinales están dispuestas en la parte superior de la pared interior de la cavidad del cuerpo de la válvula. Esta estructura se somete a una tensión uniforme y no se deforma fácilmente. El extremo inferior del cuerpo de la válvula está diseñado para ser achatado, y el cuerpo y el asiento de la válvula tienen una estructura integrada. Se seleccionó WCB como material del cuerpo de la válvula. La superficie del asiento de la válvula está soldada con aleaciones duras para mejorar su resistencia al desgaste y al rayado.
Figura 2 La estructura del cuerpo de la válvula
Calculamos el espesor de pared t del cuerpo de la válvula y obtenemos la fórmula (1).
En la fórmula, T es el espesor de la pared del cuerpo de la válvula, mm. P significa la presión de diseño, MPa.
Dn es el diámetro interior de la cavidad central del cuerpo de la válvula, en mm. C representa la tolerancia a la corrosión, en mm. [σL] es la presión de tensión admisible del material del cuerpo de la válvula, en MPa.
Entre ellos, la presión de diseño es de 1,0 MPa; el diámetro interior de la cavidad del cuerpo de la válvula es de 1300 mm; la tolerancia de corrosión C es de 5 mm, y la presión de tensión admisible [σL] del material del cuerpo de la válvula es de 82 MPa. El espesor de pared es de 17 mm tras el cálculo. El espesor de pared real es de 25 mm para garantizar la redundancia del diseño.
3.1.2 El ángulo de cuña del cuerpo y el asiento de la válvula.
Existe un cierto ángulo de inclinación entre la superficie de sellado del asiento de la válvula de compuerta de cuña y la línea central del canal vertical. Los semiángulos de cuña más comunes son de 2° y 5°. El tamaño del semiángulo de cuña influye considerablemente en el rendimiento de la válvula de compuerta. Cuando el ángulo es pequeño, la fuerza necesaria para cerrar la válvula es menor. Sin embargo, cuando la tubería se deforma debido a cambios de temperatura, aumenta la posibilidad de que la placa en forma de cuña se atasque en el cuerpo de la válvula. Por lo tanto, se selecciona una superficie de sellado con un ángulo de cuña de 5° para el asiento de la válvula.
3,2 toneladasLa estructura de la placa de válvulas
3.2.1 Selección estructural
El plato de la válvula es otro componente clave que desempeña un papel importante en la apertura y el cierre de la válvula. En estado cerrado, debe soportar una presión de aproximadamente 1.0 MPa del fluido entrante y una fuerza prácticamente nula cuando este fluye. Por lo tanto, es propenso a deformarse. Existen requisitos estrictos en cuanto a resistencia y rigidez, y se requiere un buen rendimiento de sellado y una alta fiabilidad.
Una estructura de cuña con doble placa de válvula de 5° se utiliza principalmente para sellar pares de válvulas de compuerta de cuña de gran diámetro, compuestas por dos placas de válvula (Figura 3). Una placa en forma de cuña, conectada por una bisagra central esférica, permite ajustar libremente el ángulo para que coincida con el asiento de la válvula en ambos lados. El ángulo de cuña de sellado de la placa de válvula se ajusta automáticamente mediante la superficie esférica central superior articulada, por lo que la precisión del ángulo de la superficie de sellado de la placa es baja. No se atasca fácilmente con los cambios de temperatura y no se raya fácilmente. Cuando la superficie de sellado de la placa de válvula se desgasta, se puede añadir una junta en la parte central superior para facilitar el mantenimiento. Al mismo tiempo, reduce la posibilidad de que la placa se atasque con el aumento de temperatura. Sin embargo, también hay desventajas como estructura compleja, tamaños grandes, muchas piezas estructurales, estructura suelta, poca confiabilidad, la placa de la válvula se cae fácilmente, fallas como ranuras de alivio o agujeros de pasador en la raíz del vástago de la válvula que se rompen, placas de válvula que se caen debido a deflectores superiores e inferiores oxidados y rejilla rota, que no son adecuados para medios viscosos.
Figura 3 Placas dobles de cuña
Considerando las deficiencias de las placas de cuña dobles, la placa de cuña eléctrica de DN 1200 mm adopta una estructura de placa elástica de cuña (Figura 4), con una ranura anular en el plano medio vertical, la cual ofrece cierta flexibilidad. Cuando la válvula está cerrada, la ligera deformación de la placa compensa la holgura de coincidencia con el asiento de la válvula debido a desviaciones de fabricación, de modo que la superficie de sellado de la placa de la válvula en ambos lados y el asiento de la válvula coinciden completamente. Al mismo tiempo, se genera una presión de sellado específica para lograr el objetivo. Cuando la temperatura del fluido cambia, la placa de la válvula no se atasca fácilmente. El par de cierre no debe ser excesivo ni se debe exceder el rango de deformación elástica de la placa de la válvula. La placa elástica de cuña tiene una estructura simple y la precisión de procesamiento del ángulo de cuña es relativamente baja. No se atasca fácilmente cuando la temperatura del fluido cambia. Esta estructura es más compacta y ligera que la placa de cuña doble, lo que reduce el tamaño y el peso total de la válvula.
1.Descripción general
A válvula de compuertaEs la válvula más común en aplicaciones industriales. El principio de funcionamiento de una válvula de compuerta es que la placa de la válvula se mueve perpendicularmente al canal del cuerpo de la válvula bajo la acción de la fuente de energía. Se utiliza para cortar el fluido en la tubería de transporte, es decir, abrirla o cerrarla completamente, lo que ofrece un sellado fiable. La resistencia al fluido de una válvula de compuerta es baja, y la resistencia al flujo del medio que pasa por el canal del cuerpo de la válvula es cercana a cero. Una válvula de compuerta es una válvula de dos vías con flujos bidireccionales. La dirección del flujo del medio en el canal del cuerpo de la válvula no está restringida. El medio puede fluir por ambos lados de la válvula de compuerta sin afectar su apertura y cierre normales. Por lo tanto, una válvula de compuerta es adecuada para tuberías donde la dirección del flujo del medio puede cambiar.
2.Principios de funcionamiento
La válvula de compuerta de cuña de gran diámetro se compone principalmente de un cuerpo, una tapa, un asiento, una placa, un vástago y un dispositivo eléctrico (Figura 1). El accionamiento eléctrico es la fuente de energía de la válvula. Cuando la válvula se abre, el dispositivo de transmisión eléctrica gira hacia adelante y la placa se mueve verticalmente hacia arriba a lo largo del canal a través del vástago y la tuerca. Cuando se alcanza la altura de apertura preestablecida, el dispositivo de transmisión eléctrica deja de accionar y la válvula se abre. Cuando se cierra, el dispositivo de transmisión eléctrica gira en sentido contrario y la placa se mueve verticalmente hacia abajo a lo largo del canal a través del vástago y la tuerca. Cuando se alcanza la altura de cierre preestablecida, el dispositivo de transmisión eléctrica deja de accionar y la válvula se cierra.
1. Dispositivos eléctricos 2. Tapas de válvulas 3. Vástagos de válvulas 4. Cuerpos de válvulas 5. Placas de válvulas
Figura 1 La estructura de las válvulas de compuerta de cuña
3. El diseño estructural de los pares de sellado
En este artículo se diseñan y optimizan la estructura y las dimensiones clave del cuerpo y la placa de la válvula de compuerta eléctrica tipo cuña de DN 1200 mm y PN 1.0MPa.
3.1 La estructura del cuerpo de la válvula
3.1.1 El tamaño de la cavidad media
El cuerpo de la válvula está fabricado mediante fundición integral (Figura 2); la brida superior tiene una estructura circular y su cavidad interior cuenta con nervaduras de refuerzo. La cavidad central del cuerpo de la válvula se deforma, lo que provoca una deformación excesiva de la superficie de sellado y fugas. Por lo tanto, se disponen nervaduras de refuerzo horizontales y longitudinales en diferentes posiciones de la pared interior de la cavidad del cuerpo de la válvula para limitar la deformación. Dos nervaduras de refuerzo horizontales y tres longitudinales están dispuestas en la parte superior de la pared interior de la cavidad del cuerpo de la válvula. Esta estructura se somete a una tensión uniforme y no se deforma fácilmente. El extremo inferior del cuerpo de la válvula está diseñado para ser achatado, y el cuerpo y el asiento de la válvula tienen una estructura integrada. Se seleccionó WCB como material del cuerpo de la válvula. La superficie del asiento de la válvula está soldada con aleaciones duras para mejorar su resistencia al desgaste y al rayado.
Figura 2 La estructura del cuerpo de la válvula
Calculamos el espesor de pared t del cuerpo de la válvula y obtenemos la fórmula (1).
En la fórmula, T es el espesor de la pared del cuerpo de la válvula, mm. P significa la presión de diseño, MPa.
Dn es el diámetro interior de la cavidad central del cuerpo de la válvula, en mm. C representa la tolerancia a la corrosión, en mm. [σL] es la presión de tensión admisible del material del cuerpo de la válvula, en MPa.
Entre ellos, la presión de diseño es de 1,0 MPa; el diámetro interior de la cavidad del cuerpo de la válvula es de 1300 mm; la tolerancia de corrosión C es de 5 mm, y la presión de tensión admisible [σL] del material del cuerpo de la válvula es de 82 MPa. El espesor de pared es de 17 mm tras el cálculo. El espesor de pared real es de 25 mm para garantizar la redundancia del diseño.
3.1.2 El ángulo de cuña del cuerpo y el asiento de la válvula.
Existe un cierto ángulo de inclinación entre la superficie de sellado del asiento de la válvula de compuerta de cuña y la línea central del canal vertical. Los semiángulos de cuña más comunes son de 2° y 5°. El tamaño del semiángulo de cuña influye considerablemente en el rendimiento de la válvula de compuerta. Cuando el ángulo es pequeño, la fuerza necesaria para cerrar la válvula es menor. Sin embargo, cuando la tubería se deforma debido a cambios de temperatura, aumenta la posibilidad de que la placa en forma de cuña se atasque en el cuerpo de la válvula. Por lo tanto, se selecciona una superficie de sellado con un ángulo de cuña de 5° para el asiento de la válvula.
3,2 toneladasLa estructura de la placa de válvulas
3.2.1 Selección estructural
El plato de la válvula es otro componente clave que desempeña un papel importante en la apertura y el cierre de la válvula. En estado cerrado, debe soportar una presión de aproximadamente 1.0 MPa del fluido entrante y una fuerza prácticamente nula cuando este fluye. Por lo tanto, es propenso a deformarse. Existen requisitos estrictos en cuanto a resistencia y rigidez, y se requiere un buen rendimiento de sellado y una alta fiabilidad.
Una estructura de cuña con doble placa de válvula de 5° se utiliza principalmente para sellar pares de válvulas de compuerta de cuña de gran diámetro, compuestas por dos placas de válvula (Figura 3). Una placa en forma de cuña, conectada por una bisagra central esférica, permite ajustar libremente el ángulo para que coincida con el asiento de la válvula en ambos lados. El ángulo de cuña de sellado de la placa de válvula se ajusta automáticamente mediante la superficie esférica central superior articulada, por lo que la precisión del ángulo de la superficie de sellado de la placa es baja. No se atasca fácilmente con los cambios de temperatura y no se raya fácilmente. Cuando la superficie de sellado de la placa de válvula se desgasta, se puede añadir una junta en la parte central superior para facilitar el mantenimiento. Al mismo tiempo, reduce la posibilidad de que la placa se atasque con el aumento de temperatura. Sin embargo, también hay desventajas como estructura compleja, tamaños grandes, muchas piezas estructurales, estructura suelta, poca confiabilidad, la placa de la válvula se cae fácilmente, fallas como ranuras de alivio o agujeros de pasador en la raíz del vástago de la válvula que se rompen, placas de válvula que se caen debido a deflectores superiores e inferiores oxidados y rejilla rota, que no son adecuados para medios viscosos.
Figura 3 Placas dobles de cuña
Considerando las deficiencias de las placas de cuña dobles, la placa de cuña eléctrica de DN 1200 mm adopta una estructura de placa elástica de cuña (Figura 4), con una ranura anular en el plano medio vertical, la cual ofrece cierta flexibilidad. Cuando la válvula está cerrada, la ligera deformación de la placa compensa la holgura de coincidencia con el asiento de la válvula debido a desviaciones de fabricación, de modo que la superficie de sellado de la placa de la válvula en ambos lados y el asiento de la válvula coinciden completamente. Al mismo tiempo, se genera una presión de sellado específica para lograr el objetivo. Cuando la temperatura del fluido cambia, la placa de la válvula no se atasca fácilmente. El par de cierre no debe ser excesivo ni se debe exceder el rango de deformación elástica de la placa de la válvula. La placa elástica de cuña tiene una estructura simple y la precisión de procesamiento del ángulo de cuña es relativamente baja. No se atasca fácilmente cuando la temperatura del fluido cambia. Esta estructura es más compacta y ligera que la placa de cuña doble, lo que reduce el tamaño y el peso total de la válvula.
