Las válvulas de tapón orbitales se utilizan comúnmente en aplicaciones industriales para controlar el flujo de líquidos y gases. Estas válvulas cuentan con un obturador cilíndrico que gira dentro del cuerpo de la válvula para regular el flujo de fluido a través del sistema. Su diseño único permite un control preciso de los caudales y los niveles de presión, lo que las hace ideales para procesos donde la precisión es crucial. Una ventaja clave de las válvulas de tapón orbitales es su capacidad para proporcionar un cierre hermético, garantizando cero fugas cuando... válvula de tapón Está cerrado. Esto los hace especialmente adecuados para aplicaciones donde la seguridad y la protección del medio ambiente son primordiales.
Tras décadas de continuos avances tecnológicos, las válvulas de tapón orbitales han demostrado ser seguras y fiables. Se introdujeron en el mercado chino en la década de 1980 y, desde entonces, se han utilizado ampliamente en aeropuertos y plataformas de aviación civil. Estructuralmente, las válvulas de tapón orbitales se clasifican como válvulas de tapón cilíndricas de expansión. Sin embargo, debido a su diseño único, difieren en ciertos aspectos de las válvulas de tapón de expansión estándar, por lo que se presentan por separado a continuación.
Figura 1. Válvula de tapón orbital
1. Cuerpo de la válvula 2. Tapón 3. Anillo de sellado 4. Junta 5. Tapa de la válvula 6. Empaquetadura 7. Casquillo 8. Soporte 9. Vástago de la válvula 10. Volante
El sello (deslizador) de la válvula orbital está conectado al obturador (llave) mediante una estructura de riel guía. Durante la apertura de la válvula, el obturador se eleva primero a una altura específica, determinada por el diseño, mediante el mecanismo de transmisión. A medida que asciende, el obturador arrastra gradualmente los dos deslizadores hacia el centro de la válvula. Una vez que las superficies de sellado de los deslizadores se separan completamente del cuerpo de la válvula y se forma un espacio designado, el mecanismo de transmisión continúa girando el obturador y los deslizadores 90°, abriendo completamente la válvula. Durante el proceso de cierre, el mecanismo de transmisión gira primero el obturador y los deslizadores 90° (cerrando la válvula, aunque aún no sellada). A continuación, empuja el obturador hacia abajo. A medida que el obturador desciende, los deslizadores se desplazan hacia las superficies de sellado a ambos lados del cuerpo de la válvula. Cuando los anillos de sellado elásticos de los deslizadores se comprimen uniformemente contra las superficies de sellado del cuerpo de la válvula, se forma un sello hermético.
Las válvulas de tapón orbital se utilizan principalmente en sistemas de medición, sistemas de calibración de medición, sistemas de mezcla y distribución multirramo, aislamiento del fondo de tanques, almacenamiento y transporte de combustible de aviación, sistemas de hidrantes para reabastecimiento de combustible en aeropuertos y operaciones de carga y descarga de alta frecuencia. Entre los medios típicos se incluyen el queroseno de aviación, el petróleo ligero, el gas natural, el gas licuado de petróleo, el gas de oleoducto y otras sustancias similares. Estas válvulas son ideales para proporcionar un cierre fiable en dichas aplicaciones.
Las válvulas de tapón orbitales con estructura de doble sellado en la brida central se utilizan comúnmente para fluidos como queroseno de aviación, gas natural, gas licuado de petróleo y petróleo refinado. Dado que sustancias como el queroseno de aviación son altamente permeables, inflamables y explosivas, se emplea un sistema de doble sellado, compuesto por una junta tórica y una empaquetadura en espiral, en la brida central para evitar fugas (Figura 2).
Figura 2. Estructura de doble sellado de brida intermedia
Durante su funcionamiento, el obús de una válvula orbital debe realizar movimientos verticales (ascendente y descendente) y rotatorios. Dada la complejidad de estos movimientos y las características específicas de los medios involucrados, se adopta un sello combinado con juntas tóricas internas y externas, junto con un empaque tradicional, para garantizar la seguridad y la fiabilidad del sellado (Figura 3).
Figura 3. Estructura de sellado combinada con juntas tóricas internas y externas y empaquetadura
De acuerdo con API 6D, todas las válvulas de doble sellado deben estar equipadas con un dispositivo y función de alivio de sobrepresión. La diferencia de presión que requiere alivio suele deberse a cambios en la temperatura ambiente. Cuando una válvula de doble sellado está cerrada, el fluido atrapado en su cavidad central puede expandirse debido al aumento de la temperatura ambiente, lo que resulta en un aumento gradual de la presión. Si esta presión no se alivia a tiempo, puede afectar gravemente el funcionamiento de la válvula e incluso causar daños estructurales, como la expansión o el agrietamiento de la válvula, lo que supone importantes riesgos para la seguridad del sistema.
Las válvulas de tapón orbital generalmente emplean tres tipos de sistemas de alivio de presión:
a. Sistema de alivio de presión manual (utilizado para válvulas operadas manualmente)
Este sistema suele utilizar una válvula de aguja instalada en el cuerpo de la válvula, como se muestra en la Figura 4(a). Cuando la válvula está cerrada, la válvula de alivio de presión de la cavidad se abre para liberar el fluido atrapado en la cavidad central, ya sea aguas arriba hacia la tubería o a la atmósfera. Al descargar a la atmósfera, también se puede comprobar el sellado de la válvula.
b. Sistema de alivio de presión diferencial (utilizado tanto para el funcionamiento de válvulas manuales como eléctricas)
Este sistema consta de un conjunto de tuberías con una válvula de retención, como se muestra en la Figura 4(b). El sistema incluye una válvula de alivio manual, un conector en T, una válvula de retención y una válvula de aislamiento. La válvula de aislamiento normalmente se mantiene abierta. Cuando la válvula está cerrada, la sobrepresión en la cavidad central se alivia a través de la válvula de retención hacia el lado aguas arriba de la tubería. La apertura simultánea de la válvula de alivio manual permite probar su sellado. La válvula de alivio manual debe cerrarse antes de abrir la válvula.
c. Sistema automático de alivio de presión (utilizado para válvulas operadas eléctricamente)
Cuando la válvula está cerrada, la válvula de alivio de presión se activa automáticamente mediante el mecanismo del actuador, lo que permite que la cavidad de la válvula se ventile hacia la tubería aguas arriba o externamente, según sea necesario.
(a) Sistema de alivio de presión manual (b) Sistema de alivio de presión diferencial
Figura 4 Sistema de alivio de presión de las válvulas de tapón del riel
El mecanismo de operación de la válvula y el mecanismo de manguito roscado de la válvula orbital autoblocante adoptan una estructura de ranura única en forma de L, como se muestra en la Figura 5(a). Este diseño separa el movimiento lineal axial del movimiento rotatorio de 90° del tapón, lo que resulta en un funcionamiento suave y sin esfuerzo de la válvula. En la Figura 5(a), AB representa el segmento de movimiento lineal, BC el segmento rotatorio de 90° y la chaveta guía se desliza dentro de la ranura. Para reducir el número de rotaciones del volante, las roscas trapezoidales del vástago de la válvula y del manguito roscado generalmente tienen dos o más entradas. El mecanismo de transmisión por engranajes es inherentemente autoblocante, y la rosca trapezoidal utilizada es de tipo robusto, capaz de soportar cargas mayores.
Entre las válvulas similares actualmente en el mercado, la ranura guía a veces tiene forma de V, como se muestra en la Figura 5(b). Esta ranura forma una espiral casi en forma de V sobre la superficie cilíndrica del casquillo roscado. Su principio de funcionamiento es el siguiente: AB representa la etapa inicial de movimiento lineal de la llave; BC implica movimientos tanto lineales como rotacionales, durante los cuales la chaveta guía experimenta mayores fuerzas de corte, lo que exige mayor resistencia. Además, el obturador debe diseñarse con una carrera más larga para evitar una fricción excesiva entre la superficie de sellado blanda y la superficie de sellado del cuerpo de la válvula. De lo contrario, aumenta el par de operación y acorta la vida útil de la válvula. Por estas razones, la estructura de la ranura guía en forma de V presenta importantes inconvenientes de diseño.
(a) Mecanismo de guía en forma de L (b) Mecanismo de guía en forma de V
Figura 5 Estructura de la ranura guía
Tras el mecanizado de precisión (rectificado), la cavidad interna del cuerpo de la válvula se croma para mejorar su resistencia a la corrosión, la erosión, el desgaste y la oxidación. La corredera también se croma después del mecanizado y antes de aplicar el fluoruro, lo que garantiza la durabilidad y la resistencia a la corrosión de su superficie metálica de sellado. El obturador, junto con los ejes superior e inferior, se niquela después del mecanizado para ofrecer una excelente protección contra la oxidación y la corrosión.
El vástago de la válvula se somete a temple y revenido tras el mecanizado de desbaste. Tras el mecanizado de precisión, se nitrura para alcanzar una dureza superficial no inferior a 900 HV, lo que mejora su resistencia al desgaste y al rozamiento, especialmente en el manguito roscado. La ranura guía en forma de L y la cabeza de la chaveta guía del manguito roscado se mecanizan y templan hasta alcanzar una dureza no inferior a 45 HRC, lo que mejora significativamente la resistencia al desgaste y garantiza un deslizamiento suave de la chaveta guía dentro de la ranura.
La válvula orbital de tapón cuenta con ventanas a ambos lados del soporte, lo que permite el ajuste y el mantenimiento de la empaquetadura en línea. En caso de fuga de la empaquetadura, se puede añadir empaquetadura adicional o reemplazar la existente sin necesidad de retirar la válvula de servicio.
El obturador de la válvula orbital presenta un diseño de fundición integral, con los ejes superior e inferior fundidos como una sola unidad. Esto garantiza que los ejes posean suficiente rigidez, resistencia y resistencia a la flexión al someterse a presión unidireccional. Los ejes superior e inferior se apoyan en la tapa y la tapa inferior de la válvula, respectivamente, con cojinetes para asegurar una alineación precisa. La precisión del mecanizado y la dureza de los cojinetes ayudan a prevenir la fricción y el desgaste entre los ejes y los cojinetes causados por la presión del medio, reduciendo así la fricción general.
Las válvulas de tapón orbital están diseñadas para operar con bajo par. Los rodamientos en los ejes superior e inferior del tapón garantizan una alineación precisa y minimizan la fricción entre el tapón y la tapa inferior. Esto es especialmente importante en válvulas de gran diámetro, donde el movimiento de la corredera durante la rotación puede generar una fricción significativa, lo que resulta en un alto par de operación. La fricción prolongada entre la corredera y la tapa inferior puede provocar desgaste (marcas de desgaste), lo que eventualmente puede dificultar el movimiento de la corredera. Para solucionar este problema, se instala un anillo de rodamiento recubierto de carburo de tungsteno con una dureza superior a 65 HRC en la tapa inferior, mientras que una bola endurecida con una dureza superior a 60 HRC se coloca en la base de la corredera. La combinación de mecanizado de precisión y alta dureza del material previene eficazmente fallas operativas y garantiza un funcionamiento suave y sin esfuerzo de la válvula.
