Guida alle parti delle valvole: struttura, funzioni e qualità di produzione

Introduzione

La precisione nella gestione dei fluidi è fondamentale per garantire l’affidabilità delle operazioni nei sistemi industriali di trattamento dei fluidi. La capacità di avviare, interrompere e controllare la circolazione del fluido è di fondamentale importanza, sia nelle raffinerie petrolchimiche, sia negli impianti di trattamento delle acque, sia negli impianti chimici. La valvola è il fulcro di questa operazione. Tuttavia, la complessità della progettazione delle valvole risulta semplificata se queste vengono considerate come un’unica unità. Una valvola è un insieme di parti separate progettate per resistere a determinate pressioni dei fluidi, differenze di temperatura e forze meccaniche.

Per gli ingegneri, i responsabili degli acquisti e i tecnici della manutenzione, è importante conoscere i singoli componenti di una valvola per poter individuare i guasti e procurarsi i ricambi in modo efficiente. Questa guida offre un’analisi approfondita della struttura della valvola, delle differenze funzionali tra i vari modelli e dell’importanza della qualità di fabbricazione per le prestazioni a lungo termine.

Le due categorie principali: corpo di pressione e gruppo valvolare

Per studiare la struttura della valvola in modo sistematico, è necessario distinguere tra le parti che mantengono la pressione e quelle che regolano il flusso.

Il confine di pressione: corpo e coperchio

Il circuito a pressione è costituito dai componenti fissi che trattengono il fluido e mantengono la pressione all'interno del sistema di tubazioni. L'elemento principale di questa categoria è il corpo valvola.

La struttura principale del gruppo è costituita dai corpi valvola. Essi forniscono la struttura fisica necessaria per collegare la valvola al sistema di tubazioni (tramite flange, filettature o saldature) e contengono i componenti interni della valvola. Il flusso del fluido è determinato dal design del corpo. Nelle valvole a globo, il fluido è costretto a cambiare direzione dal corpo, formando un flusso tortuoso che favorisce la regolazione della portata ma aumenta le perdite di carico. Nelle valvole a sfera o nelle valvole a saracinesca, il corpo è progettato per garantire un passaggio rettilineo, il che significa che può avere un’elevata portata.

Il cappello della valvola è fissato al corpo. L’apertura del corpo della valvola è coperta dal cappello, che è fissato al corpo tramite bulloni o un raccordo filettato. Il cappello ha due funzioni principali: in primo luogo, chiude la parte superiore del corpo della valvola per evitare perdite e, in secondo luogo, sostiene lo stelo della valvola e il gruppo attuatore. Poiché il recipiente a pressione principale è costituito dai corpi delle valvole e dai cappelli, la loro integrità strutturale è imprescindibile. Eventuali difetti in questi pezzi fusi, ad esempio porosità o inclusioni, compromettono la sicurezza dell’intero sistema.

I componenti del gruppo valvolare: disco, sede e stelo

Per "trim" si intendono i componenti funzionali della valvola che sono a diretto contatto con il fluido. La logica di base del controllo del flusso è determinata proprio da questi componenti del trim. Il trim tipico è costituito dal disco della valvola (o disco valvolare), dalla sede della valvola e dallo stelo della valvola.

L'ostacolo mobile nel flusso è il disco della valvola. Questo componente può avere la forma di una sfera, di una saracinesca, di un otturatore o di una farfalla, a seconda del tipo di valvola. In posizione chiusa, il disco sfrega contro la sede della valvola per arrestare il flusso. La sede della valvola può essere parte integrante del corpo o un anello rimovibile. L'interfaccia disco-sede deve essere lavorata secondo standard molto elevati per garantire un accoppiamento perfetto. Il disco interno è collegato all’attuatore esterno (maniglia o attuatore) tramite lo stelo della valvola.

Lo stelo della valvola collega il disco interno all'attuatore esterno (maniglia o attuatore). Lo stelo della valvola attraversa il coperchio e trasmette la coppia o la forza lineare necessaria per muovere il disco. Poiché lo stelo è in movimento sotto pressione, la finitura superficiale e la rettilineità dello stelo sono fondamentali per garantire la tenuta nel premistoppa.

Componenti di tenuta e azionamento

Le valvole utilizzano una guarnizione dello stelo per garantire che il flusso del fluido non fuoriesca attraverso lo stelo stesso. Si tratta solitamente di una sostanza fibrosa (PTFE o grafite) pressata attorno allo stelo all’interno del coperchio. La compressione impedisce le perdite, ma lo stelo è libero di ruotare o scorrere.

Il metodo di azionamento dipende dall'applicazione. Le valvole manuali sono dotate di volanti o leve. I sistemi automatizzati utilizzano attuatori pneumatici o elettrici. L'azionamento pneumatico viene impiegato anche in applicazioni in cui sono richieste una risposta rapida o un funzionamento a prova di guasto; in questi casi, l'aria compressa viene utilizzata per azionare lo stelo della valvola. Gli attuatori elettrici garantiscono un posizionamento preciso, ma sono generalmente più lenti di quelli pneumatici.

Componenti critici per tipo di valvola (a sfera, a saracinesca, a globo)

Sebbene la descrizione anatomica generale sopra riportata sia applicabile alla maggior parte delle valvole, alcune architetture utilizzano componenti speciali per soddisfare i propri obiettivi prestazionali.

Valvole a sfera: L'elemento di controllo del flusso in una valvola a sfera è un disco sferico con un foro al centro. Le valvole a sfera sono classificate come valvole a quarto di giro, poiché è necessaria una rotazione di 90 gradi per portare la valvola in posizione completamente aperta o completamente chiusa. Questo design garantisce buone proprietà di tenuta. I componenti più importanti in questo caso sono la sfera e le sedi, che sono solitamente realizzate con materiali morbidi come il PTFE per garantire una tenuta a prova di bolla.

Valvole a saracinesca: La valvola a saracinesca è dotata di un otturatore piatto o a cuneo che scorre linearmente in direzione perpendicolare al flusso. Il funzionamento delle valvole a saracinesca è di tipo "on/off". In posizione aperta, l'otturatore si chiude completamente all'interno del coperchio e il percorso del flusso non viene ostruito. Ciò comporta una perdita di carico minima. Tuttavia, un otturatore semiaperto è soggetto a vibrazioni e si usura rapidamente a causa della velocità del fluido; pertanto, queste valvole non sono adatte alla regolazione del flusso.

Valvole a globo: Le valvole a globo presentano una geometria interna diversa. Il movimento del disco della valvola è parallelo al flusso del fluido, sia in direzione della sede che in direzione opposta. Questo design consente un controllo accurato della portata. La direzione del flusso all’interno del corpo della valvola viene invertita, il che comporta un forte calo di pressione ma garantisce un controllo della regolazione della portata molto migliore rispetto alle valvole a saracinesca o a sfera.

Valvole di ritegno: Le valvole di ritegno sono automatiche e vengono utilizzate per impedire il riflusso. Non necessitano di stelo né di maniglia, ma funzionano grazie alla pressione del fluido. Ad esempio, in una valvola di ritegno a battente, il flusso in avanti provoca l’apertura del disco, mentre il flusso inverso fa sì che il disco si appoggia contro la sede. Altri modelli utilizzano molle interne per favorire la chiusura rapida della valvola ed evitare il colpo d’ariete.

Valvole a farfalla: Le valvole a farfalla funzionano grazie a un albero rotante a cui è fissato un disco. Quando la valvola è chiusa, il disco occlude il passaggio interno del tubo. Sono valvole di piccole dimensioni ed economiche, soprattutto nel caso di tubi di grande diametro. La tenuta dipende dalla qualità del rivestimento elastico o della sede.

Valvole a membrana: Le valvole a membrana sono progettate per separare il meccanismo di azionamento dal fluido tramite una membrana flessibile (diaframma). Ciò è fondamentale nelle applicazioni farmaceutiche o in presenza di fluidi corrosivi, dove la resistenza alla corrosione è un fattore cruciale e il contatto tra il fluido e i componenti metallici deve essere ridotto al minimo.

Valvola di sicurezza: Una valvola di sicurezza è dotata di una molla calibrata che mantiene un disco a contatto con una sede. La valvola si apre quando la pressione all'interno del sistema supera la forza della molla, in modo da scaricare la pressione in eccesso e impedire la sovrapressurizzazione del sistema.

Scelta dei materiali: trovare il giusto equilibrio tra durata e costo

La scelta dei materiali è fondamentale per la durata dei componenti delle valvole.

L'acciaio inossidabile è il materiale di riferimento per i corpi valvola e le parti interne in ambienti che richiedono sia robustezza che resistenza alla corrosione. Gradi come l'acciaio inossidabile 316 sono resistenti ai cloruri e agli agenti acidi presenti negli impianti chimici.

Nel caso dei materiali di rivestimento, gli ingegneri tendono a scegliere materiali più duri rispetto a quelli della struttura portante per garantire una maggiore resistenza all’usura. Le parti di rivestimento, ovvero il sedile e il disco, sono soggette a velocità elevate e attrito. Le superfici di contatto vengono solitamente saldate con materiali di rivestimento duro, come lo Stellite, per evitare il grippaggio e l’erosione.

I corpi in acciaio al carbonio sono adeguati per impieghi meno aggressivi, ma non possiedono la naturale resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile. In applicazioni molto specializzate, si ricorre a leghe esotiche come il Monel, l'Hastelloy o l'Inconel per resistere alle alte temperature o ai fluidi altamente reattivi.

Guasti comuni dei componenti delle valvole e risoluzione dei problemi

Per individuare la causa principale del guasto di una valvola è spesso necessario analizzare alcune parti interne specifiche.

1. Perdita dallo stelo: si tratta della causa di guasto più comune. Di norma indica che la guarnizione dello stelo è usurata o ha perso la sua tenuta. Può anche essere causata da uno stelo della valvola graffiato o piegato, che lacera il materiale della guarnizione.
2. Perdita interna (pass-by): quando una valvola non garantisce una tenuta ermetica in posizione chiusa, il problema è solitamente da ricercarsi nella sede o nel disco della valvola. I detriti che rimangono incastrati nella linea possono intaccare la superficie di tenuta, creando un punto di perdita. Nelle valvole a globo, il gruppo interno può essere danneggiato dal fenomeno del “wire drawing” (erosione causata dal fluido ad alta velocità che fuoriesce attraverso una piccola apertura).
3. Blocco: quando non è possibile ruotare una valvola in posizione aperta, lo stelo potrebbe essere corroso oppure le parti interne potrebbero essere bloccate a causa dell'espansione termica. Il blocco termico può causare l'incastro del cuneo nelle sedi delle valvole a saracinesca.

Qualità di produzione: perché il processo di fusione è importante

Sebbene la scelta dei materiali e la progettazione della valvola siano fasi importanti del processo, è il modo in cui produciamo i componenti della valvola, in particolare la fusione del corpo e del coperchio, a determinare in ultima analisi la sicurezza e l’affidabilità del prodotto. Le fusioni difettose sono la causa principale dei guasti gravi al corpo della valvola.

Fusione a cera persa con sol di silice per componenti di valvole di precisione

Nonostante esistano numerose tecniche di fusione dei metalli, per la produzione di componenti di valvole ad alta pressione e alta precisione, la fusione a sol di silice (o fusione a cera persa) risulta preferibile alla fusione in sabbia.

Sebbene la fusione in sabbia sia più economica, tende anche a presentare una finitura superficiale più ruvida e comporta un rischio maggiore di porosità interna (il che significa che nel metallo rimangono intrappolate piccole sacche d’aria). In presenza di elevate pressioni dei fluidi, queste aree tenderanno a diventare punti di concentrazione delle sollecitazioni, con il conseguente rischio di fessurazioni o perdite attraverso la parete del corpo.

La fusione a cera persa con sol di silice utilizza un guscio ceramico realizzato con sol di silice di alta qualità. Ciò consente di ottenere componenti con una precisione dimensionale e una qualità di finitura superficiale senza pari. Ciò è vantaggioso per i corpi valvola, poiché presenteranno percorsi di flusso interni molto più lisci, con conseguente riduzione della turbolenza e delle relative cadute di pressione. Inoltre, la struttura uniforme e a grana fine del pezzo fuso migliorerà la resistenza meccanica e la tenuta alla pressione dei corpi valvola. Per questo metodo di fusione, la composizione chimica dell’acciaio inossidabile o della lega viene rigorosamente controllata per soddisfare le specifiche di qualità e normative.

BesserCast: il tuo partner per la produzione di corpi valvola su misura

I produttori di valvole e i fornitori industriali sanno bene che l’affidabilità dei loro prodotti dipende dalla qualità dei pezzi fusi. Noi di BesserCast, grazie al metodo di fusione a cera persa con sol di silice, produciamo corpi valvola di alta precisione.

Il corpo di una valvola potrebbe sembrare un semplice involucro, ma sappiamo che in realtà si tratta di un recipiente a pressione che deve resistere a determinate condizioni di pressione e temperatura. Ci specializziamo nella realizzazione di corpi valvola utilizzati in valvole a sfera, valvole a saracinesca e valvole di ritegno complesse. Il nostro processo non solo garantisce che i componenti rientrino nelle tolleranze previste, ma assicura anche un’elevata qualità superficiale, il che significa che non sarà necessaria alcuna lavorazione secondaria. Ciò si traduce in un costo di produzione inferiore e in un prodotto finale più funzionale e durevole.

La fusione in sabbia rappresenta un’opzione più economica rispetto alla fusione a cera persa con sol di silice, ma in questo caso il minor costo comporta anche un rischio maggiore; ne sconsigliamo l’utilizzo. I nostri corpi valvola sono realizzati in numerosi materiali ad alte prestazioni: acciaio inossidabile, acciaio al carbonio e varie leghe, a garanzia delle prestazioni della valvola in condizioni di alta pressione e alta temperatura.

Per saperne di più su di noi, visita il nostro sito web: https://www.bessercast.com/.

Consigli per l'approvvigionamento di ricambi rispetto alla produzione OEM

Il modo in cui si procurano i componenti delle valvole per la manutenzione è diverso rispetto a quello utilizzato per la produzione.

Per quanto riguarda la manutenzione, i componenti di ricambio possono essere acquistati per lo più sotto forma di kit di riparazione contenenti parti morbide, tra cui guarnizioni, guarnizioni dello stelo e O-ring. Quando si tratta invece di parti rigide, come lo stelo o il disco della valvola che devono essere sostituiti, è essenziale verificare che i materiali delle parti interne siano compatibili con le altre parti della valvola. Un guasto immediato dovuto alla corrosione, causato dall’utilizzo di uno stelo in acciaio inossidabile 304 in un’applicazione che richiede acciaio inossidabile 316, rappresenterebbe un problema.

Per quanto riguarda i produttori di apparecchiature originali (OEM) che progettano e assemblano valvole, la preoccupazione principale riguarda la catena di approvvigionamento dei getti grezzi. La fornitura affidabile e costante di corpi valvola e coperchi proviene da fonderie dotate di tecnologie di fusione all’avanguardia. Tali fonderie, che integrano un controllo completo del processo, dall’iniezione del modello in cera al trattamento termico, sono in grado di garantire il controllo di qualità necessario per la conformità e il riconoscimento dei requisiti di altri paesi (come ASME o ISO).

Conclusione

Ciascuno dei componenti della valvola svolge una funzione specifica, pur collaborando con gli altri per raggiungere lo stesso obiettivo. Dalla capacità dei corpi valvola di resistere alla pressione alla tenuta sicura e precisa dei componenti interni, e non solo, ogni elemento svolge un ruolo importante.

Questi stessi principi valgono sia che si utilizzino attuatori pneumatici per l'automazione sia che si utilizzino volanti manuali. Lo stelo della valvola deve trasmettere il movimento, la sede della valvola deve chiudersi e garantire la tenuta contro il disco della valvola, mentre la guarnizione deve trattenere il liquido o il gas.

Tuttavia, affinché ciò funzioni, la produzione deve rispettare determinati standard qualitativi. Conoscere la differenza tra la fusione in sabbia grezza e la fusione a cera persa di precisione è fondamentale per prendere decisioni oculate in materia di acquisti e progettazione. La fusione a cera persa con sol di silice per il settore delle valvole e dei sistemi di controllo rappresenta un investimento nella qualità della produzione e l’industria ha la responsabilità di garantire il controllo del flusso per un utilizzo sicuro, efficace e affidabile nel corso di molti anni.