Tecnologia de válvulas de borboleta: análise comparativa e de pormenor

Válvulas de borboleta de veio concêntrico (ou simétricas)

Uma válvula de borboleta de veio concêntrico é uma válvula cujo disco (ou borboleta) roda num ângulo de 90 graus à volta dum eixo, num ângulo recto face à direcção de escoamento do fluido. O centro de rotação localiza-se no centro do corpo, que também é o centro da tubagem (Fig. 1)

pic1_Tecnologia de válvulas de borboleta Fig. 1:  Vista em corte de válvula de borboleta de veio concêntrico

Na posição de fechada, o disco veda pressionando contra o anel vedante, feito em elastómero ou plastómero. Quando a válvula é aberta, o fluido escoa-se à volta do disco pelos dois lados. A sua curta distância entre flanges, conforme à EN 558-1-20, torna estas válvulas adequadas para montagem entre flanges (tipo “sanduíche”), para desmontagem a jusante ou para a função de fim de linha.

Corpos de tipos diferentes 

As válvulas de borboleta de veio concêntrico são fabricadas em 2 tipos de construção principais (Fig. 2): no primeiro, o disco e o veio são duas peças separadas. Isto significa que pode ser usado um corpo numa peça única com um anel vedante em elastómero. Este tipo de construção é menos sensível às forças da tubagem. 

pic2_Tecnologia de vv's de borboleta Fig. 2: Tipos de construção principais

No segundo, mais caro, o disco e o veio formam uma peça única, o que significa que o corpo tem de ser construído em duas peças. Neste tipo de construção, o anel vedante também pode ser feito em plastómero, apoiado num elastómero. Como esta construção permite uma maior segurança, é a escolha habitual para aplicações químicas. 

No que se refere à forma do corpo, existem 4 alternativas: 

  • Corpo entre flanges (“sanduíche”): Esta forma apenas é adequada para ser montada entre flanges iguais (Fig. 3a). 
  • Corpo com alguns olhais: Esta forma é adequada para desmontagem a jusante, o que é uma grande vantagem, por exemplo durante a manutenção de uma bomba (Fig. 3b).
  • Corpo todo com olhais: Os orifícios do corpo permitem uma montagem e desmontagem simples das flanges (Fig. 3c).
  • Corpo flangeado: Graças aos orifícios roscados, a válvulas pode ser apenas apertada entre flanges ou contra cada uma das flanges da tubagem (Fig. 3d).​ pic3_Tecnologia de vv´s de borboleta
  • A vantagem das válvulas montadas entre flanges é que o corpo só é sujeito a cargas de pressão, pois as forças são transmitidas directamente de uma flange para a outra, através dos pernos (Fig. 4, esq.). Uma válvula flangeada também absorve as forças transmitidas pela tubagem (Fig. 4, dta.).

Todos os tipos de corpo estão disponíveis para ligação a flanges de qualquer norma, por exemplo EN, ANSI ou JIS. 

pic4_Tecnologia de vv's de borboleta Fig. 4: Transmissão de forças nos corpos entre flanges e flangeado

O Grupo KSB produz, entre muitos outros tipos, válvulas de borboleta de eixo concêntrico com anel de borracha em diâmetros nominais até 4.000 mm. A classe de pressão máxima depende do diâmetro nominal e vai até 25 bar. A temperatura de serviço máxima depende do material do anel vedante, do fluido e da pressão, mas – neste tipo de válvulas - pode ir até 200 °C.

Como com qualquer outro acessório de tubagem, as válvulas de borboleta causam perdas de carga, mesmo na posição aberta. No entanto, estas são bastante inferiores às das válvulas de outros tipos, onde o escoamento ainda muda de direcção. Por isso elas são mais eficientes em termos energéticos do que as válvulas de eixo descentrado ou de globo. A razão desta vantagem é a forma fina, hidraulicamente favorável, do disco. 

A ligação entre o veio e o disco ou borboleta, segue um dos dois seguintes princípios de construção (Fig. 5):

  • Ligação veio-disco em contacto com o fluido (“molhada”).
  • Ligação veio-disco sem contacto com o fluido (“seca”).

Ligação veio-disco “molhada” 

Este princípio é principalmente utilizado em válvulas de baixo custo. O disco e o veio são unidos por um pino ou perno. Como a zona de ligação está rodeada pelo fluido, sendo o disco e o veio feitos em materiais diferentes, existe o risco de corrosão electrolítica ou química nessa zona. Essa corrosão pode depois espalhar-se para o veio. Isto significa um maior risco de fractura, possíveis fugas para a atmosfera e maior dificuldade em desmontar as peças. 

New content item Fig. 5: Tipos de ligação veio-disco

Ligação veio-disco com bloqueio positivo 

Este princípio de construção, de melhor nível, permite uma ligação “seca” onde a ligação veio-disco não está em contacto com o fluido. Esta característica permite que apenas os materiais destas duas peças tenham de ser resistentes ao fluido. 

As peças são unidas apenas por meio de uma acção de bloqueio positivo, através de uma ligação por chaveta ou estriada, com ponta plana ou quadrada. Estas variantes evitam a corrosão e minimizam o risco de fractura. E, como vantagem adicional, a ligação veio-disco por chaveta ou estrias não tem folgas, reduzindo assim o risco de deflexão. 

Anel vedante das válvulas de borboleta 

O anel vedante é a peça mais importante de uma válvula de borboleta, pois é ela que garante a estanquicidade entre flanges, na zona de ligação veio-disco e na passagem do veio (Fig. 6).

pic6_Tecnologia de vv's de borboleta Fig. 6: Zonas de vedação

Ele é inserido no corpo (“solto”), ou vulcanizado directamente ao corpo, ou sobre outro anel de suporte que esteja montado sobre o corpo (Fig. 7). A vantagem do anel “solto” é que pode ser facilmente substituído. As válvulas de borboleta da KSB são totalmente estanques na passagem do veio, pois o elastómero é comprimido entre o corpo e o disco. A estanquicidade da vedação realizada pelo anel depende das forças reactivas criadas pela montagem à pressão. pic7_Tecnologia de vv's de borboleta Fig. 7: Formas de ligação do anel

Para garantir a estanquicidade no topo e na base da passagem do veio, ao longo dos 90 graus em que o disco se move, o anel é moldado esfericamente nestes pontos. O disco também é maquinado esfericamente nas passagens do veio, pelo que encaixa perfeitamente na forma do anel (Fig. 8). O resultado é uma vedação para a atmosfera fiável. 

A vedação dentro da tubagem baseia-se no mesmo princípio das forças reactivas ou resiliência. O valor da pressão com que o disco comprime o anel varia em função da pressão diferencial e das propriedades mecânicas do elastómero de que o anel é feito.

Ao mesmo tempo a resiliência do anel evita que este se danifique quando o disco se move para a posição de fecho. O contorno cónico do anel até à linha de vedação, minimiza o trabalho de flexão e deformação necessário. Isto permite aumentar a vida útil e reduzir os binários de accionamento !  

pic8_Tecnologia de vv's de borboleta Fig. 8: Vista em corte do anel vedante

A vedação contra as faces da flange é conseguida através da compressão do anel entre o corpo da válvula e as flanges da tubagem (Fig. 9).

Os especialistas de materiais da KSB têm desenvolvido uma enorme variedade de elastómeros, para garantir a máxima resistência química do anel às características do fluido. A temperatura máxima que o material do anel suporta depende da pressão e propriedades do fluido. 

pic9_Tecnologia de vv's de borboleta Fig. 9: As forças de vedação nas flanges e na tubagem

Disco (ou borboleta) das válvulas 

Além dos discos em materiais normais, por exemplo ferro fundido nodular, aço inox e bronze, também têm sido utilizados há mais de 25 anos os discos revestidos a borracha dura, especialmente em instalações de tratamento de água. Estes últimos são tão resistentes como os feitos em bronze ou aço inoxidável duplex. Face ao aumento dos preços dos metais nobre e não ferrosos, esta solução económica ganha cada vez mais importância. 

As válvulas de borboleta com anel em plastómero são normalmente utilizadas pelos operadores em sistemas com fluidos moderada a fortemente corrosivos. Nestas aplicações, quer o disco quer o anel vedante têm um revestimento em PFA. Os discos nestes materiais também têm provado em aplicações de regulação ou vedação, mesmo com fluidos altamente corrosivos. 

Graças à sua adaptabilidade a uma vasta gama de fluidos e à sua tolerância aos contaminantes dos fluidos, as válvulas de borboleta de disco concêntrico ou simétricas encontram-se actualmente em inúmeras aplicações. 

Facilidade de automação 

Normalmente distingue-se entre as válvulas de funcionamento manual e motorizadas. O facto do seu movimento ser de apenas ¼ de volta e de as suas pontas de veio e flanges de ligação ao actuador serem normalizadas conf. à EN ISO 5211, tornam-nas relativamente simples de motorizar. 

O tamanho mínimo dos elementos de accionamento das válvulas actuadas manualmente é definido pela norma EN 12570. Até ao DN 250, é prática corrente manobrar as válvulas directamente com uma alavanca (Fig. 2). As válvulas de borboleta de DN igual ou superior a 300 são normalmente equipadas com caixas desmultiplicadoras, de modo a reduzir as forças de accionamento.

Nos casos em que as válvulas de borboleta têm de ser accionadas com frequência ou remotamente, são equipadas com actuadores pneumáticos, hidráulicos ou eléctricos. Todas as variantes podem ser utilizadas em aplicações de abertura/fecho (corte) ou regulação. 

Conclusão 

As válvulas de borboleta têm vindo a escrever uma história de sucesso no campo do transporte de fluidos, há mais de 50 anos. Os factores de sucesso das válvulas de borboleta de disco concêntrico (simétricas) – distância entre flanges reduzida, baixo peso e, acima de tudo, a sua resistência a uma larga variedade de fluidos – são as principais razões para a sua extensa gama de aplicação.

Quer os projectistas, quer os operadores valorizam este tipo de válvula por ser uma solução pratica e económica no corte e regulação de fluidos. A favorável hidráulica destas válvulas e a normalização da interface de automação também têm um papel importante no seu sucesso. Devido à sua construção simples, as diferenças de qualidade entre os vários fabricantes encontram-se principalmente em pormenores como a forma do anel vedante e do disco, e o método utilizado para ligar veios com discos. Uma vida útil prolongada e elevada frequência de accionamento só são possíveis de obter com componentes de alta qualidade. As válvulas supostamente baratas podem na realidade tornar-se muito caras na utilização do dia-a-dia. 

João Leite / Director Geral



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