Materiales termoplásticos como asiento de válvula de bola y asiento de válvula de mariposa

Se ofrece un gran número de materiales termoplásticos en válvulas, principalmente como opciones de asiento blando para aplicaciones de válvulas de bola. También válvulas revestidas como válvula de mariposa revestida, válvula de globo revestida, válvula antirretorno revestida.

Asiento de válvula de bola

Las válvulas de bola desempeñan un papel fundamental en el control del flujo de fluido y la presión dentro de una tubería, pero su eficacia y seguridad dependen del material del asiento utilizado. En esta entrada del blog, vamos a repasar los aspectos básicos de los cinco materiales de asiento de válvulas de bola más utilizados.

Válvulas de bola

Tanto si se encuentran en una aplicación petroquímica, donde una fuga podría ser devastadora para el medio ambiente, como en un laboratorio farmacéutico, donde la limpieza y el saneamiento son fundamentales, los asientos de las válvulas de bola deben ser fiables y robustos. Una válvula de bola está formada por el cuerpo de la válvula, la tapa del cuerpo, el vástago, la bola sólida y el asiento redondo de la válvula de bola.

El asiento de la válvula de bola se encarga de sellar el fluido en su interior y de distribuir uniformemente la tensión de asiento. En los diseños de válvulas de bola de asiento blando, se utiliza un elastómero o un polímero como junta y se inserta en un anillo de asiento metálico. Este enfoque, a diferencia de las válvulas de bola de asiento duro, es popular porque proporciona una buena acción de sellado, es más ligero y más rentable.

Propiedades clave de los materiales de los asientos de las válvulas de bola

A la hora de elegir un material polimérico para el asiento de una válvula de bola, intervienen numerosos factores. Las propiedades clave del material incluyen...

Suficiente ductilidad para proporcionar un sellado fiable
Estabilidad dimensional para garantizar que el asiento de la válvula de bola mantenga su forma para un sellado y un rendimiento fiables.
Muy baja fricción para mantener el par del vástago al mínimo
Bajo coeficiente de dilatación térmica para que el asiento de la válvula de bola conserve su forma cuando se producen cambios de temperatura
Excelente resistencia al desgaste para una larga vida útil
Compatibilidad química con todos los medios implicados
En algunos entornos operativos, también es importante que los materiales de los asientos de las válvulas de bola presenten estas propiedades:
Baja absorción de humedad para evitar cambios dimensionales en presencia de agua o humedad elevada
Mantener el rendimiento con esterilizaciones repetidas que pueden incluir agua caliente, vapor y productos químicos de limpieza agresivos.
Buen rendimiento en presencia de descompresiones repentinas (es decir, caídas de presión superiores a 650 psi).

Materiales recomendados para los asientos de las válvulas de bola

Hay varios materiales que funcionan bien como asientos de válvulas de bola, como el acetal, el PEEK, el PTFE, el TFM y el UHMW-PE.

Asientos de válvulas de bola PEEK

Gama de temperaturas: -50 °F a 550 °F

Presión máxima a temperatura ambiente: 6000 psi

Color: Beige

El PEEK ofrece una excelente resistencia química, muy baja fricción, autolubricación y es ignífugo, además de poseer una amplia gama de temperaturas de funcionamiento (de -70°F a 550°F). Puede soportar aplicaciones muy agresivas y funciona bien cuando es necesario exponerlo a agua caliente y vapor, pero no funciona bien en presencia de ácido sulfúrico.

Además, el PEEK se adapta muy bien a las aplicaciones nucleares y está disponible en grados aprobados por la FDA, así como en grados rellenos con propiedades de desgaste mejoradas y mejor conductividad térmica. Tenga en cuenta que el PEEK suele elegirse para los asientos de las válvulas de bola cuando el rango de temperaturas de funcionamiento está fuera del del PTFE.

Asientos de válvulas de bola de PTFE

Temperatura de funcionamiento: -50°F a 400°F

Presión máxima a temperatura ambiente: 1000 psi

Color: Blanco

El PTFE (también conocido por su nombre comercial, teflón) tiene muchas de las mismas propiedades que el PEEK, pero implica una fricción aún menor, capacidad de funcionamiento en seco y una compatibilidad química más amplia. Al igual que el PEEK, está disponible en grados aprobados por la FDA y puede soportar temperaturas criogénicas de hasta -50 °F y altas temperaturas de hasta 550 °F, así como presiones de hasta 5.000 psi.

Al igual que el PEEK, el PTFE puede seguir funcionando incluso cuando se expone repetidamente a agua caliente y vapor. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el PTFE no funciona bien en presencia de flúor o álcalis. El PTFE también es muy fácil de limpiar y está disponible en grados reforzados con fibra de vidrio o carbono que pueden ofrecer mejores características de desgaste, menor propensión a la fluencia en frío y menor conductividad térmica.

Asientos de válvulas de bola de RPTFE

Temperatura de funcionamiento: -50°F a 450°F

Presión máxima a temperatura ambiente: 2000 psi

Color: Blanco

El RTFE ha mejorado la resistencia al desgaste y a la abrasión con respecto al PTFE, al tiempo que mantiene su compatibilidad química. Sus versátiles características de temperatura permiten utilizar el RTFE en aplicaciones de vapor saturado. RTFE es el material de asiento estándar para la mayoría de las válvulas de bola flotante Zeco. Este asiento no debe utilizarse en servicio cáustico (hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, etc.).

Asientos de válvulas de bola TFM

Temperatura de funcionamiento: -75°F a 500°F

Presión máxima a temperatura ambiente: 2000 psi

Color: Blanco transparente

El TFM (a veces conocido por la marca Dyneon) es un material de PTFE de segunda generación que combina las mejores propiedades del PTFE (baja fricción, resistencia química, rendimiento a altas temperaturas) con una mejor recuperación de tensiones y la capacidad de soportar presiones más elevadas. También es más elástico y resistente que el PTFE. La temperatura de funcionamiento del TFM oscila entre -100°F y 450°F y se adapta bien a aplicaciones con vapor y fluidos térmicos.

Juntas de válvula de bola de UHMW-PE

Temperatura de funcionamiento: -40°F a 180°F

Presión máxima a temperatura ambiente: 2000 psi

Color: Blanco transparente

El UHMW-PE, que significa polietileno de peso molecular ultra alto, tiene un bajo coeficiente de fricción, una temperatura de funcionamiento que oscila entre -70° F y 200°F, buena resistencia química, buena estabilidad dimensional y buena resistencia a la abrasión. En general, los asientos de válvulas de bola fabricados con UHMW-PE pueden soportar presiones de hasta 1.500 psi y pueden soportar niveles bajos a medios de exposición a la radiación.

Asientos de válvulas de bola de Delrin

Temperatura de funcionamiento: -40°F a 180°F

Presión máxima a temperatura ambiente: 6000 psi

Color: Blanco

Cuando se trata de entornos agresivos, se suele utilizar el acetal (también conocido como delrin). El acetal ofrece una excelente resistencia al desgaste, es muy rígido, tiene buena tenacidad y es resistente a la fluencia en frío. Aunque su rango de temperatura de funcionamiento no es muy amplio (-70°F a 180°F), puede soportar presiones de hasta 5.000 psi. El acetal también funciona bien en entornos radiactivos, pero no debe utilizarse con flujo de oxígeno.

Válvula de mariposa

Disponemos de distintos tipos de válvulas de mariposa para diversas aplicaciones. El tipo de junta de válvula de mariposa utilizada depende de las condiciones de la aplicación: temperatura, presión y tipo de medio. Para obtener más información sobre la presión y la temperatura que puede tolerar una válvula, consulte las especificaciones publicadas por el fabricante.

Asientos de válvulas de mariposa BUNA-N (B)

BUNA-N es otro nombre para el nitrilo, que es un copolímero de caucho sintético de acrilonitrilo (ACN) y butadieno. Por su resistencia a la abrasión, a la tracción y a la compresión, este caucho es un elastómero muy utilizado en la industria de las juntas.

BUNA-N es muy resistente a los fluidos hidráulicos, el agua, los alcoholes, los ácidos, los aceites derivados del petróleo, los combustibles, las grasas de silicona, etc. Sin embargo, lo que lo hace fuerte también lo hace inflexible. La temperatura nominal de BUNA es de 0°F a 180°F y es resistente al calor hasta 225°F.

Este material se utiliza en algunas aplicaciones de automoción. Sin embargo, BUNA-N no es adecuado para aplicaciones en las que intervengan acetonas, cetonas, hidrocarburos clorados, nitrohidrocarburos u ozono.

Asientos de válvulas de mariposa de EPDM (E)

Clasificado para temperaturas de -30°F a 250°F. EPDM es la abreviatura de un compuesto llamado monómero de etileno propileno dieno. También se denomina comúnmente EPT, Nordel y EPR. El EPDM se utiliza mucho en el sector de la climatización debido a su resistencia a compuestos polares como el agua, los fosfatos, los ésteres, las cetonas, los alcoholes y los glicoles. El material EPDM también es aplicable para manipular ácido sulfúrico concentrado, 20% hipoclorito sódico (lejía), agua clorada para piscinas y otras soluciones alcalinas. El EPDM no es resistente a los disolventes y aceites de hidrocarburos, hidrocarburos clorados, aguarrás o cualquier otro aceite derivado del petróleo.

Asientos de válvulas de mariposa de PTFE (P)

PTFE es la abreviatura del término politetrafluoroetileno y se conoce comúnmente como teflón. Este fluoropolímero termoplástico tiene cualidades de baja fricción, resistencia química y resistencia al fuego. El teflón se utiliza para crear algunas válvulas de mariposa de asiento elástico.

El PTFE es un material rentable en aplicaciones como el procesamiento químico o el petróleo y el gas. Por su calidad aislante, es compatible con aplicaciones eléctricas. Sin embargo, no debe utilizarse en condiciones de alta presión. La temperatura nominal del PTFE oscila entre -50°F y 400°F.

VITON (V) Asientos de válvulas de mariposa

VITON es una marca registrada de un elastómero de fluorocarbono fabricado por Dupont. La versión de 3M de este material se conoce como Flour. Este elastómero ofrece resistencia térmica y química.

VITON es resistente a los ácidos minerales y a los productos de hidrocarburos concentrados o diluidos. La temperatura nominal de VITON oscila entre -20 °F y 300 °F.

El fluorocarbono se utiliza en aplicaciones que implican aceites de petróleo, hidrocarburos clorados, soluciones salinas y ácidos minerales. Debido a su tolerancia al calor y a su resistencia a la corrosión, el VITON se utiliza en la fabricación de asientos de válvulas como las de guillotina. Sin embargo, esta válvula no es compatible con procesos que impliquen agua o vapor.

A continuación se describen algunos aspectos fundamentales de las propiedades, capacidades y aplicaciones de estos materiales.

Tipos de material

La Tabla 1 muestra los tipos de polímeros utilizados en aplicaciones de válvulas, junto con las abreviaturas y nombres comerciales comunes de los materiales mencionados en estas directrices.

Tabla 1 Materiales termoplásticos para asientos blandos

Materiales termoplásticos de asiento blando -SGV

Tipo de polímero Abreviatura Nombres comerciales comunes
Politetrafluoroetileno ,PTFE Teflón, Hostaflón, Fluón
Etileno tetrafluoroetileno, ETFE Tefzel
Policlorotrifluoretileno, PCTFE Kel-F, Aclon
Etileno Clorotrifluoroetileno, ECTFE Halar
Perfluoroalcoxi, PFA Teflón
Etileno propileno perfluorado, FEP Teflón, Neoflón
Poliamida - Nylon PAM Ultramid, Maranyl, Nylatron
Poliamida imida, PAI Torlon, Vespel
Poliéter éter cetona, PEEK Victrex, Arlon
Sulfuro de polifenileno, PPS Ryton, Fortron, Supec
Poliéter sulfona, PES, Victrex
Polioximetileno acetal copolímero, POM Kemetal, Delrin, Ultraform
Polietileno de peso molecular ultra alto, UHMWPE, Hostalen

En general, estos materiales pueden dividirse en varias agrupaciones genéricas: Fluoropolímeros - Polímeros como PTFE, PCTFE, ECTFE, etc. se basan en polímeros de cadenas de hidrocarburos fluorados, derivados principalmente del tetrafluoroetileno y diversos derivados clorados.

Polímeros derivados del fenol - Los polímeros lineales como PEEK, PES y PPS incorporan grupos fenileno, junto con oxígeno, azufre y carbono.

Poliamidas - Polímeros, como los nilones y la PAI, que incorporan el grupo -NH-(C=O)-.  Poliolefinas - Polímeros de cadena hidrocarbonada, como el polietileno y el polipropileno.

Propiedades mecánicas

Los materiales termoplásticos se diferencian fundamentalmente de los elastómeros en que tienen capacidades elásticas muy reducidas y sufren deformaciones permanentes cuando se someten a deformaciones superiores a 5 a 10% aproximadamente (véase el alargamiento de los cauchos, que puede estar entre 70 y 700%).

Las propiedades mecánicas de estos materiales varían considerablemente, y su aplicación satisfactoria depende de la selección adecuada de los materiales. En esencia, el nivel de propiedades mecánicas de un material rige la presión a la que dicho material puede emplearse con éxito. Dado que las propiedades de resistencia disminuyen invariablemente con la temperatura, la presión nominal de un material de asiento blando en una aplicación de válvula también se reducirá a medida que aumente la temperatura.

Para ampliar las capacidades de presión de los termoplásticos a temperaturas elevadas, a menudo se mezclan con cargas de refuerzo, como fibra de vidrio o de carbono, para mejorar su resistencia y rigidez. Pueden añadirse otras cargas, como grafito, MoS2 o PTFE, para reducir la fricción y controlar el par de la válvula.

La tabla 2 muestra las propiedades mecánicas típicas de los polímeros termoplásticos vírgenes y rellenos, utilizados como asientos blandos de válvulas.

Tabla 2 Propiedades mecánicas de los materiales termoplásticos para asientos de válvulas

Propiedades mecánicas de los materiales termoplásticos para asientos de válvulas-SGV

Resistencia química

En general, los materiales termoplásticos presentan una excelente resistencia química. Sin embargo, existe un equilibrio entre el grado de inercia química y las propiedades mecánicas: una puede mejorarse a expensas de la otra; por ejemplo, el PTFE es el más inerte químicamente de todos, pero sus propiedades mecánicas son bastante inferiores.

Hay otros puntos a tener en cuenta. Mientras que los materiales de fluorocarbono tienen una absorción de agua muy baja, varios de los otros materiales, en particular los nilones, absorben cantidades bastante grandes de humedad. También hay ciertos tipos químicos que atacan a determinados materiales: los ácidos afectan al PEEK y al POM; los aromáticos al ECTFE; los éteres y ésteres al ECTFE y al PCTFE; los álcalis a la PAI y al POM.

El cuadro 3 es un resumen de las características más destacadas de cada uno de los materiales termoplásticos utilizados como asientos blandos.

Comparación de materiales termoplásticos-SGV

Polímero Ventajas Desventajas
PTFE Extraordinaria resistencia química Baja fricción Alta Tmáx operativa Baja rigidez, resistencia y dureza
ETFE Buenas propiedades de fluencia, tracción y desgaste Caro Atacado por: ésteres, aromáticos
PCTFE Más rígido que el PTFE Muy caro Atacan: ésteres, éteres e hidrocarburos halogenados
ECTFE Buenas propiedades de fluencia, tracción y desgaste Caro Atacado por: ésteres, aromáticos
PFA Tmáx más alta de los fluoroplásticos Muy caro Baja rigidez, resistencia y dureza
FEP Buena resistencia química Baja rigidez, resistencia y dureza
PAM 6, 6/6, & 6/12 Buena resistencia a la abrasión Buena resistencia Alta adsorción de agua
PAM 11 y 12 Menor adsorción de agua Menor fuerza y resistencia al calor que los 6's PAI Plástico sin relleno más fuerte Buena resistencia al desgaste Muy caro Atacado por álcalis
PEEK Alta Tmáx Buena resistencia química Muy caro Atacado por ácidos
PPS Alta Tmáx Buena resistencia química
PES Alta Tmáx Alta adsorción de agua
POM Duro y rígido Buena resistencia a la abrasión, a la fluencia y a los productos químicos Atacado por ácidos y álcalis
UHMWPE Buena resistencia a la abrasión y a los productos químicos Baja Tma