IT201900002073A1

IT201900002073A1 - Valvola a sfera

Info

Publication number: IT201900002073A1
Application number: IT102019000002073A
Authority: IT
Inventors: Fabrizio Belotti; Antonino Rizzo
Original assignee: Ribel Valvole Srl
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-13

Description

DESCRIZIONE

dell’Invenzione Industriale dal titolo:

VALVOLA A SFERA

DESCRIZIONE

Campo tecnico di applicazione

La presente invenzione si rivolge al settore del trasporto di fluidi in circuiti in pressione o depressione e riguarda, in particolare, una valvola a sfera, particolarmente del tipo a sfera flottante, atta a porre in collegamento due tubazioni e a consentire, o interrompere, il flusso di un fluido attraverso di esse.

Tecnica preesistente

Le valvole a sfera sono il tipo più comune ed utilizzato di dispositivo di intercettazione di un flusso in tubazioni idrauliche.

Le valvole a sfera comprendono essenzialmente:

- un corpo valvola, atto ad accoppiarsi con le tubazioni su cui la valvola deve essere applicata;

- un otturatore sferico, dotato di una cavità cilindrica coassiale al flusso, alloggiato nel corpo valvola in modo da poter ruotare all’interno di esso;

- due sedi di tenuta, provviste di due guarnizioni sagomate realizzate generalmente in PTFE, poste all’interno di detto corpo valvola e atte ad alloggiare detto otturatore sferico;

- una ghiera laterale di chiusura, atta a serrarsi su detto corpo valvola quando l’otturatore sferico è inserito al suo interno;

- una leva di azionamento;

- uno stelo, o asta di comando, atto a cooperare direttamente con detto otturatore sferico.

Dette valvole comprendono inoltre sistemi di tenuta per il fluido in pressione che evitano il trafilamento del fluido stesso verso l’esterno, mediante perdite di carico localizzate, ma anche sistemi di tenuta che evitano l’ingresso di aria all’interno della valvola e quindi del circuito. La tenuta, quando la valvola è in posizione di chiusura, è consentita grazie al contatto tra l’otturatore sferico e le guarnizioni sagomate alloggiate nelle sedi poste all’interno del corpo valvola. L’otturatore sferico è flottante, essendo dotato di un lieve margine di movimento all'interno della sua cavità ospitante: in condizione di chiusura, la pressione a monte della valvola spinge l’otturatore sferico contro la guarnizione e la sede di tenuta del lato a valle assicurandone la giusta aderenza.

Le perdite e i trafilamenti possono interessare anche la porzione del corpo valvola in cui si innesta lo stelo. Per assicurare l’isolamento anche in quel tratto sono provviste, lungo lo stelo stesso, una serie di guarnizioni realizzate con fascette sottili, solitamente in gomma o in materiale elastomerico affine, che tendono a deformarsi durante l’inserimento dello stelo nel corpo valvola, schiacciandosi opportunamente per riempire lo spazio ed impedire la fuoriuscita del fluido.

Le condizioni di elevate pressioni del fluido all’interno della valvola favoriscono la tenuta delle guarnizioni.

In particolari settori di applicazione, ad esempio in circuiti di fluidi altamente infiammabili, le valvole a sfera devono essere garantite anche in caso di sviluppo di incendio.

Le valvole a sfera non devono contribuire ad alimentare l’incendio, devono quindi essere dotate di mezzi di tenuta al fuoco (ad oggi secondo quanto definito dalla norma FIRE SAFE EN ISO 10497), e solitamente è provvista una guarnizione in grafite, materiale particolarmente resistente alle alte temperature, disposta lungo lo stelo della valvola, più esternamente rispetto ai mezzi di tenuta alle perdite sopracitati, e mantenuta in posizione mediante un premi guarnizione, anch’esso scorrevolmente calzato su detto stelo.

Tali valvole a sfera per circuiti a fluidi in pressione o depressione presentano alcuni limiti e svantaggi dovuti soprattutto alla tipologia dei sistemi di tenuta impiegati.

Svantaggiosamente, le guarnizioni in materiale plastico in condizioni di alte temperature, o addirittura di incendio, si bruciano, lasciando così la valvola priva di mezzi di tenuta: il fluido nel circuito in pressione trova perciò possibili vie di uscita, provocando possibili perdite di fluido infiammabile che può alimentare l’incendio, perdite di pressione, malfunzionamenti, o danni al sistema.

Le guarnizioni in grafite, se da un lato resistono alle alte temperature, dall’alto, essendo in un materiale molto poroso e ruvido, si usurano facilmente per sfregamento reciproco con le parti metalliche con cui vengono in contatto, in particolare per lo sfregamento ad opera del premi guarnizione provvisto lungo lo stelo. Svantaggiosamente, l’impiego della grafite limita il numero di cicli di apertura e chiusura della valvola e riduce i tempi di vita della stessa. Nel caso di incendio, è facile che si verifichi anche un’interruzione di corrente, con conseguente brusco abbassamento della pressione interna al circuito: le guarnizioni sagomate poste nelle sedi tra l’otturatore sferico e il corpo valvola si ritirano, lasciando svantaggiosamente spazio libero per il passaggio del fluido verso l’esterno.

Il trafilamento verso l’esterno o il possibile ingresso di aria all’interno della valvola possono avvenire anche tra la ghiera laterale di chiusura e il corpo valvola stesso, dove normalmente non sono previsti mezzi di doppia tenuta.

Presentazione del trovato

L’invenzione ha come scopo quello di superare questi limiti, realizzando una valvola a sfera per circuiti a fluido in pressione o depressione, del tipo a sfera flottante, che resista contro le perdite in qualsiasi condizione di operatività o di emergenza, ovvero che garantisca un elevato grado di tenuta al fluido in caso di incendio e in condizioni di bassa pressione, e che garantisca anche una tenuta contro le immissioni di aria dall’esterno verso l’interno in condizioni di vuoto spinto in circuiti in depressione.

Ancora più genericamente è scopo del trovato realizzare una valvola in grado di sopportare tutte le possibili condizioni di lavoro, sia in fase di collaudo del circuito, sia in fase di esercizio: dalle alte temperature, agli alti o bassissimi carichi di pressione, o al contatto con fluidi ed agenti particolarmente aggressivi.

Ulteriore scopo del trovato è realizzare una valvola a sfera i cui componenti, in particolare i sistemi di tenuta, non si usurino rapidamente, mantenendo bassi i costi di produzione e manutenzione. Gli scopi sono raggiunti con una valvola a sfera per collegare tubazioni in circuiti a fluido in pressione o depressione comprendente: - un corpo valvola, atto ad accoppiarsi con le tubazioni su cui la valvola deve essere applicata;

- un otturatore sferico dotato di una cavità cilindrica coassiale al flusso del fluido, alloggiato nel corpo valvola in modo da poter ruotare all’interno di esso;

- due sedi di tenuta poste all’interno di detto corpo valvola e atte ad alloggiare detto otturatore sferico con interposizione di due guarnizioni di tenuta;

- una ghiera laterale di chiusura atta a serrarsi su detto corpo valvola quando l’otturatore sferico è inserito;

- una leva di azionamento;

- uno stelo atto a cooperare direttamente con detto otturatore sferico e su cui è scorrevolmente calzato un dispositivo premi guarnizione; - mezzi di tenuta contro il fuoco interposti tra detto stelo e detto corpo valvola comprendenti almeno una guarnizione in grafite;

- primi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno della valvola interposti tra detto stelo e detto corpo valvola;

- secondi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno della valvola interposti tra detto otturatore sferico e detto corpo valvola;

- mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno interposti tra detta ghiera laterale e detto corpo valvola,

caratterizzata dal fatto che comprende mezzi di protezione per detta almeno una guarnizione in grafite, interposti tra di essa e detto dispositivo premi guarnizione, e atti a cooperare con detta guarnizione in grafite per evitare il suo contatto diretto per strisciamento con detto dispositivo premi guarnizione.

In particolare, detti mezzi di protezione per detti mezzi di tenuta contro il fuoco comprendono uno strato di materiale autolubrificante. Preferibilmente, detto strato di materiale autolubrificante comprende una guarnizione anulare.

Vantaggiosamente, detto materiale autolubrificante è PTFE.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, detti primi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno comprendono una bussola in acciaio e una guarnizione in PTFE e un O-Ring elastomerico interposto tra di esse.

In una variante preferita del trovato, detti secondi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno comprendono una prima e una seconda unghia circolare, ricavata in dette sedi, atte a cooperare, per contatto e all’occorrenza, con detto otturatore sferico.

In una possibile variante realizzativa dell’invenzione, detti mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno comprendono:

- un O-Ring in fluoroelastomero;

- una guarnizione in grafite,

atti ad opporsi ad eventuali flussi di aria rispettivamente in direzione radiale e in direzione assiale rispetto all’asse di detto stelo.

Vantaggiosamente detto fluoroelastomero è Viton®, e preferibilmente detto O-Ring in fluoroelastomero comprende un rivestimento in PTFE.

I vantaggi del trovato sono evidenti, dovuti soprattutto al contemporaneo impiego di diversi mezzi di tenuta e di protezione in grado di garantire alla valvola la massima resistenza alle perdite in qualsiasi condizione di operatività e di emergenza.

Lungo lo stelo, la guarnizione in grafite è protetta da una guarnizione anulare, in materiale autolubrificante, che lavora per schermare la grafite ed evitare lo sfregamento del dispositivo premi guarnizione sulla guarnizione in grafite stessa.

Le guarnizione in materiale autolubrificante lavora a protezione della grafite sia durante le fasi di montaggio della valvola, sia durante i cicli di apertura e chiusura della valvola stessa.

In tal modo la guarnizione in grafite non viene danneggiata durante il normale ciclo di lavoro della valvola e può essere altamente efficiente nel momento dell’incendio, mantenendo la perfetta tenuta della valvola e non alimentando l’incendio con fuoriuscite di fluido. Detta prima e detta seconda unghia circolare lavorano sull’otturatore sferico in condizioni di bassa pressione, quando le guarnizioni sagomate provviste nelle sedi sono ritirate e non riempiono più tutto lo spazio libero tra otturatore e corpo valvola.

Dette unghie cooperano con l’otturatore con una superficie di contatto sottilissima: essendo la superficie di contatto estremamente ridotta la pressione che l’otturatore esercita sul corpo valvola è molto elevata e la tenuta alle perdite è garantita (entro i limiti ammessi dalla norma EN ISO 10497), anche se la pressione del fluido all’interno del circuito è bassa.

Detti mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno lavorano vantaggiosamente sia in direzione radiale sia in direzione assiale rispetto all’asse dello stelo della valvola. Anche tra ghiera e corpo valvola è provvista una guarnizione in grafite molto resistente alle alte temperature e al fuoco. Detto O-Ring è realizzato in Viton®, una gomma fluorurata con buona resistenza alla fiamma. Per scongiurare eventuali incompatibilità chimica con i fluidi convogliati nel circuito, il Viton® può comprende un rivestimento in PTFE che in particolare lo rende inerte contro i solventi.

Breve descrizione dei disegni

Questi ed altri vantaggi saranno maggiormente evidenti nel seguito, in cui viene descritta una modalità preferita di realizzazione dell’invenzione, a titolo esemplificativo e non limitativo, e con l’aiuto delle figure dove:

la Fig. 1 rappresenta una valvola a sfera per circuiti a fluidi in pressione parzialmente sezionata lungo un piano longitudinale;

le Figg. 2 e 3 rappresentano due particolari della valvola a sfera di Fig. 1.

Descrizione dettagliata di un modo di attuazione preferito dell’invenzione

Con riferimento alla Fig. 1 è mostrata una valvola a sfera 1 per circuiti a fluidi in pressione o depressione comprendente sostanzialmente

- un corpo valvola 2, atto ad accoppiarsi con le tubazioni (non illustrate) su cui la valvola 1 deve essere applicata;

- un otturatore sferico 3 dotato di una cavità cilindrica 4 coassiale al flusso del fluido, alloggiato nel corpo valvola 2 in modo da poter ruotare all’interno di esso;

- una prima 5 e una seconda 6 sede di tenuta poste all’interno di detto corpo valvola 2, coassiali a dette tubazioni, e atte ad alloggiare detto otturatore sferico 3 con interposizione di due guarnizioni di tenuta 15, 16;

- una ghiera laterale di chiusura 7 atta a serrarsi su detto corpo valvola 2 quando l’otturatore sferico 3 è inserito;

- uno stelo 9 atto a cooperare direttamente con detto otturatore sferico 3;

- una leva 8 di azionamento manuale serrata con un dado 20 e un controdado 21 su detto stelo 9.

Detta ghiera laterale di chiusura 7 può essere filettata per avvitarsi al corpo valvola 2, oppure può essere priva di filettatura e imbullonata al corpo valvola stesso.

Con particolare riferimento al dettaglio in sezione di Fig. 2, lungo detto stelo 9, partendo dal cuore della valvola 1 verso l’esterno, sono provvisti:

- primi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno;

- mezzi di tenuta contro il fuoco comprendenti una guarnizione in grafite 11;

- mezzi di protezione per detti mezzi di tenuta contro il fuoco;

- un premiguarnizione 10;

- una molla a tazza 22.

Detti primi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno comprendono una bussola 13 in AISI 316 e una guarnizione 14 in PTFE, e un O-Ring elastomerico 17 interposto tra di esse.

Al di sopra di detta guarnizione 14 in PTFE, in contatto con essa, è provvista detta guarnizione in grafite 11 di tenuta al fuoco.

Detti mezzi di protezione per detti mezzi di tenuta contro il fuoco comprendono uno strato di materiale autolubrificante.

Nella variante illustrata, detti mezzi di protezione comprendono una ulteriore guarnizione anulare 12 in PTFE.

Sostanzialmente, detta guarnizione in grafite 11 si trova protetta su entrambi i lati da due guarnizioni anulari 12, 14 in PTFE che la preservano dall’usura e da sfregamenti con le parti metalliche della valvola 1.

Detta valvola a sfera 1 comprende ulteriormente:

- secondi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno della valvola 1 interposti tra detto otturatore sferico 3 e detto corpo valvola 2;

- mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno interposti tra detta ghiera di chiusura 7 e detto corpo valvola 2.

Con particolare riferimento al dettaglio in sezione di Fig. 3, detti secondi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno comprendono una prima 25 e una seconda 26 unghia circolare.

Detta prima 25 e detta seconda 26 unghia sono ricavate lungo uno spigolo rispettivamente di detta prima 5 e detta seconda 6 sede.

Dette unghie 25, 26 sono realizzate sostanzialmente con un dentello tagliente sottilissimo che protrude dal corpo di dette sedi 5, 6, per cooperare, per contatto e all’occorrenza, con la superficie esterna di detto otturatore sferico 3.

Il contatto tra l’otturatore sferico 3 e dette unghie 25, 26 avviene in condizioni di bassa pressione, quando le guarnizioni sagomate 15, 16 provviste nelle sedi 5, 6 non sono in configurazione espansa.

Sempre con riferimento al dettaglio in sezione di Fig.3, detti mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno comprendono:

- un O-Ring in fluoroelastomero 18, atto ad opporsi ad eventuali flussi di aria in direzione radiale rispetto all’asse y di detto stelo 9;

- una guarnizione in grafite 19, atta ad opporsi ad eventuali flussi di aria in direzione assiale rispetto all’asse y di detto stelo 9, ed atta a resistere anche al fuoco.

Ottimi risultati di tenuta si sono ottenuti con l’impiego di un particolare fluoroelastomero, il Viton®.

Il Viton® è una gomma fluorurata con eccezionale resistenza al calore, agli oli, ai carburanti e all’ozono. La gomma Viton® ha un’eccellente resistenza alla fiamma presentando allo stesso tempo buone caratteristiche meccaniche.

Nella variante illustrata, detto O-Ring 18 in Viton® può comprende anche un rivestimento in PTFE.

Le bussole, gli O-Ring e le guarnizioni della valvola possono essere realizzati anche in ulteriori materiali, opportunamente scelti in base alle possibili applicazioni, adatti ad es. per l’industria chimica, materiali resistenti ai fluidi aggressivi, o per i sistemi idraulici, materiali in grado di resistere anche a 1.000 bar, o legati alla tecnologia del processo produttivo cui è sottoposto il circuito stesso.

Il funzionamento della valvola 1 è di seguito descritto.

In condizioni di elevate pressioni, durante l’azionamento ordinario di apertura, la valvola a sfera 1 permette il passaggio del fluido che può circolare indifferentemente da monte a valle e viceversa (valvola bidirezionale) senza perdite di carico localizzate, ma con le sole perdite di carico distribuite ed equiparabili a quelle di un tratto di tubo della stessa rugosità e con lo stesso diametro di passaggio.

Durante l’azionamento ordinario di chiusura, la valvola a sfera 1 blocca il passaggio del fluido indifferentemente da monte a valle e viceversa (valvola bidirezionale), senza che si verifichi alcuna perdita o trafilamento.

In generale, in ogni situazione di apertura e di chiusura della valvola, e durante le relative fasi di transizione, sono impediti trafilamenti di aria atmosferica verso l’interno e fuoriuscita dei fluidi intercettati verso l’esterno della valvola.

In caso di incendio, la valvola a sfera 1 secondo l’invenzione, sottoposta all’azione della fiamma, sarà privata di tutte le guarnizioni, bussole e O-Ring in PTFE o altro materiale polimerico, ma continuerà a lavorare con le seguenti modalità:

- tenuta in linea: l’otturatore sferico 3 spinto dal fluido in pressione sull’unghia metallica 26, 25 ricavata sulla sede del corpo 2 o della ghiera laterale di chiusura 7, continuerà a garantire una tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno tra l’otturatore sferico 3 e il corpo valvola 2;

- tenuta verso l’esterno lungo lo stelo 9: la guarnizione in grafite 11 e la bussola 13 in AISI 316, con l’ausilio delle molle a tazza 22, che recuperano gli spazi perduti a causa dell’evaporazione delle guarnizioni 12, 14 in PTFE, permettono la tenuta di fluido verso l’esterno della valvola.

In caso di vuoto spinto e depressione all’interno del circuito, in ogni situazione di apertura e chiusura della valvola, e durante le relative fasi di transizione, sono impediti trafilamenti di aria atmosferica dall’esterno verso l’interno garantendo il raggiungimento di valori di vuoto spinto < 10<-6 >bar.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Valvola a sfera (1) per collegare tubazioni in circuiti a fluido in pressione o depressione comprendente: - un corpo valvola (2), atto ad accoppiarsi con le tubazioni su cui la valvola (1) deve essere applicata; - un otturatore sferico (3) dotato di una cavità cilindrica (4) coassiale al flusso del fluido, alloggiato nel corpo valvola (2) in modo da poter ruotare all’interno di esso; - due sedi di tenuta (5, 6) poste all’interno di detto corpo valvola (2) e atte ad alloggiare detto otturatore sferico (3) con interposizione di due guarnizioni di tenuta (15, 16); - una ghiera laterale di chiusura (7) atta a serrarsi su detto corpo valvola (2) quando l’otturatore sferico (3) è inserito; - una leva di azionamento (8); - uno stelo (9) atto a cooperare direttamente con detto otturatore sferico (3) e su cui è scorrevolmente calzato un dispositivo premi guarnizione (10); - mezzi di tenuta contro il fuoco interposti tra detto stelo (9) e detto corpo valvola (2) comprendenti almeno una guarnizione in grafite (11); - primi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno della valvola (1) interposti tra detto stelo (9) e detto corpo valvola (2); - secondi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno della valvola (1) interposti tra detto otturatore sferico (3) e detto corpo valvola (2); - mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno interposti tra detta ghiera di chiusura (7) e detto corpo valvola (2), caratterizzata dal fatto che comprende mezzi di protezione per detta almeno una guarnizione in grafite (11) interposti tra di essa e detto dispositivo premi guarnizione (10), e atti a cooperare con la stessa per evitare il suo contatto diretto per strisciamento con detto dispositivo premi guarnizione (10).
2) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di protezione per detti mezzi di tenuta contro il fuoco comprendono uno strato di materiale autolubrificante.
3) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto strato di materiale autolubrificante comprende una guarnizione anulare (12).
4) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto materiale autolubrificante è PTFE.
5) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti primi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno comprendono una bussola (13) in acciaio e una guarnizione (14) in PTFE, e un O-Ring elastomerico (17) interposto tra di esse.
6) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti secondi mezzi di tenuta contro le perdite di fluido verso l’esterno comprendono una prima (25) e una seconda (26) unghia circolare, ricavata in dette sedi (5, 6), atte a cooperare, per contatto e all’occorrenza, con detto otturatore sferico (3).
7) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di tenuta contro l’immissione di aria dall’esterno comprendono: - un O-Ring in fluoroelastomero (18); - una guarnizione in grafite (19), atti ad opporsi ad eventuali flussi di aria rispettivamente in direzione radiale e in direzione assiale rispetto all’asse (y) di detto stelo (9).
8) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detto fluoroelastomero è Viton®.
9) Valvola a sfera (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detto O-Ring in fluoroelastomero (18) comprende un rivestimento in PTFE.