Valve à bille de siège PEEK avec actionneur pneumatique ou siège en PCTFE pour applications hautes performances

Il existe deux grandes catégories de polymères utilisés pour les sièges de vannes à boisseau sphérique : le PTFE (vierge et chargé) et le PEEK. Ce sont des matériaux populaires pour plusieurs raisons, mais chacun a des applications auxquelles il est mieux adapté.

Vannes à boisseau sphérique

Les vannes à boisseau sphérique sont utilisées pour contrôler le débit d'eau, d'huile, de vapeur, d'air, de boues et de fluides corrosifs. On les trouve dans les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), le traitement pétrochimique, la transformation des aliments, les systèmes de distribution d'eau, les systèmes de combustion automatiques et le contrôle de l'instrumentation.

Bien qu'il existe diverses pièces dans une vanne à boisseau sphérique (par exemple, la tige, l'écrou de tige, la bille, le corps), l'une des pièces les plus cruciales est le siège de la vanne à boisseau sphérique. Les sièges de vannes à boisseau sphérique ont deux fonctions principales : répartir uniformément la contrainte d'étanchéité et obtenir une étanchéité solide - et pour y parvenir, ils doivent être fabriqués à partir du bon matériau.

Propriétés clés des matériaux des sièges de vannes à boisseau sphérique

Il existe six propriétés critiques que tout matériau pour les sièges de vannes à boisseau sphérique doit posséder :

• Faible frottement pour réduire le couple de la tige
• Excellente résistance à l'usure
• Bonne récupération des contraintes
• Élasticité suffisante pour maintenir une étanchéité solide
• Stabilité dimensionnelle
• Compatibilité chimique avec les milieux impliqués

Si les vannes à boisseau sphérique sont utilisées en relation avec des applications alimentaires, laitières ou pharmaceutiques, elles peuvent également nécessiter des matériaux approuvés par la FDA. Et bien qu'il existe une variété de matériaux polymères qui peuvent être utilisés, le PTFE, le PTFE chargé et le PEEK sont les plus couramment utilisés.

Propriétés des matériaux pour environnements difficiles

Il existe également d'autres considérations, dont beaucoup dépendent de l'environnement d'exploitation. Celles-ci peuvent inclure la stabilité dimensionnelle et des performances fiables à des températures extrêmes (qui peuvent inclure des températures cryogéniques) ainsi que la capacité à résister aux routines de stérilisation qui impliquent de l'eau chaude, de la vapeur et/ou des produits de nettoyage caustiques. Et s'il y a une exposition prolongée à l'eau ou à l'humidité, un siège de vanne à boisseau sphérique doit avoir un faible coefficient de dilatation hygroscopique. De plus, il peut être nécessaire que les matériaux soient ignifuges, résistants au feu ou adaptés à une utilisation dans des environnements avec des radiations.

Sièges de vannes à boisseau sphérique en PTFE

Le PTFE est depuis longtemps un choix populaire pour les matériaux de sièges de vannes à boisseau sphérique et est disponible en qualités approuvées par la FDA. Le PTFE vierge a le plus faible coefficient de frottement de tous les thermoplastiques existants et les qualités de PTFE chargé sont également disponibles avec un très faible frottement. Ce polymère est également capable de fonctionner à sec (et ne nécessite donc pas de lubrifiants) et ne présente aucun comportement de stick-slip.

Le PTFE offre une excellente résistance à l'usure et une bonne récupération des contraintes, ce qui peut être amélioré par le bon choix d'additifs. Il possède suffisamment de ductilité pour assurer une bonne étanchéité, même en présence de températures extrêmes et de matériaux hautement corrosifs. Il a à la fois un faible coefficient de dilatation thermique et un bon coefficient de dilatation hygroscopique, ce qui le rend stable dimensionnellement. Il est également résistant au feu, hydrophobe et non mouillant.

La compatibilité chimique et les performances à haute température du PTFE signifient qu'il fonctionne bien avec les applications qui impliquent l'assainissement et la stérilisation. De plus, sa compatibilité chimique fonctionne bien avec une large gamme de milieux, à l'exception du fluor et des alcalis liquides. Sa plage de température de fonctionnement comprend des températures cryogéniques entre -429°F et 400°F. Notez cependant que la performance en température du PTFE vierge dépend fortement de la pression de fonctionnement.

Parmi les inconvénients du PTFE, on trouve sa sensibilité au fluage à froid, il est préférable pour des températures ne dépassant pas 5 ksi et a des performances limitées en présence de radiations en raison d'une dose de radiation maximale à vie de 1×104 rads. Il est également sujet à des problèmes de décompression après avoir été fortement pressurisé et ne doit pas être exposé à des fluctuations de température supérieures à 167°F.

Sièges de vannes à boisseau sphérique en PTFE chargé

En termes de PTFE chargé, les combinaisons les mieux adaptées sont le graphite de carbone et le verre chargé. Le PTFE renforcé au graphite de carbone est choisi plutôt que le PTFE vierge lorsque les températures et les pressions élevées font partie de l'environnement d'exploitation normal. Il offre de meilleures caractéristiques d'usure et est moins susceptible de fluage à froid que le PTFE vierge tout en maintenant un coefficient de frottement assez faible.

Le PTFE chargé de verre conserve également de nombreux aspects positifs du PTFE vierge tout en offrant une meilleure résistance à l'extrusion et de meilleures caractéristiques d'usure. C'est souvent le matériau de siège de vanne à boisseau sphérique de choix pour l'industrie alimentaire, laitière et pharmaceutique et maintient toujours un coefficient de frottement assez faible. En raison des fibres de verre, cependant, il est plus susceptible d'être abrasif et est également incompatible avec les produits chimiques connus pour attaquer le verre, tels que les acides et les caustiques forts. Notez que le PTFE chargé de verre est résistant au feu.

Une autre option est le PTFE renforcé en acier inoxydable composé de 50 % de PTFE et de 50 % de SS 316 en poudre. Cette qualité particulière de PTFE chargé offre une plage de température de fonctionnement légèrement plus large que le PTFE vierge (jusqu'à 550°F) et peut supporter des pressions beaucoup plus élevées. Son principal inconvénient est que le coefficient de frottement est significativement plus élevé, ce qui peut entraîner une usure plus rapide et un couple de tige élevé. Il est cependant résistant au feu.

Sièges de vannes à boisseau sphérique en PEEK

Le PEEK a beaucoup en commun avec le PTFE, y compris une plage de température étendue de -70°F à 600°F et une bonne compatibilité chimique. Son coefficient de frottement n'est pas aussi faible que celui du PTFE, mais il fonctionne extrêmement bien dans les applications qui impliquent des températures et des pressions élevées. Il est également plus résistant à l'abrasion et plus résistant que le PTFE.

Contrairement au PTFE, il offre d'excellentes performances lorsqu'il est exposé aux radiations, ce qui le rend bien adapté aux applications nucléaires, et fonctionne mieux à des températures extrêmement élevées que le PTFE ne peut pas supporter, ce qui en fait un excellent choix pour l'industrie pétrolière et gazière. Il est également ignifuge.

Le PEEK n'a pas tout à fait la même gamme de compatibilité chimique que le PTFE et ne doit jamais être exposé à l'acide sulfurique ou utilisé dans des environnements corrosifs. Cependant, il fonctionne bien dans les situations qui impliquent une exposition continue à l'eau chaude et à la vapeur ainsi qu'à des pressions de vide ultra-élevées. En plus d'être significativement plus dur que le PTFE, le PEEK présente un comportement fragile à des températures plus basses.

Conclusion

Le PTFE, le PTFE chargé et le PEEK sont d'excellents polymères haute performance pour les sièges de vannes à boisseau sphérique dans une large gamme d'applications.