Für Ventile werden zahlreiche thermoplastische Materialien angeboten, hauptsächlich als Weichsitzoptionen für Kugelhahnanwendungen. Auch ausgekleidete Ventile wie ausgekleidete Absperrklappen, ausgekleidete Durchgangsventile und ausgekleidete Rückschlagventile.
Kugelhahnsitz
Kugelhähne spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Flüssigkeitsflusses und des Drucks in einer Rohrleitung, aber ihre Wirksamkeit und Sicherheit sind nur so gut wie das verwendete Sitzmaterial. In diesem Blogbeitrag werden wir die Grundlagen von fünf häufig verwendeten Kugelhahnsitzmaterialien überprüfen.
Kugelhähne
Ob in petrochemischen Anwendungen, wo ein Leck umweltschädlich sein könnte, oder in pharmazeutischen Labors, wo Sauberkeit und Hygiene von entscheidender Bedeutung sind, Kugelhahnsitze müssen zuverlässig und robust sein. Ein Kugelhahn besteht aus dem Ventilkörper, der Gehäusekappe, dem Schaft, der massiven Kugel und dem runden Kugelhahnsitz.
Der Kugelhahnsitz ist dafür verantwortlich, das Fluid im Inneren abzudichten und die Sitzspannung gleichmäßig zu verteilen. Bei Kugelhahnkonstruktionen mit weichem Sitz wird als Dichtung entweder ein Elastomer oder ein Polymer verwendet und in einen metallischen Sitzring eingesetzt. Dieser Ansatz ist im Gegensatz zu Kugelhähnen mit hartem Sitz beliebt, da er eine gute Abdichtung bietet, leichter ist und kostengünstiger ist.
Wichtige Eigenschaften von Kugelhahnsitzmaterialien
Bei der Auswahl eines Polymermaterials für einen Kugelhahnsitz spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle. Zu den wichtigsten Materialeigenschaften gehören …
- Ausreichende Duktilität für eine zuverlässige Abdichtung
- Dimensionsstabilität, um sicherzustellen, dass der Kugelhahnsitz seine Form behält und so eine zuverlässige Abdichtung und Leistung gewährleistet
- Sehr geringe Reibung, um das Drehmoment der Spindel auf ein Minimum zu reduzieren
- Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, so dass der Kugelhahnsitz bei Temperaturschwankungen seine Form behält
- Hervorragende Verschleißfestigkeit für eine lange Lebensdauer
- Chemische Verträglichkeit mit allen beteiligten Medien
- In manchen Betriebsumgebungen ist es außerdem wichtig, dass die Werkstoffe für Kugelhahnsitze die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- Geringe Feuchtigkeitsaufnahme, um Dimensionsänderungen bei Wasser oder hoher Luftfeuchtigkeit zu vermeiden
- Erhalten Sie die Leistung durch wiederholte Sterilisation, die heißes Wasser, Dampf und scharfe Reinigungschemikalien umfassen kann
- Gute Leistung bei plötzlicher Dekompression (d. h. Druckabfall über 650 psi)
Empfohlene Materialien für Kugelhahnsitze
Mehrere Materialien eignen sich gut als Kugelhahnsitze, darunter Acetal, PEEK, PTFE, TFM und UHMW-PE.
PEEK-Kugelhahnsitze
Temperaturbereich: -50 °F bis 550 °F
Maximaler Druck bei Raumtemperatur: 6000 psi
Farbe Beige
PEEK bietet eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit, sehr geringe Reibung, ist selbstschmierend und flammhemmend. Zudem verfügt es über einen breiten Betriebstemperaturbereich (von -70 °F bis 550 °F). Es kann sehr aggressive Anwendungen bewältigen und funktioniert gut, wenn es heißem Wasser und Dampf ausgesetzt ist – funktioniert jedoch nicht gut in Gegenwart von Schwefelsäure.
Darüber hinaus eignet sich PEEK sehr gut für nukleare Anwendungen und ist in FDA-zugelassenen Qualitäten sowie in gefüllten Qualitäten mit verbesserten Verschleißeigenschaften und besserer Wärmeleitfähigkeit erhältlich. Beachten Sie, dass PEEK normalerweise für Kugelhahnsitze gewählt wird, wenn der Betriebstemperaturbereich außerhalb des von PTFE liegt.
PTFE-Kugelhahnsitze
Temperaturbereich: -50 °F bis 400 °F
Maximaler Druck bei Raumtemperatur: 1000 psi
Farbe weiß
PTFE (auch unter dem Handelsnamen Teflon bekannt) hat viele der gleichen Eigenschaften wie PEEK, weist aber noch weniger Reibung, Trockenlauffähigkeit und eine höhere chemische Verträglichkeit auf. Wie PEEK ist es in FDA-zugelassenen Qualitäten erhältlich und verträgt kryogene Temperaturen bis -50 °F und hohe Temperaturen bis 550 °F sowie Drücke bis 5.000 psi.
Ebenso wie PEEK kann PTFE seine Leistung auch dann beibehalten, wenn es wiederholt heißem Wasser und Dampf ausgesetzt wird. Bedenken Sie jedoch, dass PTFE in Gegenwart von Fluor oder Basen nicht gut funktioniert. PTFE ist außerdem sehr leicht zu reinigen und in glas- oder kohlenstoffverstärkten Ausführungen erhältlich, die verbesserte Verschleißeigenschaften, eine geringere Neigung zum Kaltkriechen und eine geringere Wärmeleitfähigkeit bieten können.
RPTFE-Kugelhahnsitze
Temperaturbereich: -50 °F bis 450 °F
Maximaler Druck bei Raumtemperatur: 2000 psi
Farbe: Cremeweiß
RTFE weist im Vergleich zu PTFE eine verbesserte Verschleiß- und Abriebfestigkeit auf, behält jedoch seine chemische Verträglichkeit. Aufgrund seiner vielseitigen Temperatureigenschaften kann RTFE in Sattdampfanwendungen eingesetzt werden. RTFE ist das Standardsitzmaterial für die meisten schwimmenden Kugelhähne von Zeco. Dieser Sitz sollte nicht in ätzenden (Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid usw.) Umgebungen eingesetzt werden.
TFM Kugelhahnsitze
Temperaturbereich: -75 °F bis 500 °F
Maximaler Druck bei Raumtemperatur: 2000 psi
Farbe: Transparent Weiß
TFM (manchmal auch unter dem Markennamen Dyneon bekannt) ist ein PTFE-Material der zweiten Generation, das die besten Eigenschaften von PTFE (geringe Reibung, chemische Beständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit) mit besserer Spannungsrückbildung und der Fähigkeit, höheren Drücken standzuhalten, kombiniert. Es ist außerdem elastischer und belastbarer als PTFE. Die Betriebstemperatur von TFM reicht von -100 °F bis 450 °F und es eignet sich gut für Anwendungen mit Dampf und Wärmeflüssigkeiten.
UHMW-PE-Kugelhahndichtungen
Temperaturbereich: -40 °F bis 180 °F
Maximaler Druck bei Raumtemperatur: 2000 psi
Farbe: Transparent Weiß
UHMW-PE, die Abkürzung für Ultra-High Molecular Weight Polyethylene, hat einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine Betriebstemperatur von -70 °F bis 200 °F, eine gute chemische Beständigkeit, gute Dimensionsstabilität und gute Abriebfestigkeit. Kugelhahnsitze aus UHMW-PE können im Allgemeinen Drücken von bis zu 1.500 psi standhalten und vertragen geringe bis mittlere Strahlenbelastung.
Delrin-Kugelhahnsitze
Temperaturbereich: -40 °F bis 180 °F
Maximaler Druck bei Raumtemperatur: 6000 psi
Farbe weiß
In aggressiven Umgebungen wird häufig Acetal (auch als Delrin bekannt) verwendet. Acetal bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit, ist sehr starr, hat eine gute Zähigkeit und ist beständig gegen Kaltfluss. Obwohl sein Betriebstemperaturbereich nicht sehr groß ist (-70 °F bis 180 °F), kann es Drücken bis zu 5.000 psi standhalten. Acetal funktioniert auch gut in radioaktiven Umgebungen, sollte jedoch nicht bei Sauerstofffluss verwendet werden.
Drosselklappe
Wir bieten verschiedene Arten von Absperrklappen für unterschiedliche Anwendungen an. Die Art der verwendeten Absperrklappendichtung hängt von den Anwendungsbedingungen ab: Temperatur, Druck und Art des Mediums. Weitere Informationen dazu, welchen Druck und welche Temperatur eine Klappe aushält, finden Sie in den vom Hersteller veröffentlichten Spezifikationen.
BUNA-N (B) Absperrklappensitze
BUNA-N ist ein anderer Name für Nitril, ein synthetisches Kautschuk-Copolymer aus Acrylnitril (ACN) und Butadien. Aufgrund seiner Abriebfestigkeit, Zugfestigkeit und geringen Druckverformung ist dieser Kautschuk ein in der Dichtungsindustrie weit verbreitetes Elastomer.
BUNA-N ist äußerst beständig gegen Hydraulikflüssigkeiten, Wasser, Alkohole, Säuren, Erdöle, Kraftstoffe, Silikonfette usw. Was es jedoch stark macht, macht es auch unflexibel. Die Temperaturbeständigkeit von BUNA liegt zwischen -180 °C und 82 °C und es ist hitzebeständig bis 102 °C.
Dieses Material wird in einigen Automobilanwendungen verwendet. BUNA-N ist jedoch nicht für Anwendungen geeignet, bei denen Aceton, Ketone, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Nitrokohlenwasserstoffe oder Ozon zum Einsatz kommen.
EPDM (E) Absperrklappensitze
Ausgelegt für Temperaturen von -30 °F bis 250 °F. EPDM ist die Abkürzung für eine Verbindung namens Ethylen-Propylen-Dien-Monomer. Es wird auch häufig als EPT, Nordel und EPR bezeichnet. EPDM wird in der HLK-Industrie häufig verwendet, da es gegenüber polaren Verbindungen wie Wasser, Phosphat, Estern, Ketonen, Alkoholen und Glykolen beständig ist. Das EPDM-Material eignet sich auch für den Umgang mit konzentrierter Schwefelsäure, 20%-Natriumhypochlorit (Bleichmittel), chloriertem Wasser für Schwimmbäder und anderen alkalischen Lösungen. EPDM ist nicht beständig gegenüber Kohlenwasserstofflösungsmitteln und -ölen, chlorierten Kohlenwasserstoffen, Terpentin oder anderen Ölen auf Erdölbasis.
PTFE (P)-Absperrklappensitze
PTFE ist eine Abkürzung für Polytetrafluorethylen und wird allgemein als Teflon bezeichnet. Dieses thermoplastische Fluorpolymer weist eine geringe Reibung auf und ist chemikalienbeständig und feuerbeständig. Teflon wird zur Herstellung einiger Absperrklappen mit elastischem Sitz verwendet.
PTFE ist ein kostengünstiges Material für Anwendungen wie die chemische Verarbeitung oder Öl und Gas. Aufgrund seiner Isolierqualität ist es mit elektrischen Anwendungen kompatibel. Es sollte jedoch nicht unter Hochdruckbedingungen verwendet werden. Der Temperaturbereich von PTFE reicht von -50 °F bis 400 °F.
VITON (V) Absperrklappensitze
VITON ist ein eingetragener Markenname für ein Fluorkohlenwasserstoff-Elastomer von Dupont. Die Version dieses Materials von 3M ist als Flour bekannt. Dieses Elastomer ist hitze- und chemikalienbeständig.
VITON ist beständig gegen konzentrierte oder verdünnte Mineralsäuren und Kohlenwasserstoffprodukte. Der Temperaturbereich von VITON reicht von -20 °F bis 300 °F.
Fluorkohlenwasserstoffe werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen Erdöl, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Salzlösungen und Mineralsäuren zum Einsatz kommen. Aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit wird VITON bei der Herstellung von Ventilsitzen wie beispielsweise einem Absperrschieber verwendet. Dieses Ventil ist jedoch nicht mit Prozessen kompatibel, bei denen Wasser oder Dampf zum Einsatz kommen.
Im folgenden Abschnitt werden einige grundlegende Aspekte der Eigenschaften, Fähigkeiten und Anwendung dieser Materialien beschrieben.
Materialarten
Tabelle 1 zeigt die in Ventilanwendungen verwendeten Polymertypen zusammen mit den gebräuchlichen Abkürzungen und Handelsnamen für die in diesen Richtlinien erwähnten Materialien.
Tabelle 1 Weichsitzthermoplastische Materialien
Polymertyp Abkürzung Handelsnamen
Polytetrafluorethylen, PTFE-Teflon, Hostaflon, Fluon
Ethylen-Tetrafluorethylen, ETFE Tefzel
Polychlortrifluorethylen, PCTFE Kel-F, Aclon
Ethylenchlortrifluorethylen, ECTFE Halar
Perfluoralkoxy, PFA Teflon
Perfluoriertes Ethylenpropylen, FEP Teflon, Neoflon
Polyamid – Nylon PAM Ultramid, Maranyl, Nylatron
Polyamidimid, PAI Torlon, Vespel
Polyetheretherketon, PEEK Victrex, Arlon
Polyphenylensulfid, PPS Ryton, Fortron, Supec
Polyethersulfon, PES, Victrex
Polyoxymethylenacetal-Copolymer, POM Kemetal, Delrin, Ultraform
Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, UHMWPE, Hostalen
Im Allgemeinen können diese Materialien in mehrere allgemeine Gruppen unterteilt werden: Fluorpolymere – Polymere wie PTFE, PCTFE, ECTFE usw. basieren auf fluorierten Kohlenwasserstoffkettenpolymeren, die hauptsächlich aus Tetrafluorethylen und verschiedenen Chlorderivaten gewonnen werden.
Von Phenol abgeleitete Polymere – Lineare Polymere wie PEEK, PES und PPS enthalten Phenylengruppen sowie Sauerstoff, Schwefel und Kohlenstoff.
Polyamide – Polymere wie Nylon und PAI enthalten die Gruppe -NH-(C=O)-. Polyolefine – Kohlenwasserstoffkettenpolymere wie Polyethylen und Polypropylen.
Mechanische Eigenschaften
Die thermoplastischen Materialien unterscheiden sich grundsätzlich von Elastomeren, da sie über viele reduzierte Elastizitätsfähigkeiten verfügen und bei Dehnungen von mehr als etwa 5 bis 10% eine bleibende Verformung erfahren (vgl. die Dehnung von Gummi, die zwischen 70 und 700% liegen kann).
Die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien variieren erheblich und ihre erfolgreiche Anwendung hängt von der Auswahl der geeigneten Materialien ab. Im Wesentlichen bestimmt das Niveau der mechanischen Eigenschaften eines Materials den Druck, bei dem dieses Material erfolgreich eingesetzt werden kann. Da die Festigkeitseigenschaften mit zunehmender Temperatur zwangsläufig abnehmen, verringert sich auch die Druckfestigkeit eines weichen Sitzmaterials in einer Ventilanwendung mit steigender Temperatur.
Um die Druckbeständigkeit von Thermoplasten bei erhöhten Temperaturen zu erhöhen, werden sie häufig mit verstärkenden Füllstoffen wie Glas- oder Kohlefasern vermischt, um Festigkeit und Steifigkeit zu verbessern. Andere Füllstoffe wie Graphit, MoS2 oder PTFE können hinzugefügt werden, um die Reibung zu verringern und das Ventildrehmoment zu steuern.
Tabelle 2 zeigt die typischen mechanischen Eigenschaften von unbehandelten und gefüllten thermoplastischen Polymeren, die als weiche Ventilsitze verwendet werden.
Tabelle 2 Mechanische Eigenschaften thermoplastischer Ventilsitzmaterialien
Chemische Resistenz
Thermoplastische Materialien weisen im Allgemeinen eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit auf. Es besteht jedoch ein Gleichgewicht zwischen dem Grad der chemischen Inertheit und den mechanischen Eigenschaften – das eine kann auf Kosten des anderen verbessert werden. PTFE ist beispielsweise das chemisch inertste Material von allen, weist aber eher minderwertige mechanische Eigenschaften auf.
Es gibt noch einige weitere Punkte zu beachten. Während Fluorkohlenwasserstoffe eine sehr geringe Wasseraufnahme haben, absorbieren einige andere Materialien, insbesondere Nylon, ziemlich große Mengen an Feuchtigkeit. Es gibt auch bestimmte Chemikalien, die bestimmte Materialien angreifen: Säuren wirken sich auf PEEK und POM aus; Aromaten wirken sich auf ECTFE aus; Ether und Ester wirken sich auf ECTFE und PCTFE aus; Basen wirken sich auf PAI und POM aus.
Tabelle 3 ist eine Zusammenfassung der herausragenden Eigenschaften der einzelnen thermoplastischen Materialien, die als weiche Sitze verwendet werden.
Polymer Vorteile Nachteile
PTFE Hervorragende chemische Beständigkeit Geringe Reibung Hoher Betriebs-Tmax Geringe Steifigkeit, Festigkeit und Härte
ETFE Gute Kriech-, Zug- und Verschleißeigenschaften Teuer Wird angegriffen durch: Ester, Aromaten
PCTFE Steifer als PTFE Sehr teuer Wird angegriffen durch: Ester, Ether und halogenierte Kohlenwasserstoffe
ECTFE Gute Kriech-, Zug- und Verschleißeigenschaften Teuer Wird angegriffen von: Estern, Aromaten
PFA Höchster Tmax-Wert aller Fluorkunststoffe Sehr teuer Geringe Steifigkeit, Festigkeit und Härte
FEP Gute chemische Beständigkeit Geringe Steifigkeit, Festigkeit und Härte
PAM 6, 6/6 und 6/12 Gute Abriebfestigkeit Gute Festigkeit Hohe Wasseraufnahme
PAM 11 und 12 Geringere Wasseraufnahme Geringere Festigkeit und Hitzebeständigkeit als PAI 6 Stärkster ungefüllter Kunststoff Gute Verschleißfestigkeit Sehr teuer Wird von Alkalien angegriffen
PEEK Hoher Tmax-Wert Gute chemische Beständigkeit Sehr teuer Wird von Säuren angegriffen
PPS Hoher Tmax-Wert Gute chemische Beständigkeit
PES Hoher Tmax Hohe Wasseraufnahme
POM Zäh und steif Gute Abrieb-, Kriech- und Chemikalienbeständigkeit Wird von Säuren und Basen angegriffen
UHMWPE Gute Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit Niedriger Tma
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