Matériaux thermoplastiques comme siège de robinet à tournant sphérique et siège de vanne papillon

Un grand nombre de matériaux thermoplastiques sont proposés dans les vannes, principalement sous forme d'options à siège souple pour les applications de vannes à bille. Vannes également doublées comme une vanne papillon doublée, une vanne à soupape doublée, un clapet anti-retour doublé.

Siège de robinet à tournant sphérique

Les robinets à tournant sphérique jouent un rôle essentiel dans le contrôle du débit de fluide et de la pression dans un pipeline, mais leur efficacité et leur sécurité dépendent du matériau du siège utilisé. Dans cet article de blog, nous allons passer en revue les bases de cinq matériaux de siège de robinet à tournant sphérique couramment utilisés.

Vannes à bille

Qu'ils soient utilisés dans une application pétrochimique où une fuite pourrait être dévastatrice pour l'environnement, ou dans un laboratoire pharmaceutique où la propreté et l'assainissement sont essentiels, les sièges de robinets à tournant sphérique doivent être fiables et robustes. Un robinet à tournant sphérique se compose du corps de la vanne, du capuchon du corps, de la tige, de la bille pleine et du siège du robinet à bille rond.

Le siège du robinet à tournant sphérique est chargé de sceller le fluide à l'intérieur et de répartir uniformément la contrainte du siège. Dans les conceptions de robinets à boisseau sphérique à siège souple, un élastomère ou un polymère est utilisé comme joint et est inséré dans un anneau de siège métallique. Cette approche, contrairement aux vannes à bille à siège rigide, est populaire car elle offre une bonne étanchéité, est plus légère et plus rentable.

Propriétés clés des matériaux des sièges de robinet à tournant sphérique

Lors du choix d'un matériau polymère pour un siège de robinet à tournant sphérique, de nombreux facteurs entrent en jeu. Les principales propriétés des matériaux comprennent…

Ductilité suffisante pour fournir une étanchéité fiable
Stabilité dimensionnelle pour garantir que le siège du robinet à tournant sphérique conserve sa forme pour une étanchéité et des performances fiables
Très faible friction pour maintenir le couple de tige au minimum
Faible coefficient de dilatation thermique afin que le siège du robinet à tournant sphérique conserve sa forme lorsque les changements de température se produisent
Excellente résistance à l'usure pour une longue durée de vie
Compatibilité chimique avec tous les milieux impliqués
Dans certains environnements d'exploitation, il est également important que les matériaux des sièges de robinet à tournant sphérique présentent les propriétés suivantes :
Faible absorption d'humidité pour éviter les changements dimensionnels en présence d'eau ou d'humidité élevée
Maintenez les performances grâce à des stérilisations répétées pouvant inclure de l'eau chaude, de la vapeur et des produits chimiques de nettoyage agressifs.
Bonne performance en présence d'une décompression soudaine (c.-à-d. chute de pression supérieure à 650 psi)

Matériaux recommandés pour les sièges de robinets à tournant sphérique

Plusieurs matériaux fonctionnent bien comme sièges de robinets à tournant sphérique, notamment l'acétal, le PEEK, le PTFE, le TFM et l'UHMW-PE.

Sièges de robinet à tournant sphérique PEEK

Plage de température : -50 °F à 550 °F

Pression maximale à température ambiante : 6 000 psi

Couleur beige

Le PEEK offre une excellente résistance chimique, un très faible frottement, une autolubrification et est ignifuge tout en possédant également une large plage de températures de fonctionnement (de -70°F à 550°F). Il peut gérer des applications très agressives et fonctionne bien lorsqu'il y a besoin d'eau chaude et d'exposition à la vapeur, mais ne fonctionne pas bien en présence d'acide sulfurique.

De plus, le PEEK est très bien adapté aux applications nucléaires et est disponible dans des grades approuvés par la FDA ainsi que des grades chargés présentant des propriétés d'usure améliorées et une meilleure conductivité thermique. Notez que le PEEK est généralement choisi pour les sièges de robinets à tournant sphérique lorsque la plage de températures de fonctionnement est en dehors de celle du PTFE.

Sièges de robinet à tournant sphérique en PTFE

Plage de température : -50 °F à 400 °F

Pression maximale à température ambiante : 1 000 psi

Couleur blanche

Le PTFE (également connu sous son nom commercial, Téflon) possède bon nombre des mêmes propriétés que le PEEK, mais implique une friction encore plus faible, des capacités de fonctionnement à sec et une compatibilité chimique plus étendue. Comme le PEEK, il est disponible dans des qualités approuvées par la FDA et peut supporter des températures cryogéniques allant jusqu'à -50°F et des températures élevées jusqu'à 550°F ainsi que des pressions allant jusqu'à 5 000 psi.

Tout comme le PEEK, le PTFE peut continuer à fonctionner même lorsqu'il est exposé à plusieurs reprises à l'eau chaude et à la vapeur. Gardez toutefois à l’esprit que le PTFE ne fonctionne pas bien en présence de fluor ou d’alcalis. Le PTFE est également très facile à nettoyer et disponible dans des qualités renforcées de verre ou de carbone qui peuvent offrir de meilleures caractéristiques d'usure, moins de propension au fluage à froid et une conductivité thermique plus faible.

Sièges de robinet à tournant sphérique RPTFE

Plage de température : -50 °F à 450 °F

Pression maximale à température ambiante : 2 000 psi

Couleur : blanc cassé.

Le RTFE a amélioré la résistance à l'usure et à l'abrasion par rapport au PTFE tout en conservant sa compatibilité chimique. Ses caractéristiques de température polyvalentes permettent d'utiliser le RTFE dans les applications de vapeur saturée. Le RTFE est le matériau de siège standard pour la plupart des vannes à bille flottante Zeco. Ce siège ne doit pas être utilisé en service caustique (hydroxyde de sodium, hydroxyde de potassium, etc.).

Sièges de robinet à tournant sphérique TFM

Plage de température : -75 °F à 500 °F

Pression maximale à température ambiante : 2 000 psi

Couleur : blanc transparent.

Le TFM (parfois appelé Dyneon) est un matériau PTFE de deuxième génération qui combine les meilleures propriétés du PTFE (faible frottement, résistance chimique, performances à haute température) avec une meilleure récupération des contraintes et la capacité de gérer des pressions plus élevées. Il est également plus élastique et résistant que le PTFE. La température de fonctionnement du TFM varie de -100°F à 450°F et il est bien adapté aux applications impliquant de la vapeur et des fluides thermiques.

Joints de robinet à tournant sphérique UHMW-PE

Plage de température : -40 °F à 180 °F

Pression maximale à température ambiante : 2 000 psi

Couleur : blanc transparent.

UHMW-PE, qui signifie polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé, a un faible coefficient de frottement, une température de fonctionnement allant de -70 °F à 200 °F, une bonne résistance chimique, une bonne stabilité dimensionnelle et une bonne résistance à l'abrasion. En général, les sièges de robinet à tournant sphérique en UHMW-PE peuvent supporter des pressions allant jusqu'à 1 500 psi et des niveaux d'exposition aux rayonnements faibles à moyens.

Sièges de robinet à tournant sphérique en Delrin

Plage de température : -40 °F à 180 °F

Pression maximale à température ambiante : 6 000 psi

Couleur blanche

Lorsque des environnements agressifs sont impliqués, l’acétal (également connu sous le nom de Delrin) est souvent utilisé. L'acétal offre une excellente résistance à l'usure, est très rigide, a une bonne ténacité et résiste à l'écoulement à froid. Bien que sa plage de températures de fonctionnement ne soit pas très large (-70°F à 180°F), il peut supporter des pressions allant jusqu'à 5 000 psi. L'acétal fonctionne également bien dans les environnements radioactifs mais ne doit pas être utilisé avec un flux d'oxygène.

Vanne papillon

Nous disposons de différents types de vannes papillon pour diverses applications. Le type de joint de vanne papillon utilisé dépend des conditions d'application : température, pression et type de fluide. Pour plus d'informations sur la pression et la température qu'une vanne peut tolérer, reportez-vous aux spécifications publiées par le fabricant.

Sièges de vanne papillon BUNA-N (B)

BUNA-N est un autre nom pour le nitrile qui est un copolymère de caoutchouc synthétique d'acrylonitrile (ACN) et de butadiène. En raison de sa résistance à l’abrasion, de sa résistance à la traction et de sa faible déformation rémanente à la compression, ce caoutchouc est un élastomère largement utilisé dans l’industrie des joints.

BUNA-N est très résistant aux fluides hydrauliques, à l’eau, aux alcools, aux acides, aux huiles à base de pétrole, aux carburants, aux graisses silicones, etc. Cependant, ce qui le rend solide le rend également inflexible. La température nominale BUNA est de 0 °F à 180 °F et résiste à la chaleur jusqu'à 225 °F.

Ce matériau est utilisé dans certaines applications automobiles. Cependant, BUNA-N ne convient pas aux applications impliquant des acétones, des cétones, des hydrocarbures chlorés, des hydrocarbures nitrés ou de l'ozone.

Sièges de vanne papillon en EPDM (E)

Conçu pour des températures de -30 °F à 250 °F. EPDM est l’abréviation d’un composé appelé monomère d’éthylène propylène diène. Il est aussi communément appelé EPT, Nordel et EPR. L'EPDM est largement utilisé dans l'industrie CVC en raison de sa résistance aux composés polaires tels que l'eau, le phosphate, les esters, les cétones, les alcools et les glycols. Le matériau EPDM est également applicable à la manipulation d'acide sulfurique concentré, d'hypochlorite de sodium 20% (eau de Javel), d'eau chlorée pour piscines et d'autres solutions alcalines. L'EPDM ne résiste pas aux solvants et huiles d'hydrocarbures, aux hydrocarbures chlorés, à la térébenthine ou à toute autre huile à base de pétrole.

Sièges de vanne papillon en PTFE (P)

PTFE est une abréviation du terme polytétrafluoroéthylène et est communément appelé Téflon. Ce fluoropolymère thermoplastique présente des qualités de faible frottement, de résistance chimique et de résistance au feu. Le téflon est utilisé pour créer certaines vannes papillon à siège résilient.

Le PTFE est un matériau rentable dans des applications telles que le traitement chimique ou le pétrole et le gaz. De par sa qualité d’isolation, il est compatible avec les applications électriques. Cependant, il ne doit pas être utilisé dans des conditions de haute pression. La température nominale du PTFE varie de -50 °F à 400 °F.

Sièges de vanne papillon VITON (V)

VITON est une marque déposée pour un élastomère fluorocarboné fabriqué par Dupont. La version 3M de ce matériau est connue sous le nom de Farine. Cet élastomère offre une résistance à la chaleur et aux produits chimiques.

VITON résiste aux acides minéraux et aux produits hydrocarbonés concentrés ou dilués. La température nominale VITON varie de -20 °F à 300 °F.

Le fluorocarbone est utilisé dans des applications impliquant des huiles de pétrole, des hydrocarbures chlorés, des solutions salines et des acides minéraux. En raison de sa tolérance à la chaleur et de sa résistance à la corrosion, le VITON est utilisé dans la fabrication de sièges de vannes tels que les vannes à guillotine. Cependant, cette vanne n’est pas compatible avec les procédés impliquant de l’eau ou de la vapeur.

La section suivante décrit certains des aspects fondamentaux des propriétés, des capacités et des applications de ces matériaux.

Types de matériaux

Le tableau 1 présente les types de polymères utilisés dans les applications de vannes, ainsi que les abréviations et noms commerciaux courants des matériaux mentionnés dans ces directives.

Tableau 1 Matériaux thermoplastiques à siège souple

Matériaux thermoplastiques à siège souple -SGV

Type de polymère Abréviation Noms commerciaux courants
Polytétrafluoroéthylène, téflon PTFE, Hostaflon, Fluon
Éthylène tétrafluoroéthylène, ETFE Tefzel
Polychlorotrifluororéthylène, PCTFE Kel-F, Aclon
Éthylène chlorotrifluoroéthylène, ECTFE Halar
Perfluoroalcoxy, PFA Téflon
Éthylène propylène perfluoré, Téflon FEP, Néoflon
Polyamide – Nylon PAM Ultramid, Maranyl, Nylatron
Polyamide imide, PAI Torlon, Vespel
Polyéther éther cétone, PEEK Victrex, Arlon
Sulfure de polyphénylène, PPS Ryton, Fortron, Supec
Polyéther sulfone, PES, Victrex
Copolymère polyoxyméthylène acétal, POM Kemetal, Delrin, Ultraform
Polyéthylène de poids moléculaire ultra élevé, UHMWPE, Hostalen

En général, ces matériaux peuvent être divisés en plusieurs groupes génériques : Fluoropolymères – Les polymères tels que le PTFE, le PCTFE, l'ECTFE, etc. sont à base de polymères à chaîne d'hydrocarbures fluorés, dérivés principalement du tétrafluoroéthylène et de divers dérivés chlorodérivés.

Polymères dérivés du phénol – Les polymères linéaires tels que le PEEK, le PES et le PPS incorporent des groupes phénylène, ainsi que de l'oxygène, du soufre et du carbone.

Polyamides – Les polymères, tels que les nylons et le PAI, incorporent le groupe -NH-(C=O)-.  Polyoléfines – Polymères à chaîne hydrocarbonée, tels que le polyéthylène et le polypropylène.

Propriétés mécaniques

Les matériaux thermoplastiques diffèrent fondamentalement des élastomères par le fait qu'ils présentent de nombreuses capacités élastiques réduites, et subissent des déformations permanentes lorsqu'ils sont soumis à des déformations supérieures à 5 à 10% environ (cf. l'allongement des caoutchoucs, qui peut être compris entre 70 et 700%).

Les propriétés mécaniques de ces matériaux varient considérablement et leur application réussie dépend de la sélection appropriée des matériaux. Essentiellement, le niveau des propriétés mécaniques d’un matériau détermine la pression à laquelle ce matériau peut être utilisé avec succès. Comme les propriétés de résistance diminuent invariablement avec la température, la pression nominale d'un matériau de siège souple dans une application de vanne sera également réduite à mesure que la température augmente.

Pour étendre les capacités de pression des thermoplastiques à des températures élevées, ils sont souvent mélangés à des charges de renforcement telles que la fibre de verre ou de carbone, pour améliorer la résistance et la rigidité. D'autres charges, telles que le graphite, le MoS2 ou le PTFE, peuvent être ajoutées pour réduire la friction et contrôler le couple de la vanne.

Le tableau 2 montre les propriétés mécaniques typiques des polymères thermoplastiques vierges et chargés, utilisés comme sièges souples de vannes.

Tableau 2 Propriétés mécaniques des matériaux thermoplastiques des sièges de soupape

Propriétés mécaniques des matériaux thermoplastiques pour sièges de soupape-SGV

Résistance chimique

Les matériaux thermoplastiques présentent généralement une excellente résistance chimique. Il existe cependant un équilibre entre le degré d'inertie chimique et les propriétés mécaniques : l'une peut être améliorée aux dépens de l'autre. Par exemple, le PTFE est le plus chimiquement inerte de tous, mais ses propriétés mécaniques sont plutôt inférieures.

Il y a plusieurs autres points à noter. Alors que les matériaux fluorocarbonés absorbent très peu d'eau, plusieurs autres matériaux, en particulier les nylons, absorbent des quantités d'humidité assez importantes. Il existe également certains types de produits chimiques qui attaquent certains matériaux : les acides affectent le PEEK et le POM ; les aromatiques affectent l’ECTFE ; les éthers et les esters affectent l'ECTFE et le PCTFE ; les alcalis affectent le PAI et le POM.

Le tableau 3 est un résumé des caractéristiques exceptionnelles de chacun des matériaux thermoplastiques utilisés comme sièges souples.

Comparatif des matériaux thermoplastiques-SGV

Avantages Inconvénients du polymère
PTFE Résistance chimique exceptionnelle Faible frottement Tmax opérationnel élevé Faible rigidité, résistance et dureté
ETFE Bonnes propriétés de fluage, de traction et d'usure Cher Attaqué par : esters, aromatiques
PCTFE Plus rigide que le PTFE Très cher Attaqué par : les esters, les éthers et les hydrocarbures halogénés
ECTFE Bonnes propriétés de fluage, de traction et d'usure Cher Attaqué par : esters, aromatiques
PFA Tmax le plus élevé des plastiques fluorés Très cher Faible rigidité, résistance et dureté
FEP Bonne résistance chimique Faible rigidité, résistance et dureté
PAM 6, 6/6 et 6/12 Bonne résistance à l’abrasion Bonne résistance Forte adsorption d’eau
PAM 11 et 12 Adsorption d'eau plus faible Résistance et résistance à la chaleur inférieures à celles du PAI 6 Plastique non chargé le plus résistant Bonne résistance à l'usure Très cher Attaqué par les alcalis
PEEK Tmax élevé Bonne résistance chimique Très cher Attaqué par les acides
PPS Tmax élevé Bonne résistance chimique
PES Tmax élevé Adsorption d'eau élevée
POM Dur et rigide Bonne résistance à l’abrasion, au fluage et aux produits chimiques Attaqué par les acides et les alcalis
UHMWPE Bonne résistance à l’abrasion et aux produits chimiques Faible Tma