Materiais termoplásticos como sede de válvula esférica e sede de válvula borboleta

Um grande número de materiais termoplásticos é oferecido em válvulas, principalmente como opções de sede macia para aplicações em válvulas esfera. Também válvulas revestidas, como válvula borboleta revestida, válvula globo revestida e válvula de retenção revestida.

Assento de válvula esférica

As válvulas de esfera desempenham um papel crítico no controle do fluxo de fluido e da pressão dentro de uma tubulação, mas sua eficácia e segurança são tão boas quanto o material da sede utilizado. Nesta postagem do blog, revisaremos os princípios básicos de cinco materiais de sede de válvula esfera comumente usados.

Válvulas de esfera

Seja em uma aplicação petroquímica onde um vazamento pode ser ambientalmente devastador, ou em um laboratório farmacêutico onde a limpeza e a higienização são essenciais, as sedes das válvulas esféricas devem ser confiáveis e robustas. Uma válvula de esfera consiste no corpo da válvula, na tampa do corpo, na haste, na esfera sólida e na sede da válvula de esfera redonda.

A sede da válvula esfera é responsável por vedar o fluido em seu interior e distribuir uniformemente a tensão da sede. Em projetos de válvulas esfera de sede macia, um elastômero ou polímero é usado como vedação e inserido em um anel de sede metálico. Esta abordagem, ao contrário das válvulas esfera de sede rígida, é popular porque proporciona uma boa ação de vedação, é mais leve e mais econômica.

Principais propriedades dos materiais da sede da válvula esférica

Ao escolher um material polimérico para uma sede de válvula esfera, vários fatores estão envolvidos. As principais propriedades do material incluem…

Ductilidade suficiente para fornecer uma vedação confiável
Estabilidade dimensional para garantir que a sede da válvula esférica mantenha seu formato para vedação e desempenho confiáveis
Fricção muito baixa para manter o torque da haste no mínimo
Baixo coeficiente de expansão térmica para que a sede da válvula esférica mantenha sua forma quando ocorrem mudanças de temperatura
Excelente resistência ao desgaste para uma longa vida útil
Compatibilidade química com todos os meios envolvidos
Em alguns ambientes operacionais, também é importante que os materiais da sede da válvula esfera apresentem estas propriedades:
Baixa absorção de umidade para evitar alterações dimensionais na presença de água ou alta umidade
Mantenha o desempenho com esterilização repetida que pode incluir água quente, vapor e produtos químicos de limpeza agressivos
Bom desempenho na presença de descompressão repentina (ou seja, quedas de pressão acima de 650 psi)

Materiais recomendados para sedes de válvulas esféricas

Vários materiais funcionam bem como sedes de válvulas esféricas, incluindo acetal, PEEK, PTFE, TFM e UHMW-PE.

Assentos de válvula esférica PEEK

Faixa de temperatura: -50°F a 550°F

Pressão máxima à temperatura ambiente: 6.000 psi

Cor bege

PEEK oferece excelente resistência química, atrito muito baixo, autolubrificação e é retardador de chama, ao mesmo tempo que possui uma ampla faixa de temperatura operacional (de -70°F a 550°F). Ele pode lidar com aplicações muito agressivas e funciona bem quando há necessidade de água quente e exposição ao vapor – mas não funciona bem na presença de ácido sulfúrico.

Além disso, o PEEK está muito bem adaptado às aplicações nucleares e está disponível em graus aprovados pela FDA, bem como em graus preenchidos com propriedades de desgaste aprimoradas e melhor condutividade térmica. Observe que o PEEK geralmente é escolhido para sedes de válvulas esféricas quando a faixa de temperatura operacional está fora da faixa de PTFE.

Assentos de válvula esférica PTFE

Faixa de temperatura: -50°F a 400°F

Pressão máxima à temperatura ambiente: 1000 psi

Cor branca

O PTFE (também conhecido pelo seu nome comercial, Teflon) tem muitas das mesmas propriedades do PEEK, mas envolve atrito ainda menor, capacidade de funcionamento a seco e compatibilidade química mais extensa. Assim como o PEEK, ele está disponível em graus aprovados pela FDA e pode suportar temperaturas criogênicas de até -50°F e altas temperaturas de até 550°F, bem como pressões de até 5.000 psi.

Também como o PEEK, o PTFE pode continuar funcionando mesmo quando exposto repetidamente a água quente e vapor. Tenha em mente, entretanto, que o PTFE não funciona bem na presença de flúor ou álcalis. O PTFE também é muito fácil de limpar e está disponível em tipos de vidro ou reforçados com carbono que podem fornecer melhores características de desgaste, menor propensão à fluência a frio e menor condutividade térmica.

Assentos de válvula esférica RPTFE

Faixa de temperatura: -50°F a 450°F

Pressão máxima à temperatura ambiente: 2.000 psi

Cor: esbranquiçado

O RTFE melhorou a resistência ao desgaste e à abrasão em relação ao PTFE, mantendo sua compatibilidade química. Suas características versáteis de temperatura permitem que o RTFE seja usado em aplicações de vapor saturado. RTFE é o material de sede padrão para a maioria das válvulas de esfera flutuantes Zeco. Esta sede não deve ser usada em serviços cáusticos (hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, etc.).

Assentos de válvula de esfera TFM

Faixa de temperatura: -75°F a 500°F

Pressão máxima à temperatura ambiente: 2.000 psi

Cor: Branco Transparente

TFM (às vezes referido pela marca Dyneon) é um material PTFE de segunda geração que combina as melhores propriedades do PTFE (baixo atrito, resistência química, desempenho em altas temperaturas) com melhor recuperação de tensão e capacidade de lidar com pressões mais altas. Também é mais elástico e resiliente que o PTFE. A temperatura operacional do TFM varia de -100°F a 450°F e é bem adaptado para aplicações que envolvem vapor e fluidos térmicos.

Selos de válvula de esfera UHMW-PE

Faixa de temperatura: -40°F a 180°F

Pressão máxima à temperatura ambiente: 2.000 psi

Cor: Branco Transparente

UHMW-PE, que significa Polietileno de Ultra-Alto Peso Molecular, possui baixo coeficiente de atrito, temperatura operacional variando de -70° F a 200°F, boa resistência química, boa estabilidade dimensional e boa resistência à abrasão. Em geral, as sedes das válvulas esféricas feitas de UHMW-PE podem suportar pressões de até 1.500 psi e níveis baixos a médios de exposição à radiação.

Assentos de válvula de esfera Delrin

Faixa de temperatura: -40°F a 180°F

Pressão máxima à temperatura ambiente: 6.000 psi

Cor branca

Quando ambientes agressivos estão envolvidos, o Acetal (também conhecido como Delrin) é frequentemente usado. O acetal oferece excelente resistência ao desgaste, é muito rígido, possui boa tenacidade e é resistente ao fluxo a frio. Embora sua faixa de temperatura operacional não seja muito ampla (-70°F a 180°F), ele pode suportar pressões de até 5.000 psi. O acetal também funciona bem em ambientes radioativos, mas não deve ser usado com fluxo de oxigênio.

Válvula de borboleta

Temos diferentes tipos de válvulas borboleta para diversas aplicações. O tipo de vedação da válvula borboleta utilizado depende das condições de aplicação: temperatura, pressão e tipo de meio. Para obter mais informações sobre a pressão e a temperatura que uma válvula pode tolerar, consulte as especificações publicadas pelo fabricante.

Assentos de válvula borboleta BUNA-N (B)

BUNA-N é outro nome para nitrila, que é um copolímero de borracha sintética de acrilonitrila (ACN) e butadieno. Devido à sua resistência à abrasão, resistência à tração e baixa deformação por compressão, esta borracha é um elastômero amplamente utilizado na indústria de vedações.

BUNA-N é altamente resistente a fluidos hidráulicos, água, álcoois, ácidos, óleos derivados de petróleo, combustíveis, graxas de silicone, etc. Porém, o que o torna forte também o torna inflexível. A classificação de temperatura BUNA é de 0°F a 180°F e é resistente ao calor até 225°F.

Este material é usado em algumas aplicações automotivas. No entanto, BUNA-N não é adequado para aplicações que envolvam acetonas, cetonas, hidrocarbonetos clorados, nitro hidrocarbonetos ou ozônio.

Assentos de válvula borboleta EPDM (E)

Classificado para temperaturas de -30°F a 250°F. EPDM é uma abreviatura de um composto chamado Monômero de Etileno Propileno Dieno. Também é comumente chamado de EPT, Nordel e EPR. O EPDM é amplamente utilizado na indústria de HVAC devido à sua resistência a compostos polares como água, fosfato, ésteres, cetonas, álcoois e glicóis. O material EPDM também é aplicável para manuseio de ácido sulfúrico concentrado, hipoclorito de sódio 20% (lixívia), água clorada para piscinas e outras soluções alcalinas. O EPDM não é resistente a solventes e óleos de hidrocarbonetos, hidrocarbonetos clorados, terebintina ou quaisquer outros óleos à base de petróleo.

Assentos de válvula borboleta em PTFE (P)

PTFE é uma abreviatura do termo politetrafluoroetileno e é comumente conhecido como Teflon. Este fluoropolímero termoplástico possui baixo atrito, resistência química e qualidades de resistência ao fogo. O Teflon é usado para criar algumas válvulas borboleta com sede resiliente.

O PTFE é um material econômico em aplicações como processamento químico ou petróleo e gás. Devido à sua qualidade de isolamento, é compatível com aplicações elétricas. No entanto, não deve ser utilizado em condições de alta pressão. A classificação de temperatura do PTFE varia de -50°F a 400°F.

Assentos de válvula borboleta VITON (V)

VITON é uma marca registrada de um elastômero de fluorocarbono fabricado pela Dupont. A versão deste material da 3M é conhecida como Farinha. Este elastômero oferece resistência ao calor e a produtos químicos.

VITON é resistente a ácidos minerais e produtos de hidrocarbonetos concentrados ou diluídos. A classificação de temperatura VITON varia de -20°F a 300°F.

O fluorocarbono é usado em aplicações que envolvem óleos de petróleo, hidrocarbonetos clorados, soluções salinas e ácidos minerais. Devido à sua tolerância ao calor e resistência à corrosão, o VITON é usado na fabricação de sedes de válvulas, como válvulas de guilhotina. Porém, esta válvula não é compatível com processos que envolvam água ou vapor.

A seção a seguir descreve alguns dos aspectos fundamentais das propriedades, capacidades e aplicação desses materiais.

Tipos de materiais

A Tabela 1 mostra os tipos de polímeros usados em aplicações de válvulas, juntamente com abreviações e nomes comerciais comuns para os materiais mencionados nestas Diretrizes.

Tabela 1 Materiais termoplásticos de assento macio

Materiais termoplásticos de assento macio -SGV

Tipo de polímero Abreviatura Nomes comerciais comuns
Politetrafluoroetileno, PTFE Teflon, Hostaflon, Fluon
Etileno tetrafluoroetileno, ETFE Tefzel
Policlorotrifluoroetileno, PCTFE Kel-F, Aclon
Etileno Clorotrifluoroetileno, ECTFE Halar
Perfluoroalcóxi, PFA Teflon
Etileno propileno perfluorado, FEP Teflon, Neoflon
Poliamida – Nylon PAM Ultramid, Maranil, Nylatron
Poliamida imida, PAI Torlon, Vespel
Poliéter éter cetona, PEEK Victrex, Arlon
Sulfureto de polifenileno, PPS Ryton, Fortron, Supec
Poliéter sulfona, PES, Victrex
Copolímero de polioximetileno acetal, POM Kemetal, Delrin, Ultraform
Polietileno de ultra-alto peso molecular, UHMWPE, Hostalen

Em geral, estes materiais podem ser divididos em vários agrupamentos genéricos: Fluoropolímeros – Polímeros como PTFE, PCTFE, ECTFE, etc. são baseados em polímeros de cadeia de hidrocarbonetos fluorados, derivados principalmente de tetrafluoroetileno e vários derivados de cloro.

Polímeros derivados de fenol – Polímeros lineares como PEEK, PES e PPS incorporam grupos fenileno, juntamente com oxigênio, enxofre e carbono.

Poliamidas – Polímeros, como os nylons e PAI, incorporam o grupo -NH-(C=O)-.  Poliolefinas – Polímeros de cadeia de hidrocarbonetos, como polietileno e polipropileno.

Propriedades mecânicas

Os materiais termoplásticos diferem fundamentalmente dos elastômeros porque têm muitas capacidades elásticas reduzidas e sofrem deformação permanente quando submetidos a deformações superiores a 5 a 10% ou mais (cf. o alongamento das borrachas, que pode estar entre 70 e 700%).

As propriedades mecânicas destes materiais variam consideravelmente e o sucesso da sua aplicação depende da seleção adequada dos materiais. Em essência, o nível de propriedades mecânicas de um material governa a pressão na qual esse material pode ser empregado com sucesso. Como as propriedades de resistência invariavelmente diminuem com a temperatura, a classificação de pressão de um material de sede macio em uma aplicação de válvula também será reduzida à medida que a temperatura aumenta.

Para ampliar as capacidades de pressão dos termoplásticos em temperaturas elevadas, eles são frequentemente misturados com cargas de reforço, como vidro ou fibra de carbono, para melhorar a resistência e a rigidez. Outros enchimentos, como grafite, MoS2 ou PTFE, podem ser adicionados para reduzir o atrito e controlar o torque da válvula.

A Tabela 2 mostra as propriedades mecânicas típicas de polímeros termoplásticos virgens e preenchidos, utilizados como sedes macias de válvulas.

Tabela 2 Propriedades mecânicas dos materiais termoplásticos da sede da válvula

Propriedades mecânicas de materiais termoplásticos de sede de válvula - SGV

Resistência química

Os materiais termoplásticos geralmente apresentam excelente resistência química. Existe, no entanto, um equilíbrio entre o grau de inércia química e as propriedades mecânicas – uma pode ser melhorada em detrimento da outra, por exemplo, o PTFE é o mais quimicamente inerte de todos, mas tem propriedades mecânicas bastante inferiores.

Existem vários outros pontos a serem observados. Embora os materiais de fluorocarbono tenham uma absorção de água muito baixa, vários outros materiais, em particular os nylons, absorvem quantidades bastante grandes de humidade. Existem também certos tipos químicos que atacam certos materiais: os ácidos afetam o PEEK e o POM; os aromáticos afetam o ECTFE; éteres e ésteres afetam ECTFE e PCTFE; os álcalis afetam o PAI e o POM.

A Tabela 3 é um resumo das características marcantes de cada um dos materiais termoplásticos utilizados como assentos macios.

Comparação de materiais termoplásticos-SGV

Vantagens do Polímero Desvantagens
PTFE Excelente resistência química Baixo atrito Alto Tmax operacional Baixa rigidez, resistência e dureza
ETFE Boas propriedades de fluência, tração e desgaste Caro Atacado por: ésteres, aromáticos
PCTFE Mais rígido que o PTFE Muito caro Atacado por: ésteres, éteres e hidrocarbonetos halogenados
ECTFE Boas propriedades de fluência, tração e desgaste Caro Atacado por: ésteres, aromáticos
PFA Maior Tmax de fluoroplásticos Muito caro Baixa rigidez, resistência e dureza
FEP Boa resistência química Baixa rigidez, resistência e dureza
PAM 6, 6/6 e 6/12 Boa resistência à abrasão Boa resistência Alta adsorção de água
PAM 11 e 12 Menor adsorção de água Menor resistência e resistência ao calor do que o PAI 6 Plástico não preenchido mais forte Boa resistência ao desgaste Muito caro Atacado por álcalis
PEEK Alto Tmax Boa resistência química Muito caro Atacado por ácidos
PPS Alto Tmax Boa resistência química
PES High Tmax Alta adsorção de água
POM Resistente e rígido Boa resistência à abrasão, fluência e produtos químicos Atacado por ácidos e álcalis
UHMWPE Boa resistência à abrasão e produtos químicos Baixo Tma