Comprendre la durée de vie d’une soupape (et pourquoi vous devez vous en préoccuper)

Un cycle de vanne singulier est défini comme l’ouverture et la fermeture de la vanne dans un environnement de processus installé. Le nombre total prévu de cycles d’ouverture/fermeture de la vanne dans des conditions idéales est appelé durée de vie de la vanne. La durée de vie d’une vanne n’est cependant pas fixe et varie considérablement en fonction de la température, de la pression, de la propreté du fluide, de la compatibilité chimique avec le fluide, de la lubrification, de la méthode d’installation, de la fréquence des cycles, de la qualité des matériaux de construction et de la conception de la vanne.

Les fabricants conçoivent les composants des vannes pour qu’ils résistent à une large gamme de conditions. Les applications peuvent aller de l’eau propre à température ambiante à des fluides abrasifs à haute température ou à des produits chimiques agressifs. La durée de vie de vannes identiques dans ces conditions très différentes peut être différente, ce qui signifie que différents types de vannes peuvent être plus appropriés que d’autres pour une application spécifique. Lors de la conception d’un système, les ingénieurs évaluent les vannes en fonction de l’application ou de l’environnement du processus. La fréquence de fonctionnement de la vanne (taux de cycle) dans cet environnement aidera les ingénieurs à déterminer le meilleur type de vanne pour atteindre un objectif raisonnable de durée de vie.

Considérations relatives aux essais de conception initiaux

Asahi/America effectue des tests de cycle dans son laboratoire pour valider les conceptions ou les modifications de conception, et ces tests sont effectués dans des conditions variables.

• L’essai de pulsation est conçu pour valider la durabilité d’une vanne, telle qu’une vanne papillon, sous les effets de conditions de pression dynamiques. Le test simule des applications réelles telles que les « pulsations d’une pompe » et peut aider à déterminer la durabilité de la conception ou des matériaux de construction d’une vanne. Une valeur cible d’un nombre acceptable de cycles est généralement déterminée avant le début de l’essai.
• L’essai de cycle thermique consiste à soumettre une soupape à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, et vise à évaluer les performances et l’endurance. Ce test simule les conditions réelles et valide les performances dans des conditions extrêmes. Un degré cible de performance ou de dégradation du joint est déterminé avant le début de l’essai.

Ces deux tests sont souvent un élément clé des réunions d’examen de la conception, car ils permettent de s’assurer que les matériaux de construction sont adaptés à la large gamme d’applications qu’une vanne peut connaître.

Une question fréquente est : « Quelle est la durée de vie de ma vanne ? », mais la réponse n’est pas aussi simple. Bien que nous puissions tirer des informations présomptives des données d’essais de développement en laboratoire, elles ne donnent pas une image tout à fait exacte du cas d’utilisation dans le monde réel. Les conditions de travail exactes d’une vanne dans une application donnée peuvent souvent donner une meilleure idée de la longévité et aider à déterminer le type de vanne à choisir. Malheureusement, il ne s’agit pas d’une science exacte, et bien qu’Asahi/America recommande un type de vanne en fonction des critères de l’application et de nos capacités de support, en fin de compte, c’est au client de décider ce qu’il veut utiliser.

Voyons un peu plus en détail ce qui affecte la durée de vie d’un robinet :

• Température: Les températures extrêmes ont un impact significatif sur la durée de vie des vannes. Une vanne placée dans un environnement où les températures sont instables ou extrêmes sera soumise à des contraintes basées sur les différentes limites de température des divers matériaux thermoplastiques et élastomères utilisés. Un bon exemple est celui d’une vanne papillon en PVC avec un siège/joint en FKM. Le FKM devient dur à des températures inférieures à 32° F, ce qui rendra le cycle d’ouverture/fermeture de la vanne plus difficile et plus stressant en raison de sa rigidité. Naturellement, des températures de travail comprises dans la fourchette indiquée se traduiront par une meilleure durée de vie du cycle.
• Pression: Les variations ou les pics de pression, même à l’intérieur d’une plage de pression nominale, peuvent provoquer l’usure des joints. Par exemple, les sièges/joints en FKM des vannes papillon peuvent être endommagés par des pics de pression. Des environnements de pression stables dans une plage de température donnée se traduiront par une meilleure durée de vie.
• Lubrification: Les vannes ont besoin d’être lubrifiées et, bien que le fluide du procédé puisse parfois servir de lubrifiant, un lubrifiant distinct est généralement appliqué lors de l’assemblage pour garantir le bon fonctionnement de la vanne. Il existe des environnements spécifiques où le lubrifiant ne peut pas être utilisé, car il contaminerait le processus ; par exemple, le chlore gazeux sec. Ces vannes sont généralement étiquetées « sans lubrifiant » et, en règle générale, ne doivent pas être actionnées avant l’installation du procédé et la présence du fluide.
• Taux de cycle: Le taux de cycle est la fréquence à laquelle la vanne est actionnée. Un taux de cycle plus élevé ou plus bas n’équivaut pas à une durée de vie plus longue ; les deux conditions du processus ont leurs influences respectives. Une vanne qui n’est actionnée qu’une fois par an peut nécessiter un « exercice » périodique pour garantir un bon fonctionnement lorsqu’un cycle est nécessaire. Par ailleurs, une vanne soumise à des cycles répétés peut générer de la chaleur et solliciter les propriétés des matériaux des composants d’étanchéité.
• Propreté du fluide et compatibilité chimique: En fonction du type et de la conception de la vanne, une plus grande propreté du fluide sera toujours synonyme d’une meilleure durée de vie. Le choix de matériaux de construction appropriés en fonction des fluides dans lesquels la vanne fonctionnera se traduira également par une amélioration de la durée de vie du cycle. Les fluides contaminés ou les fluides non prévus pour être utilisés avec les matériaux d’une vanne réduiront considérablement la durée de vie attendue de la vanne.
• Matériaux de construction: L’utilisation de résines de qualité pour les vannes moulées en thermoplastique est un facteur clé de longévité. Les plastifiants et les charges utilisés dans le processus de moulage peuvent affecter les performances globales du matériau, en particulier dans les conditions les plus extrêmes.

Conception et durée de vie des robinets à tournant sphérique

Les robinets à tournant sphérique sont généralement utilisés comme robinets d’arrêt, destinés à des applications de fluides propres. L’opération d’ouverture/fermeture d’un quart de tour (via une béquille ou un actionneur pneumatique ou électrique) fait tourner une tige fixée à la sphère. Une bille lisse et polie avec des sièges en Teflon®, soutenue par des coussins de joint torique en élastomère, crée un joint étanche et une fermeture positive. Les cycles répétés d’un robinet à tournant sphérique créent une usure par cisaillement des microparticules sur les sièges en Teflon®. Avec le temps, cette usure peut entraîner une fuite. Le nombre de cycles qu’il peut supporter avant de commencer à fuir dépend principalement de la propreté du fluide ; les particules abrasives en suspension dans le fluide non seulement accélèrent l’usure des sièges en Teflon®, mais peuvent également s’incruster dans le Teflon® lui-même. Lorsque cela se produit, ces particules sont raclées sur la face de la bille pendant le cycle d’ouverture/fermeture, ce qui crée des marques dans la bille et entraîne des fuites. Pour ces types d’applications, Asahi/America peut recommander un autre type de vanne, comme une vanne papillon.

Conception et durée de vie des vannes papillon

Les vannes pap illon sont généralement utilisées comme vannes d’arrêt, mais elles sont mieux équipées pour traiter les particules ou les solides en suspension en raison de leur conception plus robuste. Ces vannes quart de tour sont dotées d’une tige en acier inoxydable reliée à un disque en thermoplastique. Le cycle d’ouverture/fermeture entraîne le disque dans ou hors d’un siège ou d’un revêtement en élastomère, ce qui entraîne l’usure du siège de la soupape sur des cycles répétés. Le cisaillement des microparticules du siège par la force du disque lorsque celui-ci entre ou sort du siège pendant le cycle d’ouverture/fermeture crée des voies de fuite au fil du temps. Dans une application impliquant de l’eau propre et exempte de particules, une vanne à bille devrait durer plus longtemps qu’une vanne papillon en raison des différences de conception. Cependant, dès que vous introduisez des matières en suspension ou des particules, la vanne papillon s’impose.

L’actionnement électrique ou pneumatique peut également accélérer l’usure en fonction de la fréquence de l’actionnement. Par exemple, dans une application de remplissage de bouteilles où des cycles d’ouverture/fermeture rapides et répétés sont effectués au cours d’une période de travail de plusieurs heures, le meilleur choix serait la vanne à boisseau sphérique. Les propriétés autolubrifiantes des sièges en Teflon® contre le boisseau thermoplastique permettent de minimiser les contraintes sur l’actionneur et le robinet. Il en résulte un fonctionnement plus souple et une durée de vie plus longue. La même application de remplissage de bouteilles pour une vanne papillon serait beaucoup plus difficile. La façon dont le disque s’insère dans le siège et se détache, la force d’appui nécessaire pour ouvrir et fermer la vanne accélérerait l’usure de l’actionneur et de la vanne papillon.

Restez à l’écoute pour la deuxième partie, dans laquelle nous aborderons la durée de vie et les essais de performance des actionneurs.

AVIS DE L’ÉDITEUR : Veuillez noter que les informations contenues dans cet article sont uniquement destinées à des fins éducatives et ne remplacent pas les informations techniques ou les spécifications des produits d’Asahi/America. Veuillez consulter le service technique d’Asahi/America au 1-800-343-3618 ou à l’adresse [email protected] pour toutes les applications de produits en ce qui concerne la sélection des matériaux en fonction de la pression, de la température, des facteurs environnementaux, des produits chimiques, des médias, de l’application, etc.