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

Robinets à boisseau sphérique sont généralement utilisées comme vannes d’arrêt, destinées à des applications avec des fluides propres. Le fonctionnement en quart de tour (ouverture/fermeture, via une poignée à levier ou un actionneur pneumatique ou électrique) fait tourner une tige reliée à la bille. Une bille lisse et polie, dotée de sièges en Téflon® et soutenue par des joints toriques en élastomère, assure une étanchéité parfaite et une fermeture hermétique. Les cycles répétés d’une vanne à bille entraînent une usure due au cisaillement de microparticules sur les sièges en Téflon®. À la longue, cette usure peut entraîner l’apparition d’une fuite. Le nombre de cycles qu’elle peut supporter avant de commencer à fuir dépend principalement de la propreté du fluide ; les particules abrasives en suspension dans le fluide accélèrent non seulement l’usure des sièges en Téflon®, mais peuvent également se loger dans le Téflon® lui-même. Lorsque cela se produit, ces particules raclent la surface de la bille lors des cycles d’ouverture et de fermeture, créant des rayures sur la bille et entraînant des fuites. Pour ce type d’applications, Asahi/America peut recommander un autre type de vanne, comme une vanne papillon.

Conception et durée de vie des vannes papillon

Vannes papillon sont généralement utilisées comme vannes d’arrêt, mais les vannes papillon sont mieux adaptées au traitement des particules ou des solides en suspension grâce à leur conception plus robuste. Ces vannes à quart de tour sont dotées d’une tige en acier inoxydable reliée à un disque en thermoplastique. Les cycles d’ouverture et de fermeture poussent le disque contre un siège ou une garniture en élastomère, puis l’en éloignent, ce qui entraîne une usure du siège de la vanne au fil des cycles répétés. Le cisaillement des microparticules au niveau du siège, provoqué par la force exercée par le disque lorsqu’il s’enfonce dans le siège ou s’en éloigne pendant le cycle d’ouverture/fermeture, crée progressivement des voies de fuite. Dans une application impliquant de l’eau propre et exempte de particules, on s’attendrait à ce qu’un robinet à bille ait une durée de vie supérieure à celle d’un robinet papillon en raison de leurs différences de conception. Cependant, dès lors que l’on introduit des solides en suspension ou des particules, le robinet papillon devient clairement le choix privilégié.

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.