Matériaux des Vannes à Globe

Figure 1 : Vanne à globe en acier inoxydable pour vapeur

Choisir le bon matériau pour les vannes à globe joue un rôle crucial dans leur performance et leur adéquation à des applications spécifiques. En comprenant les propriétés et les avantages de différents matériaux, on peut sélectionner des vannes à globe qui répondent non seulement aux exigences opérationnelles de leurs systèmes mais offrent également longévité et fiabilité. Les vannes à globe proposent une gamme de combinaisons de matériaux adaptées pour répondre à des besoins spécifiques, comme le rapport qualité-prix, la résistance à la corrosion ou la performance soutenue sous des conditions de haute pression.

Table des matières

• Matériaux du corps de la vanne à globe
• Matériaux de la tige, du siège et du disque
• Usure et érosion
• Étanchéité et fuites
• Spécifications et normes des matériaux des vannes à globe
• Considérations de conception

Matériaux du corps de la vanne à globe

Le corps de la vanne, la structure principale de la vanne à globe, est soumis aux pressions internes du système et doit être suffisamment robuste pour résister à l'environnement opérationnel. Les matériaux pour le corps de la vanne sont sélectionnés en fonction de facteurs tels que la résistance, la résistance à la corrosion et le coût :

• Acier au carbone : Un choix populaire pour les applications industrielles en raison de sa robustesse et de son efficacité en termes de coûts. L'acier au carbone offre un bon équilibre entre durabilité et prix, le rendant adapté à une large gamme d'applications de vannes à globe où la résistance extrême à la corrosion n'est pas une préoccupation principale. Le matériau convient pour des températures et des pressions modérées à élevées, typiquement jusqu'à 800°F (427°C) et 1980 psi (136 bar), selon la qualité spécifique.
• Fonte : Utilisée dans des applications moins exigeantes, la fonte fournit une résistance adéquate pour des conditions de pression et de température plus basses. Son coût inférieur en fait une option attrayante pour les systèmes où le coût est un facteur significatif. La fonte convient généralement pour des températures jusqu'à 450°F (232°C) et des pressions jusqu'à 250 psi (17,2 bar).
• Acier inoxydable : Choisi pour les environnements où la résistance à la corrosion est primordiale. L'acier inoxydable est idéal pour les applications impliquant des médias agressifs ou dans des industries telles que la transformation alimentaire et la pharmacie, où la propreté et la non-réactivité sont cruciales. L'acier inoxydable peut gérer des températures jusqu'à 1000°F (538°C) et des pressions jusqu'à 3000 psi (207 bar), selon l'alliage.
• PVC : Les vannes à globe en PVC offrent une excellente résistance à la corrosion, sont légères et rentables pour manipuler des matériaux corrosifs. Cependant, elles ne conviennent pas pour des applications à haute température ou à haute pression. De plus, elles ont une résistance mécanique et une stabilité thermique inférieures par rapport aux métaux. Le PVC convient pour des températures jusqu'à 140°F (60°C) et des pressions jusqu'à 232 psi (16 bar).
• Acier forgé : Les vannes à globe en acier forgé sont idéales pour des applications à haute pression et à haute température en raison de leur résistance et durabilité supérieures. Le processus de forgeage résulte en une structure de matériel plus dense et plus uniforme, offrant des propriétés mécaniques améliorées et une résistance aux impacts et à la fatigue thermique. L'acier forgé est capable de résister à des températures jusqu'à 1050°F (566°C) et à des pressions dépassant 6000 psi (414 bar), selon la qualité.

Lisez notre guide de résistance chimique pour plus d'informations sur la compatibilité des matériaux avec divers médias.

Matériaux de la tige, du siège et du disque

La tige et le disque sont des parties mobiles critiques d'une vanne à globe, responsables du contrôle effectif du flux de fluide. La sélection des matériaux pour ces composants est essentielle pour assurer l'intégrité fonctionnelle et la longévité de la vanne.

• Matériaux de la tige : Fabriquée typiquement en acier inoxydable, la tige doit résister à la corrosion et à l'usure, surtout puisqu'elle est en mouvement constant contre le matériau de garniture pour prévenir les fuites. La résistance de l'acier inoxydable au grippage et au blocage dans ces conditions en fait un choix idéal.
• Matériaux du siège : Le siège et le disque entrent en contact direct avec le fluide et doivent être fabriqués à partir de matériaux capables de résister aux propriétés du fluide, y compris la corrosivité et l'abrasivité.
  • PTFE (Téflon) : Excellente résistance chimique, faible friction, bon pour les fluides non abrasifs.
  • RTFE (PTFE renforcé) : Améliore la résistance à l'usure par rapport au PTFE vierge pour les fluides légèrement abrasifs.
  • Métal : Différentes qualités d'acier inoxydable ou de bronze offrent une bonne résistance à l'usure et des capacités à haute température pour des applications de vannes à globe plus sévères.
• Matériaux du disque : Les vannes à globe proposent diverses conceptions de disque :
  • Disque de type bouchon : Offre une résistance maximale à l'érosion avec sa conception longue et conique, le rendant adapté pour les applications où l'érosion est une préoccupation. L'acier inoxydable est largement utilisé pour les disques de type bouchon, offrant une excellente résistance à l'érosion grâce à sa durabilité et sa résistance à la corrosion.
  • Disque de composition : Présente un siège plat pour une modulation modérée mais n'est pas recommandé pour les applications à haute pression en raison de sa surface non aérodynamique. Le laiton ou le bronze offre un bon équilibre entre coût et performance pour les disques de composition.
  • Disque de type boule (conventionnel) : Fournit une zone de contact mince qui permet un bon siège et une modulation modérée. La céramique est souvent utilisée pour fabriquer des disques de type boule.

Typiquement, dans les vannes à globe en fonte, le disque et l'anneau de siège sont souvent fabriqués en bronze, tandis que dans des applications plus exigeantes impliquant des corps de vanne en acier au carbone ou en acier inoxydable, le matériau de garniture est généralement en acier inoxydable. Lisez notre guide de résistance chimique pour plus de détails sur la compatibilité de divers matériaux avec différents médias.

Figure 2 : Types de disque de vanne à globe : Disque de type bouchon (à gauche), disque de composition (au milieu) et disque de type boule (à droite)

Usure et érosion

• Matériaux de revêtement dur : Dans les applications où les vannes à globe sont exposées à une haute vélocité ou à des médias abrasifs, des matériaux de revêtement dur comme le Stellite sont appliqués sur les surfaces du disque et du siège. Cela améliore considérablement la résistance à l'usure, prolongeant la durée de vie de la vanne dans des conditions exigeantes.
• Résistance à l'érosion : La résistance à l'érosion est critique pour les vannes à globe dans les services de vapeur, où la vélocité de la vapeur peut causer une dégradation rapide du matériel. Sélectionner des matériaux avec une haute résistance à l'érosion comme l'acier inoxydable durci, le stellite et les alliages de nickel assure la durabilité et l'efficacité opérationnelle de la vanne.

Étanchéité et fuites

• Matériaux de siège souples : Pour les applications nécessitant une fermeture étanche, les vannes à globe utilisent des matériaux de siège souples tels que le PTFE. Ces matériaux offrent des capacités de scellement supérieures à basses températures, les rendant idéaux pour des applications de contrôle de flux précises où les fuites doivent être minimisées.
• Normes d'émission : La sélection des matériaux dans les vannes à globe aborde également les préoccupations environnementales, en particulier la minimisation des émissions fugitives. La conformité avec des normes telles que ISO 15848 ou API 622 est essentielle, certains matériaux offrant des taux de fuite réduits et une meilleure performance environnementale.

Spécifications et normes des matériaux des vannes à globe

• Normes ASTM et ASME : Les matériaux utilisés dans la construction des vannes à globe sont soumis à des normes rigoureuses pour garantir qu'ils répondent aux propriétés mécaniques et chimiques requises pour une opération sûre et efficace. ASTM International fournit des spécifications pour la composition et les propriétés des matériaux, tandis que les normes ASME, en particulier ASME B16.34, détaillent l'application de ces matériaux dans la conception des vannes, y compris les évaluations de pression et de température. L'adhésion à ces normes garantit que les vannes à globe peuvent résister aux exigences de leurs applications prévues.
• Conformité NACE MR0175/ISO 15156 : Pour les vannes à globe utilisées dans les applications pétrolières et gazières, en particulier là où des conditions de service acides sont présentes, les matériaux doivent se conformer à NACE MR0175/ISO 15156. Cette norme traite de la sélection des matériaux résistants à la fissuration par corrosion sous contrainte dans des environnements corrosifs, assurant la longévité et la fiabilité des vannes dans des conditions difficiles.
• Vannes à globe sans plomb : Essentielles pour adhérer aux normes de sécurité sanitaire et environnementale dans les systèmes d'eau potable, les vannes à globe sans plomb sont fabriquées à partir de matériaux qui répondent à des réglementations strictes sur le contenu en plomb. L'American National Standards Institute (ANSI) et la National Sanitation Foundation (NSF), en particulier à travers les normes NSF/ANSI 61 et NSF/ANSI 372, établissent les critères pour les composants des systèmes d'eau sans plomb.

Considérations de conception

Les vannes à globe peuvent présenter une conception à siège unique avec un disque qui se déplace dans et hors du chemin d'écoulement ou une conception à double siège qui réduit la charge hydraulique sur chaque disque, bénéfique pour les vannes plus grandes ou celles sous haute pression. De plus, le choix entre une conception conventionnelle, où le média de processus est en contact direct avec le disque, et une conception guidée par cage, qui isole le disque de la pression et de la déflexion, dépend des exigences spécifiques de l'application. Cependant, les conceptions guidées par cage ne conviennent pas aux médias visqueux en raison du risque de colmatage. Les conceptions guidées par cage exigent des matériaux capables de supporter des dynamiques de flux rapides et des turbulences sans se dégrader, comme l'acier inoxydable ou le Hastelloy.