Bonnes pratiques d'étanchéité des tiges de soupape

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Avant de se plonger dans les détails de la sélection d'une méthode d'étanchéité de valve, il est préférable de comprendre les défis de l'étanchéité d'une tige de valve et d'expliquer comment cela peut être fait. Les vannes de régulation et d'arrêt appartiennent à l'une des deux principales catégories : à tige coulissante ou rotative.

Une vanne à tige coulissante a une tige dépassant du corps qui monte et descend pour ouvrir et fermer la vanne. Une vanne rotative a un arbre s'étendant sur le côté de la vanne qui est relié à un bouchon, un disque ou une bille. Lorsque l'arbre tourne, la vanne rotative s'ouvre et se ferme. Dans l'une ou l'autre conception, la tige de soupape doit sortir du corps et être capable d'un mouvement relativement sans frottement, tout en contenant le processus et en empêchant les fuites.

L'ensemble d'étanchéité de la tige de soupape rend cela possible. L'étanchéité est généralement réalisée de l'une des deux manières suivantes : garniture conventionnelle ou joints à soufflet. Les détails du fonctionnement de ces méthodes, ainsi que les avantages et les inconvénients de chaque méthode, suivent.

Les joints de tige de soupape doivent remplir deux objectifs contradictoires. Tout d'abord, ils doivent sceller complètement la tige de la vanne et réduire (et idéalement éliminer) toutes les émissions fugitives du processus. Deuxièmement, ils doivent accomplir cet exploit tout en permettant à la tige de valve de se déplacer librement et de continuer à sceller, même si la tige de valve effectue des milliers de cycles. Plusieurs normes industrielles répondent à ces exigences, mais les performances requises et les méthodes de test varient considérablement.

Les trois principales normes d'émissions fugitives sont TA Luft, FCI 91-1 et ISO 15848. TA Luft est la moins complète des trois, offrant des normes de taux de fuite basées sur la taille du joint et la température du procédé. Cependant, il manque des paramètres de test spécifiques pour le nombre de cycles de test requis ou la distance de déplacement, il est donc difficile de comparer les résultats de fuite entre différentes conceptions de vannes.

La FCI 91-1 a été créée par le Fluid Control Institute et est plus étroitement alignée sur les exigences de détection et de réparation des fuites imposées par l'Environmental Protection Agency (EPA). Il utilise la méthode 21 de l'EPA pour "sniffer" la garniture de la vanne et déterminer le taux de fuite (figure 1). Cette norme fournit des détails sur la façon de tester une vanne. Une conception de joint de tige de soupape atteint diverses classifications en fonction du taux de fuite résultant après un nombre spécifié de cycles mécaniques et thermiques.

De loin, la norme la plus complète est la norme ISO 15848. Elle propose une variété de taux de classification des fuites pour les vannes de régulation et d'isolement en fonction des cycles mécaniques, des cycles thermiques et de la taille de la tige. Il permet également de tester avec de l'hélium ou du méthane, et il dicte deux manières différentes de mesurer les fuites du joint de tige pour l'hélium, chacune étant beaucoup plus impliquée qu'un simple test de reniflement. En effet, les parties supérieures de la vanne sont enfermées dans une enceinte étanche et soit balayées par un gaz test, soit soumises à un vide total, tandis que l'intérieur de la vanne est pressurisé à l'hélium. La quantité de fuite peut alors être mesurée avec précision.

Lors de l'évaluation des performances d'un agencement de joint de tige de soupape, il est important de déterminer comment la soupape a été testée et à quelle classification spécifique elle correspondait. Il est relativement facile d'obtenir des taux de fuite très faibles si la vanne est actionnée mécaniquement un petit nombre de fois. Il est beaucoup plus difficile d'atteindre et de maintenir des taux de fuite très bas lorsque la vanne est soumise à des cycles mécaniques des milliers de fois, tout en endurant également des cycles thermiques. Les cycles thermiques affectent l'étanchéité en raison du taux d'expansion élevé du PTFE (un fluoropolymère synthétique de tétrafluoroéthylène, également connu sous le nom de Téflon) et du faible taux de récupération du graphite, ce qui rend difficile la conception de la garniture.

La méthode la plus courante d'étanchéité de la tige de soupape utilise une série d'anneaux en PTFE ou en graphite qui encerclent l'arbre de la soupape (figure 2 à gauche). Les bagues sont comprimées avec une combinaison d'un fouloir de garniture, d'une bride de garniture et de boulons pour pousser et presser les bagues de garniture contre l'arbre. Les anneaux comprimés permettent à la tige de vanne de se déplacer tout en maintenant une étanchéité contre le corps de vanne et l'arbre pour empêcher les fluides de traitement de traverser la tige et de s'échapper. Dans certaines applications, la garniture n'a qu'à protéger contre les fuites grossières du procédé, de sorte que les émissions fugitives relativement mineures ne sont pas un problème et la libre circulation de la tige est considérée comme une exigence plus importante.

Pour atteindre et maintenir de faibles émissions, la garniture doit être "chargée en direct" pour maintenir une pression constante sur les bagues d'étanchéité (figure 2 à droite). Ceci est généralement réalisé à l'aide de ressorts comprimés de type Belleville. Ces ressorts maintiennent une force constante sur la garniture, garantissant son étanchéité dans le temps, même lorsque les bagues s'usent à cause du mouvement de la tige. Malheureusement, l'augmentation de la pression a tendance à restreindre le mouvement de la soupape, de sorte que les matériaux d'étanchéité et la finition de la tige de soupape doivent être soigneusement choisis pour minimiser les émissions fugitives, tout en permettant le mouvement de la tige de soupape.

Une alternative à la garniture de vanne est un joint à soufflet de vanne. Un joint à soufflet utilise une barrière métallique soudée ou formée mécaniquement autour de la tige de soupape qui peut se comprimer et s'étirer comme un accordéon (figure 3). Parce que le joint est en métal avec un très faible taux de déformation dans les zones critiques, les joints à soufflet n'atteignent pratiquement aucune fuite.

Les deux conceptions peuvent s'étirer à peu près sur la même distance par pli, mais comme le soufflet formé a beaucoup moins de plis par pouce, sa longueur totale est généralement trois fois plus longue (figure 4). Cependant, le nombre réduit de soudures et les contraintes mécaniques correspondantes permettent aux soufflets formés de durer beaucoup plus longtemps dans la plupart des applications.

Étant donné que les joints à soufflet sont construits en métal relativement mince et soumis à des contraintes mécaniques et à la corrosion, ils peuvent se fissurer et tomber en panne avec le temps. Pour cette raison, une vanne à soufflet a généralement une garniture standard au-dessus pour contenir le processus en cas de défaillance du soufflet.

Chaque méthode d'étanchéité de tige de soupape a des avantages et des inconvénients, le meilleur choix dépend donc de l'application. Le plus grand avantage de la garniture standard ou environnementale est peut-être son coût relativement faible, ainsi qu'une grande variété de matériaux et de conceptions de garniture de vanne pour s'adapter à la plupart des applications. Les garnitures de vanne peuvent également être ajustées et remplacées sans démonter la vanne.

Le plus grand avantage d'une conception à soufflet est sa capacité à ne fournir aucune fuite. Une telle spécification est essentielle pour les applications de service mortelles. Les matériaux du soufflet peuvent également être choisis pour supporter des températures plus élevées et des applications corrosives. Étant donné que la durée de vie opérationnelle d'un joint à soufflet est basée sur le nombre et la longueur des courses, le temps estimé jusqu'à la défaillance peut être prédit avec une certaine précision, de sorte que le remplacement peut être planifié.

Chaque conception a également des inconvénients. Les performances et la durée de vie de la garniture dépendent de nombreuses variables, qui ne sont pas toujours facilement prévisibles. Les petites fuites peuvent généralement être traitées en resserrant la garniture, mais à un moment donné, la garniture doit être remplacée. De plus, la finition de surface de la tige de vanne peut avoir un impact important sur la durée de vie et les performances d'une conception de garniture. Quoi qu'il en soit, toutes les garnitures de vanne fuiront dans une certaine mesure, ce qui peut ne pas être acceptable dans certaines applications.

Comme mentionné précédemment, les joints à soufflet se fatigueront et finiront par tomber en panne. Lorsque cela se produit, la vanne doit être entièrement démontée pour remplacer le joint à soufflet. Pour cette raison, le coût total de possession d'un joint à soufflet est généralement plus élevé que celui de la garniture.

Une usine chimique chinoise avait une application létale de cyanure d'hydrogène nécessitant pratiquement aucune fuite pendant son fonctionnement, c'est pourquoi une conception de joint à soufflet a été sélectionnée. Lors de la mise en service, l'usine n'a signalé aucune émission mesurable et, après six ans, aucune fuite n'a été signalée. Les vannes ont subi 50 000 cycles complets et plus de 10 000 cycles partiels par an.

La sélection appropriée de l'étanchéité de la tige de soupape est un élément essentiel du processus de spécification de la soupape. Lorsqu'elle est choisie judicieusement, la conception fonctionnera de manière fiable à long terme, se traduisant par des réductions significatives des émissions environnementales, des pertes de produits et des coûts de maintenance. Perdre moins de produit améliore l'efficacité et constitue un élément clé de la gestion de l'énergie.

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Lisa Miller est responsable technique senior pour les vannes à tige coulissante Fisher chez Emerson Automation Solutions. Elle a été la principale consultante technique pour les garnitures et les soufflets Fisher pendant plus de 20 ans, et elle possède 25 ans d'expertise dans la conception, les tests et la fabrication de vannes cryogéniques. Miller est le président du comité ISA75.27.01, Test d'étanchéité cryogénique et à basse température des vannes de régulation, et est membre de l'ISA depuis 10 ans. Elle est titulaire d'un baccalauréat en génie mécanique de l'Université de l'Iowa.