Valvola a sfera per sedile PEEK con attuatore pneumatico o sedile in PCTFE per applicazioni ad alte prestazioni

Esistono due categorie principali di polimeri utilizzati per le sedi delle valvole a sfera: PTFE (sia vergine che caricato) e PEEK. Questi sono materiali popolari per diversi motivi, ma ognuno ha applicazioni a cui sono più adatti. 

Valvole a sfera

Le valvole a sfera vengono utilizzate per controllare il flusso di acqua, olio, vapore, aria, fanghi e fluidi corrosivi. Possono essere trovate in sistemi HVAC, lavorazione petrolchimica, trasformazione alimentare, sistemi di distribuzione dell'acqua, sistemi di combustione automatica e controllo della strumentazione. 

Sebbene ci siano varie parti all'interno di una valvola a sfera (ad esempio, stelo, dado dello stelo, sfera, corpo), una delle parti più cruciali è la sede della valvola a sfera. Le sedi delle valvole a sfera hanno due compiti principali: distribuire uniformemente lo stress di tenuta e ottenere una tenuta solida - e per raggiungere questo obiettivo devono essere realizzate con il materiale giusto.

Proprietà chiave dei materiali per le sedi delle valvole a sfera

Esistono sei proprietà fondamentali che qualsiasi materiale per le sedi delle valvole a sfera deve possedere: 

• Basso attrito per ridurre la coppia sullo stelo
• Eccellente resistenza all'usura
• Buon recupero dello stress
• Elasticità sufficiente per mantenere una tenuta solida
• Stabilità dimensionale
• Compatibilità chimica con i mezzi coinvolti

Se le valvole a sfera vengono utilizzate in connessione con applicazioni alimentari, lattiero-casearie o farmaceutiche, potrebbero anche richiedere materiali approvati dalla FDA. E sebbene ci sia una varietà di materiali polimerici che possono essere utilizzati, PTFE, PTFE caricato e PEEK sono i più comunemente usati.

Proprietà dei materiali per ambienti difficili

Ci sono anche altre considerazioni coinvolte, molte delle quali dipendono dall'ambiente operativo. Questi possono includere stabilità dimensionale e prestazioni affidabili a temperature estreme (che possono includere temperature criogeniche) nonché la capacità di resistere a routine di sterilizzazione che coinvolgono acqua calda, vapore e/o materiali detergenti caustici. E se c'è un'esposizione prolungata all'acqua o all'umidità, una sede della valvola a sfera deve avere un basso coefficiente di espansione igroscopica. Inoltre, potrebbe esserci la necessità che i materiali siano ignifughi, resistenti al fuoco o adatti all'uso in ambienti con radiazioni.

Sedi delle valvole a sfera in PTFE

Il PTFE è da tempo una scelta popolare per i materiali delle sedi delle valvole a sfera ed è disponibile in gradi approvati dalla FDA. Il PTFE vergine ha il coefficiente di attrito più basso di qualsiasi termoplastico esistente e sono disponibili anche gradi di PTFE caricato con attrito molto basso. Questo polimero è anche in grado di funzionare a secco (e quindi non richiede lubrificanti) e non presenta alcun comportamento stick-slip. 

Il PTFE offre un'eccellente resistenza all'usura e un buon recupero dello stress, che possono essere migliorati con la giusta scelta di additivi. Possiede abbastanza duttilità da fornire una buona tenuta, anche in presenza di temperature estreme e materiali altamente corrosivi. Ha sia un basso coefficiente di espansione termica che un buon coefficiente di espansioni igroscopiche, rendendolo dimensionalmente stabile. È anche resistente al fuoco, idrofobo e non bagnante

La compatibilità chimica e le prestazioni alle alte temperature del PTFE significano che funziona bene con applicazioni che coinvolgono sanificazione e sterilizzazione. Inoltre, la sua compatibilità chimica funziona bene con un'ampia gamma di mezzi, ad eccezione del fluoro e degli alcali liquidi. Il suo intervallo di temperatura operativa include temperature criogeniche tra -429°F e 400°F. Si noti, tuttavia, che le prestazioni della temperatura del PTFE vergine dipendono fortemente dalla pressione operativa.

Tra gli svantaggi del PTFE c'è la sua suscettibilità al creep a freddo, è migliore per temperature non superiori a 5 ksi e ha prestazioni limitate in presenza di radiazioni a causa di una dose di radiazioni massima a vita di 1×104 rad. È anche soggetto a problemi di decompressione dopo essere stato altamente pressurizzato e non deve essere esposto a fluttuazioni di temperatura superiori a 167°F.

Sedi delle valvole a sfera in PTFE caricato

In termini di PTFE caricato, le combinazioni più adatte sono grafite di carbonio e vetro caricato.  Il PTFE rinforzato con grafite di carbonio viene scelto rispetto al PTFE vergine quando le alte temperature e le pressioni fanno parte del normale ambiente operativo. Offre migliori caratteristiche di usura ed è meno probabile che subisca creep a freddo rispetto al PTFE vergine, pur mantenendo un coefficiente di attrito abbastanza basso.

Anche il PTFE caricato con vetro mantiene molti degli aspetti positivi del PTFE vergine, offrendo al contempo una migliore resistenza all'estrusione e migliori caratteristiche di usura. È spesso il materiale per la sede della valvola a sfera preferito per l'industria alimentare, lattiero-casearia e farmaceutica e mantiene comunque un coefficiente di attrito abbastanza basso. A causa delle fibre di vetro, tuttavia, è più probabile che sia abrasivo ed è anche incompatibile con sostanze chimiche note per attaccare il vetro, come acidi e caustici forti. Si noti che il PTFE caricato con vetro è resistente al fuoco.

Un'altra opzione è il PTFE rinforzato con acciaio inossidabile composto da 50% PTFE e 50% SS 316 in polvere. Questo particolare grado di PTFE caricato offre un intervallo di temperatura operativa leggermente più ampio rispetto al PTFE vergine (fino a 550°F) e può gestire pressioni molto più elevate. Il suo principale svantaggio è che il coefficiente di attrito è significativamente più alto, il che può portare a un'usura più rapida e a una coppia sullo stelo elevata. È, tuttavia, resistente al fuoco.

Sedi delle valvole a sfera in PEEK

Il PEEK ha molto in comune con il PTFE, tra cui un ampio intervallo di temperature da  -70°F a 600°F e una buona compatibilità chimica. Il suo coefficiente di attrito non è basso come il PTFE, ma funziona estremamente bene in applicazioni che coinvolgono alte temperature e pressioni. È anche più resistente all'abrasione e più resistente del PTFE.

A differenza del PTFE, offre prestazioni eccellenti se esposto alle radiazioni, rendendolo ben adattato alle applicazioni nucleari e funziona meglio a temperature estremamente elevate che il PTFE non può gestire, rendendolo una scelta eccellente per l'industria petrolifera e del gas. È anche ignifugo.

Il PEEK non ha la stessa gamma di compatibilità chimica del PTFE e non dovrebbe mai essere esposto all'acido solforico o utilizzato in ambienti corrosivi. Tuttavia, funziona bene in situazioni che coinvolgono l'esposizione continua ad acqua calda e vapore, nonché pressioni a vuoto ultra-elevate. Oltre ad essere significativamente più duro del PTFE, il PEEK mostra un comportamento fragile a temperature più basse.

Conclusione

PTFE, PTFE caricato e PEEK sono eccellenti polimeri ad alte prestazioni per le sedi delle valvole a sfera in un'ampia gamma di applicazioni.